[科普中國]-電磁相互作用力

電磁相互作用力是帶電荷粒子或具有磁矩粒子通過電磁場傳遞著相互之間的作用。

定義電磁相互作用力（英語：electromagnetic force）是處于電場、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。1在電動力學(xué)里，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(xué)里，兩個帶電粒子倚賴光子為媒介傳遞電磁力。帶電粒子是帶有凈電荷的粒子。電荷是基本粒子的內(nèi)秉性質(zhì)。只有帶電粒子或帶電物質(zhì)（帶有凈電荷的物質(zhì)）才能夠感受到電磁力，也只有帶電粒子或帶電物質(zhì)才能夠制成電場、磁場或電磁場來影響其它帶電粒子或帶電物質(zhì)。

對于決定日常生活所遇到的物質(zhì)的內(nèi)部性質(zhì)，電磁力扮演重要角色。在物質(zhì)內(nèi)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(zhì)呈現(xiàn)出各種各樣的物理與化學(xué)性質(zhì)。由于電子與原子核分別帶有的負(fù)電荷與正電荷，它們彼此之間會以電磁力相互吸引，使得電子移動于環(huán)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(gòu)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(dǎo)與驅(qū)動各種化學(xué)反應(yīng)，因此促成了所有生物程序。

概述在電動力學(xué)里，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：

其中，F(xiàn)是勞侖茲力，q是帶電粒子的電荷量，E是電場，v是帶電粒子的速度，B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(dǎo)出來的定律。

這方程式右邊有兩項，第一項是電場力，第二項是磁場力。

在靜電學(xué)里，場源電荷所產(chǎn)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(xué)里，無法獲得類似結(jié)果，因為只有移動中的電荷才會產(chǎn)生磁場，而移動中的點電荷無法構(gòu)成平穩(wěn)電流，無法用必歐-沙伐定律正確地計算出磁場。在電動力學(xué)里，應(yīng)用推遲勢概念，可以推導(dǎo)出必歐-沙伐點電荷定律。這定律給出，移動中的場源電荷所產(chǎn)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。

作用與反作用定律又分為兩種版本：強版本和弱版本。這里，第三定律所表述的是“弱版作用與反作用定律”。而“強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，還要求作用力和反作用力都作用在同一條直線上。萬有引力與靜電力都遵守強版作用與反作用定律?？墒牵谀承顩r下，作用力和反作用力并不同線（兩作用點的連線）。

設(shè)想兩個呈平移運動的電荷，其平移速度相同，但并不垂直于兩電荷的連線。由于必歐-沙伐點電荷定律與洛倫茲力定律計算出的作用力和反作用力并不同線，這一對電磁力只遵守弱版牛頓第三運動定律。若兩移動的電荷，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頓第三運動定律。

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(shù)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(xué)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(xiàn)象都是在十九世紀(jì)發(fā)現(xiàn)。而日常生活中可以感受到，超過原子尺度以外的現(xiàn)象，除了重力以外，其他都是因為電磁力而造成。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(jīng)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(xué)現(xiàn)象也都是由電磁力而來。

對于原子內(nèi)作用力和分子間作用力，需要了解的是因電子移動產(chǎn)生動量對應(yīng)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(dāng)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(zhì)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(chǎn)生等效力的平衡所決定。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，在某些狀況下，電磁力和弱核作用力會統(tǒng)一，稱為電弱交互作用，這個發(fā)現(xiàn)使得人類距離大統(tǒng)一理論更進一步，科學(xué)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。

量子電動力學(xué)當(dāng)進入到原子的尺度時（0.1nm），會發(fā)現(xiàn)所有的物質(zhì)都是由不同的原子構(gòu)成的，而原子是由不同的原子核與電子構(gòu)成的，帶負(fù)電的電子與帶正電的原子核（由質(zhì)子與中子構(gòu)成）經(jīng)由電磁作用緊密地結(jié)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(fā)展得相當(dāng)完善了，稱作量子電動力學(xué)。

量子電動力學(xué)是量子力學(xué)和電磁學(xué)的整合，在電動量子力學(xué)中，粒子和場的交互作用和光子有關(guān)，光子沒有質(zhì)量，屬于規(guī)范玻色子，光子和帶電粒子之間的交互作用造成了所有電磁學(xué)的現(xiàn)象。

參見電磁學(xué)

電學(xué)

磁學(xué)

重力

強核作用力

弱核作用力

量子色動力學(xué)

電弱統(tǒng)一理論

大統(tǒng)一理論

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所