الکترومغناطیس

الکترومغناطیس

برق · مغناطیس الکتروستاتیک بار برقی · قانون کولن میدان برقی · قانون گاوس پتانسیل برقی گشتاور دوقطبی برقی مغناطیس ساکن قانون آمپر · جریان برق میدان مغناطیسی · قانون گاوس در مغناطیسی قانون بیو−ساوار . شار مغناطیسی گشتاور دوقطبی مغناطیسی الکترودینامیک خلأ قانون نیروی لورنتس نیروی محرکه برقی · القای الکترومغناطیسی قانون فارادی · جریان جابجایی معادلات ماکسول · میدان الکترومغناطیسی تابش الکترومغناطیسی جریان گردابی · تانسور ماکسول · بردار پوئینتینگ · معادلات جفیمنکو مدار برقی رسانایی برقی مقاومت برقی · خازن · القاگر امپدانس · تشدیدگر · جریان متناوب · موج بر فرمول بندی هموردا پتانسیل لنارد−ویخرت تانسور الکترومغناطیسی تانسور تنش−انرژی الکترومغناطیسی دانشمندان کولن · آمپر · ماکسول · فارادی · هانری · هرتز · تسلا · وبر · اورستد · الیور هویساید · ولتا

الکتریسیته و مغناطیس سال‌ها پدیده‌هایی جدا از هم پنداشته می‌شدند و بعد از کشفیات مایکل فارادی و ماکسول بود که وحدت این دو نیرو مشخص گردید. پدیه‌های مرتبط با آهنرباها و نیز آذرخش منشا الکترومغناطیسی دارند.

الکترومغناطیس شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی یکی از چهار نیرو بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی ونیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند) .در نظریه الکترومغناطیس این نیروها به‌وسیله میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند.الکترومغناطیس توصیف‌گر بیشتر پدیده‌هایی است(به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد.الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. درحقیقت حامل همه‌ نیروهای نیروهای درون مولکولی ٬ نیروی الکترومغناطیسی است. نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند و این دو ٬به جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتا یه یکدیگر مربوط اند. تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی می‌کند .این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته‌شده است، و اساس کار ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای القایی و ترانسفورمرها می‌باشد . میدانهای الکتریکی عامل چند پدیده‌ی الکتریکی معمول مانند پتانسیل الکتریکی (مانند ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (مانند جریان برق) و میدانهای مغناطیسی عامل نیروی مربوط با آهنرباها هستند. در الکترودینامیک کوانتومی ٬ نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار را می‌توان از طریق روش نمودارهای فاینمن محاسبه کرد که در آن تصور می‌شود که ذرات پیام‌رسان به نام فوتن مجازی بین ذرات باردار مبادله می‌شود.

مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به توسعه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.

تاریخچه الکترومغناطیس

در ابتدا 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 اورستد 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 شد، توسط جیمز کلارک ماکسول گسترش یافت و بخشی از آن مجددا توسط الیور هویساید و هاینریش هرتز فرمول بندی شد ٬ یکی از بزرگترین دست‌اوردهای فیزیک ریاضی در قرن ۱۹ام به‌شمار می‌رود. از آن پس٬ الکترومغناطیس ٬همواره به عنوان مدلی برای توسعه فیزیک مطرح بوده است.

بررسی اجمالی

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

الکترودینامیک کلاسیک

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 توجیه 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 حرکت‌شناسی 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.

نیروی لورنتس

نیروی لورنتس توسط میدان الکترومغناطیسی به ذرهٔ باردار متحرک داخل میدان وارد می‌شود که رابطهٔ آن به صورت زیر است

$\mathbf{F} = q\mathbf{E} + q\mathbf{v} \times \mathbf{B}$

به 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.

میدان الکتریکی E'

میدان الکتریکی E طبق رابطهٔ زیر تعریف می‌شود

$\mathbf{F} = q_0 \mathbf{E}$

که "q₀" نشان دهندهٔ بار مثبت آزمون ، "F" بردار نیروی الکتریکی وارد بر ذرهٔ باردار ، "E" بردار میدان الکتریکی می‌باشد.

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

$\mathbf{E} = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0 } \sum_{i=1}^{n} \frac{q_i \left( \mathbf{r} - \mathbf{r}_i \right)} {\left| \mathbf{r} - \mathbf{r}_i \right|^3}$

که n تعداد ذرات باردار ، q_i بار هر ذره , r_iموقعیت هر ذره ، r فاصله از میدان الکتریکی و ε₀ ثابت الکتریکی می‌باشد.

حال برای یک توزیع بار گسترده خواهیم داشت

$\mathbf{E} = \frac{1}{ 4 \pi \epsilon_0 } \int \frac{\rho(\mathbf{r}) \hat{\mathbf{r}}}{r^2} \mathrm{d}V$

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

اختلاف پتانسیل الکتریکی

می‌توان کمیتی اسکالر به نام پتانسیل الکتریکی اسکالر φ برای میدان الکتریکی تعریف کرد.در شرایط الکتروستاتیک٬ به دلیل صفر بودن چرخش میدان الکتریکی ٬ که ناشی از ماهیت مرکزی نیرو در قانون کولن است) منفی گرادیان φ برابر خواهد بود با میدان الکتریکی E یعنی ( در خالت الکتروستاتیک) می‌شود نوشت:

$\mathbf{E} = -\nabla \varphi$

از این رابطه می‌توان بعد "E" را بصورت V/m (ولت بر متر) نیز نشان داد. با اعمال قضیه استوکس می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه:

$\varphi_\mathbf{E} = - \int_C \mathbf{E} \cdot \mathrm{d}\mathbf{l} \, ,$

که C مسیری است که روی آن از میدان٬ انتگرال گرفته می‌شود.

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

$\varphi = \frac{q}{ 4 \pi \epsilon_0 \left| \mathbf{r} - \mathbf{r}_q \right|}$

که q بار ذره٬ r_q موقعیت هر ذره، r فاصله از بار الکتریکی و ε₀ ثابت الکتریکی می‌باشد.در شرایطی که بار می‌تواند آزادانه حرکت کند(حالت غیر ایستا)٬ این رابطه با پتانسیل لینارد-ویشرت جایگزین می‌گردد.

که همانند قبل برای یک توزیع بار پیوسته خواهیم داشت:

$\varphi = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \int \frac{\rho(\mathbf{r})}{r}\, \mathrm{d}V$

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

دستگاه‌ یکاها

در دستگاه یکاهای SI ٬ یکاهای کمیت‌های الکترومغناطیسی عبارتند از :

• آمپر (جریان)
• کولن (شارژ)
• فاراد (خازن)
• هنری (اندوکتانس)
• اهم (مقاومت)
• ولت (پتانسیل الکتریکی)
• وات (قدرت)
• تسلا (میدان مغناطیسی)
• وبر (شار)

روابط الکترومغناطیس در دستگاه‌های یکاهای مختلف شکل یکسانی ندارند ودر نتیجه تبدیل آن‌ها از دستگاهی به دستگاه دیگر ٬مانند برای مثال٬ قوانین نیوتن٬ ساده نیست. برای دیدن روابط الکترومغناطیس در دستگاه‌ یکاهای گوناگون به معادلات ماکسول رجوع کنید.

جدول یکاها

SI یکا های الکترومغناطیس در
نماد	نام کمیت	نام یکا	یکا	یکا پایه
I	جریان الکتریکی	آمپر (یکای اصلی SI)	A	A (= W/V = C/s)
Q	بار الکتریکی	کولن	C	A·s
U, ΔV, Δφ; E	‎اختلاف پتانسیل; نیروی الکتروموتوری	ولت	V	J/C = kg·m2·s−3·A−1
R; Z; X	مقاومت الکتریکی; امپدانس; راکتانس	اهم	Ω	V/A = kg·m2·s−3·A−2
ρ	مقاومت ویژه	اهم.متر	Ω·m	kg·m3·s−3·A−2
P	توان الکتریکی	وات	W	V·A = kg·m2·s−3
C	ظرفیت الکتریکی	فاراد	F	C/V = kg−1·m−2·A2·s4
E	میدان الکتریکی	ولت بر متر	V/m	N/C = kg·m·A−1·s−3
D	میدات جابه‌جایی	کولن بر متر مربع	C/m2	A·s·m−2
ε	گذردهی	فاراد بر متر	F/m	kg−1·m−3·A2·s4
χe	پذیرفتاری الکتریکی	(بدون بعد)	-	-
G; Y; B	رسانایی الکتریکی; ‎رسانایی	زیمنس	S	Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2
κ, γ, σ	رسانندگی	زیمنس بر متر	S/m	kg−1·m−3·s3·A2
B	القاء مغناطیسی	تسلا	T	Wb/m2 = kg·s−2·A−1 = N·A−1·m−1
Φ	شار مغناطیسی	وبر	Wb	V·s = kg·m2·s−2·A−1
H	میدان مغناطیسی	آمپر بر متر	A/m	A·m−1
L, M	ظرفیت القاء مغناطیسی	هنری	H	Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2
μ	نفوذ پذیری	هنری در متر	H/m	kg·m·s−2·A−2
χ	پذیرفتاری مغناطیسی	(بدون بعد)	-	-

جستارهای وابسته

• برق
• الکترواستاتیک
• الکترودینامیک کوانتومی

منابع

Web Nave, R., Magnetic Field Strength H, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴ Keitch, Paul ([dead link] – Scholar search), Magnetic Field Strength and Magnetic Flux Density, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴ Oppelt, Arnulf (۲۰۰۶-۱۱-۰۲), magnetic field strength, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴ magnetic field strength converter, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴

کتاب‌ها

1. دیوید.جی .گریفیث(۱۹۹۸)، آشنایی با الکترودینامیک (ویرایش۳)، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی ISBN:978-964-01-1292-2
2. جی.ریتس، میلیفورد، کریستی(۱۹۶۵)الکترومغناطیس کلاسیک، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی ISBN:978-964-02-1342-2
3. چنگ، دیوید کئون. الکترومغناطیس میدان و امواج. ترجمهٔ پرویز جبه‌دار مالارانی و محمد قوامی. موسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران. پاییز ۱۳۷۹. چاپ ششم.ISBN 964-63-3925-3