Na początek warto przytoczyć parę faktów dotyczących historii elektromagnetyzmu. Początkowo elektryczność i magnetyzm stanowiły dwie odrębne dziedziny nauki. Początki badań nad elektrycznością sięgają szóstego wieku przed naszą erą. Wtedy to Tales z Miletu obserwował zachowanie się naelektryzowanych ciał na przykładzie przyciągania przez potarty wcześniej bursztyn ździebeł trawy.

Później wzajemne oddziaływanie naelektryzowanych ciał obserwowano m.in. na przykładzie odpychania się dwóch naelektryzowanych pałeczek ebonitowych oraz przyciągania się nawzajem pałeczki ebonitowej i szklanej. Wniosek jaki wysnuli ówcześni uczeni sprowadzał się do tego, że podczas procesu pocierania na powierzchniach ciał muszą powstawać ładunki elektryczne. Nie rozróżniano jeszcze wtedy znaków ładunków ani ich nie nazywano.

Nazwy ładunki elektryczne zawdzięczają dopiero Beniaminowi Franklinowi. Uczony ładunki gromadzące się na szkle nazwał dodatnimi, a te z pałeczki ebonitowej ujemnymi.

Franklin zajmował się też badaniem natury wyładowań atmosferycznych. Wtedy jeszcze niewiele wiedziano na temat piorunów. Uczony udowodnił, że piorun jest jednym ze zjawisk elektrycznych. Skonstruował nawet pierwowzór piorunochronu. Wtedy jeszcze proces wytwarzania prądu elektrycznego na sposób ciągły wydawał się niemożliwy.

Taki pogląd panował do czasu skonstruowania przez Aleksandro Voltę pierwszego ogniwa galwanicznego zwanego "stosem Volty". Ogniwo takie składało się z wielu płytek wykonanych ze srebra i cynku ułożonych naprzemiennie jedna na drugiej. Pomiędzy płytkami znajdował się papier nasączony roztworem soli kuchennej. Odkrycie to uświadomiło całemu naukowemu światu jakie możliwości otwierają się teraz przed badaczami. Zajęli się oni udoskonalaniem ogniwa Volty. Już natychmiast przeciągu ośmiu lat od jego odkrycia doszło do wyodrębnienia za pomocą metod elektrolitycznych nowych pierwiastków takich jak: potas, sód, wapń, magnez, stront i bar.

Natomiast początki magnetyzmu dotyczą czasów kiedy zostały poznane własności kamieni znajdywanych w Azji Mniejszej. Kamienie te były w stanie przyciągać opiłki żelaza. Od obszaru gdzie były znajdywane w największych ilościach otrzymały nazwę magnesów a całą naukę nazwano magnetyzmem.

Do naturalnych magnesów należy również Ziemia. Wiedza dotycząca wpływu pola magnetycznego na położenie igły magnetycznej kompasu nieobca była już ludom starożytnym.

Ważną własnością magnesów jest to ,że w przyrodzie nie spotyka się izolowanych pojedynczych biegunów magnetycznych. Zawsze występują w postaci dipoli magnetycznych.

Analogicznie do ładunków bieguny jednoimienne magnesów będą się nawzajem odpychać a bieguny różnoimienne będą się przyciągać.

Wokół magnesu oraz przewodnika z prądem rozciąga się przestrzeń nazywana polem magnetycznym. Wielkością charakteryzująca pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej B. Jeżeli w polu magnetycznym o indukcji B zaczyna poruszać się z prędkością v próbny ładunek q to działa na niego siłą zdefiniowana zależnością:

Wartość tej siły zatem można przedstawić za pomocą równania:

Wektor siły magnetycznej jest zawsze prostopadły do płaszczyzny wyznaczonej przez wektory prędkości i indukcji magnetycznej. Wynika z tego, że siła magnetyczna zawsze będzie siłą odpychającą. Siał będzie miał wartość zero jeśli ładunek przestanie się poruszać czyli będzie miał zerowa prędkość lub gdy kierunek wektora prędkości będzie równoległy do kierunku wektora indukcji magnetycznej.

Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla T.

Jednym z uczonych , którzy najbardziej zasłynęli z prac nad zjawiskiem elektromagnetyzmu jest Michael Faraday. Uczony ten urodził się w roku 1791, w Newington, dzisiejszej części Londynu. Ojciec Faradaya pracował jako kowal . Ponieważ rodzina nie miała pieniędzy na kształcenie dzieci Faraday ukończył zaledwie szkołę podstawową. Pierwszą pracę rozpoczął już w wieku 13 lat, został posłańcem u introligatora. Potem został jego uczniem. I to właśnie tam, w pracowni introligatorskiej rozpoczęła się jego przygoda z elektromagnetyzmem. Jedna z prac jaką składał opisywał zjawiska elektryczne. Faraday zafascynował się elektrycznością i nade wszystko pragnął zająć się praca badawczą. Niestety wyrwanie się ze środowiska robotniczego było rzeczą bardzo trudną. Myślał, że pomoże mu w tym wstąpienie do Towarzystwa Filozoficznego, uczestniczył w wielu wykładach i doświadczeniach naukowych. Przez pewien czas pracował jako pomocnik tymczasowy w Royal Institution. Szczęśliwy traf sprawił, że w 1813 roku zwolniła się w tymże instytucie posada asystenta. Zaproponowano to stanowisko Faraday'owi. Od tej pory zaczął pracować u Davy'ego. Jednak współpraca nie układała się dobrze. Davy był zazdrosny o postępy Faradaya, który zaczął publikować pierwsze prace. Jednak zabrał młodego naukowca w podróż po placówkach badawczych w Europie. Spotkali m.in. Amperea i Voltę. W 1824 roku Faraday został członkiem Towarzystwa Królewskiego, a rok później objął posadę dyrektora laboratorium w Royal Institution. Zmarł w swoim domu w Hampton Court w 1867 roku.

Odkrycia pozwalającym powiązać elektryczność z magnetyzmem dokonał w roku 1820 Oersted. Zaobserwował on mianowicie, że w przestrzeni wokół przewodnika z prądem igła magnetyczna ulega odchyleniu. Wyciągnął z tego wniosek, że przewodnik z prądem musi generować pole magnetyczne.

Wyniki obserwacji przeprowadzanych przez Oersteda pozwoliły na konstrukcję urządzeń zwanych elektromagnesami.

Elektromagnesy są urządzeniami służącymi do generowania pola magnetycznego. Zbudowane są z ferromagnetycznego rdzenia , na który nawinięta jest cewka. Przez cewkę przepływa prąd elektryczny. Przepływ prądu powoduje wytworzenie przez cewkę pola magnetycznego, które oddziałuje na ferromagnetyczny rdzeń powodując jego magnesowanie. Równocześnie samo pole magnetyczne cewki ulega wzmocnieniu.

Gdy prąd płynący w cewce zostaje wyłączony to efekty magnetyczne zanikają. Dochodzi do rozmagnesowania rdzenia. Pierwszy elektromagnes powstał w roku 1825. Dokonał tego Sturgeon. Miał on postać rdzenia wykonanego z żelaza, pokrytego lakiem w celach izolacyjnych. Na rdzeń nawinięto nieizolowany drut. To był pierwowzór dzisiejszych elektromagnesów. Od tamtego czasu wprowadzono ulepszenia. Między innymi J. Henry wprowadził izolowany jedwabną nicią drut. Dawał to możliwość nawinięcia na rdzeń większej ilości uzwojeń co w konsekwencji powodowało wzmocnienie elektromagnesu.

Obecnie w budowie elektromagnesów wykorzystuje się cewki nadprzewodzące. Robi się je obecnych materiałów, które mają nadprzewodzące własności czyli m.in. w odpowiednio niskich temperaturach zanika w nich opór elektryczny.

Wyniki obserwacji Oersteda zyskały dużą popularność w świecie naukowym. Jednym Ersteda naukowców , który bliżej zainteresował się tym zjawiskiem był Ampere. Sam tez odkrył niebawem coś bardzo ważnego. Mianowicie przeprowadził doświadczenie z wykorzystaniem drutu otoczonego małymi magnesikami. Jeśli w drucie nie płynął prąd to o ułożeniu magnesów decydowało ziemskie pole magnetyczne. Natomiast jeśli prąd został włączony to ułożyły się one wokół drutu pokazując, że linie pola magnetycznego stanowią współśrodkowe okręgi.

Udało mu się ustalić również, że dwa równoległe przewodniki z prądem oddziałują na siebie za pośrednictwem pola magnetycznego. Jeśli przez te przewodniki prąd płynie w tym samym kierunku to będą się one przyciągać, a jeśli w przeciwnym to występuje zjawisko odpychania.

Ampere zaobserwował również, że jeśli w zwiniętej cewce będzie płynął prąd to będzie ona zachowywać się jak magnes sztabkowy. Prawo sformułowane przez Ampere'a dotyczy zależności między natężeniem prądu a polem magnetycznym. Prawo to pozwala znaleźć pole magnetyczne wytwarzane np. przez przewodniki z prądem.

Można go zapisać za pomocą zależności:

gdzie I- natężenie prądu , to przenikalność magnetyczna próżni.

Ponieważ zazwyczaj rozpatrywane zjawiska nie mają miejsca w próżni lecz w ośrodku materialnym więc wzór należy uzupełnić o wielkość zwaną względną przenikalność magnetyczną ośrodka . Wzór będzie więc miał następującą postać:

Jednym z najważniejszych równań opisujących elektromagnetyzm jest prawo sformułowane przez Faradaya. Zwane jest ono prawem indukcji Faradaya. Doświadczenia, które doprowadziły do powstania tego prawa uczony przeprowadził w roku 1831. Faraday wykorzystał zwój, który wykonał z przewodnika oraz galwanometr przyłączony do jego końców. Okazało się, że w trakcie poruszania się magnesu do sztabki i z powrotem następowało wychylanie się wskazówki przyrządu. W momencie gdy sztabka magnesu zbliżała się do cewki wychylenie wskazówki wskazywała na pojawienie się prądu w obwodzie. Natomiast, gdy sztabka została zatrzymana w pobliżu zwoju prąd w obwodzie zaniknął. W momencie oddalania magnesu od zwoju wskazówka znowu się wychylała, tym razem w przeciwnym kierunku. Oznacza to, że w obwodzie znowu zaczął płynąć prąd, ale tym razem ma kierunek przeciwny.

Kolejnym etapem w doświadczeniu było powtórzenie wszystkich etapów eksperymentu z biegunem południowym magnesu. I ponownie galwanometr wskazał na pojawienie się prądu w obwodzie, tym razem w kierunkach przeciwnych. Na podstawie tych obserwacji Faraday doszedł do wniosku, że w całym tym zjawisku chodzi o względny ruch obwodu i magnesu. W obwodzie pojawia się indukowana siła elektromotoryczna, która powoduje przepływ prądu w obwodzie. Nosi on nazwę prądu indukcyjnego.

W dalszej pracy uczony wykorzystał układ dwóch cewek położonych blisko siebie. Jeden ze zwojów miał źródło siły elektromotorycznej w postaci baterii. Poza tym istniała możliwość otwierania i zamykania obwodu. Drugi obwód połączony był z galwanometrem.

W momencie, gdy w pierwszym obwodzie, z baterią, płynął prąd stały wskazówka galwanometru nie wychylała się. Natomiast w momencie zamykania, otwierania przełącznika lub odłączenia baterii wskazania galwanometru potwierdziły pojawienie się w drugim obwodzie prądu indukowanego.

Na podstawie wyników tych eksperymentów uczony sformułował prawo, które nosi nazwę prawa indukcji Faradaya. Mówi ono ,że siła elektromotoryczna, która jest indukowana w obwodzie, równa się szybkości zmian strumienia indukcji magnetycznej przechodzącego przez ten obwód.

Natomiast siła elektromotoryczna samoindukcji wyraża się zależnością:

gdzie: L - współczynnik samoindukcji

I - natężenie prądu

Kierunek indukowanego prądu można wyznaczyć z reguły Lenza. Mówi ona, że indukowany prąd ma taki kierunek, aby wytwarzany przez niego strumień magnetyczny przeciwdziałał zmianom strumienia, które go wywołały.

Jednym z urządzeń , w których zostało wykorzystane zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest transformator. Zbudowany jest on z rdzenia , na który zostały nawinięte dwie cewki. Prąd przemienny płynący w jednej z cewek powoduje powstanie siły elektromotorycznej indukcji w drugiej cewce. Zależność między liczbą zwojów poszczególnych cewek a napięciami w cewkach można przedstawić następująco:

Gdzie U to napięcia, a N to liczby zwojów na poszczególnych cewkach. Z powyższej zależności widać, że stosunek napięcia w obu cewkach jest równy stosunkowi zwojów.

Dzięki temu poprzez regulację liczby zwojów w cewkach można dokonywać zmiany napięć z małych na duże i odwrotnie. Jest to ważne przy przesyle energii elektrycznej.

Dwa pozostałe równania elektromagnetyzmu to:

* Prawo Biota - Savarta

Pozwala ono na wyznaczenie indukcji magnetycznej w momencie gdy nic nie wiadomo na temat symetrii pola. Należy wówczas podzielić przewodnik z prądem na nieskończenie małe elementy dl i obliczyć pole od każdego takiego elementu w danym punkcie.

Tak więc wartość tego pola wynosi:

gdzie r to odległość między elementem dl a punktem dla którego obliczana jest wartość pola B.

Następnie można przystąpić do obliczenia całkowitej indukcji magnetycznej od wszystkich elementów dl. W tym celu należy przeprowadzić operację całkowania.

* Prawo Gaussa dla magnetyzmu

Strumień pola magnetycznego przez powierzchnię S można obliczyć z zależności:

Wiadomo jednak, że linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi tak więc strumień pola magnetycznego przez zamkniętą powierzchnie będzie równy zero.

Prawo to jest bezpośrednio związane z faktem, że w przyrodzie ni stwierdzono istnienia pojedynczych biegunów magnetycznych.

Równania elektromagnetyzmu zostały uogólnione i uzupełnione przez Maxwella. Na podstawie tych równań uczony przewidział istnienie fal elektromagnetycznych i był w stanie obliczyć ich prędkość.

Prędkość fali elektromagnetycznej w próżni dana jest wzorem:

Zjawiskiem związanym z przepływem prądu jest elektroliza. Za odkrywcę tego zjawiska uchodzi również Faraday. Jemu nauka zawdzięcza wszelkie terminy używane obecnie do opisu zjawiska elektrolizy.

Badania Faradaya pozwoliły na wyciągnięcie wniosku, że masa substancji, która wydziela się gdy przez roztwór elektrolitu płynie prąd ma ścisły związek z przepływającym ładunkiem. Zależność ta została nazwana pierwszym prawem Faradaya. Zgodnie z tym prawem można powiedzieć, że masa wydzielona na elektrodach jest wprost proporcjonalna do iloczynu natężenia przepływającego prądu, czasu przepływu i współczynnika elektrochemicznego. O tym współczynniku mówi drugie prawo elektrolizy. Jest on mianowicie równy stosunkowi masy danej substancji wydzielonej na elektrodach do iloczynu ładunku jonów i stałej Faradaya F.