تاریخچه پیدایش الکترومغناطیس

مبدا علم الکتریسیته به مشاهده معروف تالس ملطی (Thales of Miletus) در 600 سال قبل از میلاد بر می‌گردد. در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده‌های کاغذ را می‌رباید. از طرف دیگر مبدأ علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمی‌گردد که بعضی از سنگها (یعنی سنگهای ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب می‌کند. این دو علم تا سال 1199 - 1820 به موازات هم تکامل می‌یافتند.

در سال 1199-1820 هانس کریستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم می‌تواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.

جیمز کلرک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه می‌شناسیم ، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده می‌شوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک دارا هستند.

پیشگامان علم الکترومغناطیس

اگر چه تنفیق الکتریسیته و مغناطیس توسط ماکسول بیشتر مبتنی بر کار پیشینیانش بود. اما خود او نیز سهم عمده ای در آن داشت. ماکسول نتیجه گرفت که ماهیت نور ، الکترومغناطیسی است و سرعت آن را میتوان با اندازه گیریهای صرفا الکتریکی و مغناطیس تایین کرد. از اینرو اپتیک و الکترومغناطیس رابطه نزدیکی پیدا کردند. تکامل الکترومغناطیس کلاسیک به ماکسول ختم نشد.

فیزیکدان انگلیسی الیور هوی ساید (Oliver Heaviside) و بویژه فیزیکدان هلندی اچ . آ . لورنتس (H.A.Lorentz) در پالایش نظریه ماکسول مشارکت اساسی داشتند. هاینریش هرتز (Heinrich Hertz) بیست سال و اندی پس از آنکه ماکسول نظریه خود را مطرح کرد، گام موثری به جلو برداشت. وی امواج ماکسولی الکترومغناطیسی را ، از نوعی که اکنون امواج کوتاه رادیویی می‌نامیم، در آزمایشگاه تولید کرد. مارکونی و دیگران کاربرد عملی امواج الکترومغناطیسی ماکسول و هرتز را مورد استفاده قرار دادند.

تقسیم بندی کلی الکترومغناطیس

·         الکترومغناطیس کلاسیک: در حالت کلی الکترومغناطیس در ابعاد بزرگ و سرعتهای پایین را می‌توان الکترومغناطیس کلاسیک نامید. بدنه اصلی و منبای الکترومغناطیس کلاسیک همان معادلات ماکسول می‌باشد. و در الکترومغناطیس کلاسیک مباحثی مانند القای الکتریکی مدارات الکترونیکی ، و ساختار وسایل الکترونیکی از قبیل مقاومت و خازن و نحوه اتصال آنها در مدار و قوانین حاکم بر آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.

·         الکترومغناطیس کوانتومی: الکترومغناطیس ابعاد بسیار ریز و کوچک و سرعتهای بالا را میتوان الکترومغناطیس کوانتومی نامید. در اینجا مباحثی مانند تئوری میدانها ، الکترودینامیک کوانتومی ، نظریه ریسمان و موارد دیگر وجود دارد.

الکترومغناطیس امروزی

امروزه الکترومغناطیس از دو جهت مورد توجه است. یکی در سطح کاربردهای مهندسی ، که در آن معادلات ماکسول عموما در حل تعداد زیادی از مسایل علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دیگری در سطح مبانی نظری. در این سطح چندان تلاش مداومی برای گسترش دامنه آن وجود دارد که الکترومغناطیس حالت ویژه‌ای از یک نظریه عمومی‌تر جلوه می‌کند.

این نظریه عمومی‌تری از نظریه‌های ، مثلا گرانش و مکانیک کوانتومی را نیز در بر می‌گیرد. پرداختن به این نظریه کلی هنوز به نتیجه نهایی نرسیده است. یکی دیگر از کاربردهای الکترومغناطیس که امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، الکترومغناطیس و ساخت جنگ افزارهای الکترومغناطیسی مانند بمب الکترومغناطیسی است.

گستره الکترومغناطیس

از آنجا که الکترومغناطیس یک علم بسیار وسیع و دامنه‌دار است و نیز با علوم دیگر مانند اپتیک ، کوانتوم و ... ارتباط بسیار نزدیک دارد. لذا تعیین مرز و محدوده برای الکترومغناطیس کار دشواری است. اما می‌توان گفت که بشر امروزی زندگی خود را مدیون الکترومغناطیس است. بعنوان یک مورد می‌توان به کارآفرینی الکترومغناطیس اشاره کرد.

به عبارت دیگر صنعتی شدن و استفاده از الکتریسیته ، شغلهایی برای مردمی که از آموزش و پرورش کمتری برخوردارند، ایجاد کرده است. ارتباطات الکتریکی ، حمل و نقل سریع با استفاده از قطارهای مغناطیسی ، انواع وسایل خانگی مانند تلویزیون ، رادیو و ... ، تأمین روشنایی با استفاده از جریان الکتریکی و صدها مورد دیگر را می‌توان به عنوان گستره علم الکترومغناطیس در زندگی بشر عنوان کرد.

 بررسی اجمالی

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.

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 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 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 ان به صورت زیر است

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

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 ، q_i بار هر ذره , r_iموقعیت هر ذره ، r فاصله از میدان الکتریکی و ε_۰ 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.

اختلاف پتانسیل الکتریکی

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 ,r_qموقعیت هر ذره ، r فاصله از بار الکتریکی و ε_۰ 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.

واحد

واحد الکترومغناطیسی واحد عبارتند از :

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

جدول واحدها