پژوهش, راهنمای ضروری جهان الکتریکی, فصل دوم - میدان های الکتریکی و مغناطیسی, کتاب ها

میدان های الکتریکی و مغناطیسی در فضا

۵ 4312
mag_field_current_450x370

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.
four_forces_600x359

چهار نیروی بنیادین در فیزیک

اثرات متقابل هردو میدان گرانشی و الکترومغناطیسی به صورت نامحدودی ادامه دارد.  نیروی نسبی الکترومغناطیس در اثرات متقابل حدود ۳۷ بار بزرگتر از گرانش است.
زمانی که برای برداشتن یک شیء کوچک آهنی از یک آهنربا استفاده میکنیم میتوانیم وابستگی نیروها به الکترومغناطیس را متذکر شویم. اگرچه تمام نیروی گرانش زمین در حال تاثیر گزاری روی آن شی کوچک فلزی است اما آهنربا زمانی که به اندازه کافی به قطعه فلز نزدیک باشد، بر تمام این نیروها غلبه می‌کند. در فضا، گرانش تنها زمانی یک نیروی عمده و مهم محسوب میشود که به گونه ای نیروی الکترومغناطیسی خنثی یا محفوظ  شده باشد.
برای اجرام کروی و بارهای الکتریکی، هر دو نیروی گرانش و نیروی الکتریکی کولنی به صورت معکوس، با مربع فاصله تغییر می نمایند؛ به این صورت که،بابیشتر شدن فاصله به سرعت کاهش پیدا می کنند. برای اجرام دیگری که از نظر هندسی پیکر بندی دیگری دارند، این نیروها با بیشتر شدن فاصله با سرعت کمتری کاهش پیدا میکنند. برای مثال نیرو بین دو جریان الکتریکی باریک و طویل که به طور موازی باهم در حرکت هستند، با معکوس توان اول فاصله بین آنها به تغییر پیدا میکند.
جریان های الکتریکی میتوانند قبل از به کار گیری برای ایجاد نتایج قابل آشکارسازی، انرژی را در طول فضاهای عظیم انتقال دهند، درست مانند زمانی که برای به جوش رساندن آب درون کتری از یک منبع انرژی دور استفاده می کنیم. این یعنی، در طول مسافت های بیشتر،نیروهای الکترومغناطیسی و جریان های الکتریکی به صورت توامان می توانند نسبت به نیروی ضعیف گرانش و حتی نیروی نسبتا قوی الکترواستاتیکی کولنی موثرتر واقع شوند.
به یاد داشته باشید که به منظور توضیح رفتار ماده ای که میتوانیم کشف و بررسی کنیم، مدل گرانشی، در موقعیت های خاص و گونه های در دسترس، باید ۲۴مرتبه بیشتر از آن چیزی که به نظر می آید، در نظر گرفته شود. برای بررسی فیزیک بهتر و معقولانه تر است که از نیروهای شناخته شده ای چون الکترومغناطیس و جریان های الکتریکی استفاده کنیم تا این که دست به ابداعاتی بزنیم که ممکن نیست وجود داشته باشد.
 ۲٫۲ خلاء در فضا:
آهنربای کوچک،یک توپ را در خلاف جهت جاذبه ی زمین جذب میکند و نگه میدارد.

magnetic_pickup_450x336

تا حدود ۱۰۰سال پیش گمان میشد که فضا خالی باشد و کلمه ی خلاء و تهی بودن را میشد جایگزین هم کرد.اما کاوش ها نشان دادند که فضا شامل اتم ها،ذرات غبار،یونها و الکترونهاست. اگرچه چگالی ماده در فضا بسیار کم است، اما دقیقا صفر نیست. بنابراین خلاء در مفهوم عمومی فضایی نیست که در آنجا هیچ چیز نباشد.برای مثال باد خورشیدی که به عنوان جریانی از ذرات باردار شناخته شده است که از خورشید ناشی میشود در اطراف زمین به سرعت حرکت کرده و فضای اطراف آن را جاروب میکند سرانجام باعث بروز نورهای مرئی در شمال و جنوب کره زمین میشود.
ذرات غبار تصور میشود که در ۲۰۰نانومتر از فضا به صورت جفت باشند و بسیاری از آنها همچنین از نظر الکتریکی باردار هستند مانند یون ها و الکترونها. ترکیبی از مواد خنثی و باردار پلاسما گفته میشود که توسط میدان های الکترومغناطیسی فراگرفته شده. ما در بخش سوم در رابطه با پلاسما و اثرات متقابل آن با میدان های الکترومغناطیسی و جزئیات آن،بیشتر بحث خواهیم کرد.  حقیقت فضاهای “خالی” میان سیارات  یا ستارگان یا کهکشانها  با آنچه که ستاره شناسان در اوایل قرن بیستم فرض می‌کردند، بسیار تفاوت دارد.

(به اصطلاحات علمی در لینک ها توجه کنید; منجمان اغلب در حالت پلاسما،به ماده اشاره میکنند مانند “گاز” ، “بادها” ، “گازهای داغ یونیزه شده”، “ابرها و توده ها” و… که این منجربه واماندن از تشخیص درست بین دو رفتار متفاوت حالت ماده در فضا می شود که اولی پلاسما دارای بار الکتریکی و دیگری که ممکن است گاز خنثی باشد که در فضای گسترده ای شامل اتم ها و مولکولهاست.(
وجود ذرات باردار و میدان های الکترومغناطیسی در فضا در هر دو مدل گرانشی و مدل الکتریکی پذیرفته شده است. اما نقطه مهم و تاکیدی در هردوی آنها و رفتارشان یک مشخصه متفاوت در بین دو مدل است.


۳٫۲  معرفی میدان های مغناطیسی
منظور ما از عبارت میدان مغناطیسی و خطوط میدان مغناطیسی چیست؟  به منظور درک این موضوع، اجازه دهید ابتدا با یک مثال آشناتر شروع کنیم: گرانش!

h_alpha_plasma_map_Nsky_wiki_450x304
هیدروژن یونیزه (پلاسما) در بررسی های شمال آسمان، به وفور مشاهده شده است. Image: Wiki Commons

 

ما می دانیم که گرانش نیروی جاذبه بین اجسام و ذراتی است که دارای جرم هستند.و می گوییم که گرانش زمین در اطراف همه ی ما روی سطح زمین و تا مرزهای فضا نیز گسترش پیدا کرده است. می توانیم با گفتن این که زمین دارای یک میدان گرانشی است، که در فضا در تمام جهت ها گسترش یافته یک ایده ی مشابه و البته بهتر را مطرح کنیم. به معنای دیگر، یک میدان گرانشی ناحیه ای است که نیروی جاذبه گرانشی بین جرم ها اعمال می شود.

aurora_spacewxgallery_zimmerman_451x110

شفق قطبی، photographed by L. Zimmerman, Fairbanks, Alaska. Image courtesy spaceweather.com,

Aurora PhotoGallery

به طور مشابه یک میدان مغناطیسی ناحیه ای است، که نیروی مغناطیسی را روی اجرام باردار یا مغناطیسی شده اعمال می کند (بعدا در رابطه با منشا میدان های مغناطیسی بحث خواهیم کرد.) تاثیرات نیروی مغناطیسی روی مواد فرو مغناطیس بیشترین نمود را دارد. برای مثال براده های آهن در میدان مغناطیسی مانند عقربه های قطب نما، خودشان به صورت مستقیم در مسیر میدان جهت گیری می کنند.

magnet_ironfilings_425x286

آهنربای میله ای وبراده ها ی آهن اطراف آن، جهت میدان مغناطیسی را نمایش میدهند.

به این خاطر که براده های آهن به گونه ای تمایل به جهت گیری دارند که قطب جنوب آنها به سمت قطب شمال دیگری باشد، الگویی که آنها می سازند می تواند به شکل خط هایی متحدالمرکز کشیده شود که می تواند جهت و شدت میدان را به صورت غیر مستقیم در هر مکانی نشان دهد.
بنابراین خطوط میدان مغناطیسی راه مناسبی برای نشان دادن جهت میدان و همچنین مثل یک راهنمای سودمند برای نشان دادن مسیر ذرات باردار محرک در یک میدان، است.
مهم است به یاد داشته باشید که خطوط میدان مانند اجرام فیزیکی وجود ندارند. هر براده آهن در یک میدان مغناطیسی مانند یک قطب نما عمل می کند. شما می توانید آن را در مسیر جابه جا کنید در حالی که این براده آهن، در موقعیت جدیدش هنوز جهت شمال-جنوب را نشان می دهد. به طور مشابه آزمایش معروف گلوله سربی (یا یک نخ که در انتهای آن یک جرم سنگین نصب باشد) جهت موضعی میدان گرانشی را نشان خواهد داد. خطوط طولی ممتد بین سری هایی از گلوله های سربی، میتواند خطوط میدان گرانشی را نشان دهد. این خطوط واقعا وجود ندارند، آنها تنها وسیله مناسبی برای متصور شدن یا رسم کردن جهت نیروهای کاربردی توسط میدان هستند. برای بحث بیشتر در این رابطه به لینک داده شده مراجعه کنید.
یک خط میدان لزوما نشان دهنده ی جهت نیروی اعمال شده توسط هرچیزی که میدان را ایجاد کرده نیست. امتداد خطوط میدان میتواند نشان دهنده ی جهت یا قطبیت یک نیرو باشد یا به صورت خطوط واصل از شدت های یکسان نیرو ناشی شود، مانند خطوط واصل در یک نقشه که نقاطی از ارتفاع  یکسان ، ازسطح دریا،را به هم متصل میکند.درالکترومغناطیس اغلب در اطراف اجرام سه بعدی با میدان های مغناطیسی، برای نشان دادن ناحیه اعمال نیرو، به جای خطوط از سطوح فرضی استفاده می شود.

بنا به توافق، تعریف جهت میدان مغناطیسی در تمامی نقاط از قطب شمال به قطب جنوب است. در میدان گرانشی میتوان به جای خطوط جهت نیرو از خطوط واصل نیروی گرانشی هم اندازه بهره برد. این خطوط از نیروی گرانشی ممکن است با ارتفاع ( فاصله از مرکز جرم ) تغییر کند،درست مثل خطوط واصل  در نقشه، برای یافتن جهت نیرو، با استفاده از اندازه بلندی خطوط واصل، ابتدا باید دریافت که جسم در کدام مسیر تمایل به حرکت دارد. مثلا سنگ قرارداده شده در سمتی از یک تپه ، شروع به غلتش در جهت سراشیبی می کند.
میدانهای مغناطیسی پیچیده تر از میدانهای گرانشی اند چراکه هم دفع می کنند و هم جذب. دو میله آهنربا ثابت با قطب های متضاد (N-S) در طول جهت نشان داده شده توسط خطوط میدان ترکیبی یکدیگر را جذب میکنند. آهنرباها با قطب های یکسان N-N) یا( S-Sدر امتداد جهت یکسان یکدیگر را دفع می کنند.
همچنین، میدان مغناطیسی نیرویی را بر ذره باردار در حال حرکت اعمال می کند. به این خاطر که نیرویی که ذره باردار تحت تاثیر آن است، در زاویه قائمه نسبت به خطوط میدان مغناطیسی و جهت ذرات می باشد، ذره باردار متحرک در میان یک میدان مغناطیسی مسیر خود را با توجه به عملکرد میدان تغییر می دهد. در اینجا به منظور حفظ انرژی جنبشی سرعتش بدون تغییر باقی می ماند. تصویر زیر نشان می دهد که برای یک پرتو الکترون در لوله آزمایشگاهی خلاء، قبل و بعد از اعمال میدان مغناطیسی چه روی می دهد.

e_beam_in_magfield_600x179

میدانهای مغناطیسی روی یک پرتو الکترونی در لوله خلاء تاثیر می‌گزارند. در این تصاویر، در لوله خلاء به پرتو باریکی از الکترون ها، به صورت مستقیم به سمت بالا شتاب داده میشود (سمت چپ،انتشار نور آبی). با تقویت میدان مغناطیسی و عبور یک جریان الکتریکی که از میان حلقه ها می‌گذرد، منجربه انحراف پرتو الکترونی می‌شود.
نیروی مغناطیسی روی یک ذره باردار در حال حرکت، مشابه نیروی گردشی در ژیروسکوپ است. یک ذره باردار که مستقیما در طول خطوط میدان مغناطیسی حرکت میکند، نیرویی را که سعی داشته باشد مسیرش را تغییر دهد، تجربه نخواهد کرد. درست مثل نیرو وارد کردن در طول محور حرکت وضعی یک ژیروسکوپ چرخان، که این باعث تغییر مسیر یا پیش افتادن آن نمیشود.
با این که نیروهای وارد شونده بر ذرات باردار متفاوتند اما تصور میدان مغناطیسی،مانند در نظر گرفتن خطوط فرضی میدان،میتواند مفید باشد چراکه جهت نیروی هر ذره باردار متحرک، را میتوان از جهت میدان دریافت.
به عنوان مثال خطوط بیشمار میدان مغناطیسی خورشید در اطراف حفره ها و سایر مناطق فعال دیگر را می توان در نظر گرفت. درک دینامیک چنین میدان هایی کمک میکند تا قواعد اساسی جریان های پلاسمای سازنده ی آنها را بهتر درک کنیم.

۴٫۲ منشا میدان های مغناطیسی
تنها یک راه برای تولید میدان های مغناطیسی وجود دارد: حرکت بارهای الکتریکی. در آهنرباهای دائمی، اصولا میدان ها توسط الکترون های در حال چرخش در اطراف هسته ی اتم ها تشکیل میشوند. یک آهنربای قوی زمانی تشکیل میشود که تمام الکترون های در حال چرخش در اطراف هسته، حرکات چرخشی یکسانی داشته باشند و یک نیروی مرکب قوی را ایجاد کنند.اگر آهنربا به میزان Curie گرما دریافت کرده باشد، به ناگهان ،این حرکت چرخشی منظم، توسط حرکت گرمایی اتمهادر هم میشکند و باعث کاهش شدت میدان مغناطیسی میشود.در یک سیم فلزی حامل جریان، میدان مغناطیسی توسط الکترون هایی که در طول سیم حرکت میکنند ایجاد میشود. برای اطلاعات بیش تر به لینک های کمکی مراجعه کنید.
در هر صورت، زمانی که بارهای الکتریکی حرکت میکنند میدانهای مغناطیسی تولید میشود. بدون حرکت بارهای الکتریکی تولید این میدان ها ممکن نیست. طبق قانون آمپر،ذره بار دار متحرک یک میدان مغناطیسی با خطوط دایره ای نیرو ایجاد میکند که بر صفحه ی حرکت بارها عمود است.

بااینکه جریان های الکتریکی از ذرات باردار متحرکی تشکیل شده اند که غیر قابل رویت اند و همچنین به سختی در طول فواصل آشکارشازی میشوند، اما آشکار سازی یک میدان مغناطیسی در موقعیتی از فضا(با متدهای شناخته شده در نجوم) یک اثر مشخص است که با جریان الکتریکی همراهش، شناخته میشود.

magfield_lines_sun_450x450

خطوط میدان مغناطیسی منطبق بر خورشید، در مجاورت حفره ی تاج و دیگر مناطق فعال.

 

شناخت پویایی میدان کمک به درک جریانات پلاسمایی زیربنایی تشکیل دهنده‌ی آنها می‌کند.
اگر جریان هایی در یک رسانا مثل یک سیم بلند مستقیم و یا یک رشته پلاسما داشته باشیم، هرکدام از ذرات باردار در این جریان، یک میدان مغناطیسی کوچک در اطرافش خواهد داشت. زمانی که تمام این میدان های مغناطیسی منفرد باهم یکی شوند، نتیجه اش ایجاد یک میدان متوالی مغناطیسی در اطراف تمام رسانا است. ناحیه هایی در اطراف سیم که نیرو میدان برابر دارد (که سطوح هم پتانسیل گفته میشود) استوانه هایی هم مرکز باسیم ایجاد میکنند.در رابطه با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان بعدا بحث خواهیم کرد.
لینک های کمکی:

http://magician.ucsd.edu/essentials/WebBookch3.html#WebBookse18.html

http://www.physics.ucla.edu/demoweb/demomanual/electricity_and_magnetism/magnetostatics/curie_temperature.html

مسئله منشا میدانهای مغناطیسی در فضا در واقع یکی از نقاط اختلاف ،بین مدل گرانشی و مدل الکتریکی است.
مدل گرانشی وجود میدان های مغناطیسی را در فضا تایید میکند چرا که آنها به طور عادی رصد شده اند اما در این مدل دلیل وجود میدان های مغناطیسی را تولید جریان های دائم در ستاره ها میدانند.امروزه ،به نظر بیشتر محققان نه میدان های الکتریکی و نه جریان های الکتریکی در فضا نقش مهمی در تولید میدان های مغناطیسی،ایفا نمیکنند.

خطوط میدان مغناطیسی در یک رسانا، به صورت “پوسته  ” های استوانه ای هم مرکز رسانا را احاطه کرده اند.توجه داشته باشید که اگر انگشت شست شما همسو با جهت پیکان جریان قرارابگیرد، جهت چرخش بقیه ی انگشتان شما، جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد.

mag_field_current_450x370

در مقابل،در مدل الکتریکی همانگونه که بعدا با جزئیات بیشتری به آن اشاره میکنیم، این موضوع بیان شده که میدان های مغناطیسی باید از حرکت ذرات باردار در فضا-درست مثل حرکت ذرات باردار در زمین و تولید میدان مغناطیسی در آن- شکل گرفته باشند. البته مدل الکتریکی پذیرفته است که ستارگان و سیارات نیز دارای میدان های مغناطیسی اند که این گفته با رصدهایی از مگنتوسفر(مغناط کره) و سایر رصدها اثبات میشود. بینش جدید مدل الکتریکی به توضیح خواستگاه های متفاوتی، به جز جریان های دائم در ستاره ها برای شکل گیری میدان های مغناطیسی میپردازد .

۵٫۲ آشکار سازی میدان های مغناطیسی در فضا
از آغاز عصر فضا،فضاپیماها توسط تجهیزاتشان قادر به اندازه گیری میدانهای مغناطیسی در منظومه شمسی بوده اند. اما ما میتوانیم میدان های مغناطیسی را فراتر از حیطه ی فضاپیماها ببینیم،چراکه میدانها تاثیراتی بر نور و سایر تابش های گذرنده اعمال میکنند. ما حتی میتوانیم شدت میدان مغناطیسی را با اندازه گیری مقدار این تاثیرات تخمین بزنیم.

M83_magvisual_471x304

اهدایی از:  Rainer Beck and Bill Sherwood (ret.), Max Planck Institute für Radio-Astronomie

تصویر نوری (سمت چپ)- شدت میدان مغناطیسی، جهت

میدان مغناطیسی زمین در حدود قرن هاست که شناخته شده است.حالا میتوانیم چنین میدان هایی را در فضا آشکارسازی کنیم بنابراین مفهوم میدان مغناطیسی در فضا به طور حسی قابل درک است،هرچند منجمان مشکلاتی در توضیح منشا این میدان های مغناطیسی دارند.
میدان های مغناطیسی در بیشتر طول موج ها با مشاهده طیف نگاری مقدار تابش متقارن و یا توسط خطوط جذب شده که میدان مغناطیسی ایجاد می کند،قابل آشکارسازی است.بعد از فیزیکدان هلندی و دریافت جایزه نوبل در سال ۱۹۰۲ توسط پیتر زیمان این اثر به عنوان اثر زیمان شناخته شد. توجه کنید که در تصویر سمت راست چگونه با این دقت ،جهت میدان با بازوهای کهکشان در تصویر اپتیکال  سمت چپ هم تراز شده است.

شاخص دیگر حضور میدان مغناطیسی تابش قطبیت سینکروترون به وسیله الکترون ها در یک میدان مغناطیسی در مقیاس کهکشانی است.برای مطالعه بیش تر مقاله های میدان های مغناطیسی کهکشانی نوشته Beck و Sherwood در دانشنامه Scholarpedia به همراه یک اطلس مربوطه پیشنهاد می گردد. (به لینک های کمکی در انتهای متن مراجعه کنید(
اندازه گیری درجه قطبش باعث استفاده از اثر فارادی می شود. چرخش فارادی به نوبه خود منجر به استخراج قدرت میدان مغناطیسی که از طریق آن نور قطبیده در گذر است، می شود.
مقاله بسیار مفیدی توسط فیلیپ کرونبرگ Measurement of the Electric Current in a Kpc-Scale Jet, موجود است (لینک در انتها آمده است) که نگاهی گذرا به ارتباط مستقیم بین چرخش فارادی و یک گره قدرتمند در یک جت کهکشانی بزرگ را بیان میکند که این ارتباط در نتیجه قدرت میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی حاضر در جت است.
میدان مغناطیسی در هر دو مدل گرانشی و مدل الکتریکی جهان گنجانده شده است.تفاوت اساسی این است که مدل الکتریکی میدان های مغناطیسی در فضا را همیشه همراه با جریان های الکتریکی می شناسد. جریان ها و میدان های الکتریکی را در ادامه بررسی خواهیم کرد.
لینکهای کمکی:

 http://www.scholarpedia.org/article/Galactic_magnetic_fields
http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/staff/wsherwood/tst.messier.html

 http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_effect

 http://arxiv.org/pdf/1106.1397.pdf

۶٫۲ معرفی میدان های الکتریکی
بار الکتریکی به صورت قطبی است و مقادیر آن به صورت مثبت و یا منفی می باشد. به طور قرارداری کوچکترین واحد بار الکتریکی برابر است با بار یک الکترون (-e) برای بار منفی یا یک پروتون (+p) برای بار مثبت. بار الکتریکی کوانتیده است و همیشه مضرب عدد صحیح e می باشد.
واحد اصلی بار الکتریکی “کولن (c)” می باشد که در آن e = 1.60×۱۰^-۱۹c می باشد. به عبارتی یک کولن معادل ۶٫۲۵×۱۰^۱۸ تک ذره باردار می باشد و هر آمپر شدت جریان الکتریکی یک کولن بر ثانیه می باشد و متقابلا جریان ۲۰ آمپر ۲۰ کولن از بار الکتریکی بر یک ثانیه، یا عبور ۱٫۲۵×۱۰^۲۰ الکترون در یک ثانیه از یک نقطه ثابت می باشد.
zeeman_effect_314x360

اثر زیمان، گسترش خطوط طیفی یا تقسیم در حوضه ی میدان مغناطیسی
اهدایی از : www.chemteam.info/classical papers/no.38,1897 –

the Zeeman effect. Original photo by Pieter Zeeman

 

میدان الکتریکی در اطراف یک تک بار مثبت (L)، که بین دو صفحه ی باردار قرار گرفته است، پیکان جهت نیرویی که به بار مثبت از طرف میدان وارد می شود را نشان می دهد ، توجه داشته باشید که نیروی مشابهی از طرف میدان بر بار منفی نیز اعمال می شود، با این تفاوت که، جهت آن درست بر خلاف  جهت نیروی اعمال شده بر بار مثبت است.

electric_fields_499x322

هر بار دارای یک میدان الکتریکی است .یک میدان الکتریکی مانند میدان مغناطیسی بر اثر نیروهای بنیادی الکترومغناطیس بوجود می آید و برد یا محدوده ی اثر آن بینهایت است، میدان الکتریکی اطراف یک ذره باردار به صورت کروی شکل و مانند میدان گرانشی اطراف یک جرم نقطه ای کوچک یا یک جرم بزرگ کروی است.

قدرت یک میدان الکتریکی در یک نقطه به شکل نیروی نیوتنی (N) خواهد بود که بار آزمون مثبت یک کولن در آنجا قرار گرفته است. مثل گرانش، نیروی یک بار الکتریکی با معکوس مجذور فاصله آن رابطه دارد.
نقطه معین شده برای بار آزمون مثبت به طور مداوم به عنوان جهت نیروی وارد شده از یک بار با بار دیگر در نظر گرفته می شود.
از آنجا که بارها ی الکتریکی باعث دفع و جذب قطب مخالف خود می شوند، درست مثل قطب های مغناطیسی، خطوط خیالی میدان های الکتریکی هم تمایل به دور شدن از بارهای مثبت و نزدیک شدن به بارهای منفی دارند. یک ویدئو کوتاه در مورد میدان های الکتریکی را از طریق لینک های کمکی ببنید.
از لینک کمکی دیگر هم می توانید یک برنامه ریاضی برای ۲بار الکتریکی و خطوط نیرویشان ببینید.
لینک کمکی یک:
http://www.youtube.com/watch?v=vaDT4GwAZ2I
لینک دو:
http://demonstrations.wolfram.com/LinesOfForceForTwoPointCharges

به طور معمول، در فضا ،نیروهای الکترومغناطیسی در پلاسما قوی تر از نیروهای گرانشی هستند،الکترومغناطیس می تواند حفظ شود(محفوظ شود)،ولی گرانش چنین قابلیتی ندارد،تا جایی که شناخته شده است،استدلال رایج در مدل استاندارد این است که: بیشتر الکترونها در یک ناحیه یایک جسم با پروتونهای هسته ها و مولکولها به صورت جفت شده، هستند،بنابراین نیروهای خالص حاصل از بارهای مثبت و منفی با هم خنثی می شوند و بنابراین کاملا “بر اجسام بزرگ،گرانش می تواند،نیروی مسلط باشد.” (لینک: ویکی پدیا، فعل و انفعالات اساسی، سر فصل اکترومغناطیس)

فراتر از آن آنچه نادیده گرفته شده این است که به استثنای شرایط خاص سیاره ها همچون خنک بودن نسبی آن ها، پایداری و محیط تقریباً خنثی، که مانند آن هم روی زمین وجود دارد، بیشتر ماده ی دنیا از پلاسما تشکیل شده است. یعنی ذرات باردار و ذرات خنثی در ترکیبی منظم از جدایی بار الکتریکی در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده توسط خودشان در حرکت هستند، که گرانش، علیرغم حضور دائمی اش نیروی غالبی نیست.
جریان ها و میدان های الکتریکی در پلاسما اغلب می توانند بیشتر بارهای خنثی، میدان ها الکتریکی و مغناطیسی ضعیف و جریان های ضعیف به هم پیوسته شان را در فضا بزرگ و قدرتمند کنند. مدل جهان الکتریکی در فضا پدیده هایی چون کره ی مغناطیسی، جریان های بیرکلند، ستارگان، تپ اختر ها، کهکشان ها، جت های ستاره ای و کهکشانی، سحابی های سیاره ای، سیاهچاله ها، ذرات پر انرژی مانند اشعه های گاما و ایکس و غیره را اساسا پدیده هایی الکتریکی در فیزیک پلاسما توصیف می کند. حتی اجرام سنگی، سیارک ها ، قمرها و دنباله دار ها و اجرام گازی داخل منظومه شمسی که در هلیوسفر ستاره شان قرار دارند عاری از نیروهای الکترومغناطیسی و اثراتشان نیستند.
هر ذره ی باردار به طور جداگانه منجر به تشکیل میدان الکتریکی می شود. اگر ذرات باردار ثابت فرض شوند می توان به راحتی نیرو ی خالص را در نقطه ای از میدان الکترومغناطیسی پیچیده محاسبه کرد. اگر ذرات باردار میدان های مغناطیسی در حالی که میدان مغناطیسی متغیری دارند در حال حرکت باشند، تغییرات میدان مغناطیسی آن ها باعث تشکیل میدان الکتریکی می شوند، بنابراین میدان هایی که توسط ذرات در حال حرکت تشکیل می شوند نمایانگر برهمکنش های بسیار پیچیده ، حلقه های بازخوردی و ریاضیات بسیار پیچیده می باشد.
بار های الکتریکی در فضا در هر پیکربندی ممکن است به صورت سه بعدی توزیع شده باشد .اگر، به جای یک نقطه یا یک کره، بارهای الکتریکی در یک مدل خطی توزیع شده باشند به طوری که طول یک ناحیه ی باردار بسیار طولانی تر از عرض و قطر آن باشد، می توان نشان داد که میدان های الکتریکی ساختار خطی شکلی را مانند استوانه دارد که از نیرو های پتانسیلی برابر احاطه شده است، واین که میدان این پیکربندی از مرکز با معکوس فاصله کاهش می یابد(نه مربع معکوس فاصله). این امر بسیار مهمی در مطالعه ی میدان های الکتریکی و مغناطیسی در جریان های رشته ای مانند دشارژ های سریع رعد و برق یا یک پلاسمای کانونی، یا جریان های رشته ای بزرگ بیرکلند در فضا است.

توجه داشته باشید که جهت نیروی اعمال شده روی بار مثبت از بار مثبت شروع و به بار منفی خاتمه می یابد، یا با رد کردن یک بار منفی، به طور نامحدود گسترش می یابد. حتی یک عدم تعادل بار کوچک نشان می دهد، ذراتی با بار مثبت در اینجا هستند و ذراتی با بار منفی در فاصله ای دورتر از ناحیه نیرو و میدان الکتریکی در بین مناطقی با بارهای ناهمگون جدا از هم، قرار می گیرند. اهمیت این موضوع در توضیح لایه های دوگانه در پلاسما بیشتر روشن خواهد شد.
تصور کنید یک خازن الکتریکی که در آن دو صفحه ی جدا از هم وجود دارد، صفحات یا لایه های مخالف باردار شده، شبیه به دو صفحه ی باردار شده ی B در نمودار سمت راست . یک میدان الکتریکی بین لایه ها به وجود می آید. هر ذره باردار در حال حرکت یا جا به جا شدن بین لایه ها به سمت لایه ی باردار مخالف شتاب خواهد گرفت. الکترون ها(که باردار منفی هستند) به سمت لایه باردار با بار مثبت و یون های مثبت و پروتون ها به سمت لایه باردار با بار منفی شتاب می گیرند.
طبق قوانین نیوتن، شتاب از نتایج نیرو است. بنابراین میدان های الکتریکی باعث ایجاد تغییر در سرعت ذرات باردار خواهند شد. ذرات باردار با بار مخالف در جهت های مخالف حرکت خواهند کرد. معنی “جریان الکتریکی”، حرکت بارها از یک نقطه به نقطه دیگر است.بنابراین میدان های الکتریکی با سرعت دادن به ذرات باردار باعث ایجاد جریان های الکتریکی می شوند.
اگر یک میدان الکتریکی به اندازه ی کافی قوی باشد، ذرات باردار به سرعت بسیار بالایی توسط میدان شتاب داده خواهند شد.برای اطلاعات بیشتر لینک زیر را ببینید.

http://library.thinkquest.org/16600/advanced/electricfields.shtml

candle_flame_plasma_in_E-field_450x337

یک شعله شمع در یک میدان الکتریکی بین دو صفحه ی باردار مخالف به یک جهت گرویده خواهد شد زیرا شعله تا حدی پلاسمای یونیزه شده است. بنابراین پاسخ قوی تری به نیروی میدان الکتریکی بین صفحات نسبت به نیروهای همرفتی حرارتی در میدان گرانشی می دهد و نیروی الکتریکی غالب بر آن است

 

۲٫۷ آشکار سازی جریان ها و میدان های الکتریکی در فضا

میدان های الکتریکی و جریان ها بدون داشتن وسیله ی اندازه گیری به صورت مستقیم در داخل میدان، سخت تر قابل شناسایی هستند ،اما ما جریان های داخل منظومه شمسی را با فضا پیما ، شناسایی کرده ایم. یکی از اولین آن ها ، فضا پیمای TRIAD است با مداری با ارتفاع قطبی کم ، که در سال ۱۹۷۰ اندازه گیری هایش جریان هایی را در برهمکنش با اتمسفر بالایی زمین، مشخص کرد . در سال ۱۹۸۱ هانس آلفوِن ، یک مدل پوسته ای کره ای از جریان را در کتابش تشریح کرد، کتابی به نام Cosmic Plasma(پلاسمای کیهانی) .

پس از آن ، ناحیه ای از جریان الکتریکی به نام صفحه ی پوسته ای کره ای جریان (Heliospheric Current sheet)(HCS) پیدا شد که نواحی مثبت و منفی میدان مغناطیسی خورشید را از هم جدا می کند ، که انحرافی تقریباَ ۱۵ درجه ای با استوای خورشید پیدا می کند. در طول نیمی از دوره ی خورشیدی ، میدان مغناطیسی خارج شونده از خورشید ، در بالای پوسته ی HCS قرار می گیرد و میدان داخل رونده ، در زیر آن قرار می گیرد. اما این اتفاق معکوس می شود وقتی خورشید قطب هایش در نیمه دوم دوره اش جا به جا می شود. همچنان که خورشید می چرخد ، پوسته HCS هم همراه خورشید می چرخد ، که نوسانات آن را به دنبال خود دارد ، که ناسا به این اتفاق مارپیچ استاندارد پارکر می گوید . (Standard Parker Spiral)

helioc_curr_sht_450x335

تصویری از صفحه ی پوسته ی جریان چرخشی (HCS) اطراف خورشید ، با موجی شدن که در نهایت به شکل گردشی درمی آید. عکس از Wiki Commons

فضا پیما ها از سال ۱۹۸۰ تغییراتی را در طول زمان در صفحه ی جریان در نقاط مختلف ، اندازه گیری کردند . آنها جریان های نزدیک زمینی و جریان های خورشیدی را هم ، شناسایی کردند. مدل گرانشی قبول می کند که تمام این جریان ها در فضا وجود دارد ، اما فرض می کند که نتیجه ی وجود یک میدان مغناطیسی هستند . بعدا به این موضوع باز می گردیم .

langmuir_probe_473x576

موشک تحقیقاتی حامل Spirit II شامل وسایل آزمایشی لانگمویر برای شناسایی میدان های الکتریکی و یون ها در پلاسمای اطراف زمین . عکس از Nasa Wallop Flight Facility and Penn State University

میدان های الکتریکی که در خارج از دسترس فضا پیما ها باشند ، دقیقا به همان روشی که میدان های مغناطیسی شناسایی می شوند ، قابل شناسایی نیستند .تغییراتی مانند شکافته شدن خطوط طیفی اتمی یا گسترش دامنه آنها در حضور میدان های الکتریکی رخ می دهد ، اما تغییراتی که نامتقارن هستند ، نشان دهنده حضور یک میدان الکتریکی است، برخلاف شکافته شدن خطوط طیفی که در میدان مغناطیسی ، به صورت متفارن رخ می دهد . بعلاوه ، گسترش طیفی که در حضور میدان الکتریکی رخ می دهد ، نسبت یه جرم اتمی عناصری که نور ساتع می کنند (عناصر سبک تر به راحتی دچار تغییر طیفی می شوند و عناصر سنگین تر به سختی و اثر کمی می پذیرند) حساسیت نشان می دهد ، اما اثر زیمان که مربوط به تغییرات طیفی در حضور میدان مغناطیسی است ، وابستگی به جرم ندارد . شکاف طیف روشن نا متقارن یا گسترش خطوط طیفی که در حضور میدان الکتریکی رخ می دهد ، به نام اثر اشتارک معروف است ،که پس از خود او  Johannes Stark (1874-1957) نام گذاری شد .

stark_effect_284x295

گسترش دامنه طیف نمایی هلیوم ، که در حضور میدان الکتریکی افزایش پیدا می کند . اتم های سنگین تر تاثیر کمتری نسبت به اتم های سبکتر می پذیرند. عکس از ژورنال Franklin Institude 1930

روش دیگری که ما می توانیم میدان های الکتریکی را شناسایی کنیم ، از طریق استنتاج  رفتاری ذرات باردار است ، بخصوص آن هایی که با شتاب گرفتن به سرعت های بالا می رسند ، و همچنین وجود تابش های الکترومغناطیسی مانند اشعه ایکس در فضا ، که از گذشته ، در آزمایشات روی زمین ، می دانیم که این موارد ، با میدان های قوی الکتریکی ایجاد می شوند .

جریان های الکتریکی در پلاسما های رقیق در فضا ، مانند لامپ های فلئورسنت، یا لوله های خلاء کروکس عمل می کنند ((Evacuated Crooke’s tube. در جریان های ضعیف ، پلاسما تاریک است و نور مرئی خیلی کمی ساتع می کند (اگر چه پلاسمای سرد می تواند امواج رادیویی یا فروسرخ زیادی تابش کند) . هنگامی که جریان زیاد می شود ، پلاسما به حالت درخشان درمی آید، و مقدار زیادی انرژی الکترومغناطیس در قالب تابش امواج در گستره ی نور مرئی آزاد می کند .این موضوع در تصویر آخر فصل مشهود است. وقتی میدان الکتریکی در داخل پلاسما خیلی شدید شود ، پلاسما در حالتی قوسی شکل مانند آذرخش تابش می کند. به جز مقیاس ، تنها تفاوت ناچیزی قابل توجه بین رعد و برق با سطح تابشی فوتوسفر یک ستاره وجود دارد .

به این معنی که ،البته ، توجیحات و توضیحات دیگری هم برای این موضوع  و اثرات وجود دارد ، حتی اگر در قالب تئوری فقط باشد. مدل گرانشی گاهی اوقات فرض می کند که نیروی ضعیف گرانش در چگالی های غیر طبیعی و عجیب ،  چندین برابر شده ،که باعث شکل گرفتن سیاه چاله ها یا ستاره های نوترونی می شود ، و این سیاه چاله ها و ستاره های نوترونی این مدل آثار را بوجود می آورند. و یا ذرات توسط انفجار های سوپر نوایی به سرعت هایی نزدیک به نور ، شتاب می گیرند . سوال این جاست که آیا گرانش چند برابر شده می تواند با مشاهدات تطابق داشته باشد ، یا نیروی الکترومغناطیسی که در آزمایشگاه قابل آزمایش است و مطابق مشاهدات ، که جهان از پلاسما تشکیل شده ، توضیح بهتری ارائه می کند .

مدل جهان الکتریکی بحث می کند که آثار الکتریکی تنها به آن نواحی از فضا که فضاپیما ها قادر بودند برسند و اطلاعات جمع آوری کنند ، نمی شود .مدل جهان الکتریکی پیشنهاد می کند که اثرات الکتریکی مشابه در خارج از محدوده منظومه شمسی هم وجود دارند . در نهایت ، خیلی عجیب به نظر می آید که تنها جایی از فضا که اثرات الکتریکی وجود دارند ، منظومه شمسی باشد .

veil_601x241

سحابی Veil (پرده)، NGC 6960 ، با جریان های رشته ای پلاسمایی نازک و درخشان و صفحاتی از جریان که به اندازه سال های نوری گسترده است . عکس از T.A. Rectir, University of Alaska, Anchorage, And Kitt Peak WIYN 0.9m Telescope/NOAO/AURA/NSF

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/17/essential-guide-to-the-eu-chapter-2/

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

۵ دیدگاه

  1. Malihe ۱۳۹۵-۰۲-۲۵ در ۱۷:۴۰ -  پاسخ دادن

    Salam.mikhastam bdonam aya granesh mitoone bar parto haye electro meghnatis tasir bzare hat v baese enheraf ona beshe hata jozee??mamnoon

  2. مدیریت ۱۳۹۵-۰۳-۰۵ در ۰۲:۲۶ -  پاسخ دادن

    از دیدگاه مدل استاندارد، بله این امر شدنی هست و در میادین جاذبه قوی میتونه این امر صورت بگیره

  3. مدیریت ۱۳۹۵-۰۶-۱۴ در ۲۲:۴۵ -  پاسخ دادن

    سلام
    درخواست خودتون رو میتونین از طریق ایمیل با ما در نظر بگیرین، نظر شما هم باعث خوشحالی و افتخار ما هست.
    قسمت “ارتباط با ما” رو مطالعه کنید.

    پیروز باشید

  4. Sabinanip ۱۳۹۵-۱۰-۱۸ در ۲۳:۰۶ -  پاسخ دادن

    میخواستم از سایت خوبتون و مطالب تازه و آموزنده ای که دارین تشکر کنم، این مطلب خیلی به من کمک کرد، ممنونم

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.