Elektřina a magnetismus: Poznejte nejen Maxwellovy rovnice
Elektřina s magnetismem jsou nerozlučná dvojka. Bez tohoto spojení by dnešní svět vypadal úplně jinak, zapomeňte na mobily a televizi... Někdo však musel tyto souvislosti odhalit a vymyslet způsob, jak je využít. Elektromagnety zvedají břemena, jídlo si připravíte na indukční varné desce, vzduch je protkán komunikačními signály, to vše díky práci několika vědců před více než sto lety.
Až do 19. století si lidé mysleli, že elektřina a magnetismus spolu nutně nesouvisí. To se začalo měnit, když Hans Christian Oersted v roce 1820 odhalil, že elektrický proud ovlivňuje střelku kompasu. Když později roku 1831 Michael Faraday objevil elektromagnetickou indukci a dále také magnetické a elektrické siločáry, začalo se pomalu schylovat k přelomové změně v teorii elektřiny a magnetismu.
To už ale na scénu přichází James Clerk Maxwell (1831-1879) se svojí teorií elektromagnetického pole, také znám jako tvůrce Maxwellových rovnicí. Na jeho teoretických závěrech stojí celá řada pozdějších a mnohem známějších teorií včetně Einsteinovy teorie relativity. Někteří tak Maxwella považují dokonce za historicky nejvýznamnějšího fyzika z hlediska vlivu na další směřování lidstva.
Základy elektřiny a magnetismu: Co by měl vědět každý o Maxwellových rovnicích?
Pokud jste o elektřině a magnetismu slyšeli naposledy ve školních lavicích, a to už může být pěkná řádka let, připomeňte si aspoň následující. V okolí každého vodiče, kterým protéká elektrický proud, vzniká magnetické pole. A protože elektřina žije s magnetismem v nerozlučném svazku, funguje to i naopak. Ve vodiči, kterým pohybujete v blízkosti magnetu, můžete pozorovat (indukovaný) elektrický proud.
Jaké má toto spojenectví praktické využití? Můžete třeba vyrobit elektromagnet, který vytváří magnetické pole pomocí elektrického proudu. Základem je cívka s feromagnetickým jádrem. Když v závitech cívky prochází elektrický proud, je možné za určitých podmínek dosáhnout silnějšího magnetického pole než u jakéhokoli stálého magnetu. Možnost takový magnet „vypnout“ odpojením od elektřiny se v praxi také hodí (jeřáb na vrakovišti, zvonek, otevření dveří na dálku, zápis dat na pevný disk apod.)
James Clerk Maxwell a teorie elektromagnetického pole
J. C. Maxwell jako první matematicky popsal elektromagnetické pole jako nositele a zprostředkovatele všech elektrických a magnetických interakcí. Podle této teorie jsou veškeré jevy vznikající při změnách elektrického nebo magnetického pole symetrické a vzájemně propojené. Čtyři tzv. Maxwellovy rovnice, kterými je teorie popsána, vyjadřují v obecné rovině závislost mezi elektrickým a magnetickým polem a charakteristikami materiálu a prostředí (permitivita, permeabilita). Maxwell z velké části vyšel ze závěrů svých vědeckých kolegů, na které se ale dokázal podívat novýma očima a uvést je do vzájemných souvislostí.
Do svých rovnic Maxwell zahrnul Ampérův zákon celkového proudu, Faradayův zákon elektromagnetické indukce, Gaussovu elektrostatickou větu, Ohmův zákon nebo popis uzavřenosti magnetických indukčních čar.
Jak souvisí elektřina a magnetismus s optikou?
Maxwell došel k tomu, že elektrické a magnetické pole se šíří jako celek, tedy jako elektromagnetická vlna. Na základě výpočtů také odvodil, že takovou vlnou je i světlo. Jeho teorie elektromagnetického pole je tak zároveň teorií světla, čímž sjednotil elektřinu a magnetismus s optikou. Neměl však způsob, jak své teoretické výpočty prakticky dokázat. To se povedlo až Heinrichu Hertzovi devět let po Maxwellově smrti.
Kdyby tak Maxwell věděl, kam jeho myšlenky zavedou budoucí vědce a inženýry... Sám mohl ve své době komunikovat tak leda telegrafem a ačkoli existenci různých elektromagnetických vln teoreticky předpověděl, dnešní svět plný komunikačních technologií si asi dokázal představit jen stěží.
Na Maxwellových myšlenkách stavěly další generace vědců, kteří je rozvinuli do dnešní podoby rozhlasového a televizního vysílání, mobilních telefonů, bezdrátových datových přenosů, dálkových ovládačů, radarů nebo třeba mikrovlnné trouby.
- Albert Einstein, FyzikJe to ta nejpronikavější a nejplodnější proměna v chápání fyzikální reality, jakou vůbec fyzika prožila od Newtona
