المجال الكهرومغناطيسي - تاريخ الاكتشاف والخصائص الفيزيائية

عرفت الظواهر الكهربائية والمغناطيسية للبشرية منذ العصور القديمة ، فقد رأوا البرق على كل حال ، وكثير من القدامى عرفوا عن المغناطيس الذي يجذب معادن معينة. تعد بطارية بغداد ، التي تم اختراعها قبل 4000 عام ، أحد الأدلة على أن البشرية استهلكت الكهرباء قبل فترة طويلة من أيامنا هذه ومن الواضح أنها عرفت كيف تعمل. ومع ذلك ، يُعتقد أنه حتى بداية القرن التاسع عشر ، كان يتم اعتبار الكهرباء والمغناطيسية دائمًا منفصلين عن بعضهما البعض ، باعتبارهما ظاهرتين غير مرتبطين وينتميان إلى فروع مختلفة من الفيزياء.

بدأت دراسة المجال المغناطيسي في عام 1269 عندما وضع العالم الفرنسي بيتر بيريجرين (نايت بيير أوف ميريكورت) علامة على المجال المغناطيسي على سطح مغناطيس كروي باستخدام إبر فولاذية وحدد أن خطوط المجال المغناطيسي الناتجة تتقاطع عند نقطتين سماهما "الأقطاب" بالقياس مع قطبي الأرض.

Oersted في تجاربه فقط في عام 1819.وجد انحراف إبرة البوصلة الموضوعة بالقرب من سلك يحمل تيارًا ، ثم استنتج العالم أن هناك بعض الارتباط بين الظواهر الكهربائية والمغناطيسية.

بعد 5 سنوات ، في عام 1824 ، كان أمبير قادرًا على وصف تفاعل السلك الحامل للتيار مع المغناطيس رياضيًا ، وكذلك تفاعل الأسلاك مع بعضها البعض ، لذلك ظهر قانون امبير: "القوة المؤثرة على سلك يحمل تيارًا وموضوعًا في مجال مغناطيسي موحد تتناسب طرديًا مع طول السلك ، ناقل الحث المغناطيسي، التيار وجيب الزاوية بين ناقل الحث المغناطيسي والسلك «.

فيما يتعلق بتأثير المغناطيس على التيار ، اقترح أمبير أنه داخل مغناطيس دائم توجد تيارات مجهرية مغلقة تخلق مجالًا مغناطيسيًا للمغناطيس يتفاعل مع المجال المغناطيسي للموصل الحامل للتيار.

بعد 7 سنوات أخرى ، في عام 1831 ، اكتشف فاراداي تجريبيًا ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، أي أنه تمكن من إثبات حقيقة ظهور قوة دافعة كهربائية في الموصل في الوقت الذي يعمل فيه مجال مغناطيسي متغير على هذا الموصل. ينظر - التطبيق العملي لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي.

على سبيل المثال ، عن طريق تحريك مغناطيس دائم بالقرب من سلك ، يمكنك الحصول على تيار نابض فيه ، وعن طريق تطبيق تيار نابض على أحد الملفات ، على قلب الحديد المشترك الذي يوجد به الملف الثاني ، فإن التيار النابض سوف تظهر أيضًا في الملف الثاني.

بعد 33 عامًا ، في عام 1864 ، نجح ماكسويل في تلخيص الظواهر الكهربائية والمغناطيسية المعروفة بالفعل رياضيًا - فقد ابتكر نظرية المجال الكهرومغناطيسي ، والتي بموجبها يشتمل المجال الكهرومغناطيسي على مجالات كهربائية ومغناطيسية مترابطة. لذلك ، بفضل ماكسويل ، أصبح من الممكن دمج نتائج التجارب السابقة في الديناميكا الكهربية علميًا.

نتيجة لهذه الاستنتاجات المهمة التي توصل إليها ماكسويل هي تنبؤاته بأن أي تغيير في المجال الكهرومغناطيسي ، من حيث المبدأ ، يجب أن يولد موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء وفي الوسائط العازلة بسرعة محدودة معينة تعتمد على السماحية المغناطيسية والعازلة للوسط. للتكاثر المتموج.

بالنسبة للفراغ ، تبين أن هذه السرعة مساوية لسرعة الضوء ، والتي افترض ماكسويل فيما يتعلق بها أن الضوء هو أيضًا موجة كهرومغناطيسية ، وقد تم تأكيد هذا الافتراض لاحقًا (على الرغم من أن Jung أشار إلى طبيعة موجة الضوء قبل فترة طويلة من Oersted التجارب).

من ناحية أخرى ، أنشأ ماكسويل الأساس الرياضي للكهرومغناطيسية ، وفي عام 1884 ظهرت معادلات ماكسويل الشهيرة في الشكل الحديث. في عام 1887 ، أكد هيرتز نظرية ماكسويل لـ موجات كهرومغناطيسية: سوف يلتقط جهاز الاستقبال الموجات الكهرومغناطيسية التي يرسلها جهاز الإرسال.

تتعامل الديناميكا الكهربية الكلاسيكية مع دراسة المجالات الكهرومغناطيسية.في إطار الديناميكا الكهربية الكمومية ، يعتبر الإشعاع الكهرومغناطيسي بمثابة تدفق للفوتونات ، حيث يتم نقل التفاعل الكهرومغناطيسي بواسطة الجسيمات الحاملة - الفوتونات - بوزونات ناقلات عديمة الكتلة ، والتي يمكن تمثيلها كإثارات كمومية أولية للمجال الكهرومغناطيسي. لذلك ، الفوتون هو كم من المجال الكهرومغناطيسي من منظور الديناميكا الكهربائية الكمومية.

يعتبر التفاعل الكهرومغناطيسي اليوم أحد التفاعلات الأساسية في الفيزياء ، ويعد المجال الكهرومغناطيسي أحد المجالات الفيزيائية الأساسية جنبًا إلى جنب مع مجالات الجاذبية والفرميونية.

الخواص الفيزيائية للمجال الكهرومغناطيسي

يمكن الحكم على وجود المجالات الكهربائية أو المغناطيسية أو كليهما في الفضاء من خلال التأثير القوي للمجال الكهرومغناطيسي على جسيم مشحون أو على تيار.

يعمل المجال الكهربائي على الشحنات الكهربائية ، سواء كانت متحركة أو ثابتة ، بقوة معينة ، اعتمادًا على قوة المجال الكهربائي في نقطة معينة في الفضاء في وقت معين وعلى حجم شحنة الاختبار q.

يمكن معرفة القوة (المقدار والاتجاه) التي يعمل بها المجال الكهربائي على شحنة الاختبار ، ومعرفة حجم الشحنة ، وشدة المجال الكهربائي E عند نقطة معينة في الفضاء.

يتم إنشاء مجال كهربائي بواسطة الشحنات الكهربائية ، وتبدأ خطوط قوتها بشحنات موجبة (تتدفق شرطيًا منها) وتنتهي عند الشحنات السالبة (التدفق المشروط إليها). وبالتالي ، فإن الشحنات الكهربائية هي مصادر المجال الكهربائي. مصدر آخر للمجال الكهربائي هو المجال المغناطيسي المتغير ، والذي تم إثباته رياضياً بواسطة معادلات ماكسويل.

القوة المؤثرة على شحنة كهربائية من جانب المجال الكهربائي هي جزء من القوة المؤثرة على شحنة معينة من جانب المجال الكهرومغناطيسي.

يتم إنشاء المجال المغناطيسي عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (التيارات) أو عن طريق المجالات الكهربائية المتغيرة بمرور الوقت (كما هو موضح في معادلات ماكسويل) ويعمل فقط على تحريك الشحنات الكهربائية.

تتناسب قوة تأثير المجال المغناطيسي على الشحنة المتحركة مع تحريض المجال المغناطيسي ، وحجم الشحنة المتحركة ، وسرعة حركتها وجيب الزاوية بين متجه الحث للمجال المغناطيسي B واتجاه سرعة حركة الشحنة. غالبًا ما يشار إلى هذه القوة باسم قوة لورنزوباتشي ليست سوى الجزء "المغناطيسي" منها.

في الواقع ، تشتمل قوة لورنتز على مكونات كهربائية ومغناطيسية. يتم إنشاء المجال المغناطيسي عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (التيارات) ، ودائمًا ما تغلق خطوط قوتها وتغطي التيار.