پژوهش, راهنمای ضروری جهان الکتریکی, فصل چهارم - الکترومغناطیس, کتاب ها

الکترومغناطیس

۰ 355
synchrotron-radiation

۴٫۱ : معادله میدان الکترومغناطیسی
دانشمندان همواره در تلاشند که، برای توضیح رفتار سیستم های فیزیکی از مدل های ریاضیی که بتواند این رفتارها را توصیف و پیش بینی کند،استفاده کنند. برای مثال، کپلر حرکت سیاره ها را با سه قانون خود توضیح داد. به همین روش رفتار پلاسما تابع معادلات میدان الکترومغناطیسی می باشد که حرکت ذرات باردار و بر هم کنش انها با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را توصیف می کند. در معادله میدان اکترومغناطیسی دو جزء وجود دارد: معادلات ماکسول و قانون نیروی لورنتس، این دو جزء، پشت سر هم به عنوان یک چرخه بازخوردی عمل میکنند:
معادلات ماکسول، میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را بر اساس وضعیت و حرکت ذرات باردار تعیین میکنند. این معادلات همچنین تاثیر متقابل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را در در صورتیکه یکی از آنها تغییر کند، مشخص می کنند.
قانون نیروی لورنتس، نیروهای الکتریکی و مغناطیسی بر روی یک ذره باردار در حال حرکت در میدان ها را تعیین می کند. این نیرو باعث می شود که هر ذره مطابق با قوانین نیوتون حرکت کند (شتابدار شود). تغییر در وضعیت و مکان ذرات باردار به نوبه‌ی خود باعث تغییراتی در میدان الکتریکی و مغناطیسی آن ها می‌شود.
برنامه های کامپیوتری برای توضیح برهم کنش های مختلف در محیط پلاسما ساخته شده اند. این برنامه ها به طور معمول شامل یک سری مرحله است که هر کدام نماینده محدوده کوچکی از زمان هستند. قدم اول، با توجه به وضعیت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی موجود و جرم، بار، سرعت و جهت هر ذره، نیروهای اعمال شده روی هر ذره بوسیله مقادیر میدان در مکان خود (مختصات X,Y,Z) با استفاده از قانون نیروی لورنتس محاسبه می شود. بردار جمع نیروهای کمکی (فرعی) محاسبه شده و شتاب حاصله از ذرات آن را به اندازه فواصل کوتاه و بازه زمانی کوچک در بعضی جهات حرکت میدهد (قوانین حرکت نیوتون) این روند برای کل مجموعه ذرات انجام می شود.
سپس با توجه به مختصات جدید و وضعیت سینماتیک (حرکتی) هر یک از ذرات، معادلات ماکسول برای تعیین مقدار میدانهای الکتریکی و مغناطیسی استفاده می شود. بعد از این، برنامه به مرحله اول برمیگردد، جایی که دوباره با استفاده از قانون لورنتس نیروهای الکتریکی و مغناطیسی اعمال شده روی هر ذره، محاسبه میگردند.
این چرخه تا زمانی که به شرط تعیین شده برسد، ادامه خواهد داشت. شروطی از قبیل تعداد معینی برای دفعات تکرار، یا اگر به جواب معینی در متغیرها رسیدیم، یا مواجه شدن با نوعی از خطا ، و به همین ترتیب ادامه پیدا میکند.
هنگامی که یک مجموعه ای از شرایط اولیه تعریف شود(تعداد ذرات، بار آنها، جرم، سرعت اولیه، و توصیفی از شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فرضی در یک حجم معینی از فضا)، می توان دستورات زیر را برای یک زبان برنامه نویسی تعریف کرد:
۱٫ محاسبه تمام نیروهای اعمال شده روی هر ذره با استفاده از قانون لورنتس
۲٫ محاسبه مکان جدید و سرعت برای وقتی که فواصل کوچک زمانن داریم با استفاده از قوانین حرکت نیوتون
۳٫محاسبه E و B در مکان جدید هر ذره باردار بعد از هر فاصله‌ی زمانی
۴٫ اگر شرطِ پایان چرخه هنوز برقرار نشده، به شماره ۱ برگرد تا محاسبه ادامه پیدا کند
برای تکمیل مدل سازی جنبه های دیگر مانند برخورد ذرات، نیروی گرانش و گرانرو (نیروهای چسبنده) و غیره میتواند برای دقت بیشتر و یا تقریبی نزدیکتر به واقعیت افزوده شود. محاسبه مدل های بزرگ با ذرات بیشتر برای اجرا توسط ابر رایانه ها ممکن است ماه ها به طول بیانجامد.
این چرخه بازخوردی که می تواند به سرعت در رفتار بسیار پیچیده که شبیه سازی آن با مدل های ریاضی بسیار سخت خواهد بود نتیجه بدهد، اغلب اوقات ساده سازی می‌شود. با این حال ساده سازی فرضیات اغلب منجر می‌شود که دقت در تشخیص تفاوت بین رفتار پلاسما با گاز یا مایع دیگر کم شود.

لینک برای مطالعه بیش تر:

http://pespmc1.vub.ac.be/FEEDBACK.html

bubble_chamber_electrons_600x509
ما در فضایی پر از تابشهای الکترومغناطیسی مانند امواج رادیویی و تابش نور آفتاب غرق شده ایم. تمام این تابشها از بارهای شتاب دار می آیند. برای مثال امواج رادیویی از حرکت بارها به بالا و پایین در یک سیم قائم منتشر میشوند.
این پدیده در فیزیک ذرات مطرح است که در آن ذرات شتابدار هدف قرار می گیرد.
الکترونهای پر رنگ شده (قرمز)- که بخاطر حرکت در یک مسیر منحنی شتابدارند- فوتونی منتشر کردند که مسیر کوتاهی را قبل از تبدیل شدن به یک جفت پوزیترون-الکترون در میدان الکتریکی یک هسته طی کرده است. الکترونی که فوتون منتشر میکند، به صورت مارپیچ حرکت میکند و انرژی از دست میدهد. پوزیترونها به علت حرکت مارپیچی که دارند در اتاقک حباب به سادگی تشخیص داده میشوند.
تصویر متعلق به آزمایشگاه سرن.

 

۴٫۲: معادلات ماکسول

مفاهیم و پژوهش های اساسی معادلات ماکسول به شرح زیر اند:
۱٫ میدان الکتریکی ساکن می تواند در غیاب میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، برای مثال یک خازن و یا ذره‌ی گرد و غبار با بار ساکن Q یک میدان الکتریکی بدون وجود میدان مغناطیسی دارند.
۲٫ یک میدان مغناطیسی پایا (ثابت) می تواند در غیاب میدان الکتریکی وجود داشته باشد، مثلا یک رسانا با جریان ثابت I، یک میدان مغناطیسی بدون هیچگونه میدان الکتریکی دارد.
۳٫ جایی که میدان الکتریکی وابسته به زمان باشد، میبایست یک میدان مغناطیسی غیر صفر هم وجود داشته باشد.
۴٫ جایی که میدان مغناطیسی وابسته به زمان باشد، میبایست یک میدان الکتریکی غیر صفر هم وجود داشته باشد.
۵٫ میدانهای مغناطیسی به جز طریق القای دائمی مغناطیسی، فقط به ۲ روش می توانند تولید شوند: توسط یک جریان الکتریکی، یا بوسیله تغییر در میدان الکتریکی.
۶٫ تک قطبی های مغناطیسی نمی توانند وجود داشته باشند، تمام خطوط شار مغناطیسی حلقه هایی بسته هستند.

۴٫۳ : قانون نیروی لورنتس
قانون نیروی لورنتس بیانی برای نیروی کل بر یک ذره باردار در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. نیروی برایند می گوید که حرکت ذره باردار باید بر اساس مکانیک نیوتنی باشد. از آنجایی که معادله لورنتس به صورت پایه ای برای درک رفتار پلاسما نیاز است؛ ارزش دارد تا با مقداری وقت گذاشتن بفهمیم چه معنی و مفهومی دارد. معادله به صورت زیر می باشد:

F = Q(E + U × B)

(بردار ها پررنگ نشان داده شده اند و در زیر توضیح داده شده است.)
F  نیروی لورنتس بر روی ذرات است، Q  بار ذرات می باشد، E شدت میدان الکتریکی U سرعت ذره B چگالی شار مغناطیسی است، و “×” ضرب خارجی است.
برای اینکه بفهمیم معادله چه معنی دارد ابتدا باید در مورد بردارها بدانیم:
بردار کمیتی است که اندازه و جهت دارد. مانند: نیرو و سرعت. مانند یک فلش است: که طول و یک جهت اشاره نیز دارد. در عوض یک کمیت نرده ای فقط مقدار دارد. مانند: درجه ی تندی و دما..

جبر برداری قسمتی از ریاضیات است که به بردارها می پردازد. برای کسانی که مایل به دانستن جزئیات بیشتر از جبر برداری هستند به ضمیمه (۳) مراجعه کنند. توضیح Hyperphysics نیز یک مقدمه خوب است. ملزومات برای درک معادله لورنتس در اینجا توضیح داده خواهد شد. لینک کمکی:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vect.html

اول، ضرب بردار با یک کمیت اسکالر مانند قرار دادن تعدادی فلش های مشابه پشت سر هم است. کمیت برداری اولین فلش است و کمیت اسکالر تعداد فلش های مشابه است. نتیجه، یک بردار بزرگتر در همان جهتِ کمیت ِبرداریِ اولیه است.

یک مثال ساده سه برابر شدن درجه ی تندی خودرویی است که مستقیم، در همان جهتِ قبلی حرکت می کند. تصور کنید که بردار سرعت ماشین، یک فلش با اشاره ی مستقیم به جلو و پایین جاده است و مبنا و نقطه شروع بردار همیشه در مرکز خودرو است. برای نشان دادن اینکه سرعت شروع ۲۰کیلومتر بر ساعت است ،تصور کنید این بردار ۲۰سانتی متر طول دارد. سپس شما گاز می دهید تا ماشین سرعت بیشتری بگیرد. هنگامی که ماشین سرعت می گیرد، طول فلش افزایش می یابد، این نشان میدهد که، همواره طول بردار و  سرعت ماشین متناظر یکدیگر می باشند. در ۶۰کیلومتر بر ساعت طول بردار۶۰سانتی متر می باشد و جهت آن هنوز با جاده موازی است. اگر شما ترمز کنید خودرو در جهت مخالف شتاب می کیرد با کم کردن سرعت، بردار کوتاه و کوتاه تر می شود. هنگامی که خودرو می ایستد، سرعت آن به صفر می رسد و طول بردار هم به صفر می رسد.

شما با خود می گویید: این موضوع به آسانی قابل درک است، اما چه اتفاقی می افتد اگر من فرمان را به چپ بچرخانم؟

این نوع از عمل معرف یک نیروی اضافی در خودرو در جهت متفاوتی از یک مکان موازی با مرکز خودرو است. این موضوع سرعت را افزایش و یا کاهش نمی دهد، (با صرف نظر از اصطکاک) اما گاهی به خاطر چرخش ماشین، سرعت راتغییر می دهد! بردار سرعتی که از چرخ با ۶۰کیلومتر بر ساعت می آید طول را تغییر نداده است، اما نیروی اضافه در یک جهت متفاوت بر آن اثر کرده است و در نتیجه بردار سرعت برایند دو بردار نیرو می شود. تا زمانی که شما فرمان را ثابت می گیرید همان نیرو اعمال می شود ولی زمانی که شما فرمان را می چرخانید، ماشین می خواهد در یک دایره با سرعت ثابت حرکت کند.

شما می توانید مشاهده کنید که دو نوع شتاب وجود دارد: تغییر در سرعت حرکت، هم آهسته شدن و هم کند شدن، که فقط یک تغییر عددی سرعت است، و تغییر در جهت حرکت – فقط یک تغییر زاویه ای در حرکت، بدون اشاره به اینکه  با چه سرعتی در مسیر حرکت می کند. هر دو نوع از تغییر، نتیجه ی تغییر نیروی اعمال شده بر جسم می باشند.

ضرب دو بردار در هم کمی پیچیده است. تصور کنید یک پیچ بزرگ در یک تخته چوبی قرار دارد، در اینجا شیار پیچ نشان دهنده بردار اول و بردار دوم بر روی تخته چوب فرض می شود. اگر پیچ ساعتگرد بچرخد شیار هم راستا با بردار دوم قرار گرفته و پبچ تحت یک زاویه نسبت به شیار و بردار دوم در داخل تخته می رود. مقدار حرکت پیچ به ابعاد آن و مقدار چرخشش بستگی دارد. جواب ضرب برداری کمی شبیه این قضیه است.
نتیجه ضرب دو بردار چیزی است که در شکل مشاهده می کنید. با در نظر داشتن مثال قبل جهت بردار جدید با استفاده از جهت پیچ تخیلی ما به دست می آید. و مقدار (طول) بردار جدید ما به زاویه و اندازه دو بردار قبلی بستگی دارد.
vector-cross-product-dgm1-550x285

پس اگر بردار ها موازی باشند، هیچ حرکتی در پیچ به وجود نمیاد، ضرب برداری دو بردار موازی صفر می‌باشد.

 

در مختصات دکارتی اگر برداری در راستای محور x، در برداری در جهت محور y ضرب خارجی شود؛ نتیجه برداری در راستای محور z خواهد شد. اندازه بردار حاصله، ضرب سه گانه طولهای دو بردار اولیه و سینوس کوچکترین زاویه بین آنهاست. اگر دو بردار با هم موازی باشند هیچ نیرویی در جهت محور z نخواهیم داشت چون زاویه بین آنها صفر و (sin (0° نیز صفر میباشد.
این اثر بسیار شبیه به اثر ژیروسکوپی در اجسام صلب در حال چرخش است به این صورت که یک نیرو در یک جهت منتشر شده،و سپس در حرکت منجر به جهتی با زاویه ۹۰ درجه میشود. که به آن “انحراف از مسیر” گفته میشود.
اگر به قانون لورنتس برگردیم، می بینیم که نیروی کل از دو جز ساخته شده است. جز اول EQ است که از مقدار عددی بار ذرات ضربدر بردار شدت میدان الکتریکی تشکیل شده است. بزرگی نیرو که به علت میدان الکتریکی است حاصلضرب بار ذرات در شدت میدان الکتریکی می باشد.
لازم به ذکر است نیروی بوجود آمده توسط میدان الکتریکی ثابت و در جهت E است، پس با توجه به قانون حرکت نیوتون این نیرو باعث تولید شتاب ثابت در ذرات در جهت E خواهد شد، یک جهت برای بار مثبت و جهت مخالف آن برای بار منفی.

یکی از مثال های کاربردی برای آموزش الکترومغناطیس، اثری موسوم به ژیروسکوپی است، برای آشنایی بیش تر لینک زیر معرفی می شود:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/gyr.html

بخش دوم معادله لورنتس، یعنی (U × BQ) جالبتر است. در این قسمت دو بردار در هم ضرب خارجی  می شوند سپس حاصل در بار ذرات ضرب می شود. ابتدا فرض میکنیم که ذره در امتداد میدان حرکت نمیکند که در این حالت  میباستی نیرو صفرباشد، آنوقت نتیجه نیرویی خواهد بود که زاویه ی قائمه با هر دو جهت “حرکت ذره” و” میدان مغناطیسی”می سازد. قانون دست راست نیروی “پیشرویی” (هدایت کننده) را توضیح میدهد که یک میدان مغناطیسی در یک جهت مشخص روی یک ذره باردار اعمال می شود تا ذره وارد میدان شود.
نیرویی که به جهت حرکت عمود است، نیروی مرکزگرا می باشد. بنابراین میدان مغناطیسی باعث خواهد شد که ذرات باردار در یک مسیر دایره ای در صفحه ای عمود بر جهت میدان مغناطیسی حرکت کنند. همانطور که ذره در مسیر دایره ای میچرخد، مولفه ی سرعتش در هر نقطه، عمود بر میدان مغناطیسی خواهد بود، در نتیجه هنوز به ذره نیروی مرکزگرایی اعمال میشود که باعث حرکت آن در مسیر دایروی می شود. در این حالت جهت مسیر ذره به طور ثابت تغییر میکند، ولی اسکالر تندی آن (قسمت عددی سرعت m/s) در این شرایط تغییر نمیکند.
یک مثال ساده در نظر گرفتن این شرایط است؛ زمانی که ذره باردار متحرکی وارد یک میدان مغناطیسی (ثابت) شود چه اتفاقی میافتد. برای سهولت هر اثری که ممکن است ذره روی میدان مغناطیسی داشته باشد را حذف میکنیم. اگر ذره موازی با جهت میدان وارد میدان شود، هیچ نیرویی به آن وارد نمیشود و تغییری در مورد تندی ( اسکالر سرعت ) یا جهت نخواهیم داشت. اگر ذره عمود به جهت میدان وارد شود مسیرش به سادگی به منحنی دایروی منحرف میشود.
در قانون لورنتس بدون وجود یک میدان الکتریکی نیروی مرکزگرا به صورت (F = Q(U × B است. نیروی اعمال شده به ذرات باردار، مستقیما با Q (بار ذرات)، U (بردار سرعت)و B (بردار میدان مغناطیسی) تناسب دارد. معنیU × B به این صورت است U ضربدر B ضرب در سینوس کوچکترین زاویه بین این دو بردار، یعنی UB ضربدر سینوس زاویه بین دو بردار است، که از صفر تا یک متغیر است. فرض کنید بار ذرات و میدان مغناطیسی ثابت می مانند و همانطور که ذره وارد میدان می شود سرعتش از چپ به راست افزایش پیدا میکند. هرچه ذره با سرعت بیشتری حرکت کند، برآیند شعاع حرکت دایره ای نیز بزرگتر خواهد بود، زیرا شعاع r برای سنجش اندازه حرکت طولی mU میباشد که در آن m جرم ذره است:
(r = mU ÷ (|Q|B. زمانی که دو متغییر دیگر ثابت اند، اگر بار افزایش یابد، همین نتیجه را خواهیم داشت.

اگر ذره باردار بطور مورب وارد میدان مغناطیسی شود با مولفه ای از بردار حرکت خود در جهت میدان، در زاویه ای مثلا بین صفر تا ۹۰ درجه در جهت میدان و در موازات آن سوق می گیرد. هنگامی که نیروهای میدان به صورت حرکت دایره ای می باشد. مسیر آن به شکل مارپیچی درمی آید. که در این حالت شعاع r به عنوان شعاع لارمور یا شعاع سیکلوترون شناخته شده است. در سه مثال زیر زاویه ورود ذره و قدرت میدان مغناطیسی B ، با یک انحراف سمتی کوچک به سمت راست، بدون تغییر باقی می ماند. سرعت ورودی اولیه گام به گام از چپ به راست افزایش یافته است، تا نشان دهد، باری که سریعتر به میدان مغناطیسی وارد می شود، دارای شعاع انحنای بزرگتری است.

در سری تصویر های زیر بردار سبزی که به سمت میدان الکتریکی و مغناطیسی اشاره میکند، نشان دهنده ی جهتی است، که ذره باردار با بار مثبت ( به صورت پیش فرض ) به هنگام ورود به میدان شروع به حرکت در آن جهت میکند. ذره، به هنگام ورودش، میتواند به هر سمتی در راستای این بردار حرکت کند، پس، همانطور که خواهید دید، دو مسیر از لبه ی بردار سبز خواهیم داشت. اگر ذره دارای بار منفی باشد، در جهت مخالف حرکت خواهد کرد، و اگر سنگین تر باشد یا سریع تر حرکت کند، قطر شعاعی بیشتری نسبت به تصور ما خواهد داشت، به صورت مشابه، با فرض ثابت ماندن عوامل دیگر، اگر میدان مغناطیسی یا الکتریکی دچار تغییر شوند، رفتار ذره به صورت مشابه تغییر خواهد کرد. استوانه ی نارنجی باریک نشان دهنده چگونگی خط سیر ذره که ناشی از شرایط ورودش است، میباشد .

radius_variables_b_field_540x198

هنگامی که یک ذره باردار وارد یک میدان مغناطیسی یکنواخت B میشود، مسیر حرکتش به دایره ای با شعاع r که وابسته به ممنتوم خطی است منحرف میشود، جرم ضرب در سرعت ( mu ) ، سرعت ذره اما تغییر نخواهد کرد، پس انرژی جنبشی آن تغییر نخواهد کرد، پس میدان بر روی ذره اثر نخواهد کرد، این پدیده مشابه با اعمال نیروی مداوم شعاعی جاذبه بر روی یک ماهواره مداری در فضا میباشد، میدان مغناطیسی با بردار آبی نشان داده شده است و ورود ذره با یک بردار سبز نشان داده شده است .

pitch_variables_b_field_540x198

همزمان با تغییر زاویه ورود ذره از عمودی به موازی در میدان مغناطیسی، خط سیر ذره به مارپیچی تغییر خواهد کرد. مارپیچ دچار کاهش شعاع لارمور به صورت همزمان شده و منجر به کاهش زاویه ۹۰ درجه به زاویه میدان مغناطیسی و نزدیک شدن به زاویه صفر درجه یا موازی با میدان خواهد شد. به تغییر زاویه بردار ورودی سبز، از چپ به راست، و همینطور کشش مارپیچ دقت کنید.
عکس از طریق محاسبات ریاضی به دست آمده است.

 

نیروی برایند شامل مجموع نیروی میدان الکتریکی و مغناطیسی که وابسته به زاویه بین این دو میدان است میباشد ( تصویر زیر) .

اگر میدان مغناطیسی و الکتریکی با هم موازی باشند ( همانطور که بعد ها فرض خواهیم کرد) ، آنگاه ذره ی بارداری که به صورت شعاعی در حال نزدیک شدن، به جهت محوری میدان است،به حرکت به صورت مارپیچی در راستای جهت میدان وادار می شود. و همینطور ذره حرکت داده خواهد شد و شتاب میگیرد ( به صورت دائمی جهت خودش را به صورت مارپیچی به دور محور میدان مغناطیسی عوض میکند) و بر طبق قانون لورنتس، همین طور به صورت همزمان سرعتش در جهت میدان الکتریکی عوض خواهد شد . این باعث تغییر های پی در پی بیشتر و بیشتر مولفه ی سرعت ذره در میدان الکتریکی در گذر زمان است .

EB_fields_const_time_600x256
http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroradius
در این وضعیت (میدان تراز( E) و B) ) موازی هستند) مسیر ذرات مرکزگرا دایره ای است، نیروی مغناطیسی در همان زمان که بردار نیروی میدان الکتریکی (قرمز) به صورت محوری شتاب می گیرد. با گذشت زمان ذرات تقریبا موازی با میدان ها حرکت می کند.

میدان الکتریکی اگرچه همچنان ذره را در خطوط میدان شتاب میدهد. باتوجه به بار ، اگر ذره در جهت نیروی شتابدهنده وارد میدان بشود، سرعت آن افزایش می یابد. اگر جهت وروزد ذره ی باردار برخلاف جهت نیروی شتابدهنده باشد،شاید متوقف شود، و یا حتی در جهت مخالف شتاب بگیرد. به یاد بیاورید که جهت میدان الکتریکی در حقیقت،جهت نیروی واردشده بر ذره با بار مثبت، است.

اگر میدان ها در یک خط نباشند، مجموعه مسیرهای مختلفی در حالت وابسته به هر بار خاص، شدت میدان، جهت و اختلاف زاویه بین میدان مغناطیسی و الکتریکی می توانند رخ دهند.

EB_fields2_924x279

با حضور دائمی میدان الکتریکی، ذرات متمایل به حرکت شتاب دار می شوند، که همیشه بیشتر نزدیک به هم ردیف شدن با خطوط میدان، و افزایش سرعت خواهد بود.

هر چند این مسیرها ممکن است پیچیده به نظر برسند، اما در یک زمان آنها فقط یک ذره باردار را شامل می شوند که میدان الکتریکی و مغناطیسی ثابت و سرعت ورودی یکسان دارد. در عمل، بسیاری از ذرات باردار، با قطبش و بردار سرعت مختلف، ممکن است یک حجم از فضا را در یک آن اشغال نمایند و تداخل الکتریکی و مغناطیسی آنها، اندازه میدانی که در آن حرکت میکنند را تحت تاثیر قرار خواهد داد.
همچنین ذرات خنثی و نیز گرد و غبار، دانه و ذرات درشتی که در آن وجود دارند، هر کدام باعث افزایش تاثیر نیروهای دیگر( جاذبه، ویسکوز، برخورد) در فعل و انفعالات پلاسما می شوند.
تاثیرات حرکت مارپیچی مانند الکترونها در اطراف خطوط میدان مغناطیسی در فضا (به خصوص در محیط پلاسما) اغلب به فرم و صورت تابش تقویت شده و حرکت تند شده ذرات باردار الکترونی (سینکرترون) یافت می شود. با در نظر گرفتن قانون نیروی لورنتز، باید یک میدان الکتریکی موازی و هم ردیف با میدان مغناطیسی وجود داشته باشد و حرکت محوری الکترونهای چرخشی، که مولفه ی سرعت آن با میدان مغناطیسی موازی است، جریانی همتراز با میدان را تشکیل می دهند. این جریانها، جریانهای بیرکلند نام دارند که در اخترفیزیک اهمیت به سزایی داشته و داده های رصد تجربی نیز از آن ها موجود است.

synchrotron-radiation

میدان هم ردیف با الکترون نسبیتی، تابش سینکرترون طول موج اشعه X تولید میکند.

۴٫۴ دیگر تاثیرات معادلات میدان

یادآوری برخی از نتایج اصلی و پایه ای حاصل از کاربرد معادلات میدان مغناطیسی مفید است

  1. میدانهای الکتریکی باعث وارد شدن نیرو بر روی همه ذرات باردار باعث میشوند.
  2. نیروی الکتریکی برای ذراتی که بار مخالف دارند در جهات مخالف خواهد بود؛ بنابراین، یک میدان الکتریکی می تواند سرعتهایی درخلاف جهت یکدیگر برای یونها و الکترونها ایجاد کند، پس تمایل به جدا سازی آنها دارد. جدایی بار در فضا در فیزیک پلاسما بسیار مهم است.
  3. میدانهای مغناطیسی تنها روی ذرات باردار در حال حرکت که دارای مولفه ی عمودی حرکت بر میدان مغناطیسی هستند، عمل میکند. چون نیروز وابسته به حاصلضرب خارجی بردار سرعت و بردارهای میدان است، اثر آن در جهات مختلف متفاوت خواهد بود. این باعث به وجود آمدن نوعی مقاومت الکتریکی وابسته به جهت می شود. درست مثل تلاش برای شنا کردن در عرض یک رودخانه به جای شنا کردن در مسیر جریان آب رودخانه.
  4. جهت میدان مغناطیسی وابسته به بار و اندازه حرکت لحظه ای است؛ پس یونها و الکترونها در با شعاع و دوره چرخش متفاوت، جهت مخالف هم میچرخند.
  5. حرکت پلاسماهای حجیم در امتداد جهت میدان مغناطیسی باعث توسعه یک میدان الکتریکی محلی خواهد شد که خود آن باعث ایجاد نیروهای تازه بر روی ذرات باردار میشود.
  6. تغییر در توزیع ذرات باردار باعث تغییر در میدان الکتریکی بین آنها میشود؛ یک میدان الکتریکی تغییر یافته در میدان مغناطیسی تغییر ایجاد میکند.
  7. معادلات ماکسول و قانون نیروی لورنتز با یکدیگر به عنوان یک چرخش بازتابی عمل میکنند که حرکات ذرات باردار و میدانها را در مسیرهای پیچیده تغییر میدهد.

۴٫۵جایگزینی جریانها با میدانهای مغناطیسی

سوالی که مطرح میشود این است که آیا جریانهای الکتریکی میتوانند جایگزین میدان های مغناطیسی شوند که با استفاده از معادلات ماکسول راه حل آسانتری داشته باشیم؟

از نظر فنی، در موقعیتهای خاص و ساده، پاسخ مثبت است. و این روش اغلب در نظریه ها و مدل های هیدرودینامیکی استفاده می شود، زیرا که این روش برای مطالعه ی برخی پدیده های پلاسمایی بسیار راحتتر است. اما جنبه های بسیار زیادی از رفتار پلاسما وجود دارد که در نظر گرفتن حرکت ذرات باردار در آنها مهم، بسیار سخت و تعیین کننده است؛ زیرا اگر رفتار میدان را ساده در نظر بگیریم، پیچیدگی رفتار پلاسمای مورد بررسی را نمی توان توجیه کرد.

این وضعیت شبیه دوگانگی موج- ذره ای در فیزیک ذرات  میباشد: بعضی موقعیتها هستند که استفاده از توصیف ذره ای در آنها(برای توجیه آنها) لازم است.

نمونه هایی از رفتارهای پلاسما نیاز به استفاده از توصیف ذره یا جریان ، شامل(سلولی شدن) cellularization و filamentation (رشته ای شدن)، حمل و نقل انرژی، و بی ثباتی هستند. در نظر گرفتن جریانهای الکتریکی و مدارها مستلزم استفاده از تعاریفی است که بر پایه ی ذرات باشد.

حقیقتا اگر تنها به بررسی تاثیرات میدان در اینگونه موقعیتها بسنده کنیم، از درک و توجه به پیچیدگیهای رفتاری پلاسما در میمانیم. در آینده به بررسی بعضی از این رفتارهای پیچیده تر خواهیم پرداخت.

Chandra-Centaurus-A-in-xray-small

کهکشان قنطورس A که توسط چاندرا با “نور” اشعه X دیده شد، با جت پلاسمای متمرکز شده و آرایش نتیجه شده از آن به گستردگی ده ها هزار سال نوری

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/11/04/essential-guide-to-the-eu-chapter-4/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

در باره نویسنده / 

مدیریت

مطالب مرتبط

ارسال پاسخ

ایمیل شما نمایش داده نمی‌شود. موارد مورد نیاز علامتگذاری شده است *

The Thunderbolts Project

پر بیننده ها

  • mag_field_current_450x370

    میدان های الکتریکی و مغناطیسی در فضا

    ۲ توان گرانش و نیروهای الکتریکی میتوان گفت گرانش نیروی نسبتا ضعیفی است. نیروی الکتریکی کولنی بین یک پروتون و یک الکترون در حدود ۱۰ به توان ۳۹ بار قوی تر از نیروهای گرانشی بین آنهاست. چهار نیروی بنیادین در فیزیک اثرات متقابل هردو میدان گرانشی و الکترومغناطیسی به صورت نامحدودی ادامه دارد.  نیروی نسبی…

  • عضوگیری

    عضوگیری بخش فارسی پروژه آذرخش – فروردین ۹۶ (تمدید شد)

    بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش، تعدادی محدود عضو فعال “ناپیوسته” می پذیرد. انواع عضویت در آذرخش پارسی: ۱٫ عضویت ناپیوسته: ویژه دانشجویان مقطع کارشناسی دارای مهارت لازم زبان انگلیسی هر عضو ناپیوسته طی یک بازه زمانی یک ساله در این مجموعه عضویت داشته و از کلیه امکانات لازم بهره ور خواهد شد، این بازه…

  • plasma_lab_450x303

    پلاسما

    ۳ معرفی پلاسما مسئله اینکه جهان از پلاسما تشکیل شده است برای همه شناخنه شده است. در واقع، پلاسما رایج ترین نوع ماده در جهان است. در مکان های مختلف مانند: آتش، چراغ های نئون، و رعد و برق بر روی زمین و فضای کهکشانی و بین کهکشانی یافت می شود. تنها دلیلی که ما…

آخرین دیدگاه ها

بخش فارسی پروژه آذرخش

پروژه تحقیقاتی بین المللی، در زمینه ترویج عمومی و یا مطالعه تخصصی مدل های نوین در علوم طبیعی
بخش فارسی آن تحت نظارت بخش مرکزی، از اسفند ماه سال 1391 با محوریت مطالعه و بررسی مدل های نوین نجومی آغاز به کار نموده است.