میدان مغناطیسی: تفاوت میان نسخه‌ها

[[پرونده: Magnet0873.png|بندانگشتی|چپ|200px| خطوط میدان مغناطیسی با براده‌های [[آهن]] نشان داده شده‌اند. تراوایی زیادی که هریک از براده‌های [[آهن]] دارند موجب ایجاد میدان مغناطیسی بزرگ‌تری در انتهای هر براده شده‌است. این باعث می‌شود هریک از براده‌ها یکدیگر را جذب کنند که یک مجموعه ممتدی به وجود می‌آید که شکل «خط» به خود می‌گیرد. انتظار نمی‌رود که این «خط» ها همان خطوط میدان مغناطیسی [[آهنربا]] باشند زیرا میدان مغناطیسی براده‌ها مقداری در میدان [[آهنربا]] تأثیر می‌گذارد.]]

* در الکترو مغناطیس کلاسیک تعریف میدان [[مغناطیس|مغناطیسی]] به صورت «میدان حاصل از بار الکتریکی در حال حرکت در اطراف آن» می‌باشد. به بیان ساده‌تر '''میدان مغناطیسی''' حاصل تأثیر دو [[میدان الکتریکی]] (مثلاً دو بار مثبت و منفی) بر روی هم است که منجر به درست شدن یک میدان مغناطیسی می‌شود.

[[پرونده:Earths Magnetic Field ConfusionEarths_Magnetic_Field_Confusion.svg|بندانگشتی|راست|200px|نقشه ساده‌ای از میدان مغناطیسی کره [[زمین]] که منبع میدان مغناطیسی زمین را به صورت یک [[آهنربا]] نشان می‌دهد. قطب شمال زمین در نزدیکی بالای تصویر و [[قطب جنوب]] نزدیک پایین آن است. توجه کنید که قطب جنوب [[آهنربا]] در اعماق داخل [[زمین]] در زیر [[قطب جنوب مغناطیسی]] آن است. میدان مغناطیسی [[زمین]] حاصل عبور جریان دائم الکتریکی در هسته مایع خارجی آن است]]

به بیانی دیگر میدان مغناطیسی میدانی است که توسط یک جسم مغناطیسی یا ذراتذرات، متحرک،و یا با تغییر میدان الکتریکی، تولید شده‌است<ref name="Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. 1969">{{cite book | author=Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. | title=Introduction to modern electromagnetics | publisher=[[مک‌گرا-هیل|McGraw Hill Financial]] |year=1969 |isbn=0-07-018388-0}}</ref> و توسط نیرویی که روی دیگر مواد مغناطیسی و یا حرکت بار الکتریکی اعمال می‌شود شناسایی می‌شود. میدان مغناطیسی در هر نقطهٔنقطه ی داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت (یا مقاومت) مشخص می‌شود، که به عنوان یک میدان برداری شناخته می‌شود.<ref>{{cite namebook | author="Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. | title=Introduction to modern electromagnetics | publisher=[[مک‌گرا-هیل|McGraw Hill Financial]] |year=1969" |isbn=0-07-018388-0}}</ref>

اشیایی که خود میدان مغناطیسی تولید می‌کنند آهنربا نامیده می‌شوند. آهن‌رباها توسط نیروها و گشتاورهایی که توسط میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند بر یکدیگر تأثیریکدیگرتاثیر می‌گذارند. آهن‌ربا معمولاً خود را در جهت میدان مغناطیسی موضعی تراز می‌کند. قطب‌نماهاقطبنماها از این اثر برای اندازه‌گیری جهت میدان مغناطیسی موضعی، تولید شده توسط زمین استفاده می‌کنند.

جهت خطوط میدان مغناطیسی که تراز دلخواه برای برادهٔبراده ی آهنی که بر روی کاغذی که بر روی یک نوار آهنربا قرار دارد، پاشیده شده‌است. نشان می‌دهد. جاذبهٔجاذبه ی متقابل قطب مخالف براده آهن منجر به تشکیل خوشه‌های دراز از براده در امتداد خطوط میدان شده‌است.

[[پرونده:Right Hand Rule vBF2Right_Hand_Rule_vBF2.PNG|بندانگشتی|چپ|200px|قاعده دست راست]]

جریان الکتریسیته و انتقال شار الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. حتی میدان مغناطیسی از یک ماده مغناطیسی را می‌توان به عنوان مدل حرکت شار الکتریکی الگو گرفت.<ref>{{cite book | author=Rao, Nannapaneni N. | title=Elements of engineering electromagnetics (4th ed.)| publisher=[[Prentice Hall]] |year=1994 |isbn=0-13-948746-8 | oclc=221993786}}</ref> میدان مغناطیسی نیز بر روی حرکت شار الکتریکیشارالکتریکی نیرو وارد می‌کند.

شرح میدان مغناطیسی در داخل آهنربا شامل دو رشته جداگانه‌است که می‌تواند هر دو به نام میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی B و میدان مغناطیسی H نامیده شود. این‌هااین ها توسط یک میدان سوم که توصیف حالت مغناطیسی مواد مغناطیسی در درون آن هاست، که مغناطیس کنندگی نامیده می‌شود تعریف می‌شود. انرژی مورد نیاز برای ایجاد میدان مغناطیسی می‌تواند زمانی که میدان از بین می‌رود اصلاح شود؛ و این انرژی می‌تواند، به عنوان «ذخیره شده» در میدان مغناطیسی در نظر گرفته شود. انرژی ذخیره شده در مواد مغناطیسی به مقادیر B و H بستگی دارد.

میدان الکتریکی میدانی است که توسط شار الکتریکی ایجاد شده‌است و این میدان‌ها به طور تنگاتنگیطورتنگاتنگی به میدان‌هایمیدان های مغناطیسی مربوط می‌شوند؛ تغییر در میدان مغناطیسی میدان الکتریکی و تغییر در میدان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. (رجوع کنید به الکترومغناطیس) ارتباط کامل بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و جریان ووشار شارکه کهآن آن‌هاها را ایجاد می‌کنند، توسط مجموعه‌ای از معادلات ماکسول توصیف می‌شوند. با در نظرگرفتن این ارتباط خاص، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی دو جنبهٔ مرتبط از یک موضوع منفرد، به نام میدان الکترو مغناطیسی هستند. یک میدان الکتریکی خالص، در یک چارچوب مرجع، به عنوان ترکیبی از هر دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که در یک چارچوب مرجع حرکت می‌کند، مشاهده می‌شود.

در [[فیزیک کوانتومی]]، میدان مغناطیسی خالص (و الکتریکی) را توسط اثرات ناشی از فوتون‌های مجازی می‌توان درک کرد و در زبان مدل استاندارد، نیروی الکترومغناطیسی در تمام مظاهر توسط فوتون واقع می‌شود. در اغلب موارد این شرح میکروسکوپی مورد نیاز نمی‌باشد چرا که نظریهٔنظریه ی کلاسیک ساده، قانع کننده‌است؛ تفاوت تحت میدان با انرژی پایین‌ترپایین تر در اکثر شرایط قابل اغماض است.

[[پرونده:Magnetic field near poleMagnetic_field_near_pole.svg|بندانگشتی|چپ|200px|جهت میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا با قرار دادن قطب نما در نزدیک آن مشخص می‌شود. همان‌طور که دیده می‌شود میدان مغناطیسی به سمت قطب S آهنربا و به سمت خارج از قطب N آن است]]

میدان‌های مغناطیسی در جوامع قدیمی و مدرن استفاده‌های بسیار داشته‌است. زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند؛ که در جهت یابی ای که توسط قطب شمال قطب نما که به سمت قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین منحرف شده‌است، بسیار حایز اهمیت است. از چرخش میدان مغناطیسی در موتور الکتریکی و ژنراتور بهره گرفته شده‌است. نیروهای مغناطیسی ارائه دهندهٔدهنده ی اطلاعاتی در مورد حرکت شار از طریق اثر هال هستند. تداخل میدان‌های مغناطیسی در دستگاه‌های برقی مانند ترانسفورماتورها در نظم [[حوزه‌های مغناطیسی]] مورده مطالعه قرار گرفته‌اند.

مطالعه میدان مغناطیسی به عنوان یک موضوع مجزا از آهنربا در قرن ۱۳ هنگامی که [[پترو پرگرینوس د ماریکور]] میدان مغناطیسی آهنربای کروی را مطالعه کردو فرض نمود که زمین خود یک آهنربا است. آغاز شد. تمایز مدرنتمایزمدرن بین میدان‌های B و H در قرن ۱۹ کشف شد. رابطه بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در مجموعه‌ای از معادلات ماکسول در نیمه دوم قرن ۱۹ میلادی کشف شد؛ و مفهوم الکترومغناطیس متولد شد. روندی که در پشت معادلات ماکسول قرار داشت در نیمه اول قرن ۲۰ مشخص شد، هنگامی که ارتباط خاص آن‌هاآن ها نشان داده شد.. شرح کاملی از الکترومغناطیس، الکترودینامیک کوانتومی و یا [[QED]] نامیده می‌شود، که شامل مکانیک کوانتومی که در اواسط قرن ۲۰ کشف شد، است.

میدان مغناطیسی برای دو میدان برداری مختلف استفاده می‌شود، که میدان‌های [[میدان مغناطیسی B|B]] و [[میدان مغناطیسی H|H]] نامیده می‌شوند توجه<ref name="Griffiths, David J. 1999">{{cite book | author=Griffiths, David J. | title=Introduction to Electrodynamics (3rd ed.)| publisher=[[Prentice Hall]] |year=1999 |isbn=0-13-805326-X | oclc=40251748}}</ref> بسیاری از نام‌های جایگزین برای هر دو وجود دارد) نگاه کنید به جداول زیر) برای اجتناب از اشتباه، در این مقاله از [[میدان مغناطیسی B|میدان B]] و [[میدان مغناطیسی H|میدان H]] استفاده کرده‌است. در هر مورد که هر دوی آنها استفاده شده‌اند از میدان مغناطیسی نام برده شده‌است.

| magnetic induction || [[ریاضیات کاربردی|applied &nbsp;mathematicians]]{{سخ}}[[مهندسی الکترونیک|electronics engineers]]

| auxiliary magnetic field || [[ریاضیات کاربردی|applied &nbsp;mathematicians]]

خارج از مواد، میدان‌های B و H غیرقابل تشخیص هستند. (آن‌هاآن ها تنها در واحدهای خود و مقدار، متفاوتند و در تغییراتدرتغییرات زمانی و مکانی تفاوتی ندارند) تنها در داخل ماده‌ای که تفاوت مهم است. میدان B به جریان بستگی دارد (هم ماکروسکوپی وهم میکروسکوپی مانند حرکت الکترون به دور هسته آن). در حالی که میدان H به جریان‌های ماکروسکوپی و برداری که به پدیدهٔپدیده ی شار مغناطیسی بسیار نزدیک است، بستگی دارد.

که در آن M مغناطیسی شدن ماده و ''μ''₀ نفوذ پذیری مغناطیسی در فضای خالی است (یا پایداری مغناطیسی).<ref>{{cite namebook | author="Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. | title=Introduction to modern electromagnetics | publisher=[[مک‌گرا-هیل|McGraw Hill Financial]] |year=1969" |isbn=0-07-018388-0}}</ref> میدان H با یکای آمپر بر متر در SI.(A/m) و اورستد (Oe) در cgs اندازه‌گیری می‌شود.

'''H''' &nbsp;= '''B'''/''μ'' که در آن μ پارامتر وابسته به مواد به نام نفوذ پذیری است. در فضای خالی، هیچ مغناطیسی وجود نداردM به طوری که '''H''' &nbsp;= '''B'''/''μ''

اگر سیمی را که حامل جریان برق است در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم بر این سیم نیرویی وارد می‌شود. این نیرو با طول سیم(L)ومیدان مغناطیسی(B)رابطه مستقیم دارد و از رابطهٔرابطه ی F=L I B SINα بدست می‌آید. بنابر این رابطه اگر سیم در راستای میدان مغناطیسی قرار گیرد نیروی وارد بر آن صفر است زیرا:

α=0 OR π در نتیجه ۰=F واگر سیم به صورت عمود قرار گیرد نیروی آن به حد اکثر می‌رسد. اگر سیم دارای شکلی نا منظم باشد آن را به دو مولفهٔمولفه ی (عمودی و افقی) تقسیم می‌کنیم و از مولفهٔمولفه ی عمودی استفاده می‌کنیم. برای پیدا کردن جهت میدان بر اساس قاعده دست راست عمل می‌شود.

برای محاسبه== میدان مغناطیسی حاصلداخل از یک پیچه مسطحسیملوله حامل جریان I شامل N دور سیم و به شعاع r رابطه زیر برقرار است:==

آهنرباهای دائم اشیاییاشیائی هستند که میدان‌هایمیدان های مغناطیسی مداوم خود را تولید می‌کنند. همه آهنرباهای دائم دو قطب شمال و جنوب دارند. آنها از مواد فرومغناطیسی مانند آهن و نیکل که مغناطیسی شده‌اند ساخته شده‌اند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آهنرباها، مغناطیسی شدن و در زیر فر

[[پرونده:Cyclotron motionCyclotron_motion.jpg|بندانگشتی|چپ|200px|شعاع‌های الکترون در یک دایره حرکت می‌کنند. نور نتیجه برانگیختگی اتم‌های گاز در لامپ است]]

متأسفانه مفهوم قطب‌هایقطب های 'شار مغناطیسی' با دقت آنچه در داخل آهنربا اتفاق می‌افتد را منعکس نمی‌کند (نگاه کنید به فرو مغناطیسی شدن)؛ شار مغناطیسی وجود ندارد. به عنوان مثال، بر خلاف شار الکتریکی،شارالکتریکی، آهن‌رباها نمی‌تواند قطب‌های جداگانه‌ای در شمال و جنوب قطب داشته باشند؛ همه آهنرباها جفت شمال و جنوب دارند. علاوه بر این، آهنربای کوچک داخل آهنربا بزرگتر در جهت مخالف به آنچه از میدان H انتظار می‌رود پیچیده می‌شود. شرح فیزیکی صحیح تر مغناطیسی شدن شامل حلقه‌های اتمی جریان که در سراسر آهنربا توزیع شده‌است، می‌باشد.<ref>{{cite book | author=Jackson, John D. | title=Classical Electrodynamics (3rd ed.) | publisher=[[جان وایلی و پسران|Wiley]] | year=1999 | isbn=0-471-30932-X | oclc=224523909}}</ref>

نیروی گرانش بین دو آهنربا کاملاً پیچیده و وابسته به قدرت و جهت گیری هر دو آهنربا و وابسته به مسافت و و جهت آهنرباهای متصل به یکدیگر. است. نیرو حساس به چرخش از آهن‌ربا به علت گشتاور مغناطیسی است. نیروی هر آهنربا در هر لحظه بستگی به خود آهنربا و میدان مغناطیسی B<ref>{{cite namebook | author="Griffiths, David J. | title=Introduction to Electrodynamics (3rd ed.)| publisher=[[Prentice Hall]] |year=1999" |isbn=0-13-805326-X | oclc=40251748}}</ref> از سوی دیگر، دارد. میدان B یک آهنربا ی کوچک بسیار پیچیده‌تر است.

در ریاضیات، نیرو در یک آهنربای که یک مغناطیسی شدن لحظه‌ای m، مربوط به میدان مغناطیسی B دارد برابر است با:<ref> {{cite book | author=Tipler, Paul | title=Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.) | publisher=W. H. Freeman | year=2004 | isbn=0-7167-0810-8 | oclc=51095685}}</ref>

که در آن'''∇''' شیب تغییرات مقدار m B. در هر واحد از فاصله و جهت است که افزایش حداکثر m.B را محصول است (نقطه معادله زیر را ایجاد می‌کند. ضرب داخلی:(''m''' &nbsp;· &nbsp;'''B''' = ''mB''cos(''θ'''که در آن m و B نشان از اندازهازاندازه بردارهای m و B است و θ زاویه بین آنها است) این معادله صرفاً فقط برای آهنرباهای صفر اندازه معتبر است، اما اغلب می‌توان به عنوان تقریبی برای آهن‌رباهای نچندان بزرگ استفاده کرد. نیروی مغناطیسی در آهنرباهای بزرگتر از تقسیم آن‌هاآن ها به مناطق کوچکتر با m مشخص و سپس جمعبندی نیروهای در هر یک از این مناطق تعیین می‌شود.

[[پرونده: Magnetic quadrupole moment.svg|بندانگشتی|چپ|200px|طرحواره‌ای از [[آهنربای چهار قطبی]]. چهار نوک ثابت قطب‌های آهنربا هستند که دو تای آنها با قطب N و دو تا با قطب S مخالفت می‌کنند]]

گشتاور در آهنربا مربوط به میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند با قرار دادن دو آهنربا در نزدیکی یکدیگر در حالی که یکی از آنها شروع به چرخش می‌کنند مشاهده می‌شود. گشتاور مغناطیسی برای به کار انداختن موتورهای ساده الکتریکی استفاده می‌شود. در یک طرح موتور ساده، آهنربا برآهنربابر روی یک شفت که آزادانه چرخش می‌کند ثابت شده‌است که تحت میدان مغناطیسی ردیفی از الکترو مغناطیسی‌هامغناطیسی ها قرار دارد.. با سوئیچینگ مداوم جریان الکتریکی از هر کدام از آهنرباهای الکتریکی، با توجه به تغییر میدان مغناطیسی آن‌ها،آن ها، مانند قطب شمال و جنوب کنار روتور، گشتاور حاصل به شافت منتقل می‌شود. میدان مغناطیسی دوار را مشاهده کنید.

که در آن × نشان دهندهٔدهنده ی بردار ضرب خارجی است. در نظر داشته باشید که این معادله شامل تمام اطلاعات کیفی شامل بالابالامی می‌باشدباشد. هیچ گشتاور مغناطیسی در صورتی که m در امتداد B قرار بگیرد، وجود ندارد (مفهوم ضرب خارجی) علاوه بر این، در تمامی جهت‌ها گشتاوری که آن‌هاآن ها را به جهت B متمایل می‌کند احساس می‌شود.

* در [[دانش در ۲۰۱۳| ژانویه ۲۰۱۳]] [[فیزیکدان ذرات|فیزیکدانان ذرات]] یک [[گاز]] [[کوانتومی]] بر پایه [[پتاسیم]] ساختند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر [[لیزر]] و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به [[دمای منفی|دماهای منفی]] می‌رسد. در این دمای ترمودینامیکی، [[ماده (فیزیک)|ماده]] شروع به بروز دادن خواص ناشناخته پیشین می‌کند.<ref>{{cite web|url=http://www.wired.co.uk/news/archive/2013-01/04/quantum-gas-below-absolute-zero|title=Quantum gas temperature drops below absolute zero|work=Wired|date=4 January 2013|accessdate=5 February 2013}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146|title=Quantum gas goes below absolute zero|work=Nature|date=3 January 2013|accessdate=5 February 2013}}</ref>