الکترومغناطیس

الکترومغناطیس شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعه پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند). در نظریه الکترومغناطیس این نیروها به‌وسیله میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند. الکترومغناطیس توصیفگر بیشتر پدیده‌هایی‌ست (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد. الکترومغناطیس همچنین نیرویی‌ست که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. درحقیقت حامل همه نیروهای درون مولکولی، نیروی الکترومغناطیسی است.
نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند که این دو جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتا یه یکدیگر مربوط‌اند. تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی می‌کند. این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته شده‌است و اساس کار ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای القایی و ترانسفورمرها می‌باشد. میدان‌های الکتریکی عامل چند پدیده 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 نیرو تنظیم می‌شود. چهار اثر عمده ناشی از این تداخلات وجود دارد که به وضوح توسط آزمایش‌ها نشان داده شده‌اند:
۱-نیروی الکتریکی جذب یا دفع‌کننده بارها توسط یک دیگر متناسب 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 یا میدان مغناطیسی به سمت نزدیک شدن یا 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 شگفت‌آوری کسب کرد. او متوجه شد که سوزن قطب‌نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری روشن و خاموش می‌شد، از قطب مثبت منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که، میدان‌های مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تاثیر می‌پذیرد و رابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد.
به زودی او یافته‌های خود را به چاپ رسانید که به نشان می‌داد جریان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان، تولید میدان مغناطیسی 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 دوباره توسط الیور هویساید و هاینریش هرتز فرمول‌بندی شد، یکی از بزرگ‌ترین دست‌آوردهای فیزیک ریاضی در قرن ۱۹ام به‌شمار می‌رود. از آن پس، الکترومغناطیس ،همواره به عنوان مدلی برای توسعه فیزیک مطرح بوده‌است. 202x202px
تاریخچه تجهیزات الکترومغناطیسی
۱۸۰۰: برای اولین بار آلساندرو ولتای ایتالیایی از روی و نقره توان الکتریکی دائم (در مقابل جرقه یا الکتریسته دائم) تولید کرد.
۱۸۲۰: هانس کریستین اورستد با مشاهده تغییر جهت قطب‌نما با جریان الکتریکی میدان مغناطیسی را پیدا کرد. این اولین جابه‌جایی مکانیکی با جریان الکتریکی بود.
۱۸۲۰: آندره ماری آمپر سیم پیچ استوانه‌ای را اختراع کرد.
۱۸۲۱: مایکل فارادی دو آزمایش برای نشان دادن چرخش مغناطیسی طراحی کرد. او یک سیم آویزان را در معرض میدان مغناطیسی قرار داد و چرخش آن در یک مدار دوار را مشاهده کرد.
۱۸۲۲: پیتر بارلو (انگلیسی) چرخ نخ‌ریسی را اختراع کرد. (چرخ بارلو = ماشین تک قطبی).
۱۸۲۶–۱۸۲۵: ولیام استراگن (انگلیسی) آهنربای الکتریکی را اختراع کرد، که یک سیم پیچ با هسته آهنی به منظور افزایش میدان مغناطیسی بود.
۱۸۲۷–۱۸۲۸: ایستوان (آنیوس) جدلیک (مجارستانی) اولین ماشین‌های دوار با برق و کموتاتور را اختراع کرد. اما او چنین سال پس از اختراع به فکر ثبتش افتاد و تاریخ دقیق آن مشخص نیست.
۱۸۳۱: مایکل فارادی القای الکترومغناطیسی را کشف کرد. یعنی تولید جریان الکتریکی از تغییر میدان مغناطیسی (واکنش کشف اورستد).
بررسی اجمالی
نیروی الکترومغناطیسی یکی از ۴ 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. این نیرو در انرژی‌های بسیار بالا، با نیروی هسته‌ای قوی متحد می‌شود که با نام نیروی الکترو-قوی شناخته می‌شود.
الکترودینامیک کلاسیک
نظریه دقیق الکترومغناطیس، معروف به الکترومغناطیس کلاسیک، توسط فیزیکدانان طی قرن ۱۹، در اوج کار جیمز کلرک ماکسول - که متحد تحولات قبل به تئوری واحد و کشف ماهیت الکترومغناطیسی نور است - شکل گرفت. 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 این 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 خلا 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 فرض وجود اتر درخشان است که از طریق آن نور حرکت می‌کند. با این حال، پس از تلاش‌های تجربی فراوان، 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 حل کرد که جایگزین جدید تئوری حرکت‌شناسی کلاسیک شد و با الکترومغناطیس کلاسیک سازگار است.
علاوه بر این، تئوری نسبیت نشان می‌دهد که فریم در حال حرکت مرجع میدان مغناطیسی تبدیل به یک میدان غیر صفر با مولفه الکتریکی و بالعکس می‌شود، بنابراین به‌صورتی پایدار و محکم نشان می‌دهد که آن‌ها دو طرف یک سکه هستند، و به این ترتیب اصطلاح «الکترومغناطیس» نشان داده می‌شود.
نیروی لورنتس
نیروی لورنتس توسط میدان الکترومغناطیسی به ذره باردار متحرک داخل میدان وارد می‌شود که رابطه آن به صورت زیر است:
{F = q{E + q{v \times {B
به‌طوری‌که
F
نشان دهنده بردار نیرو،
q
مقدار بار الکتریکی ذره متحرک در میدان،
E
مقدار میدان الکتریکی،
v
بردار سرعت ذره متحرک در میدان و B بردار میدان مغناطیسی می‌باشد.
میدان الکتریکی
(E)
میدان الکتریکی طبق رابطه زیر تعریف می‌شود:
{F = {E{q_0
که
q_0
نشان دهنده بار مثبت آزمون،
F
بردار نیروی الکتریکی وارد بر ذره باردار و
E
بردار میدان الکتریکی می‌باشد.
حال در شرایط الکتروستاتیک که ذرات باردار ساکن هستند، طبق قانون کولن برای n ذره باردار می‌توان نشان داد که میدان الکتریکی به صورت زیر بدست می‌آید:
که
n
تعداد ذرات باردار،
q_i
بار هر ذره،
r_i
موقعیت هر ذره،
r
فاصله از میدان الکتریکی و
\varepsilon_0
ثابت گذردهی خلاء می‌باشد.
حال برای یک توزیع بار گسترده خواهیم داشت:
که
\rho(r)
چگالی جریان است حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده می‌باشد.
اختلاف پتانسیل الکتریکی
می‌توان کمیتی اسکالر به نام پتانسیل الکتریکی
(\varphi)
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
(\varphi)
برابر خواهد بود با میدان الکتریکی
(E)
. یعنی (در خالت الکتروستاتیک) می‌شود نوشت:
{E = -\nabla \varphi
از این رابطه می‌توان بعد
E
را بصورت
V \over m
(ولت بر متر) نیز نشان داد. با اعمال قضیه استوکس می‌توان نشان داد که اختلاف پتانسیل بین دو نقطه برابر است با:
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 رابطهه زیر بدست می‌آید:
\varphi = \frac{q{ 4 \pi \varepsilon_0 \left| {r - {r_q \right
که
q
بار ذره،
r_q
موقعیت هر ذره،
r
فاصله از بار الکتریکی و
\varepsilon_0
ثابت گذردهی خلاء 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 \varepsilon_0
\int \frac{\rho({r){r {dV
که
\rho(r)
چگالی جریان است (حاصل تقسیم بار الکتریکی کل بر حجم توزیع گسترده).
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 و در نتیجه تبدیل آن‌ها از دستگاهی به دستگاه دیگر، برای مثال قوانین نیوتن، ساده نیست. برای دیدن روابط الکترومغناطیس در دستگاه یکاهای گوناگون به معادلات ماکسول رجوع کنید.
جدول یکاها
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, V, , E
اختلاف پتانسیل، نیروی الکتروموتوری
ولت
V
J/C = kg·m 2 ·s −3 ·A −1
R, Z, X
مقاومت الکتریکی، امپدانس، راکتانس
اهم

V/A = kg·m 2 ·s −3 ·A −2

مقاومت ویژه
اهم. متر
·m
kg·m 3 ·s −3 ·A −2
P
توان الکتریکی
وات
W
V·A = kg·m 2 ·s −3
C
ظرفیت الکتریکی
فاراد
F
C/V = kg −1 ·m −2 ·A 2 ·s 4
E
میدان الکتریکی
ولت بر متر
V/m
N/C = kg·m·A −1 ·s −3
D
میدان جابه‌جایی
کولن بر متر مربع
C/m 2
A·s·m −2
0
ثابت گذردهی خلاء
فاراد بر متر
F/m
kg −1 ·m −3 ·A 2 ·s 4
x e
پذیرفتاری الکتریکی
(بدون بعد)
G, Y, B
رسانایی الکتریکی
زیمنس
S
−1 = kg −1 ·m −2 ·s 3 ·A 2
, , 
رسانندگی
زیمنس بر متر
S/m
kg −1 ·m −3 ·s 3 ·A 2
B, H
میدان مغناطیسی
تسلا
T
Wb/m 2 = kg·s −2 ·A −1 = N·A −1 ·m −1 = A·m −1

شار مغناطیسی
وبر
Wb
V·s = kg·m 2 ·s −2 ·A −1
M, L
ظرفیت القاء مغناطیسی
هنری
H
Wb/A = V·s/A = kg·m 2 ·s −2 ·A −2

نفوذ پذیری
هنری در متر
H/m
kg·m·s −2 ·A −2
x
پذیرفتاری مغناطیسی
(بدون بعد)
برق
الکترواستاتیک
الکترودینامیک کوانتومی
منابع و پانویس
Nave, R. , Magnetic Field Strength H, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
Keitch, Paul ( – Scholar search), Magnetic Field Strength and Magnetic Flux Density, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
Oppelt, Arnulf (2006-11-02), magnetic field strength, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
magnetic field strength converter, retrieved ۲۰۰۷-۰۶-۰۴
کتاب‌ها
دیوید. جی. گریفیث(۱۹۹۸)، آشنایی با الکترودینامیک (ویرایش۳)، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی
جی. ریتس، میلیفورد، کریستی(۱۹۶۵)الکترومغناطیس کلاسیک، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی
چنگ، دیوید کئون. الکترومغناطیس میدان و امواج. ترجمه پرویز جبه‌دار مالارانی و محمد قوامی. موسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران. پاییز ۱۳۷۹. چاپ ششم.