Fysiikassa sähkömagneettinen voima vaikuttaa sähköisesti varautuneisiin hiukkasiin. Painovoiman ohella se on voima, jonka ihmiset kohtaavat eniten joka päivä, ja se selittää suurimman osan ihmisille tutuista ilmiöistä. Se on vastuussa sähköstä, magnetismista ja valosta; se pitää elektronit ja protonit yhdessä atomeissa; ja se mahdollistaa atomien sitoutumisen yhteen muodostaen molekyylejä ja ajaa kemiallisia reaktioita. Tämä voima on myös vastuussa kiinteiden esineiden lujuudesta, ja siksi ne eivät voi kulkea toistensa läpi.
Sähkömagneettinen voima on yksi luonnon neljästä perusvoimasta. Muut kolme ovat painovoima, vahva ydinvoima ja heikko ydinvoima. Vahva ydinvoima on vahvin näistä, mutta se toimii vain erittäin lyhyellä kantamalla. Sähkömagneettinen voima on toiseksi vahvin ja toimii painovoiman tavoin rajoittamattomilla etäisyyksillä.
Käänteisen neliön laki
Painovoiman tavoin myös sähkömagneettinen voima noudattaa käänteistä neliölakia. Tämä tarkoittaa, että voiman vahvuus on kääntäen verrannollinen sen etäisyyden neliöön sen lähteestä. Esimerkiksi jos joku siirtää 5 yksikköä kauemmaksi voiman lähteestä, voimakkuus pienenee 1/25: een.
Positiiviset ja negatiiviset maksut
Toisin kuin painovoima, sähkömagneettinen voima tuntuu vain kohteilta, joilla on sähkövaraus, joka voi olla positiivinen tai negatiivinen. Erilaisilla varauksilla varustetut kohteet vetävät toisiaan puoleensa, mutta samantyyppiset kohteet hylkivät. Tämä tarkoittaa, että voima voi olla houkutteleva tai vastenmielinen riippuen maksuista. Koska useimmilla esineillä ei useimmiten ole kokonaissähkövarausta, ne eivät tunne sähkömagneettista voimaa, mikä selittää sen, miksi painovoima, vaikkakin paljon heikompi voima, hallitsee suurissa mittakaavoissa.
Kun kaksi eri materiaalia hankaa yhteen, elektronit voivat siirtyä yhdestä toiseen, jolloin toisella on positiivinen varaus ja toisella negatiivinen varaus. Nämä kaksi vetävät sitten toisiaan puoleensa ja voivat houkutella sähköisesti neutraaleja esineitä. Tätä kutsutaan staattiseksi sähköksi, ja se voidaan osoittaa useilla yksinkertaisilla kokeilla, kuten hieromalla ilmapalloa turkiksella ja kiinnittämällä se seinään – sitä pitää siellä sähköstaattinen vetovoima.
Sähkövirta virtaa, kun elektronit liikkuvat lankaa tai muuta johdinta pitkin alueelta, jossa on ylimäärä elektroneja alueelle, jossa on alijäämä. Virran sanotaan kulkevan negatiivisesta positiiviseksi. Yksinkertaisessa paristoa käyttävässä piirissä elektronit virtaavat positiivisesta negatiiviseen napaan, kun piiri on valmis.
Atomiasteikolla vetovoima ytimen positiivisesti varautuneiden protonien ja negatiivisesti varautuneiden elektronien välillä pitää atomit yhdessä ja mahdollistaa niiden sitoutumisen toisiinsa muodostaen molekyylejä ja yhdisteitä. Ytimen protoneja pitää paikallaan voimakas ydinvoima, joka tässä erittäin pienessä mittakaavassa voittaa sähkömagneettisen hylkinnän.
Sähkömagneettiset kentät
Sähkömagneettisten kenttien käsitteen kehitti ensimmäisenä tiedemies Michael Faraday 19 -luvun alussa. Hän osoitti, että sähköisesti varautuneet ja magnetoidut esineet voivat vaikuttaa toisiinsa etäisyyden päästä. Esimerkiksi lankakelan läpi kulkeva sähkövirta voi ohjata kompassineulan ja aiheuttaa virran toisessa, lähellä olevassa kelassa. Hän osoitti myös, että muuttuva magneettikenttä voisi tuottaa sähkövirran johdossa. Tämä loi yhteyden sähkön ja magnetismin välillä ja kentän olemassaolon, joka vaihtelee sähköisesti varautuneiden tai magneettisten esineiden ympäröimän etäisyyden mukaan.
Myöhemmin 19-luvulla fyysikko James Clerk Maxwell tuotti sarjan yhtälöitä, jotka selittivät sähkön ja magnetismin välisen suhteen, mutta osoittivat myös, että valo oli sähkömagneettisen kentän aaltomainen häiriö. Hän tuli tähän johtopäätökseen, kun hän laski sähkömagneettisten vaikutusten kulkunopeuden ja totesi, että tämä oli aina valon nopeus. Seurauksena oli, että valo oli eräänlainen sähkömagneettinen säteily, joka kulki aaltoina. Tämä johti teoriaan klassisesta elektrodynamiikasta, jossa sähkömagneettinen aalto syntyy liikkuvasta sähkövarauksesta. Lankakelan liike magneettikentässä voi tuottaa matalan energian radioaaltoja, kun taas elektronien energisempi liike kuumassa langassa voi tuottaa näkyvää valoa.
Kvanttielektrodynamiikka
Einsteinin tutkiessa valosähköistä vaikutusta, jossa valo voi irrottaa elektronit metallipinnalta, tuli havainto, että sähkömagneettinen säteily (EMR) voi toimia hiukkasina ja aaltoina. Näitä hiukkasia kutsutaan fotoneiksi. Atomin elektronit voivat saada energiaa absorboimalla fotonin ja menettää energiaa emittoimalla sen. Tällä tavalla EMR voidaan selittää fotonien päästöinä, kun elektronit kokevat energiatason laskun.
Kvanttiteorian mukaan kaikki neljä luonnonvoimaa voidaan selittää hiukkasten vaihdolla, kuten valokuvia sähkömagneettisen voiman tapauksessa. Tämän voiman selittämiseksi kvanttiteorian mukaisella tavalla kehitettiin kvanttelektrodynamiikan teoria. Ajatuksena on, että sähkömagneettista voimaa välittävät ”virtuaaliset” fotonit, jotka ovat vain ohikiitävästi ladattujen hiukkasten välisen vuorovaikutuksen aikana. Se selittää kaikki sähkömagneettiset vuorovaikutukset ja tiukat testit ovat osoittaneet, että se on erittäin tarkka teoria.