الکترومغناطیس

در ابتدا تصور می‌شد که الکتریسیته و مغناطیس دو پدیده جدا هستند. با انتشار رساله الکتریسیته و مغناطیس جیمز کلارک ماکسول در ۱۸۷۳ میلادی، این دیدگاه تغییر کرد. چهار اثر عمده از ارتباط این دو، با آزمایش‌ نشان داده‌شده‌اند؛

1. نیروی الکتریکی جذب یا دفع‌کننده بارها متناسب با معکوس مربع فاصله آن‌ها است.
2. قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت توسط خطوط میدان مغناطیسی به هم متصل می‌شوند؛ قطب شمال مغناطیسی به قطب جنوب مغناطیسی متصل است.
3. جریان الکتریکی در سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم ایجاد می‌کند، که جهت آن وابسته به جهت جریان است.
4. هنگامی که یک حلقه سیم به سمت میدان مغناطیسی حرکت کند یا از آن دور شود، یا اینکه میدان مغناطیسی به سمت حلقه نزدیک یا از آن دور شود، در حلقه جریان برقرار می‌شود و جهت آن وابسته به جهت حرکت است.

زمانی که هانس کریستین اورستد در حال آماده شدن برای یک سخنرانی در شب ۲۱ آوریل ۱۸۲۰ میلادی بود، مشاهدات شگفت‌آوری کرد. او متوجه شد که سوزن قطب‌نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری قطع و وصل می‌شد، منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که میدان‌های مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تأثیر می‌پذیرد و رابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. او یافته‌های خود را به چاپ رساند که نشان می‌داد جریان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان، تولید میدان مغناطیسی می‌کند. واحد القاء مغناطیسی Oersted است و به افتخار او نام‌گذاری شده‌است.

پدیده القای الکترومغناطیسی که بعدها از سوی مایکل فارادی مشاهده شد را جیمز کلارک ماکسول گسترش داد. بخشی از آن دوباره از سوی الیور هِوی‌ساید و هاینریش هرتز فرمول‌بندی شد که یکی از بزرگ‌ترین دست‌آوردهای فیزیک ریاضی در قرن نوزدهم میلادی به‌شمار می‌رود. از آن پس، الکترومغناطیس ٬همواره مدلی برای توسعه فیزیک بوده‌است.

تاریخچه تجهیزات الکترومغناطیسی

• ۱۸۰۰: برای اولین بار آلِساندرو ولتا از روی و نقره توان الکتریکی دائمی (پیل یا باتری) تولید کرد.
• ۱۸۲۰: هانس کریستیَن اُورستِد با مشاهدهٔ 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 فارادِی 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 چندین 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 با تغییر میدان مغناطیسی.

نیروی الکترومغناطیسی یکی از چهار 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.

نظریه دقیق الکترومغناطیس، معروف به الکترومغناطیس کلاسیک، توسط فیزیک‌دانان قرن ۱۹ و در اوج کار جیمز کلارک ماکسول - که یکپارچه‌کننده پدیده‌های شناخته شده تا زمان خود به یک تئوری واحد و نیز کاشف ماهیت الکترومغناطیسی نور است - شکل گرفت. در الکترومغناطیس کلاسیک، میدان الکترومغناطیسی توسط مجموعه‌ای از معادلات شناخته شده به عنوان معادلات ماکسول، و نیز نیروی الکترومغناطیسی بیان شده توسط قانون نیروی لورنتس توصیف می‌شود. الکترومغناطیس کلاسیک به سختی با مکانیک کلاسیک سازگار است، اما با نسبیت خاص سازگار است. در معادلات ماکسول، سرعت نور در خلأ ثابت و تنها وابسته به گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی در خلأ است. این موضوع اما ناقض قوانین سرعت گالیله‌ای (سنگ بنای مکانیک کلاسیک) است. یک راه برای آشتی دادن دو نظریه، فرض وجود محیطی به نام «اتر» است که نور در آن حرکت می‌کند. با این حال، پس از تلاش‌های تجربی فراوان، وجود اتر اثبات نشد. پس از کمک‌های مهم هندریک لورنتس و هانری پوانکاره، در سال ۱۹۰۵ آلبرت اینشتین مشکل را با نسبیت خاص حل کرد که جایگزین جدید تئوری حرکت‌شناسی کلاسیک شد و با الکترومغناطیس کلاسیک سازگار بود. علاوه بر این، تئوری نسبیت نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی در حال حرکت تبدیل به یک میدان الکتریکی غیر صفر و بالعکس می‌شود، بنابراین نشان می‌دهد که آن‌ها دو طرف یک سکه هستند، و به این ترتیب اصطلاح «الکترومغناطیس» به این پدیده اطلاق شد.

نیروی لورنتس

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

${\displaystyle F=qE+qv\times B}$

که ${\displaystyle F}$

میدان الکتریکی ${\displaystyle (E)}$

میدان الکتریکی ${\displaystyle E}$

${\displaystyle F=E{q}_0}$

که ${\displaystyle q_0}$

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:

${\displaystyle E=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\sum _{i=1}^n\frac{q_i\left(r-r_i\right)}{{\left|r-r_i\right|}^3}}$

که ${\displaystyle n}$

حال برای یک توزیع بار گسترده خواهیم داشت:

${\displaystyle E=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\int \frac{\rho (r)\hat{r}}{r^2}dV}$

که ${\displaystyle \rho (r)}$

اختلاف پتانسیل الکتریکی

می‌توان کمیتی اسکالر به نام پتانسیل الکتریکی ${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle E=-\mathrm{\nabla }\phi }$

از این رابطه می‌توان بُعد ${\displaystyle E}$

${\displaystyle {\phi }_E=-{\int }_{C}E\cdot dl}$

که ${\displaystyle C}$

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

${\displaystyle \phi =\frac{q}{4\pi {\epsilon }_0\left|r-r_q\right|}}$

که ${\displaystyle q}$

${\displaystyle \phi =\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}\int \frac{\rho (r)}{r}dV}$

که ${\displaystyle \rho (r)}$

در دستگاه یکاهای SI، یکاهای کمیت‌های الکترومغناطیسی عبارتند از:

• آمپر (جریان)
• کولُن (بار)
• فاراد (ظرفیت)
• هِنری (اندوکتانس)
• اهم (مقاومت)
• ولت (پتانسیل الکتریکی)
• وات (توان)
• تِسلا (چگالی شار مغناطیسی)
• وِبِر (شار مغناطیسی)
• آمپر بر متر (شدت میدان مغناطیسی)

روابط الکترومغناطیس در دستگاه‌های یکاهای مختلف شکل یکسانی ندارند و در نتیجه تبدیل آن‌ها از دستگاهی به دستگاه دیگر ساده نیست. برای دیدن روابط الکترومغناطیس در دستگاه یکاهای گوناگون به معادلات ماکسول رجوع کنید.

• برق
• الکترواستاتیک
• الکترودینامیک کوانتومی

1. دیوید. جی. گریفیث(۱۹۹۸)، آشنایی با الکترودینامیک (ویرایش۳)، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی شابک ‎۹۷۸-۹۶۴-۰۱-۱۲۹۲-۲
2. جی. ریتس، میلفورد، کریستی(۱۹۶۵)الکترومغناطیس کلاسیک، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی
3. چنگ، دیوید کئون. الکترومغناطیس میدان و امواج. ترجمهٔ پرویز جبه‌دار مالارانی و محمد قوامی. مؤسسه انتشارات و چاپ دانشگاه تهران. پاییز ۱۳۷۹. چاپ ششم.