المناهج

العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية

الكهرباء والمغناطيسية ظاهرتان منفصلتان مترابطتان ، ترتبطان بالقوة الكهرومغناطيسية معا ، ويشكلون الأساس للكهرومغناطيسية ، وهو تخصص الفيزياء الرئيسي.

وباستثناء السلوك بسبب قوة الجاذبية ، فإن كل حدث تقريبًا في الحياة اليومية ، ينبع من القوة الكهرومغناطيسية ، وهي مسؤولة عن التفاعلات بين الذرات ، والتدفق بين المادة والطاقة ، والقوى الأساسية الأخرى هي القوة النووية الضعيفة ، والقوية ، التي تحكم التحلل الإشعاعي ، وتشكيل نوى ذرية.

المبادئ الأساسية للكهرباء

الكهرباء هي الظاهرة المرتبطة بشحنات كهربائية ثابتة أو متحركة ، ويمكن أن يكون مصدر الشحنة الكهربائية ، عبارة عن جسيم أولي أو إلكترون (له شحنة سالبة) ، أو بروتون (له شحنة موجبة) ، أو أيون ، أو أي جسم أكبر لديه اختلال في الشحنة الموجبة والسالبة ، وتجذب الشحنات الإيجابية والسلبية ، بعضها البعض (على سبيل المثال ، تنجذب البروتونات إلى الإلكترونات) ، في حين أن الشحنات تتنافر مع بعضها البعض (على سبيل المثال ، فإن البروتونات تطرد البروتونات الأخرى ، والإلكترونات تطرد الإلكترونات الأخرى).

وتشمل الأمثلة المألوفة للكهرباء ، البرق ، و التيار الكهربائي من مأخذ أو بطارية ، والكهرباء الساكنة تشمل وحدات SI الشائعة للكهرباء أمبير (A) للتيار ، كولوم (C) للشحنة الكهربائية ، فولت (V) لفرق الجهد ، أوم (Ω) للمقاومة ، واط (W) للطاقة ، كما تحتوي الشحنة النقطية على مجال كهربائي ، ولكن إذا تم تشغيل الشحنة ، فإنها تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا.

المبادئ الأساسية للمغناطيسية

تعرف المغناطيسية بأنها الظاهرة الفيزيائية ، الناتجة عن تحريك الشحنة الكهربائية ، وأيضا يمكن للمجال المغناطيسي أن يحفز الجزيئات المشحونة للتحرك ، مما ينتج تيارًا كهربائيًا ، وتحتوي الموجة الكهرومغناطيسية (مثل الضوء) ، على مكون كهربائي ومغناطيسي ، ينتقل المكونان للموجة في نفس الاتجاه ، ولكنهما موجهان بزاوية قائمة (90 درجة) لبعضهما البعض.

ومثل الكهرباء ، تنتج المغناطيسية جاذبية وتنافر بين الأشياء ، ففي حين تعتمد الكهرباء على الشحنات الإيجابية والسلبية ، لا توجد أحادي القطب مغناطيسي معروف ، أي جسيم أو جسم مغناطيسي له قطب (شمالي) و (جنوبي) ، مع توجيه الاتجاهات بناءً على اتجاه المجال المغناطيسي للأرض ، مثل أقطاب المغناطيس تتنافر (على سبيل المثال ، الشمال يصد الشمال) ، بينما الأقطاب المتقابلة تجذب بعضها البعض (الشمال والجنوب يجذبان).

وتشمل الأمثلة المألوفة على المغناطيسية تفاعل إبرة البوصلة مع المجال المغناطيسي للأرض ، وجذب وتنافر مغناطيس القضيب ، والمجال المحيط بالمغناطيسات الكهربائية ، ومع ذلك فإن كل شحنة كهربائية متحركة لها مجال مغناطيسي ، لذلك تنتج إلكترونات المدارات للذرات مجالًا مغناطيسيًا ، هناك مجال مغناطيسي مرتبط بخطوط الطاقة ، وتعتمد الأقراص الصلبة ومكبرات الصوت على المجالات المغناطيسية للعمل ، كما تشمل وحدات SI الرئيسية للمغناطيسية تسلا (T) لكثافة التدفق المغناطيسي ، ويبر (Wb) للتدفق المغناطيسي ، أمبير لكل متر (A / m) لشدة المجال المغناطيسي.

دراسة الكهرباء والمغناطيسية

وعلى الرغم من تصورها كظواهر متميزة ، حتى القرن التاسع عشر ، إلا أن الكهرباء والمغناطيسية معروفة الآن بأنها مكونات المجال الموحد للكهرومغناطيسية ، وتتفاعل الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية بواسطة قوة كهربائية ، بينما تنتج الجسيمات المشحونة في الحركة ، وتستجيب للقوى المغناطيسية أيضًا.

وتتصرف العديد من الجسيمات دون الذرية ، بما في ذلك الإلكترون والبروتون المشحون كهربائيًا والنيوترون المحايد كهربائيًا ، مثل المغناطيس الأولي. من ناحية أخرى ، على الرغم من عمليات البحث المنتظمة التي تم إجراؤها ، لم يتم العثور على أقطاب أحادية مغناطيسية ، والتي ستكون نظائرها المغناطيسية للشحنات الكهربائية.

المبادئ الأساسية للكهرومغناطيسية

تأتي كلمة الكهرومغناطيسية من مزيج من المصنفات اليونانية elektron ، والتي تعني ( الكهرمان) و magnetis lithos ، والتي تعني (الحجر المغنيسي) ، وهو خام حديد مغناطيسي ، كان الإغريق القدماء على دراية بالكهرباء والمغناطيسية ، لكنهم اعتبروهم ظاهرتين منفصلتين.

ولم يتم وصف العلاقة المعروفة باسم الكهرومغناطيسية ، حتى نشر جيمس كلارك ماكسويل مقالة عن الكهرباء والمغناطيسية في عام 1873م ،  تضمن عمل ماكسويل عشرين معادلة مشهورة ، تم تكثيفها منذ ذلك الحين إلى أربع معادلات تفاضلية جزئية ، والمفاهيم الأساسية التي تمثلها المعادلات هي كما يلي:

1- مثل صد الشحنات الكهربائية ، وعلى عكس الشحنات الكهربائية تجذب ، وتتناسب قوة الجذب ، أو النفور بشكل عكسي مع مربع المسافة بينهما.

2- الأقطاب المغناطيسية ، موجودة دائمًا كأزواج بين الشمال والجنوب ، مثل الأعمدة تتنافر مثل وتجذب على عكس.

3- يولد التيار الكهربائي في سلك مجالًا مغناطيسيًا ، حول السلك ، يعتمد اتجاه المجال المغناطيسي (في اتجاه عقارب الساعة ، أو عكس اتجاه عقارب الساعة) على اتجاه التيار،  هذه هي (قاعدة اليد اليمنى) ، حيث يتبع اتجاه المجال المغناطيسي أصابع يدك اليمنى ، وإذا كان إبهامك يشير في الاتجاه الحالي.

4- تحريك حلقة من السلك باتجاه مجال مغناطيسي ، أو بعيدًا عنه يؤدي إلى تيار في السلك ، ويعتمد اتجاه التيار على اتجاه الحركة.

تناقضت نظرية ماكسويل ، مع ميكانيكا نيوتن ، لكن التجارب أثبتت معادلات ماكسويل ، وتم حل النزاع أخيرًا من خلال نظرية آينشتاين ، عن النسبية الخاصة.

بصريات

ولأن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية ، يمكن اعتبار انتشار الضوء مجرد فرع من الكهرومغناطيسية ، ومع ذلك يتم التعامل معها عادةً كموضوع منفصل ، يسمى البصريات ، ويُعرف الجزء الذي يتعامل مع تتبع أشعة الضوء بالبصريات الهندسية ، في حين أن الجزء الذي يعالج ظواهر الموجة المميزة للضوء ، يسمى البصريات الفيزيائية.

وفي الآونة الأخيرة ، طور فرع جديد وحيوي ، البصريات الكمومية ، يهتم بنظرية وتطبيق الليزر ، وهو جهاز ينتج شعاعًا متماسكًا مكثفًا ، من الإشعاع أحادي الاتجاه مفيدًا للعديد من التطبيقات.

ويوصف بصريات الشعاع تشكيل الصور بواسطة العدسات ، المجاهر ، التلسكوبات ، والأجهزة البصرية الأخرى ، والتي تفترض أن مرور الضوء يمكن أن يمثله خطوط مستقيمة ، أي الأشعة ، ومع ذلك  فإن التأثيرات الدقيقة التي تعزى إلى خاصية الموجة للضوء المرئي ، تتطلب تفسيرات للبصريات الفيزيائية.

وأحد التأثيرات الموجية الأساسية هو التداخل ، حيث تتحد موجتان موجودتان في منطقة من الفضاء عند نقاط معينة ، للحصول على تأثير ناتج محسّن ، (على سبيل المثال ، قمم الموجات المكونة تضاف معًا) ،  وفي الطرف الآخر ، يمكن أن تلغي الموجتان بعضهما البعض ، وتملأ قمم موجة واحدة أحواض أخرى.

وتأثير الموجة الآخر هو الحيود ، الذي يؤدي إلى انتشار الضوء في مناطق الظل الهندسي ، ويسبب الصورة التي ينتجها أي جهاز بصري ضبابية ، إلى حد يعتمد على طول موجة الضوء.

ويمكن استخدام أدوات بصرية ، مثل مقياس التداخل ، وصريف الحيود لقياس الطول الموجي للضوء بدقة (حوالي 500 ميكرومتر) ، ولقياس المسافات إلى جزء صغير من هذا الطول.

السابق
معلومات عن مفارقة باناخ تارسكي
التالي
معلومات عن مفهوم الاحتمالات