مقاله نیروهای الکتریکی و مغناطیسی
مقدمه:
نیروهای الکتریکی و مغناطیسی از بنیادی ترین نیروهای طبیعت هستند که میان بارهای الکتریکی ایجاد می شوند و رفتار آن ها را شکل می دهند. هر بار الکتریکی، بسته به مقدار و علامت خود، نیروهایی را بر بارهای دیگر وارد می کند و این نیروها با فاصله میان بارها رابطه ای معکوس دارند. نیروی الکتریکی بین دو بار نقطه ای ساکن با استفاده از قانون کولن قابل محاسبه است و به صورت مستقیم با اندازه بارها و معکوس مربع فاصله میان آن ها نسبت دارد. این قانون نشان می دهد که بارهای هم علامت یکدیگر را دفع و بارهای ناهم علامت یکدیگر را جذب می کنند و شدت این نیرو با افزایش فاصله کاهش می یابد.
هنگامی که بارها نسبت به یک ناظر حرکت کنند، علاوه بر نیروی الکتریکی، نیروی مغناطیسی نیز بر یکدیگر اعمال می شود. بار متحرک، علاوه بر ایجاد میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی نیز تولید می کند که جهت و شدت آن به سرعت و جهت حرکت بار بستگی دارد. این میدان های مغناطیسی، در تعامل با بارهای دیگر، نیرویی ایجاد می کنند که بر جهت حرکت بار عمود است و با رابطه معروف نیروی لورنتس توصیف می شود. بنابراین یک بار با سرعت مشخص، تحت تأثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی، نیرویی ترکیبی دریافت می کند که می توان آن را به صورت برداری محاسبه کرد.
میدان های الکتریکی در اطراف بارهای ساکن، انرژی ذخیره شده ای دارند که در واحد حجم به شکل چگالی انرژی الکتریکی بیان می شود. شدت این انرژی با فاصله از بار کاهش می یابد و در فضای بین دو صفحه خازن نیز قابل محاسبه است. به صورت مشابه، میدان مغناطیسی در اطراف بارهای متحرک یا سیم های حامل جریان، انرژی مغناطیسی ایجاد می کند که مقدار آن با شدت میدان و چگالی جریان رابطه مستقیم دارد. این چگالی انرژی ها، بیانگر میزان نیرو و اثرگذاری میدان ها در نقاط مختلف فضا هستند و با روابط ریاضی قابل توصیف اند.
امواج الکترومغناطیسی نتیجه حرکت و شتاب بارهای الکتریکی هستند. هر بار متحرک، علاوه بر میدان های محلی، موجی از تغییرات متناوب میدان های الکتریکی و مغناطیسی تولید می کند که با سرعت نور منتشر می شود. تغییرات میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می کند و تغییرات میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی جدید می سازد. این فرآیند، تولید و انتشار امواج الکترومغناطیسی را امکان پذیر می کند و فرکانس این امواج برابر با فرکانس نوسان بار تولیدکننده است. امواج الکترومغناطیسی، حامل انرژی هستند و با گذر زمان و فضا به صورت همزمان در دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی خود توسعه می یابند.
نیروی وارد بر یک ذره باردار در حضور میدان های الکتریکی و مغناطیسی، ترکیبی از اثرات هر دو میدان است. این نیرو با بردار سرعت ذره، بردار میدان مغناطیسی و مقدار بار ذره رابطه دارد و با استفاده از روابط برداری قابل تعیین است. میدان ها می توانند متغیر باشند و با تغییر زمان، ویژگی های نیروها و چگالی انرژی نیز تغییر می کند. این تغییرات، رفتار پیچیده تر بارها و نحوه تعامل آن ها با یکدیگر و با میدان ها را مشخص می کنند.
امواج تولیدشده توسط بارهای متحرک، با سرعت نور در فضا حرکت می کنند و دارای شدت و جهت مشخص هستند. شدت موج الکترومغناطیسی، به شدت نوسانات بار و فاصله از منبع وابسته است. بار الکتریکی نوسان کننده، همزمان امواج الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می کند و این امواج در فضا به شکل متقاطع و عمود بر یکدیگر گسترش می یابند.
با توجه به ترکیب اثرات نیروهای الکتریکی و مغناطیسی، روابط میان میدان ها و انتشار امواج، می توان تغییرات انرژی در نقاط مختلف فضا را به صورت دقیق ریاضی توصیف کرد. این روابط نشان می دهند که بارهای الکتریکی، چه ساکن و چه متحرک، چگونه با ایجاد میدان های پیچیده و متغیر، نیروها و امواج الکترومغناطیسی را شکل می دهند و رفتار این نیروها و میدان ها را به صورت کمّی و کیفی تعیین می کنند.
