الكهرومغناطيسية النسبية

الكهرومغناطيسية النسبية هي ظاهرة فيزيائية يتم تفسيرها في نظرية المجال الكهرومغناطيسي بسبب قانون كولوم وتحويلات لورنتز .

بعد أن اقترح ماكسويل نموذج المعادلة التفاضلية للمجال الكهرومغناطيسي في عام 1873، أصبحت آلية عمل المجالات موضع تساؤل، على سبيل المثال في محاضرة كلفن الرئيسية التي عُقدت في جامعة جونز هوبكنز عام 1884 والتي تم إحياء ذكراها بعد قرن من الزمان. ^{[ 1 ]}

أدى اشتراط اتساق المعادلات عند النظر إليها من زوايا نظر مراقبين متحركين مختلفين إلى ظهور النسبية الخاصة ، وهي نظرية هندسية للفضاء الرباعي الأبعاد حيث يكون الوساطة بواسطة الضوء والإشعاع. ^{[ 2 ]} وقد وفرت هندسة الزمكان سياقًا للوصف التقني للتكنولوجيا الكهربائية، ولا سيما المولدات والمحركات والإضاءة في البداية. وتم تعميم قوة كولوم لتصبح قوة لورنتز . فعلى سبيل المثال، باستخدام هذا النموذج، تم تطوير خطوط النقل وشبكات الطاقة ، كما تم استكشاف الاتصالات اللاسلكية .

يُلاحظ سعي لي بيج لتأسيس علم الميكانيكا الكهربائية المتكامل على أساس نسبي ، بدءًا من مخطط المشروع عام ١٩١٢ ^{[ ٣ ]} وصولًا إلى كتابه "الديناميكا الكهربائية" (١٩٤٠) ^{[ ٤ ]} . يتناول الكتاب التفاعل (وفقًا للمعادلات التفاضلية) بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي عند رصدهما من قبل مراقبين متحركين. ما يُعرف بكثافة الشحنة في علم الكهرباء الساكنة يتحول إلى كثافة شحنة حقيقية ^{[ ٥ ] [ ٦ ] [ ٧ ]} ، ويُولد مجالًا مغناطيسيًا للمراقب المتحرك.

شهدت ستينيات القرن العشرين عودة الاهتمام بهذه الطريقة في تعليم وتدريب مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، وذلك بعد صدور كتاب ريتشارد فاينمان . ^{[ 8 ]} وحظي كتاب روسر "الكهرومغناطيسية الكلاسيكية عبر النسبية" بشعبية واسعة، ^{[ 9 ]} وكذلك كتاب أنتوني فرينش ^{[ 10 ]} الذي شرح فيه كثافة الشحنة بشكل تخطيطي. وقد وصفه أحد المؤلفين قائلاً: "ماكسويل - من رحم نيوتن وكولوم وآينشتاين". ^{[ 11 ]}

إن استخدام الكمونات المتأخرة لوصف المجالات الكهرومغناطيسية من الشحنات المصدرية هو تعبير عن الكهرومغناطيسية النسبية.

يُعدّ فهم كيفية ظهور المجال الكهربائي في إطار مرجعي قصوري واحد ، ضمن أطر مرجعية مختلفة تتحرك بالنسبة إليه، أمرًا بالغ الأهمية لفهم المجالات الناتجة عن مصادر متحركة. في حالة خاصة، تكون المصادر التي تُنشئ المجال ساكنة بالنسبة لأحد الأطر المرجعية. بمعرفة المجال الكهربائي في الإطار الذي تكون فيه المصادر ساكنة، يُمكننا التساؤل: ما هو المجال الكهربائي في إطار مرجعي آخر؟ ^{[ 12 ]} إن معرفة المجال الكهربائي عند نقطة ما (في المكان والزمان) في إطار سكون المصادر، ومعرفة السرعة النسبية بين الإطارين، تُوفّر جميع المعلومات اللازمة لحساب المجال الكهربائي عند النقطة نفسها في الإطار الآخر. بعبارة أخرى، لا يعتمد المجال الكهربائي في الإطار الآخر على التوزيع المحدد لشحنات المصدر ، بل على القيمة المحلية للمجال الكهربائي في الإطار الأول عند تلك النقطة فقط. وبالتالي، يُمثّل المجال الكهربائي تمثيلًا كاملًا لتأثير الشحنات البعيدة.

بدلاً من ذلك، تُقدّم المعالجات التمهيدية للمغناطيسية قانون بيو-سافار ، الذي يصف المجال المغناطيسي المصاحب للتيار الكهربائي . لن يرى مراقب ساكن بالنسبة لنظام من الشحنات الحرة الساكنة أي مجال مغناطيسي. مع ذلك، فإن مراقباً متحركاً ينظر إلى نفس مجموعة الشحنات يدرك وجود تيار، وبالتالي مجال مغناطيسي. أي أن المجال المغناطيسي هو ببساطة المجال الكهربائي، كما يُرى في نظام إحداثيات متحرك.

عنوان هذه المقالة زائد عن الحاجة، إذ أن جميع النظريات الرياضية للكهرومغناطيسية نسبية. وكما كتب أينشتاين: "إن النظرية النسبية الخاصة... ما هي إلا تطوير منهجي للديناميكا الكهربائية لكلارك وماكسويل ولورنتز". ^{[ 13 ]} وقد استلزم دمج المتغيرات المكانية والزمانية في نظرية ماكسويل قبول وجود فضاء رباعي الأبعاد. ووُصفت سرعة الضوء المحدودة وخطوط الحركة الثابتة الأخرى باستخدام الهندسة التحليلية . وتم توسيع تعامد الحقول المتجهة الكهربائية والمغناطيسية في الفضاء من خلال التعامد الزائدي للعامل الزمني.

عندما نشر لودويك سيلبرشتاين كتابه المدرسي "نظرية النسبية" (1914) ^{[ 14 ]} ، ربط الهندسة الجديدة بالكهرومغناطيسية. وكان قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي مصدر إلهام لأينشتاين عندما كتب عام 1905 عن "التأثير الكهروديناميكي المتبادل بين المغناطيس والموصل". ^{[ 15 ]}

مع ذلك، فإن الطموح، كما يتضح من مراجع هذه المقالة، هو التوصل إلى هندسة تحليلية للزمكان والشحنات، توفر مسارًا استنتاجيًا للقوى والتيارات في التطبيق العملي. قد لا يكون هذا المسار الأمثل لفهم الكهرومغناطيسية متاحًا، لكن الهندسة التفاضلية قد فتحت آفاقًا جديدة: فالفضاء المماسي عند حدث ما في الزمكان هو فضاء متجهي رباعي الأبعاد، قابل للتطبيق عليه بواسطة التحويلات الخطية. وتجد التناظرات التي لاحظها الكهربائيون تعبيرًا لها في الجبر الخطي والهندسة التفاضلية. وباستخدام الجبر الخارجي لبناء شكل ثنائي F من المجالات الكهربائية والمغناطيسية، والشكل الثنائي الثنائي الضمني ★ F ، فإن المعادلتين dF = 0 و d ★ F = J (التيار) تعبران عن نظرية ماكسويل باستخدام منهج الشكل التفاضلي .

• الصياغة المتغيرة للكهرومغناطيسية الكلاسيكية
• النسبية الخاصة
• جهد ليينارد-ويشيرت
• مشكلة المغناطيس المتحرك والموصل
• نظرية ويلر-فاينمان للامتصاص
• مفارقة الشحنة في مجال الجاذبية

• كورسون، ديل؛ لورين، بول (1970). المجالات والموجات الكهرومغناطيسية . سان فرانسيسكو، كاليفورنيا: دبليو إتش فريمان . الفصل  6.
• إيستر، ريتشارد. "التصورات" . الكهرومغناطيسية النسبية. مؤرشف من الأصل في 3 مارس 2015. تم الاسترجاع في 5 أغسطس 2014 .
• جيفريز، ديفيد (2000). "الكهرومغناطيسية، النسبية، وماكسويل" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 14 مارس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 فبراير 2010 .
• شرودر، دانيال ف. (1999). "المغناطيسية والإشعاع والنسبية" . تبسيط بورسل.
• دي فريس، هانز (2008). "المغناطيسية كأثر جانبي نسبي للإلكتروستاتيكا" (PDF) .