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.
————–
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
Oersted, H.C
coil
electromagnets
push-pull
A rotor and its casing
symmetry and order
National Research Council. The National Science Education Standards. Washington, DC: National Academy Press, 1996.
electromagnetic induction
alternating current vs direct current
symmetry
transmission
James Clerk Maxwell
Everitt, C.W.F. James Clerk Maxwell: Physicist and Natural Philosopher. New York: Scribners, 1976.
electrical field
magnetic field
esoteric
—————–
* 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.