الكترومغناطيس

[am in 25041]

الکترومغناطیس شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی یکی از ۴ نیرو بنیادی طبیعت است .الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است(به جز گرانش) که که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد.الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. نیروی الکترومغناطیس است که در هر دو تجلی میدانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی می‌باشد هر دو جنبه‌های ساده اما مختلف از الکترومغناطیس هستند و از این رو ذاتا یه یکدیگر مربوط اند. بنابراین ، تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی می‌کند این اثر به نام القای الکترومغناطیسی است ، و اساس عمل برای ژنراتورهای الکتریکی ، موتورهای القایی و ترانسفورماتورها می‌باشد . میدانهای الکتریکی معلول چند پدیده‌های الکتریکی معمول هستند مانند:پتانسیل الکتریکی (مانند ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (مانند جریان برق). میدانهای مغناطیسی معلول نیروی مربوط با مغناطیس هستند. نیروی الکترومغناطیسی از طریق تبادل ذراتی به نام فوتون‌ها و فوتون‌های مجازی عمل می‌کند. مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به توسعه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.

 

[am in 25041]

در ایتدا تصور بر این بود که الکتریسیته و مغناطیس به عنوان دو نیروی جدا از هم عمل می‌کنند. با این حال این تغییر دیدگاه ، با انتشار رساله الکتریسیته و مغناطیس جیمز کلارک ماکسول در تاریخ '۱۸۷۳ است که در آن نشان داده می‌شود تعامل بارهای مثبت و منفی توسط یک نیروی تنظیم می‌شد. چهار اثر عمده ناشی از این تداخلات ، به وضوح توسط آزمایش‌ها نشان داده شده‌اند ، وجود دارد: ۱-نیروی الکتریکی جذب و یا دفع کننده بار‌ها توسط یک دیگرمتناسب با معکوس مربع فاصله بین آن‌ها است. ۲-قطب مغناطیسی همیشه به صورت جفت توسط خطوط میدان مغناطیسی به هم متصل می‌شوند : قطب شمال مغناطیسی به قطب جنوب مغناطیسی متصل است. ۳-جریان الکتریکی در سیم حامل جریان ، میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم ایجاد می‌کند، که جهت آن بسته به جهت جریان است. ۴-هنگامی که حلقه سیم به سمت میدان مغناطیسی یا دور از میدان مغناطیسی حرکت کند و یا میدان مغناطیسی به سمت نزدیک شدن ویا دور شدن از آن نقل مکان کند ، جهت آن بسته به جهت جریان در آن جنبش است.منابع-۱

زمانی که هانس کریستین Ørsted در حال آماده شدن برای سخنرانی شب در ۱۸۲۰ آوریل ۲۱ بود ، مشاهدات شگفت آوری کسب کرد .او متوجه شد که سوزن قطب نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری روشن و خاموش می‌شد، از قطب مثیت منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که، میدانهای مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تاثیر می‌پذیرد ورابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. به زودی او به یافته‌های خود را به چاپ رسانید که به نشان می‌داد جریان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی حول یک سیم حامل جریان می‌کند. CGS واحد القاء مغناطیسی (oersted) است به نام و به افتخار او نامگذاری شده‌است. این اتحاد که توسط مایکل فارادی مشاهده، توسط جیمز کلارک ماکسول گسترش، و تا حدی توسط reformulated الیور Heaviside و هاینریش هرتز تکمیل شد.

[am in 25041]

نیروی الکترومغناطیسی یکی از۴ نیروهای بنیادی طبیعت است . نیروی الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است(به جز گرانش) که که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد.الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترونها و پروتونها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد.

[am in 25041]

نظریه دقیق الکترومغناطیس ، معروف به الکترومغناطیس کلاسیک ، توسط فیزیکدانان طی قرن ۱۹ ، که در اوج کار جیمز کلرک ماکسول ، که متحد تحولات قبل به تئوری واحد و کشف ماهیت الکترومغناطیسی نور است. در الکترومغناطیس کلاسیک ، میدان الکترومغناطیسی توسط مجموعه‌ای از معادلات شناخته شده به عنوان معادلات ماکسول ، و نیروی الکترومغناطیسی داده شده توسط قانون نیروی لورنتس توجیح می‌شود.یکی از خصوصیات الکترومغناطیس کلاسیک است که به سختی با مکانیک کلاسیک سازگار است ، اما سازگاری آن با نسبیت خاص به راحتی قابل نشان دادن است. با توجه به این که در معادلات ماکسول ، سرعت نور در خلاء ثابتی است جهانی ، و تنها وابسته به گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی در فضای خلا می‌باشد. این ناقض قوانین سرعت گالیله‌ای ، سنگ بنای اولیه از[ مکانیک کلاسیک] است. یک راه برای آشتی دادن دو نظریه این است که فرض وجود [اتر] درخشان که از طریق آن نور حرکت می‌کند. با این حال ، پس از آن تلاش‌های تجربی موفق به شناسایی حضور اتر نشد. پس از کمک‌های مهم هندریک لورنتس و هنری Poincaré ، در سال ۱۹۰۵ ، آلبرت انیشتین مشکل را با مقدمه‌ای از نسبیت خاص ، که جایگزین جدید تئوری حرکت شناسی کلاسیک است که سازگار با الکترومغناطیس کلاسیک است ، حل کرد. . علاوه بر این ، تئوری نسبیت نشان می‌دهد که فریم درحال حرکت مرجع میدان مغناطیسی تبدیل به یک میدان غیر صفر با مولفه الکتریکی و بالعکس می‌شود، بنابراین بصورتی پایدار و محکم که نشان می‌دهد آنها دو طرف یک سکه هستند ، و به این ترتیب اصطلاح «الکترومغناطیس» نشان داده می‌شود.

[am in 25041]

نیروی لورنتس توسط میدان الکترومغناطیسی به ذرهٔ باردار متحرک داخل میدان وارد می‌شود که رابطهٔ ان به صورت زیر استبه طوریکه "F" نشان دهندهٔ بردار نیرو، "q" مقدار بار الکتریکی ذرهٔ متحرک در میدان ، "E" مقدار میدان الکتریکی ، "V" بردار سرعت ذرهٔ متحرک در میدان و "B" بردار میدان مغناطیسی می‌باشد.

[am in 25041]

میدان الکتریکی E طبق رابطهٔ زیر تعریف می‌شود که "q_0" نشان دهندهٔ بار مثبت آزمون ، "F" بردار نیروی الکتریکی وارد بر ذرهٔ باردار ، "E" بردار میدان الکتریکی می‌باشد.

حال در الکترواستاتیک که ذرات باردار ساکن هستند طبق قانون کولن برای n ذرهٔ باردار می‌توان نشان داد که میدان الکتریکی به صورت زیر بدست می‌آید:

که n تعداد ذرات باردار ، qi بار هر ذره , riموقعیت هر ذره ، r فاصله از میدان الکتریکی و ε۰ ثابت الکتریکی می‌باشد.

حال برای یک توزیع بار گسترده خواهیم داشت که (ρ (r" چگالی جریان است حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده می‌باشد.

[am in 25041]

می‌توان برای راحتی حل مسایل الکترومغناطیس کمیتی اسکالر به نام اختلاف پتانسیل الکتریکی φ تعریف کرد که منفی گرادیان φ برابر خواهد بود با میدان الکتریکی E .به طور کلی می‌توان نشان داد که

طبق این رابطه می‌توان فهمید که واحد "E" بصورت V/m (ولت بر متر) نیز نشان داد. از طرفی می‌توان نشان داد که

که c سطحی است که روی آن از E انتگرال گرفته می‌شود.

برای یک بار نقطه‌ای می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل الکتریکی از طریق رابطهٔ زیر بدست می‌آید:

که q بار ذره ,rqموقعیت هر ذره ، r فاصله از بار الکتریکی و ε۰ ثابت الکتریکی می‌باشد.

که همانند قبل برای یک توزیع بار پیوسته خواهیم داشت:

که (ρ (r" چگالی جریان است حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده می‌باشد.