سرشت علم(۱۱): الکترومغناطیس

پنجشنبه, ۲۵ام مرداد, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی یازدهم:

الکترومغناطیس

شروع عَصرِ مُدرنِ برق را به کلاسِ درسی‌ در دانمارک ربط داده­اند[۱]، یعنی‌ به مَحَلی که در آن پروفسور هانس کریستین اورستد[۲] (۱۷۷۷-۱۸۵۱) برای نخستین بار ثابت کرد که برق تولیدِ میدان یا حوزه ­ی مغناطیسی‌ می‌کند.

  • او فرزندِ داروسازی دانمارکی بود و می‌خواست دنباله­رو پدرِ خود باشد اما به مطالعه­ی برق علاقه­مند شد. اورستد برایِ مباحثِ علمیِ‌ خود مشهور شده بود و در سال ۱۸۰۰ پروفسورِ دانشگاهِ کپنهاگ شده بود.
  • او در سال ۱۸۲۰ پیچه یا سیم­پیچی[۳]‌ فلزی را به باطری­ای وصل کرد و نشان داد که با قطع و وصلِ جریانِ برق، سوزنِ قطب­نما سویه می‌گیرد.
  • پیش از این آزمایشِ اورستد، برق و مغناطیس دو پدیده­یِ مستقل از هم انگاشته­می‌شدند که شرایطِ فیزیکیِ‌ متفاوت داشتند. آزمایش‌هایِ او به یگانگیِ پژوهش‌هایِ دو حوزه وحدت بخشید.

این کشفِ اورستد به اختراعاتِ بسیاری منجر شد زیرا شیوه­یِ مهمی‌ برای تبدیلِ انرژیِ پتانسیلِ الکتریکی‌ به انرژیِ مغناطیسی‌ و به انرژیِ جنبشی را  فراهم کرد.

  • آهن­ربایِ الکتریکی‌[۴] نخستین نتیجه­ی این کشف بود که در طراحیِ بسیاری ابزارها، از زنگِ درِ منزل تا تلگراف و غیره، موردِ استفاده قرار گرفت. با قطع و وصلِ جریانِ برق در این ابزارِ کوبه­ای، فلزی بدلیلِ نیرویِ مغناطیس به حرکت می‌‌افتد.
  • موتور‌هایِ الکتریکی‌ هم از آهن­ربا‌هایی‌ الکتریکی‌ در طرحِ خود استفاده می­کنند که در گردشِ خود  نیرویِ چرخشِ جاذب – دافعِ[۵] مغناطیسی­ را بینِ چرخه­ای[۶]  و محفظه­اش بوجود می‌‌آورند.

انتظارِ دانشمندان از جهانِ فیزیکی نمایشی از نظم و تقارن[۷] بوده است[۸] . از آنجا که حرکتِ برق میدان یا حوزه­یِ مغناطیسی‌ بوجود می‌‌آورد، پس حرکتِ آهن­ربا‌ هم باید برق ایجاد کند. مایکل فاراده  در سال ۱۸۳۱ چنین آزمایشی‌ را انجام داد.

مایکل فاراده که فرزندِ مردی آهنگر بود در کودکی برای کسبِ درآمد به مردی کتاب­فروش در لندن سپرده شد و در آن سال‌ها به مطالعه پیرامون علم پرداخت.

  • او در آزمایشِ مشهور خود، مداری الکتریکی‌ با استفاده از پیچه یا حلقه­ای سیم­پیچ ساخت و در کنارِ آن مدارِ دیگری با پیچه یا حلقه­ای سیم­پیچ قرار داد. با اینکه مدارِ دوم به منبعِ الکتریکی‌ وصل نبود جریانِ قویِ الکتریکی‌ در آن مدار هم مشاهده و اندازه­گیری شد.
  • فاراده در این آزمایش به این نتیجه رسید که میدان یا حوزه­یِ مغناطیسی مدارِ نخست، بوجودآورنده­ی (القاکننده­ی) جریانِ برق در مدارِ دوم بود – پدیده­ای که الکترومغناطیس القایی[۹] خوانده می­شود.

نشان­دادن اینکه آهن­ربایی در حرکت، القایِ برق در پیچه یا سیم­پیچی‌ فلزی می‌کند نظراتِ جدیدی را برای تولیدِ توان یا قدرت برق دامن زد.

  • سیم­پیچی‌ فلزی را بین دو آهن­ربا قراردهید و پیچه یا سیم­پیچِ‌ فلزی را بچرخانید، و نتیجه تولیدِ برق است. همین ابزارِ ساده ژنراتور یا دینام الکتریکی‌ خوانده می­شود.
  • چنین ژنراتوری تولیدِ جریانِ برقِ متناوب[۱۰] می‌کند.
  • باطری‌ها تولیدِ جریانِ برقِ مستقیم می­کنند.

تقارن[۱۱] رابطه­ی بین برق و مغناطیس کارکرد‌هایِ بسیاری داشته­اند.

  • موتور‌هایِ الکتریکی‌ عکس ژنراتور‌ها عمل می‌‌کنند که جریانِ برق در آنها موجبِ گردشِ سیم­پیچ فلزی می­شود و سپس گردشِ پیچه یا سیم­پیچ اِلقایِ جریانِ برق می‌کند.
  • همین پدیده در هر تلفنی برای میکروفن و بلندگو استفاده می­شود.
  • در هر مانیتور کامپیوتر و در هر تلویزیون آهن­ربایی الکتریکی‌ تصاویر را کنترل می­کند.

همانگونه که در قانونِ اولِ ترمودینامیک گفته شد – انرژی می­تواند از شکلی‌ به شکلی‌ دیگر تبدیل شود – برای نمونه تبدیل انرژیِ پتانسیل به جنبشی و یا پتانسیل به گرما و یا جنبشی به گرما.

  • اهمیتِ فنیِ‌ نیروی اِلقای الکترومغناطیس در این بود که راه‌هایِ نوینی را برایِ تبدیل انرژی فراهم کرد.
  • دیگر اکنون عملی‌ بود که صنایع تنها محلی نباشند و در هرجایی رشد کنند زیرا دیگر راه‌هایِ تراگسیل یا انتقال[۱۲] انرژی فراهم شده بود.

فیزیکدانِ اسکاتلندی، جیمز کِلرک ماکسوِل[۱۳]  (۱۸۳۱-۱۸۷۹) چهار معادله­یِ علمی‌ را مطرح کرد که از طریقِ آنها همه­ی جنبه‌هایِ الکترومغناطیس توضیح داده شد.[۱۴] سپس در سال ۱۸۶۰ او محاسباتِ ریاضی‌ این معادلات را هم فراهم کرد. معادلاتِ علمی‌ وی چنین هستند:

  • بین هر دو جسمی‌ که بارِ (شارژِ) الکتریکی‌ دارند نیرویی موجود است. این نیرو به نحوی مستقیم در ارتباط است با میزانِ بار (شارژ) آن دو جسم و به نحوی معکوس در ارتباط با مجذورِ فاصله­ی بین دو جسم است.
  • قطب‌هایِ مغناطیسیِ‌ اجسام همیشه به شکلی‌ زوج و همیشه مثبت و منفی‌ هستند.
  • هرگونه تغییر در میدان یا حوزه­یِ الکتریکی[۱۵] ‌ تولیدِ میدان یا حوزه­ای مغناطیسی[۱۶] ‌ می‌کند.
  • هرگونه تغییر در میدان مغناطیسی نیز تولید میدان الکتریکی‌ می‌کند.

معادلاتِ گفته­شده و پیامد‌هایِ آنها را نیز از دیدگاهِ ریاضی ماکسول محاسبه کرد.

  • او با یکی‌ از راه­حل‌هایِ ریاضیِ‌ خود به این نظریه رسید که نیروی الکترومغناطیس را می­توان به شکل امواجِ الکترومغناطیس نِگریست. محاسبات و اندازه گیری‌هایِ او سرعتِ آن امواج را ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه برآورد کرد که سرعتِ نور بود.
  • بنابراین آزمایش‌هایِ غامض[۱۷] پیرامونِ مغناطیس و برق که در نزدِ خواص (دانشمندانِ حوزه­یِ علم در دانشگاه­ها) انجام گرفته شده بود در سیرِ تحولِ خود به شکل­گیریِ عصرِ برق و ابزار‌هایِ الکتریکی‌ و به استفاده­یِ همگانی ابزار‌هایِ الکتریکی‌ انجامید و علم را به سوی جستجو درموردِ کهن‌ترین راز‌هایِ بشری یعنی‌ سرشتِ نور سوق داد.
  • معادلات ماکسول دربرگیرنده­ی تمام جوانب و برهم­کنش‌های الکتریسیته و مغناطیس هستند. حتی قوانین پیشین شامل قانون ولتاژ و جریان کرشهف، از این معادلات قابل استخراج هستند.

————–

[۱]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۲]

Oersted, H.C

[۳]

coil

[۴]

electromagnets

[۵]

push-pull

[۶]

A rotor and its casing

[۷]

symmetry and order

[۸]

National Research Council. The National Science Education Standards. Washington, DC: National Academy Press, 1996.

[۹]

electromagnetic induction

[۱۰]

alternating current vs direct current

[۱۱]

symmetry

[۱۲]

transmission

[۱۳]

James Clerk Maxwell

[۱۴]

Everitt, C.W.F. James Clerk Maxwell: Physicist and Natural Philosopher. New York: Scribners, 1976.

[۱۵]

electrical field

[۱۶]

magnetic field

[۱۷]

esoteric

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.