نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي

نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي
مؤلفجيمس كليرك ماكسويل
لغةإنجليزي
موضوعالكهرومغناطيسية
تاريخ النشر
1865
مكان النشربريطانيا العظمى

" النظرية الديناميكية للحقل الكهرومغناطيسي " هي ورقة بحثية كتبها جيمس كليرك ماكسويل عن الكهرومغناطيسية ، ونُشرت عام 1865. [1] وصف الفيزيائي فريمان دايسون نشر الورقة البحثية بأنه "الحدث الأكثر أهمية في القرن التاسع عشر في تاريخ العلوم الفيزيائية". [2]

كانت هذه الورقة البحثية أساسية في إرساء النظرية الكلاسيكية للكهرومغناطيسية. [3] استنتج ماكسويل معادلة الموجة الكهرومغناطيسية بسرعة الضوء بما يتفق بشكل وثيق مع القياسات التي أجريت بالتجربة، واستنتج أيضًا أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية.

النشر

وفقًا للإجراءات القياسية في ذلك الوقت، تمت قراءة الورقة لأول مرة على الجمعية الملكية في 8 ديسمبر 1864، بعد أن أرسلها ماكسويل إلى الجمعية في 27 أكتوبر. ثم خضعت لمراجعة الأقران ، حيث تم إرسالها إلى ويليام طومسون (لاحقًا اللورد كلفن ) في 24 ديسمبر 1864. [4] ثم تم إرسالها إلى جورج جابرييل ستوكس ، سكرتير العلوم الفيزيائية للجمعية، في 23 مارس 1865. تمت الموافقة على نشرها في المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في 15 يونيو 1865، من قبل لجنة الأوراق (المجلس الحاكم للجمعية في الأساس) وتم إرسالها إلى المطبعة في اليوم التالي (16 يونيو). خلال هذه الفترة، لم يتم نشر المعاملات الفلسفية إلا كمجلد مجلد مرة واحدة في السنة، [5] وكان من الممكن إعدادها ليوم الذكرى السنوية للجمعية في 30 نوفمبر (التاريخ الدقيق غير مسجل). ومع ذلك، كان من المقرر أن يقوم الطابع بإعداد المطبوعات وتسليمها إلى ماكسويل، حتى يتمكن المؤلف من توزيعها كما يشاء، وذلك بعد 16 يونيو/حزيران بفترة وجيزة.

معادلات ماكسويل الأصلية

في الجزء الثالث من الورقة، والذي يحمل عنوان "المعادلات العامة للمجال الكهرومغناطيسي"، صاغ ماكسويل عشرين معادلة [1] والتي أصبحت تُعرف باسم معادلات ماكسويل ، حتى أصبح هذا المصطلح يُطبق بدلاً من ذلك على مجموعة متجهة من أربع معادلات تم اختيارها في عام 1884، والتي ظهرت جميعها في ورقته البحثية " حول الخطوط الفيزيائية للقوة " عام 1861. [6]

تتميز إصدارات هيفسايد لمعادلات ماكسويل بحقيقة أنها مكتوبة بتدوين متجه حديث . وهي في الواقع تحتوي فقط على واحدة من الثماني الأصلية - المعادلة "G" ( قانون جاوس ). معادلة أخرى من معادلات هيفسايد الأربع هي دمج لقانون ماكسويل للتيارات الكلية (المعادلة "A") مع قانون أمبير الدائري (المعادلة "C"). هذا الدمج، الذي قام به ماكسويل نفسه في الأصل في المعادلة (112) في "حول الخطوط الفيزيائية للقوة"، هو الذي يعدل قانون أمبير الدائري ليشمل تيار الإزاحة لماكسويل . [6]

معادلات هيفسايد

يمكن تحويل ثمانية عشر من المعادلات العشرين الأصلية لماكسويل إلى ستة معادلات، مُسمّاة من (أ) إلى (و) أدناه، كل منها تمثل مجموعة من ثلاث معادلات أصلية في شكل مكون . تظهر المعادلتان التاسع عشر والعشرين من معادلات ماكسويل المكونة على هيئة (ج) و(ح) أدناه، مما يجعل المجموع ثماني معادلات متجهة. يتم سردها أدناه بالترتيب الأصلي لماكسويل، والمشار إليها بالأحرف التي خصصها لها ماكسويل في ورقته البحثية لعام 1864. [7]

(أ)قانون التيارات الكلية

(ب)تعريف الجهد المغناطيسي

(ج) قانون أمبير للدائرة الكهربائية

(د)قوة لورنتز وقانون فاراداي للحث

(هـ)معادلة المرونة الكهربائية

(ف) قانون أوم

(ج) قانون جاوس

(ح)معادلة استمرارية الشحنة

.

تدوين
هو المجال المغناطيسي ، والذي أطلق عليه ماكسويل اسم " الكثافة المغناطيسية ".
هي كثافة التيار الكهربائي (حيث تكون كثافة التيار الكلية متضمنة تيار الإزاحة ).
هو مجال الإزاحة (الذي أطلق عليه ماكسويل اسم " الإزاحة الكهربائية ").
هي كثافة الشحنة الحرة (التي أطلق عليها ماكسويل " كمية الكهرباء الحرة ").
هي الإمكانات المغناطيسية (التي أطلق عليها ماكسويل اسم " الدافع الزاوي ").
هي القوة لكل وحدة شحنة (التي أطلق عليها ماكسويل " القوة الدافعة الكهربائية "، ولا ينبغي الخلط بينها وبين الكمية القياسية التي تسمى الآن القوة الدافعة الكهربائية ؛ انظر أدناه).
هو الجهد الكهربائي (الذي أطلق عليه ماكسويل أيضًا اسم " الجهد الكهربائي ").
هي الموصلية الكهربائية (أطلق ماكسويل على معكوس الموصلية اسم " المقاومة النوعية "، وهو ما يسمى الآن بالمقاومة النوعية ).
هو عامل المتجه del .
توضيحات

لم يأخذ ماكسويل في الاعتبار المواد العامة تمامًا؛ فقد استخدم في صياغته الأولية وسائط خطية ، متساوية الخواص ، وغير مشتتة ذات نفاذية ϵ ونفاذية μ ، على الرغم من أنه ناقش أيضًا إمكانية وجود مواد متباينة الخواص .

لا يتم تضمين قانون جاوس للمغناطيسية ( ∇⋅  B = 0 ) في القائمة أعلاه، ولكنه يتبع مباشرة من المعادلة (ب) عن طريق أخذ التباعدات (لأن تباعد التجعيد يساوي صفرًا).

يؤدي استبدال (A) في (C) إلى الحصول على الشكل التفاضلي المألوف لقانون ماكسويل أمبير .

تحتوي المعادلة (د) ضمناً على قانون قوة لورنتز والشكل التفاضلي لقانون فاراداي للحث . بالنسبة للحقل المغناطيسي الساكن ، يتلاشى، ويصبح المجال الكهربائي E محافظًا ويُعطى بواسطة −∇ ϕ ، بحيث يُختزل (د) إلى

.

هذا ببساطة هو قانون قوة لورنتز على أساس وحدة الشحنة - على الرغم من ظهور معادلة ماكسويل (د) لأول مرة في المعادلة (77) في "حول الخطوط الفيزيائية للقوة" في عام 1861، [6] قبل 34 عامًا من استنباط لورنتز لقانون القوة الخاص به، والذي يُقدَّم الآن عادةً كمكمل لـ " معادلات ماكسويل " الأربع. مصطلح الضرب المتقاطع في قانون قوة لورنتز هو مصدر ما يسمى بالقوة الدافعة الكهربائية الحركية في المولدات الكهربائية (انظر أيضًا مشكلة المغناطيس المتحرك والموصل ). حيث لا توجد حركة عبر المجال المغناطيسي - على سبيل المثال، في المحولات - يمكننا إسقاط مصطلح الضرب المتقاطع، وتنخفض القوة لكل وحدة شحنة (تسمى f ) إلى المجال الكهربائي E ، بحيث تنخفض معادلة ماكسويل (د) إلى

.

عند أخذ تجعيدات، مع ملاحظة أن تجعيد التدرج يساوي صفرًا، نحصل على

وهو الشكل التفاضلي لقانون فاراداي . وبالتالي، يمكن وصف الحدود الثلاثة على الجانب الأيمن من المعادلة (د)، من اليسار إلى اليمين، بالحد الحركي، والحد المحول، والحد المحافظ.

عند استنباط معادلة الموجة الكهرومغناطيسية ، لم يأخذ ماكسويل في الاعتبار الموقف إلا من إطار السكون للوسط، وبالتالي تخلى عن مصطلح الضرب المتجهي. لكنه ما زال يعمل من المعادلة (د)، على النقيض من الكتب المدرسية الحديثة التي تميل إلى العمل من قانون فاراداي (انظر أدناه).

المعادلات التأسيسية (E) و (F) عادة ما تُكتب الآن في إطار الراحة للوسط مثل D = ϵ E و J = σ E .

في البداية، تبدو معادلة ماكسويل (G)، عند النظر إليها بمعزل عن غيرها كما طُبعت في ورقة عام 1864، وكأنها تقول إن ‍ ρ + ∇⋅  D = 0. ومع ذلك، إذا تتبعنا العلامات عبر الثلاثيتين السابقتين من المعادلات، فسنرى أن ما يبدو أنه مكونات D هي في الواقع مكونات  D. إن الترميز المستخدم في أطروحة ماكسويل اللاحقة عن الكهرباء والمغناطيسية مختلف، ويتجنب الانطباع الأول المضلِّل. [8]

ماكسويل – موجة الضوء الكهرومغناطيسية

أبو النظرية الكهرومغناطيسية
بطاقة بريدية من ماكسويل إلى بيتر تايت

في الجزء السادس من "نظرية ديناميكية للحقل الكهرومغناطيسي"، [1] بعنوان "النظرية الكهرومغناطيسية للضوء"، [9] يستخدم ماكسويل التصحيح الذي أدخله على قانون أمبير الدائري في الجزء الثالث من بحثه عام 1862، "حول الخطوط الفيزيائية للقوة"، [6] والذي يعرف بأنه تيار الإزاحة ، لاستنتاج معادلة الموجة الكهرومغناطيسية .

وقد توصل إلى معادلة موجية بسرعة تتفق إلى حد كبير مع التقديرات التجريبية لسرعة الضوء. وعلق على ذلك بقوله:

ويبدو أن اتفاق النتائج يبين أن الضوء والمغناطيسية هما تأثيران على نفس المادة، وأن الضوء عبارة عن اضطراب كهرومغناطيسي ينتشر عبر المجال وفقًا لقوانين الكهرومغناطيسية.

لقد تم استبدال اشتقاق ماكسويل لمعادلة الموجة الكهرومغناطيسية في الفيزياء الحديثة بطريقة أقل تعقيدًا بكثير والتي تجمع بين النسخة المصححة لقانون أمبير الدائري وقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي.

طرق المعادلات الحديثة

للحصول على معادلة الموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ باستخدام الطريقة الحديثة، نبدأ بالشكل الحديث "هيفيسايد" لمعادلات ماكسويل. باستخدام (وحدات النظام الدولي للوحدات) في الفراغ، تكون هذه المعادلات

إذا أخذنا تجعيد معادلات التجعيد نحصل على

إذا لاحظنا هوية المتجه

أين توجد أي دالة متجهة للفضاء، نستعيد معادلات الموجة

أين

متر في الثانية

هي سرعة الضوء في الفضاء الحر.

الإرث والتأثير

وعن هذه الورقة وأعمال ماكسويل ذات الصلة، قال الفيزيائي ريتشارد فاينمان : "من وجهة نظر طويلة الأمد لتاريخ البشرية ــ كما ننظر إليه من بعد عشرة آلاف عام من الآن ــ لا شك أن الحدث الأكثر أهمية في القرن التاسع عشر سوف يحكم عليه بأنه اكتشاف ماكسويل لقوانين الكهرومغناطيسية".

استخدم ألبرت أينشتاين معادلات ماكسويل كنقطة بداية لنظريته النسبية الخاصة ، والتي قدمها في كتاب الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة ، وهو أحد أوراق أينشتاين في عام 1905 بمناسبة الذكرى السنوية للثورة العلمية . وجاء في الكتاب:

ستكون نفس قوانين الديناميكا الكهربائية والبصريات صالحة لجميع إطارات المرجع التي تنطبق عليها معادلات الميكانيكا

و

يتحرك أي شعاع ضوء في نظام "ثابت" من الإحداثيات بسرعة محددة c، سواء كان الشعاع ينبعث من جسم ثابت أو متحرك.

يمكن أيضًا استخلاص معادلات ماكسويل عن طريق توسيع النسبية العامة إلى خمسة أبعاد فيزيائية .

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ abc Maxwell, James Clerk (1865). "نظرية ديناميكية للحقل الكهرومغناطيسي". المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن . 155 : 459–512. doi :10.1098/rstl.1865.0008. OL  25533062M. S2CID  186207827. (تم قراءة الورقة في اجتماع الجمعية الملكية في 8 ديسمبر 1864).
  2. ^ دايسون، ف. ج. (2007). "لماذا يصعب فهم نظرية ماكسويل؟". المؤتمر الأوروبي الثاني للهوائيات والانتشار، EuCAP 2007. مؤسسة الهندسة والتكنولوجيا: 619. doi :10.1049/ic.2007.1146. ISBN 978-0-86341-842-6.
  3. ^ لونجير، مالكولم (2015-04-13). ""... ورقة ... أعتبرها أسلحة عظيمة"": تعليق على ماكسويل (1865) ""نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي"". المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية أ: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية . 373 (2039): 20140473. doi :10.1098/rsta.2014.0473. ISSN  1364-503X. PMC 4360095. PMID 25750155  . 
  4. ^ أرشيفات الجمعية الملكية؛ سجل الأوراق
  5. ^ الجمعية الملكية
  6. ^ أ ب ج د ماكسويل، جيمس كليرك (1861). "حول الخطوط الفيزيائية للقوة" (PDF) . المجلة الفلسفية .
  7. ^ راجع تاي، تشين تو (1972)، "حول عرض نظرية ماكسويل" (ورقة بحثية مدعوة)، وقائع مؤتمر معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات   60  (8): 936-45.
  8. ^ ماكسويل، جيمس كليرك (1873). أطروحة عن الكهرباء والمغناطيسية . أكسفورد: مطبعة كلارندون. المجلد الثاني ، ص 233، المعادلة ( ج ).
  9. ^ نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي/الجزء السادس

قراءة إضافية

  • ماكسويل، جيمس سي؛ تورانس، توماس ف. (مارس 1996). نظرية ديناميكية للحقل الكهرومغناطيسي . يوجين، أوريجون: ويبف وستوك. رقم ISBN 1-57910-015-5.
  • نيفين، دبليو دي (1952). الأوراق العلمية لجيمس كليرك ماكسويل . المجلد 1. نيويورك: دوفر.
  • جونسون، كيفن (مايو 2002). "المجال الكهرومغناطيسي". جيمس كليرك ماكسويل – المجهول الأعظم . مؤرشف من الأصل في 15 سبتمبر 2008. تم الاسترجاع في 7 سبتمبر 2009 .
  • داريجول، أوليفييه (2000). الكهرومغناطيسية من أمبير إلى أينشتاين. مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0198505945
  • كاتز، راندي هـ. (22 فبراير 1997). ""انظر يا أمي، لا أسلاك"": ماركوني واختراع الراديو". تاريخ البنى التحتية للاتصالات . تم الاسترجاع في 7 سبتمبر 2009 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=A_Dynamical_Theory_of_the_Electromagnetic_Field&oldid=1259190800"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate