الکتروموتور ضد انفجار

موتور الکتریکی – مکانیک انرژی الکتریکی. ماشین تبدیل انرژی

دارای انواع DC و AC می باشد.

برای جریان مستقیم، که می تواند فرکانس چرخش را به طور موثر و یکنواخت تنظیم کند. مزیت k در نظر گرفته می شود.

جریان متناوب. موتور الکتریکی سنکرون (موتور الکتریکی که فرکانس چرخش آن به فرکانس جریان بستگی دارد)، موتور الکتریکی ناهمزمان (موتور الکتریکی که با افزایش بار فرکانس چرخش آن کاهش می یابد) و الکتروموتور کلکتور. ک. متعلق به. در عمل، ناهمزمان E. ک. بطور گسترده. ساخت چنین موتوری ساده و قابل اعتماد است.

ناهمزمان E. عیب اصلی k: از توان راکتیو زیادی استفاده می کند. در صورت لزوم تغییر فرکانس چرخش به یکنواخت،

جریان مستقیم. ک. گاهی اوقات کلکتور AC E. ک. استفاده می شود. E. توان k از یک دهم وات به ده ها مگاوات می رسد.

ک. در صنعت، در حمل و نقل، در زندگی و غیره. به طور گسترده در صنایع استفاده می شود.

موتور الکتریکی

موتور الکتریکی ماشینی است که انرژی الکتریکی را تبدیل می کند به انرژی مکانیکی که می توان از آن برای به حرکت درآوردن ابزار استفاده کرد . موتورهای الکتریکی به دو دسته موتورهای جریان مستقیم و جریان متناوب تقسیم می شوند. علاوه بر موتورهای معمولی که حرکت چرخشی را ارائه می دهند، موتورهای خطی نیز وجود دارند.

تاریخ و توسعه الکتروموتور

اصل

تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی از طریق الکترومغناطیس اولین بار توسط دانشمند بریتانیایی در سال 1821 مایکل شد . فارادی نشان داده . در لحظه ای که جریانی از هادی عبور می کرد، هادی یک حرکت چرخشی در اطراف آهنربا انجام داد.

این موتور الکتریکی ساده ترین نسخه موتور هوموپلار است . شکل بهبود یافته این چرخ بارلو است . با توجه به ساخت اولیه آنها، این موتورهای الکتریکی فقط برای اهداف نمایشی قابل استفاده بودند. آنها برای هر گونه کاربرد عملی نامناسب هستند.

در سال 1827، آنیوس یدلیک مجارستانی شروع به آزمایش با دستگاه های چرخان الکترومغناطیسی کرد که آنها را خود روتور رعد و برق مغناطیسی نامید . او از این دستگاه برای اهداف آموزشی در کالج استفاده می کرد. در سال 1828 او اولین وسیله ای را نشان داد که شامل سه جزء اصلی موتور DC است: استاتور ، روتور و کموتاتور . موتور الکتریکی او نیز کاربرد عملی نداشت و پس از آن دانش او به فراموشی سپرده شد.

اولین موتورهای الکتریکی

اولین موتور DC جابجایی که قادر به حرکت ابزار بود در سال 1832 توسط دانشمند بریتانیایی ویلیام استورجن اختراع شد . آمریکایی ساخته شد به دنبال کار استورجن، یک موتور DC بهبود یافته توسط توماس داونپورت تا از آن برای اهداف عملی استفاده کند. موتور الکتریکی او که در سال 1837 ثبت اختراع شد، با سرعت 600 دور در دقیقه می چرخید و ماشین ابزارهای سبک و ماشین چاپ را نیرو می داد .

به دلیل هزینه بالای الکترودهای روی مورد استفاده در باتری ها، موتور او از نظر تجاری موفق نبود و داونپورت ورشکست شد. بسیاری از مخترعان استورجن و داونپورت را در توسعه موتور الکتریکی دنبال کردند، اما همه با مشکل مشابهی مواجه شدند: هزینه بالای انرژی باتری ها.

موتور DC مدرن به طور تصادفی در سال 1873 توسط هیپولیت فونتین و زنوب گرام (Zénobe Gramme) کشف شد . به طور موازی به هم متصل شدند، هنگامی که دو دینام گرم یکی از دینام ها به عنوان یک موتور عمل می کرد که توسط دیگری به صورت الکتریکی هدایت می شد. بدین ترتیب ماشین گرم به اولین موتور الکتریکی صنعتی موفق تبدیل شد.

در سال 1888 ، نیکولا تسلا اولین موتور القایی عملی را اختراع کرد که از یک برق AC دو فاز تغذیه می شد. تسلا کار خود را با موتور AC در سال های بعد در شرکت Westinghouse ادامه داد . مستقل از تحقیقات تسلا، Mikhail Doliwo-Dobrowolski موتور سه فاز ناهمزمان آرمیچر سنجاب را در همان زمان (1888) توسعه داد.

عملیات الکتروموتور

عملکرد یک موتور الکتریکی بر اساس الکترومغناطیس است . موتور از یک استاتور و یک روتور تشکیل شده است که می توانند در استاتور بچرخند. حداقل یکی از این دو به عنوان آهنربای الکتریکی طراحی شده است. بسته به نوع موتور، دیگری می تواند به عنوان آهنربای دائمی ، آهنربای الکتریکی یا فقط از مواد مغناطیسی ساخته شود. روتور به دلیل نیروی قطب های مغناطیسی روی یکدیگر یا به دلیل القاء شروع به چرخش می کند.

هر موتور الکتریکی به عنوان یک دینام نیز کار می کند ، موتور دوار برق تولید می کند. این جریان با جریان عرضه مخالف است.

مقاومت بالایی یک موتور الکتریکی لازم نیست زیاد باشد و بنابراین جریان هنگام روشن شدن آن جریان می یابد. موتور اکنون کار می کند و به عنوان یک دینام عمل می کند. جریان تولید شده در جهت مخالف جریان می یابد و جریان خالص کمتر می شود. در حالت ایده آل، موتور با سرعت کامل کار می کند، جریان تولید شده برابر (اما مخالف) با جریان تغذیه خواهد بود و هیچ جریانی به هیچ وجه جریان نخواهد داشت. در عمل و به خصوص زمانی که موتور تحت بار است، موتور کمی کندتر می چرخد، به طوری که جریان تولید شده کمی کمتر از جریان تغذیه است.

اگر موتور طوری نگه داشته شود که نتواند بچرخد، جریان تغذیه ممکن است باعث دود شدن موتور شود.

بنابراین، در هنگام راه‌اندازی، جریان بالاتری نسبت به هنگام کار (جریان راه‌اندازی) از موتور عبور می‌کند. بنابراین، یک موتور سنگین گاهی اوقات با ولتاژ پایین تر، اغلب با اتصال ستاره-مثلث ، راه اندازی می شود و به یک فیوز کند دمنده متصل می شود .

قالب الکتروموتور

موتور DC با برس

برای اجازه دادن به چرخش موتور، یک موتور DC برس خورده نیاز دارد که قطب های روتور هر نیم دور معکوس شوند (یا اغلب اگر روتور و استاتور از بیش از دو قسمت تشکیل شده باشند، کلکتورها). این تغییر قطبیت توسط کموتاتور و برس های کربنی ایجاد می شود . اگر جهت جریان عبوری از آن معکوس شود، موتور به چرخش خود ادامه می دهد.

موتور را می توان به صورت سری یا موتور شنت طراحی کرد که سیم پیچ های میدان و روتور به ترتیب به صورت سری و موازی به هم متصل می شوند. ترکیبی از هر دو نیز ممکن است، به اصطلاح موتور ترکیبی .

 الکتروموتور بدون جاروبک

موتورهای الکتریکی نیز وجود دارند که در آنها کموتاسیون به صورت الکترونیکی کنترل می شود. این الکتروموتورهای براشلس فاقد برس کربن هستند که از جرقه و سایش جلوگیری می کند (مشکل موتورهای برس). به چنین موتوری موتور ECM (Electronically Commutated Motor) نیز می گویند.

توسعه حرارتی الکتروموتور

شایع ترین علت خرابی موتور الکتریکی تولید گرمای بیش از حد است. دمای موتور بیش از حد بالا می‌رود که می‌تواند باعث از کار افتادن یاتاقان‌ها ، اتصال کوتاه سیم‌پیچ‌ها یا مغناطیسی‌زدایی دائمی آهن‌رباها و از دست دادن قدرت خود شود. [2]

 الکتروموتور AC

یک موتور جریان متناوب سه فاز می تواند از نظر ساخت بسیار ساده باشد زیرا می توان ساختار کموتاتور/برس کربن را کنار گذاشت. این مورد در مورد موتور قفس سنجابی است. اما در موتور آرمیچر رینگ لغزشی از برس های کربنی (روتور) استفاده می شود. توسط یک کنترل کننده فرکانس سرعت موتور قفس سنجابی را می توان به راحتی کنترل کرد.

برنامه های کاربردی

موتور الکتریکی در بسیاری از دستگاه ها وجود دارد و آنقدر بدیهی شده است که مردم دیگر متوجه نمی شوند که حاوی یک موتور الکتریکی است یا اینکه کلمه موتور الکتریکی حتی به طور کامل در توضیحات یک دستگاه وجود ندارد. مثال ها:

• لوازم خانگی: ماشین لباسشویی ، خشک کن ، یخچال ، جاروبرقی ، چرخ خیاطی ، ریش تراش ، مسواک برقی ، سشوار ، پنکه ، چند ساعت
• لوازم آشپزخانه: غذاساز ، آبمیوه گیری ، میکسر دستی ، مخلوط کن ، مخلوط کن دستی ، آسیاب قهوه ، هود ، مایکروویو ، یخ ساز
• ابزارهای DIY: مته ، رنده ، سنباده ، اره منبت کاری اره مویی
• ابزار باغبانی: دمنده برگ ، اره برقی ، موبر پرچین ، اسکریفایر ، چمن زنی ، چمن زنی چرخشی
• الکترونیک: کامپیوتر ، هارد دیسک ، چاپگرها ( چاپگر جوهر افشان ، چاپگر لیزری )، اسکنر تخت ، دستگاه کپی ، دستگاه فکس ، ماشین تحریر الکتریکی
• اسباب بازی: قطار مدل برقی ، مدل هواپیما ، مدل هلیکوپتر ، ربات ، پهپاد
• تجهیزات سمعی و بصری: گرامافون ( پخش کننده )، جوک باکس ، سی دی پلیر ، VCR ، ضبط کاست ، دوربین عکاسی ، دوربین فیلمبرداری ، واکمن
• اتوماتیک در ساختمان های عمومی (فروشگاه ها، ادارات، بیمارستان ها، کتابخانه ها): درب کشویی ، درب گردان ، آسانسور ، پله برقی ، صیقل دهنده کف
• خانه ها: تهویه مکانیکی ، آسانسور پله ، درب گاراژ، سایبان ، کرکره ، نرده ها و دروازه ها.

حرفه های مختلف تجهیزات خاص خود را دارند: نانوا (نان برش، دستگاه خمیر زن )، قصاب (گوشت برش، چرخ گوشت )، دندانپزشک ( مته دندان )، قیچی تیزکن ( آسیاب برقی ). در بخش پزشکی از: ونتیلاتور ، دستگاه قلب و ریه ، پمپ پریستالتیک ، پمپ انسولین ، سانتریفیوژ استفاده می شود .

علاوه بر این، بسیاری از وسایل حمل و نقل با موتورهای الکتریکی کار می کنند، به عنوان مثال قطار ، تراموا ، ماشین برقی ، اسکوتر و موتور سیکلت برقی، اسکوتر برقی و ویلچر ، دوچرخه برقی ، سگوی ، هاوربرد و کشتی هایی مانند قایق نجوا ، زیردریایی ، سرعت الکتریکی. قایق [3] کار می‌کند ، وجود دارد همچنین ماشین‌های آزمایشی، اتوبوس‌ها و هواپیماهایی با موتور الکتریکی که توسط سلول‌های سوختی . موتور استارت خودرو با موتور احتراقی (بنزینی/دیزلی) نیز یک موتور الکتریکی است و برای راه اندازی موتور احتراقی استفاده می شود. این خودروی لوکس مدرن به حدود 15 موتور الکتریکی مجهز شده است: موتور استارت ، برای باز و بسته کردن چهار پنجره، تنظیم و تاشو به داخل/خارج دو آینه بیرونی، 2 یا 3 برف پاک کن، پمپ شوینده شیشه جلو، فرمان برقی، هوا. تهویه مطبوع و سی دی پلیر. پلیر.

استفاده می شود. همچنین در صنعت موتورهای 3 فاز عمدتاً برای هدایت پمپ ها ، کمپرسورها، تسمه نقاله ، جرثقیل ها و سایر وسایل بالابر، همزن در مخازن، تاسیسات تهویه مطبوع، هوای احتراق و انتقال گاز دودکش و غیره موتور به طور خاص تولید الکتریسیته در هنگام روشن شدن می شود، یک جریان راه اندازی بزرگ . این برای شبکه برق بسیار استرس زا است . گاهی اوقات این امر حتی باعث تلطیف آنی نور الکتریکی محیط می شود. به منظور جلوگیری یا صاف کردن این “قله ها”، چنین موتوری با یک دستگاه راه اندازی راه اندازی می شود .

میدان مغناطیسی

مقالاتی در مورد
الکترومغناطیس
برق مغناطیس تاریخ کتاب های درسی

الکترواستاتیک

مغناطیس استاتیک قانون آمپر قانون بیوت-ساوارت قانون گاوس برای مغناطیس میدان مغناطیسی شار مغناطیسی لحظه دوقطبی مغناطیسی نفوذپذیری مغناطیسی پتانسیل اسکالر مغناطیسی مغناطیس سازی نیروی محرکه مغناطیسی پتانسیل بردار مغناطیسی قانون دست راست

الکترودینامیک

شبکه برق

فرمول کوواریانس

دانشمندان

v تی ه

یک میدان مغناطیسی است میدان برداری که تأثیر مغناطیسی بر بارهای الکتریکی متحرک ، جریان های الکتریکی توصیف می کند . [1] : ch1 [2] و مواد مغناطیسی را بار متحرک در میدان مغناطیسی نیرویی عمود بر سرعت خود و میدان مغناطیسی را تجربه می کند. [1] : ch13 [3] : 278 میدان مغناطیسی یک آهنربای دائمی را می کشد مواد فرومغناطیسی مانند آهن و آهنرباهای دیگر را جذب یا دفع می کند. علاوه بر این، یک میدان مغناطیسی غیریکنواخت توسط سه اثر مغناطیسی دیگر: پارامغناطیس ، دیامغناطیس و ضد فرومغناطیس ، نیروهای کوچکی را بر مواد «غیر مغناطیسی» وارد می‌کند ، اگرچه این نیروها معمولاً آنقدر کوچک هستند که فقط با تجهیزات آزمایشگاهی قابل تشخیص هستند. میدان‌های مغناطیسی مواد مغناطیسی را احاطه کرده و توسط جریان‌های الکتریکی مانند جریان‌های مورد استفاده در آهن‌رباهای الکتریکی و میدان‌های الکتریکی متفاوت در زمان ایجاد می‌شوند. از آنجایی که هم قدرت و هم جهت یک میدان مغناطیسی ممکن است با مکان متفاوت باشد، به صورت ریاضی با تابعی که یک بردار به هر نقطه از فضا اختصاص می دهد، توصیف می شود. فیلد برداری .

در الکترومغناطیسی ، اصطلاح “میدان مغناطیسی” برای دو میدان برداری مجزا اما نزدیک به هم که با نمادهای B و H نشان داده می شوند، استفاده می شود . در سیستم بین المللی واحدها ، واحد H است ، قدرت میدان مغناطیسی، آمپر بر متر (A/m) . [4] : 22 واحد B ، چگالی شار مغناطیسی است ، تسلا (در واحدهای پایه SI: کیلوگرم در ثانیه 2 بر آمپر)، [4] : 21 که معادل نیوتن بر متر بر آمپر است. H و B در نحوه محاسبه مغناطیسی متفاوت هستند. در خلاء به هم مرتبط هستند ، این دو میدان از طریق نفوذپذیری خلاء . ب / متر 0 = اچ ; اما در یک ماده مغناطیسی، مقادیر در هر طرف این معادله با میدان مغناطیسی ماده متفاوت است.

میدان های مغناطیسی با حرکت بارهای الکتریکی و گشتاورهای مغناطیسی ذاتی ذرات بنیادی مرتبط با خاصیت کوانتومی بنیادی، یعنی اسپین آنها، تولید می شوند . [5] [1] : ch1 میدان های مغناطیسی و میدان های الکتریکی به هم مرتبط هستند و هر دو جزء نیروی الکترومغناطیسی ، یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت هستند.

میدان های مغناطیسی در سراسر تکنولوژی مدرن، به ویژه در مهندسی برق و الکترومکانیک استفاده می شود . استفاده می شود میدان های مغناطیسی دوار هم در موتورهای الکتریکی و هم در ژنراتورها . برهمکنش میدان های مغناطیسی در دستگاه های الکتریکی مانند ترانسفورماتورها به عنوان مدارهای مغناطیسی مفهوم سازی و بررسی می شود . نیروهای مغناطیسی اطلاعاتی در مورد حامل های بار در یک ماده از طریق اثر هال می دهند . زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می کند که از لایه اوزون زمین در برابر باد خورشیدی محافظت می کند و در جهت یابی با استفاده از قطب نما مهم است .

شرح الکتروموتور ضد انفجار 

نیروی وارد بر یک بار الکتریکی به مکان، سرعت و جهت آن بستگی دارد. برای توصیف این نیرو از دو میدان برداری استفاده می شود. [1] : ch1 اولین میدان الکتریکی است که نیروی وارد بر یک بار ثابت را توصیف می‌کند و مؤلفه‌ای از نیروی مستقل از حرکت را نشان می‌دهد. در مقابل، میدان مغناطیسی مؤلفه‌ای از نیرو را توصیف می‌کند که با سرعت و جهت ذرات باردار متناسب است. [1] : ch13 میدان توسط قانون نیروی لورنتس تعریف می‌شود و در هر لحظه، هم بر حرکت بار و هم بر نیرویی که متحمل می‌شود، عمود است.

متفاوت، اما نزدیک به هم وجود دارد دو میدان برداری که هر دو گاهی اوقات “میدان مغناطیسی” نامیده می شوند که B و H نوشته می شوند . [توجه 1] در حالی که بهترین نام برای این زمینه ها و تفسیر دقیق آنچه این میدان ها نشان می دهند موضوع بحث های طولانی مدت بوده است، توافق گسترده ای در مورد نحوه عملکرد فیزیک اساسی وجود دارد. [6] از نظر تاریخی، اصطلاح “میدان مغناطیسی” برای H در نظر گرفته شده است در حالی که از اصطلاحات دیگری برای B استفاده می شود ، اما بسیاری از کتاب های درسی اخیر از اصطلاح “میدان مغناطیسی” برای توصیف B و یا به جای H استفاده می کنند . [یادداشت 2] نام های جایگزین زیادی برای هر دو وجود دارد (نوار کناری را ببینید).

میدان B

نام های جایگزین برای B [7]
چگالی شار مغناطیسی [4] : 138 القای مغناطیسی [8] میدان مغناطیسی (مبهم)

بردار میدان مغناطیسی B در هر نقطه را می توان به عنوان برداری تعریف کرد که وقتی در قانون نیروی لورنتس استفاده می شود ، نیروی وارد بر ذره باردار را در آن نقطه به درستی پیش بینی می کند: [9] [10] : 204

در اینجا F نیروی وارد بر ذره است، q ذره است بار الکتریکی ، v ذره است سرعت ، و × نشان دهنده محصول متقاطع است . جهت نیروی وارد بر بار را می توان با یادداشتی به نام قانون دست راست تعیین کرد (شکل را ببینید). [نکته 3] با استفاده از دست راست، انگشت شست را در جهت جریان، و انگشتان را در جهت میدان مغناطیسی قرار دهید، نیروی حاصل از بار وارد شده به سمت خارج از کف دست است. نیروی وارد بر یک ذره با بار منفی در جهت مخالف است. اگر سرعت و بار هر دو معکوس شوند، جهت نیرو ثابت می ماند. به همین دلیل اندازه گیری میدان مغناطیسی (به خودی خود) نمی تواند تشخیص دهد که آیا بار مثبتی در حال حرکت به سمت راست است یا بار منفی که به سمت چپ حرکت می کند. (هر دوی این موارد جریان یکسانی را تولید می کنند.) از طرف دیگر، یک میدان مغناطیسی ترکیب شده با یک میدان الکتریکی می تواند بین اینها تمایز قائل شود، اثر هال را در زیر ببینید.

اولین عبارت در معادله لورنتز از نظریه الکترواستاتیک است و می گوید که یک ذره بار q در میدان الکتریکی E نیروی الکتریکی را تجربه می کند:

 

عبارت دوم نیروی مغناطیسی است: [10]

 

با استفاده از تعریف ضربدری، نیروی مغناطیسی را می توان به صورت یک معادله اسکالر نیز نوشت : [9] : 357

 

که در آن F مغناطیسی ، v و B هستند قدر اسکالر بردارهای مربوطه خود و θ زاویه بین سرعت ذره و میدان مغناطیسی است. بردار B می تعریف به عنوان میدان برداری لازم برای توصیف صحیح حرکت یک ذره باردار توسط قانون نیروی لورنتس شود. به عبارت دیگر، [9 : 173-4 ]

[T] دستور «جهت و بزرگی بردار B را در فلان مکان اندازه گیری کنید»، عملیات زیر را فرا می خواند: ذره ای با بار شناخته شده q را بگیرید . نیروی وارد بر q را در حالت سکون اندازه گیری کنید تا E را تعیین کنید . سپس نیروی وارد بر ذره را زمانی که سرعت آن v است اندازه گیری کنید . با v در جهت دیگری تکرار کنید. اکنون یک B را پیدا کنید که قانون نیروی لورنتس را با همه این نتایج مطابقت دهد – یعنی میدان مغناطیسی در مکان مورد نظر.

میدان B را می توان با گشتاور روی یک دوقطبی مغناطیسی، m نیز تعریف کرد . [11] : 174

واحد SI B (نماد : است تسلا T) . [یادداشت 4] واحد گاوسی-cgs B (نماد : است گاوس G). (تبدیل 1 T ≘ 10000 G است. [12] [13] ) یک نانوتسلا با 1 گاما (نماد: γ) مطابقت دارد. [13]

میدان H

نام های جایگزین برای H [7]
شدت میدان مغناطیسی [8] قدرت میدان مغناطیسی [4] : 139 میدان مغناطیسی میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی H تعریف شده است: [10] : 269 [11] : 192 [1] : ch36

جایی که متر 0 است نفوذپذیری خلاء و M است بردار مغناطیسی . در خلاء، B و H با یکدیگر متناسب هستند. در داخل یک ماده آنها متفاوت هستند (به H و B در داخل و خارج مواد مغناطیسی مراجعه کنید ). واحد SI میدان H آمپر است بر متر (A/m)، [14] و واحد CGS اورستد (Oe) . [12] [9] : 286

اندازه گیری

ابزاری که برای اندازه گیری میدان مغناطیسی محلی استفاده می شود به عنوان مغناطیس سنج شناخته می شود . دسته‌های مهم مغناطیس‌سنج‌ها شامل استفاده از مغناطیس‌سنج‌های القایی (یا مغناطیس‌سنج‌های سیم پیچ جستجو) هستند که فقط میدان‌های مغناطیسی متغیر را اندازه‌گیری می‌کنند، مغناطیس‌سنج‌های سیم پیچ دوار ، مغناطیس‌سنج‌های اثر هال ، مغناطیس‌سنج‌های NMR ، مغناطیس‌سنج‌های SQUID و مغناطیس‌سنج‌های شار . میدان های مغناطیسی اجرام نجومی دور از طریق تأثیر آنها بر ذرات باردار محلی اندازه گیری می شود. برای مثال، الکترون‌هایی که در اطراف یک خط میدان مارپیچ می‌شوند، تابش سنکروترون تولید می‌کنند که در امواج رادیویی قابل تشخیص است . بهترین دقت برای اندازه گیری میدان مغناطیسی توسط گرانشی B در 5 aT ( 5 × 10-18 کاوشگر T ) به دست آمد. [15]

تجسم

میدان را می توان با مجموعه ای از خطوط میدان مغناطیسی ، که جهت میدان را در هر نقطه دنبال می کنند، تجسم کرد. خطوط را می توان با اندازه گیری قدرت و جهت میدان مغناطیسی در تعداد زیادی نقطه (یا در هر نقطه از فضا) ساخت. سپس، هر مکان را با یک فلش (به نام بردار ) که در جهت میدان مغناطیسی محلی با قدر آن متناسب با شدت میدان مغناطیسی است، علامت بزنید. سپس اتصال این فلش ها مجموعه ای از خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل می دهد. جهت میدان مغناطیسی در هر نقطه موازی با جهت خطوط میدان مجاور است و چگالی محلی خطوط میدان را می توان متناسب با قدرت آن در نظر گرفت. خطوط میدان مغناطیسی مانند خطوط جریانی در جریان سیال هستند ، از این نظر که نشان دهنده توزیع پیوسته هستند و وضوح متفاوت خطوط بیشتر یا کمتر را نشان می دهد.

مزیت استفاده از خطوط میدان مغناطیسی به عنوان نمایش این است که بسیاری از قوانین مغناطیس (و الکترومغناطیس) را می توان به طور کامل و مختصر با استفاده از مفاهیم ساده ای مانند “تعداد” خطوط میدان در یک سطح بیان کرد. این مفاهیم را می توان به سرعت به شکل ریاضی خود “ترجمه” کرد. به عنوان مثال، تعداد خطوط میدانی که از یک سطح معین عبور می کنند، انتگرال سطح میدان مغناطیسی است. [9] : 237

پدیده های مختلف خطوط میدان مغناطیسی را به گونه ای نمایش می دهند که گویی خطوط میدان پدیده های فیزیکی هستند. به عنوان مثال، براده های آهن که در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند خطوطی را تشکیل می دهند که مطابق با “خطوط میدان” هستند. [نکته 5] “خطوط” میدان مغناطیسی نیز به صورت بصری در شفق های قطبی نمایش داده می شود ، که در آن فعل و انفعالات دوقطبی ذرات پلاسما رگه های قابل مشاهده ای از نور را ایجاد می کنند که با جهت محلی میدان مغناطیسی زمین همسو می شوند.

خطوط میدان می تواند به عنوان یک ابزار کیفی برای تجسم نیروهای مغناطیسی استفاده شود. در فرومغناطیسی مواد مانند آهن و پلاسما، نیروهای مغناطیسی را می توان با تصور اینکه خطوط میدان کششی (مانند نوار لاستیکی) در طول خود و فشاری عمود بر طول آنها بر خطوط میدان مجاور اعمال می کنند، درک کرد. “بر خلاف” قطب های آهنربا جذب می شوند زیرا آنها توسط خطوط میدان زیادی به هم مرتبط هستند. قطب های “مانند” دفع می شوند زیرا خطوط میدان آنها به هم نمی رسند، اما به موازات یکدیگر قرار می گیرند و روی یکدیگر فشار می آورند.

میدان مغناطیسی آهنرباهای دائمی

آهنرباهای دائمی اجسامی هستند که میدان های مغناطیسی پایدار خود را تولید می کنند. آنها از مواد فرومغناطیسی مانند آهن و نیکل ساخته شده اند که مغناطیسی شده اند و دارای قطب شمال و جنوب هستند.

میدان مغناطیسی آهنرباهای دائمی می تواند بسیار پیچیده باشد، به خصوص در نزدیکی آهنربا. میدان مغناطیسی یک آهنربای مستقیم کوچک [یادداشت 6] آهنربا با قدرت آن (که گشتاور دوقطبی مغناطیسی m ) نامیده می شود، متناسب است. معادلات غیر پیش پا افتاده هستند و همچنین به فاصله از آهنربا و جهت آهنربا بستگی دارند. برای آهنرباهای ساده، m در جهت خطی است که از جنوب به قطب شمال آهنربا کشیده شده است. چرخاندن یک آهنربای میله ای معادل چرخش m آن 180 درجه است.

توان با مدلسازی آنها به عنوان مجموعه ای از تعداد زیادی آهنربای کوچک به نام بدست دوقطبی میدان مغناطیسی آهنرباهای بزرگتر را می آورد . میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنربا، میدان مغناطیسی خالص این دوقطبی است. هر نیروی خالص وارد بر آهنربا در نتیجه جمع کردن نیروهای وارد بر دو قطبی منفرد است.

دو مدل ساده شده برای ماهیت این دوقطبی ها وجود داشت. این دو مدل دو میدان مغناطیسی متفاوت H و B تولید می کنند . با این حال، در خارج از یک ماده، این دو یکسان هستند (به یک ثابت ضربی) به طوری که در بسیاری از موارد می توان تمایز را نادیده گرفت. این به ویژه در مورد میدان های مغناطیسی، مانند میدان های ناشی از جریان های الکتریکی که توسط مواد مغناطیسی ایجاد نمی شوند، صادق است.

یک مدل واقعی مغناطیس از هر یک از این مدل ها پیچیده تر است. هیچ یک از مدل ها به طور کامل توضیح نمی دهد که چرا مواد مغناطیسی هستند. مدل تک قطبی پشتیبانی آزمایشی ندارد. مدل آمپر مقداری، اما نه تمام گشتاور مغناطیسی یک ماده را توضیح می دهد. همانطور که مدل آمپر پیش‌بینی می‌کند، حرکت الکترون‌ها در یک اتم به گشتاور دوقطبی مغناطیسی مداری آن الکترون‌ها متصل است ، و این گشتاورهای مداری به مغناطیس مشاهده شده در سطح ماکروسکوپی کمک می‌کنند. با این حال، حرکت الکترون‌ها کلاسیک نیست، و گشتاور مغناطیسی اسپین الکترون‌ها (که توسط هیچ‌یک از مدل‌ها توضیح داده نشده است) نیز سهم قابل‌توجهی در گشتاور کل آهن‌رباها دارد.

مدل قطب مغناطیسی

از نظر تاریخی، کتاب های درسی فیزیک اولیه، نیرو و گشتاور بین دو آهنربا را به دلیل دفع یا جذب یکدیگر توسط قطب های مغناطیسی به همان شیوه ای که نیروی کولن بین بارهای الکتریکی ایجاد می کند، مدل می کردند. در سطح میکروسکوپی، این مدل با شواهد تجربی در تضاد است و مدل قطبی مغناطیس دیگر روش معمولی برای معرفی این مفهوم نیست. [10] : 204 با این حال، به دلیل سادگی ریاضی، هنوز هم گاهی اوقات به عنوان یک مدل ماکروسکوپی برای فرومغناطیس استفاده می شود. [16]

در این مدل، یک میدان H مغناطیسی توسط بارهای مغناطیسی ساختگی که بر روی سطح هر قطب پخش می شود، تولید می شود. این بارهای مغناطیسی در واقع مربوط به میدان مغناطیسی M هستند . بنابراین، میدان H مشابه میدان الکتریکی E است که با بار الکتریکی مثبت شروع می شود و با بار الکتریکی منفی به پایان می رسد. بنابراین، در نزدیکی قطب شمال، تمام خطوط میدان H به سمت قطب شمال (چه در داخل آهنربا یا خارج) قرار دارند، در حالی که در نزدیکی قطب جنوب، همه خطوط میدان H به سمت قطب جنوب (چه در داخل آهنربا یا خارج) قرار دارند. همچنین، یک قطب شمال نیرویی را در جهت میدان H احساس می کند در حالی که نیروی وارد بر قطب جنوب مخالف میدان H است .

در مدل قطب مغناطیسی، دوقطبی مغناطیسی ابتدایی m توسط دو قطب مغناطیسی مخالف با قدرت قطب q m که توسط یک بردار فاصله کوچک d از هم جدا شده اند، تشکیل می شود ، به طوری که m = q m   d . مدل قطب مغناطیسی میدان H را در داخل و خارج مواد مغناطیسی به درستی پیش‌بینی می‌کند، به ویژه این واقعیت که H در مقابل میدان مغناطیسی M درون یک آهنربای دائمی است.

از آنجایی که این مدل مبتنی بر ایده ساختگی چگالی بار مغناطیسی است، مدل قطب دارای محدودیت‌هایی است. قطب های مغناطیسی نمی توانند جدا از یکدیگر مانند بارهای الکتریکی وجود داشته باشند، اما همیشه به صورت جفت شمال-جنوب هستند. اگر یک جسم مغناطیسی به نصف تقسیم شود، یک قطب جدید روی سطح هر قطعه ظاهر می شود، بنابراین هر یک دارای یک جفت قطب مکمل است. مدل قطب مغناطیسی مغناطیس تولید شده توسط جریان های الکتریکی و همچنین ارتباط ذاتی بین تکانه زاویه ای و مغناطیس را در نظر نمی گیرد.

مدل قطبی معمولاً بار مغناطیسی را به عنوان یک انتزاع ریاضی به جای یک ویژگی فیزیکی ذرات در نظر می گیرد. با این حال، یک تک قطبی مغناطیسی یک ذره فرضی (یا طبقه ای از ذرات) است که از نظر فیزیکی فقط یک قطب مغناطیسی (یک قطب شمال یا یک قطب جنوب) دارد. به عبارت دیگر، دارای یک “بار مغناطیسی” مشابه بار الکتریکی است. خطوط میدان مغناطیسی روی تک قطبی های مغناطیسی شروع یا خاتمه می یابند، بنابراین اگر وجود داشته باشند، استثناهایی برای این قاعده قائل می شوند که خطوط میدان مغناطیسی نه شروع می شوند و نه پایان. برخی از نظریه ها (مانند نظریه های متحد بزرگ ) وجود تک قطبی های مغناطیسی را پیش بینی کرده اند، اما تاکنون هیچ کدام مشاهده نشده است.

مدل حلقه آمپرین

در مدل توسعه یافته توسط آمپر ، دوقطبی مغناطیسی ابتدایی که همه آهنرباها را تشکیل می دهد، یک حلقه آمپری به اندازه کافی کوچک با جریان I و ناحیه حلقه A است . ممان دوقطبی این حلقه m = IA است .

این دوقطبی های مغناطیسی یک میدان B مغناطیسی تولید می کنند .

میدان مغناطیسی یک دوقطبی مغناطیسی در شکل نشان داده شده است. از بیرون، دوقطبی مغناطیسی ایده آل با دوقطبی الکتریکی ایده آل با همان قدرت یکسان است. برخلاف دوقطبی الکتریکی، یک دوقطبی مغناطیسی به درستی به عنوان یک حلقه جریان با جریان I و مساحت a مدل‌سازی می‌شود . چنین حلقه جریان دارای گشتاور مغناطیسی است

که در آن جهت m عمود بر مساحت حلقه است و با استفاده از قانون سمت راست به جهت جریان بستگی دارد. یک دوقطبی مغناطیسی ایده‌آل به عنوان یک دوقطبی مغناطیسی واقعی مدل‌سازی می‌شود که مساحت آن a به صفر کاهش یافته و جریان آن I تا بی نهایت افزایش یافته است، به طوری که حاصلضرب m = Ia محدود است. این مدل ارتباط بین تکانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی را روشن می کند، که اساس اثر انیشتین-دهاس چرخش توسط مغناطش و معکوس آن، اثر بارنت یا مغناطش با چرخش است . [17] چرخش سریعتر حلقه (در همان جهت) برای مثال، جریان و در نتیجه گشتاور مغناطیسی را افزایش می دهد.

 

تعامل با آهنربا

نیروی بین آهنرباها

تعیین نیروی بین دو آهنربای کوچک بسیار پیچیده است زیرا به قدرت و جهت هر دو آهنربا و فاصله و جهت آنها نسبت به یکدیگر بستگی دارد. این نیرو به ویژه به چرخش آهنرباها در اثر گشتاور مغناطیسی حساس است. نیروی وارد بر هر آهنربا به گشتاور مغناطیسی آن و میدان مغناطیسی [یادداشت 7] دیگری بستگی دارد.

برای درک نیروی بین آهنرباها، بررسی مدل قطب مغناطیسی ارائه شده در بالا مفید است. در این مدل، H میدان یک آهنربا هر دو قطب آهنربای دوم را فشار داده و می کشد. اگر این میدان H در هر دو قطب آهنربای دوم یکسان باشد، هیچ نیروی خالصی روی آن آهنربا وجود ندارد زیرا نیرو برای قطب های مخالف مخالف است. با این حال، اگر میدان مغناطیسی آهنربای اول غیر یکنواخت باشد (مانند H نزدیک یکی از قطب های آن)، هر قطب آهنربای دوم میدان متفاوتی را می بیند و تحت نیروی متفاوتی قرار می گیرد. این تفاوت در دو نیرو، آهنربا را در جهت افزایش میدان مغناطیسی حرکت می دهد و همچنین ممکن است باعث ایجاد گشتاور خالص شود.

این یک مثال خاص از یک قانون کلی است که آهنرباها به مناطقی با میدان مغناطیسی بالاتر جذب می شوند (یا بسته به جهت آهنربا دفع می شوند). هر میدان مغناطیسی غیر یکنواخت، خواه ناشی از آهنرباهای دائمی یا جریان های الکتریکی باشد، به این ترتیب به یک آهنربای کوچک نیرو وارد می کند.

جزئیات مدل حلقه آمپرین متفاوت و پیچیده تر است، اما نتیجه یکسانی را به همراه دارد: اینکه دوقطبی های مغناطیسی به مناطقی با میدان مغناطیسی بالاتر جذب/دفع می شوند. از نظر ریاضی، نیروی وارد بر آهنربای کوچکی که دارای گشتاور مغناطیسی m در اثر میدان مغناطیسی B است عبارت است از: [18] : معادله. 11.42

 

 

که در آن گرادیان ∇ تغییر کمیت m · B در واحد فاصله و جهت حداکثر افزایش m · B است . حاصل ضرب نقطه m · B = mB cos( θ ) , که در آن m و B نشان دهنده بزرگی بردارهای m و B هستند و θ زاویه بین آنهاست. اگر m در همان جهت B باشد ، حاصل ضرب نقطه‌ای مثبت است و گرادیان نقطه‌ای «سربالایی» است که آهن‌ربا را به مناطقی با میدان B بزرگ‌تر بالاتر می‌کشد (به‌طور دقیق‌تر m · B ). این معادله صرفاً فقط برای آهنرباهایی با اندازه صفر معتبر است، اما اغلب تقریب خوبی برای آهنرباهای نه چندان بزرگ است. خاص خود هستند نیروی مغناطیسی روی آهنرباهای بزرگتر با تقسیم آنها به مناطق کوچکتر تعیین می شود که هر یک دارای m و سپس نیروهای وارد بر هر یک از این مناطق بسیار کوچک جمع می شوند .

گشتاور مغناطیسی روی آهنرباهای دائمی

اگر دو قطب مشابه از دو آهنربای مجزا به یکدیگر نزدیک شوند و یکی از آهنرباها اجازه چرخش داشته باشد، فوراً می‌چرخد تا خود را با آهن‌ربای اول هماهنگ کند. در این مثال، میدان مغناطیسی آهنربای ثابت، گشتاور مغناطیسی روی آهنربا ایجاد می کند که می تواند آزادانه بچرخد. این گشتاور مغناطیسی τ تمایل دارد که قطب های آهنربا را با خطوط میدان مغناطیسی تراز کند. بنابراین، قطب نما به سمت همسویی خود با میدان مغناطیسی زمین می چرخد.

از نظر مدل قطبی، دو بار مغناطیسی مساوی و مخالف که H یکسان را تجربه می کنند نیز نیروهای مساوی و مخالف را تجربه می کنند. از آنجایی که این نیروهای مساوی و متضاد در مکان های مختلف قرار دارند، گشتاوری متناسب با فاصله (عمود بر نیرو) بین آنها ایجاد می شود. با تعریف m به عنوان قدرت قطب ضربدر فاصله بین قطب ها، این منجر به τ = μ 0 m H sin θ می شود ، که در آن μ 0 ثابتی است به نام خلاء ، با اندازه گیری 4π × 10-7 نفوذپذیری V · s / ( A · m ) و θ زاویه بین H و m است .

از نظر ریاضی، گشتاور τ روی یک آهنربای کوچک هم با میدان مغناطیسی اعمال شده و هم با گشتاور مغناطیسی m آهنربا متناسب است:

 

 

که در آن × محصول متقاطع برداری را نشان می دهد . این معادله شامل تمام اطلاعات کیفی موجود در بالا می باشد. هیچ گشتاوری روی آهنربا وجود ندارد اگر m هم جهت میدان مغناطیسی باشد، ، زیرا حاصلضرب متقاطع برای دو بردار که در یک جهت هستند صفر است. علاوه بر این، تمام جهت های دیگر، گشتاوری را احساس می کنند که آنها را به سمت جهت میدان مغناطیسی می پیچد.

برهمکنش با جریان های الکتریکی

جریان بارهای الکتریکی هم یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند و هم نیرویی را در اثر میدان های B مغناطیسی احساس می کند.

میدان مغناطیسی ناشی از بارهای متحرک و جریان های الکتریکی

تمام ذرات باردار متحرک میدان مغناطیسی تولید می کنند. متحرک بارهای نقطه ، مانند الکترون ها ، میدان های مغناطیسی پیچیده اما شناخته شده ای تولید می کنند که به بار، سرعت و شتاب ذرات بستگی دارد. [19]

خطوط میدان مغناطیسی به صورت دایره های متحدالمرکز در اطراف یک هادی استوانه ای حامل جریان، مانند طول سیم، تشکیل می شوند. جهت چنین میدان مغناطیسی را می توان با استفاده از ” قانون گرفتن دست راست ” تعیین کرد (شکل سمت راست را ببینید). قدرت میدان مغناطیسی با فاصله گرفتن از سیم کاهش می یابد. (برای یک سیم با طول نامتناهی استحکام با فاصله نسبت عکس دارد.)

خم کردن یک سیم حامل جریان در یک حلقه، میدان مغناطیسی را در داخل حلقه متمرکز می کند در حالی که آن را در خارج ضعیف می کند. خم کردن یک سیم در چندین حلقه با فاصله نزدیک برای تشکیل یک سیم پیچ یا ” سلونوئید ” این اثر را افزایش می دهد. دستگاهی که در اطراف یک هسته عمل کند آهنی تشکیل شده است ممکن است به عنوان یک آهنربای الکتریکی و یک میدان مغناطیسی قوی و به خوبی کنترل شده ایجاد کند. یک آهنربای الکتریکی استوانه‌ای بی‌نهایت دارای میدان مغناطیسی یکنواخت در داخل است و میدان مغناطیسی در خارج ندارد. یک آهنربای الکتریکی با طول محدود میدان مغناطیسی تولید می کند که شبیه به میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک آهنربای دائمی یکنواخت است که قدرت و قطبیت آن توسط جریان عبوری از سیم پیچ تعیین می شود.

میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان ثابت I (جریان ثابتی از بارهای الکتریکی، که در آن بار در هیچ نقطه‌ای جمع نمی‌شود و یا تخلیه نمی‌شود) [یادداشت 8] توسط قانون Biot-Savart شرح داده شده است : [20] : 224

که در آن مجموع انتگرال در طول سیم که در آن بردار d ℓ است عنصر خط برداری با جهتی مشابه جریان I ، μ 0 است ثابت مغناطیسی ، r فاصله بین مکان d ℓ و مکانی است که در آن میدان مغناطیسی محاسبه می شود و r یک بردار واحد در جهت r است . به عنوان مثال، در مورد سیم به اندازه کافی بلند و مستقیم، این می شود:

جایی که r = | r | . جهت مماس بر دایره ای عمود بر سیم مطابق قانون دست راست است. [20] : 225

 

یک روش کمی کلی تر [21] [یادداشت 9] برای ارتباط جریان من به میدان B است از طریق قانون آمپر :

که در آن انتگرال خط بر روی هر حلقه دلخواه و من enc جریان محصور شده توسط آن حلقه است. قانون آمپر همیشه برای جریان های ثابت معتبر است و می تواند برای محاسبه میدان B برای موقعیت های بسیار متقارن خاص مانند یک سیم بی نهایت یا یک شیر برقی بی نهایت استفاده شود.

 

قانون آمپر در شکل اصلاح شده ای که میدان های الکتریکی متغیر با زمان را محاسبه می کند، یکی از چهار معادله ماکسول است که الکتریسیته و مغناطیس را توصیف می کند.

نیرو بر بارهای متحرک و جریان

نیروی وارد بر ذره باردار الکتروموتور

یک ذره باردار که در یک B میدان حرکت می کند، نیروی جانبی را تجربه می کند که متناسب با قدرت میدان مغناطیسی، جزء سرعت عمود بر میدان مغناطیسی و بار ذره است. این نیرو به عنوان نیروی لورنتس شناخته می شود و توسط آن داده می شود

که در آن F نیرو سرعت ، q بار الکتریکی ذره، v ای لحظه ذره، و B میدان مغناطیسی (به تسلا ) است.

 

نیروی لورنتس همیشه هم بر سرعت ذره و هم بر میدان مغناطیسی ایجاد کننده آن عمود است. هنگامی که یک ذره باردار در یک میدان مغناطیسی ساکن حرکت می کند، یک مسیر مارپیچ را دنبال می کند که در آن محور مارپیچ موازی با میدان مغناطیسی است و در آن سرعت ذره ثابت می ماند. از آنجایی که نیروی مغناطیسی همیشه بر حرکت عمود است، میدان مغناطیسی نمی‌تواند کاری روی یک بار مجزا انجام دهد. [22] [23] این فقط می تواند به طور غیر مستقیم کار کند، از طریق میدان الکتریکی ایجاد شده توسط یک میدان مغناطیسی در حال تغییر. غیر ابتدایی اغلب ادعا می شود که نیروی مغناطیسی می تواند روی یک دوقطبی مغناطیسی یا ذرات باردار که حرکت آنها توسط نیروهای دیگر محدود می شود کار کند، اما این نادرست است [24] زیرا کار در این موارد توسط نیروهای الکتریکی انجام می شود. بارهای منحرف شده توسط میدان مغناطیسی.

نیروی وارد بر سیم حامل جریان

نیروی وارد بر سیم حامل جریان همانطور که انتظار می رود مشابه نیروی بار متحرک است زیرا سیم حامل جریان مجموعه ای از بارهای متحرک است. سیم حامل جریان در حضور میدان مغناطیسی نیرویی را احساس می کند. نیروی لورنتس در جریان ماکروسکوپی اغلب به عنوان نیروی لاپلاس شناخته می شود . رسانایی به طول ℓ ، مقطع A و بار q را در اثر جریان الکتریکی i در نظر بگیرید . اگر این رسانا در میدان مغناطیسی با قدر B زاویه θ قرار گیرد که با سرعت بارها در هادی را ایجاد کند، نیروی وارد شده بر یک بار منفرد q برابر است با

بنابراین، برای N اتهامات که در آن

نیروی وارد شده به هادی است

جایی که i = nqvA .

 

رابطه بین H و B الکتروموتور ضد انفجار 

فرمول های به دست آمده برای میدان مغناطیسی بالا هنگام برخورد با کل جریان صحیح هستند. خود را تولید می کند یک ماده مغناطیسی که در داخل میدان مغناطیسی قرار می گیرد، جریان محدود که محاسبه آن می تواند چالش برانگیز باشد. (این جریان محدود به دلیل مجموع حلقه‌های جریان با اندازه اتمی و اسپین ذرات زیراتمی مانند الکترون‌هایی است که ماده را تشکیل می‌دهند.) میدان H همانطور که در بالا تعریف شد به تعیین این جریان محدود کمک می‌کند. به معرفی مفهوم مغناطیسی اما برای اینکه ببینیم چگونه، ابتدا کمک می کند.

مغناطیس سازی

میدان مغناطیسی بردار M نشان دهنده شدت مغناطیسی شدن یک ناحیه از ماده است. تعریف می شود به عنوان گشتاور دوقطبی مغناطیسی خالص در واحد حجم آن ناحیه . بنابراین مغناطش یک آهنربای یکنواخت یک ثابت مادی است که برابر با گشتاور مغناطیسی m آهنربا تقسیم بر حجم آن است. از آنجایی که واحد SI گشتاور مغناطیسی A⋅m 2 است ، واحد SI مغناطیسی M آمپر بر متر است، که با میدان H یکسان است .

میدان مغناطیسی M یک ناحیه در جهت میانگین گشتاور دوقطبی مغناطیسی در آن ناحیه است. بنابراین، خطوط میدان مغناطیسی از نزدیک قطب جنوب مغناطیسی شروع شده و در نزدیکی قطب شمال مغناطیسی به پایان می رسد. (مغناطیس در خارج از آهنربا وجود ندارد.)

در مدل حلقه آمپرین، مغناطش به دلیل ترکیب بسیاری از حلقه‌های آمپرین کوچک برای تشکیل جریانی به نام جریان محدود است . بنابراین، این جریان محدود منبع میدان مغناطیسی B ناشی از آهنربا است. با توجه به تعریف دوقطبی مغناطیسی، میدان مغناطیسی از قانون مشابه قانون آمپر پیروی می کند: [25]

که در آن انتگرال یک خط انتگرال بر روی هر حلقه بسته است و I b جریان محدودی است که توسط آن حلقه بسته محصور شده است.

 

در مدل قطب مغناطیسی، مغناطش از قطب های مغناطیسی شروع می شود و به آنها ختم می شود. بنابراین، اگر یک منطقه معین دارای یک “قدرت قطب مغناطیسی” مثبت خالص (مرتبط با قطب شمال) باشد، خطوط میدان مغناطیسی بیشتری دارد که وارد آن می شوند تا خروج از آن. از نظر ریاضی این معادل است با:

که در آن انتگرال یک انتگرال سطح بسته بر روی سطح بسته S است و q M “بار مغناطیسی” (بر حسب واحد شار مغناطیسی ) است که توسط S محصور شده است . (یک سطح بسته به طور کامل منطقه ای را بدون هیچ سوراخی احاطه کرده است تا خطوط میدانی فرار کنند.) علامت منفی به این دلیل رخ می دهد که میدان مغناطیسی از جنوب به شمال حرکت می کند.

 

میدان H و مواد مغناطیسی الکتروموتور ضد انفجار 

در واحدهای SI، میدان H با فیلد B مرتبط است

 

از نظر میدان H، قانون آمپر است

جایی که I f نشان دهنده جریان آزاد محصور شده توسط حلقه است به طوری که انتگرال خط H به هیچ وجه به جریان های محدود وابسته نیست. [26]

 

برای معادل دیفرانسیل این معادله معادلات ماکسول را ببینید . قانون آمپر به شرط مرزی منتهی می شود

که در آن K f چگالی جریان آزاد سطح و واحد نرمال است n ^ در جهت از متوسط ​​2 به متوسط ​​1 اشاره می کند. [27]

 

به طور مشابه، یک انتگرال سطح H بر روی هر سطح بسته مستقل از جریان آزاد است و “بارهای مغناطیسی” را در آن سطح بسته انتخاب می کند:

 

که به جریان های آزاد بستگی ندارد.

بنابراین، فیلد H مستقل تقسیم کرد [یادداشت 10] را می توان به دو بخش :

 

که در آن H 0 میدان مغناطیسی اعمال شده فقط به دلیل جریان آزاد و H d است میدان مغناطیسی زدایی تنها به دلیل جریان های محدود .

مغناطیسی بنابراین، میدان H ، جریان محدود را بر حسب “بارهای مغناطیسی” تغییر می دهد. خطوط میدان H . فقط حول «جریان آزاد» حلقه می‌شوند و برخلاف میدان مغناطیسی B ، در نزدیکی قطب‌های مغناطیسی نیز شروع می‌شوند و به پایان می‌رسند

مغناطیس

اکثر مواد به یک میدان B خود اعمال شده با تولید مغناطیسی M خود و در نتیجه میدان B پاسخ می دهند . به طور معمول، پاسخ ضعیف است و تنها زمانی وجود دارد که میدان مغناطیسی اعمال شود. اصطلاح مغناطیس توضیح می دهد که چگونه مواد در سطح میکروسکوپی به یک میدان مغناطیسی اعمال شده پاسخ می دهند و برای طبقه بندی فاز مغناطیسی یک ماده استفاده می شود. مواد بر اساس رفتار مغناطیسی به گروه هایی تقسیم می شوند:

• مواد دیامغناطیسی [28] مغناطیسی ایجاد می کنند که مخالف میدان مغناطیسی است.
• مواد پارامغناطیس [28] مغناطیسی را در همان جهت میدان مغناطیسی اعمال شده ایجاد می کنند.
• مواد فرومغناطیسی نزدیک و مواد فرومغناطیسی و مواد ضد فرومغناطیسی [29] [30] می توانند مغناطیسی مستقل از یک میدان B اعمال شده با یک رابطه پیچیده بین دو میدان داشته باشند.
• ابررساناها (و ابررساناهای فرومغناطیسی ) [31] [32] موادی هستند که با رسانایی کامل در زیر دمای بحرانی و میدان مغناطیسی مشخص می شوند. آنها همچنین بسیار مغناطیسی هستند و می توانند دیامغناطیس های کامل زیر یک میدان مغناطیسی بحرانی پایین تر باشند. ابررساناها اغلب دارای طیف وسیعی از دماها و میدان های مغناطیسی هستند (به اصطلاح حالت مختلط را نشان می دهند ) که تحت آن یک وابستگی هیسترتیک پیچیده M به B .

در مورد پارامغناطیس و دیامغناطیس، مغناطش M اغلب متناسب با میدان مغناطیسی اعمال شده است به طوری که:

که در آن μ یک پارامتر وابسته به ماده به نام نفوذپذیری است . در برخی موارد، نفوذپذیری ممکن است یک تانسور رتبه دوم باشد به طوری که H ممکن است در جهت B نباشد . این روابط بین B و H هستند نمونه هایی از معادلات سازنده . با این حال، ابررساناها و فرومغناطیس‌ها رابطه پیچیده‌تری B به H دارند . ببینید هیسترزیس مغناطیسی را .

 

انرژی ذخیره شده الکتروموتور ضد انفجار 

انرژی برای تولید یک میدان مغناطیسی هم برای کار در برابر میدان الکتریکی که یک میدان مغناطیسی در حال تغییر ایجاد می کند و هم برای تغییر مغناطش هر ماده در میدان مغناطیسی مورد نیاز است. برای مواد غیر پراکنده، همین انرژی زمانی که میدان مغناطیسی از بین می رود آزاد می شود تا بتوان انرژی را به عنوان ذخیره شده در میدان مغناطیسی مدل کرد.

برای مواد خطی و غیر پراکنده (مانند B = μ H که در آن μ مستقل از فرکانس است)، چگالی انرژی برابر است با:

 

 

اگر هیچ ماده مغناطیسی در اطراف وجود نداشته باشد، μ را جایگزین کرد می توان با μ 0 . معادله بالا را نمی توان برای مواد غیرخطی استفاده کرد، هرچند. یک عبارت کلی تری که در زیر آورده شده است باید استفاده شود.

به طور کلی، مقدار افزایشی کار در واحد حجم δW مورد نیاز برای ایجاد یک تغییر کوچک در میدان مغناطیسی δ B است:

 

 

هنگامی که رابطه بین H و B مشخص شد، از این معادله برای تعیین کار مورد نیاز برای رسیدن به یک حالت مغناطیسی معین استفاده می شود. برای مواد هیسترتیک مانند فرومغناطیس ها و ابررساناها، کار مورد نیاز به نحوه ایجاد میدان مغناطیسی نیز بستگی دارد. با این حال، برای مواد خطی غیر پراکنده، معادله کلی مستقیماً به معادله چگالی انرژی ساده‌تر ارائه شده در بالا منتهی می‌شود.

ظاهر در معادلات ماکسول

مانند همه میدان های برداری، یک میدان مغناطیسی دارای دو ویژگی ریاضی مهم است که آن را به منابع خود مرتبط می کند . (برای B منابع تشکیل جریان و میدان های الکتریکی در حال تغییر هستند.) این دو ویژگی، همراه با دو ویژگی متناظر میدان الکتریکی، معادلات ماکسول را می دهند . معادلات ماکسول همراه با قانون نیروی لورنتس شرح کاملی از الکترودینامیک کلاسیک شامل الکتریسیته و مغناطیس را تشکیل می دهند.

اولین ویژگی واگرایی یک فیلد برداری A , ∇ · A است که نشان می دهد چگونه A از یک نقطه به بیرون “جریان” می کند. همانطور که در بالا توضیح داده شد، یک خط B -field هرگز در یک نقطه شروع یا پایان نمی یابد، بلکه یک حلقه کامل را تشکیل می دهد. این از نظر ریاضی معادل این است که بگوییم واگرایی B صفر است. (این گونه میدان های برداری را میدان های برداری سلونوئیدی می نامند .) این خاصیت قانون گاوس برای مغناطیس نامیده می شود و معادل این جمله است که هیچ قطب مغناطیسی جدا شده یا تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد .

دومین ویژگی ریاضی curl نامیده می شود ، به طوری که ∇ × A نشان دهنده نحوه چرخش یا چرخش A در اطراف یک نقطه داده شده است. به نتیجه حلقه “منبع گردش خون” می گویند. معادلات حلقه B و E می نامند را به ترتیب معادله آمپر-مکسول و قانون فارادی .

قانون گاوس برای مغناطیس الکتروموتور ضد انفجار 

یکی از ویژگی های مهم میدان B مغناطیسی B که از این طریق تولید می شود این است که خطوط میدان نه شروع می شوند و نه پایان می یابند (از نظر ریاضی، B یک میدان برداری سلونوئیدی است ). یک خط میدان ممکن است فقط تا بی نهایت گسترش یابد، یا به دور خود بپیچد تا یک منحنی بسته را تشکیل دهد، یا یک مسیر بی پایان (احتمالاً آشفته) را دنبال کند. [33] خطوط میدان مغناطیسی از یک آهنربا در نزدیکی قطب شمال آن خارج می شوند و در نزدیکی قطب جنوب آن وارد می شوند، اما در داخل آهنربا خطوط میدان B از طریق آهنربا از قطب جنوب به سمت شمال ادامه می دهند. [یادداشت 11] اگر یک خط میدان B در جایی وارد آهنربا شود، باید از جای دیگری خارج شود. مجاز به داشتن نقطه پایانی نیست.

به طور رسمی تر، از آنجایی که تمام خطوط میدان مغناطیسی که وارد هر ناحیه معین می شوند باید آن منطقه را نیز ترک کنند، “تعداد” [یادداشت 12] خطوط میدانی که وارد منطقه می شوند از عددی که خارج می شود به طور یکسان صفر می کند کم کنید. از نظر ریاضی، این معادل قانون گاوس برای مغناطیس است :

که در آن انتگرال یک انتگرال سطحی بر روی سطح بسته S است (سطح بسته سطحی است که به طور کامل منطقه ای را بدون هیچ حفره ای احاطه کرده است تا خطوط میدانی از آن خارج شوند). از آنجایی که d A به بیرون اشاره می کند، حاصلضرب نقطه در انتگرال برای B -field نشان دهنده مثبت و برای B -field اشاره به داخل منفی است.

 

قانون فارادی

یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، مانند آهنربایی که از طریق یک سیم پیچ رسانا حرکت می کند، یک میدان الکتریکی ایجاد می کند (و بنابراین تمایل به ایجاد جریان در چنین سیم پیچی دارد). این قانون به عنوان قانون فارادی شناخته می شود و اساس بسیاری از ژنراتورهای الکتریکی و موتورهای الکتریکی را تشکیل می دهد . از نظر ریاضی، قانون فارادی این است:

 

جایی که E نیروی محرکه الکتریکی (یا EMF ، ولتاژ تولید شده در اطراف یک حلقه بسته) و Φ است شار مغناطیسی – حاصل ضرب ناحیه ضربدر میدان مغناطیسی طبیعی آن ناحیه. (این تعریف از شار مغناطیسی به همین دلیل است که B نامیده می شود اغلب به عنوان چگالی شار مغناطیسی .) [34] : 210 علامت منفی نشان دهنده این واقعیت است که هر جریانی که توسط یک میدان مغناطیسی در حال تغییر در یک سیم پیچ ایجاد می شود، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که است . مخالف تغییر در میدان مغناطیسی که آن را القا کرده است. این پدیده به قانون لنز معروف است . این فرمول انتگرال قانون فارادی را می توان [یادداشت 13] به شکل دیفرانسیل تبدیل کرد که در شرایط کمی متفاوت اعمال می شود.

 

 

قانون آمپر و تصحیح ماکسول الکتروموتور ضد انفجار 

مشابه روشی که یک میدان مغناطیسی در حال تغییر یک میدان الکتریکی ایجاد می کند، یک میدان الکتریکی در حال تغییر یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. شناخته می شود این واقعیت به عنوان تصحیح ماکسول به قانون آمپر و به عنوان یک اصطلاح اضافی به قانون آمپر همانطور که در بالا ذکر شد به کار می رود. این عبارت اضافی متناسب با نرخ زمانی تغییر شار الکتریکی است و مشابه قانون فارادی در بالا اما با ثابت بیرونی متفاوت و مثبت است. (شار الکتریکی از طریق یک منطقه متناسب با مساحت قسمت عمود میدان الکتریکی است.)

قانون کامل شامل عبارت تصحیح به عنوان معادله ماکسول آمپر شناخته می شود. معمولاً به شکل انتگرال داده نمی شود زیرا تأثیر آن به قدری کوچک است که معمولاً در بیشتر مواردی که از شکل انتگرال استفاده می شود می توان آن را نادیده گرفت.

اصطلاح ماکسول است در ایجاد و انتشار امواج الکترومغناطیسی بسیار مهم . تصحیح ماکسول بر قانون آمپر همراه با قانون القایی فارادی توضیح می‌دهد که چگونه میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متقابلاً در حال تغییر برای حفظ یکدیگر و در نتیجه تشکیل امواج الکترومغناطیسی مانند نور هستند: یک میدان الکتریکی در حال تغییر، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند که یک میدان الکتریکی متغیر ایجاد می‌کند. دوباره میدان با این حال، اینها معمولاً با استفاده از شکل دیفرانسیل این معادله ارائه شده در زیر توصیف می شوند.

 

 

که در آن J میکروسکوپی کامل است چگالی جریان .

همانطور که در بالا بحث شد، مواد به یک میدان الکتریکی اعمال شده E و یک میدان مغناطیسی اعمال شده B با تولید بار “محدود” داخلی و توزیع جریان خود پاسخ می دهند که به E و B کمک می کنند اما محاسبه آنها دشوار است. برای دور زدن این مشکل، میدان های H و D برای فاکتورگیری مجدد معادلات ماکسول بر حسب چگالی جریان آزاد Jf از استفاده می شود :

 

 

این معادلات کلی تر از معادلات اصلی نیستند (اگر بارها و جریان های “محدود” در ماده مشخص باشد). آنها همچنین باید با رابطه بین B و H و همچنین بین E و D تکمیل شوند . از سوی دیگر، برای روابط ساده بین این مقادیر، این شکل از معادلات ماکسول می تواند نیاز به محاسبه بارها و جریان های محدود را دور بزند.

فرمولاسیون در نسبیت خاص و الکترودینامیک کوانتومی

الکترودینامیک نسبیتی

به عنوان جنبه های مختلف یک پدیده

طبق نظریه نسبیت خاص ، تقسیم نیروی الکترومغناطیسی به اجزای جداگانه الکتریکی و مغناطیسی اساسی نیست، اما با چارچوب رصدی مرجع متفاوت است: نیروی الکتریکی درک شده توسط یک ناظر ممکن است توسط ناظر دیگر (در یک قاب متفاوت) درک شود. مرجع) به عنوان یک نیروی مغناطیسی یا مخلوطی از نیروهای الکتریکی و مغناطیسی.

میدان مغناطیسی موجود به صورت میدان الکتریکی در سایر فریم‌ها را می‌توان با همسانی معادلات به‌دست‌آمده از تبدیل چهار نیروی لورنتز از قانون کولن در قاب استراحت ذرات با قوانین ماکسول با در نظر گرفتن تعریف میدان‌ها از نیروی لورنتس و شرایط غیر شتاب‌انگیز نشان داد. شکل میدان مغناطیسی که با تبدیل لورنتس چهار نیروی از شکل قانون کولن در چارچوب اولیه منبع بدست می‌آید به‌صورت زیر به دست می‌آید: [35]

جایی که q بار منبع نقطه است، r بردار موقعیت از منبع نقطه تا نقطه در فضا است، v بردار سرعت ذره باردار است، ب نسبت سرعت ذره باردار تقسیم بر سرعت نور و من زاویه بین است r و v . این شکل از میدان مغناطیسی را می توان نشان داد که قوانین ماکسول را در محدودیت غیر شتاب دار بودن ذرات برآورده می کند. [36] توجه داشته باشید که موارد فوق به قانون Biot-Savart کاهش می یابد ( برای جریان غیر نسبیتی جریان ب ≪ 1 ).

 

رتبه-2 که به طور رسمی، نسبیت خاص میدان های الکتریکی و مغناطیسی را در یک تانسور نامیده می شود، تانسور الکترومغناطیسی ترکیب می کند . تغییر فریم های مرجع این مولفه ها را مخلوط می کند . این مشابه روشی است که نسبیت خاص مخلوط می کند فضا و زمان را با فضازمان و جرم، تکانه و انرژی را به چهار تکانه . [37] به طور مشابه، انرژی ذخیره شده در یک میدان مغناطیسی با انرژی ذخیره شده در یک میدان الکتریکی در تانسور تنش-انرژی الکترومغناطیسی مخلوط می شود .

پتانسیل بردار مغناطیسی

در موضوعات پیشرفته ای مانند مکانیک کوانتومی و نسبیت ، اغلب کار با فرمول پتانسیل الکترودینامیک به جای میدان های الکتریکی و مغناطیسی آسان تر است. در این نمایش، پتانسیل بردار مغناطیسی A ، و پتانسیل اسکالر الکتریکی φ به گونه‌ای تعریف می‌شوند ، با استفاده از تثبیت سنج که:

.

 

پتانسیل برداری، A داده شده توسط این فرم ممکن است به عنوان یک تعمیم یافته تکانه پتانسیل در واحد بار [38] تفسیر شود ، همانطور که φ به عنوان تعمیم یافته انرژی پتانسیل در واحد بار تفسیر می شود . انتخاب های متعددی وجود دارد که می توان برای زمینه های بالقوه ای که شرایط فوق را برآورده می کنند، انتخاب کرد. با این حال، انتخاب پتانسیل ها با شرایط سنج مربوطه نشان داده می شود.

معادلات ماکسول وقتی بر حسب پتانسیل‌های گیج لورنتس بیان می‌شوند ، می‌توانند به شکلی تبدیل شوند که با نسبیت خاص موافق باشد . [39] در نسبیت، A همراه با φ را تشکیل می‌دهند بدون توجه به شرایط سنج، چهار پتانسیل ، مشابه چهار تکانه‌ای که تکانه و انرژی یک ذره را ترکیب می‌کند. استفاده از چهار پتانسیل به جای تانسور الکترومغناطیسی این مزیت را دارد که بسیار ساده‌تر است و به راحتی می‌توان آن را برای کار با مکانیک کوانتومی تغییر داد.

انتشار میدان های الکتریکی و مغناطیسی

نظریه نسبیت خاص شرطی را برای رویدادهای مرتبط با علت و معلول تحمیل می کند که مانند زمان از هم جدا شوند، یعنی اثربخشی علی سریعتر از نور منتشر نمی شود. [40] معادلات ماکسول برای الکترومغناطیس به نفع این امر است زیرا اختلالات الکتریکی و مغناطیسی با سرعت نور در فضا حرکت می کنند. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی از الکترودینامیک کلاسیک از اصل محلی بودن در فیزیک پیروی می‌کنند و بر حسب زمان تاخیر یا زمانی که علت یک میدان اندازه‌گیری شده منشأ می‌گیرد، با توجه به اینکه تأثیر میدان با سرعت نور حرکت می‌کند، بیان می‌شوند. زمان تاخیر برای یک ذره نقطه ای به عنوان محلول زیر داده می شود:

تی r = تی – | r – r س ( تی r ) | ج

جایی که تی r یا زمانی است زمان عقب افتاده که در آن سهم منبع در زمینه منشا گرفته است، r س ( تی ) بردار موقعیت ذره بر حسب زمان است، r نقطه در فضا است، تی زمانی است که فیلدها اندازه گیری می شوند و ج سرعت نور است این معادله زمان لازم برای حرکت نور از ذره به نقطه ای در فضا را از زمان اندازه گیری برای یافتن زمان پیدایش میدان ها کم می کند. منحصر به فرد بودن راه حل برای تی r برای داده شده است تی ، r و r س ( تی ) برای ذرات باردار که کندتر از سرعت نور حرکت می کنند معتبر است. [41]

میدان مغناطیسی بار نقطه متحرک دلخواه

حل معادلات ماکسول برای میدان الکتریکی و مغناطیسی یک بار نقطه‌ای بر حسب زمان تاخیر یا زمانی که در آن ذره در گذشته باعث ایجاد میدان در نقطه می‌شود، بیان می‌شود، با توجه به اینکه تاثیر در فضا با سرعت نور حرکت می‌کند. .

هر حرکت دلخواه بار نقطه‌ای باعث می‌شود که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با حل معادلات ماکسول با استفاده از تابع سبز برای پتانسیل‌های عقب‌افتاده پیدا شوند و از این رو میدان‌های زیر را پیدا کنیم:

آ ( r ، تی ) = متر 0 ج 4 پی ( q ب س ( 1 – n س ⋅ ب س ) | r – r س | ) تی = تی r = ب س ( تی r ) ج فی ( r ، تی )

ب ( r ، تی ) = متر 0 4 پی ( q ج ( ب س × n س ) ج 2 ( 1 – n س ⋅ ب س ) 3 | r – r س | 2 + q n س × ( n س × ( ( n س – ب س ) × ب س ˙ ) ) ( 1 – n س ⋅ ب س ) 3 | r – r س | ) تی = تی r = n س ( تی r ) ج × E ( r ، تی )

جایی که فی ( r ، تی ) و آ ( r ، تی ) پتانسیل اسکالر الکتریکی و پتانسیل بردار مغناطیسی در گیج لورنتس، q بار منبع نقطه است، n س ( r ، تی ) بردار واحدی است که از ذره باردار به نقطه ای در فضا اشاره می کند، ب س ( تی ) سرعت ذره تقسیم بر سرعت نور و ج ( تی ) مربوطه است عامل لورنتس . از این رو، بر اساس اصل برهم نهی ، میدان های یک سیستم بارها نیز از اصل محلی بودن تبعیت می کنند .

الکترودینامیک کوانتومی

نیست کلاسیک در فیزیک مدرن، میدان الکترومغناطیسی یک میدان ، بلکه یک میدان کوانتومی است . آن را نه به عنوان بردار سه عدد در هر نقطه، بلکه به عنوان بردار سه عملگر کوانتومی در هر نقطه نشان داده می شود. دقیق ترین توصیف مدرن از برهمکنش الکترومغناطیسی (و خیلی چیزهای دیگر) الکترودینامیک کوانتومی (QED) است، [42] که در یک نظریه کامل تر به نام مدل استاندارد فیزیک ذرات گنجانده شده است .

در QED، بزرگی برهمکنش های الکترومغناطیسی بین ذرات باردار (و پادذرات محاسبه می شود آنها) با استفاده از تئوری اغتشاش . این فرمول های نسبتاً پیچیده، نمایش تصویری قابل توجهی را به عنوان نمودارهای فاینمن ایجاد می کنند که در آن فوتون های مجازی رد و بدل می شوند.

پیش‌بینی‌های QED با دقت بسیار بالایی با آزمایش‌ها مطابقت دارد: در حال حاضر حدود 10-12 ( و ​​محدود به خطاهای تجربی). برای جزئیات بیشتر به تست های دقیق QED مراجعه کنید . این امر QED را به یکی از دقیق ترین تئوری های فیزیکی ساخته شده تاکنون تبدیل می کند.

تمام معادلات در این مقاله در تقریب کلاسیک هستند که دقت کمتری نسبت به توصیف کوانتومی ذکر شده در اینجا دارد. با این حال، در اکثر شرایط روزمره، تفاوت بین این دو نظریه ناچیز است.

موارد استفاده و مثال

میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین از جابجایی یک آلیاژ آهن مایع در هسته بیرونی تولید می شود . در فرآیند دینام ، حرکات یک فرآیند بازخورد را هدایت می‌کنند که در آن جریان‌های الکتریکی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می‌کنند که به نوبه خود بر جریان‌ها اثر می‌گذارند. [43]

میدان روی سطح زمین تقریباً مشابه است که اگر یک آهنربای میله ای غول پیکر در مرکز زمین قرار گرفته باشد و با زاویه ای حدود 11 درجه از محور چرخشی زمین کج شود (شکل را ببینید). [44] قطب شمال یک سوزن قطب نما مغناطیسی تقریباً به سمت شمال، به سمت قطب مغناطیسی شمال است . با این حال، از آنجا که یک قطب مغناطیسی به طرف مقابل خود جذب می شود، قطب مغناطیسی شمال در واقع قطب جنوب میدان ژئومغناطیسی است. این سردرگمی در اصطلاح به این دلیل به وجود می آید که قطب یک آهنربا با جهت جغرافیایی آن مشخص می شود. [45]

میدان مغناطیسی زمین ثابت نیست – قدرت میدان و محل قطب های آن متفاوت است. [46] علاوه بر این، قطب ها به طور دوره ای جهت خود را در فرآیندی به نام وارونگی ژئومغناطیسی معکوس می کنند . آخرین واژگونی 780000 سال پیش رخ داد. [47]

میدان های مغناطیسی دوار

میدان مغناطیسی دوار یک اصل کلیدی در عملکرد موتورهای جریان متناوب است . آهنربای دائمی در چنین میدانی به گونه ای می چرخد ​​که تراز خود را با میدان خارجی حفظ کند. مفهوم‌سازی شد این اثر توسط نیکولا تسلا و بعداً در AC ( جریان متناوب موتورهای الکتریکی ) اولیه او و دیگران مورد استفاده قرار گرفت.

گشتاور مغناطیسی برای به حرکت درآوردن موتورهای الکتریکی استفاده می شود . در یک طراحی ساده موتور، یک آهنربا به یک محور آزادانه در حال چرخش ثابت می‌شود و در معرض میدان مغناطیسی آرایه‌ای از آهنرباهای الکتریکی قرار می‌گیرد . با تغییر مداوم جریان الکتریکی از طریق هر یک از آهنرباهای الکتریکی، در نتیجه قطبیت میدان های مغناطیسی آنها تغییر می کند، مانند قطب هایی که در کنار روتور نگه داشته می شوند. گشتاور حاصل به شفت منتقل می شود.

یک میدان مغناطیسی دوار را می توان با استفاده از دو سیم پیچ متعامد با اختلاف فاز 90 درجه در جریان AC آنها ساخت. با این حال، در عمل چنین سیستمی از طریق یک آرایش سه سیم با جریان های نابرابر تامین می شود.

این نابرابری در استانداردسازی اندازه هادی مشکلات جدی ایجاد می‌کند و برای رفع آن از سیستم‌های سه فازی استفاده می‌شود که سه جریان از نظر بزرگی برابر و دارای اختلاف فاز 120 درجه باشند. سه سیم پیچ مشابه با زوایای هندسی متقابل 120 درجه میدان مغناطیسی دوار را در این حالت ایجاد می کنند. جهان است توانایی سیستم سه فاز برای ایجاد میدان دوار، مورد استفاده در موتورهای الکتریکی، یکی از دلایل اصلی تسلط سیستم های سه فاز بر سیستم های تامین برق .

موتورهای سنکرون از سیم‌پیچ‌های روتور تغذیه شده با ولتاژ DC استفاده می‌کنند که اجازه می‌دهد تحریک دستگاه کنترل شود و موتورهای القایی اتصال کوتاه از روتورهای (به جای آهنربا) به دنبال میدان مغناطیسی دوار یک استاتور چند سیم پیچ استفاده می‌کنند . چرخش های اتصال کوتاه روتور جریان های گردابی را در میدان چرخشی استاتور ایجاد می کنند و این جریان ها به نوبه خود روتور را توسط نیروی لورنتس حرکت می دهند.

در سال 1882، نیکولا تسلا مفهوم میدان مغناطیسی دوار را شناسایی کرد. در سال 1885، گالیله فراریس به طور مستقل در مورد این مفهوم تحقیق کرد. در سال 1888، تسلا ثبت اختراع 381968 ایالات متحده را برای کارهای خود به دست آورد. همچنین در سال 1888، فراریس تحقیقات خود را در مقاله ای به آکادمی سلطنتی علوم در تورین منتشر کرد .

جلوه هال

حامل های بار یک هادی حامل جریان که در یک میدان مغناطیسی عرضی قرار می گیرند، نیروی لورنتز جانبی را تجربه می کنند. این منجر به جدایی بار در جهت عمود بر جریان و میدان مغناطیسی می شود. ولتاژ حاصل در آن جهت متناسب با میدان مغناطیسی اعمال شده است. این به عنوان اثر هال شناخته می شود .

اثر هال اغلب برای اندازه گیری بزرگی میدان مغناطیسی استفاده می شود. همچنین برای یافتن علامت حامل های بار غالب در موادی مانند نیمه هادی ها (الکترون های منفی یا حفره های مثبت) استفاده می شود.

مدارهای مغناطیسی

یک کاربرد مهم H در مدارهای مغناطیسی است که در آن B = μ H در داخل یک ماده خطی است. در اینجا، μ است نفوذپذیری مغناطیسی ماده . این نتیجه از نظر شکل شبیه به قانون اهم J = σ E است که در آن J چگالی جریان، σ رسانایی و E میدان الکتریکی است. با بسط این قیاس، همتای قانون ماکروسکوپی اهم ( I = V ⁄ R ) به صورت زیر است:

 

 

جایی که فی = 🔻 ب ⋅ د آ شار مغناطیسی در مدار است، اف = 🔻 اچ ⋅ د ℓ است نیروی محرکه مغناطیسی شده به مدار و Rm اعمال است رلکتانس مدار . در اینجا رلکتانس Rm است . کمیتی شبیه به مقاومت برای شار با استفاده از این قیاس، محاسبه شار مغناطیسی هندسه های میدان مغناطیسی پیچیده، با استفاده از تمام تکنیک های موجود در نظریه مدار ، ساده است .

بزرگترین میدان های مغناطیسی

این بخش باید به روز شود . لطفاً به به روز رسانی این مقاله کمک کنید تا رویدادهای اخیر یا اطلاعات جدید موجود را منعکس کند. آخرین به روز رسانی: اکتبر 2018 ( ژوئیه 2021 )

از اکتبر 2018 ، بزرگترین میدان مغناطیسی تولید شده در یک حجم ماکروسکوپی در خارج از محیط آزمایشگاه 2.8 kT است ( VNIIEF در Sarov ، روسیه ، 1998). [48] ​​[49] تا اکتبر 2018، بزرگترین میدان مغناطیسی تولید شده در آزمایشگاه با حجم ماکروسکوپی 1.2 کیلو تن توسط محققان دانشگاه توکیو در سال 2018 بود . [49] بزرگ‌ترین میدان‌های مغناطیسی تولید شده در آزمایشگاه در شتاب‌دهنده‌های ذرات، مانند RHIC ، در درون برخورد یون‌های سنگین، جایی که میدان‌های میکروسکوپی به 1014 T می‌رسند، می‌دهد . 50] [51] رخ [ ، از 0.1 تا 100 GT (10 8 تا 10 11 T) متغیر است. [52]

تاریخ

تحولات اولیه

در حالی که آهنرباها و برخی از خواص مغناطیس برای جوامع باستانی شناخته شده بودند، تحقیقات میدان های مغناطیسی در سال 1269 زمانی که محقق فرانسوی پتروس پرگرینوس د ماریکور نقشه میدان مغناطیسی روی سطح آهنربای کروی را با استفاده از سوزن های آهنی ترسیم کرد، آغاز شد. او با توجه به خطوط میدان حاصله که در دو نقطه متقاطع شده اند، آن نقاط را در قیاس با قطب های زمین “قطب” نامید. او همچنین این اصل را بیان کرد که آهنرباها همیشه دارای قطب شمال و جنوب هستند، مهم نیست که چقدر ریز آنها را برش دهیم. [53] [یادداشت 14]

تقریباً سه قرن بعد، ویلیام گیلبرت از کولچستر کارهای پتروس پرگرینوس را تکرار کرد و اولین کسی بود که به صراحت اعلام کرد که زمین یک آهنربا است. [54] : 34 که در سال 1600 منتشر شد، کار گیلبرت، De Magnete ، به ایجاد مغناطیس به عنوان یک علم کمک کرد.

توسعه ریاضی

در سال 1750، جان میشل اظهار داشت که قطب های مغناطیسی مطابق با قانون مربع معکوس جذب و دفع می شوند [54] : 56 چارلز آگوستین دو کولمب به طور تجربی این را در سال 1785 تأیید کرد و به صراحت اظهار داشت که قطب شمال و جنوب را نمی توان از هم جدا کرد. [54] : 59 با تکیه بر این نیرو بین قطب ها، سیمئون دنیس پواسون (1781-1840) اولین مدل موفق میدان مغناطیسی را ایجاد کرد که در سال 1824 ارائه کرد. [54] : 64 در این مدل، یک H میدان مغناطیسی توسط قطب های مغناطیسی تولید می شود و مغناطیس ناشی از جفت های کوچک قطب مغناطیسی شمال-جنوب است.

سه اکتشاف در سال 1820 این بنیاد مغناطیس را به چالش کشید. هانس کریستین اورستد نشان داد که یک سیم حامل جریان توسط یک میدان مغناطیسی دایره ای احاطه شده است. [نکته 15] [55] سپس آندره ماری آمپر نشان داد که سیم‌های موازی با جریان، اگر جریان‌ها در یک جهت باشند، یکدیگر را جذب می‌کنند و اگر در جهت مخالف باشند، دفع می‌کنند. [54] : 87 [56] در نهایت، ژان باپتیست بیو و فلیکس ساوارت نتایج تجربی را در مورد نیروهایی که یک سیم بلند و مستقیم حامل جریان بر روی آهنربای کوچک اعمال می‌کند، اعلام کردند که نیروها را با فاصله عمود از مغناطیس نسبت معکوس تعیین می‌کند. سیم به آهنربا [57] [54] : 86 لاپلاس بعداً قانون نیرو را بر اساس عملکرد دیفرانسیل یک بخش دیفرانسیل سیم استنباط کرد، [57] [58] شناخته شد که به عنوان قانون بیوت-ساوارت ، زیرا لاپلاس خود را منتشر نکرد. یافته ها [59]

آمپر با گسترش این آزمایشات، مدل موفق خود از مغناطیس را در سال 1825 منتشر کرد. در آن، او معادل بودن جریان های الکتریکی با آهنربا را نشان داد [54] : 88 و پیشنهاد کرد که مغناطیس به جای دوقطبی های مغناطیسی ناشی از حلقه های دائمی جریان است. شارژ در مدل پواسون [یادداشت 16] بعلاوه، آمپر هم قانون نیروی آمپر را که نیروی بین دو جریان را توصیف می کند و هم قانون آمپر را استخراج کرد، که مانند قانون بیوت-ساوارت، میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان ثابت را به درستی توصیف می کند. همچنین در این کار، آمپر اصطلاح الکترودینامیک را برای توصیف رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس معرفی کرد. [54] : 88-92

در سال 1831، مایکل فارادی کشف کرد القای الکترومغناطیسی را ، زمانی که متوجه شد که یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، یک میدان الکتریکی حلقه‌ای ایجاد می‌کند و آنچه را که اکنون به عنوان قانون القای فارادی شناخته می‌شود، فرموله می‌کند . [54] : 189-192 بعدها، فرانتس ارنست نویمان ثابت کرد که برای یک هادی متحرک در میدان مغناطیسی، القاء نتیجه قانون نیروی آمپر است. [54] : 222 در این فرآیند، او پتانسیل بردار مغناطیسی را معرفی کرد که بعدها نشان داد که معادل مکانیسم اساسی پیشنهاد شده توسط فارادی است. [54] : 225

در سال 1850، لرد کلوین ، که در آن زمان با نام ویلیام تامسون شناخته می شد، بین دو میدان مغناطیسی که اکنون H و B نشان داده می شوند، تمایز قائل شد . اولی به مدل پواسون و دومی به مدل آمپر و القاء اعمال می شود. [54] : 224 علاوه بر این، او چگونگی ارتباط H و B را به یکدیگر استخراج کرد و اصطلاح نفوذپذیری را ابداع کرد . [54] : 245 [60]

بین سال‌های 1861 و 1865، جیمز کلرک ماکسول توسعه داد و منتشر کرد معادلات ماکسول را ، که تمام الکتریسیته کلاسیک و مغناطیس را توضیح داده و متحد می‌کرد. اولین مجموعه از این معادلات در مقاله ای تحت عنوان خطوط فیزیکی نیرو در سال 1861 منتشر شد. این معادلات معتبر اما ناقص بودند. ماکسول مجموعه معادلات خود را در مقاله بعدی خود در سال 1865 با عنوان نظریه دینامیکی میدان الکترومغناطیسی تکمیل کرد و این واقعیت را نشان داد که نور یک موج الکترومغناطیسی است . هاینریش هرتز مقالاتی را در سالهای 1887 و 1888 به صورت تجربی منتشر کرد که این واقعیت را تأیید می کرد. [61] [62]

تحولات مدرن

ساخت در سال 1887، تسلا یک موتور القایی که با جریان متناوب کار می کرد . این موتور از جریان چند فازی استفاده می‌کرد که یک میدان مغناطیسی دوار برای چرخاندن موتور ایجاد می‌کرد (اصلی که تسلا ادعا کرد در سال 1882 آن را طراحی کرده است). [63] [64] [65] تسلا در ماه مه 1888 حق اختراع موتور الکتریکی خود را دریافت کرد. [66] [67] در سال 1885، گالیله فراریس به طور مستقل در مورد میدان های مغناطیسی دوار تحقیق کرد و متعاقبا تحقیقات خود را در مقاله ای به آکادمی سلطنتی منتشر کرد. علوم در تورین ، تنها دو ماه قبل از اعطای حق اختراع تسلا، در مارس 1888. [68]

قرن بیستم نشان داد که الکترودینامیک کلاسیک از قبل با نسبیت خاص سازگار است و الکترودینامیک کلاسیک را برای کار با مکانیک کوانتومی گسترش داد. آلبرت انیشتین در مقاله خود در سال 1905 که نسبیت را پایه گذاری کرد، نشان داد که هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی بخشی از پدیده های مشابهی هستند که از چارچوب های مرجع مختلف مشاهده می شوند. سرانجام، میدان نوظهور مکانیک کوانتومی با الکترودینامیک ادغام شد تا الکترودینامیک کوانتومی را تشکیل دهد ، که برای اولین بار این تصور را که انرژی میدان الکترومغناطیسی به شکل فوتون کوانتیزه می‌شود، رسمیت بخشید.
در هندسه ، خطوط در یک صفحه با ابعاد بالاتر یا فضای گفته می شود همزمان اگر قطع شوند، در یک نقطه . آنها در تضاد با خطوط موازی هستند .

مثالها

مثلث ها

در یک مثلث ، چهار نوع اصلی از مجموعه خطوط همزمان عبارتند از: ارتفاعات ، نیمسازهای زاویه ، میانه ها و نیمسازهای عمود بر :

• ارتفاعات یک مثلث از هر رأس کشیده شده و با زاویه قائمه به ضلع مقابل می رسد . نقطه ای که این سه ارتفاع به هم می رسند مرکز قاعده است .
• نیمسازهای زاویه پرتوهایی هستند که از هر رأس مثلث می‌آیند و زاویه مربوطه را نصف می‌کنند . همه آنها در مرکز ملاقات می کنند .
• میانه ها هر راس مثلث را به نقطه وسط ضلع مقابل متصل می کنند. سه میانه در مرکز به هم می رسند .
• نیمسازهای عمود بر خطوطی هستند که از وسط هر ضلع مثلث در زوایای 90 درجه خارج می شوند. سه نیمساز عمود بر هم در مرکز محیط به هم می رسند .

مجموعه‌های دیگر خطوط مرتبط با یک مثلث نیز همزمان هستند. مثلا:

• هر میانه (که لزوما نیمساز مساحت مثلث است ) همزمان با دو نیمساز مساحت دیگر است که هر کدام موازی یک ضلع هستند. [1]
• برش محیط مثلث پاره خطی است که مثلث را نصف می کند و یک نقطه انتهایی در وسط یکی از سه ضلع دارد. سه شکاف در مرکز دایره اسپایکر که دایره مثلث میانی است با هم همخوانی دارند .
• شکاف دهنده مثلث پاره خطی است که یک نقطه پایانی در یکی از سه رأس مثلث دارد و محیط را نصف می کند. سه شکافنده در نقطه ناگل مثلث با هم همخوانی دارند.
• مثلث می گذرد هر خطی که از یک مثلث می گذرد که هم مساحت مثلث و هم محیط آن را به دو نیم کند از مرکز و هر مثلث دارای یک، دو یا سه تا از این خطوط است. [2] بنابراین اگر سه نفر از آنها وجود داشته باشد، در مرکز با هم موافق هستند.
• نقطه تاری یک مثلث نقطه همزمانی خطوطی است که از رئوس مثلث عمود بر اضلاع متناظر مثلث بروکارد اول مثلث می‌گذرند .
• نقطه شیفلر یک مثلث نقطه انطباق خطوط اویلر از چهار مثلث است: مثلث مورد نظر و سه مثلث که هر کدام دو رأس مشترک با آن دارند و مرکز خود را به عنوان راس دیگر دارند.
• نكات ناپلئوني و تعميم آنها نكات همزماني است. به عنوان مثال، اولین نقطه ناپلئونی، نقطه همزمانی سه خط هر یک از یک راس به مرکز مثلث متساوی الاضلاع است که در قسمت بیرونی ضلع مقابل از راس کشیده شده است. تعمیم این مفهوم، نکته ژاکوبی است .
• نقطه د لانگشان نقطه تطابق چندین خط با خط اویلر است .
• سه خط که هر کدام با رسم یک مثلث متساوی الاضلاع خارجی در یکی از اضلاع مثلث معین و اتصال راس جدید به راس مخالف مثلث اصلی تشکیل می شوند، در نقطه ای به نام اولین مرکز هم ضلعی همزمان هستند . در موردی که مثلث اصلی زاویه ای بیشتر از 120 درجه نداشته باشد، این نقطه نیز نقطه فرما است .
• نقطه آپولونیوس نقطه تلاقی سه خط است که هر یک نقطه مماس دایره ای را که دایره های مثلث درونی به آن مماس هستند را به راس مخالف مثلث متصل می کند.

چهارضلعی

• دو دو وسط یک چهار ضلعی (قطعه هایی که نقاط میانی اضلاع مقابل را به هم می پیوندند) و پاره خطی که به نقاط میانی قطرها می پیوندند همزمان هستند و همه با نقطه تقاطع خود نصف می شوند. [3] : ص125
• در یک چهارضلعی مماس ، چهار نیمساز زاویه در مرکز دایره با هم همسو هستند . [4]
• سایر موارد همزمانی یک چهارضلعی مماس در اینجا آورده شده است .
• در یک چهارضلعی حلقوی ، چهار پاره خط که هر یک بر یک ضلع عمود هستند طرف مقابل می گذرند و از نقطه میانی ، همزمان هستند. [3] : p.131, [5] می گویند به این پاره خط ها maltitudes ، [6] که مخفف ارتفاع نقطه میانی است. نقطه مشترک آنها ضد مرکز نامیده می شود .
• یک چهارضلعی محدب خارج از مماس است اگر و تنها در صورتی که شش نیمساز زاویه وجود داشته باشد: نیمسازهای زاویه داخلی در دو زاویه راس مخالف، نیمسازهای زاویه خارجی در دو زاویه راس دیگر، و نیمسازهای زاویه خارجی در زوایایی که در جایی که امتداد اضلاع مخالف یکدیگر را قطع می کنند.

شش ضلعی

• اگر اضلاع متوالی یک حلقوی شش ضلعی باشند a , b , c , d , e , f ، آنگاه سه قطر اصلی در یک نقطه منفرد با هم مطابقت دارند اگر و فقط اگر آس = bdf باشد . [7]
• اگر یک شش ضلعی محاطی مخروطی داشته باشد ، طبق قضیه برایانشون اصلی آن ، قطرهای همزمان هستند (مانند تصویر بالا).
• خطوط همزمان در قضیه شش ضلعی پاپوس به وجود می آیند .
• برای هر ضلع یک شش ضلعی حلقوی، اضلاع مجاور را تا محل تقاطعشان گسترش دهید و یک مثلث بیرونی به سمت ضلع داده شده تشکیل دهید. سپس قطعاتی که مرکز محیط مثلث های مقابل را به هم وصل می کنند همزمان هستند. [8]

چند ضلعی های منظم

• اگر یک چند ضلعی منتظم دارای تعداد ضلع زوج باشد، مورب هایی که رئوس مقابل را به هم متصل می کنند در مرکز چند ضلعی همزمان هستند.

حلقه ها

• نیمسازهای عمود همه وترهای یک دایره همزمان هستند . در مرکز دایره
• خطوط عمود بر مماس بر دایره در نقاط مماس در مرکز همزمان هستند.
• تمام سطح نیمسازهای و نیمسازهای محیطی یک دایره قطر هستند و در مرکز دایره همزمان هستند.

بیضی

• تمام نیمسازهای سطح و نیمسازهای محیطی یک بیضی در مرکز بیضی همزمان هستند.

هایپربولا

• در یک هذلولی موارد زیر همزمان هستند: (1) دایره ای که از کانون های هذلولی می گذرد و در مرکز هذلولی قرار دارد. (2) یکی از خطوطی که در رئوس بر هذلولی مماس هستند. و (3) یکی از مجانب هذلولی.
• موارد زیر نیز همزمان هستند: (1) دایره ای که در مرکز هذلولی قرار دارد و از رئوس هذلولی می گذرد. (2) یا مستقیم. و (3) یکی از مجانب.

چهار وجهی

• در یک چهار وجهی ، چهار میانه و سه دومیان همگی در نقطه ای به نام مرکز چهار وجهی همزمان هستند. [9]
• چهار ضلعی ایزودینامیک به چهار وجهی گفته می شود که در آن سئوین هایی که راس ها را به مراکز وجه های مقابل می پیوندند همزمان هستند و چهار وجهی ایزوگونیک دارای سئوین های همزمانی است که راس ها را به نقاط تماس وجه های مقابل با کره محاطی شده چهاروجهی می پیوندد. .
• در چهار وجهی متعامد، چهار ارتفاع همزمان هستند.

جبر

طبق قضیه روشه-کاپلی ، یک سیستم معادلات منطبق است اگر و تنها در صورتی که رتبه ماتریس ضرایب برابر با رتبه ماتریس افزوده باشد (ماتریس ضرایب افزوده شده با ستونی از عبارات مقطع)، و سیستم دارای یک راه حل منحصر به فرد اگر و فقط اگر آن رتبه مشترک با تعداد متغیرها برابر باشد. بنابراین با دو متغیر، k خطوط در صفحه، مرتبط با مجموعه‌ای از k معادلات، همزمان هستند اگر و فقط اگر رتبه ماتریس ضریب k × 2 و رتبه ماتریس افزوده k × 3 هر دو 2 باشند. در این حالت فقط دو معادله k هستند مستقل و نقطه همزمانی را می توان با حل هر دو معادله مستقل متقابل به طور همزمان برای دو متغیر پیدا کرد.

هندسه تصویری

در هندسه تصویری ، همزمانی در دو بعد دوگانه هم خطی است . در سه بعد، همزمانی دوگانه همسطحی است .

 

 

 

 

 

 

سیلوانوس پی تامپسون

به دنیا آمد تامپسون در 19 ژوئن 1851 در خانواده ای کواکر در یورک انگلستان . پدرش به عنوان استاد در مدرسه Quaker Bootham [4] در یورک خدمت کرد و او نیز در آنجا تحصیل کرد. در سال 1873 سیلوانوس تامپسون استاد علوم در مدرسه شد. خارج هنر لندن او در سال 1869 فارغ التحصیل شد و در مقطع کارشناسی مشغول به کار از دانشگاه شد . او با مدرک لیسانس با درجه ممتاز فارغ التحصیل شد و در RSM شروع به کار کرد. او به زودی عضو انجمن سلطنتی نجوم و فیزیک شد. او در جلسات – سخنرانی هایی با نمایش آزمایشات که در موسسه سلطنتی سازماندهی شده بود، شرکت کرد.

در 11 فوریه 1876 خود را به نمایش گذاشت، او شنید که سر ویلیام کروکس یک سخنرانی عصرانه در مؤسسه سلطنتی درباره کنش مکانیکی نور هنگامی که کروکس آسیاب نوری یا رادیومتر ارائه کرد . تامپسون مجذوب و برانگیخته شد و علاقه زیادی به نور و اپتیک پیدا کرد (علاقه اصلی دیگر او الکترومغناطیس بود ). منصوب شد در سال 1876 به عنوان مدرس فیزیک در کالج دانشگاهی بریستول و بعداً در سال 1878 در سن 27 سالگی به عنوان پروفسور منصوب شد.

نگرانی اصلی تامپسون حوزه آموزش فنی بود و او یک سری تورهای قاره ای به فرانسه، آلمان و سوئیس انجام داد تا رویکرد قاره ای را با انگلستان مقایسه کند. در سال 1879 او مقاله ای در انجمن سلطنتی هنر در مورد کارآموزی، علمی و غیرعلمی ارائه داد که در آن به جزئیات کمبودهای آموزش فنی در انگلستان پرداخت. در بحث، این عقیده بیان شد که انگلستان برای استفاده از مدارس تجاری بیش از حد محافظه کار است و روش های قاره ای در انگلستان قابل اجرا نخواهد بود. تامپسون تشخیص داد که آموزش فنی وسیله ای است که دانش علمی را می توان به عمل آورد و بقیه عمر خود را صرف تحقق بخشیدن به دیدگاه خود کرد.

در سال 1878 موسسه شهر و اصناف لندن برای پیشرفت آموزش فنی تأسیس شد. کالج فنی Finsbury یک مؤسسه آموزشی بود که توسط مؤسسه City and Guilds ایجاد شد و تامپسون قرار بود 30 سال آینده را به عنوان مدیر و استاد فیزیک آن اختصاص دهد.

موهبت خاص تامپسون در توانایی او در انتقال مفاهیم دشوار علمی به شیوه ای واضح و جالب بود. او در مؤسسه سلطنتی شرکت کرد و سخنرانی کریسمس را در سال 1896 در مورد نور، مرئی و نامرئی با شرح نور Röntgen ارائه کرد . او یک سخنران تأثیرگذار بود و رادیولوژیست AE Barclay گفت: “هیچکسی که او را شنید نمی توانست واضح بودن تصاویر کلماتی را که در مقابل آنها قرار داده بود فراموش کند.”

در سال 1891 تامپسون ایده کابل زیردریایی تلگراف را توسعه داد که می تواند فاصله پالس الکتریکی را افزایش دهد و در نتیجه سرعت انتقال کلمات را از طریق کابل تلگراف افزایش دهد. تا آن زمان میانگین سرعت بین 10 تا 50 کلمه در دقیقه وجود داشت، اما طراحی او برای مقابله با تخلیه انرژی الکتریکی در سراسر کابل با معرفی یک زمین برگشتی به عنوان بخشی از ساختار الکتریکی داخلی کابل (چیزی شبیه به کابل کواکسیال امروزی بود ) . ). ایده او که توسط چارلز برایت در کتاب خود “تلگراف های زیردریایی” نوشته شده است، این ایده را مورد بحث قرار می دهد که این دو سیم را می توان به عنوان هادی های جداگانه طراحی کرد اما در طول مسیر آنها توسط یک سیم پیچ القایی به هم متصل می شوند. این امکان معرفی ظرفیت خازنی را فراهم می کند و بنابراین باعث می شود که فاصله بار الکتریکی افزایش یابد تا تعداد کلمات افزایش یابد. این طرحی بود که به انقلابی در تلگراف زیردریایی و آینده سیستم های زیردریایی تلفنی کمک می کرد.

تامپسون آزمایش‌های رونتگن را در روز پس از اعلام کشف در بریتانیا تکرار کرد و به دنبال آن اولین نمایش عمومی پرتوهای جدید را در انجمن بالینی لندن در 30 مارس 1896 انجام داد. ویلیام هیل وایت گفت: “حضار هیجان زده بودند. بیشتر آنها برای اولین بار قطعات واقعی استخوان و فلز را می بینند. سیلوانوس تامپسون یک شاهزاده در میان سخنرانان بود. من هرگز تظاهرات بهتری نشنیده ام یا در یک جلسه پزشکی به یاد ماندنی تر شرکت نکرده ام.”

او اولین رئیس انجمن Röntgen بود (بعدها به موسسه رادیولوژی بریتانیا تبدیل شد ). [8] [9] او جامعه را بین پزشکی، فیزیک و عکاسی توصیف کرد. این نبوغ او بود که مهر خود را بر آن جامعه گذاشت و آن را به ملغمه ای غنی از اعضای پزشکی، علمی و فنی تبدیل کرد که امروز هست. همانطور که او در سخنرانی ریاست جمهوری خود به انجمن رونتگن گفت: «پیشگامان راه را به بیابان باز کرده اند. آنها اکنون توسط کسانی دنبال می شوند که قلمرو جدید را اشغال می کنند، بررسی آن را کامل می کنند و ویژگی های آن را ترسیم می کنند. تا زمانی که هر گوشه ای کاوش و ترسیم نشود، کار انجمن ما پایان نخواهد یافت.»

شرکت داشت در سال 1900، تامپسون در حمله جنجالی وایت هال به مارکونی حق ثبت اختراعات ، زمانی که اداره پست هم او و هم پروفسور الیور لاج را مأمور تهیه گزارش های محرمانه کرد. هدف یا اعلام بی اعتباری پتنت های شرکت مارکونی یا تولید تجهیزات مشابه، اما از نظر فنی متفاوت بود: دومی شامل تامپسون بود. وقتی دریاسالاری این دو گزارش را دریافت کرد، پیشگام تلگراف بی سیم کاپیتان (بعدها، دریاسالار سر) هنری جکسون بود که در آن زمان فرمانده HMS Vulcan بود، که نظر او باعث شد که یک افسر ارشد نیروی دریایی گزارش دهد: «سعی نیست برای فرار از مارکونی تلاش کنیم. ثبت اختراع شرکت.”

تامپسون به حقیقت در همه جنبه‌ها متعهد بود و سخنرانی Swarthmore او در سال 1915 که به انجمن دوستان بود ارائه شد، جستجوی حقیقت که نشان‌دهنده اعتقاد او به حقیقت و صداقت در تمام جنبه‌های زندگی ما بود. عضو فعال انجمن مذهبی دوستان تامپسون در طول زندگی خود باقی ماند [10]

او پس از یک بیماری کوتاه در 12 ژوئن 1916 در لندن درگذشت و یک بیوه و چهار دختر از خود به جای گذاشت. [11] [12]

آثار ادبی

تامپسون کتاب‌های زیادی با ماهیت فنی نوشت، به‌ویژه درس‌های ابتدایی در الکتریسیته و مغناطیس (1881 [13] )، ماشین‌های دینامو الکتریک (1884) و کتاب کلاسیک حساب دیفرانسیل و انتگرال آسان شد که اولین بار در سال 1910 منتشر شد و هنوز در دست چاپ است.

تامپسون علایق بسیاری از جمله نقاشی، ادبیات، تاریخ علم و کار در گلخانه خود داشت. او بیوگرافی مایکل فارادی و لرد کلوین را نوشت . او همچنین در مورد ویلیام گیلبرت ، پزشک الیزابتی، نوشت و نسخه ای از گیلبرت د مگنت را در چاپخانه چیسویک در سال 1900 تولید کرد. در سال 1912، تامپسون اولین ترجمه انگلیسی رساله نور توسط کریستین هویگنس را منتشر کرد .

کتابخانه علمی کتابهای تاریخی و کاری او در مؤسسه مهندسین برق نگهداری می شود و مجموعه فوق العاده ای است (او رئیس IEE بود). این شامل بسیاری از کتاب های کلاسیک در مورد الکتریسیته، مغناطیس و اپتیک است . این مجموعه شامل 900 کتاب کمیاب و 2500 عنوان قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، با تقریباً 200 نامه خودکار است.

نسخه

• <>ماشین آلات دینامو الکتریک (به زبان فرانسه). پاریس: بودری. 1886.
• جریان های الکتریکی چند فاز و موتورهای جریان متناوب (به زبان فرانسوی). پاریس: Béranger. 1901.

سخنرانی ها

در سال 1910 تامپسون برای ارائه سخنرانی کریسمس مؤسسه سلطنتی در مورد صدا: موزیکال و غیر موزیکال دعوت شد .

افتخارات

• تامپسون یکی از افرادی است که در پیاده روی مهندسین در بریستول، انگلستان حضور دارد.
• انتخاب شد به عضویت انجمن سلطنتی تامپسون در 14 مه 1891 [11] و در سال 1894 به عضویت آکادمی سلطنتی علوم سوئد انتخاب شد. در سال 1902، او به عنوان عضوی از انجمن فلسفی آمریکا انتخاب شد . [14]

اختراعات

تامپسون نفوذ سنج را اختراع کرد . [15]

در لندن، در سال 1910، تامپسون در تلاش های اولیه برای تحریک مغز با استفاده از یک میدان مغناطیسی شرکت داشت. سال‌ها پس از مرگ او، این تکنیک در نهایت به عنوان تحریک مغناطیسی ترانس کرانیال اصلاح شد . [16]