查看“︁電磁力”︁的源代码

{{NoteTA|G1=物理學}}
[[File:Cyclotron motion.jpg|thumb|200px|感受到電磁力的作用，移動於[[磁場]]中的[[電子射束]]，其移動路徑呈圓形。[[電子]]經過的路徑會有紫色光發射出來。這是因為電子與玻璃球內的氣體分子碰撞而產生的現象。]]
'''電磁力'''（{{lang-en|electromagnetic force}}）是處於[[電場]]、[[磁場]]或[[電磁場]]的[[帶電粒子]]所受到的作用力。大自然的四種[[基本力]]中，電磁力是其中一種，其它三種是[[強作用力]]、[[弱作用力]]、[[引力]]。[[光子]]是傳遞電磁力的媒介。<ref>{{cite book|last1=Ravaioli|first1=Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto|title=Fundamentals of applied electromagnetics|date=2010|publisher=Prentice Hall|location=Boston|isbn=978-0-13-213931-1|edition=6th|accessdate=6 November 2014|ref=Ulaby13}}</ref>{{rp|13}}在[[经典电磁学]]裏，電磁力稱為[[勞侖茲力]]。延伸至相對論性[[量子場論]]，在[[量子電動力學]]裏，兩個帶電粒子倚賴[[光子]]為媒介傳遞電磁力。帶電粒子是帶有淨電荷的粒子。[[電荷]]是[[基本粒子]]的內秉性質。只有帶電粒子或帶電物質（帶有淨電荷的物質）才能夠感受到電磁力，也只有帶電粒子或帶電物質才能夠製成電場、磁場或電磁場來影響其它帶電粒子或帶電物質。

對於決定日常生活所遇到的物質的內部性質，電磁力扮演重要角色。在物質內部，[[分子]]與分子之間彼此相互作用的[[分子間作用力]]，就是電磁力的一種形式。分子間作用力促使一般物質呈現出各種各樣的[[物理]]與[[化學]]性質。由於電子與原子核分別帶有的負[[電荷]]與正電荷，它們彼此之間會以電磁力相互吸引，使得電子移動於環繞著原子核的[[原子軌道]]，與原子核共同組成[[原子]]。分子的建構組元是原子。幾個鄰近原子的電子與電子、電子與原子核、原子核與原子核，以電磁力彼此之間相互作用，主導與驅動各種[[化學反應]]，因此促成了所有生物程序。<ref name="KakuThompson1997">{{cite book|author1=Michio Kaku|author2=Jennifer Trainer Thompson|title=Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe|url=https://archive.org/details/beyondeinsteinsu0000kaku|year=1997|publisher=Oxford University Press|isbn=978-0-19-286196-2}}</ref>{{rp|6-7}}<ref name="Adams2010">{{cite book|author=Fred C. Adams|title=Origins of Existence: How Life Emerged in the Universe|date=11 May 2010|publisher=Simon and Schuster|isbn=978-1-4391-3820-5}}</ref>{{rp|8-9}}

==概述==
在[[電動力學]]裏，若考慮一帶電粒子在電磁場中的受力，可以用以下的[[勞侖茲力]]定律表示：

: <math>\mathbf{F} = q (\mathbf{E} +\mathbf{v} \times \mathbf{B})</math>；

其中，<math>\mathbf{F}</math>是勞侖茲力，<math>q</math>是帶電粒子的[[電荷量]]，<math>\mathbf{E}</math>是電場，<math>\mathbf{v}</math>是帶電粒子的[[速度]]，<math>\mathbf{B}</math>是磁場。

勞侖茲力定律是一個基本[[公理]]，不是從別的理論推導出來的定律。

這方程式右邊有兩項，第一項是電場力<math>\mathbf{F}_E = q \mathbf{E}</math>，第二項是磁場力<math>\mathbf{F}_B = q \mathbf{v} \times \mathbf{B}</math>。

[[File:Weak Action and Interaction Law Example.svg|200px|thumb|當兩個[[帶電粒子]]都以相同速度<math>\mathbf{v}</math>移動時，帶正電粒子<math>+q</math>會感受到[[電場力]]<math>\mathbf{F}_E</math>、[[磁場力]]<math>\mathbf{F}_M</math>與[[淨力]]<math>\mathbf{F}_T</math>，帶負電粒子<math>-q</math>會感受到電場力<math>-\mathbf{F}_E</math>、磁場力<math>-\mathbf{F}_M</math>與淨力<math>-\mathbf{F}_T</math>。注意到作用力<math>\mathbf{F}_T</math>和反作用力<math>-\mathbf{F}_T</math>不同線。在本圖內，速度<math>\mathbf{v}</math>的大小不按比例繪製。]]
在[[靜電學]]裏，場源電荷所產生的電場與試探距離的平方成反比，所以電場力與試探距離的平方成反比。在[[靜磁學]]裏，無法獲得類似結果，因為只有移動中的電荷才會產生磁場，而移動中的點電荷無法構成平穩電流，無法用[[必歐-沙伐定律]]正確地計算出磁場。在[[電動力學]]裏，應用[[推遲勢]]概念，可以推導出[[毕奥-萨伐尔定律#等速運動的點電荷所產生的電場和磁場|必歐-沙伐點電荷定律]]。這定律給出，移動中的場源電荷所產生的電場、磁場與試探距離的平方成反比。所以，電磁力遵守[[平方反比定律]]。<ref name=Griffiths>{{cite book | author=Griffiths, David J.|title=Introduction to Electrodynamics (3rd ed.)| publisher=Prentice Hall|year=1998 |isbn=0-13-805326-X}}</ref>{{rp|435-440}}

作用與反作用定律又分为两种版本：强版本和弱版本。这里，第三定律所表述的是「弱版作用與反作用定律」。而「强版作用與反作用定律」，除了弱版作用與反作用定律所要求的以外，还要求作用力和反作用力都作用在同一条[[直线]]上。[[万有引力]]与[[静电]]力都遵守强版作用與反作用定律。可是，在某些状况下，作用力和反作用力并不同线（两作用点的連线）。

設想两个呈[[平移運動]]的[[电荷]]，其平移速度相同，但并不垂直於两电荷的连线。由於[[毕奥-萨伐尔定律#等速運動的點電荷所產生的電場和磁場|必歐-沙伐點電荷定律]]与[[洛伦兹力|洛伦兹力定律]]計算出的作用力和反作用力并不同線，这一對電磁力只遵守[[牛顿第三运动定律#定律的两种版本|弱版牛顿第三运动定律]]。若两移動的电荷，其移動的速度互相垂直，則它們各自感受到的電磁力不遵守弱版牛顿第三运动定律。<ref name="Herb1980">{{cite book en|last=Goldstein|first=Herbert|title=Classical Mechanics|year=1980| location=United States of America | publisher=Addison Wesley| edition= 3rd| isbn=0201657023}}</ref>{{rp|7}}<ref name="Griffiths1998">{{citation| author=Griffiths, David J.|title=Introduction to Electrodynamics (3rd ed.)| publisher=Prentice Hall |year=1998|isbn=0-13-805326-X}}</ref>{{rp|349-351}}

== 基本交互作用==
電磁力是四種[[基本交互作用]]中的一種，其他的基本交互作用有：
* [[弱交互作用]]，影響所有[[費米子]]，即所有[[自旋]]為半奇數的粒子，而弱交互作用會影響所有費米子，次原子粒子的[[放射性衰變]]就是由它引起（在[[粒子物理學]]中，弱交互作用和電磁力可以用[[電弱相互作用]]來描述）。
* [[強交互作用]]，束縛[[夸克]]形成[[核子]]，束縛核子形成[[原子核]]。
* [[重力]]

所有其他的力（例如[[摩擦力]]）都是由這些粒子運動帶來的基本交互作用及動量而來。

許多電磁力的現象都是在十九世紀發現<ref name="葉中敏2002"/>。而日常生活中可以感受到，超過原子尺度以外的現象，除了重力以外，其他都是因為電磁力而造成<ref name="葉中敏2002">{{cite book|author=葉中敏|title=人情物理楊振寧|url=http://books.google.com/books?id=0mfFh4jfNhcC&pg=PA181|year=2002|publisher=Chinese University Press|isbn=978-962-996-086-5|pages=181–}}</ref>。大致上，所有原子之間的交互作用力都可以由帶電的[[原子核]]和電子之間的電磁力，以及這些粒子的動量來說明。這包括日常經驗到推或拉一物體的力，可以解釋為身體的[[分子]]和物體[[分子]]的[[分子間作用力]]，所有的化學現象也都是由電磁力而來。

對於原子內作用力和分子間作用力，需要了解的是因電子移動產生動量對應的等效力，以及在相互作用的原子間移動的電子，以及其帶有的動量。當電子越來越密集，因著[[泡利不相容原理]]，其最小動量必須變大。物質在分子尺度下的特性（包括其密度）是靠電磁力以及電子上動量交換產生等效力的平衡所決定。

近年來研究發現，在某些狀況下，電磁力和弱核作用力會統一，稱為[[電弱交互作用]]，這個發現使得人類距離[[大統一理論]]更進一步，科學家[[阿卜杜勒·薩拉姆]]、[[謝爾登·格拉肖]]以及[[史蒂文·溫伯格]]也因此獲頒1979年的[[諾貝爾物理獎]]<ref>
{{cite book |author=S. Bais |year=2005 |title=The Equations: Icons of knowledge |page=84 |isbn=0-674-01967-9
}}</ref><ref>{{cite web |url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/ |title=The Nobel Prize in Physics 1979 |publisher=The Nobel Foundation |accessdate=2008-12-16 |archive-date=2014-07-07 |archive-url=https://www.webcitation.org/6Qspj2Qg3?url=http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/ |dead-url=no }}</ref>。

==相對論下的電磁力 ==
{{main|经典电磁学|電磁場|经典电磁理论的协变形式}}<!-- from https://ca.wikipedia.org/wiki/For%C3%A7a_electromagn%C3%A8tica -->
在[[狭义相对论]]中的電磁交互作用會用一個稱為[[電磁場]][[張量]]的二維張量描述：
:<math>\mathbf{F} =
\begin{pmatrix}
F_{00} & F_{01} & F_{02} & F_{03} \\
F_{01} & F_{11} & F_{12} & F_{13} \\
F_{02} & F_{21} & F_{22} & F_{23} \\
F_{03} & F_{31} & F_{32} & F_{33}
\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}
0 & E_x/c & E_y/c & E_z/c \\
-E_x/c & 0 & B_z & -B_y \\
-E_y/c & -B_z & 0 & B_x \\
-E_z/c & B_y & -B_x & 0
\end{pmatrix}
</math>

以張量方式表示，符合[[馬克士威方程組]]的電磁場張量（以CGS制表示）如下：<!--<ref>{{ref-llibre|cognom=Landau|nom=Lev Davidovich|cognom2=Lifshitz|nom2=Evgeny Mikhailovich|títol=The Classical Theory of Fields (Course of Theoretical Physics: Volume 2)|pàgina=86|editorial=Reverté|any=1992|isbn=84-291-4082-4}}</ref>-->
:<math> {\partial F^{\alpha\beta} \over {\partial x^{\alpha}}} = {4 \pi \over c }J^{\beta} \qquad
{\partial F_{\alpha\beta} \over \partial x^\gamma} + {\partial F_{\gamma\alpha} \over \partial x^\beta} + {\partial F_{\beta\gamma} \over \partial x^\alpha} = \epsilon_{\mu\beta\gamma}g^{\alpha\mu}{\partial F^{\beta\gamma} \over \partial x^\alpha} = 0 </math>

方程式還可以用[[外微分]]及[[霍奇對偶]]寫成更簡潔的形式：
:<math>\mathrm{d}\mathbf{F} = 0 \qquad *\mathrm{d}(*\mathbf{F}) =
\frac{4\pi}{c} \mathbf{J}</math>

若方程式為以上的形式，而電磁往外延伸的區域是[[單連通]]的，則電磁場可以表示為一個[[电磁四维势]]的[[外導數]]，电磁四维势是[[四維矢量|四維]]勢向量，和經典電磁學的勢有以下的關係：
:<math>\mathbf{A} = (A_0; A_1, A_2, A_3) = (\phi; \mathbf{A})</math>

其中
:<math>\phi\;</math>為靜電勢
:<math>\mathbf{A}</math>為向量勢

上述的替換大幅增昇了方程式的解析度，其實上，四維勢向量和電磁張量的關係為：
:<math>\mathbf{F} = \mathrm{d}\mathbf{A} =
\frac{1}{2!} \frac{\partial A_\beta}{\partial x^\alpha}-\frac{\partial A_\alpha}{\partial x^\beta} dx^\alpha \land dx^\beta = \frac{1}{2!} F_{\alpha\beta} dx^\alpha \land dx^\beta</math>

電磁作用可以完全用定義電磁場矢量來表示，這也是現在的電磁作用會用向量表示的原因（在量子處理中，則是向量玻色子）。

在[[廣義相對論]]中，在彎曲[[时空]]的電磁場和[[閔可夫斯基時空]]相近，不過偏微分會用[[共变导数]]表示。

== 量子電動力學 ==
{{main|量子電動力學}}
[[File:Electron-positron-scattering.svg|right|thumb|200px|在[[巴巴散射]]裏，[[電子]]與[[正電子]]彼此之間倚賴交換[[光子]]來實現電磁力。]]
當進入到[[原子]]的尺度時（0.1nm），會發現所有的物質都是由不同的原子構成的，而原子是由不同的[[原子核]]與[[電子]]構成的，帶[[負電]]的電子與帶[[正電]]的原子核（由[[質子]]與[[中子]]構成）經由[[電磁作用]]緊密地結合在一起。

但在原子的尺度時，必須用[[量子化]]的[[電磁場]]來描述。這種描述把兩粒子之間的作用看成是在交換[[光子]]。在1950年代，這種描述就已發展得相當完善了，稱作[[量子電動力學]]。 

量子電動力學是[[量子力學]]和[[電磁學]]的整合，在電動量子力學中，粒子和場的交互作用和[[光子]]有關，光子沒有質量，屬於[[規範玻色子]]，光子和帶電粒子之間的交互作用造成了所有電磁學的現象。

根據[[不確定性原理|能量-時間不確定性原理]]，
:<math>\Delta E\Delta t \approx \hbar</math>；

其中，<math>\Delta E</math>、<math>\Delta t</math>分別是能量、時間的不確定性，<math>\hbar</math>是[[約化普朗克常數]]。

一個質量為<math>m</math>的媒介粒子最多只能存在<math>T\approx\hbar/mc^2</math>時間，否則，能量-時間不確定性原理會被違反。在時間<math>T</math>內，這媒介粒子只能移動<math>cT</math>距離，因此，作用力的作用範圍<math>R</math>大約為
:<math>R\approx \hbar/mc</math>。

例如，[[W玻色子]]的質量為80GeV，所以，弱力的作用範圍大約為10<sup>-18</sup>m。

由於光子的質量為零，電磁力的作用範圍為無窮遠。<ref name="Jelley1990">{{cite book|author=N. A. Jelley|title=Fundamentals of Nuclear Physics|url=https://archive.org/details/fundamentalsofnu0000jell|date=22 March 1990|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0-521-26994-0}}</ref>{{rp|79-80}}

== 计量和单位 ==

{| class="wikitable"
! colspan="5" | {{tnavbar-header|[[国际单位制]]电磁学单位|国际单位制电磁学单位}}
|-
!符号
!计量名称
!衍生单位
!单位
!基本单位
|-
| ''I'' 
| [[电流]]
| [[安培]]（[[国际单位制]]）
| A
| A（= W/V = C/s）
|-
| ''Q''
| [[電荷]]
| [[库仑]]
| C
| A⋅s 
|-
| ''U'', Δ''V'', Δ''φ''; ''E''
| [[電壓]]；[[電動勢]]
| [[伏特]]
| V
| kg⋅m<sup>2</sup>⋅s<sup>−3</sup>⋅A<sup>−1</sup>（= J/C）
|-
| ''R''; ''Z''; ''X''
| [[电阻]]；[[阻抗]]；[[电抗]]
| [[歐姆]]
| Ω
| kg⋅m<sup>2</sup>⋅s<sup>−3</sup>⋅A<sup>−2</sup>（= V/A）
|-
| ''ρ''
| [[电阻率]]
| [[歐姆]]米
| Ω⋅m
| kg⋅m<sup>3</sup>⋅s<sup>−3</sup>⋅A<sup>−2</sup>
|-
| ''P''
| [[電功率]]
| [[瓦特]]
| W
| kg⋅m<sup>2</sup>⋅s<sup>−3</sup>（= V⋅A）
|-
| ''C''
| [[電容]]
| [[法拉]]
| F
| kg<sup>−1</sup>⋅m<sup>−2</sup>⋅s<sup>4</sup>⋅A<sup>2</sup>（= C/V）
|-
| '''E'''
| [[電場]]力
| [[伏特]]每米
| V/m
| kg⋅m⋅s<sup>−3</sup>⋅A<sup>−1</sup>（= N/C）
|-
| '''D'''
| [[電位移]]
| [[库仑]]每平方米
| C/m<sup>2</sup>
| A⋅s⋅m<sup>−2</sup>
|-
| ''ε''
| [[电容率]]
| [[法拉]]每米
| F/m
| kg<sup>−1</sup>⋅m<sup>−3</sup>⋅s<sup>4</sup>⋅A<sup>2</sup>
|-
| ''χ''<sub>e</sub>
| [[電極化率]]
|（无量纲）
| –
| –
|-
| ''G''; ''Y''; ''B''
| [[电导]]；[[导纳]]；[[电纳]]
| [[西門子 (單位)|西门子]]
| S
| kg<sup>−1</sup>⋅m<sup>−2</sup>⋅s<sup>3</sup>⋅A<sup>2</sup>（= Ω<sup>−1</sup>）
|-
| ''κ'', ''γ'', ''σ''
| [[电导率]]
| [[西門子 (單位)|西门子]]每米
| S/m
| kg<sup>−1</sup>⋅m<sup>−3</sup>⋅s<sup>3</sup>⋅A<sup>2</sup>
|-
| '''''B'''''
| [[磁場|磁感应强度]]
| [[特斯拉 (单位)|特斯拉]]
| T
| kg⋅s<sup>−2</sup>⋅A<sup>−1</sup>（= Wb/m<sup>2</sup> = N⋅A<sup>−1</sup>⋅m<sup>−1</sup>)
|-
| <math> \Phi </math>
| [[磁通量]]
| [[韦伯 (单位)|韦伯]]
| Wb
| kg⋅m<sup>2</sup>⋅s<sup>−2</sup>⋅A<sup>−1</sup>（= V⋅s）
|-
| '''H'''
| [[磁場]]力
| [[安培]]每米
| A/m
| A⋅m<sup>−1</sup>
|-
| ''L'', ''M''
| [[电感]]
| [[亨利 (单位)|亨利]]
| H
| kg⋅m<sup>2</sup>⋅s<sup>−2</sup>⋅A<sup>−2</sup>（= Wb/A = V⋅s/A）
|-
| ''μ''
| [[磁导率]]
| [[亨利 (单位)|亨利]]每米
| H/m
| kg⋅m⋅s<sup>−2</sup>⋅A<sup>−2</sup>
|-
| ''χ''
| [[磁化率]]
|（无量纲）
| –
| –
|}

== 參見 ==
{{portal|物理學}}
* [[電磁學]]
* [[電學]]
* [[磁學]]
* [[重力]]
* [[强相互作用|強核作用力]]
* [[弱相互作用|弱核作用力]]
* [[量子色動力學]]
* [[电弱相互作用|電弱統一理論]]
* [[大统一理论|大統一理論]]

==參考資料==
{{reflist}}

{{基本力}}

[[Category:电磁学|D]]
[[Category:基本相互作用|D]]

[[ml:വിദ്യുത്കാന്തികബലം]]