میدان مغناطیسی و میدان الکتریکی، دو نوع از انواع جریان هایی هستند که می توانند در محیط اتر وجود داشته باشند. آنها به عنوان جریان هایی از اتر (در محیط اتر) معرفی شده اند به دلیل اینکه، دارای جهت بخصوصی می باشند.
همانطور که در شکل سمت چپ در زیر نشان داده شده، در مورد میدان مغناطیسی، جریان اتر در داخل یک آهنربا از قطب جنوب به سمت قطب شمال است و پس از خارج شدن از آهنربا در قطب شمال، جریان اتر در محیط اطراف ادامه می یابد و به سمت قطب جنوب بر می گردد و در آن قطب به آهنربا وارد می شود.
به این طریق یک جریان حلقه مانندی را طی می کند. همچنین، همانطور که در شکل سمت راست در زیر نشان داده شده، در مورد میدان الکتریکی، جریان اتر از ذرات هسته ای منفی شروع و به ذرات هسته ای مثبت ختم می شود.
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، اینگونه جریان اتر را می توان به جریان تولید شده در محیط هوا تشبیه کرد که از قسمت جلوی یک پنکه شروع و به قسمت پشت آن پنکه ختم می شود،. و جریان کلی حلقه مانند تولید شده توسط یک پنکه درست مانند جریان اتر است که خود را بصورت میدان مغناطیسی به نمایش می گذارد.
برای اینکه بتوان بدرستی ماهیت میدان مغناطیسی را درک کرد، نخست باید ماهیت میدان الکتریکی را شناخت. در ضمن برای شناخت درست از میدان الکتریکی باید دانست که بار الکتریکی ذرات باردار چه است. ذرات هسته ای باردار درست مانند سطح مقطع یک شیلنگ قطع شده ای عمل می کنند که یا اتر از آنها خارج می شود و یا اتر به درون آنها وارد می شود، بسته به اینکه آن ذرات هسته ای منفی باشند و یا مثبت.
برای اینکه بتوان تشابه انتهای بریده شده یک شیلنگ به ذرات هسته ای را بهتر درک کرد، می توان شیلنگی را در نظر گرفت که ورودی یک پمپ هوا را مستقیم ا به خروجی آن پمپ متصل می سازد. این حالت در شکل زیر نشان داده شده است.
اگر در حالی که پمپ در حال کار کردن است آن شیلنگ بریده شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، اگر چه دو سطح بریده شده دقیق ا به یک اندازه خواهند بود ولی در یک مورد بسیار مهم آنها درست متضاد یکدیگر عمل خواهند کرد.
چون، به محض قطع شدن آن شیلنگ، سطح بریده شده ای که به لوله ورودی پمپ متصل است هوای اطراف را به سمت خود خواهد مکید، در حالیکه سطح بریده شده ای که به لوله خروجی پمپ متصل است هوای داخل خود را به محیط اطراف خواهد فرستاد.
آن دو انتهای بریده شده شیلنگ به ترتیب درست مانند دو ذره هسته ای عمل می کنند که دارای بار الکتریکی مثبت و بار الکتریکی منفی هستند.
در حقیقت، اگر صفحۀ اره ای که شیلنگ با آن بریده شده به عنوان فضای این دنیای فیزیکی تصور شود و دو سطح بریده شده شیلنگ بتوانند آزادانه حرکت کنند ولی بر آن صفحۀ اره منطبق بمانند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، آنها دقیق ا نحوه تولید شدن دو ذره هسته ای نظیر یک پروتون و یک ضد پروتون که در طبیعت پیش می آید را نشان می دهند.
نکته مهم، سطح بریده شده شیلنگ که 2 بعدی است متناظر با حبابهای 3 بعدی است که در حقیقت ذرات هسته ای باردار در این جهان هستند. در شکل بالا این جهان بصورت صفحه 2 بعدی نشان داده شده است.
از لحظه بوجود آمدن، ذرات هسته ای باردار بطور دائم جریان اتر ثابتی را در محیط اطراف خود بوجود می آورند، جریانی که بصورت میدان الکتریکی وجود خود را به نمایش می گذارد. و در صورتیکه به هم نزدیک شوند، بسته به اینکه دارای یک نوع بار الکتریکی باشند و یا اینکه دارای بار الکتریکی مخالف هم باشند، آنها یکدیگر را دفع و یا جذب خواهند کرد.
چون آنها خودبخود بر روی جریان اتر ایجاد شده توسط یکدیگر اثر می گذارند. جریان اتر تولید شده توسط هر ذره هسته ای باردار به مقدار ثابتی است. بنابراین، سرعت جریان اتر که به یک ذره هسته ای مثبت نزدیک می شود (و یا از یک ذره هسته ای منفی دور می شود) متناسب با معکوس جذر دوم فاصله از آن ذره است.
اگر ذره هسته ای بارداری به حالت ساکن باشد جریان اتر ایجاد شده توسط آن ذره در هر مکان در محیط اطرافش ثابت خواهد بود. ولی، اگر در حرکت باشد و از نزدیکی مکان بخصوصی گذر کند، جریان اتر ایجاد شده در آن مکان به تدریج سریعتر و سپس به تدریج آهسته تر خواهد شد.
همچنین، اگر یک ذره هسته ای به مکان یک ذره هسته ای باردار که ساکن است نزدیک و سپس از آن دور شود، آن ذره هسته ای میدان الکتریکی هر چه قوی تری را در ضمن نزدیک شدن و یک میدان الکتریکی هر چه ضعیف تری را در ضمن دور شدن خود از آن ذره هسته ای باردار تجربه خواهد کرد.
تغییرات موجود در میدان الکتریکی در یک مکان باعث تولید شدن میدان مغناطیسی در آن مکان می گردد. به همین دلیل هر ذره بارداری که در این جهان در حرکت است، بدون توجه به مقدار سرعت آن ذره و یا وجود داشتن سایر ذرات در نزدیکی، خودبخود یک میدان مغناطیسی در اطراف خود بوجود می آورد. چون، با نزدیک شدن و سپس دور شدن از هر مکانی خودبخود باعث تولید شدن میدان مغناطیسی در آن مکان می گردد.
به همین دلیل است که، حرکت ذرات هسته ای با بار الکتریکی در یک سیم باعث تولید شدن میدان مغناطیسی در اطراف آن سیم می شود. شدت میدان مغناطیسی تولید شده به تعداد الکترونهایی بستگی دارد که در واحد زمان در آن سیم در حرکت هستند و از آن نزدیکی گذر می کنند. قانون دست چپ، جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط ذراتی که دارای بار منفی هستند (نظیر الکترون ها) را مشخص می سازد.
هر ذره هسته ای که دارای بار الکتریکی است و در حرکت می باشد باعث تولید شدن میدان مغناطیسی تقریبا دایره واری به دور مسیر حرکت خود می شود و جهت میدان مغناطیسی تولید شده به مثبت یا منفی بودن آن ذره بستگی دارد. به عبارت دیگر، با حرکت خود در محیط اتر، ذرات هسته ای که دارای بار الکتریکی هستند بسته به اینکه دارای بار الکتریکی مثبت هستند و یا بار الکتریکی منفی دارند، باعث جریان تقریبا دایره واری به یک جهت و یا جهت دیگر در محیط اتر در اطراف خود می گردند.
نکته مهم، در این بخش، میدان مغناطیسی به عنوان یک نوع جریان در محیط اتر معرفی شده است. بنابراین، نیروی آن میدان به چگالی اتر در محل بستگی مستقیم دارد. در نتیجه، با کاهش یافتن تدریجی چگالی اتر در این جهان، میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط وجود هر نوع ذره هسته ای باردار و حرکت آن ذره نیز به تدریج ضعیف تر می شوند.
در این بخش، توضیح داده شده که میدان مغناطیسی نوعی حرکت ایجاد شده در محیط اتر است که یک مسیر حلقه ای را کامل می کند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، جریان اتر در داخل یک آهنربا از قطب جنوب است به سمت قطب شمال و پس از خارج شدن از بدنه آهنربا در قطب شمال، جریان اتر در خارج از آهنربا به سمت قطب جنوب ادامه می یابد و به این نحو مسیر حلقه ای کاملی را طی می کند. این حرکت اتر دائمی است.
هر ذره هسته ای که دارای بار الکتریکی است، در ضمن حرکت، خودبخود باعث تولید شدن میدان مغناطیسی دایره واری به دور مسیر حرکت خود می گردد. جهت میدان مغناطیسی تولید شده به نوع بار الکتریکی آن ذره بستگی دارد که از نوع منفی باشد و یا از نوع مثبت.
به عبارت دیگر، با حرکت خود در محیط اتر، هر ذره هسته ای که دارای بار الکتریکی است، بسته به اینکه بار الکتریکی آن ذره مثبت باشد و یا منفی، اتر محلی را به یک جهت و یا جهت دیگر تشویق به حرکت دایره ای به دور مسیر حرکت خود می کند.
نکته مهم، دلیل اینکه میدان مغناطیسی یک آهنربا نیروی قوی تری بر روی آهنرباهای دیگر (و یا حتی مواد مغناطیسی) وارد می کند جریانهای اتری هستند که آنها هر دو تولید می کنند. شکل صفحه بعد نمونه های مختلفی از قطبهای دو آهنربا که در نزدیکی یکدیگر قرار می گیرند و عکس العمل بین آنها را نشان می دهد.
اگر جریان اتر تولید شده توسط هر دو آهنربا در یک جهت باشند آن دو یکدیگر را جذب می کنند و باعث تولید شدن جریان هر چه سریعتری در محیط اتر محلی می گردند. این شرایط در صورتی پیش می آیند که دو قطب مخالف از دو آهنربا در نزدیکی یکدیگر قرار گیرند.
حتی اگر یک قطعه از نوع مواد مغناطیسی که هنوز آهنربا نشده است به یک آهنربا نزدیک شود، نخست به نحوی توسط آن آهنربا دارای خاصیت آهنربایی می شود که قسمتی از آن که به سمت نزدیکترین قطب آهنربا قرار دارد نقش قطب مخالف را به عهده می گیرد، چون ادامه ای می شود برای آن آهنربا. در هر دو مورد، آن دو یکدیگر را جذب می کنند چون جریان اتر تولید شده توسط آنها هم جهت و در نتیجه یکدیگر را تقویت و تشدید خواهند کرد.
همچنین، اگر دو قطب موافق (همنام) از دو آهنربا به زور به نحوی بر روی هم قرار داده شوند که با یکدیگر تماس حاصل کنند، نیروی کلی آن دو آهنربا کاهش خواهد یافت. درصد کاهش تولید شده در نیروی کلی آن دو آهنربا در اینگونه شرایط معادل با درصد کاهش در جریان اتری خواهد بود که مربوط به سطح مقطع آن دو آهنربا می شود که با یکدیکر در تماس هستند. چون، آن دو آهنربا در آن قسمت از قطبهای خود مانع تولید شدن جریان اتر توسط یکدیگر خواهند شد.
بنابراین همانطور که میدانیم میدان مغناطیسی تابعی از فاصله از آهن ربا و فشار یا تنش ناشی از اتر است. با قرار دادن پودر آهن بین دو آهن ربا روی یک میز می توانید خطوط مقاومت میدانی ایجاد شده توسط این تغییر شکل را تجسم کنید. می توانید گرد و غبار را در امتداد خطوط میدان مغناطیسی ته نشین کنید.
ممکن است تعجب کنید که چه ارتباطی بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد یا شاید تفاوت دارد. اگر هر دو تغییر شکل اتر باشند، تفاوت این دو دقیقا چه می تواند باشد؟ بارهای الکتریکی یک میدان الکتریکی تولید می کنند، در حالی که آهن ربا یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند ، اما تفاوت آنها با یکدیگر چیست؟
آقای Øersted متوجه شد كه یك سوزن مغناطیسی كه در نزدیكی جریان الكتریكی قرار دارد Øersted آقای منحرف می شود. جریان الکتریکی(که نتیجه بارهای متحرک است) یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. و این را می توان علاوه بر مورد الکتریکی مشاهده کرد.
همانطور که میدانیم هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی می توانند نتیجه یک بار الکتریکی باشند. برای تولید یک میدان مغناطیسی ، بار باید حرکت کند. اگر بی حرکت باشد ، فقط یک میدان الکتریکی تولید می کند و در این حالت سوزن مغناطیسی تحت تأثیر قرار نمی گیرد.
چگونه می توانیم این تفاوت را توضیح دهیم در حالی که در محدوده یک مدل ساده اتری قرار داریم؟
افراد زیادی این کار را امتحان کرده اند. آنها رویای این را داشتند که بتوانند گرانش، حرکت اجرام آسمانی، حرکت ستارگان، مغناطیس الکترومغناطیسی، اتم و پدیده های نوری را توضیح دهند، اینها در محدوده یک مدل واحد است
آناکساگوراس، دکارت، لرد کلوین، هویگنس، فرنل، تودشینی و در دوران باستان، افلاطون و ارسطو، همه سعی داشتند توضیحی اتری از همه چیز ارائه دهند.
با این حال، برای ارائه توضیح در مورد میدان مغناطیسی، در مدل مد نظر ما، باید درک کنم که این میدان چیست. ما می خواهیم بدانیم که چگونه تولید می شود، چه تفاوتی با یک میدان الکتریکی دارد و چرا این تفاوت ها می توانند وجود داشته باشند.
یک جریان الکتریکی حامل رسانا میتواند یک آهنربا را جذب کند، و یا برعکس. اما وقتی می خواهید یک بار الکتریکی را از طریق یک میدان مغناطیسی حرکت دهید ، اتفاق عجیبی رخ می دهد. بار تحت تأثیر میدان مغناطیسی نیست. اگر بار درون یک لوله کروک حرکت کند و یک آهنربا نزدیک شود ، منحرف می شود زیرا عملکرد میدان مغناطیسی تأثیر می گذارد و مسیر آن را تحت تأثیر قرار می دهد. اما اگر بار بی حرکت باشد ، آهنربا هیچ تاثیری روی آن ندارد.
آزمایشی که فارادی در سال 1831 انجام داد بسیار جالب بود. او سعی داشت بارهای الکتریکی را با یک آهنربای الکتریکی ، یعنی یک سیم پیچ مجهز به باتری پیچیده شده در اطراف یک سیم پیچ فرومغناطیسی ، منتقل کند. در طرف دیگرِ توروس (Torus)، او یک سیم پیچ متفاوت را که با یک گالوانومتر متصل شده بود ، پیچید. با این کار ، فارادی قصد داشت حرکت حتی کمترین جریان القایی توسط سیم پیچ الکتریکی را ثبت کند.
عبور جریان در سیم پیچ می تواند یک میدان مغناطیسی تولید کند که قادر است سوزن گالوانومتر را منحرف کند. فارادی مشاهده کرد که تا زمان بسته شدن سوئیچ هیچ جریانی در سیم پیچ تولید نمی شود. وقتی سوئیچ را چرخاند ، برای لحظه ای بسیار کوتاه دید که سوزن با یک ضربان کوتاه منحرف می شود.
فارادی فهمید که میدان مغناطیسی ساکن تولید شده توسط باتری القایی قادر به جابجایی بارهای الکتریکی موجود در آهن نیست. برای جابجایی یک بار و تولید جریان الکتریکی در توروس نیاز به تغییر در میدان مغناطیسی بود.
در نتیجه ، وقتی سوئیچ را باز کرد ، میدان مغناطیسی در مدت زمان بسیار کوتاهی از حداکثر به صفر رسید. این تغییر ناگهانی ، یک جریان الکتریکی در سیم پیچ تولید کرد که توسط انحراف گالوانومتر ثبت شده است.
فارادی این آزمایش را با تلاش برای جابجایی آهنربا قرار داده شده در داخل سیم پیچ متصل به گالوانومتر گسترش داد. ما در حال تلاش برای درک این هستیم که چه رابطه ای بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی یا شاید تفاوت وجود دارد.
اگر هر دو تغییر شکل اتر باشند ، تفاوت این دو چه می تواند باشد؟ بارهای الکتریکی یک میدان الکتریکی تولید می کنند ، در حالی که آهن ربا یک میدان مغناطیسی ایجاد می کنند.
میدان الکتریکی یک باد اتر است که به سمت بار درحال حرکت و یا از بار درحال دور شدن است. گرانش نیز یک باد اتر با شتاب 9.81 متر بر ثانیه است. به همین ترتیب ، یک میدان الکتریکی ، بادی است که اترون ها را با شتاب خاصی حرکت می دهد. برای جابجایی شارژ شتاب لازم است.
بار یک گرداب است که شامل اترون ها ، یعنی ذرات با جرم خاص است. انرژی گرداب همچنین دارای برخی خصوصیات جرم است. همانطور که می دانیم برای جابجایی یک توده نیرو لازم است. همانطور که توسط اصل دوم مکانیک F = m ∙ a بیان شده ، برای تولید نیرو، شتاب لازم است.
فرضیه ای که می خواهیم معرفی کنیم این است که میدان مغناطیسی یک باد اتر با مشخصات زیر است:
- از ویژگی های آن سرعت ثابت است
- شتاب ندارد
- توانایی راه اندازی یک بار الکتریکی را ندارد
برخی ممکن است تصور کنند که اگر جسمی به رودخانه پرت شود ،همچنان توسط جریان حمل می شود. فرقی نمی کند سرعت آب ثابت باشد یا نه. اما ، در این حالت ، باید در نظر گرفت که یک بار الکتریکی یک گرداب است. یک گرداب در رودخانه بی حرکت می ماند زیرا می تواند جریان را قطع کند و از مسیر آب دور نشود.
ما می توانیم نتیجه بگیریم که یک میدان مغناطیسی ثابت است ، و یک سرعت ثابت اترون دارد. برای داشتن شتاب ، میدان مغناطیسی باید حرکت کند: به این ترتیب سرعتی وجود دارد که با گذشت زمان تغییر می کند ، یعنی شتاب. برای جابجایی یک بار و ایجاد جریان الکتریکی شتاب لازم است.
با این حال سوال دیگری به ذهن خطور می کند. چه دلیلی وجود دارد که دو آهنربا قادر به جذب یکدیگر هستند؟ یک میدان مغناطیسی ساکن نمی تواند یک بار را حرکت دهد ، اما می تواند آهنربا دیگری را حرکت دهد. باید بدانیم که آهنربا چگونه میدان خود را تولید می کند.
در یک آهنربا ، با توجه به آمپر بارها به طور مداوم حرکت می کنند. آنها یک میدان مغناطیسی القایی ایجاد می کنند. این میدان مغناطیسی وارد آهنربای دوم می شود که در آن بارهای متحرک دیگری نیز وجود دارد. این بارها با میدان مغناطیسی ورودی تعامل می کنند و یک نیروی مغناطیسی ، جاذبه یا دافعه تولید می کنند. این به جهت چرخش بارها بستگی دارد.
بنابراین حتی اگر میدان مغناطیسی ثابت باشد ، می تواند آهنربا دیگری را حرکت دهد. این به این دلیل است که ، در داخل یک آهنربا ، بارها در حال حرکت هستند.
به طور خلاصه ، با این کار، سعی کردیم توضیح دهیم که هم میدان الکتریکی و هم میدان مغناطیسی توسط اتر و در اتر تولید می شوند. میدان الکتریکی، باد اترون های دارای شتاب است، در حالی که میدان مغناطیسی، یک باد اتر است که با سرعت ثابت حرکت می کند.
