خط القوة

في تاريخ الفيزياء ، يُعتبر خط القوة، بمفهومه الموسع عند مايكل فاراداي ، مرادفًا لخط الحث عند جيمس كلارك ماكسويل . ^{[ 1 ]} ووفقًا لجيه جيه طومسون ، يُناقش فاراداي عادةً خطوط القوة على أنها سلاسل من الجسيمات المستقطبة في مادة عازلة، ولكنه يُناقشها أحيانًا على أنها كيانات قائمة بذاتها، كما لو كانت تمتد عبر الفراغ. ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى خطوط القوة، يُطلق جيه جيه طومسون - على غرار ماكسويل - عليها أيضًا اسم أنابيب الحث الكهروستاتيكي ، أو ببساطة أنابيب فاراداي. ^{[ 2 ]} من منظور القرن العشرين، تُعد خطوط القوة روابط طاقة مُضمنة في نظرية المجال التي ظهرت في القرن التاسع عشر ، والتي أدت إلى مفاهيم ونظريات أكثر تطورًا من الناحيتين الرياضية والتجريبية، بما في ذلك معادلات ماكسويل ونظرية النسبية لألبرت أينشتاين .

يعود أصل مفهوم خطوط القوة إلى مايكل فاراداي، الذي تنص نظريته على أن كل الواقع يتكون من القوة نفسها . وتتنبأ نظريته بأن الكهرباء والضوء والجاذبية لها فترات تأخير محدودة في الانتشار. وتتفق نظريات وبيانات تجريبية لعلماء لاحقين، مثل ماكسويل وهينريش هيرتز وآينشتاين وغيرهم، مع نتائج نظرية فاراداي. ومع ذلك، تبقى نظرية فاراداي متميزة. فعلى عكس فاراداي، اعتقد ماكسويل وآخرون (مثل جيه جيه طومسون) أن الضوء والكهرباء ينتشران عبر الأثير . وفي النسبية العامة لآينشتاين، لا وجود للأثير، ومع ذلك فإن الواقع المادي للقوة أضعف بكثير مما هو عليه في نظريات فاراداي. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تُميز المؤرخة نانسي ج. نيرسيسيان في ورقتها البحثية "مفهوم المجال عند فاراداي" بين أفكار ماكسويل وفاراداي: ^{[ 5 ]}

تتمثل السمات المميزة لمفهوم فاراداي للمجال، في صورته "المفضلة" والأكثر اكتمالاً، في أن القوة مادة، بل هي المادة الوحيدة، وأن جميع القوى قابلة للتحويل المتبادل عبر حركات مختلفة لخطوط القوة. لم تُستكمل هذه السمات لمفهوم فاراداي "المفضل". فقد اعتبر ماكسويل، في منهجه لحل مشكلة إيجاد تمثيل رياضي لانتقال القوى الكهربائية والمغناطيسية بشكل مستمر، هذه القوى حالات إجهاد وانفعال في أثير ميكانيكي. وكان هذا جزءًا من شبكة مختلفة تمامًا من المعتقدات والمشكلات التي كان ماكسويل يعمل عليها.

في البداية، اعتبر مايكل فاراداي وجود خطوط القوة المغناطيسية أمرًا ممكنًا، إلا أن العديد من الباحثين يتفقون على أن وجودها المادي أصبح بالنسبة له قناعة راسخة. يُرجع أحد الباحثين هذا التحول إلى عام 1838. ^{[ 6 ]} بينما يُرجع باحث آخر هذا التعزيز النهائي لقناعته إلى عام 1852. ^{[ 7 ]} درس فاراداي تجريبيًا خطوط القوة المغناطيسية والقوة الكهروستاتيكية، مُبينًا أنها لا تتوافق مع نماذج التأثير عن بُعد. في عام 1852، كتب فاراداي بحثًا بعنوان "حول الطبيعة الفيزيائية لخطوط القوة المغناطيسية" ^{[ 8 ]} تناول فيه الجاذبية والإشعاع والكهرباء، وعلاقاتها المحتملة بوسط النقل وانتشار الإشارة والجهة المستقبلة.

في البداية، اتخذ جيمس كلارك ماكسويل نهجًا لا أدريًا في صياغته الرياضية لنظريات فاراداي. ويتضح ذلك في ورقتيه البحثيتين المنشورتين عامي 1855 و1856: "حول خطوط قوة فاراداي" و"حول حالة فاراداي الكهرومغناطيسية". وفي ورقته البحثية المنشورة عام 1864 بعنوان " نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي "، منح ماكسويل الأولوية العلمية لنظرية فاراداي الكهرومغناطيسية للضوء، وذلك استنادًا إلى ورقته البحثية المنشورة عام 1846 بعنوان "أفكار حول اهتزازات الأشعة". ^{[ 9 ]} كتب ماكسويل:

اكتشف فاراداي أنه عندما يعبر شعاع مستقطب مستوي وسطًا مغناطيسيًا شفافًا في اتجاه خطوط القوة المغناطيسية الناتجة عن المغناطيس أو التيارات في المنطقة المجاورة، فإن مستوى الاستقطاب يتسبب في دورانه.

لقد أوضح البروفيسور فاراداي مفهوم انتشار الاضطرابات المغناطيسية المستعرضة دون غيرها من الاضطرابات العادية بشكل واضح في كتابه "أفكار حول اهتزازات الأشعة". إن النظرية الكهرومغناطيسية للضوء، كما اقترحها، هي نفسها في جوهرها تلك التي بدأت في تطويرها في هذه الورقة، باستثناء أنه في عام 1846 لم تكن هناك بيانات لحساب سرعة الانتشار.

غيّر ماكسويل عبارة فاراداي " خطوط القوة" إلى "أنابيب القوة" عند التعبير عن افتراضاته المتعلقة بالموائع في صياغة نظريات فاراداي رياضياً. ^{[ 6 ]} أنبوب القوة ، ويُسمى أيضاً أنبوب الحث الكهروستاتيكي أو أنبوب المجال ، هو خطوط القوة الكهربائية التي تتحرك بحيث يرسم بدايتها منحنى مغلقاً على سطح موجب، ويرسم نهايتها منحنى مغلقاً مماثلاً على سطح سالب، ويُولد خط القوة نفسه سطحاً أنبوبياً حثياً. يُسمى هذا الأنبوب " ملفاً لولبياً ". يوجد ضغط عمودي على أنبوب القوة يساوي نصف حاصل ضرب الكثافة العازلة والكثافة المغناطيسية. إذا انتشرت أنابيب القوة جانبياً أو عرضياً نتيجةً لنمو المجال، يحدث رد فعل مغناطيسي لهذا النمو في شدة التيار الكهربائي. مع ذلك، إذا تحرك أنبوب القوة طولياً، فإن مقاومة الهواء تكون ضئيلة أو معدومة للحد من السرعة. تمتص الأجسام أنابيب القوة، مانحةً إياها زخماً وكتلة جاذبية. أنابيب القوة هي مجموعة من خطوط القوة الكهربائية.

في بدايات أبحاثه (حوالي عام ١٨٣١)، أطلق فاراداي على أنماط المنحنيات المتصلة ظاهريًا التي تظهر في برادة معدنية بالقرب من مغناطيس اسم " المنحنيات المغناطيسية ". لاحقًا، أشار إليها على أنها مجرد مثال على خطوط القوة المغناطيسية أو ببساطة خطوط القوة. ^{[ ١٠ ]} وفي النهاية، بدأ فاراداي أيضًا باستخدام مصطلح "المجال المغناطيسي". ^{[ ١١ ]}

• خط الحقل
• أنبوب التدفق
• تدفق

• فاراداي، مايكل، "أفكار حول اهتزازات الأشعة"، المجلة الفلسفية، مايو 1846، أو البحوث التجريبية، الجزء الثالث، ص  447
• فاراداي، مايكل، البحوث التجريبية، السلسلة 19.