رابطه بین برق و مغناطیس: بررسی تاثیرات متقابل

الکتریسیته و مغناطیس دو پدیده جدا اما مرتبط هستند که با نیروی الکترومغناطیسی در ارتباط اند. این دو با هم مبنای الکترومغناطیس را تشکیل می دهند که یکی از شاخه های کلیدی فیزیک است. شما می توانید یک میدان الکتریکی داشته باشید بدون اینکه یک میدان مغناطیسی وجود داشته باشد و بالعکس. اما یک بار الکتریکی در حال حرکت همیشه یک میدان مغناطیسی مرتبط با خود دارد، در حالی که میدان های مغناطیسی دائمی بدون جریان الکتریکی وجود دارند.

نکات کلیدی

• الکتریسیته و مغناطیس دو پدیده مرتبط هستند که توسط نیروی الکترومغناطیسی ایجاد می شوند. این دو با هم الکترومغناطیس را تشکیل می دهند.
• یک بار الکتریکی در حال حرکت یک میدان مغناطیسی تولید می کند.
• یک میدان مغناطیسی می تواند حرکت بارهای الکتریکی را القا کند و جریانی الکتریکی تولید کند.
• در یک موج الکترومغناطیسی، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی نسبت به یکدیگر عمود هستند.

به جز رفتار ناشی از نیروی گرانش، تقریباً هر رخداد در زندگی روزمره ناشی از نیروی الکترومغناطیسی است. این نیرو مسئول تعاملات بین اتم ها و جریان بین ماده و انرژی است. نیروهای هسته ای ضعیف و قوی - سایر نیروهای بنیادی - حاکم بر تجزیه رادیواکتیو و تشکیل هسته های اتمی هستند.

از آنجایی که الکتریسیته و مغناطیس برای زندگی اهمیت دارند، داشتن درک پایه ای از اینکه آن ها چه هستند و چگونه کار می کنند ایده خوبی است.

اصول پایه ای الکتریسیته

الکتریسیته پدیده ای است که به بارهای الکتریکی ساکن یا در حال حرکت مربوط می شود. منبع بار الکتریکی می تواند یک ذره اولیه، یک الکترون (که بار منفی دارد)، یک پروتون (که بار مثبت دارد)، یک یون، یا هر جسم بزرگتری باشد که عدم تعادل بار مثبت و منفی دارد. بارهای مثبت و منفی یکدیگر را جذب می کنند (به عنوان مثال، پروتون ها به الکترون ها جذب می شوند)، در حالی که بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند (به عنوان مثال، پروتون ها پروتون های دیگر را و الکترون ها الکترون های دیگر را دفع می کنند).

مثال های آشنا از الکتریسیته شامل رعد و برق، جریان الکتریکی از پریز یا باتری و الکتریسیته ساکن است. واحدهای متداول SI برای الکتریسیته شامل آمپر (A) برای جریان، کولن (C) برای بار الکتریکی، ولت (V) برای اختلاف پتانسیل، اهم (Ω) برای مقاومت و وات (W) برای قدرت است. یک بار نقطه ای ساکن دارای یک میدان الکتریکی است، اما اگر بار به حرکت درآید، همچنین یک میدان مغناطیسی تولید می کند.

اصول پایه ای مغناطیس

مغناطیس به عنوان پدیده ای فیزیکی تعریف می شود که توسط بارهای الکتریکی در حال حرکت تولید می شود. همچنین، یک میدان مغناطیسی می تواند ذرات باردار را به حرکت درآورد و جریانی الکتریکی تولید کند. یک موج الکترومغناطیسی (مانند نور) دارای یک جزء الکتریکی و یک جزء مغناطیسی است. دو جزء موج در یک جهت حرکت می کنند اما در زاویه قائم (90 درجه) به یکدیگر قرار دارند.

مانند الکتریسیته، مغناطیس جذبی و دافعی بین اشیا تولید می کند. در حالی که الکتریسیته بر اساس بارهای مثبت و منفی است، هیچ مونوپول مغناطیسی شناخته شده ای وجود ندارد. هر ذره یا جسم مغناطیسی دارای یک قطب "شمال" و "جنوب" است، با جهت هایی که بر اساس جهت میدان مغناطیسی زمین تعیین می شود. قطب های مشابه یکدیگر را دفع می کنند (به عنوان مثال، شمال شمال را دفع می کند)، در حالی که قطب های مخالف یکدیگر را جذب می کنند (شمال و جنوب یکدیگر را جذب می کنند).

نمونه های آشنا از مغناطیس شامل واکنش سوزن قطب نما به میدان مغناطیسی زمین، جاذبه و دافعه آهنرباها و میدان اطراف الکترومغناطیس ها می باشد. با این حال، هر بار الکتریکی در حال حرکت دارای یک میدان مغناطیسی است، بنابراین الکترون های در حال چرخش اتم ها یک میدان مغناطیسی تولید می کنند، میدان مغناطیسی مرتبط با خطوط برق وجود دارد و دیسک های سخت و اسپیکرها برای عملکرد خود به میدان های مغناطیسی وابسته اند. واحدهای کلیدی SI در مغناطیس شامل تسلا (T) برای چگالی جریان مغناطیسی، وبرز (Wb) برای شار مغناطیسی، آمپر بر متر (A/m) برای شدت میدان مغناطیسی، و هنری (H) برای القا می باشند.

اصول بنیادی الکترومغناطیس

واژه الکترومغناطیس از ترکیب کلمات یونانی "الکترون" به معنای "کهربا" و "مگنتیس لیتوس" به معنای "سنگ مگنزی" ناشی می شود. یونانیان باستان با الکتریسیته و مغناطیس آشنا بودند اما این دو پدیده را جداگانه در نظر می گرفتند.

رابطه ای که به عنوان الکترومغناطیس شناخته می شود تا زمان انتشار کتابی از جیمز کلارک ماکسول به نام "معاهده ای درباره الکتریسیته و مغناطیس" در سال 1873 توصیف نشد. کار ماکسول شامل 20 معادله معروف بود که به تدریج به چهار معادله دیفرانسیل جزئی خلاصه شده است. مفاهیم اساسی نمایانگر معادلات به شرح زیر است:

1. بارهای الکتریکی مشابه یکدیگر را دفع و بارهای الکتریکی غیرمشابه را جذب می کنند. نیروی جذب یا دفع معکوس با مجذور فاصله بین آن ها است.
2. قطب های مغناطیسی همیشه به صورت جفت های شمال و جنوب وجود دارند. قطب های مشابه یکدیگر را دفع و قطب های غیرمشابه را جذب می کنند.
3. جریان الکتریکی در یک سیم یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم تولید می کند. جهت میدان مغناطیسی (ساعت گرد یا پادساعت گرد) به جهت جریان بستگی دارد. این "قاعده دست راست" است، که در آن جهت میدان مغناطیسی دنباله روی انگشت های دست راست شماست اگر شست شما به سمت جهت جریان باشد.
4. حرکت یک حلقه سیم به سمت یا دور از یک میدان مغناطیسی باعث القای جریان در سیم می شود. جهت جریان به جهت حرکت وابسته است.

نظریه ماکسول با مکانیک نیوتونی تضاد داشت، اما آزمایش ها معادلات ماکسول را اثبات کردند. نظریه نسبیت خاص انیشتین در نهایت این تضاد را حل کرد.