محرك كهربائي مقاوم للانفجار

المحرك الكهربائي – ميكانيكا الطاقة الكهربائية. آلة تحويل الطاقة

لديها أنواع DC و AC.

للتيار المباشر، والذي يمكنه ضبط تردد الدوران بشكل فعال وموحد. تعتبر ميزة K.

التيار المتناوب. محرك كهربائي متزامن (محرك كهربائي يعتمد تردد دورانه على التردد الحالي)، محرك كهربائي غير متزامن (محرك كهربائي يتناقص تردد دورانه مع زيادة الحمل) ومحرك كهربائي جامع. ك. ينتمي إلى. في الممارسة العملية، غير متزامن E. K. واسع الانتشار. صنع مثل هذا المحرك بسيط وموثوق.

غير متزامن E. العيب الرئيسي لـ k: أنه يستخدم الكثير من الطاقة التفاعلية. إذا كان من الضروري تغيير تردد الدوران إلى منتظم،

التيار المباشر. ك. في بعض الأحيان كان الجامع AC E. K. يستخدم E. تتراوح قوة k من عُشر واط إلى عشرات الميغاواط.

ك. في الصناعة، في النقل، في الحياة، الخ. ويستخدم على نطاق واسع في الصناعات.

محرك كهربائي

المحرك الكهربائي هو آلة تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية يمكن استخدامها لتحريك الأدوات. تنقسم المحركات الكهربائية إلى فئتين: التيار المباشر والتيار المتردد. بالإضافة إلى المحركات التقليدية التي توفر الحركة الدورانية، هناك أيضًا محركات خطية.

تاريخ وتطور المحرك الكهربائي

إبداعي

تم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية من خلال الكهرومغناطيسية لأول مرة على يد العالم البريطاني مايكل في عام 1821. أظهر فاراداي. في اللحظة التي يتدفق فيها التيار عبر الموصل، يقوم الموصل بحركة دورانية حول المغناطيس.

هذا المحرك الكهربائي هو أبسط نسخة من المحرك المتجانس. الشكل المحسن لهذه العجلة هو بارلو. نظرًا لبنيتها الأصلية، لا يمكن استخدام هذه المحركات الكهربائية إلا لأغراض العرض التوضيحي. فهي غير مناسبة لأي استخدام عملي.

في عام 1827، بدأ المجري أنيوس يدليك بإجراء تجارب على الأجهزة الدوارة الكهرومغناطيسية، والتي أطلق عليها اسم دوار البرق المغناطيسي. كان يستخدم هذا الجهاز للأغراض التعليمية في الكلية. في عام 1828، قام بعرض أول جهاز يتضمن المكونات الثلاثة الرئيسية لمحرك التيار المستمر: الجزء الثابت، والعضو الدوار، ومقوم التيار. لم يكن لمحركه الكهربائي أي استخدام عملي وبعد ذلك تم نسيان معرفته.

أول المحركات الكهربائية

تم اختراع أول محرك DC قادر على تحريك الأدوات في عام 1832 من قبل العالم البريطاني William Sturgeon. تم تصنيعه أمريكيًا بعد أعمال Sturgeon، وهو محرك يعمل بالتيار المستمر تم تحسينه بواسطة Thomas Davenport لاستخدامه في الأغراض العملية. كان محركه الكهربائي، الذي حصل على براءة اختراع في عام 1837، يدور بسرعة 600 دورة في الدقيقة ويعمل على تشغيل الأدوات الآلية الخفيفة والمطابع.

نظرًا لارتفاع تكلفة أقطاب الزنك المستخدمة في البطاريات، لم يحقق محركه نجاحًا تجاريًا وأفلس دافنبورت. اتبع العديد من المخترعين Sturgeon وDavenport في تطوير المحرك الكهربائي، لكنهم جميعًا واجهوا نفس المشكلة: ارتفاع تكلفة طاقة البطاريات.

تم اكتشاف محرك التيار المستمر الحديث بالصدفة في عام 1873 من قبل هيبوليت فونتين وزينوبي جرام. لقد تم توصيلهما على التوازي، فعندما تم تسخين اثنين من الدينامو، كان أحد الدينامو يعمل كمحرك، يتم تشغيله كهربائيًا بواسطة الآخر. وبهذه الطريقة، أصبحت السيارة الساخنة أول محرك كهربائي صناعي ناجح.

في عام 1888، اخترع نيكولا تيسلا أول محرك تحريضي عملي مدعوم بمصدر طاقة تيار متردد ثنائي الطور. واصل تسلا عمله مع محرك التيار المتردد في السنوات التالية في وستنجهاوس. بغض النظر عن أبحاث تسلا، قام ميخائيل دوليو-دوبروولسكي بتطوير المحرك السنجابي غير المتزامن ثلاثي الطور في نفس الوقت (1888).

تشغيل المحرك الكهربائي

يعتمد تشغيل المحرك الكهربائي على الكهرومغناطيسية. يتكون المحرك من الجزء الثابت والدوار الذي يمكن أن يدور في الجزء الثابت. تم تصميم واحد على الأقل من هذين الاثنين ليكون مغناطيسًا كهربائيًا. اعتمادًا على نوع المحرك، يمكن تصنيع الآخر كمغناطيس دائم، أو مغناطيس كهربائي، أو مجرد مادة مغناطيسية. يبدأ الجزء المتحرك بالدوران بسبب قوة الأقطاب المغناطيسية على بعضها البعض أو بسبب الحث.

يعمل كل محرك كهربائي أيضًا كدينامو، حيث ينتج المحرك الدوار الكهرباء. هذا التدفق هو عكس تدفق العرض.

ليس من الضروري أن تكون المقاومة العالية للمحرك الكهربائي عالية، وبالتالي سيتدفق التيار عند تشغيله. يعمل المحرك الآن ويعمل كمولد كهربائي. يتدفق التيار المتولد في الاتجاه المعاكس ويصبح صافي التيار أقل. من الناحية المثالية، سيعمل المحرك بأقصى سرعة، وسيكون التيار المتولد مساويًا (لكن معاكسًا) لتيار الإمداد، ولن يتدفق أي تيار على الإطلاق. من الناحية العملية، خاصة عندما يكون المحرك تحت الحمل، يدور المحرك بشكل أبطأ قليلاً، بحيث يكون التيار المتولد أقل قليلاً من التيار المزود.

إذا تم تثبيت المحرك بحيث لا يمكنه الدوران، فقد يتسبب تيار الإمداد في دخان المحرك.

لذلك، يتدفق تيار أعلى عبر المحرك أثناء بدء التشغيل منه أثناء التشغيل (تيار البدء). ولذلك، يتم أحيانًا تشغيل محرك ثقيل بجهد أقل، وغالبًا ما يكون ذلك من خلال اتصال ستار-دلتا، ويتم توصيله بفتيل بطيء الاحتراق.

قالب المحرك الكهربائي

محرك بتيار مستمر مع فرشاة

يتطلب محرك التيار المستمر المصقول أن يتم عكس أقطاب الجزء الدوار كل نصف دورة (أو في أغلب الأحيان، المجمعات إذا كان الجزء الدوار والجزء الثابت يتكون من أكثر من جزأين) للسماح للمحرك بالدوران. يحدث هذا التغيير في القطبية بسبب المبدل وفرش الكربون. إذا تم عكس اتجاه التيار الذي يمر عبره، فسيستمر المحرك في الدوران.

يمكن تصميم المحرك كمحرك تسلسلي أو تحويلي، حيث يتم توصيل ملفات المجال والدوار على التوالي وبالتوازي، على التوالي. ومن الممكن أيضًا الجمع بين الاثنين، وهو ما يسمى بالمحرك الهجين.

محرك كهربائي بدون فرش

هناك أيضًا محركات كهربائية حيث يتم التحكم في عملية التبديل إلكترونيًا. لا تحتوي هذه المحركات الكهربائية بدون فرش على فرش كربون تمنع الشرر والتآكل (مشكلة المحركات الفرشاة). يُطلق على هذا المحرك أيضًا اسم محرك ECM (محرك يتم تبديله إلكترونيًا).

التطور الحراري للمحرك الكهربائي

السبب الأكثر شيوعًا لفشل المحرك الكهربائي هو توليد الحرارة المفرط. يسخن المحرك بشكل زائد، مما قد يتسبب في فشل المحامل، أو قصر اللفات، أو إزالة المغناطيسية بشكل دائم من المغناطيس وفقدان الطاقة. [2]

محرك كهربائي AC

يمكن أن يكون محرك التيار المتردد ثلاثي الطور بسيطًا جدًا في البناء لأنه يمكن الاستغناء عن هيكل فرشاة الكربون. هذا بخصوص محرك القفص السنجابي لكن فرش الكربون (الدوار) تستخدم في محرك المحرك الدائري المنزلق. يمكن التحكم بسهولة في سرعة محرك القفص السنجابي بواسطة وحدة التحكم في التردد.

التطبيقات

المحرك الكهربائي موجود في العديد من الأجهزة، وأصبح من الواضح أن الناس لم يعودوا يدركون أنه يحتوي على محرك كهربائي، أو أن كلمة محرك كهربائي ليست موجودة بالكامل في وصف الجهاز. أمثلة:

• الأجهزة المنزلية: غسالة، مجفف، ثلاجة، مكنسة كهربائية، ماكينة خياطة، ماكينة حلاقة، فرشاة أسنان كهربائية، مجفف شعر، مروحة، بعض الساعات
• أدوات المطبخ: محضر طعام، عصارة، خلاط يدوي، خلاط، خلاط يدوي، مطحنة قهوة، غطاء محرك السيارة، ميكروويف، صانع ثلج
• أدوات DIY: الحفر، المسوي، ساندر، بانوراما
• أدوات البستنة: منفاخ أوراق الشجر، المنشار، أداة تشذيب التحوط، الخدش، جزازة العشب، جزازة دوارة
• الإلكترونيات: الكمبيوتر، القرص الصلب، الطابعات (طابعة نافثة للحبر، طابعة ليزر)، الماسح الضوئي المسطح، ناسخة، جهاز فاكس، آلة كاتبة كهربائية
• الألعاب: نموذج قطار كهربائي، نموذج طائرة، نموذج طائرة هليكوبتر، روبوت، طائرة بدون طيار
• المعدات الصوتية والمرئية: جرامافون (مشغل)، صندوق موسيقي، مشغل أقراص مضغوطة، جهاز فيديو، مسجل كاسيت، كاميرا، كاميرا فيديو، جهاز Walkman
• أوتوماتيكي في المباني العامة (المحلات التجارية، المكاتب، المستشفيات، المكتبات): الأبواب المنزلقة، الأبواب الدوارة، المصاعد، السلالم المتحركة، ملمعات الأرضيات
• المنازل: التهوية الميكانيكية، مصاعد السلالم، أبواب الجراجات، المظلات، المصاريع، الأسوار والبوابات.

المهن المختلفة لها معداتها الخاصة: الخباز (قطاعة الخبز، آلة العجين)، الجزار (قطاعة اللحوم، مفرمة اللحم)، طبيب الأسنان (مثقاب الأسنان)، مبراة المقص (مطحنة كهربائية). يتم في القسم الطبي استخدام أجهزة التنفس الصناعي وأجهزة القلب والرئة والمضخات التمعجية ومضخات الأنسولين وأجهزة الطرد المركزي.

بالإضافة إلى ذلك، يتم تشغيل العديد من وسائل النقل بواسطة المحركات الكهربائية، على سبيل المثال القطارات، والترام، والسيارات الكهربائية، والدراجات البخارية الكهربائية والدراجات النارية، والدراجات الكهربائية والكراسي المتحركة، والدراجات الكهربائية، وSegways، والألواح الطائرة، والسفن مثل Whisper Boat، والغواصة، السرعة الكهربائية. يعمل القارب[3]، كما توجد أيضًا سيارات تجريبية وحافلات وطائرات بمحركات كهربائية تعمل بخلايا الوقود. محرك بدء تشغيل السيارة بمحرك احتراق (بنزين/ديزل) هو أيضًا محرك كهربائي ويستخدم لبدء تشغيل محرك الاحتراق. هذه السيارة الفاخرة الحديثة مجهزة بحوالي 15 محرك كهربائي: محرك تشغيل، لفتح وإغلاق أربع نوافذ، ضبط وطي مرآتين خارجيتين للداخل/الخارج، 2 أو 3 مساحات، مضخة غسيل الزجاج الأمامي، مقود كهربائي، هواء. تكييف الهواء ومشغل الأقراص المضغوطة. لاعب

يستخدم أيضًا، في صناعة المحركات ثلاثية الطور، يتم استخدامه بشكل أساسي لتشغيل المضخات، والضواغط، وسيور النقل، والرافعات وأجهزة الرفع الأخرى، والمحرضين في الخزانات، وتركيبات تكييف الهواء، ونقل هواء الاحتراق وغاز المداخن، وما إلى ذلك. ينتج المحرك خصيصًا الكهرباء عند تشغيلها سيكون تيارًا كبيرًا لبدء التشغيل. وهذا أمر مرهق للغاية لشبكة الكهرباء. في بعض الأحيان يؤدي هذا إلى تليين فوري للضوء الكهربائي في البيئة. من أجل منع أو تسهيل هذه “القمم”، يتم تشغيل هذا المحرك باستخدام جهاز بدء التشغيل.

حقل مغناطيسي

مقالات حول
الكهرومغناطيسية
كهرباء المغناطيسية تاريخ الكتب التعليمية

كهرباء

المغناطيسية الساكنة قانون أمبير قانون بيوت-سافارت قانون غاوس للمغناطيسية حقل مغناطيسي الفيض المغناطيسي عزم ثنائي القطب المغناطيسي النفاذية المغناطيسية الإمكانات العددية المغناطيسية مغنطة الدفع المغناطيسي إمكانات المتجهات المغناطيسية حكم اليد اليمنى

الديناميكا الكهربائية

شبكة الكهرباء

صيغة التغاير

العلماء

الخامس ت ه

المجال المغناطيسي هو مجال متجه يصف التأثير المغناطيسي على الشحنات الكهربائية المتحركة والتيارات الكهربائية. [1] : ch1 [2] والمادة المغناطيسية، تتعرض الشحنة المتحركة في المجال المغناطيسي لقوة متعامدة مع سرعتها والمجال المغناطيسي. [1] : ch13 [3] : 278 المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم يجذب أو يصد المواد المغناطيسية الحديدية مثل الحديد والمغناطيسات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يبذل المجال المغناطيسي غير المنتظم قوى صغيرة على المواد “غير المغناطيسية” من خلال ثلاثة تأثيرات مغناطيسية أخرى: البارامغناطيسية، والمغناطيسية النفاذية، والمغناطيسية المضادة، على الرغم من أن هذه القوى عادة ما تكون صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها إلا باستخدام معدات المختبرات. تحيط المجالات المغناطيسية بالمواد المغناطيسية ويتم إنشاؤها بواسطة التيارات الكهربائية مثل تلك المستخدمة في المغناطيسات الكهربائية والمجالات الكهربائية المتغيرة بمرور الوقت. نظرًا لأن قوة واتجاه المجال المغناطيسي قد يختلفان باختلاف الموقع، يتم وصفه رياضيًا بواسطة دالة تحدد متجهًا لأي نقطة في الفضاء. حقل شعاعي

في الكهرومغناطيسية، يُستخدم مصطلح “المجال المغناطيسي” للإشارة إلى حقلين متجهين منفصلين ولكنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا، ويُشار إليهما بالرمزين B وH. في النظام الدولي للوحدات، الوحدة هي H، وهي شدة المجال المغناطيسي، أمبير لكل متر (A/m). [4] : 22 وحدة من B هي كثافة التدفق المغناطيسي، تسلا (في الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات: كجم/ثانية 2/أمبير)، [4] : 21 وهو ما يعادل نيوتن/متر/أمبير. يختلف H وB في طريقة حساب المغناطيسية. في الفراغ، يرتبط هذان المجالان من خلال نفاذية الفراغ. ب / م 0 = ح ; لكن في المادة المغناطيسية، تختلف القيم على كل طرف من هذه المعادلة عن المجال المغناطيسي للمادة.

يتم إنتاج المجالات المغناطيسية من خلال حركة الشحنات الكهربائية والعزوم المغناطيسية المتأصلة في الجسيمات الأساسية المرتبطة بخصائصها الكمومية الأساسية، أي دورانها. [5] [1] : ch1 ترتبط المجالات المغناطيسية والمجالات الكهربائية ببعضها البعض، ويعتبر كلا مكوني القوة الكهرومغناطيسية أحد القوى الأربع الأساسية في الطبيعة.

تُستخدم المجالات المغناطيسية في جميع أنحاء التكنولوجيا الحديثة، وخاصة في الهندسة الكهربائية والكهروميكانيكية. تُستخدم المجالات المغناطيسية الدوارة في كل من المحركات الكهربائية والمولدات. يتم تصور ودراسة تفاعل المجالات المغناطيسية في الأجهزة الكهربائية مثل المحولات على أنها دوائر مغناطيسية. توفر القوى المغناطيسية معلومات حول حاملات الشحنة في المادة من خلال تأثير هول. تنتج الأرض مجالها المغناطيسي الخاص الذي يحمي طبقة الأوزون للأرض من الرياح الشمسية وهو مهم في الملاحة باستخدام البوصلة.

وصف

تعتمد القوة المؤثرة على الشحنة الكهربائية على موقعها وسرعتها واتجاهها. يتم استخدام حقلين متجهين لوصف هذه القوة. [1] : ch1 هو أول مجال كهربائي يصف القوة المؤثرة على شحنة ثابتة ويظهر مكون القوة المستقل عن الحركة. في المقابل، يصف المجال المغناطيسي مكون القوة الذي يتناسب مع سرعة واتجاه الجسيمات المشحونة. [1] : ch13 يتم تعريف المجال بواسطة قانون قوة لورنتز وهو عمودي على كل من حركة الشحنة والقوة التي تتعرض لها في أي لحظة.

يوجد حقلان متجهان مختلفان، لكن مرتبطان ارتباطًا وثيقًا، يُطلق عليهما أحيانًا “المجالات المغناطيسية”، مكتوبان بـ B وH. [ملاحظة 1] في حين أن أفضل الأسماء لهذه المجالات والتفسير الدقيق لما تمثله هذه المجالات كان موضوع نقاش طويل الأمد، إلا أن هناك اتفاقًا واسعًا حول كيفية عمل الفيزياء الأساسية. [6] تاريخيًا، تم حجز مصطلح “المجال المغناطيسي” للإشارة إلى H بينما تم استخدام مصطلحات أخرى للإشارة إلى B، لكن العديد من الكتب المدرسية الحديثة تستخدم مصطلح “المجال المغناطيسي” لوصف B أو يستخدمون H بدلاً من ذلك. [ملاحظة 2] هناك العديد من الأسماء البديلة لكليهما (انظر الشريط الجانبي).

ساحة ب

أسماء بديلة لـ ب [7]
كثافة التدفق المغناطيسي [4] : 138 الحث المغناطيسي [8] المجال المغناطيسي (غامض)

يمكن تعريف متجه المجال المغناطيسي B عند أي نقطة على أنه المتجه الذي، عند استخدامه في قانون قوة لورنتز، يتنبأ بشكل صحيح بالقوة المؤثرة على الجسيم المشحون عند تلك النقطة: [9] [10] : 204

هنا، F هي القوة المؤثرة على الجسيم، q هي الشحنة الكهربائية للجسيم، v هي سرعة الجسيم، وx تمثل المنتج المتقاطع. يمكن تحديد اتجاه القوة المؤثرة على الحمل من خلال رمز يسمى قاعدة اليد اليمنى (انظر الشكل). [ملاحظة 3] باستخدام اليد اليمنى، ضع الإبهام في اتجاه التيار، والأصابع في اتجاه المجال المغناطيسي، فالقوة الناتجة عن الشحنة المطبقة تكون خارجة من راحة اليد. القوة المؤثرة على جسيم سالب الشحنة تكون في الاتجاه المعاكس. إذا تم عكس كل من السرعة والحمل، فإن اتجاه القوة يبقى كما هو. ولهذا السبب، فإن قياس المجال المغناطيسي (في حد ذاته) لا يمكنه معرفة ما إذا كانت الشحنة الموجبة تتحرك إلى اليمين أو الشحنة السالبة التي تتحرك إلى اليسار. (كلاهما ينتج نفس التيار.) وبدلاً من ذلك، يمكن للمجال المغناطيسي المتحد مع المجال الكهربائي التمييز بين الاثنين، انظر تأثير هول أدناه.

المصطلح الأول في معادلة لورنتز مأخوذ من النظرية الكهروستاتيكية ويقول إن الجسيم المشحون q يتعرض لقوة كهربائية في مجال كهربائي E:

 

المصطلح الثاني هو القوة المغناطيسية: [10]

 

باستخدام التعريف المتقاطع، يمكن أيضًا كتابة القوة المغناطيسية كمعادلة عددية: [9] : 357

 

حيث F مغناطيسي، v وB هي المقادير العددية لمتجهاتها وθ هي الزاوية بين سرعة الجسيم والمجال المغناطيسي. يتم تعريف المتجه B على أنه حقل المتجه الضروري لوصف حركة الجسيم المشحون بشكل صحيح بموجب قانون قوة لورنتز. وبعبارة أخرى: [9 : 173-4]

[T] يستدعي الأمر “قياس اتجاه وحجم المتجه B في مثل هذا الموقع” العملية التالية: خذ جسيمًا بشحنة معروفة q. قم بقياس القوة المؤثرة على q في حالة الراحة لتحديد E. ثم قم بقياس القوة المؤثرة على الجسيم عندما تكون سرعته v. كرر مع v في الاتجاه الآخر. الآن ابحث عن B الذي يحقق قانون قوة لورنتز مع كل هذه النتائج – أي المجال المغناطيسي في الموقع المطلوب.

يمكن أيضًا تعريف المجال B باللحظة على ثنائي القطب المغناطيسي m. [11] : 174

وحدة SI B (الرمز: Tesla T). [ملاحظة 4] الوحدة الغوسية-cgs B (الرمز: هو Gauss G). (تحويل 1 T ≘ 10000 G. [12] [13] ) النانوتيسلا الواحدة تقابل 1 غاما (الرمز: γ). [13]

مربع ح

أسماء بديلة لـ H [7]
شدة المجال المغناطيسي [8] قوة المجال المغناطيسي [4] : 139 حقل مغناطيسي حقل مغناطيسي

يتم تعريف المجال المغناطيسي H على النحو التالي: [10] : 269 [11] : 192 [1] : ch36

حيث م 0 هي نفاذية الفراغ وM هو المتجه المغناطيسي. في الفراغ، B وH متناسبان مع بعضهما البعض. داخل المادة يكونان مختلفين (انظر H وB داخل وخارج المواد المغناطيسية). وحدة SI للمجال H هي أمبير لكل متر (A/m)، [14] ووحدة CGS هي Orsted (Oe). [12] [9]: 286

قياس

تُعرف الأداة المستخدمة لقياس المجال المغناطيسي المحلي باسم مقياس المغناطيسية. تشمل الفئات المهمة من أجهزة قياس المغناطيسية أجهزة قياس المغناطيسية الحثية (أو مقاييس مغناطيسية ملف البحث) التي تقيس فقط المجالات المغناطيسية المتغيرة، وأجهزة قياس مغناطيسية الملف الدوار، ومقاييس مغناطيسية تأثير هول، ومقاييس مغناطيسية الرنين المغناطيسي النووي، ومقاييس مغناطيسية SQUID، ومقاييس مغناطيسية التدفق. يتم قياس المجالات المغناطيسية للأجسام الفلكية البعيدة من خلال تأثيرها على الجسيمات المشحونة المحلية. على سبيل المثال، تنتج الإلكترونات التي تتدفق حول خط المجال إشعاع السنكروترون، والذي يمكن اكتشافه في موجات الراديو. تم الحصول على أفضل دقة لقياس المجال المغناطيسي بالجاذبية B عند 5 طن (5 × 10-18 مسبار T). [15]

التصور

يمكن تصور المجال من خلال مجموعة من خطوط المجال المغناطيسي، والتي تتبع اتجاه المجال عند أي نقطة. يمكن إنشاء الخطوط عن طريق قياس قوة واتجاه المجال المغناطيسي عند عدد كبير من النقاط (أو في أي مكان في الفضاء). ثم قم بتمييز كل موقع بسهم (يسمى المتجه) يشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي المحلي بحجم يتناسب مع قوة المجال المغناطيسي. ثم يشكل اتصال هذه الأسهم مجموعة من خطوط المجال المغناطيسي. يكون اتجاه المجال المغناطيسي عند أي نقطة موازيا لاتجاه خطوط المجال المجاورة، ويمكن اعتبار الكثافة المحلية لخطوط المجال متناسبة مع قوتها. تشبه خطوط المجال المغناطيسي الخطوط الانسيابية في تدفق السوائل، من حيث أنها تمثل توزيعًا مستمرًا، وتشير الدقة المتغيرة للخطوط إلى أكثر أو أقل.

تتمثل ميزة استخدام خطوط المجال المغناطيسي كتمثيل في أن العديد من قوانين المغناطيسية (والكهرومغناطيسية) يمكن التعبير عنها بشكل كامل وموجز باستخدام مفاهيم بسيطة مثل “عدد” خطوط المجال في المستوى. يمكن “ترجمة” هذه المفاهيم بسرعة إلى شكلها الرياضي. على سبيل المثال، عدد خطوط المجال التي تعبر سطحًا معينًا هو التكامل السطحي للمجال المغناطيسي. [9] : 237

تعرض الظواهر المختلفة خطوط المجال المغناطيسي كما لو كانت خطوط المجال ظواهر فيزيائية. على سبيل المثال، برادة الحديد الموضوعة في مجال مغناطيسي تشكل خطوطًا تتوافق مع “خطوط المجال”. [ملاحظة 5] يتم أيضًا عرض “خطوط” المجال المغناطيسي بشكل مرئي في الشفق، حيث تخلق التفاعلات ثنائية القطب لجزيئات البلازما خطوطًا مرئية من الضوء تتوافق مع الاتجاه المحلي للمجال المغناطيسي للأرض.

يمكن استخدام خطوط المجال كأداة نوعية لتصور القوى المغناطيسية. في المغناطيسية الحديدية لمواد مثل الحديد والبلازما، يمكن فهم القوى المغناطيسية من خلال تخيل أن خطوط المجال تمارس توترًا (مثل الشريط المطاطي) على طولها وضغطًا عموديًا على طولها على خطوط المجال المجاورة. تتجاذب أقطاب المغناطيس “المتقابلة” لأنها متصلة بواسطة العديد من خطوط المجال. تتنافر الأقطاب “المتشابهة” لأن خطوط مجالها لا تلتقي، ولكنها متوازية وتدفع بعضها ضد بعض.

المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم

المغناطيس الدائم عبارة عن أجسام تولد مجالات مغناطيسية دائمة خاصة بها. وهي مصنوعة من مواد مغناطيسية مثل الحديد والنيكل الممغنطة ولها قطبين شمالي وجنوبي.

يمكن أن يكون المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم معقدًا جدًا، خاصة بالقرب من المغناطيس. يتناسب المجال المغناطيسي لمغناطيس مباشر صغير [الملاحظة 6] مع قوة المغناطيس (يُسمى عزم ثنائي القطب المغناطيسي m). المعادلات غير تافهة وتعتمد أيضًا على المسافة من المغناطيس واتجاه المغناطيس. بالنسبة للمغناطيس البسيط، m يقع في اتجاه الخط المرسوم من الجنوب إلى القطب الشمالي للمغناطيس. إن تدوير قضيب المغناطيس يعادل تدويره بمقدار 180 درجة.

ومن خلال نمذجتها كمجموعة من العديد من المغناطيسات الصغيرة التي تسمى ثنائيات القطب، يمكن الحصول على المجال المغناطيسي للمغناطيسات الأكبر حجمًا. المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس هو المجال المغناطيسي الصافي لهذا ثنائي القطب. أي قوة محصلة تؤثر على المغناطيس هي مجموع القوى المؤثرة على الأقطاب الفردية.

كان هناك نموذجان مبسطان لطبيعة هذه الثنائيات القطبية. ينتج هذان النموذجان مجالين مغناطيسيين مختلفين H وB. ومع ذلك، خارج المادة، يكون الاثنان متماثلين (حتى ثابت مضاعف) بحيث يمكن تجاهل التمييز في كثير من الحالات. وينطبق هذا بشكل خاص على المجالات المغناطيسية، مثل تلك الناتجة عن التيارات الكهربائية التي لا تنتجها المواد المغناطيسية.

النموذج الحقيقي للمغناطيسية أكثر تعقيدًا من أي من هذين النموذجين. لا يشرح أي من النموذجين بشكل كامل سبب كون المواد مغناطيسية. النموذج الأحادي القطب لا يحظى بأي دعم تجريبي. يشرح نموذج أمبير بعضًا من العزم المغناطيسي للمادة، وليس كله. وكما تنبأ نموذج أمبير، فإن حركة الإلكترونات في الذرة مرتبطة بالعزوم المغناطيسية ثنائية القطب لتلك الإلكترونات، وتساهم هذه العزوم المدارية في المغناطيسية الملاحظة على المستوى العياني. ومع ذلك، فإن حركة الإلكترونات ليست كلاسيكية، والعزم المغناطيسي المغزلي للإلكترونات (الذي لم يتم حسابه في أي من النموذجين) يقدم أيضًا مساهمة كبيرة في العزم الإجمالي للمغناطيس.

نموذج القطب المغناطيسي

تاريخيًا، قامت كتب الفيزياء المدرسية المبكرة بنمذجة القوى وعزم الدوران بين مغناطيسين بسبب تنافر الأقطاب المغناطيسية أو جذب بعضها البعض بنفس طريقة قوة كولوم بين الشحنات الكهربائية. وعلى المستوى المجهري، يتعارض هذا النموذج مع الأدلة التجريبية، ولم يعد النموذج القطبي للمغناطيسية هو الطريقة المعتادة لتقديم هذا المفهوم. [10] : 204 ومع ذلك، نظرًا لبساطته الرياضية، فإنه لا يزال يستخدم أحيانًا كنموذج مجهري للمغناطيسية الحديدية. [16]

في هذا النموذج، يتم إنشاء المجال المغناطيسي H بواسطة شحنات مغناطيسية وهمية منتشرة على سطح كل قطب. ترتبط هذه الشحنات المغناطيسية فعليًا بالمجال المغناطيسي M. ولذلك فإن المجال H يشبه المجال الكهربائي E الذي يبدأ بشحنة كهربائية موجبة وينتهي بشحنة كهربائية سالبة. لذلك، بالقرب من القطب الشمالي، تشير جميع خطوط المجال H نحو القطب الشمالي (سواء داخل أو خارج المغناطيس)، بينما بالقرب من القطب الجنوبي، تشير جميع خطوط المجال H نحو القطب الجنوبي (سواء داخل أو خارج المغناطيس). تقع كما أن القطب الشمالي يشعر بقوة في اتجاه المجال H، بينما القوة المؤثرة على القطب الجنوبي تكون معاكسة للمجال H.

في نموذج القطب المغناطيسي، يتكون ثنائي القطب المغناطيسي الأولي m من قطبين مغناطيسيين متقابلين بقوة القطب qm، ويفصل بينهما متجه مسافة صغير d، بحيث m = qm d. نموذج القطب المغناطيسي يتنبأ بشكل صحيح بالمجال H داخل المادة المغناطيسية وخارجها، خاصة أن H معاكس للمجال المغناطيسي M داخل المغناطيس الدائم.

وبما أن هذا النموذج يعتمد على الفكرة الوهمية لكثافة الشحنة المغناطيسية، فإن النموذج القطبي له بعض القيود. لا يمكن للأقطاب المغناطيسية أن توجد منفصلة عن بعضها البعض مثل الشحنات الكهربائية، ولكنها تكون دائمًا في أزواج شمالية-جنوبية. إذا تم تقسيم جسم مغناطيسي إلى نصفين، يظهر قطب جديد على سطح كل قطعة، بحيث يكون لكل منهما زوج من الأقطاب المكملة. لا يأخذ نموذج القطب المغناطيسي في الاعتبار المغنطة التي تنتجها التيارات الكهربائية وكذلك العلاقة الجوهرية بين الزخم الزاوي والمغنطة.

يتعامل النموذج القطبي عادةً مع الشحنة المغناطيسية باعتبارها تجريدًا رياضيًا وليس خاصية فيزيائية للجسيمات. ومع ذلك، فإن أحادي القطب المغناطيسي هو جسيم افتراضي (أو فئة من الجسيمات) له فيزيائيًا قطب مغناطيسي واحد فقط (إما قطب شمالي أو قطب جنوبي). وبعبارة أخرى، فإنه يحتوي على “شحنة مغناطيسية” مماثلة للشحنة الكهربائية. تبدأ خطوط المجال المغناطيسي أو تنتهي على أحاديات القطب المغناطيسي، فإذا وجدت فهي استثناءات لقاعدة أن خطوط المجال المغناطيسي لا تبدأ ولا تنتهي. تنبأت بعض النظريات (مثل النظريات الموحدة الكبرى) بوجود أحاديات القطب المغناطيسي، لكن لم يتم ملاحظة أي منها حتى الآن.

نموذج خاتم أمبرين

في النموذج الذي طوره أمبير، ثنائي القطب المغناطيسي الأساسي الذي يشكل جميع المغناطيسات هو حلقة أمبير صغيرة بما فيه الكفاية مع التيار I ومساحة الحلقة A. عزم ثنائي القطب لهذه الحلقة هو m = IA.

تنتج هذه الثنائيات المغناطيسية مجالًا مغناطيسيًا B.

يظهر المجال المغناطيسي لثنائي القطب المغناطيسي في الشكل. خارجيًا، ثنائي القطب المغناطيسي المثالي مطابق لثنائي القطب الكهربائي المثالي بنفس القوة. على عكس ثنائي القطب الكهربائي، تم تصميم ثنائي القطب المغناطيسي بشكل صحيح على شكل حلقة تيار مع التيار I والمنطقة a. مثل هذه الحلقة الحالية لها لحظة مغناطيسية

حيث يكون الاتجاه m متعامداً مع مساحة الحلقة ويعتمد على اتجاه التدفق باستخدام قاعدة اليد اليمنى. يتم تصميم ثنائي القطب المغناطيسي المثالي على أنه ثنائي القطب المغناطيسي الحقيقي مع تقليل مساحته إلى الصفر وزيادة تياره I إلى ما لا نهاية، بحيث يكون المنتج m = Ia محددًا. يوضح هذا النموذج العلاقة بين الزخم الزاوي والعزم المغناطيسي، وهو أساس تأثير أينشتاين-داهاس للدوران بالمغنطة وعكسه تأثير بارنيت أو المغنطة بالدوران. [17] على سبيل المثال، يؤدي الدوران الأسرع للحلقة (في نفس الاتجاه) إلى زيادة التيار وبالتالي العزم المغناطيسي.

 

التفاعل مع المغناطيس

القوة بين المغناطيس

إن تحديد القوة بين مغناطيسين صغيرين أمر معقد للغاية لأنه يعتمد على قوة واتجاه كلا المغناطيسين وعلى المسافة بينهما واتجاههما بالنسبة لبعضهما البعض. هذه القوة حساسة بشكل خاص لدوران المغناطيس بسبب العزم المغناطيسي. تعتمد القوة المؤثرة على كل مغناطيس على عزمه المغناطيسي والمجال المغناطيسي للآخر [الملاحظة 7].

لفهم القوة بين المغناطيسات، من المفيد فحص نموذج القطب المغناطيسي الموضح أعلاه. في هذا النموذج، يقوم المجال H لمغناطيس واحد بدفع وسحب قطبي المغناطيس الثاني. إذا كان هذا المجال H هو نفسه عند قطبي المغناطيس الثاني، فلا توجد قوة محصلة تؤثر على ذلك المغناطيس لأن القوة معاكسة بالنسبة للأقطاب المتقابلة. ومع ذلك، إذا كان المجال المغناطيسي للمغناطيس الأول غير منتظم (مثل H بالقرب من أحد أقطابه)، فإن كل قطب من المغناطيس الثاني يرى مجالًا مختلفًا ويتعرض لقوة مختلفة. يؤدي هذا الاختلاف في القوتين إلى تحريك المغناطيس في اتجاه زيادة المجال المغناطيسي وقد يتسبب أيضًا في حدوث عزم دوران صافي.

هذا مثال محدد لقاعدة عامة مفادها أن المغناطيس ينجذب إلى المناطق ذات المجال المغناطيسي الأعلى (أو يتم صده اعتمادًا على اتجاه المغناطيس). أي مجال مغناطيسي غير منتظم، سواء كان ناتجًا عن مغناطيس دائم أو تيارات كهربائية، فإنه يؤثر بقوة على مغناطيس صغير.

تفاصيل نموذج حلقة أمبرين مختلفة وأكثر تعقيدًا، لكن النتيجة واحدة: أن ثنائيات القطب المغناطيسي تنجذب/تتنافر مع المناطق ذات المجال المغناطيسي الأعلى. رياضياً، القوة المؤثرة على مغناطيس صغير له عزم مغناطيسي m بسبب المجال المغناطيسي B هي: [18] : مكافئ. 11.42

 

 

حيث التدرج ∇ هو التغير في كمية m · B لكل وحدة مسافة واتجاه الزيادة القصوى لـ m · B. المنتج النقطي m · B = mB cos( θ )، حيث يمثل m و B حجم المتجهات m و B و θ هي الزاوية بينهما. إذا كانت m في نفس اتجاه B، يكون منتج النقطة موجبًا ويكون تدرج النقطة “صعودًا” يسحب المغناطيس إلى أعلى إلى مناطق ذات مجال B أكبر (بشكل أكثر دقة m · B ). هذه المعادلة صالحة فقط للمغناطيسات ذات الحجم صفر، ولكنها غالبًا ما تكون تقريبية جيدة للمغناطيسات غير الكبيرة جدًا. يتم تحديد القوة المغناطيسية المؤثرة على المغناطيسات الأكبر من خلال تقسيمها إلى مساحات أصغر، كل منها لها م، ومن ثم يتم جمع القوى المؤثرة على كل من هذه المساحات الصغيرة جدًا.

العزم المغناطيسي على المغناطيس الدائم

إذا تم تقريب قطبين متشابهين لمغناطيسين منفصلين من بعضهما البعض وتم السماح لأحد المغناطيسين بالدوران، فإنه يدور على الفور ليتوافق مع المغناطيس الأول. في هذا المثال، يخلق المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم عزمًا مغناطيسيًا على المغناطيس، والذي يكون حرًا في الدوران. تميل هذه اللحظة المغناطيسية τ إلى محاذاة أقطاب المغناطيس مع خطوط المجال المغناطيسي. ولذلك، تدور البوصلة لتتوافق مع المجال المغناطيسي للأرض.

وفقًا للنموذج القطبي، فإن الشحنتين المغناطيسيتين المتساويتين والمتقابلتين اللتين تواجهان نفس H تواجهان أيضًا قوى متساوية ومتعاكسة. وبما أن هذه القوى المتساوية والمتضادة تقع في أماكن مختلفة، فإنه يتم إنشاء عزم دوران يتناسب مع المسافة (عمودي مع القوة) بينهما. تعريف m على أنه قوة القطب مضروبة في المسافة بين القطبين، يؤدي هذا إلى τ = μ 0 m H sin θ، حيث μ 0 هو ثابت يسمى الفراغ، قياس 4π × 10–7 نفاذية V · s / (A · m ) و θ هي الزاوية بين H و m.

رياضيًا، يتناسب عزم الدوران τ على مغناطيس صغير مع كل من المجال المغناطيسي المطبق والعزم المغناطيسي m للمغناطيس:

 

 

حيث يمثل x حاصل الضرب المتجهي. تحتوي هذه المعادلة على جميع المعلومات النوعية المذكورة أعلاه. لا يوجد عزم دوران على المغناطيس إذا كان m هو اتجاه المجال المغناطيسي، لأن حاصل الضرب المتقاطع يساوي صفرًا لمتجهين في نفس الاتجاه. بالإضافة إلى ذلك، فإن جميع الاتجاهات الأخرى تشعر بعزم دوران يجعلها في اتجاه المجال المغناطيسي.

التفاعل مع التيارات الكهربائية

يؤدي تدفق الشحنات الكهربائية إلى إنشاء مجال مغناطيسي والشعور بالقوة بسبب المجالات المغناطيسية B.

المجال المغناطيسي الناتج عن الشحنات المتحركة والتيارات الكهربائية

تنتج جميع الجسيمات المشحونة المتحركة مجالًا مغناطيسيًا. تنتج الشحنات النقطية المتحركة، مثل الإلكترونات، مجالات مغناطيسية معقدة ولكنها معروفة تعتمد على شحنة الجسيمات وسرعتها وتسارعها. [19]

تشكل خطوط المجال المغناطيسي دوائر متحدة المركز حول موصل أسطواني يحمل تيارًا، مثل طول السلك. يمكن تحديد اتجاه هذا المجال المغناطيسي باستخدام “قاعدة اليد اليمنى” (انظر الشكل على اليمين). تتناقص قوة المجال المغناطيسي مع المسافة من السلك. (بالنسبة لسلك ذو طول لا نهائي، فإن القوة تتناسب عكسيًا مع المسافة).

يؤدي ثني سلك يحمل تيارًا في ملف إلى تركيز المجال المغناطيسي داخل الملف وإضعافه في الخارج. إن ثني السلك في عدة حلقات متباعدة بشكل وثيق لتشكيل ملف أو “ملف لولبي” يعزز هذا التأثير. قد يعمل الجهاز المتكون حول نواة حديدية فعالة كمغناطيس كهربائي ويولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا ويمكن التحكم فيه جيدًا. يحتوي المغناطيس الكهربائي الأسطواني اللانهائي على مجال مغناطيسي منتظم في الداخل ولا يوجد مجال مغناطيسي في الخارج. ينتج المغناطيس الكهربائي ذو الطول المحدود مجالًا مغناطيسيًا مشابهًا للمجال المغناطيسي الناتج عن مغناطيس دائم منتظم تتحدد قوته وقطبيته بواسطة التيار المتدفق عبر الملف.

المجال المغناطيسي الناتج عن تيار ثابت I (تدفق ثابت للشحنات الكهربائية، حيث لا تتراكم الشحنة أو يتم تفريغها في أي نقطة) [ملاحظة 8] يوصف بقانون بيوت-سافارت: [20]: 224

حيث يكون المجموع المتكامل على طول السلك حيث المتجه d ℓ هو عنصر المتجه الخطي بنفس اتجاه التيار I، μ 0 هو الثابت المغناطيسي، r هي المسافة بين الموقع d ℓ والموقع حيث يتم حساب المجال المغناطيسي، و r هو متجه الوحدة في الاتجاه r. على سبيل المثال، بالنسبة لسلك طويل ومستقيم بما فيه الكفاية، يصبح هذا:

حيث ص = | | . يكون اتجاه مماس الدائرة عموديًا على السلك وفقًا لقاعدة اليد اليمنى. [20] : 225

 

طريقة أكثر عمومية قليلاً [21] [الملاحظة 9] لربط I للمجال B من خلال قانون أمبير:

حيث يكون الخط متكاملاً على أي حلقة تعسفية وأنا enc التيار محاط بتلك الحلقة. يكون قانون أمبير صالحًا دائمًا للتيارات الثابتة ويمكن استخدامه لحساب المجال B لبعض المواقف شديدة التناظر مثل سلك لا نهائي أو ملف لولبي لا نهائي.

 

قانون أمبير، في شكل معدل يأخذ في الاعتبار المجالات الكهربائية المتغيرة بمرور الوقت، هو أحد معادلات ماكسويل الأربع التي تصف الكهرباء والمغناطيسية.

القوة على تحريك الأحمال والتيار

القوة المؤثرة على الجسيم المشحون للمحرك الكهربائي

يواجه جسيم مشحون يتحرك في المجال B قوة جانبية تتناسب مع قوة المجال المغناطيسي، ومكون السرعة المتعامدة مع المجال المغناطيسي، وشحنة الجسيم. تُعرف هذه القوة باسم قوة لورنتز وتعطى بواسطة

حيث F هي قوة السرعة، q هي الشحنة الكهربائية للجسيم، v هو عزم الجسيم، و B هو المجال المغناطيسي (بالتسلا).

 

تكون قوة لورنتز دائمًا متعامدة مع سرعة الجسيم والمجال المغناطيسي الذي يخلقه. عندما يتحرك جسيم مشحون في مجال مغناطيسي ثابت، فإنه يتبع مسارًا حلزونيًا حيث يكون محور الحلزون موازيًا للمجال المغناطيسي وحيث تظل سرعة الجسيم ثابتة. وبما أن القوة المغناطيسية تكون دائمًا متعامدة مع الحركة، فإن المجال المغناطيسي لا يمكنه فعل أي شيء بشحنة فردية. [22] [23] يمكن أن يعمل فقط بشكل غير مباشر، من خلال مجال كهربائي ناتج عن مجال مغناطيسي متغير. غالبًا ما يُزعم أن القوة المغناطيسية يمكنها بذل شغل على ثنائي القطب المغناطيسي أو الجسيمات المشحونة التي تكون حركتها مقيدة بقوى أخرى، لكن هذا غير صحيح [24] لأن الشغل في هذه الحالات يتم بواسطة قوى كهربائية. الشحنات المنحرفة بواسطة المجال المغناطيسي.

القوة المؤثرة على السلك الذي يحمل التيار

إن القوة المؤثرة على السلك الذي يحمل تيارًا تشبه القوة المؤثرة على الشحنة المتحركة، لأن السلك الذي يحمل تيارًا عبارة عن مجموعة من الشحنات المتحركة. يشعر سلك يحمل تيارًا بقوة في وجود مجال مغناطيسي. غالبًا ما تُعرف قوة لورنتز في التدفق العياني باسم قوة لابلاس. خذ بعين الاعتبار موصلًا بطول ℓ ومقطع عرضي A وشحنة q بسبب التيار الكهربائي i. إذا تم وضع هذا الموصل في مجال مغناطيسي له حجم B لزاوية θ التي تولد شحنات في الموصل بسرعة، فإن القوة المطبقة على شحنة واحدة q تساوي

ولذلك، لرسوم N حيث

هي القوة المطبقة على الموصل

حيث i = nqvA .

 

العلاقة بين H و B

الصيغ التي تم الحصول عليها للمجال المغناطيسي العالي صحيحة عند التعامل مع التيار الكلي. إن المادة المغناطيسية الموضوعة داخل مجال مغناطيسي تنتج نفسها، وهو تيار محدود قد يكون من الصعب حسابه. (يرجع هذا التيار المحدود إلى مجموع حلقات التيار ذات الحجم الذري ودوران الجسيمات دون الذرية مثل الإلكترونات التي تشكل المادة.) يساعد الحقل H، كما هو محدد أعلاه، في تحديد هذا التيار المحدود. من المفيد تقديم مفهوم المغناطيسية، ولكن لنرى كيف، أولاً.

مغنطة

يشير المجال المغناطيسي المتجه M إلى شدة مغنطة منطقة من المادة. يتم تعريفه على أنه صافي عزم ثنائي القطب المغناطيسي لكل وحدة حجم من تلك المنطقة. ولذلك فإن مغنطة المغناطيس المنتظم هي ثابت مادي يساوي العزم المغناطيسي m للمغناطيس مقسومًا على حجمه. نظرًا لأن وحدة SI للعزم المغناطيسي هي A⋅m 2 ، فإن وحدة SI للمغناطيس M هي أمبير متر، وهو نفس المجال H.

المجال المغناطيسي M لمنطقة ما هو في اتجاه متوسط ​​عزم ثنائي القطب المغناطيسي في تلك المنطقة. ولذلك فإن خطوط المجال المغناطيسي تبدأ بالقرب من القطب الجنوبي المغناطيسي وتنتهي بالقرب من القطب الشمالي المغناطيسي. (ليس هناك مغناطيسية خارج المغناطيس).

في نموذج حلقة الأمبيرين، ترجع المغنطة إلى اتحاد العديد من حلقات الأمبيرين الصغيرة لتكوين تيار يسمى التيار المحدود. ولذلك فإن هذا التيار المحدود هو مصدر المجال المغناطيسي B الناتج عن المغناطيس. وفقًا لتعريف ثنائي القطب المغناطيسي، يتبع المجال المغناطيسي قانونًا مشابهًا لقانون أمبير: [25]

حيث التكامل هو خط متكامل على كل حلقة مغلقة و I b هو التيار المحدود المحاط بتلك الحلقة المغلقة.

 

في نموذج القطب المغناطيسي، تبدأ المغنطة من القطبين المغناطيسيين وتنتهي عندهما. لذلك، إذا كانت منطقة معينة تتمتع بصافي “قوة قطب مغناطيسي” إيجابية (بالنسبة إلى القطب الشمالي)، فإن خطوط المجال المغناطيسي الداخلة إليها تكون أكثر من الخارجة منها. رياضياً، هذا يعادل:

حيث التكامل هو تكامل سطح مغلق على السطح المغلق S و q M هو “الشحنة المغناطيسية” (في وحدات التدفق المغناطيسي) المحاطة بـ S. (يحيط السطح المغلق تمامًا بمنطقة لا تحتوي على أي ثقوب لخروج خطوط المجال.) وتحدث الإشارة السلبية لأن المجال المغناطيسي يتحرك من الجنوب إلى الشمال.

 

H المجال والمواد المغناطيسية

في وحدات SI، يرتبط الحقل H بالمجال B

 

ومن حيث المجال H فهو قانون أمبير

حيث يمثل I f التيار الحر المحيط بالحلقة بحيث لا يعتمد الخط المتكامل H بأي شكل من الأشكال على التيارات المرتبطة. [26]

 

للحصول على المعادلة التفاضلية لهذه المعادلة، انظر معادلات ماكسويل. قانون أمبير يؤدي إلى الشرط الحدودي

حيث K f هي كثافة التيار الحر السطحي والوحدة العادية n ^ ويشير في الاتجاه من المتوسط ​​2 إلى المتوسط ​​1. [27]

 

وبالمثل، فإن التكامل السطحي H فوق أي سطح مغلق يكون مستقلاً عن التيار الحر ويختار “الشحنات المغناطيسية” على هذا السطح المغلق:

 

والتي لا تعتمد على التدفقات الحرة.

ولذلك يمكن تقسيم المجال H المستقل [الملاحظة 10] إلى قسمين:

 

حيث H 0 هو المجال المغناطيسي المطبق فقط بسبب التيارات الحرة و H d هو مجال إزالة المغناطيسية فقط بسبب التيارات المحدودة.

ولذلك، فإن المجال المغناطيسي H يغير التيار المحدد من حيث “الشحنات المغناطيسية”. خطوط المجال H. إنها تدور فقط حول “التيار الحر” وعلى عكس المجال المغناطيسي B، فإنها تبدأ وتنتهي أيضًا بالقرب من القطبين المغناطيسيين.

المغناطيسية

تستجيب معظم المواد للمجال B المطبق ذاتيًا عن طريق إنتاج المجال المغناطيسي الخاص بها M وبالتالي المجال B. عادةً ما تكون الاستجابة ضعيفة ولا تظهر إلا عند تطبيق مجال مغناطيسي. يصف مصطلح المغناطيسية كيفية استجابة المواد للمجال المغناطيسي المطبق على المستوى المجهري ويستخدم لتصنيف الطور المغناطيسي للمادة. تنقسم المواد إلى مجموعات حسب سلوكها المغناطيسي:

• تخلق المواد المغناطيسية [28] مغنطة تعارض المجال المغناطيسي.
• تولد المواد البارامغناطيسية [28] مغناطيسية في نفس اتجاه المجال المغناطيسي المطبق.
• يمكن مغنطة المواد المغناطيسية القريبة والمواد المغناطيسية الحديدية والمواد المضادة للمغناطيسية [29] [30] بشكل مستقل عن المجال B المطبق مع وجود علاقة معقدة بين المجالين.
• الموصلات الفائقة (والموصلات الفائقة المغناطيسية الحديدية) [31] [32] هي مواد تتميز بالتوصيل الكامل تحت درجة الحرارة الحرجة والمجال المغناطيسي. كما أنها مغناطيسية للغاية ويمكن أن تكون مغناطيسات كاملة تحت مجال مغناطيسي منخفض حرج. غالبًا ما تحتوي الموصلات الفائقة على نطاق واسع من درجات الحرارة والمجالات المغناطيسية (إظهار ما يسمى بالحالة المختلطة)، والتي بموجبها يكون الاعتماد الهستيري المعقد لـ M على B.

في حالة البارامغناطيسية وضعف النفاذية المغناطيسية، غالبًا ما تكون المغنطة M متناسبة مع المجال المغناطيسي المطبق بحيث:

حيث μ هي معلمة تعتمد على المادة تسمى النفاذية. في بعض الحالات، قد تكون النفاذية موترًا تربيعيًا بحيث لا تكون H في اتجاه B. هذه العلاقات بين B وH هي أمثلة على المعادلات التأسيسية. ومع ذلك، فإن الموصلات الفائقة والمغناطيسات الحديدية لها علاقة أكثر تعقيدًا من B إلى H. انظر التباطؤ المغناطيسي.

 

طاقة مخزنة

الطاقة اللازمة لإنتاج مجال مغناطيسي مطلوبة للعمل ضد المجال الكهربائي الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا ولتغيير مغنطة أي مادة في المجال المغناطيسي. بالنسبة للمواد غير المشتتة، يتم إطلاق نفس الطاقة عند إزالة المجال المغناطيسي بحيث يمكن نمذجة الطاقة على أنها مخزنة في المجال المغناطيسي.

بالنسبة للمواد الخطية وغير المشتتة (مثل B = μ H حيث μ مستقلة عن التردد)، فإن كثافة الطاقة تساوي:

 

 

إذا لم تكن هناك مادة مغناطيسية حولها، فيمكن استبدال μ بـ μ 0 . ومع ذلك، لا يمكن استخدام المعادلة المذكورة أعلاه للمواد غير الخطية. وينبغي استخدام مصطلح أكثر عمومية يرد أدناه.

بشكل عام، مقدار الشغل الإضافي لكل وحدة حجم δW المطلوبة لإحداث تغيير بسيط في المجال المغناطيسي δB هو:

 

 

بمجرد معرفة العلاقة بين H وB، يتم استخدام هذه المعادلة لتحديد الشغل المطلوب لتحقيق حالة مغناطيسية معينة. بالنسبة للمواد الهستيرية مثل المغناطيسات الحديدية والموصلات الفائقة، يعتمد العمل المطلوب أيضًا على كيفية توليد المجال المغناطيسي. ومع ذلك، بالنسبة للمواد الخطية غير المشتتة، فإن المعادلة العامة تؤدي مباشرة إلى معادلة كثافة الطاقة الأبسط الموضحة أعلاه.

المظهر في معادلات ماكسويل

مثل جميع الحقول المتجهة، يمتلك المجال المغناطيسي خاصيتين رياضيتين مهمتين تربطه بمصادره. (بالنسبة إلى B، تتغير مصادر تكوين التيار والمجالات الكهربائية.) هاتان السمتان، بالإضافة إلى السمتين المقابلتين للمجال الكهربائي، تعطيان معادلات ماكسويل. تشكل معادلات ماكسويل مع قانون قوة لورنتز وصفًا كاملاً للديناميكا الكهربائية الكلاسيكية بما في ذلك الكهرباء والمغناطيسية.

خاصية التباعد الأولى هي حقل متجه A، ∇ · A، والذي يوضح كيف “يتدفق” A من نقطة إلى الخارج. كما هو موضح أعلاه، لا يبدأ خط المجال B أو ينتهي عند نقطة واحدة أبدًا، ولكنه يشكل حلقة كاملة. وهذا يعادل رياضيًا القول بأن تباعد B يساوي صفرًا. (تسمى هذه الحقول المتجهة حقول ناقلات الملف اللولبي.) وتسمى هذه الخاصية قانون غاوس للمغناطيسية وهي تعادل العبارة التي تقول إنه لا يوجد قطب مغناطيسي معزول أو أحادي القطب المغناطيسي.

الخاصية الرياضية الثانية تسمى تجعيد، حيث ∇ × A يمثل كيفية تجعيد A أو تجعيده حول نقطة معينة. نتيجة الحلقة تسمى “مصدر الدورة الدموية”. تسمى معادلات الحلقة B وE بمعادلة أمبير-ماكسويل وقانون فاراداي، على التوالي.

قانون غاوس للمغناطيسية

من السمات المهمة للمجال المغناطيسي B الذي يتم إنتاجه بهذه الطريقة هو أن خطوط المجال لا تبدأ ولا تنتهي (رياضيًا، B عبارة عن حقل متجه ذو ملف لولبي). قد يمتد خط المجال إلى ما لا نهاية فقط، أو يلتف حول نفسه ليشكل منحنى مغلقًا، أو يتبع مسارًا لا نهاية له (ربما فوضويًا). [33] تخرج خطوط المجال المغناطيسي من المغناطيس بالقرب من القطب الشمالي وتدخل بالقرب من القطب الجنوبي، ولكن داخل المغناطيس تستمر خطوط المجال B شمالًا عبر المغناطيس. [ملاحظة 11] إذا دخل خط المجال B إلى المغناطيس في مكان ما، فيجب أن يخرج من مكان آخر. لا يجوز أن يكون لها نقطة نهاية.

وبشكل أكثر رسمية، بما أن جميع خطوط المجال المغناطيسي التي تدخل أي منطقة معينة يجب أن تترك تلك المنطقة أيضًا، فإن “عدد” [الملاحظة 12] لخطوط المجال التي تدخل المنطقة يساوي الرقم الذي يغادرها.اطرح صفرًا. رياضياً، هذا يعادل قانون غاوس للمغناطيسية:

حيث التكامل هو تكامل سطحي فوق سطح مغلق S (السطح المغلق هو السطح الذي يحيط بمنطقة ما بالكامل دون أي ثقوب لتهرب خطوط المجال منها). بما أن d A يشير إلى الخارج، فإن حاصل الضرب النقطي في التكامل يكون موجبًا للمجال B وسالبًا للمجال B الداخلي.

 

قانون فاراداي

إن المجال المغناطيسي المتغير، مثل المغناطيس الذي يتحرك عبر ملف موصل، يخلق مجالًا كهربائيًا (وبالتالي يميل إلى تحفيز التيار في مثل هذا الملف). يُعرف هذا القانون بقانون فاراداي ويشكل الأساس للعديد من المولدات الكهربائية والمحركات الكهربائية. رياضيا قانون فاراداي هو:

 

حيث E القوة الدافعة الكهربائية (أو EMF، الجهد الناتج حول حلقة مغلقة) و Φ هي التدفق المغناطيسي – حاصل ضرب المساحة في المجال المغناطيسي الطبيعي لتلك المنطقة. (هذا التعريف للتدفق المغناطيسي هو السبب وراء الإشارة إلى B غالبًا بكثافة التدفق المغناطيسي.) [34] : 210 تشير الإشارة السلبية إلى حقيقة أن أي تيار ناتج عن مجال مغناطيسي متغير في الملف يتم إنشاؤه، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا المجال الذي هو عكس التغير في المجال المغناطيسي الذي تسبب فيه. تُعرف هذه الظاهرة بقانون العدسة. يمكن تحويل هذه الصيغة المتكاملة لقانون فاراداي [الملاحظة 13] إلى صيغة تفاضلية تنطبق في ظل ظروف مختلفة قليلاً.

 

 

قانون أمبير وتصحيح ماكسويل

على غرار الطريقة التي يخلق بها المجال المغناطيسي المتغير مجالًا كهربائيًا، يخلق المجال الكهربائي المتغير مجالًا مغناطيسيًا. تُعرف هذه الحقيقة باسم تصحيح ماكسويل لقانون أمبير وتستخدم كمصطلح إضافي لقانون أمبير كما هو مذكور أعلاه. يتناسب هذا الحد الإضافي مع المعدل الزمني لتغير التدفق الكهربائي ويشبه قانون فاراداي أعلاه ولكن مع ثابت خارجي مختلف وإيجابي. (إن التدفق الكهربائي عبر منطقة ما يتناسب مع مساحة الجزء العمودي من المجال الكهربائي.)

يُعرف القانون الكامل بما في ذلك مصطلح التصحيح بمعادلة ماكسويل أمبير. ولا يتم إعطاؤه عادةً بشكل متكامل لأن تأثيره صغير جدًا بحيث يمكن عادةً إهماله في معظم الحالات التي يتم فيها استخدام الشكل التكاملي.

إن مصطلح ماكسويل مهم جدًا في إنشاء وانتشار الموجات الكهرومغناطيسية. يشرح تصحيح ماكسويل لقانون أمبير، إلى جانب قانون فاراداي للحث، كيف تحافظ المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة على بعضها البعض، مما يؤدي إلى موجات كهرومغناطيسية مثل الضوء: المجال الكهربائي المتغير يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا، مما يخلق مجالًا كهربائيًا متغيرًا مجال. ومع ذلك، يتم وصفها عادة باستخدام الشكل التفاضلي لهذه المعادلة الواردة أدناه.

 

 

حيث J هي كثافة التيار المجهرية الكاملة.

كما نوقش أعلاه، تستجيب المواد للمجال الكهربائي المطبق E والمجال المغناطيسي المطبق B عن طريق إنتاج شحناتها الداخلية “المحدودة” وتوزيعات التيار، والتي تساهم في E وB ولكن يصعب حسابها. للتحايل على هذه المشكلة، يتم استخدام الحقول H وD لإعادة بناء معادلات ماكسويل من حيث كثافة التدفق الحر Jf:

 

 

هذه المعادلات ليست أكثر عمومية من المعادلات الأصلية (إذا كانت الشحنات والتيارات “المحدودة” معروفة في المادة). وينبغي أيضًا استكمالها بالعلاقة بين B وH وكذلك بين E وD. من ناحية أخرى، بالنسبة للعلاقات البسيطة بين هذه الكميات، يمكن لهذا الشكل من معادلات ماكسويل تجاوز الحاجة إلى حساب الأحمال والتيارات المحدودة.

صيغ في النسبية الخاصة والديناميكا الكهربائية الكمومية

الديناميكا الكهربائية النسبية

كجوانب مختلفة للظاهرة

وفقًا للنظرية النسبية الخاصة، فإن فصل القوة الكهرومغناطيسية إلى مكونات كهربائية ومغناطيسية منفصلة ليس أمرًا أساسيًا، ولكنه يختلف عن الإطار المرجعي للرصد: فالقوة الكهربائية التي يدركها أحد المراقبين قد يدركها مراقب آخر (في إطار مختلف). مرجع) كقوة مغناطيسية أو خليط من القوى الكهربائية والمغناطيسية.

يمكن إظهار المجال المغناطيسي الموجود كمجال كهربائي في إطارات أخرى من خلال مطابقة المعادلات التي تم الحصول عليها من تحويل أربع قوى لورنتز من قانون كولوم في إطار بقية الجسيمات مع قوانين ماكسويل، مع مراعاة تعريف المجالات من قوة لورنتز وظروف عدم التسارع. يتم الحصول على شكل المجال المغناطيسي الناتج عن تحويل لورنتز للقوى الأربع من شكل قانون كولوم في الإطار الأولي للمصدر على النحو التالي: [35]

حيث س هي تهمة مصدر النقطة، ص هو متجه الموضع من نقطة المصدر إلى نقطة في الفضاء، v هو متجه سرعة الجسيم المشحون، ب نسبة سرعة الجسيم المشحون مقسومة على سرعة الضوء و أنا الزاوية الواقعة بين ص و ضد . يمكن إثبات أن هذا النوع من المجال المغناطيسي يفي بقوانين ماكسويل في حدود الجسيمات غير المتسارعة. [36] لاحظ أن ما ورد أعلاه يختزل إلى قانون Biot-Savart (للتدفق غير النسبي b ≪ 1) ).

 

الرتبة 2، والتي تسمى رسميًا النسبية الخاصة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية في موتر واحد، تجمع بين الموتر الكهرومغناطيسي. يؤدي تغيير الإطارات المرجعية إلى خلط هذه المكونات. وهذا مشابه للطريقة التي تمزج بها النسبية الخاصة المكان والزمان مع الزمكان والكتلة والزخم والطاقة في أربعة زخم. [37] وبالمثل، يتم خلط الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي مع الطاقة المخزنة في المجال الكهربائي في موتر طاقة الإجهاد الكهرومغناطيسي.

إمكانات المتجهات المغناطيسية

في المواضيع المتقدمة مثل ميكانيكا الكم والنسبية، غالبًا ما يكون من الأسهل التعامل مع صيغة الجهد الكهروديناميكي بدلاً من المجالات الكهربائية والمغناطيسية. في هذا التمثيل، يتم تعريف إمكانات المتجه المغناطيسي A والجهد العددي الكهربائي φ بهذه الطريقة، باستخدام مثبت:

.

 

يمكن تفسير إمكانات المتجه A المعطاة بهذا النموذج على أنها زخم محتمل معمم لكل وحدة شحنة [38]، تمامًا كما يتم تفسير φ على أنها طاقة محتملة معممة لكل وحدة شحنة. هناك العديد من الاختيارات التي يمكن إجراؤها للمجالات المحتملة التي تستوفي المعايير المذكورة أعلاه. ومع ذلك، تتم الإشارة إلى اختيار الإمكانات من خلال شروط القياس ذات الصلة.

عندما يتم التعبير عن معادلات ماكسويل بدلالة قياس لورنتز، يمكن تحويلها إلى شكل يتوافق مع النسبية الخاصة. [39] في النسبية، يشكل A مع φ أربعة إمكانات، بغض النظر عن ظروف القياس، على غرار الزخم الأربعة الذي يجمع بين زخم وطاقة الجسيم. إن استخدام أربعة جهود بدلاً من الموتر الكهرومغناطيسي له ميزة أنه أبسط بكثير ويمكن تعديله بسهولة للعمل مع ميكانيكا الكم.

انتشار المجالات الكهربائية والمغناطيسية

تفرض النظرية النسبية الخاصة شرطًا بأن تكون الأحداث المرتبطة سببيًا منفصلة زمنيًا، أي أن الفعالية السببية لا تنتشر بشكل أسرع من الضوء. [40] تفضل معادلات ماكسويل للكهرومغناطيسية هذا لأن الاضطرابات الكهربائية والمغناطيسية تنتقل عبر الفضاء بسرعة الضوء. تتبع المجالات الكهربائية والمغناطيسية من الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية مبدأ الموضعية في الفيزياء ويتم التعبير عنها من حيث زمن التأخير، أو الوقت الذي ينشأ فيه سبب المجال المقاس، نظرًا لأن تأثير المجال ينتقل بسرعة الضوء. يُعطى زمن التأخير لجسيم نقطي بالحل التالي:

ر ص = ر – | ص – ص ( ر ص ) | ج

حيث ر أو هو الوقت المتأخر الذي تنشأ فيه مساهمة المصدر في الحقل، r s (t) هو متجه موضع الجسيم من حيث الزمن، r وهذه النقطة في الفضاء، ر إنه عندما يتم قياس الحقول و ج سرعة الضوء هي هذه المعادلة تطرح الزمن اللازم للضوء للانتقال من جسيم إلى نقطة في الفضاء من زمن القياس لإيجاد زمن المجالات. تفرد الحل لـ TR نظرا ل ر ، ص و ص (ر) صالحة للجسيمات المشحونة التي تتحرك بسرعة أبطأ من سرعة الضوء. [41]

المجال المغناطيسي لشحنة نقطة متحركة تعسفية

يتم التعبير عن حل معادلات ماكسويل للمجال الكهربائي والمغناطيسي لشحنة نقطية بدلالة زمن التأخير، أو الوقت الذي يستغرقه الجسيم لإثارة المجال عند نقطة في الماضي، مع العلم أن التأثير ينتقل عبر الفضاء عند النقطة في الماضي. سرعة الضوء. .

إن أي حركة عشوائية لشحنة النقطة تؤدي إلى إيجاد المجالات الكهربائية والمغناطيسية من خلال حل معادلات ماكسويل باستخدام دالة جرين للجهود العكسية، ومن هنا نجد الحقول التالية:

أ (ص، t) = م 0 ج 4 ع (q ب ث (1 – ن ث ⋅ ب ث) | ص – ص ث | ) t = t r = ب ث (ر ص) ج فاي (ص، ر)

ب (ص, t) = م 0 4 ص ( ف ج ( ب ث × ن ث ) ج 2 ( 1 – ن ث ⋅ ب ث ) 3 | ص – ص s | 2 + qn s × ( ن ث × ( ن ث – ب ث ) × ب ث˙ ) ( 1 – n ث ⋅ ب ث ) 3 | r – r s | ) t = t r = n s ( t r ) j × E ( r , t )

حيث فاي (ص، ر) والفن) الإمكانات العددية الكهربائية وإمكانات المتجهات المغناطيسية في مقياس لورنتز، ف هي شحنة المصدر النقطي, n s ( r , t ) هو متجه وحدة يشير من الجسيم المشحون إلى نقطة في الفضاء، bs (t) سرعة الجسيم مقسومة على سرعة الضوء و c (t) يرتبط عامل لورنتز. ولذلك، واستنادًا إلى مبدأ التراكب، فإن مجالات النظام غالبًا ما تتبع مبدأ المحلية.

الديناميكا الكهربائية الكمية

ليس المجال الكهرومغناطيسي كلاسيكيًا في الفيزياء الحديثة، فهو حقل، لكنه حقل كمي. ولا يتم تمثيله كمتجه لثلاثة أرقام عند كل نقطة، ولكن كمتجه لثلاثة عوامل كمومية عند كل نقطة. الوصف الحديث الأكثر دقة للتفاعل الكهرومغناطيسي (وأشياء أخرى كثيرة) هو الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED)، [42] والتي تم دمجها في نظرية أكثر اكتمالا تسمى النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

في QED، يتم حساب حجم التفاعلات الكهرومغناطيسية بين الجسيمات المشحونة (والجسيمات المضادة لها) باستخدام نظرية الاضطراب. تخلق هذه الصيغ المعقدة نوعًا ما تمثيلًا مرئيًا رائعًا مثل مخططات فاينمان التي يتم فيها تبادل الفوتونات الافتراضية.

تتطابق تنبؤات QED مع التجارب بدقة عالية جدًا: حاليًا حوالي 10-12 (وتحدها الأخطاء التجريبية). لمزيد من التفاصيل، راجع اختبارات QED التفصيلية. وهذا يجعل QED واحدة من النظريات الفيزيائية الأكثر دقة التي تم تطويرها على الإطلاق.

جميع المعادلات في هذه الورقة موجودة بالتقريب الكلاسيكي، وهو أقل دقة من الوصف الكمي الوارد هنا. ومع ذلك، في معظم المواقف اليومية، يكون الفرق بين النظريتين ضئيلًا.

استخدام الحالات والأمثلة

المجال المغناطيسي للأرض

يتم إنتاج المجال المغناطيسي للأرض من خلال حركة سبيكة الحديد السائلة في اللب الخارجي. في عملية الدينامو، تؤدي الحركات إلى عملية تغذية مرتدة حيث تقوم التيارات الكهربائية بإنشاء مجالات كهربائية ومغناطيسية تؤثر بدورها على التيارات. [43]

إن المجال الموجود على سطح الأرض هو نفسه تقريبًا كما لو تم وضع قضيب مغناطيسي عملاق في مركز الأرض وإمالته بزاوية تبلغ حوالي 11 درجة من محور دوران الأرض (انظر الشكل). [٤٤] يشير القطب الشمالي لإبرة البوصلة المغناطيسية إلى الشمال تقريبًا، باتجاه القطب الشمالي المغناطيسي. ومع ذلك، بما أن القطب المغناطيسي ينجذب إلى الجانب الآخر، فإن القطب المغناطيسي الشمالي هو في الواقع القطب الجنوبي للمجال المغنطيسي الأرضي. وينشأ هذا الخلط في المصطلحات لأن قطب المغناطيس يتحدد باتجاهه الجغرافي. [45]

المجال المغناطيسي للأرض ليس ثابتًا، حيث تختلف قوة المجال وموقع أقطابه. [46] بالإضافة إلى ذلك، يعكس القطبان اتجاههما بشكل دوري في عملية تسمى الانعكاس المغناطيسي الأرضي. حدث الانقلاب الأخير منذ 780 ألف سنة. [47]

المجالات المغناطيسية الدوارة

يعد المجال المغناطيسي الدوار مبدأ أساسيًا في تشغيل محركات التيار المتردد. يدور المغناطيس الدائم في مثل هذا المجال بطريقة تحافظ على توافقه مع المجال الخارجي. تم تصور هذا التأثير بواسطة نيكولا تيسلا واستخدمه لاحقًا في محركاته الكهربائية المبكرة (التيار المتناوب) وغيرها.

يستخدم العزم المغناطيسي لتشغيل المحركات الكهربائية. في تصميم محرك بسيط، يتم تثبيت المغناطيس على عمود يدور بحرية ويتعرض للمجال المغناطيسي لمجموعة من المغناطيسات الكهربائية. مع تغير التيار الكهربائي عبر كل من المغناطيسات الكهربائية بشكل مستمر، تتغير قطبية مجالاتها المغناطيسية نتيجة لذلك، كما هو الحال مع الأقطاب التي يحملها الجزء المتحرك. ينتقل عزم الدوران الناتج إلى العمود.

يمكن إنشاء مجال مغناطيسي دوار باستخدام ملفين متعامدين مع فرق طور قدره 90 درجة في تياراتهما المتناوبة. ومع ذلك، من الناحية العملية، يتم توفير مثل هذا النظام من خلال ترتيب ثلاثي الأسلاك مع تيارات غير متساوية.

يخلق هذا عدم المساواة مشاكل خطيرة في توحيد حجم الموصل، ولحلها يتم استخدام أنظمة ثلاثية الطور حيث تكون التيارات الثلاثة متساوية في الحجم ولها فرق طور قدره 120 درجة. تعمل ثلاث ملفات متطابقة بزوايا هندسية متبادلة تبلغ 120 درجة على إنشاء مجال مغناطيسي دوار في هذا الوضع. تعد قدرة النظام ثلاثي الطور على إنشاء مجال دوار، المستخدم في المحركات الكهربائية، أحد الأسباب الرئيسية لهيمنة الأنظمة ثلاثية الطور على أنظمة إمداد الطاقة.

تستخدم المحركات المتزامنة ملفات دوارة يتم تغذيتها بجهد تيار مستمر، مما يسمح بالتحكم في إثارة الماكينة، وتستخدم المحركات التحريضية ذات الدائرة القصيرة دوارات (بدلاً من المغناطيس) تتبع المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت متعدد اللفات. تؤدي دورات الدائرة القصيرة للجزء المتحرك إلى إنشاء تيارات دوامية في المجال الدوار للجزء الثابت، وهذه التيارات بدورها تحرك الجزء المتحرك بواسطة قوة لورنتز.

في عام 1882، حدد نيكولا تيسلا مفهوم المجال المغناطيسي الدوار. في عام 1885، قام جاليليو فيراريس بالتحقيق بشكل مستقل في هذا المفهوم. وفي عام 1888، حصل تسلا على براءة الاختراع الأمريكية رقم 381,968 عن عمله. وفي عام 1888 أيضًا، نشر فيراريس بحثه في ورقة قدمها إلى الأكاديمية الملكية للعلوم في تورينو.

جلوه هال

تتعرض حاملات الشحنة لموصل يحمل تيارًا موضوعًا في مجال مغناطيسي عرضي لقوة لورنتز الجانبية. وهذا يؤدي إلى فصل الشحنة في الاتجاه العمودي على المجال الحالي والمغناطيسي. يتناسب الجهد الناتج في هذا الاتجاه مع المجال المغناطيسي المطبق. وهذا ما يُعرف بتأثير هول.

غالبًا ما يستخدم تأثير هول لقياس حجم المجال المغناطيسي. كما أنها تستخدم للعثور على علامة حاملات الشحنة المهيمنة في مواد مثل أشباه الموصلات (الإلكترونات السالبة أو الثقوب الإيجابية).

الدوائر المغناطيسية

أحد التطبيقات المهمة لـ H هو في الدوائر المغناطيسية حيث B = μH داخل مادة خطية. حيث μ هي النفاذية المغناطيسية للمادة. هذه النتيجة مشابهة من حيث الشكل لقانون أوم J = σ E، حيث J هي كثافة التيار، σ هي الموصلية، وE هو المجال الكهربائي. ومن خلال توسيع هذا التشبيه، فإن ما يعادل قانون أوم العياني (I = V ⁄ R) هو كما يلي:

 

 

حيث fi = 𝔻 ب ⋅ د أ التدفق المغناطيسي في الدائرة هو F = 𝔻 H ⋅ D ℓ هي القوة الدافعة الممغنطة المطبقة على الدائرة و Rm هي ممانعة الدائرة. هنا التردد هو Rm. كمية تشبه المقاومة للتدفق باستخدام هذا القياس، من السهل حساب التدفق المغناطيسي لأشكال هندسية معقدة للمجال المغناطيسي، باستخدام جميع التقنيات المتاحة في نظرية الدوائر.

أكبر المجالات المغناطيسية

يجب تحديث هذا القسم. الرجاء المساعدة في تحديث هذه المقالة لتعكس الأحداث الأخيرة أو المعلومات المتوفرة حديثًا. آخر تحديث: أكتوبر 2018 (يوليو 2021)

اعتبارًا من أكتوبر 2018، كان أكبر مجال مغناطيسي يتم إنتاجه في حجم مجهري خارج بيئة المختبر هو 2.8 كيلو طن (VNIIEF في ساروف، روسيا، 1998). [48] ​​[49] اعتبارًا من أكتوبر 2018، كان أكبر مجال مغناطيسي تم إنتاجه في المختبر عبارة عن حجم مجهري يبلغ 1.2 كيلو طن من قبل الباحثين في جامعة طوكيو في عام 2018. [49] أكبر المجالات المغناطيسية التي يتم إنتاجها في المختبر في مسرعات الجسيمات، مثل RHIC، تقع ضمن تصادمات الأيونات الثقيلة، حيث تصل المجالات المجهرية إلى 1014 تسلا. 50] [51] روخ [، يتراوح من 0.1 إلى 100 طن (10 8 إلى 10 11 طن). [52]

تاريخ

التطورات المبكرة

في حين أن المغناطيس وبعض خصائص المغناطيسية كانت معروفة لدى المجتمعات القديمة، إلا أن الأبحاث في المجالات المغناطيسية بدأت في عام 1269 عندما قام الباحث الفرنسي بيتروس بيريجرينوس دي ماريكورت برسم خريطة للمجال المغناطيسي على سطح مغناطيس كروي باستخدام إبر حديدية. ووفقاً لخطوط المجال الناتجة التي تتقاطع عند نقطتين، أطلق على تلك النقاط اسم “أقطاب” قياساً على أقطاب الأرض. وذكر أيضًا المبدأ القائل بأن المغناطيس له دائمًا قطبان شمالي وجنوبي، بغض النظر عن مدى دقة تقطيعهما. [53] [الملاحظة 14]

وبعد ما يقرب من ثلاثة قرون، كرر ويليام جيلبرت من كولشيستر عمل بيتروس بيريجرينوس وكان أول من ذكر بشكل لا لبس فيه أن الأرض كانت مغناطيسًا. [54] : 34، نُشر عام 1600، وقد ساعد عمل جيلبرت، De Magnete، في تأسيس المغناطيسية كعلم.

تطوير الرياضيات

وفي عام 1750، ذكر جون ميشيل أن الأقطاب المغناطيسية تتجاذب وتتنافر وفقًا لقانون التربيع العكسي [54] : 56 وأكد شارل أوغسطين دي كولومب ذلك تجريبيًا في عام 1785، موضحًا بوضوح أنه لا يمكن فصل القطب الشمالي عن الجنوب. [54] : 59 بالاعتماد على هذه القوة بين القطبين، طور سيمون دينيس بواسون (1840-1781) أول نموذج ناجح للمجال المغناطيسي، والذي قدمه في عام 1824. [54] : 64 في هذا النموذج، يتم إنتاج المجال المغناطيسي H بواسطة الأقطاب المغناطيسية، والمغناطيسية ناتجة عن أزواج صغيرة من الأقطاب المغناطيسية الشمالية والجنوبية.

ثلاثة اكتشافات في عشرينيات القرن التاسع عشر تحدت هذا الأساس للمغناطيسية. أظهر هانز كريستيان أورستد أن السلك الذي يحمل تيارًا محاطًا بمجال مغناطيسي دائري. [ملاحظة 15] [55] ثم أوضح أندريه ماري أمبير أن الأسلاك الموازية للتيار تتجاذب إذا كانت التيارات في نفس الاتجاه، وتتنافر إذا كانت في الاتجاه المعاكس. [54] : 87 [56] أخيرًا، أفاد جان باتيست بيو وفيليكس سافارت عن نتائج تجريبية حول القوى المؤثرة بواسطة سلك طويل مستقيم يحمل تيارًا على مغناطيس صغير، والتي أظهرت أن القوى كانت متناسبة عكسيًا مع المسافة العمودية. من المغناطيس.يحدد من السلك إلى المغناطيس [57] [54] : 86 استنتج لابلاس لاحقًا قانون القوة استنادًا إلى الفعل التفاضلي لقسم تفاضلي من السلك، [57] [58] المعروف باسم قانون بيوت-سافارت، حيث لم ينشر لابلاس قانونه الخاص . النتائج [59]

ولتوسيع هذه التجارب، نشر أمبير نموذجه الناجح للمغناطيسية في عام 1825. وفيه، أظهر تكافؤ التيارات الكهربائية للمغناطيس [54] : 88 واقترح أن المغناطيسية تنتج عن حلقات دائمة من التيار بدلاً من ثنائيات القطب المغناطيسي. الشحنة في نموذج بواسون [ملاحظة 16] بالإضافة إلى ذلك، اشتق أمبير قانون أمبير للقوة، الذي يصف القوة بين تيارين، وقانون أمبير، الذي، مثل قانون بيوت-سافارت، يصف بشكل صحيح المجال المغناطيسي الناتج عن تيار ثابت. يصف. وفي هذا العمل أيضًا، قدم أمبير مصطلح الديناميكا الكهربائية لوصف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. [54] : 88-92

في عام 1831، اكتشف مايكل فاراداي الحث الكهرومغناطيسي عندما لاحظ أن المجال المغناطيسي المتغير يخلق مجالًا كهربائيًا حلقيًا وقام بصياغة ما يعرف الآن بقانون فاراداي للتحريض. [54] : 189-192 لاحقًا، أثبت فرانز إرنست نيومان أنه بالنسبة للموصل المتحرك في المجال المغناطيسي، فإن الحث هو نتيجة لقانون أمبير للقوة. [54] : 222 في هذه العملية، قدم إمكانات المتجه المغناطيسي، والتي أظهر لاحقًا أنها تعادل الآلية الأساسية التي اقترحها فاراداي. [54] : 225

في عام 1850، ميز اللورد كلفن، المعروف آنذاك باسم ويليام طومسون، بين مجالين مغناطيسيين، يُشار إليهما الآن بـ H وB. يتم تطبيق الأول على نموذج بواسون والثاني على نموذج الأمبير والحث. [54] : 224 بالإضافة إلى ذلك، استنتج كيفية ارتباط H وB ببعضهما البعض وصاغ مصطلح النفاذية. [54] : 245 [60]

بين عامي 1861 و1865، طور جيمس كليرك ماكسويل ونشر معادلات ماكسويل، التي شرحت ووحدت كل الكهرباء والمغناطيسية الكلاسيكية. تم نشر المجموعة الأولى من هذه المعادلات في ورقة بحثية بعنوان خطوط القوة الفيزيائية في عام 1861. وكانت هذه المعادلات صحيحة ولكنها غير كاملة. أكمل ماكسويل مجموعته من المعادلات في ورقته التالية عام 1865 بعنوان النظرية الديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي، وأظهر حقيقة أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية. نشر هاينريش هيرتز أبحاثًا في عامي 1887 و1888 تؤكد هذه الحقيقة تجريبيًا. [61] [62]

التطورات الحديثة

في عام 1887، قام تسلا ببناء محرك تحريضي يعمل بالتيار المتردد. استخدم هذا المحرك تيارًا متعدد الأطوار أدى إلى إنشاء مجال مغناطيسي دوار لتشغيل المحرك (وهو مبدأ ادعى تسلا أنه ابتكره في عام 1882). [63] [64] [65] حصل تسلا على براءة اختراع لمحركه الكهربائي في مايو 1888. [66] [67] في عام 1885، قام جاليليو جاليلي بالتحقيق بشكل مستقل في المجالات المغناطيسية الدوارة ونشر بعد ذلك بحثه في ورقة بحثية للأكاديمية الملكية. العلوم في تورينو، قبل شهرين فقط من منح براءة اختراع تسلا، في مارس 1888.[68]

أظهر القرن العشرين أن الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية كانت متوافقة بالفعل مع النسبية الخاصة ووسعت الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية للعمل مع ميكانيكا الكم. في ورقته البحثية التي أسست النسبية عام 1905، أظهر ألبرت أينشتاين أن كلا من المجالات الكهربائية والمغناطيسية جزء من نفس الظاهرة التي يتم ملاحظتها من أطر مرجعية مختلفة. في نهاية المطاف، اندمج مجال ميكانيكا الكم الناشئ مع الديناميكا الكهربائية لتشكيل الديناميكا الكهربائية الكمومية، التي أضفت الطابع الرسمي لأول مرة على فكرة أن طاقة المجال الكهرومغناطيسي يتم كميتها في شكل فوتونات.
في الهندسة، يقال إن الخطوط الموجودة في المستوى أو الفضاء ذو ​​الأبعاد الأعلى تكون متزامنة إذا تقاطعت عند نقطة ما. إنهم يعارضون الخطوط المتوازية.

أمثلة

مثلث ها

في المثلث، الأنواع الأربعة الرئيسية لمجموعات الخطوط المتزامنة هي: الارتفاعات، ومنصفات الزوايا، والمتوسطات، والمنصفات المتعامدة:

• يتم رسم ارتفاعات المثلث من كل قمة وتصل إلى الجانب المقابل بزاوية قائمة. ونقطة التقاء هذه الارتفاعات الثلاثة هي مركز القاعدة.
• منصفات الزوايا هي أشعة تأتي من كل رأس في المثلث وتنصف الزاوية المقابلة لها. يجتمعون جميعا في المركز.
• تربط نقاط المنتصف كل رأس من رؤوس المثلث بنقطة منتصف الجانب المقابل. يجتمع الوسطاء الثلاثة في المركز.
• المنصفات المتعامدة هي الخطوط التي تنطلق من منتصف كل ضلع في المثلث بزاوية 90 درجة. تلتقي ثلاثة منصفات متعامدة في مركز الدائرة.

مجموعات أخرى من الخطوط المرتبطة بمثلث متزامنة أيضًا. على سبيل المثال:

• كل وسيط (وهو بالضرورة منصف مساحة المثلث) يتطابق مع منصفين آخرين للمساحة، كل منهما موازي لضلع واحد. [1]
• منصف المثلث هو قطعة مستقيمة تنصف المثلث ولها نقطة نهاية في منتصف أحد الأضلاع الثلاثة. تتطابق الفجوات الثلاث الموجودة في مركز دائرة سبايكر، وهي دائرة المثلث الأوسط.
• منصف المثلث هو قطعة مستقيمة لها نقطة نهاية عند أحد القمم الثلاثة للمثلث وتنصف المحيط. تتطابق المقسمات الثلاثة عند نقطة ناجل في المثلث.
• يمر المثلث بأي خط يمر بمثلث ينصف كلا من مساحة المثلث ومحيطه من خلال المركز، ولكل مثلث واحد أو اثنان أو ثلاثة من هذه الخطوط. [2] فإذا كانوا ثلاثة اتفقوا في المركز.
• نقطة التمويه للمثلث هي نقطة تطابق الخطوط التي تمر عبر رؤوس المثلث المتعامدة مع الجوانب المقابلة لمثلث بروكارد الأول للمثلث.
• نقطة شيفلر للمثلث هي نقطة التقاء خطوط أويلر لأربعة مثلثات: المثلث المطلوب وثلاثة مثلثات، كل منها له رأسان مشتركان معه ومركزه كالرأس الآخر.
• نقاط نابليون وتعميمها هي نقاط تزامن. على سبيل المثال، النقطة النابليونية الأولى هي نقطة تطابق ثلاثة خطوط كل منها من قمة إلى مركز مثلث متساوي الأضلاع مرسوم على الجانب الخارجي من الضلع المقابل من الرأس. تعميم هذا المفهوم هو وجهة نظر جاكوبي.
• نقطة دي لونجشانك هي النقطة التي تلتقي فيها عدة خطوط مع خط أويلر.
• ثلاثة خطوط، يتكون كل منها من خلال رسم مثلث خارجي متساوي الأضلاع على أحد أضلاع مثلث معين وربط الرأس الجديد بالرأس المقابل للمثلث الأصلي، تتطابق عند نقطة تسمى مركز متساوي الأضلاع الأول. وفي حالة أن المثلث الرئيسي لا يحتوي على زاوية أكبر من 120 درجة، فهذه النقطة هي أيضاً نقطة فيرمات.
• ونقطة أبولونيوس هي نقطة تقاطع ثلاثة خطوط، يصل كل منها بنقطة مماس الدائرة التي تماس لها دوائر المثلث الداخلي مع الرأس المقابل للمثلث.

شخصيات قصص الابطال الخارقين

• منصفات الشكل الرباعي (القطع التي تصل بين منتصف الأضلاع المتقابلة) والقطعة المستقيمة التي تصل بين منتصف الأقطار هي نفسها، وكلها منقسمة بنقطة تقاطعها. [3] : ص 125
• في الشكل الرباعي المماس، تكون منصفات الزوايا الأربع متطابقة في مركز الدائرة. [4]
• حالات أخرى من التزامن للشكل الرباعي المماس مذكورة هنا.
• في الشكل الرباعي الدائري، تمر أربعة قطع مستقيمة، كل منها متعامدة على جانب واحد، عبر الجانب المقابل وتتزامن من خلال النقطة الوسطى. [3] : ص 131، [5] تسمى هذه المقاطع المستقيمة بالمتعددات، [6] وهي ارتفاع النقطة الوسطى. النقطة المشتركة بينهما تسمى المركز المضاد.
• يكون الشكل الرباعي المحدب خارج الظل إذا وفقط إذا كان هناك ستة منصفات زاوية: منصفات زاوية داخلية عند زاويتين متقابلتين للرأس، ومنصفات زاوية خارجية عند زاويتي الرأس الأخرتين، ومنصفات زاوية خارجية عند الزوايا التي ينقطع فيها امتداد الجوانب المتضادة بعضها البعض.

سداسي الزوايا

• إذا كانت الجوانب المتتالية للحلقة السداسية هي a، b، c، d، e، f، فإن الأقطار الرئيسية الثلاثة تتطابق عند نقطة واحدة فقط إذا كان ace = bdf. [7]
• إذا كان الشكل السداسي له محيط مخروطي، وفقًا لنظرية بريان، فإن أقطاره الرئيسية تكون متطابقة (كما في الصورة أعلاه).
• تنشأ الخطوط المتزامنة في نظرية بابوس السداسية.
• لكل جانب من الشكل السداسي الدائري، قم بتمديد الجوانب المجاورة حتى تقاطعها وشكل مثلثًا خارجيًا على الجانب المحدد. ثم تتطابق الأجزاء التي تصل بين مركزي محيط المثلثين المتقابلين. [8]

المضلعات المنتظمة

• إذا كان للمضلع المنتظم عدد زوجي من الأضلاع، فإن الأقطار التي تربط القمم المتقابلة تتطابق في مركز المضلع.

خواتم

• المنصفات المتعامدة لجميع أوتار الدائرة متزامنة. في وسط الدائرة
• الخطوط المتعامدة المماس للدائرة تتطابق مع نقاط التماس في المركز.
• جميع المنصفات السطحية والمنصفات الطرفية للدائرة هي أقطار وتقع في مركز الدائرة.

بيضاوي

• جميع المنصفات السطحية والمنصفات الطرفية للقطع الناقص تتطابق في مركز القطع الناقص.

القطع الزائد

• في القطع الزائد، يكون ما يلي متزامنًا: (1) دائرة تمر عبر بؤرتي القطع الزائد وتقع في مركز القطع الزائد. (٢) أحد الخطوط التي تمس القطع الزائد عند رؤوسها. و (3) واحد من الأسي الزائدي.
• ما يلي أيضًا متزامن: (1) دائرة تقع في مركز القطع الزائد وتمر عبر رؤوس القطع الزائد. (٢) أو مباشر. و(3) واحد من مجمب.

رباعي الاسطح

• في رباعي السطوح، تتطابق الأشكال الرباعية والأشكال الرباعية عند نقطة تسمى مركز رباعي السطوح. [9]
• رباعي السطوح متساوي الديناميكية هو رباعي السطوح تكون فيه القمم التي تربط القمم بمراكز الوجوه المتقابلة متزامنة، ورباعي السطوح متساوي السطوح له رؤوس متزامنة تربط القمم بنقاط اتصال الوجوه المقابلة مع الكرة المحددة. ينضم. .
• في رباعي الأسطح المتعامد، الارتفاعات الأربعة هي نفسها.

الإكراه

وفقًا لنظرية روش كوبلي، يكون نظام المعادلات متسقًا إذا وفقط إذا كانت رتبة مصفوفة المعاملات تساوي رتبة المصفوفة الموسعة (مصفوفة من المعاملات المعززة مع عمود من مصطلحات المقطع العرضي) والنظام لديه حل فريد إذا وفقط إذا كان هذا الترتيب المشترك يساوي عدد المتغيرات. وبالتالي، مع متغيرين، تكون خطوط k على المستوى، المرتبطة بمجموعة من معادلات k، متطابقة إذا وفقط إذا كانت رتبة مصفوفة معامل k × 2 ورتبة المصفوفة المضافة k × 3 كلاهما 2. في هذه الحالة، تكون معادلتان k فقط مستقلتين ويمكن العثور على نقطة الصدفة عن طريق حل المعادلتين المستقلتين بشكل متزامن لمتغيرين.

هندسة الصورة

في الهندسة البصرية، يكون التزامن على خط مستقيم في بعدين مزدوجين. في الأبعاد الثلاثة، يكون التزامن المزدوج متحد المستوى.

 

 

 

 

 

 

سيلفانوس ب. طومسون

ولد طومسون في 19 يونيو 1851 في عائلة كويكر في يورك، إنجلترا. عمل والده كمدرس في مدرسة بوثام كويكر [4] في يورك، حيث تلقى تعليمه أيضًا. في عام 1873، أصبح سيلفانوس طومسون مدرسًا للعلوم في المدرسة. خارج لندن تخرج عام 1869 وبدأ العمل في الجامعة. تخرج بدرجة البكالوريوس مع مرتبة الشرف وبدأ العمل في RSM. وسرعان ما أصبح عضوا في الجمعية الفلكية والفيزيائية الملكية. شارك في اجتماعات ومحاضرات مع تجارب توضيحية نظمت في المعهد الملكي.

أظهر نفسه في 11 فبراير 1876، واستمع إلى السير ويليام كروكس وهو يلقي محاضرة مسائية في المعهد الملكي حول العمل الميكانيكي للضوء عندما اخترع كروكس الطاحونة الضوئية أو مقياس الإشعاع. كان طومسون مفتونًا ومفتونًا وأصبح مهتمًا بالضوء والبصريات (كان اهتمامه الرئيسي الآخر هو الكهرومغناطيسية). تم تعيينه محاضرًا في الفيزياء في جامعة كوليدج بريستول عام 1876، ثم أستاذًا في عام 1878 عن عمر يناهز 27 عامًا.

كان اهتمام طومسون الرئيسي هو مجال التعليم الفني، وقام بسلسلة من الجولات القارية إلى فرنسا وألمانيا وسويسرا لمقارنة النهج القاري مع نهج إنجلترا. في عام 1879 قدم ورقة بحثية إلى الجمعية الملكية للفنون حول التلمذة المهنية العلمية وغير العلمية، والتي شرح فيها بالتفصيل أوجه القصور في التعليم الفني في إنجلترا. في المناقشة، تم التعبير عن رأي مفاده أن إنجلترا كانت محافظة للغاية بحيث لا يمكنها استخدام كليات إدارة الأعمال وأن الأساليب القارية لن تكون قابلة للتطبيق في إنجلترا. أدرك طومسون أن التعليم الفني هو الوسيلة التي يمكن من خلالها وضع المعرفة العلمية موضع التنفيذ وقضى بقية حياته في تحقيق رؤيته.

في عام 1878، تم إنشاء معهد سيتي آند جيلدز في لندن للنهوض بالتعليم الفني. كانت كلية فينسبري التقنية مؤسسة تعليمية أنشأتها مؤسسة سيتي آند جيلدز، وكان من المقرر أن يقضي طومسون الثلاثين عامًا التالية مديرًا لها وأستاذًا للفيزياء.

كانت موهبة طومسون الخاصة هي قدرته على نقل المفاهيم العلمية الصعبة بطريقة واضحة ومثيرة للاهتمام. التحق بالمعهد الملكي وألقى محاضرة عيد الميلاد عام 1896 حول الضوء المرئي وغير المرئي، مع وصف رونتجن للضوء. لقد كان متحدثًا مؤثرًا، وقال أخصائي الأشعة إيه إي باركلي: “لا يمكن لأي شخص سمعه أن ينسى حيوية الكلمات والصور التي وضعها أمامهم”.

في عام 1891، طور طومسون فكرة كابل التلغراف البحري، الذي يمكن أن يزيد مسافة النبضة الكهربائية، وبالتالي زيادة السرعة التي يمكن بها نقل الكلمات عبر كابل التلغراف. حتى ذلك الحين كان متوسط ​​السرعات يتراوح بين 10 و50 كلمة في الدقيقة، لكن تصميمه تعامل مع تفريغ الطاقة الكهربائية عبر الكابل عن طريق إدخال أرض إرجاع كجزء من الهيكل الكهربائي الداخلي للكابل (شيء مشابه للكابل المحوري اليوم). ). تناقش فكرته التي كتبها تشارلز برايت في كتابه “Submarine Telegraphs” فكرة إمكانية تصميم السلكين كموصلين منفصلين ولكن على طول مسارهما بواسطة ملف تحريضي متصلان. وهذا يسمح بإدخال السعة وبالتالي زيادة المسافة بين الشحنات الكهربائية لزيادة عدد الكلمات. لقد كان تصميمًا من شأنه أن يساعد في إحداث ثورة في الإبراق البحري ومستقبل أنظمة الهاتف البحرية.

كرر طومسون تجارب رونتجن في بريطانيا في اليوم التالي لإعلان الاكتشاف، وتلاها العرض العام الأول للأشعة الجديدة في جمعية لندن السريرية في 30 مارس 1896. قال ويليام هيل وايت: “كان الجمهور متحمسًا”. يرى معظمهم قطعًا حقيقية من العظام والمعادن لأول مرة. كان سيلفانوس طومسون أميرًا بين المتحدثين. “لم أسمع أبدًا عرضًا أفضل أو حضرت جلسة طبية لا تُنسى.”

وكان أول رئيس لجمعية رونتجن (التي أصبحت فيما بعد المعهد البريطاني للأشعة). [8] [9] ووصف المجتمع بين الطب والفيزياء والتصوير الفوتوغرافي. لقد كانت عبقريته هي التي تركت بصمتها على ذلك المجتمع وحولته إلى مزيج غني من الأعضاء الطبيين والعلميين والتقنيين كما هو عليه اليوم. وكما قال في خطابه الرئاسي أمام جمعية رونتجن: “لقد فتح الرواد الطريق إلى البرية. ويتبعهم الآن من يحتل المنطقة الجديدة ويكمل مسحها ويرسم خريطة معالمها. “حتى يتم استكشاف كل زاوية ورسم خرائط لها، لن ينتهي عمل جمعيتنا.”

في عام 1900، شارك طومسون في هجوم وايتهول المثير للجدل على براءات اختراع ماركوني، عندما كلفه مكتب البريد هو والبروفيسور أوليفر لودج بإعداد تقارير سرية. كان الهدف إما إبطال براءات اختراع شركة ماركوني أو إنتاج معدات مماثلة ولكنها مختلفة من الناحية الفنية: وكان طومسون هو الهدف الأخير. عندما تلقت الأميرالية هذين التقريرين، كان رائد الإبراق اللاسلكي هو الكابتن (الأدميرال الخلفي لاحقًا) هنري جاكسون، الذي كان حينها قائدًا للسفينة HMS Vulcan، والذي دفع رأيه أحد كبار ضباط البحرية إلى الإبلاغ: “ليس هناك محاولة للهروب من ماركوني. براءة اختراع الشركة.”

كان طومسون ملتزمًا بالحقيقة في جميع الجوانب، وعكست محاضرة سوارثمور التي ألقاها عام 1915 أمام جمعية الأصدقاء، بعنوان البحث عن الحقيقة، إيمانه بالحقيقة والصدق في جميع جوانب حياتنا. ظل طومسون عضوًا نشطًا في جمعية الأصدقاء الدينية طوال حياته.

وبعد مرض قصير توفي في لندن في 12 يونيو 1916، تاركًا أرملة وأربع بنات.

الأدب

كتب طومسون العديد من الكتب ذات الطبيعة التقنية، أبرزها الدروس الأولية في الكهرباء والمغناطيسية (1881 [13])، وآلات الدينامو الكهربائية (1884)، والكتاب الكلاسيكي حساب التفاضل والتكامل الذي تم إجراؤه بسهولة، والذي نُشر لأول مرة في عام 1910 وما زال يُطبع.

كان لدى طومسون العديد من الاهتمامات، بما في ذلك الرسم والأدب وتاريخ العلوم والعمل في الدفيئة الخاصة به. كتب السيرة الذاتية لمايكل فاراداي واللورد كلفن. كما كتب عن ويليام جيلبرت، الطبيب الإليزابيثي، وأنتج طبعة من كتاب جيلبرت دي ماجنت في مطبعة تشيسويك في عام 1900. في عام 1912، نشر طومسون أول ترجمة إنجليزية لرسالة كريستيان هويجنز حول الضوء.

مكتبته العلمية من الكتب التاريخية والعملية محفوظة في معهد المهندسين الكهربائيين وهي مجموعة رائعة (كان رئيسًا لـ IEE). يحتوي على العديد من الكتب الكلاسيكية عن الكهرباء والمغناطيسية والبصريات. تتضمن المجموعة 900 كتاب نادر و2500 عنوان من القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، مع ما يقرب من 200 توقيع.

روشتة

• آلات الدينامو الكهربائية (باللغة الفرنسية). باريس: بودري. 1886.
• التيارات الكهربائية متعددة الأطوار ومحركات التيار المتردد (باللغة الفرنسية). باريس: بيرنجر. 1901

محاضرات

في عام 1910 تمت دعوة طومسون لإلقاء محاضرة عيد الميلاد في المعهد الملكي حول الصوت: الموسيقية وغير الموسيقية.

مرتبة الشرف

• طومسون هو أحد الأشخاص الموجودين في مسيرة المهندسين في بريستول، إنجلترا.
• تم انتخابه عضوًا في جمعية طومسون الملكية في 14 مايو 1891 [11] وفي عام 1894 تم انتخابه عضوًا في الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. وفي عام 1902 انتخب عضوا في الجمعية الفلسفية الأمريكية. [14]

اختراعات

اخترع طومسون مقياس الاختراق.