لقد عرفت البشرية الظواهر الكهربائية والمغناطيسية منذ القدم، إذ شوهد البرق، وقد عرف الكثير من القدماء عن المغناطيس الذي يجذب معادن معينة. إن بطارية بغداد، التي تم اختراعها قبل 4000 عام، هي أحد الأدلة على أن البشرية قبل أيامنا هذه بوقت طويل، استخدمت الكهرباء، ويبدو أنها عرفت كيف تعمل. ومع ذلك، يُعتقد أنه حتى بداية القرن التاسع عشر، كان يُنظر إلى الكهرباء والمغناطيسية دائمًا بشكل منفصل عن بعضهما البعض، ويتم قبولهما كظواهر غير ذات صلة، وينتميان إلى فروع مختلفة من الفيزياء.

بدأت دراسة المجال المغناطيسي في عام 1269، عندما قام العالم الفرنسي بيتر بيريجرين (الفارس بيير من ميريكورت) بوضع علامة على المجال المغناطيسي على سطح مغناطيس كروي باستخدام إبر فولاذية وحدد أن خطوط المجال المغناطيسي الناتجة تتقاطع عند نقطتين، وهما أطلق عليه "أقطاب" قياسا على أقطاب الأرض.

اكتشف أورستد في تجاربه في عام 1819 فقط انحراف إبرة البوصلة الموجودة بالقرب من موصل يحمل التيار، ثم خلص العالم إلى وجود نوع من العلاقة بين الظواهر الكهربائية والمغناطيسية.

وبعد 5 سنوات، في عام 1824، تمكن أمبير من أن يصف رياضيا تفاعل موصل يحمل تيارا مع مغناطيس، وكذلك تفاعل الموصلات مع بعضها البعض، فظهر: “القوة المؤثرة على موصل يحمل تيارا في مجال مغناطيسي منتظم يتناسب مع طول الموصل وقوة التيار وجيب الزاوية بين ناقل الحث المغناطيسي والموصل.

وفيما يتعلق بتأثير المغناطيس على التيار، اقترح أمبير أن هناك تيارات مجهرية مغلقة داخل المغناطيس الدائم، مما يخلق المجال المغناطيسي للمغناطيس، الذي يتفاعل مع المجال المغناطيسي للموصل الحامل للتيار.

على سبيل المثال، من خلال تحريك مغناطيس دائم بالقرب من موصل، يمكنك الحصول على تيار نابض فيه، ومن خلال تطبيق تيار نابض على أحد الملفات، على قلب حديدي مشترك يقع به الملف الثاني، سيولد تيار نابض تظهر أيضًا في الملف الثاني.

وبعد 33 عامًا، في عام 1864، تمكن ماكسويل من التعميم الرياضي للظواهر الكهربائية والمغناطيسية المعروفة بالفعل - حيث ابتكر نظرية المجال الكهرومغناطيسيوالتي بموجبها يشمل المجال الكهرومغناطيسي مجالات كهربائية ومغناطيسية مترابطة. وهكذا، بفضل ماكسويل، أصبح التوحيد الرياضي العلمي لنتائج التجارب السابقة في الديناميكا الكهربائية ممكنا.

نتيجة لهذه الاستنتاجات الهامة لماكسويل كانت توقعاته، من حيث المبدأ، أن أي تغيير في المجال الكهرومغناطيسي يجب أن يولد موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء وفي الوسائط العازلة بسرعة محددة معينة، والتي تعتمد على الثوابت المغناطيسية والعازلة للكهرباء. وسط انتشار الموجة.

بالنسبة للفراغ، تبين أن هذه السرعة تساوي سرعة الضوء، وبالتالي اقترح ماكسويل أن الضوء هو أيضًا موجة كهرومغناطيسية، وتم تأكيد هذا الافتراض لاحقًا (على الرغم من أنه قبل تجارب أورستد بوقت طويل، أشار يونج إلى الطبيعة الموجية للضوء). .

ابتكر ماكسويل الأساس الرياضي للكهرومغناطيسية، وفي عام 1884 ظهرت معادلات ماكسويل الشهيرة بشكلها الحديث. في عام 1887، أكد هيرتز نظرية ماكسويل فيما يتعلق بأن جهاز الاستقبال سوف يسجل الموجات الكهرومغناطيسية التي يرسلها جهاز الإرسال.

تدرس الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية المجالات الكهرومغناطيسية. في إطار الديناميكا الكهربائية الكمومية، يعتبر الإشعاع الكهرومغناطيسي بمثابة تيار من الفوتونات، حيث يتم التفاعل الكهرومغناطيسي بواسطة الجسيمات الحاملة - الفوتونات - البوزونات الناقلة عديمة الكتلة، والتي يمكن تمثيلها على أنها إثارة كمومية أولية للمجال الكهرومغناطيسي. وبالتالي، فإن الفوتون هو كم للمجال الكهرومغناطيسي من وجهة نظر الديناميكا الكهربائية الكمومية.

يبدو التفاعل الكهرومغناطيسي اليوم أحد التفاعلات الأساسية في الفيزياء، والمجال الكهرومغناطيسي هو أحد المجالات الفيزيائية الأساسية إلى جانب مجالات الجاذبية والفرميون.

الخصائص الفيزيائية للمجال الكهرومغناطيسي

يمكن الحكم على وجود مجال كهربائي أو مغناطيسي، أو كليهما، في الفضاء من خلال تأثير القوة التي يمارسها المجال الكهرومغناطيسي على جسيم مشحون أو على تيار.

يؤثر المجال الكهربائي على الشحنات الكهربائية، المتحركة والثابتة، بقوة معينة، اعتمادًا على شدة المجال الكهربائي عند نقطة معينة في الفضاء في وقت معين، وعلى قيمة شحنة الاختبار q.

بمعرفة القوة (الحجم والاتجاه) التي يؤثر بها المجال الكهربائي على شحنة الاختبار، ومعرفة مقدار الشحنة، يمكننا إيجاد شدة المجال الكهربائي E عند نقطة معينة في الفضاء.

يتم إنشاء المجال الكهربائي بواسطة شحنات كهربائية، وتبدأ خطوط قوتها بشحنات موجبة (تتدفق منها بشكل مشروط)، وتنتهي بشحنات سالبة (تتدفق بشكل مشروط إليها). وبالتالي، الشحنات الكهربائية هي مصادر المجال الكهربائي. مصدر آخر للمجال الكهربائي هو المجال المغناطيسي المتغير، كما هو موضح رياضيا معادلات ماكسويل.

القوة المؤثرة على شحنة كهربائية من المجال الكهربائي هي جزء من القوة المؤثرة على شحنة معينة من المجال الكهرومغناطيسي.

يتم إنشاء المجال المغناطيسي عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (التيارات) أو المجالات الكهربائية المتغيرة بمرور الوقت (كما يتضح من معادلات ماكسويل)، ويعمل فقط على الشحنات الكهربائية المتحركة.

تتناسب قوة المجال المغناطيسي المؤثرة على شحنة متحركة مع تحريض المجال المغناطيسي وحجم الشحنة المتحركة وسرعة حركتها وجيب الزاوية بين ناقل تحريض المجال المغناطيسي B واتجاه سرعة التهمة. غالبًا ما تسمى هذه القوة بقوة لورنتز، ولكنها ليست سوى الجزء "المغناطيسي" منها.

في الواقع، تتضمن قوة لورنتز مكونات كهربائية ومغناطيسية. ينشأ المجال المغناطيسي عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (التيارات)؛ وتكون خطوط قوتها مغلقة دائمًا وتعانق التيار.

كان اكتشاف F. Arago مهتمًا بمواطنه A. Ampere (1775-1836)، وأجرى تجارب على موصلات متوازية مع التيارات واكتشف تفاعلها (انظر الشكل). أظهر أمبير أنه إذا كانت التيارات تتدفق في نفس الاتجاهات في الموصلات، فإن هذه الموصلات تنجذب إلى بعضها البعض (الجانب الأيسر من الشكل). في حالة التيارات ذات الاتجاهين المعاكسين، فإن موصلاتها تتنافر مع بعضها البعض (الجانب الأيمن من الشكل). كيف يمكن تفسير مثل هذه النتائج؟

أولاً، كان من الضروري تخمين أنه في الفضاء المحيط بالتيارات المباشرة والمغناطيس الدائم، تنشأ مجالات قوة تسمى المجالات المغناطيسية. لتمثيلها الرسومي، تم تصوير خطوط القوة - وهي خطوط عند كل نقطة توجد فيها إبرة مغناطيسية موضوعة في المجال مماسًا لهذا الخط. يتم تصوير هذه الخطوط على أنها "كثيفة" أو "متفرقة" اعتمادًا على قيمة القوة المؤثرة من المجال المغناطيسي.

ثانياً، كان من الضروري إجراء التجارب وفهم أن خطوط المجال للموصل المستقيم مع التيار هي دوائر متحدة المركز (متباعدة عن مركز مشترك). يمكن "رؤية" خطوط القوة إذا تم تمرير الموصلات عبر الزجاج الذي تم رش برادة الحديد الدقيقة عليه. علاوة على ذلك، كان من الضروري تخمين "إسناد" اتجاه معين لخطوط الكهرباء اعتمادًا على اتجاه التيار في الموصل. أي أننا أدخلنا في الفيزياء "قاعدة الثقب" أو "قاعدة اليد اليمنى"، وهي نفس القاعدة، انظر الشكل أدناه.

ثالثا، كان من الضروري إجراء التجارب وإدخال "قاعدة اليد اليسرى" في الفيزياء من أجل تحديد اتجاه القوة المؤثرة على موصل يحمل تيارا موضوعا في مجال مغناطيسي، وموقع واتجاه خطوط المجال منها معروفة. وفقط بعد ذلك، وباستخدام قاعدة اليد اليمنى مرتين وقاعدة اليد اليسرى أربع مرات، أمكن تفسير تجربة أمبير.

خطوط المجال للموصلات المتوازية التي تحمل التيار هي دوائر متحدة المركز "تتباعد" حول كل موصل، بما في ذلك مكان وجود الموصل الثاني. ولذلك فهو يتأثر بالمجال المغناطيسي الناتج عن الموصل الأول، والعكس صحيح: فالمجال المغناطيسي الناتج عن الموصل الثاني يصل إلى الأول ويعمل عليه. يتم تحديد اتجاه خطوط القوة من خلال قاعدة اليد اليمنى، ويتم تحديد اتجاه التأثير على الموصل من خلال قاعدة اليد اليسرى.

يتم شرح بقية التجارب التي تمت مناقشتها سابقًا بطريقة مماثلة: يوجد مجال مغناطيسي حول المغناطيس أو الموصلات الحاملة للتيار، ومن موقع خطوط المجال يمكن الحكم على اتجاه وحجم المجال المغناطيسي أيضًا. كيف يعمل على الموصلات.

(ج) 2011. "Fizika.ru" بمشاركة Krayuhina T.E. (منطقة نيجني نوفغورود، سيرجاش)

لنأخذ ملفين متماثلين مصنوعين من أسلاك معدنية ونعلقهما بحيث يمكن إدخالهما في الدائرة، ويكون محوراهما على نفس الخط المستقيم (الشكل 1). وبعد تمرير تيارات بنفس الاتجاه خلال الملفات، سنجد أن الملفات تتجاذب مع بعضها البعض (الشكل 1، أ). إذا تم إنشاء تيارات في الاتجاه المعاكس في الملفات، فإنها سوف تتنافر (الشكل 1، ب). يحدث مثل هذا التفاعل أيضًا بين الموصلات المستقيمة الموجودة على التوازي.

الشكل 1. أ) تتجاذب الموصلات ذات التيارات في نفس الاتجاه. ب) الموصلات ذات التيارات في اتجاهين متعاكسين تتنافر

لذلك، فإن التيارات التي لها نفس الاتجاه تتجاذب، والتيارات في الاتجاه المعاكس تتنافر.

وبالتالي، عندما تكون الموصلات ذات التيارات على مسافة معينة من بعضها البعض، يحدث تفاعل بينها لا يمكن تفسيره بوجود مجال كهربائي بينهما، حيث تظل الموصلات محايدة عمليا عندما يمر التيار من خلالها. هذا يعني أنه حول أي موصل به تيارات يوجد مجال آخر غير المجال الكهربائي، لأنه لا يؤثر على الشحنات الثابتة.

دعونا نتفق على تسمية المجال الذي يحدث من خلاله التفاعل على مسافات، .

لقد أظهرت التجربة أن المجال المغناطيسي ينشأ إما عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية أو عن طريق مجال كهربائي متناوب ويعمل فقط على الشحنات المتحركة.

لذلك، من أجل اكتشاف المجال المغناطيسي في أي منطقة من الفضاء، من الضروري إدخال موصل به تيار أو بعض الشحنات المتحركة الأخرى إلى هذه المنطقة. تم اكتشاف المجال المغناطيسي حول الموصلات الحاملة للتيار لأول مرة بشكل تجريبي من قبل الفيزيائي الدنماركي هانز أورستد في عام 1820.

يمكن للمجالات المغناطيسية للتيارات المختلفة، عند تراكبها، أن تقوي أو تضعف بعضها البعض. دعونا نظهر هذا تجريبيا. إذا قمت بربط ملفين متطابقين معًا وخلقت تيارات فيهما في الاتجاه المعاكس (الشكل 2، أ(على اليسار)، فإن المجال المشترك بينهما يصبح ضعيفًا جدًا لدرجة أنه لن ينتج تأثيرًا ملحوظًا على الملف الثالث الذي يمر به التيار. وهذا ما يفسر عدم وجود مجال مغناطيسي حول سلك مصنوع من سلكين يمر بهما تياران في اتجاهين متعاكسين. إذا تم إنشاء تيارات من نفس الاتجاه في ملفات متصلة، فإن تأثيرها على الملف الثالث يتعزز بشكل ملحوظ (الشكل 2، ب) مقارنة بالتجربة الموضحة أعلاه. لذلك، يمكن الحصول على تقوية المجال المغناطيسي عن طريق تراكب المجالات المغناطيسية للتيارات ذات الاتجاه نفسه، وإضعاف المجال عن طريق تراكب مجالات التيارات ذات الاتجاه المعاكس.

الشكل 2. أ) المجالات المغناطيسية للتيارات في اتجاهين متعاكسين تضعف بعضها البعض. ب) المجالات المغناطيسية للتيارات ذات الاتجاه الواحد تعزز بعضها البعض

إذا تم وضع الملفات قبل بدء التجربة بحيث لا تكون محاورها على نفس الخط المستقيم، فعند تشغيل التيار، تدور الملفات نفسها بحيث تتدفق التيارات فيها في نفس الاتجاه، ثم تنجذب بعضها البعض. ونتيجة لذلك، يزداد المجال المغناطيسي في الفضاء المحيط.

فيديو 1. قم باللف واللف بالتيار

تفاعل الرسوم المتحركة. يختلف تأثير الشحنات المتحركة (التيارات الكهربائية) على بعضها البعض عن تفاعل كولوم للشحنات الثابتة.
يسمى التفاعل بين الشحنات المتحركة بالمغناطيس.

أمثلة على مظاهر التفاعل المغناطيسي:

* تجاذب أو تنافر موصلين متوازيين مع التيار؛
* مغناطيسية بعض المواد، على سبيل المثال، خام الحديد المغناطيسي، الذي يصنع منه المغناطيس الدائم؛ تحويل سهم خفيف مصنوع من مادة مغناطيسية بالقرب من موصل يحمل تيارًا
* دوران الإطار مع التيار في مجال مغناطيسي.
*

يتم التفاعل المغناطيسي من خلال المجال المغناطيسي.
المجال المغناطيسي هو شكل خاص من أشكال وجود المادة.
خصائص المجال المغناطيسي:

* المتولدة عن الشحنات المتحركة (التيار الكهربائي) أو المجال الكهربائي المتناوب؛
* يتم اكتشافه من خلال تأثيره على التيار الكهربائي أو الإبرة المغناطيسية.

ناقلات الحث المغناطيسي. تظهر التجارب أن المجال المغناطيسي ينتج تأثيرًا توجيهيًا على الدائرة الحاملة للتيار والإبرة المغناطيسية، مما يجبرهما على الانحياز في اتجاه معين. ولذلك، لتوصيف المجال المغناطيسي، يجب استخدام كمية، يرتبط اتجاهها باتجاه الحلقة الحاملة للتيار أو الإبرة المغناطيسية في المجال المغناطيسي. وتسمى هذه الكمية ناقل الحث المغناطيسي B.
يعتبر اتجاه ناقل الحث المغناطيسي هو:

* اتجاه الوضع الطبيعي الموجب لمستوى الدائرة مع التيار،
* اتجاه القطب الشمالي لإبرة مغناطيسية موضوعة في مجال مغناطيسي.

وحدة المتجه B تساوي نسبة الحد الأقصى لعزم الدوران المؤثر على الإطار مع التيار عند نقطة معينة في الحقل إلى منتج القوة الحالية I ومساحة الدائرة S.
ب = Mmax/(I·S). (1)

يعتمد عزم الدوران M على خصائص المجال ويتم تحديده بواسطة المنتج I·S.

تعتمد قيمة متجه الحث المغناطيسي، التي تحددها الصيغة (1)، فقط على خصائص المجال.
وحدة القياس B هي 1 تسلا.

التمثيل البياني للمجالات المغناطيسية. تُستخدم خطوط الحث المغناطيسي (خطوط المجال المغناطيسي) لتمثيل المجالات المغناطيسية بيانياً. خط الحث المغناطيسي هو خط يتم عند كل نقطة منه توجيه ناقل الحث المغناطيسي بشكل عرضي إليه.
خطوط الحث المغناطيسي هي خطوط مغلقة.

أمثلة على المجالات المغناطيسية:
1. موصل مستقيم مع التيار
خطوط الحث المغناطيسي هي دوائر متحدة المركز تتمركز حول الموصل.

2. التيار الدائري
يرتبط اتجاه ناقل الحث المغناطيسي باتجاه التيار في الدائرة بواسطة قاعدة المسمار الأيمن.

3. الملف اللولبي مع التيار
داخل ملف لولبي طويل يمر به تيار، يكون المجال المغناطيسي منتظمًا وخطوط الحث المغناطيسي متوازية مع بعضها البعض. يرتبط الاتجاه B واتجاه التيار في دورات الملف اللولبي بقاعدة المسمار الأيمن

مبدأ تراكب الحقول. إذا كان هناك تراكب للعديد من المجالات المغناطيسية في أي منطقة من الفضاء، فإن متجه الحث المغناطيسي للمجال الناتج يساوي مجموع المتجه لتحريضات الحقول الفردية:
ب = الهيئة الفرعية للتنفيذ