ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า แรงพื้นฐานของธรรมชาติ

แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานของธรรมชาติ ในยุคแรกเริ่ม ไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกศึกษาแยกจากกันและถือว่าเป็นปรากฏการณ์ที่แตกต่างกัน จนกระทั่ง ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted) ค้นพบว่าทั้งสองมีความเกี่ยวข้องกัน โดยกระแสไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ ต่อมา ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ได้ค้นพบในทางกลับกันว่าสนามแม่เหล็กสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ และเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) ได้รวบรวมแนวคิดทั้งหมดเข้าด้วยกันเป็นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าหนึ่งเดียว

สมการของแมกซ์เวลล์ชี้ให้เห็นว่ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่จริง ซึ่งได้รับการยืนยันจากการทดลองของ ไฮนริช เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) ทำให้การสื่อสารทางวิทยุเป็นไปได้ นอกจากนี้ แมกซ์เวลล์ยังเสนอว่าแสงเป็นรูปแบบหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งทำให้วิชาทัศนศาสตร์กลายเป็นส่วนหนึ่งของแม่เหล็กไฟฟ้า โดยคลื่นวิทยุแตกต่างจากแสงเพียงแค่มีความยาวคลื่นที่ยาวกว่ามาก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ยังแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กเกิดจากการเคลื่อนที่เชิงสัมพัทธ์ของสนามไฟฟ้า ดังนั้นแม่เหล็กจึงเป็นผลพลอยได้ของไฟฟ้า ในปัจจุบัน การศึกษาแม่เหล็กไฟฟ้าในเชิงทฤษฎีขั้นสูงจะใช้ควอนตัมฟิลด์ในวิชาควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (Quantum Electrodynamics)

การประยุกต์ใช้ในระดับต่างๆ

ในทางวิศวกรรมไฟฟ้า หลายสถานการณ์ไม่จำเป็นต้องใช้ทฤษฎีควอนตัมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง ฟิสิกส์แบบคลาสสิกยังคงเป็นค่าประมาณที่แม่นยำสำหรับวัตถุขนาดใหญ่ (Macroscopic objects) โดยทฤษฎีควอนตัมจะจำเป็นเฉพาะในระดับอะตอมเท่านั้น

• ไฟฟ้าสถิต (Electrostatics): ศึกษาเฉพาะประจุไฟฟ้าที่หยุดนิ่ง ดังนั้นจึงไม่มีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น
• แม่เหล็กถาวร: สามารถอธิบายได้โดยไม่ต้องอ้างอิงถึงไฟฟ้าหรือแม่เหล็กไฟฟ้า
• ทฤษฎีวงจร (Circuit Theory): ศึกษาเครือข่ายไฟฟ้าที่สนามไฟฟ้าและแม่เหล็กถูกจำกัดอยู่รอบตัวนำที่นำกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถใช้สูตรที่ง่ายกว่าสมการของแมกซ์เวลล์ได้

ในทางกลับกัน การใช้ทฤษฎีควอนตัมมีความสำคัญมากในวิชาเคมี เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีและการสร้างพันธะเคมีเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์เชิงควอนตัมของอิเล็กตรอนรอบอะตอม รวมถึงการอธิบายการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางชนิด เช่น ไดโอดอุโมงค์ (Tunnel Diode)

ประจุไฟฟ้า (Electric Charge)

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานของธรรมชาติ ร่วมกับแรงโน้มถ่วง แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม และแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ในขณะที่แรงโน้มถ่วงกระทำต่อทุกสิ่งที่มีมวล แม่เหล็กไฟฟ้าจะกระทำต่อทุกสิ่งที่มีประจุไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีกฎการอนุรักษ์ประจุ ซึ่งหมายความว่าประจุในระบบปิดจะต้องมีค่าคงที่

กฎพื้นฐานที่อธิบายแรงระหว่างวัตถุที่มีประจุในฟิสิกส์คลาสสิกคือ กฎของคูลอมบ์ (Coulomb's Law) ซึ่งมีสูตรดังนี้:

โดยที่ F คือแรง, ke คือค่าคงที่ของคูลอมบ์, q1 และ q2 คือขนาดของประจุทั้งสอง และ r^2 คือกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุ กฎนี้อธิบายว่าประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน และประจุต่างชนิดกันจะดึงดูดกัน ยิ่งประจุมีค่ามาก แรงยิ่งมาก และเป็นกฎกำลังสองผกผัน ซึ่งหมายความว่าหากระยะห่างเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แรงจะลดลงเหลือหนึ่งในสี่

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก (Electric and Magnetic Fields)

ในทางฟิสิกส์ "สนาม" (Field) คือสิ่งที่ปฏิสัมพันธ์กับสสาร ซึ่งสามารถอธิบายทางคณิตศาสตร์ได้โดยการกำหนดค่าให้กับทุกจุดในพื้นที่และเวลา สนามเวกเตอร์ (Vector Field) คือสนามที่มีทั้งขนาดและทิศทางในทุกจุด

ประจุไฟฟ้าจะสร้างสนามไฟฟ้าขึ้นมา ซึ่งความเข้มของสนามไฟฟ้าจะกำหนดความแรงของแรงไฟฟ้าที่อนุภาคที่มีประจุจะได้รับ และทิศทางของสนามจะกำหนดทิศทางของแรงนั้น โดยข้อตกลงคือ ทิศทางของสนามไฟฟ้าจะมีทิศเดียวกับแรงที่กระทำต่อประจุบวก และทิศตรงข้ามกับแรงที่กระทำต่อประจุลบ

ความสัมพันธ์นี้สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้:

นอกจากสนามไฟฟ้าแล้ว อนุภาคที่มีประจุที่กำลังเคลื่อนที่จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา ซึ่งจะส่งผลต่อประจุตัวอื่นที่กำลังเคลื่อนที่เช่นกัน โดยทิศทางของแรงที่เกิดจากสนามแม่เหล็กจะตั้งฉากกับทั้งทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุและทิศทางของสนามแม่เหล็ก