میدان مغناطیسی: تفاوت میان نسخه‌ها
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
بدون خلاصۀ ویرایش برچسب‌ها: متن دارای ویکی‌متن نامتناظر ویرایشگر دیداری |
جز ویکی‌سازی رباتیک (درخواست کاربر:Freshman404)(۷.۶) >الکترومغناطیس کلاسیک، میدان الکترومغناطیسی، نظریه الکترومغناطیس، میدان مغناطیسی زمین، خطوط میدان مغناطیسی، نفوذپذیری مغناطیسی، دمای ترمودینامیکی، گشتاور مغناطیسی، معادلات ماکسول، میدان مغناطیسی، موتور الکتریکی، جریان الکتریکی، شار الکتریکی، شار مغناطیسی، حساب تانسوری، میدان برداری، بار الکتریکی، چارچوب مرجع، نیروی گرانش، جریان دائم، جریان سیال، [[ضرب... |
||
خط ۱:
{{الکترومغناطیس}}
[[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 [[الکترومغناطیس کلاسیک]] تعریف میدان [[مغناطیس|مغناطیسی]] به صورت «میدان حاصل از [[بار الکتریکی]] در حال حرکت» 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.
[[میدان مغناطیسی]] از تک بارها، سیم‌های حامل جریان، جهت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی (آهنرباهای دایمی)، [[جریان سیال]] رسانا (میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می‌شوند.
[[پرونده: Earths_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]]
در الکترودینامیکِ نسبیتی، تفاوتی بین میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی وجود ندارد و تعریف میدان
خط ۱۲:
نیروی حاصل از این میدان را [[نیروی لورنتس]] می‌خوانند.
به بیانی دیگر میدان مغناطیسی میدانی است که توسط یک جسم مغناطیسی یا ذرات، 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 یا حرکت بار الکتریکی اعمال می‌شود شناسایی می‌شود. میدان مغناطیسی در هر نقطهٔ داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت (یا مقاومت) مشخص می‌شود، که به عنوان یک [[میدان برداری]] شناخته می‌شود.<ref name="Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. 1969"/>
اشیایی که خود میدان مغناطیسی تولید می‌کنند آهنربا نامیده می‌شوند. آهنرباها توسط نیروها و گشتاورهایی که توسط میدانهای مغناطیسی تولید می‌کنند بر یکدیگر تاثیر می‌گذارند. آهنربا معمولاً خود را در جهت میدان مغناطیسی موضعی تراز می‌کند. قطب‌نماها از این اثر برای اندازه‌گیری جهت میدان مغناطیسی موضعی، تولید شده توسط زمین استفاده می‌کنند.
ریاضیات پیچیده که میدان مغناطیسی یک شی را نشان می‌دهد با استفاده از خطوط میدان مغناطیسی نشان داده می‌شوند. این خطوط صرفاً یک مفهوم ریاضی است و به صورت فیزیکی وجود ندارد. با این حال، برخی پدیده‌های فیزیکی از قبیل تراز شدن براده‌های آهن در یک میدان مغناطیسی، به مانند خطوط در یک الگوی مشابه با خطوط فرضی میدان مغناطیسی از جسم را تولید می‌کند.
جهت خطوط میدان مغناطیسی که تراز دلخواه برای برادهٔ آهنی که بر روی کاغذی که بر روی یک نوار آهنربا قرار دارد، پاشیده شده‌است. نشان می‌دهد. جاذبهٔ متقابل قطب مخالف براده آهن منجر به تشکیل خوشه‌های دراز از براده در امتداد خطوط میدان شده‌است.
[[پرونده: Right_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 الکتریکی]] نیرو وارد می‌کند.
میدانهای مغناطیسی در داخل و با توجه به مواد مغناطیسی می‌تواند کاملاً پیچیده باشد. میدان مغناطیسی با مواد دیگر اثر متقابلی دارد، بنابراین میدان مغناطیسی متقابلی با مواد دیگر ایجاد می‌کند.
شرح میدان مغناطیسی در داخل آهنربا شامل دو رشته جداگانه است که می‌تواند هر دو به نام میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی B و میدان مغناطیسی H نامیده شود. این‌ها توسط یک میدان سوم که توصیف حالت مغناطیسی مواد مغناطیسی در درون آن‌هاست، که مغناطیس‌کنندگی 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 به‌طور تنگاتنگی به میدانهای 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 و شار که آن‌ها 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 الکترومغناطیسی]] 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 (ذرات بنیادی)|مدل استاندارد]]، نیروی الکترومغناطیسی در تمام مظاهر توسط فوتون واقع می‌شود. در اغلب موارد این شرح میکروسکوپی مورد نیاز نمی‌باشد چرا که نظریهٔ کلاسیک ساده، قانع‌کننده است؛ تفاوت تحت میدان با انرژی پایین‌تر در اکثر شرایط قابل اغماض است.
[[پرونده: Magnetic_field_near_pole.svg|بندانگشتی|چپ|200px|جهت میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا با قرار دادن قطب‌نما 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 جهت‌یابی ای که توسط قطب شمال قطب‌نما 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 دهندهٔ اطلاعاتی در مورد حرکت شار از طریق [[اثر هال]] هستند. تداخل میدانهای مغناطیسی در دستگاه‌های برقی مانند ترانسفورماتورها در نظم [[حوزه‌های مغناطیسی]] مورد 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 مدرن 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 آن‌ها نشان داده شد.. شرح کاملی از الکترومغناطیس، [[الکترودینامیک کوانتومی]] یا [[QED]] نامیده می‌شود، که شامل [[مکانیک کوانتومی]] که در اواسط قرن ۲۰ کشف شد، است.
خط ۵۶:
|}
|}
خارج از مواد، میدانهای B و H غیرقابل تشخیص هستند. (آن‌ها تنها در واحدهای خود و مقدار، متفاوتند و در تغییرات 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 پدیدهٔ [[شار مغناطیسی]] بسیار نزدیک است، بستگی دارد.
میدان B را می‌توان در بسیاری جهات مشابه، بر اساس اثرات آن بر روی محیط اطراف آن تعریف کرد. به عنوان مثال، یک ذره با بار الکتریکی q و حرکت در میدان B با سرعت v، نیرویی به نام F ایجاد می‌کند که نیروی لورنتس نامیده می‌شود. (پایین را ببینید) در واحد SI، نیروی لورنتس برابر است با:
<math>\mathbf{F}=q\left(\mathbf{v}\times\mathbf{B}\right)</math>
که در آن × بردار [[ضرب خارجی]] است. یک تعریف متناوب کاری از میدان B را می‌توان از لحاظ گشتاور دو قطبی مغناطیسی در میدان B ارائه داد:
:<math>\boldsymbol{\tau}=\mathbf{m_m}\times\mathbf{B}</math>
برای دو قطبی مغناطیسی لحظه‌ای m (در آمپر متر مربع). میدان B در واحد SI تسلا و در واحد [[cgs]] گاوس نامیده می‌شود. (۱ تسلا = ۱۰۰۰۰ گاوس). در واحد SI تسلا برابر است با: (کولن × متر) / (نیوتن × ثانیه) همان‌طور که از قسمت مغناطیسی قانون نیروی لورنتس می‌توان دید:
خط ۶۶:
H به عنوان اصلاحی برای B به علت میدان مغناطیسی تولید شده توسط مواد واسطه خواهد بود، به‌طوری‌که (در SI):
:<math>\mathbf{H}\ \equiv \ \frac{\mathbf{B}}{\mu_0}-\mathbf{M},</math>
که در آن M مغناطیسی شدن ماده و ''μ''<sub>0</sub> [[نفوذپذیری مغناطیسی]] در فضای خالی است (یا پایداری مغناطیسی).<ref name="Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. 1969"/> میدان H با یکای آمپر بر متر در SI.(A/m) و اورستد (Oe) در cgs اندازه‌گیری می‌شود.
در موادی که M متناسب با B است، رابطه بین B و H را می‌توان به فرم ساده‌تر نوشت:
'''H''' = '''B'''/''μ'' که در آن μ پارامتر وابسته به مواد به نام نفوذپذیری است. در فضای خالی، هیچ مغناطیسی وجود ندارد M به‌طوری‌که '''H''' = '''B'''/''μ''
خط ۸۴:
[[پرونده: Cyclotron_motion.jpg|بندانگشتی|چپ|200px|شعاع‌های الکترون در یک دایره حرکت می‌کنند. نور نتیجه برانگیختگی اتم‌های گاز در لامپ است]]
متأسفانه مفهوم قطب‌های '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، 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>
در این مدل، یک آهنربا از بسیاری از آهنرباهای کوچک، به نام دو قطبی مغناطیسی که هر کدام یک جفت قطب شمال و جنوب مربوط به [[جریان الکتریکی]] دارند، تشکیل شده‌است. هنگامی که در ترکیب آن‌ها به صورت یک آهنربا که قدرت مغناطیسی دارد m. که برای راحتی محاسبات ریاضی است، همچنین با توجه به جهت متناظر با جهت‌گیری‌های میدان مغناطیسی آن را تعریف می‌کنند. برای آهنرباهای ساده، m در جهت خط از جنوب تا قطب شمال آهنربا کشیده شده‌است.
[[نیروی گرانش]] بین دو آهنربا کاملاً پیچیده و وابسته به قدرت و جهت‌گیری 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 name="Griffiths, David J. 1999"/> 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>
:<math>\mathbf{F} = \mathbf{\nabla} \left(\mathbf{m}\cdot\mathbf{B}\right),</math>
خط ۹۳:
[[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 بر روی یک شفت که آزادانه چرخش می‌کند ثابت شده‌است که تحت میدان مغناطیسی ردیفی از الکترومغناطیسی‌ها قرار دارد.. با سوئیچینگ مداوم جریان الکتریکی از هر کدام از آهنرباهای الکتریکی، با توجه به تغییر میدان مغناطیسی آن‌ها، مانند قطب شمال و جنوب کنار روتور، گشتاور حاصل به محور منتقل می‌شود. میدان مغناطیسی دوار را مشاهده کنید.
[[گشتاور مغناطیسی]] τ تمایل دارد قطب مغناطیسی با خطوط میدان B در یک امتداد قرار دهد (تا زمانی که m در جهت قطب‌های مغناطیسی است می‌توان گفت m تمایل دارد با B در یک امتداد قرار بگیرد) به همین دلیل است سوزن مغناطیسی قطب‌نما به سمت قطب شمال زمین منحرف می‌شود. با این تعریف، جهت میدان محلی مغناطیسی زمین جهتی است که در آن قطب شمال قطب‌نما (یا هر آهنربایی) تمایل به آن نقطه دارد.
به‌طور ریاضی وار، گشتاور τ آهنربای کوچک متناسب با هر دوی میدان B اعمال شده مغناطیسی شدن آهنربا m می‌باشد:
:<math>\boldsymbol{\tau}=\mathbf{m}\times\mathbf{B}, \,</math>
خط ۹۹:
== کاربرد در پژوهش‌ها ==
* 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
== جستارهای وابسته ==
خط ۱۱۰:
== منابع ==
مبانی [[نظریه
آشنایی با [[حساب تانسوری]] و نسبیت، درک لاودن
{{پانویس|۲}}
* {{cite book | author=Furlani, Edward P. | title=Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications | publisher= Academic Press Series in Electromagnetism | year=2001 | isbn=0-12-269951-3 | oclc=162129430}}
خط ۱۲۵:
[[رده:مغناطیس ساکن]]
[[رده:مفاهیم بنیادین فیزیک]]
[[رده:ویکی‌سازی رباتیک]]
| |||