الكهرباء والمغناطيسية ظاهرتان منفصلتان لكن مترابطتان مرتبطتان بالقوة الكهرومغناطيسية. يشكلون معًا أساس الكهرومغناطيسية، أحد تخصصات الفيزياء الأساسية.
يمكن أن يكون لديك مجال كهربائي بدون مجال مغناطيسي، والعكس صحيح. لكن الشحنة الكهربائية المتحركة لها دائمًا مجال مغناطيسي مرتبط بها، بينما المغناطيس الدائم له مجال مغناطيسي بدون تيار كهربائي.
العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية.
الكهرباء والمغناطيسية ظاهرتان متصلتان تنتجهما القوة الكهرومغناطيسية. معاً، تشكل الكهرومغناطيسية.
تولد الشحنة الكهربائية المتحركة مجالًا مغناطيسيًا. يستحث المجال المغناطيسي حركة الشحنة الكهربية، وينتج تيارًا كهربائيًا.
في الموجة الكهرومغناطيسية، يكون المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي متعامدين مع بعضهما البعض. باستثناء السلوك الناتج عن قوة الجاذبية، فإن كل حدث تقريبًا في الحياة اليومية ينبع من القوة الكهرومغناطيسية.
إنها مسؤولة عن التفاعلات بين الذرات والتدفق بين المادة والطاقة. القوى الأساسية الأخرى هي القوة النووية الضعيفة والقوية، التي تحكم التحلل الإشعاعي وتشكيل النوى الذرية.
نظرًا لأن الكهرباء والمغناطيسية مهمتان للغاية، فمن الجيد البدء بفهم أساسي لما هما وكيف يعملان.
المبادئ الأساسية للكهرباء.
الكهرباء هي الظاهرة المرتبطة بالشحنات الكهربائية الثابتة أو المتحركة. يمكن أن يكون مصدر الشحنة الكهربائية جسيمًا أوليًا، أو إلكترونًا (له شحنة سالبة)، أو بروتون (له شحنة موجبة)، أو أيونًا، أو أي جسم أكبر به خلل في الشحنة الموجبة والسالبة.
تجذب الشحنات الموجبة والسالبة بعضها البعض (على سبيل المثال، تنجذب البروتونات إلى الإلكترونات)، بينما الشحنات المتشابهة تتنافر (على سبيل المثال، تتنافر البروتونات مع البروتونات الأخرى وتتنافر الإلكترونات مع الإلكترونات الأخرى).
تشمل الأمثلة المألوفة للكهرباء البرق والتيار الكهربائي من منفذ أو بطارية والكهرباء الساكنة. تتضمن وحدات SI الشائعة للكهرباء الأمبير (A) للتيار، والكولوم (C) للشحنة الكهربائية، والفولت (V) لفرق الجهد، والأوم (Ω) للمقاومة الكهربائية، والواط (W) للطاقة.
تحتوي شحنة النقطة الثابتة على مجال كهربائي، ولكن إذا تم ضبط الشحنة، فإنها تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا.
إقرأ أيضاً… ما هي تطبيقات واستخدامات المغناطيس؟
المبادئ الأساسية للمغناطيسية.
تُعرَّف المغناطيسية بأنها الظاهرة الفيزيائية الناتجة عن تحريك الشحنة الكهربائية. أيضًا، يمكن أن يحفز المجال المغناطيسي الجسيمات المشحونة على الحركة، مما ينتج عنه تيار كهربائي.
تحتوي الموجة الكهرومغناطيسية (مثل الضوء) على مكونين كهربائي ومغناطيسي. يتحرك عنصرا الموجة في نفس الاتجاه، لكنهما موجهان بزاوية قائمة (90 درجة) لبعضهما البعض.
تنتج المغناطيسية، مثل الكهرباء، التجاذب والتنافر بين الأشياء. بينما تعتمد الكهرباء على الشحنات الموجبة والسالبة، فلا توجد أحاديات أقطاب مغناطيسية معروفة.
أي جسيم أو جسم مغناطيسي له قطب “شمالي” و “جنوبي”، حيث تعتمد الاتجاهات على اتجاه المجال المغناطيسي للأرض.
مثل أقطاب المغناطيس تتنافر (على سبيل المثال، الشمال يتنافر مع الشمال)، بينما الأقطاب المتقابلة تجتذب بعضها البعض (الشمال والجنوب ينجذبان).
تشمل الأمثلة المألوفة للمغناطيسية تفاعل إبرة البوصلة مع المجال المغناطيسي للأرض، وجذب وتنافر المغناطيس الشريطي، والمجال المحيط بالمغناطيسات الكهربائية.
ومع ذلك، فإن كل شحنة كهربائية متحركة لها مجال مغناطيسي، لذا فإن الإلكترونات التي تدور حول الذرات تنتج مجالًا مغناطيسيًا.
يوجد مجال مغناطيسي مرتبط بخطوط الطاقة؛ والأقراص الصلبة ومكبرات الصوت تعتمد على المجالات المغناطيسية لتعمل.
تتضمن وحدات المغناطيسية الرئيسية في النظام الدولي للوحدات تسلا (T) لكثافة التدفق المغناطيسي، ويبر (Wb) للتدفق المغناطيسي، والأمبير لكل متر (A / m) لقوة المجال المغناطيسي، وهنري (H) للحث.
المبادئ الأساسية للكهرومغناطيسية.
تأتي كلمة الكهرومغناطيسية (Electromagnetism) من مزيج من الأعمال اليونانية elektron، والتي تعني “العنبر” و magnetis lithos، والتي تعني “حجر المغنيسيوم”، وهو خام الحديد المغناطيسي.
كان الإغريق القدماء على دراية بالكهرباء والمغناطيسية، لكنهم اعتبروها ظاهرتين منفصلتين. لم يتم وصف العلاقة المعروفة باسم الكهرومغناطيسية حتى نشر جيمس كليرك ماكسويل أطروحة حول الكهرباء والمغناطيسية في عام 1873.
اشتمل عمل ماكسويل على عشرين معادلة شهيرة، والتي تم تكثيفها منذ ذلك الحين في أربع معادلات تفاضلية جزئية. المفاهيم الأساسية التي تمثلها المعادلات هي كما يلي:
- الشحنات الكهربائية المتشابهة تتنافر، وعلى عكس الشحنات الكهربائية تتجاذب. تتناسب قوة الجذب أو التنافر عكسًا مع مربع المسافة بينهما.
- توجد الأقطاب المغناطيسية دائمًا كأزواج من الشمال إلى الجنوب. مثل أقطاب تتنافر مثل وتجذب على عكس.
- 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 إذا كان إبهامك يشير إلى الاتجاه الحالي.
- يؤدي تحريك حلقة من السلك باتجاه مجال مغناطيسي أو بعيدًا عنه إلى إحداث تيار في السلك. يعتمد اتجاه التيار على اتجاه الحركة.
تناقضت نظرية ماكسويل مع ميكانيكا نيوتن، لكن التجارب أثبتت معادلات ماكسويل. تم حل الصراع أخيرًا بواسطة نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين.
