اثرات میدان های الکتریکی مختلف

پیش‌بینی ماکسول مبنی بر اینکه یک میدان الکتریکی در حال تغییر، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، یک تئوری محض بود. معادلات ماکسول برای میدان الکترومغناطیسی تمام آنچه را که تاکنون در مورد الکتریسیته و مغناطیس شناخته شده بود یکسان کرد و وجود یک پدیده الکترومغناطیسی را پیش بینی کرد که می تواند به صورت امواج با سرعت 1/1 حرکت کند.ریشه مربع از√ ε 0 μ 0 در خلاء. آن سرعت، که بر اساس ثابت‌های بدست آمده از اندازه‌گیری‌های صرفاً الکتریکی است، مطابق استسرعت نور . در نتیجه، ماکسول به این نتیجه رسید که نور خود یک پدیده الکترومغناطیسی است. بعدها، نظریه نسبیت خاص اینشتین فرض کرد که مقدار سرعت نور مستقل از حرکت منبع نور است . از آن زمان، سرعت نور با دقت فزاینده ای اندازه گیری شده است. در سال 1983 دقیقاً 299792458 متر بر ثانیه تعریف شد. همراه با ساعت سزیمی ، که برای تعریف دوم استفاده شده است ، سرعت نور به عنوان استاندارد جدید برای طول عمل می کند.

جریان جابجایی

شکل 6: جریان i شارژ یک خازن به عنوان تصویری از جریان جابجایی ماکسول (متن را ببینید).(بیشتر)

مدار در شکل 6 نمونه ای از یک میدان مغناطیسی است که توسط یک میدان الکتریکی در حال تغییر ایجاد می شود . یک خازن با صفحات موازی با یک سرعت ثابت توسط جریان ثابتی که از طریق سیم‌های بلند و مستقیم شکل 6A عبور می‌کند، شارژ می‌شود .

هدف اعمال استقانون مدار آمپر برای میدان های مغناطیسی به مسیر P، که در شکل 6A به دور سیم می رود . این قانون (به افتخار فیزیکدان فرانسوی آندره ماری آمپر نامگذاری شده است) را می توان از معادله Biot و Savart برای میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان استخراج کرد . با استفاده از نماد حساب بردار، قانون آمپر بیان می کند که انتگرال ∮ B · d l در طول مسیر بسته ای که جریان i را احاطه کرده است برابر با μ 0 i است . (یک انتگرال اساساً یک مجموع است، و در این مورد، ∮ B · d l مجموع B cos θ dl است که برای طول کمی از مسیر گرفته می شود تا زمانی که حلقه کامل شامل شود. در هر بخش از مسیر dl ، θ زاویه بین میدان B و d l است . جریان i در قانون آمپر، شار کل است.چگالی جریان J از طریق هر سطحی که توسط مسیر بسته احاطه شده است. در شکل 6A ، مسیر بسته دارای برچسب P است، و یک سطح S 1 توسط مسیر P احاطه شده است. تمام چگالی جریان از طریق S 1 در داخل سیم رسانا قرار دارد. شار کل چگالی جریان جریان i است که از سیم عبور می کند. نتیجه برای سطح S 1 مقدار میدان مغناطیسی اطراف سیم را در ناحیه مسیر P منعکس می کند. در شکل 6B ، مسیر P یکسان است اما سطح S 2 از بین دو صفحه خازن عبور می کند. مقدار شار کل چگالی جریان از طریق سطح نیز باید i باشد . با این حال، به وضوح هیچ حرکت بار در سطح S2 وجود ندارد . معضل این است که مقدار انتگرال ∮ B · d l برای مسیر P نمی تواند هم μ 0 i و هم صفر باشد.

حل این معضل ماکسول نتیجه گیری او این بود که باید نوع دیگری از چگالی جریان وجود داشته باشد، به نامجریان جابجایی J d ، که برای آن شار کل از سطح S 2 برابر با جریان i از سطح S 1 خواهد بود . J d برای سطح S 2 ، محل چگالی جریان J مربوط به حرکت بار را می گیرد، زیرا J به دلیل عدم وجود بار بین صفحات خازن به وضوح صفر است. در حالی که جریان i در جریان است بین صفحات چه اتفاقی می افتد ؟ از آنجایی که مقدار شارژ خازن با گذشت زمان افزایش می یابد، میدان الکتریکی بین صفحات نیز با گذشت زمان افزایش می یابد. اگر جریان متوقف شود، تا زمانی که صفحات شارژ هستند، میدان الکتریکی بین صفحات وجود دارد، اما هیچ میدان مغناطیسی در اطراف سیم وجود ندارد. ماکسول تصمیم گرفت که نوع جدید چگالی جریان با تغییر میدان الکتریکی مرتبط است. او آن را پیدا کردکه در آن D = ε 0 E و E میدان الکتریکی بین صفحات است. در شرایطی که ماده وجود دارد، میدان D در معادله ( 6 ) اصلاح می‌شود تا اثرات قطبش را شامل شود. نتیجه D = ε 0 E + P است . میدان D بر حسب کولن بر متر مربع اندازه گیری می شود . افزودن جریان جابجایی به قانون آمپر بیانگر پیش‌بینی ماکسول بود که یک میدان الکتریکی در حال تغییر نیز می‌تواند منبع میدان مغناطیسی B باشد . به دنبال پیش بینی های ماکسول از امواج الکترومغناطیسی، فیزیکدان آلمانیهاینریش هرتز در سال 1887 عصر ارتباطات رادیویی را با تولید و تشخیص امواج الکترومغناطیسی آغاز کرد.

با استفاده از نماد حساب بردار ، چهار معادله ازنظریه الکترومغناطیس ماکسول هستندکه در آن D = ε 0 E + P و H = B / μ 0 - M . معادله اول بر اساسقانون مربع معکوس کولن برای نیروی بین دو بار. این یک شکل از قانون گاوس است که شار میدان الکتریکی را از یک سطح بسته به بار کل محصور شده توسط سطح مرتبط می کند. معادله دوم بر این واقعیت استوار است که ظاهراً هیچ تک قطبی مغناطیسی در طبیعت وجود ندارد. اگر این کار را می کردند، منابع نقطه ای میدان مغناطیسی خواهند بود. سومین بیانیه ای از قانون القای مغناطیسی فارادی است که نشان می دهد یک میدان مغناطیسی در حال تغییر یک میدان الکتریکی ایجاد می کند. چهارمین قانون آمپر است که توسط ماکسول بسط داده شده است تا جریان جابجایی مورد بحث در بالا را نیز در بر گیرد. این یک میدان مغناطیسی را به یک میدان الکتریکی در حال تغییر و همچنین به یک جریان الکتریکی مرتبط می کند.

معادلات چهارگانه ماکسول شرح کاملی از نظریه کلاسیک الکترومغناطیس را نشان می دهد. کشف او که نور یک موج الکترومغناطیسی است به این معنی بود که اپتیک را می توان به عنوان بخشی از الکترومغناطیس درک کرد. فقط در موقعیت های میکروسکوپی لازم است معادلات ماکسول را به گونه ای تغییر دهیم که اثرات کوانتومی را شامل شود . آن اصلاح، معروف بهالکترودینامیک کوانتومی (QED)، ویژگی‌های اتمی خاصی را با درجه‌ای از دقت بیش از یک بخش در 100 میلیون نشان می‌دهد.