الكهرومغناطيسية

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

في الفيزياء ، الكهرومغناطيسية هي تفاعل يحدث بين الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية عبر المجالات الكهرومغناطيسية . تُعدّ القوة الكهرومغناطيسية إحدى القوى الأساسية الأربع في الطبيعة. [ 1 ] وهي القوة المهيمنة في تفاعلات الذرات والجزيئات . يصف علم الكهرومغناطيسية ويربط بين ثلاث ظواهر متميزة ولكنها مترابطة ترابطًا وثيقًا ، وهي الكهرباء والمغناطيسية والبصريات . في الكهرومغناطيسية، تُوصف هذه الظواهر من خلال ثلاثة فروع فرعية: علم الكهرباء الساكنة ، وعلم المغناطيسية الساكنة ، وعلم الديناميكا الكهربائية .

تُعدّ القوة الكهرومغناطيسية مسؤولة عن العديد من الظواهر الكيميائية والفيزيائية التي نراها في حياتنا اليومية. فالتجاذب الكهروستاتيكي بين نوى الذرات وإلكتروناتها يُبقي الذرات متماسكة. كما تسمح القوى الكهربائية للذرات المختلفة بالاندماج لتكوين جزيئات. وفي الوقت نفسه، تلعب التفاعلات المغناطيسية بين العزوم المغناطيسية الدورانية والزاوية للإلكترونات دورًا في التفاعلات الكيميائية؛ وتُدرس هذه العلاقات في كيمياء الدوران . وتلعب الكهرومغناطيسية أيضًا أدوارًا حاسمة في التكنولوجيا الحديثة ، منها: إنتاج الطاقة الكهربائية وتحويلها وتوزيعها؛ وإنتاج الضوء والحرارة والصوت والكشف عنها؛ والاتصالات اللاسلكية والألياف الضوئية؛ وأجهزة الاستشعار؛ والحوسبة؛ والتحليل الكهربائي؛ والطلاء الكهربائي؛ والمحركات والمشغلات الميكانيكية.

دُرست الكهرومغناطيسية منذ القدم لتفسير الظواهر الكهربائية كالبرق والكهرباء الساكنة ، والظواهر المغناطيسية كالتجاذب بين قطع خام الحديد الممغنطة والبوصلات . وفي القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، طور العلماء العلاقات الرياضية بين هذه الظواهر والشحنات والتيارات الكهربائية . كما أظهروا أن الظواهر الكهربائية والمغناطيسية مترابطة، وأنها قادرة على توليد موجات كهرومغناطيسية مستدامة ، تُشكل الضوء المرئي وأشكالًا أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك أشعة غاما ، والأشعة السينية، والأشعة فوق البنفسجية ، والضوء المرئي ، والأشعة تحت الحمراء، والموجات الميكروية ، وموجات الراديو .

في العصر الحديث، يواصل العلماء تطوير نظرية الكهرومغناطيسية لتفسير تأثيرات الفيزياء الحديثة ، بما في ذلك ميكانيكا الكم والنسبية . وقد ساهمت الآثار النظرية للكهرومغناطيسية، ولا سيما اشتراط اتساق الملاحظات عند النظر إليها من أطر مرجعية متحركة مختلفة ( الكهرومغناطيسية النسبية )، وتحديد سرعة الضوء بناءً على خصائص وسط الانتشار ( النفاذية والسماحية )، في إلهام نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين عام ١٩٠٥. وتُعدِّل الديناميكا الكهربائية الكمية (QED) معادلات ماكسويل لتتوافق مع الطبيعة الكمية للمادة. في الديناميكا الكهربائية الكمية، تُعبَّر التغيرات في المجال الكهرومغناطيسي بدلالة إثارات منفصلة، ​​وهي جسيمات تُعرف بالفوتونات ، وهي كمات الضوء.

رياضياً، يتم وصف الكهرومغناطيسية بواسطة المجالات الكهرومغناطيسية . وهي كميات تصف التأثير الكهربائي ( المجال الكهربائي ) والمغناطيسي ( المجال المغناطيسي ) في موقع ووقت معينين.

قوة أساسية

التفاعلات الكهرومغناطيسية هي المسؤولة عن الخيوط المتوهجة في كرة البلازما هذه .

القوة الكهرومغناطيسية هي ثاني أقوى القوى الأساسية الأربع المعروفة ، ولها مدى غير محدود. [ 1 ] جميع القوى الأخرى، المعروفة بالقوى غير الأساسية . [ 2 ] (مثل الاحتكاك وقوى التلامس) مشتقة من القوى الأساسية الأربع. عند الطاقات العالية، تتحد القوة الضعيفة والقوة الكهرومغناطيسية في تفاعل واحد يُسمى التفاعل الكهروضعيف . [ 3 ]

تُفسَّر معظم القوى المؤثرة في التفاعلات بين الذرات بالقوى الكهرومغناطيسية بين نوى الذرات المشحونة كهربائياً والإلكترونات . كما أن القوة الكهرومغناطيسية تدخل في جميع أشكال الظواهر الكيميائية .

تُفسر الكهرومغناطيسية كيف تحمل المواد الزخم رغم كونها مكونة من جسيمات منفردة وفراغ. تنشأ القوى التي نشعر بها عند "دفع" أو "سحب" الأجسام المادية العادية من قوى التجاذب بين الجزيئات في أجسامنا وفي الأجسام نفسها.

تُعدّ القوى الفعّالة الناتجة عن زخم حركة الإلكترونات جزءًا أساسيًا من فهم التفاعلات الذرية والجزيئية. فعندما تتحرك الإلكترونات بين الذرات المتفاعلة، فإنها تحمل معها زخمًا. ومع ازدياد تقارب مجموعة الإلكترونات، يزداد زخمها الأدنى بالضرورة وفقًا لمبدأ استبعاد باولي . ويتحدد سلوك المادة على المستوى الجزيئي، بما في ذلك كثافتها، بالتوازن بين القوة الكهرومغناطيسية والقوة الناتجة عن تبادل الزخم الذي تحمله الإلكترونات نفسها. [ 4 ]

المجالات الكهرومغناطيسية

تُوصَف ظاهرة الكهرومغناطيسية رياضيًا باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية. الحقل الكهرومغناطيسي (أو حقل EM ) هو حقل فيزيائي ، يتغير مكانيًا وزمنيًا، ويمثل التأثيرات الكهربائية والمغناطيسية الناتجة عن الشحنات الكهربائية والمؤثرة عليها . يمكن اعتبار الحقل عند أي نقطة في المكان والزمان مزيجًا من حقل كهربائي وحقل مغناطيسي . وبسبب الترابط بين الحقلين، يمكن لاضطراب في الحقل الكهربائي أن يُحدث اضطرابًا في الحقل المغناطيسي، والذي بدوره يؤثر على الحقل الكهربائي، مما يؤدي إلى تذبذب ينتشر عبر الفضاء، يُعرف بالموجة الكهرومغناطيسية .

تُستخدم ست كميات رياضية لوصف المجالات الكهرومغناطيسية في ثلاث حالات متميزة. يُستخدم المجال الكهربائي ( E ) وكثافة التدفق المغناطيسي ( B) لوصف المجالات الكهرومغناطيسية في الحالات التي تكون فيها جميع الشحنات معروفة مباشرةً، كما هو الحال في المجال الكهرومغناطيسي في الفراغ. لوصف الحالة التي تستجيب فيها الشحنات داخل المادة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية المطبقة، من المفيد تعريف مجال الإزاحة الكهربائية ( D) وشدة المجال المغناطيسي ( H ) ، بالإضافة إلى E و B. وأخيرًا، من المفيد أحيانًا وصف المجالات الكهرومغناطيسية ليس بدلالة القوة، بل بدلالة طاقة الوضع والزخم. في هذه الحالة، يُعبَّر عن المجال الكهرومغناطيسي بالجهد الكهربائي ( V ) والجهد المغناطيسي الشعاعي ( A ) على التوالي.

قوة لورنتز F تؤثر على جسيم مشحون (شحنته q ) متحرك (سرعته اللحظية v ). يتغير كل من المجال الكهربائي E والمجال المغناطيسي B في المكان والزمان.

القوة المؤثرة على الشحنة الكهربائية نتيجة للمجالات الكهرومغناطيسية

القوة، F. على جسيم مشحون بشحنة q يتحرك بسرعة v في مجال كهرومغناطيسي تعطى بواسطة قوة لورنتز ( تعريف SI للكميات [ a ] ): [ 7 ]F=q(هـ+v×ب){\displaystyle \mathbf {F} =q\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)}

هنا، × هو حاصل الضرب الاتجاهي للمتجهات ، وجميع الكميات المكتوبة بخط غامق هي متجهات.

يمكن استخدام قوة لورنتز لتحديد كل من المجال الكهربائي E وكثافة التدفق المغناطيسي B.

المجالات الكهرومغناطيسية في المادة

عند التعامل مع المجالات الكهرومغناطيسية في المادة، من المفيد غالبًا إدخال مجالين آخرين، بالإضافة إلى المجالين E و B. ولأن المادة تتكون من جسيمات ذات شحنة كهربائية وعزم مغناطيسي ذاتي ، فإنها تستجيب للمجال الكهرومغناطيسي الخارجي بإنتاج مجالها الكهرومغناطيسي الخاص. التفاصيل معقدة، ولكن يمكن وصفها غالبًا بإدخال مجال إزاحة كهربائي ، D ، مكملًا للمجال E ، وقوة مجال مغناطيسي ، H ، مكملًا للمجال E.

صياغة الجهد الكهربائي

في الصيغ المتقدمة للكهرومغناطيسية، ولتبسيط بعض الحسابات، من المفيد غالبًا إعادة صياغة المجال الكهرومغناطيسي بدلالة طاقة الوضع الكهربائية والزخم بدلًا من القوة. هنا، المجالات الكهرومغناطيسية محل الاهتمام هي الجهد الكهربائي V والجهد المغناطيسي الشعاعي A. ويرتبط هذان المجالان بـ E و B بالعلاقة التالية: هـ=-∇V-∂أ∂تب=∇×أ{\displaystyle {\begin{align}\mathbf {E} &=-\nabla V-{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}\\[1ex]\mathbf {B} &=\nabla \times \mathbf {A} \end{محاذاة}}} حيث ∇ هو التدرج، و∇⋅ هو التباعد، و∇× هو الدوران .

الكهرباء الساكنة

قطة مخططة مغطاة بحبيبات التغليف.
تلتصق حبيبات الفوم بفراء قطة بسبب الكهرباء الساكنة . يكتسب فراء القطة شحنة كهربائية نتيجةً للتأثير الكهروستاتيكي الاحتكاكي . يتسبب المجال الكهربائي للفراء المشحون في استقطاب جزيئات الفوم بفعل الحث الكهروستاتيكي ، مما يؤدي إلى انجذاب طفيف لقطع البلاستيك الخفيفة إلى الفراء. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] هذا التأثير هو أيضاً سبب التصاق الملابس بالكهرباء الساكنة.

علم الكهرباء الساكنة هو فرع من فروع الفيزياء يدرس الشحنات الكهربائية بطيئة الحركة أو الثابتة على الأجسام العيانية حيث يمكن إهمال التأثيرات الكمومية . في هذه الظروف، يرتبط المجال الكهربائي والجهد الكهربائي وكثافة الشحنة ارتباطًا وثيقًا دون تعقيدات ناتجة عن التأثيرات المغناطيسية.

منذ العصور الكلاسيكية القديمة ، عُرف أن بعض المواد، مثل الكهرمان ، تجذب الجسيمات الخفيفة عند فركها . [ 12 ] ومن هنا جاءت الكلمة اليونانية ḗlektron ( ἤλεκτρον ) ، والتي تعني "الكهرمان"، كأصل لكلمة الكهرباء . تنشأ الظواهر الكهروستاتيكية من القوى التي تؤثر بها الشحنات الكهربائية على بعضها البعض. وتُوصَف هذه القوى بقانون كولوم .

هناك العديد من الأمثلة على الظواهر الكهروستاتيكية، بدءًا من تلك البسيطة مثل انجذاب الغلاف البلاستيكي إلى يد المرء بعد إزالته من العبوة، وصولًا إلى الانفجار التلقائي الظاهر لصوامع الحبوب، وتلف المكونات الإلكترونية أثناء التصنيع، وتشغيل آلات التصوير وطابعات الليزر .

المغناطيسية الساكنة

علم المغناطيسية الساكنة هو دراسة المجالات المغناطيسية في الأنظمة التي تكون فيها التيارات ثابتة (لا تتغير مع الزمن). وهو النظير المغناطيسي لعلم الكهرباء الساكنة ، حيث تكون الشحنات ثابتة. لا يشترط أن تكون المغنطة ثابتة؛ إذ يمكن استخدام معادلات المغناطيسية الساكنة للتنبؤ بأحداث التبديل المغناطيسي السريع التي تحدث على نطاق زمني نانوثانية أو أقل. [ 13 ] بل إن المغناطيسية الساكنة تُعدّ تقريبًا جيدًا حتى عندما لا تكون التيارات ثابتة - طالما أنها لا تتناوب بسرعة. وتُستخدم المغناطيسية الساكنة على نطاق واسع في تطبيقات المغناطيسية الدقيقة ، مثل نماذج أجهزة التخزين المغناطيسي كما في ذاكرة الحاسوب .

الديناميكا الكهربائية

في عام 1600، اقترح ويليام جيلبرت ، في كتابه "دي ماغنيت" ، أن الكهرباء والمغناطيسية، على الرغم من قدرتهما على التسبب في تجاذب وتنافر الأجسام، إلا أنهما تأثيران مختلفان. [ 14 ] لاحظ البحارة أن ضربات البرق قادرة على التأثير على إبرة البوصلة. لم يتم تأكيد العلاقة بين البرق والكهرباء إلا بعد أن أجرى توماس فرانسوا داليبارد الفرنسي تجارب بنجامين فرانكلين  المقترحة في 10 مايو 1752 ، مستخدمًا قضيبًا حديديًا طوله 12 مترًا (40 قدمًا) بدلًا من طائرة ورقية، حيث نجح في استخراج شرارات كهربائية من سحابة. [ 15 ] [ 16 ] 

كان جيان روماغنوسي من أوائل من اكتشفوا ونشروا صلة بين التيار الكهربائي المصنوع والمغناطيسية ، حيث لاحظ عام 1802 أن توصيل سلك عبر خلية فولطية يُحرف إبرة بوصلة قريبة . مع ذلك، لم ينتشر هذا التأثير على نطاق واسع حتى عام 1820، عندما أجرى أورستد تجربة مماثلة. [ 17 ] وقد ألهم عمل أورستد أمبير لإجراء المزيد من التجارب، مما أدى في النهاية إلى ظهور فرع جديد من الفيزياء: الديناميكا الكهربائية. ومن خلال تحديد قانون القوة للتفاعل بين عناصر التيار الكهربائي، وضع أمبير هذا الموضوع على أساس رياضي متين. [ 18 ]

طُوِّرت نظرية الكهرومغناطيسية، المعروفة بالكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، على يد عدد من الفيزيائيين خلال الفترة ما بين عامي 1820 و1873، حين نُشرت أطروحة جيمس كلارك ماكسويل، التي وحّدت التطورات السابقة في نظرية واحدة، مقترحةً أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية تنتشر في الأثير المضيء . [ 19 ] في الكهرومغناطيسية الكلاسيكية، يُوصف سلوك المجال الكهرومغناطيسي بمجموعة من المعادلات تُعرف بمعادلات ماكسويل ، وتُعطى القوة الكهرومغناطيسية بقانون لورنتز . [ 20 ]

من خصائص الكهرومغناطيسية الكلاسيكية صعوبة التوفيق بينها وبين الميكانيكا الكلاسيكية ، بينما تتوافق مع النسبية الخاصة. فبحسب معادلات ماكسويل، تُعد سرعة الضوء في الفراغ ثابتًا كونيًا يعتمد فقط على السماحية الكهربائية والنفاذية المغناطيسية للفضاء الحر . وهذا يُخالف مبدأ غاليليو ، وهو ركن أساسي في الميكانيكا الكلاسيكية. إحدى طرق التوفيق بين النظريتين (الكهرومغناطيسية والميكانيكا الكلاسيكية) هي افتراض وجود أثير مضيء ينتشر الضوء من خلاله. إلا أن التجارب اللاحقة باءت بالفشل في رصد وجود هذا الأثير. بعد إسهامات مهمة من هندريك لورنتز وهنري بوانكاريه ، حلّ ألبرت أينشتاين المشكلة عام ١٩٠٥ بتقديمه النسبية الخاصة، التي استبدلت علم الحركة الكلاسيكي بنظرية جديدة في علم الحركة تتوافق مع الكهرومغناطيسية الكلاسيكية. (للمزيد من المعلومات، انظر تاريخ النسبية الخاصة ).

بالإضافة إلى ذلك، تشير نظرية النسبية إلى أنه في الأطر المرجعية المتحركة، يتحول المجال المغناطيسي إلى مجال ذي مركبة كهربائية غير صفرية، وبالعكس، يتحول المجال الكهربائي المتحرك إلى مركبة مغناطيسية غير صفرية، مما يُثبت بشكل قاطع أن الظاهرتين وجهان لعملة واحدة. ومن هنا جاء مصطلح "الكهرومغناطيسية". (للمزيد من المعلومات، انظر: الكهرومغناطيسية الكلاسيكية والنسبية الخاصة ، والصياغة المتغيرة للكهرومغناطيسية الكلاسيكية ).

لا تزال هناك بعض المشاكل في الكهرومغناطيسية دون حل حتى اليوم. وتشمل هذه المشاكل: عدم وجود أقطاب مغناطيسية أحادية ، وجدل أبراهام-مينكوفسكي ، وموقع طاقة المجال الكهرومغناطيسي في الفضاء، [ 21 ] والآلية التي تستطيع بها بعض الكائنات الحية استشعار المجالات الكهربائية والمغناطيسية .

التوسع ليشمل الظواهر غير الخطية

معادلات ماكسويل خطية، بمعنى أن أي تغيير في المصادر (الشحنات والتيارات) يؤدي إلى تغيير متناسب في المجالات. قد تحدث ديناميكيات غير خطية عندما تقترن المجالات الكهرومغناطيسية بالمادة التي تخضع لقوانين ديناميكية غير خطية. [ 22 ] يُدرس هذا، على سبيل المثال، في مجال الديناميكا المغناطيسية المائية ، الذي يجمع بين نظرية ماكسويل ومعادلات نافيير-ستوكس . [ 23 ] فرع آخر من الكهرومغناطيسية يتناول اللاخطية هو البصريات اللاخطية .

الكميات والوحدات

فيما يلي قائمة بالوحدات الشائعة المتعلقة بالكهرومغناطيسية: [ 24 ]

في نظام CGS الكهرومغناطيسي ، يُعد التيار الكهربائي كمية أساسية تُعرَّف عبر قانون أمبير ، ويُعتبر النفاذية كمية لا بُعدية (نفاذية نسبية) قيمتها في الفراغ تساوي واحدًا . [ 25 ] ونتيجة لذلك، يظهر مربع سرعة الضوء صراحةً في بعض المعادلات التي تربط الكميات في هذا النظام.

كميات ووحدات الكهرومغناطيسية في النظام الدولي للوحدات
  • v
  • ت
  • هـ
الرمز [ 26 ]اسم الكميةاسم الوحدةرمزالوحدات الأساسية
هـطاقةجولJ = C⋅V = W⋅skg⋅m 2 ⋅s −2
سؤالالشحنة الكهربائيةكولومجأ⋅س
أناالتيار الكهربائيأمبيرأ = ج/ث = و/حأ
جكثافة التيار الكهربائيأمبير لكل متر مربع2 أمبيرA⋅m −2
U ، ΔV ؛ Δϕ ؛ E ، ξ​​فرق الجهد ؛ الجهد الكهربائي ؛ القوة الدافعة الكهربائيةفولتV = J/Ckg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
R ; Z ; Xالمقاومة الكهربائية ؛ المعاوقة ؛ المفاعلةأومΩ = V/Akg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2
ρالمقاومة النوعيةمقياس الأومΩ⋅mkg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2
Pالطاقة الكهربائيةواطW = V⋅Akg⋅m 2 ⋅s −3
جالسعةفارادF = C/Vkg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4
Φ Eالتدفق الكهربائيمقياس الفولتV⋅mkg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1
هـقوة المجال الكهربائيفولت لكل مترV/m = N/Ckg⋅m⋅A −1 ⋅s −3
دمجال الإزاحة الكهربائيةكولوم لكل متر مربعC/m 2A⋅s⋅m −2
εالسماحيةفاراد لكل مترأنثى/ذكرkg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4
χ eالحساسية الكهربائية( بدون أبعاد )11
صعزم ثنائي القطب الكهربائيكولوم مترسمأ⋅س⋅م
G ; Y ; Bالموصلية ؛ السماحية ؛ القابليةسيمنزS = Ω −1kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2
κ ، γ ، σالموصليةسيمنز لكل مترصغير/متوسطkg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2
بكثافة التدفق المغناطيسي، الحث المغناطيسيتسلاT = Wb/m² = N⋅A −1 ⋅m −1kg⋅s −2 ⋅A −1
Φ ، Φ م ، Φ بالتدفق المغناطيسيويبرWb = V⋅skg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1
حقوة المجال المغناطيسيأمبير لكل مترأكونA⋅m −1
Fالقوة الدافعة المغناطيسيةأمبيرأ = ويبر/هـأ
Rالممانعة المغناطيسيةهنري المعكوسH −1 = A/Wbkg −1 ⋅m −2 ⋅s 2 ⋅A 2
Pالنفاذية المغناطيسيةهنريH = Wb/Aكجم⋅م² ⋅ث⁻² ⋅أ⁻²​​​
L ، MالحثهنريH = Wb/A = V⋅s/Akg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2
μنفاذيةهنري لكل مترH/mكجم⋅م⋅s −2 ⋅A −2
χالقابلية المغناطيسية( بدون أبعاد )11
معزم ثنائي القطب المغناطيسيأمبير متر مربعA⋅m² = J⋅T − 1A⋅m 2
σمغنطة الكتلةأمبير متر مربع لكل كيلوغرامA⋅m 2 /kgA⋅m 2 ⋅kg −1

يجب تعديل صيغ القوانين الفيزيائية للكهرومغناطيسية (مثل معادلات ماكسويل ) تبعًا لنظام الوحدات المستخدم. ويعود ذلك إلى عدم وجود تطابق تام بين الوحدات الكهرومغناطيسية في النظام الدولي للوحدات (SI) ووحدات النظام السنتيمتري-الجرامي-الثاني (CGS)، كما هو الحال بالنسبة للوحدات الميكانيكية. علاوة على ذلك، يتضمن نظام CGS عدة خيارات ممكنة للوحدات الكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى ظهور "أنظمة فرعية" مختلفة للوحدات، بما في ذلك نظام غاوس ، ونظام ESU، ونظام EMU، ونظام هيفسايد-لورنتز . ومن بين هذه الخيارات، تُعد وحدات غاوس الأكثر شيوعًا اليوم، وفي الواقع، غالبًا ما يُستخدم مصطلح "وحدات CGS" للإشارة تحديدًا إلى وحدات CGS-غاوس . [ 27 ]

التطبيقات

تُستخدم نظرية الكهرومغناطيسية لفهم وتصميم الدوائر الكهربائية والدوائر المغناطيسية وأجهزة أشباه الموصلات .

تاريخ

العالم القديم

بدأ البحث في الظواهر الكهرومغناطيسية منذ حوالي 5000 عام. وتشير الأدلة إلى أن الحضارات الصينية القديمة [ 28 ] ، والمايا [ 29 ] [ 30 ] ، وربما حتى المصرية ، كانت على دراية بخصائص الجذب التي يتمتع بها معدن المغنتيت المغناطيسي الطبيعي ، وقد وظّفه الكثيرون في فنونهم وعمارتهم [ 31 ] . كما كان القدماء على دراية بالبرق والكهرباء الساكنة ، على الرغم من أنهم لم يكونوا على دراية بالآليات الكامنة وراء هذه الظواهر. اكتشف الفيلسوف اليوناني طاليس الملطي حوالي عام 600 قبل الميلاد أن الكهرمان يمكن أن يكتسب شحنة كهربائية عند فركه بقطعة قماش، مما يسمح له بجذب الأجسام الخفيفة مثل قطع القش. كما أجرى طاليس تجارب على قدرة الصخور المغناطيسية على التجاذب، وافترض أن هذه الظاهرة قد تكون مرتبطة بقوة الجذب التي يتمتع بها الكهرمان، مما ينبئ بالروابط العميقة بين الكهرباء والمغناطيسية التي سيتم اكتشافها بعد أكثر من 2000 عام. على الرغم من كل هذا البحث، لم تكن الحضارات القديمة تفهم الأساس الرياضي للكهرومغناطيسية، وكثيراً ما حللت تأثيراتها من منظور ديني بدلاً من علمي (فالبرق، على سبيل المثال، كان يُعتبر من صنع الآلهة في العديد من الثقافات). [ 32 ]

القرن التاسع عشر

غلاف كتاب "رسالة في الكهرباء والمغناطيسية"

كان يُعتقد في الأصل أن الكهرباء والمغناطيسية قوتان منفصلتان. تغير هذا الرأي مع نشر جيمس كلارك ماكسويل لكتابه "رسالة في الكهرباء والمغناطيسية" عام 1873 [ 33 ] ، حيث بيّن أن تفاعلات الشحنات الموجبة والسالبة تتم بوساطة قوة واحدة. وهناك أربعة تأثيرات رئيسية ناتجة عن هذه التفاعلات، وقد تم إثباتها جميعًا بوضوح من خلال التجارب.

  1. الشحنات الكهربائيةجذب أوتتنافر الشحنات بقوةتتناسب عكسياًمع مربع المسافة بينها (قانون كولوم): الشحنات المختلفة تتجاذب، والشحنات المتشابهة تتنافر. [ 34 ]
  2. تتجاذب الأقطاب المغناطيسية (أو حالات الاستقطاب عند نقاط فردية) أو تتنافر مع بعضها البعض بطريقة مشابهة للشحنات الموجبة والسالبة، وتوجد دائمًا في أزواج: كل قطب شمالي مرتبط بقطب جنوبي. [ 35 ]
  3. يُنشئ التيار الكهربائي داخل السلك مجالًا مغناطيسيًا محيطيًا مماثلًا خارج السلك. ويعتمد اتجاه هذا المجال (مع عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة) على اتجاه التيار في السلك. [ 36 ]
  4. يتولد تيار كهربائي في حلقة من السلك عند تحريكها باتجاه مجال مغناطيسي أو بعيدًا عنه، أو عند تحريك مغناطيس باتجاه مجال مغناطيسي أو بعيدًا عنه؛ ويعتمد اتجاه التيار على اتجاه الحركة. [ 36 ]

في أبريل 1820، لاحظ هانز كريستيان أورستد أن التيار الكهربائي في سلك يتسبب في تحرك إبرة بوصلة قريبة. عند اكتشافه، لم يقدم أورستد أي تفسير مُرضٍ لهذه الظاهرة، ولم يحاول تمثيلها ضمن إطار رياضي. مع ذلك، وبعد ثلاثة أشهر، بدأ تحقيقات أكثر تعمقًا. [ 37 ] [ 38 ] بعد ذلك بوقت قصير، نشر نتائجه، مُثبتًا أن التيار الكهربائي يُنتج مجالًا مغناطيسيًا أثناء مروره عبر سلك. سُميت وحدة الحث المغناطيسي ( أورستد ) في نظام الوحدات السنتيمترية-الجرامية -الثانية تكريمًا لإسهاماته في مجال الكهرومغناطيسية. [ 39 ] أثرت نتائجه على الفيزيائي الفرنسي أندريه ماري أمبير في تطوير صيغة رياضية موحدة لتمثيل القوى المغناطيسية بين الموصلات التي تحمل تيارًا كهربائيًا. [ 40 ]

يُعدّ هذا التوحيد، الذي لاحظه مايكل فاراداي ، ووسّعه جيمس كلارك ماكسويل ، وأعاد صياغته جزئيًا أوليفر هيفسايد وهاينريش هيرتز ، أحد أهم إنجازات الفيزياء الرياضية في القرن التاسع عشر . [ 41 ] وقد ترتبت عليه آثارٌ بعيدة المدى، من بينها فهم طبيعة الضوء . فعلى عكس ما اقترحته النظرية الكهرومغناطيسية في ذلك الوقت، يُنظر إلى الضوء والموجات الكهرومغناطيسية الأخرى حاليًا على أنها تتخذ شكل اضطرابات مجال كهرومغناطيسي متذبذبة ذاتية الانتشار ومكمّمة تُسمى الفوتونات . وتُنتج الترددات المختلفة للتذبذب أشكالًا مختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، بدءًا من موجات الراديو عند أدنى الترددات، مرورًا بالضوء المرئي عند الترددات المتوسطة، وصولًا إلى أشعة غاما عند أعلى الترددات.

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ في نظام الوحدات الدولي (SI)،يُقاس المجال المغناطيسي (B) بالتسلا (رمزها: T). وفي نظام الوحدات الغاوسي (cgs) ،يُقاس المجال المغناطيسي ( B) بالغاوس (رمزها: G). [ 5 ] يُقاس المجال المغناطيسي ( H ) بالأمبير لكل متر (A/m) في نظام الوحدات الدولي (SI)، وبالأورستد ( Oe) في نظام الوحدات الغاوسي (cgs). [ 6 ]

مراجع

  1. 1 2 بيغز، بن؛ نشر بواسطة جيريمي ريم (23 ديسمبر 2021). "القوى الأساسية الأربع للطبيعة" . الفضاء .
  2. ↑ براون، "الفيزياء للهندسة والعلوم"، ص 160: "الجاذبية إحدى القوى الأساسية في الطبيعة. أما القوى الأخرى، مثل الاحتكاك والشد والقوة العمودية، فهي مشتقة من القوة الكهربائية، وهي قوة أساسية أخرى. الجاذبية قوة ضعيفة نسبيًا... القوة الكهربائية بين بروتونين أقوى بكثير من قوة الجاذبية بينهما."
  3. ↑ سلام، أ.؛ وارد، ج. س. (1964). "التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة". رسائل الفيزياء . 13 (2): 168-171 . Bibcode : 1964PhL....13..168S . doi : 10.1016/0031-9163(64)90711-5 .
  4. ↑ بورسيل، "الكهرباء والمغناطيسية، الطبعة الثالثة"، ص 546: الفصل 11 القسم 6، "دوران الإلكترون والعزم المغناطيسي".
  5. ↑ "أسئلة متكررة حول المغناطيسية الأرضية" . المركز الوطني لبيانات الجيوفيزياء . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أكتوبر 2013 .)
  6. ↑ "النظام الدولي للوحدات (SI)" . مرجع المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) حول الثوابت والوحدات وعدم اليقين . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. 12 أبريل 2010. تم الاطلاع عليه في 9 مايو 2012 .
  7. ↑ جاكسون 1998 ، ص 2-3.
  8. ^ لينغ، صموئيل ج. موبس، وليام. ساني ، جيف (2019). الفيزياء الجامعية، المجلد. 2 . أوبنستاكس. رقم ISBN 9781947172210.الفصل 30: الموصلات، والعوازل، والشحن بالحث
  9. ↑ بلومفيلد، لويس أ. (2015). كيف تعمل الأشياء: فيزياء الحياة اليومية . جون وايلي وأولاده. ص 270. ISBN  9781119013846.
  10. ↑ "الاستقطاب" . الكهرباء الساكنة - الدرس 1 - المصطلحات والمفاهيم الأساسية . فصل الفيزياء. 2020. تم الاطلاع عليه في 18 يونيو 2021 .
  11. ↑ تومسون، زوتشيل زامورا (2004). "اشحنها! كل شيء عن التجاذب والتنافر الكهربائي" . تعليم الهندسة: منهج العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات للمراحل الدراسية من الروضة إلى الصف الثاني عشر . جامعة كولورادو . تاريخ الاسترجاع: 18 يونيو 2021 .
  12. ↑ بروكمان، سي جيه (أكتوبر 1929). "تاريخ الكهرباء قبل اكتشاف الخلية الفولتية". مجلة التعليم الكيميائي . 6 (10): 1726-1732 . doi : 10.1021/ed006p1726 .
  13. ↑ هيبرت، دبليو؛ بالنتين، جي؛ فريمان، إم (2002). "مقارنة بين الديناميكيات المغناطيسية الدقيقة التجريبية والرقمية في التبديل التمهيدي المتماسك والتذبذبات النمطية". مجلة Physical Review B. 65 ( 14) 140404. Bibcode : 2002PhRvB..65n0404H . doi : 10.1103/PhysRevB.65.140404 .
  14. ↑ مالين، ستيوارت؛ باراكلو، ديفيد (2000). "كتاب جيلبرت عن المغناطيسية: دراسة مبكرة للمغناطيسية والكهرباء". مجلة إيوس، معاملات الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . 81 (21): 233-234 . رمز Bibcode : 2000EOSTr..81..233M . doi : 10.1029/00EO00163 .
  15. ↑ "البرق! | متحف العلوم، بوسطن" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 9 فبراير 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 أغسطس 2022 .
  16. ↑ تاكر، توم (2003). صاعقة القدر : بنجامين فرانكلين وخدعة الطائرة الورقية الكهربائية ( الطبعة الأولى). نيويورك: بابليك أفيرز. ISBN   1-891620-70-3. OCLC 51763922 . 
  17. ↑ ستيرن، د. ديفيد ب.؛ بيريدو، ماوريسيو (25 نوفمبر 2001). "المجالات المغناطيسية - التاريخ" . مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا. مؤرشف من الأصل في 16 نوفمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 27 نوفمبر 2009 .
  18. ↑ "أندريه ماري أمبير" . ETHW . 13 يناير 2016. مؤرشف من الأصل في 22 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 22 أغسطس 2022 .
  19. ↑ بورسيل، ص 436. الفصل 9.3، "كان وصف ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي كاملاً بشكل أساسي".
  20. ↑ بورسيل: ص 278: الفصل 6.1، "تعريف المجال المغناطيسي". قوة لورنتز ومعادلة القوة.
  21. ↑ فاينمان، ريتشارد ب. (2011). "27-4 غموض طاقة المجال" . محاضرات فاينمان في الفيزياء. المجلد 2: الكهرومغناطيسية والمادة بشكل أساسي . نيويورك: بيسيك بوكس. ISBN 978-0-465-04085-8.
  22. ↑ جوفريانساه، عدي؛ هيرمانتو، عارف؛ تويفور، محمد؛ براسيتيو، إروين (2020). "دراسة نظرية لمعادلات ماكسويل في البصريات غير الخطية". مؤتمر الفيزياء النظرية والظواهر غير الخطية (CTPNP) 2019: رحلة من الفراغ إلى المادة المكثفة . المجلد 2234. ص 040013. doi : 10.1063/5.0008179 .  
  23. ↑ هانت، جوليان سي آر (2016). بعض جوانب الديناميكا المغناطيسية المائية (أطروحة). أبولو - مستودع جامعة كامبريدج. doi : 10.17863/cam.14141 .
  24. ↑ "أساسيات النظام الدولي للوحدات: الوحدات الأساسية والمشتقة" . physics.nist.gov . ١٢ أبريل ٢٠١٠. مؤرشف من الأصل في ٢٨ ديسمبر ٢٠٢٠. تم الاطلاع عليه في ٢٢ أغسطس ٢٠٢٢ .
  25. ↑ "جداول الثوابت الفيزيائية والكيميائية، وبعض الدوال الرياضية". مجلة نيتشر . 107 (2687): 264. 1921. Bibcode : 1921Natur.107R.264. doi : 10.1038 /107264c0 .
  26. ↑ الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (1993). الكميات والوحدات والرموز في الكيمياء الفيزيائية ، الطبعة الثانية، أكسفورد: بلاكويل ساينس. ISBN 0-632-03583-8الصفحات  14-15. نسخة إلكترونية.
  27. ↑ ليتينين، نيكولاي ج. (4 نوفمبر 2010). تحويل الصيغ والكميات بين أنظمة الوحدات (ملف PDF) (تقرير). مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 5 أكتوبر 2022. تم الاطلاع عليه في 29 يناير 2022 .
  28. ↑ ماير، هربرت (1972). تاريخ الكهرباء والمغناطيسية . ص 2. 
  29. ↑ ليرن، جوشوا راب. "منحوتات أمريكا الوسطى تكشف عن معرفة مبكرة بالمغناطيسية" . مجلة سميثسونيان . مؤرشف من الأصل بتاريخ 7 ديسمبر 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 ديسمبر 2022 .ملخص ورقة بحثية من تأليف فو وآخرون.
  30. ↑ فو، روجر ر.؛ كيرشفينك، جوزيف ل.؛ كارتر، نيكولاس؛ مازاريغوس، أوزوالدو تشينشيلا؛ تشيغنا، غوستافو؛ غوبتا، غاريما؛ غرابوني، مايكل (يونيو 2019). "معرفة المغناطيسية في أمريكا الوسطى القديمة: قياسات دقيقة للتماثيل ذات البطن المنتفخ من مونتي ألتو، غواتيمالا". مجلة العلوم الأثرية . 106 : 29-36 . Bibcode : 2019JArSc.106...29F . doi : 10.1016/j.jas.2019.03.001 .
  31. ^ دو تريموليت دي لاتشيسيري، إ.؛ جينيوكس، د.؛ شلينكر، م. (2002). “المغناطيسية من فجر الحضارة إلى اليوم”. المغناطيسية . ص 3 – 18. دوى : 10.1007 / 978-0-387-23062-7_1 . رقم ISBN  978-1-4020-7222-2.
  32. ↑ ماير، هربرت (1972). تاريخ الكهرباء والمغناطيسية . ص 3-4 . 
  33. ↑ "رسالة في الكهرباء والمغناطيسية". مجلة نيتشر . 7 (182): 478– 480. 1873. Bibcode : 1873Natur...7..478. . doi : 10.1038/007478a0 .
  34. ↑ "لماذا تتنافر الشحنات المتشابهة وتتجاذب الشحنات المختلفة؟" . ساينس إيه بي سي . 2019-02-06. مؤرشف من الأصل في 2022-08-22 . تم الاسترجاع في 2022-08-22 .
  35. ↑ "ما الذي يجعل المغناطيس يتنافر؟" . ساينسينغ . 27 ديسمبر 2020. مؤرشف من الأصل في 26 سبتمبر 2022. تم الاطلاع عليه في 22 أغسطس 2022 .
  36. 1 2 لوكاس، جيم (18 فبراير 2022). "ما هو قانون فاراداي للاستقراء؟" . لايف ساينس .
  37. ↑ "تاريخ التلغراف الكهربائي". مجلة ساينتفك أمريكان . 17 (425 ملحق): 6784–6786 . 1884. doi : 10.1038/scientificamerican02231884-6784supp .
  38. ^ بيفيلاكوا، فابيو؛ جيانيتو، إنريكو أ.، محررون. (2003). فولتا وتاريخ الكهرباء . ميلانو: يو هوبلي. رقم ISBN 88-203-3284-1. OCLC 1261807533 . 
  39. ↑ روش، جون ج. (1998). رياضيات القياس : تاريخ نقدي . لندن: مطبعة أثلون. ISBN  0-485-11473-9. OCLC 40499222 . 
  40. ↑ ويتاكر، إي تي (1910). تاريخ نظريات الأثير والكهرباء من عصر ديكارت إلى نهاية القرن التاسع عشر . سلسلة منشورات جامعة دبلن. لندن: لونغمانز، غرين وشركاه؛ [إلخ].
  41. ↑ داريغول، أوليفييه (2000). الديناميكا الكهربائية من أمبير إلى أينشتاين . نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0198505949.

للمزيد من القراءة

مصادر الويب

الكتب الدراسية

  • جي إيه جي بينيت (1974). الكهرباء والفيزياء الحديثة (  الطبعة الثانية). إدوارد أرنولد (المملكة المتحدة). رقم ISBN 978-0-7131-2459-0.
  • براون، مايكل (2008). الفيزياء للهندسة والعلوم (  الطبعة الثانية). ماكجرو هيل/شوم. ISBN 978-0-07-161399-6.
  • ديبنر، بيرن (2012). أورستد واكتشاف الكهرومغناطيسية . شركة الترخيص الأدبي المحدودة. رقم ISBN 978-1-258-33555-7.
  • دورني، كارل هـ.؛ جونسون، كورتيس س. (1969). مقدمة في الكهرومغناطيسية الحديثة . ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-018388-9.
  • فاينمان، ريتشارد ب. (1970). محاضرات فاينمان في الفيزياء، المجلد الثاني . أديسون ويسلي لونجمان. ISBN 978-0-201-02115-8.
  • فليش، دانيال (2008). دليل الطالب لمعادلات ماكسويل . كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-70147-1.
  • آي إس جرانت؛ دبليو آر فيليبس؛ مانشستر فيزيكس (2008). الكهرومغناطيسية (  الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-92712-9.
  • غريفيث، ديفيد ج. (1998). مقدمة في الديناميكا الكهربائية (  الطبعة الثالثة). برنتيس هول. ISBN 978-0-13-805326-0.
  • جاكسون، جون د. (1998). الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية (  الطبعة الثالثة). وايلي. ISBN 978-0-471-30932-1.
  • موليتون، أندريه (2007). الكهرومغناطيسية الأساسية والمواد . نيويورك: سبرينغر-فيرلاغ نيويورك. ISBN 978-0-387-30284-3.
  • بورسل، إدوارد م. (1985). الكهرباء والمغناطيسية. بيركلي، سلسلة دورات الفيزياء، المجلد 2 (الطبعة الثانية) . ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-004908-6.
  • بورسل، إدوارد م. ومورين، ديفيد. (2013). الكهرباء والمغناطيسية، 820 صفحة (  الطبعة الثالثة). مطبعة جامعة كامبريدج، نيويورك. ISBN 978-1-107-01402-2.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  • راو، نانابانيني ن. (1994). عناصر الهندسة الكهرومغناطيسية (الطبعة الرابعة) . برنتيس هول. ISBN 978-0-13-948746-0.
  • روثويل، إدوارد ج .؛ كلاود، مايكل ج. (2001). الكهرومغناطيسية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-1397-4.
  • تيبلر، بول (1998). الفيزياء للعلماء والمهندسين: المجلد 2: الضوء والكهرباء والمغناطيسية (  الطبعة الرابعة). دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 978-1-57259-492-0.
  • وانغسنيس، روالد ك.؛ كلاود، مايكل ج. (1986). المجالات الكهرومغناطيسية (  الطبعة الثانية). وايلي. ISBN 978-0-471-81186-2.
  • وينغ تشو تشيو (2025). محاضرات في نظرية المجال الكهرومغناطيسي: نظرة عامة شاملة . مطبعة جامعة بيردو. ISBN 9781626710979.

تغطية عامة

  • أ. بيزر (1987). مفاهيم الفيزياء الحديثة (  الطبعة الرابعة). ماكجرو هيل (الدولية). رقم ISBN 978-0-07-100144-1.
  • إل إتش غرينبيرغ (1978). الفيزياء مع تطبيقات حديثة . هولت-سوندرز إنترناشونال، دبليو بي سوندرز وشركاه. رقم ISBN 978-0-7216-4247-5.
  • آر جي ليرنر ؛ جي إل تريج (2005). موسوعة الفيزياء (  الطبعة الثانية). دار نشر VHC، هانز وارليمونت، سبرينغر. الصفحات 12-13 . ISBN  978-0-07-025734-4.
  • ج. ب. ماريون؛ و. ف. هورنياك (1984). مبادئ الفيزياء . هولت-سوندرز إنترناشونال، كلية سوندرز. رقم ISBN 978-4-8337-0195-2.
  • إتش جيه باين (1983). فيزياء الاهتزازات والأمواج (  الطبعة الثالثة). جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-0-471-90182-2.
  • سي بي باركر (1994). موسوعة ماكجرو هيل للفيزياء (  الطبعة الثانية). ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-051400-3.
  • آر. بنروز (2007). الطريق إلى الواقع . دار فينتج للنشر. رقم ISBN 978-0-679-77631-4.
  • ب. أ. تيبلر؛ ج. موسكا (2008). الفيزياء للعلماء والمهندسين: مع الفيزياء الحديثة (  الطبعة السادسة). دبليو إتش فريمان وشركاه. رقم ISBN 978-1-4292-0265-7.
  • بي إم ويلان؛ إم جيه هودجسون (1978). المبادئ الأساسية للفيزياء (  الطبعة الثانية). جون موراي. ISBN 978-0-7195-3382-2.