طلوع خورشید تمام منظره را به وسیله ی نور مرئی (و نامرئی )روشن می کند

نور مرئی در محدوده ای از قرمز تا کاملا زرد و سبز تا آبی و سپس بنفش، مرتب شده است. نیتون اولین کسی بود که پی برد؛ نور سفید ترکیبی از تمام رنگ هاست.نور سفید می تواند به وسیله ی (انکسار) پراش از طریق یک منشور به اجزاء (رنگهای) تشکیل دهنده اش شکافته شود، هر کدام از رنگها  به مقدار متفاوتی “خمیده می شوند”. شبکه ی پراش، اغلب در ستاره شناسی مورد استفاده قرار می گیرد،از توری پراش معمولا در ستاره شناسی و نجوم استفاده می شود ، چون نوری که از منابع ضعیف نوری دریافت می شود ، پس از عبور از یک سطح سخت که منافذ عبوری نازک و موازی دارد، انرژی از دست رفته کمتری دارند در مقایسه با زمانی که از یک منشور شیشه ای عبور می کنند.

نور سفید می تواندبه وسیله ی بازتابش از شبکه های فلزی مسطح که به طور ظریفی شبکه بندی شده اند، به رنگهای تشکیل دهنده اش  تجزیه شود. اهدا شده از NASA,Jet Propulsion Laboratory

نهایتا ماکسول کسی است که معادلات میدان الکترومغناطیسی را تعریف کرد، او ثابت کرد که که نور درواقع متشکل از امواج الکترومغناطیسی  است (EM). هر رنگ ناحیه ی مرئی نور دارای فرکانس و طول موج مشخصی است. همانند دیگر امواج،حاصلضرب فرکانس و طول موج ، سرعت نور را می دهد. بدیهی است که نور با سرعت ثابت نور سفر می کند، اما ماکسول توانست از معادلاتش برای نشان دادن اینکه همه ی موجهای الکترومغناطیس با سرعت ثابت نور در حرکتتد،استفاده کند، و نتیجه بگیرد که نور باید یک  موج الکترومغناطیسی باشد.

نور مرئی درواقع نمایانگر بخش کوچکی از فرکانس ها و طول موجهای ممکن است، تمام این محدوده به عنوان طیف الکترومغناطیسی شناخته شده است.

۱۱٫۲ طیف:

اگرچه طیف پیوسته است، هر ناحیه از آن از رویموج معمول آن قسمت از طیف، نام گذاری شده است.

با پایین ترین فرکانس، طولانی ترین طول موج، شروع می کنیم، طیف از امواج رادیویی به سمت امواج ماکروویو (مانند اون)، تابش تراهرتزی (توسعه های اخیر در ارتباطات نظامی)، فروسرخ (دستگاه های تولبد گرما)، امواج مریی (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش)، فرابنفش (لامپ های پزشک قانونیو وسیله های برنزه شدن، تحلیل گرهای مواد)، اشعه ی ایکس (تصاویر پزشکی)، و تا اشعه ی گاما (درمان سرطان) می رود

طیف در نمودار زیر نشان داده شده است. دقت داشته باشید که طیف مریی تنها قسمت کوچکی از کل طیف می باشد. هنگامیکه مدل گرانشی فرمول بندی شد، دانشمندان می توانستند فقط نور مریی را از آسمان ها ببینند.

نمودار طیف الکترومغناطیس، به همراه عکس هایی از سحابی خرچنگ که نشان می دهد چگونه میشد اگر ما میتوانستیم فراتر از محدوده ی چشممان ببینیم.

در قرن بیستم، و مخصوصا از آغاز عصر فضا در سال ۱۹۵۰، دستگاه ها توسعه یافته  اند، و در نتیجه دانشمندان این اجازه را پیدا کردند که تقریبا تمامی طول موج ها را شناسایی کنند. در نتیجه مقدار اطلاعات قابل دسترس به صورت نمایی افزایش پیدا کرد. اغلب مشاهدات غافلگیرکننده هستند زیرا چیزی(پدیده های) که درطول موج  مریی مشاهده می شود به ندر ت با چیزی که در سایر طول موج ها یافت می شود، مشابه است.

طیف رادیویی الکترومغناطیس، جزییات ناحیه ی نور مریی را نشان میدهد.

مشتری که درطول موج ها دیده می شود (سیاه و سفید)، همراه با شفق هایش امواج مریی اشعه ی ایکس تابش می کند (که به رنگ بنفش بصری که ” رنگ کاذب” ما باشد برای ما قابل مشاهده است )

۱۱٫۳ تابش:

تابش فرآیندی است که به موجب آن انرژیی که از یک جسم ساطع می شود، توسط یک رسانه و یا از طریق فضا منتقل می شود، و در نهایت توسط یک جسم دیگر جذب می شود. انتشار و جذب کردن تابش توسط اجرامی ماننداتمهای کوچک و یاحتی ذرات زیر اتمی مانند الکترون ها صورت می گیرد.

امواج الکترومغناطیس موجوداتی هستند که به وسیله ی آنها انرژی انتقال داده می‌شود. به عبارت دیگر، تمام تابش ها الکترومغناطیسی هستند.

این بدان معنی است که نحوه انتقال تابش از طریق نوسان میدان های الکتریکی و مغناطیسی حامل انرژی می باشد ،درست شبیه به روشی که ارتعاشات در طول یک رشته، انرژی را حمل می کنند. از آنجا که سرعت انتقال انرژی ارتعاشی برای یک محیط ثابت است، و مقدار آن برابر است با فرکانس موج ارتعاشی در طول موج(فرکانس ضربدر طول موج= سرعت).اگر شما فرکانس را بدانید، می توانید سرعت را برای طول موج در آن فرکانس بدست آورید و بلعکس.

طیف محدوده وسیعی از فرکانس ها یا طول موج های ممکن تابش را نشان می دهد. همانطور که فرکانس افزایش می یابد، مقدار انرژی حمل شده توسط موج نیز متناسب با فرکانس افزایش می یابد. تابش های یونیزه، تابش‌هایی هستند که انرژی کافی را برای یونیزه کردن اتم ها حمل می کنند. به طور کلی، فرکانس ها از رادیویی تا مرئی، انرژی کافی را برای این کار حمل نمی کنند، در حالی که فرابنفش، اشعه X و گاما می توانند اتمها را یونیزه کنند.همانطور که قبلا اشاره شد، انرژی یونیزاسیون برای عناصر و مولکول های مختلف متفاوت است.

تابش زمانی رخ می دهد که یک ذره باردار شتاب بگیرد. به یاد داشته باشید که تغییر جهت نیز نشان دهنده ی شتاب است، زیرا جهت سرعت در حال تغییر است، پس هر ذره باردار که دچار یک تغییر جهت شود ، شتاب می گیرد و اشعه ساطع خواهد کرد.

نمایی از تابش الکترون که تحت تاثیر شتاب واقع شده است

نظریه های فعلی دلیل ساطع شدن اشعه را از تابش یک فوتون ، یا یک بسته ی انرژی می دانند. یک فوتون،جرمی ندارد، اما انرژی تابش شده را به طریقه‌ی امواج الکترومغناطیس حمل می کند. رفتار یک فوتون شبیه به هردومورد موج وذره است و اینکه کدام حالت بیشتر مناسب است بستگی به شرایط دارد.

به طور خلاصه:

تابش به وسیله ی همه‌ی ذرات باردارتحت تاثیر شتاب ساطع می شود.

تمام تابش ها شامل امواج الکترومغناطیسی هستند.

تابش انرژی منتقل می کند.

طیف،  محدوده وسیعی از فرکانس ها یا طول موج های ممکن تابش را نشان می دهد.

۱۱٫۴ تابش حرارتی:

تابش حرارتی یا گرمایی، تابش ساطع شده از سطح یک جسم،یا ناحیه ای از ذرات، بخاطر دمای آن جسم یا ناحیه است.

دما معیاراندازه گیری انرژی حرارتی داخل جسم است. انرژی گرمایی باعث می شود ذرات باردار داخل اتم ها در جسم، در جهت های تصادفی به ارتعاش در بیایند. سپس آنها یک طیف فرکانسهای متفاوت ،تابش کنند. به طور مشابه  یک ناحیه از پلاسما هم می تواند حرارت داشته باشد.

نسبتی از این تابش از سطح جسم یا ناحیه به عنوان حرارت (تابش مادون قرمز) ساطع می شود. در واقع تمام مواد با هر حرکت حرارتی داخلی تابش انرژی EM دارند، هرچه سردتر باشد طول موج تابش بلندتر است. غبار بین ستاره ای سرد با فرکانس تراهرتز یا طول موج ریز میلیمتر تابش می شود و از دمای ۱۰ کلوین شروع می شود.

نیمکره شب عمیق زحل سرد در مادون قرمز تصویر برداری شده است توسط اسپکترومتر حرارتی کاسینی در سال ۲۰۰۶ تصویر برداری شده است.  Image courtesy, NASA / JPL / Cassini Imaging Team

به دلیل طبیعت بی نظم ارتعاشات ، در تعداد زیادی از ذرات ،اشعه ی ساطع شده در یک گستره فرکانس یا طول موج خواهد بود. تحلیل آماری نشان می دهد که وضعیت ایده آل تابش انرژی درهر طول موج، تابعی از همان طول موج است. این به عنوان قانون پلانک شناخته شده است، که به صورت نموداری در پایین برای محدوده ای از دماهای مختلف نشان داده شده است. تشعشعات تابشی دراین وضعیت ایده آل به عنوان تابش جسم سیاه شناخته شده اند، و واضح است، که الگوی توزیعی را، که از تابش کننده ی کامل در تعادل گرمایی انتظار می رود، دارند.

نمودار نشان می دهد که برای هر دما یک طول موج که بیشترین مقدار انرژی را تولید می کند، وجود دارد. همانطوری که دما افزایش می یابد، طول موج انرژی اوج(بیشترین انرژی)کاهش میابد.این توسط قانون دیگری به نام قانون وین شناخته شده است. به یاد داشته باشید که خط قرمز،به نسبت خطوط داغتر آبی رنگ، دارای دمای پایین و فضای کمتر زیر منحنی است.

فضای زیر هر یک از منحنی های دما، مجموع مقدارانرژی ساطع شده در همان دما در واحد سطح را می دهد. مجموع انرژی ساطع شده در واحد سطح تنها به دما بستگی دارد.که به عنوان قانون استفان بولتزمن شناخته شده است.

تابش ایده آل جسم سیاه برای ۳ دما؛ نشان می دهد که منحنی طول موج ساطع شده، توسط افزایش دما ، به بالاترین فرکانس (طول موج کوتاهتر)،انتقال می یابد.

اگر الگوی تابش ساطع شده از هر منبع در شکلی که توسط قانون پلانک داده شده ، توزیع شود؛ پس فرض می شود که انتشار به علت جنبش های حرارتی تصادفی ذرات درون منبع باشد. پس می گوییم که تابش ،تابش حرارتی است. تمام این به این معناست که تابش ، یک توزیع از طول موج یا فرکانس هایی که از ارتعاشات حرارتی تصادفی آمده است را داراست. این تابش خودش، تابش الکترومغناطیسی است، مانند هر تابش دیگر.

اگر دریابیم که تابش حرارتی است ، پس از آن می توانیم دمای منبع را توسط مقایسه کردن منحنی تابش ساطع شده با منحنی ایده آل “جسم سیاه” مشخص کنیم. می توان نتیجه گرفت که، می توانیم دمای اجسام دور را اگر تابشی که آنها ساطع می کنند تابش حرارتی باشد، مشخص کنیم. ستاره های یافته شده،طیفی نزدیک به طیف توزیع جسم سیاه دارند، پس دمای آنها با توجه به رنگشان می تواند از روی طیفشان استنتاج شود.

تابش غیر حرارتی به وضوح ،یعنی تابشی که در یک الگوی حرارتی ساطع نمی شود. بنابراین باید از روش های دیگری به جز از حرکات تصادفی به وجود آمده از دما، در ذرات یک سیستم در دمای تعادل تولید شود.

قسمت بالا نمی‌گوید که، درجه حرارت نمی تواند در ایجاد سایر الگوهای تابش نقشی بازی کند؛ بلکه تنها گویای این حقیقت است که؛ سیستم ویا جسمی که تابش ساطع میکند در تعادل گرمایی قرار ندارد. به عبارت دیگر ، انرژی در حال رد و بدل شدن با سیستم است، پس دمای آن سیستم همواره با زمان تغییر پیدا می کند.این الگو ، تابش ایده آل جسم سیاه را تغییر می دهد (دگرگون می کند) و به این معناست که تعیین دمای جسم ممکن نیست.

متناوبا، تابش ممکن است توسط ذرات منفرد شتابدار ناشی از برخورد تصادفی وسایل دیگر با سایر ذرات تابش شود.

۱۱٫۵٫ تابش نور در کیهان

تابش معمول در کیهان، در طول موج مرئی و رادیویی است. اکثریت این تابش ها، حاصل پرش الکترون به مدارهای جدید در داخل یک اتم هستند (حالت گذارمحدود)، الکترون های آزاد برای تشکیل اتمهای خنثی، با یونها ترکیب می شوند (حالت گذارنامحدود) و به دلیل اثر متقابل (فعل و انفعال) با مواد دیگر از سرعت الکترونها کاسته می شود (تابش آزاد-آزاد)

حالتهای گذار مقید به محدودیت ، چشمه هایی برای هر دو نوع خطوط نشر و جذب در طیف هستند. هر عنصر شیمیایی دارای یک مقدار انرژی محدود است؛ که با محدوده ی ممکن برای چرخش الکترون به دور هسته ی هر عنصرارتباط دارد.در راستای پرش الکترون از مداری به مدار دیگر، تابش یا جذب شده،یا به بیرون رانده می شود.انرژی نمایانگر تفاوت انرژی مدارهای چرخش الکترون است و دقیقا برای هر پرش ممکن، بین تراز های انرژی تعریف شده است.

از آنجا که انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس آن است،  این تفاوت انرژیها در تابش باعت  تعریف فرکانس های مشخصی برای هر نوع عنصرمی شود. اگر انرژی تابش ساطع شده برای یک عنصربرای هر فرکانس در طیف، رسم شود؛ در این صورت ،نمایش هندسی این فرکانس ها دارای قله های نوک تیز است.اینها به عنوان خطوط نشر شناخته می شوند.

از سوی دیگر، اگر نور با محدوده ی وسیعی از فرکانس، از میان یک محیط حاوی عناصر خاص یا مولکول ها گذر کند، این عناصر درانرژی جذب شده، در فرکانس مشخصه اشان یافت میشوند. در طیف به دست آمده، آن فرکانس ها ناپیدا خواهند بود، و خطوط سیاهی ظاهر می شوند.اینها به عنوان خطوط جذب شناخته می شوند.

در پایین، نور زرد ابتدایی خط نشر سدیم، از اتم های سدیم گرمادیده می باشد. در بالا، یک طیف جذبی وجود دارد،جایی که نور از چشمه ای (منبعی) شبیه به جسم سیاه ( برای مثال یک ستاره) در طول قسمتی از فضا که حاوی سدیم است، از راهی که یک مشاهده گر یا یک ابزار تصویر برداری وجود دارد گذر میکند. خطوط سیاه جاهایی هستند که اتم سدیم جذب نور را ترجیحا در آن فرکانس دارد و خطی سیاه در آن محدوده به جای می گذارد. تصویر اهدایی از  ThinkQuest (www.thinkquest.org), funded by the Oracle Education Foundation

در اینجا تابش جسم سیاه و خطوط جذبی و تابش پیوسته را معرفی می کنیم؛ و هم چنین در اینجا نیز بیشتر به کاوش در زمینه ی گسترده تر طیف سنجی می پردازیم.

به عنوان مثال، اگر یک عنصر در داخل یک ستاره حرارت داده شود، آنگاه عنصر، تابش مشخصه ی خود را از دست خواهد داد که  روی زمین ما آن را به صورت خطوط نشری روشن دریافت می کنیم. از طرفی دیگر، اگر پهنای نور از یک جذب کننده ی متوسط که بین مشاهده کننده و منبع نور قرار گرفته عبور کند، آگاه می توانیم با دنبال کردن خطوط جذبی تاریک عناصری که در آن جاذب متوسط وجود دارد را مشخص کنیم.

انتقالات آزاد-محدود زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها توسط یون ها اسیر شده و موجب آزاد شدن انرژی به صورت رخ دادن های نوترکیبی شود. مقدار انرژی آزاد شده به شکل عنصر و مداری که الکترون اشغال کرده، بستگی دارد. همانطور که در انتقال محدود-محدود، ممکن است فرکانس های خاصی غالب باشند.

تابش آزاد-آزاد زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها تحت یک برخورد آزاد با یک یون قرار بگیرند یا ذرات گرد و غبار در پلاسما را شارژ کنند. مسیر الکترون هنگامی که از کنار ذرات دیگر عبور می کند، عوض خواهد شد، و همچنین تابشی ساطع می کند، که بعضی از آنها ممکن است در طیف مریی باشند.

۱۱٫۶ تابش رادیویی در کیهان:

پرتوهای رادیویی برای ما با اهمیت هستند زیرا بسیاری از آنها می توانند در لایه یونوسفر زمین نفوذ کنند و سپس با رادیو تلسکوپ های زمینی شناسایی شوند.

آرایه  تلسکوپ رادیویی ذز New South Wales، استرالیا، تصویر: (University of Waikato and Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO

برخی از امواج رادیویی حاصل رفتار جمعی تعداد زیادی از الکترون ها در پلاسما است. اگر پلاسما به اندازه کافی چگال باشد، الکترون ها می توانند با یک فرکانس شناخته شده به عنوان فرکانس پلاسما نوسان کنند، که تنها به چگالی الکترون ها در آن ناحیه بستگی دارد . این نوسانات به روش معمول تولید اشعه می کنند.

 خورشید، (با رنگ غیر واقعی) در طول موج رادیویی با فرکانس ۱٫۴ گیگاهرتز، با انتشار قوی در ناحیه فعال در کمربند استوای خورشیدی، تصویر اهدایی رصدخانه نحوم رادیویی ملی (NRAO/AUI)

این نوع از تابش معمولا هنگامی که باریکه ای از الکترون ها است پدید می آید، برای مثال ممکن است با شتاب گرفتن میان یک ، دولایه که از ناحیه ای ازپلاسما خنثی می گذرد، تولید شود.از دیگر ساز و کارهای فرکانس رادیویی تولید تابش در جایی است که میدان مغناطیسی وجود دارد. عبارتند از تابش سیکلوترون ( که در آن الکترون ها سرعت غیر نسبیتی دارند)، تابش Magneto-Bremsstrahlung ( که در آن الکترون ها سرعت تقریبا نسبیتی دارند)  و تابش سنکترون ( که در آن الکترون سرعت نسبیتی دارد.)

تابش سینکترون بوسیله الکترون های مارپیچی در جهت میدان مغناطیسی مانند آنچه در جریان بیرکلند پدید می آید. (تصویر ۱۱٫۳ در بالا). شتاب مرکزگرا باعث تابش می شود. و بازهم، تشعشعات می توانند در تمامی فرکانس ها در طیف رخ دهد.

در اخترفیزیک، تابش رادیویی غیر حرارتی در بیشتر موارد تابش سنکترون است. این برای انتشار رادیویی کهکشانی، حلقه های ابر نواختر، کهکشان های رادیویی دوتایی،  و کوازارها درست است. علاوه بر آن خورشید و مشتری هردو تابش سنکترون پراکنده دارند.

تابش سینکروترون می تواند فرکانس های نوری تولید کند، همانند چیزی که در سحابی خرچنگ و جت های M87 دیده می شود. سحابی خرچنگ (فیلم کوتاه یوتیوب) مقادیر زیادی از تابش اشعه X سینکروترون ساطع می کند.

تجزیه و تحلیل طیف سینکروترون می تواند اطلاعاتی درباره ی منشا الکترون های نسبیتی بدهد، که ممکن است تاثیری روی منشا پرتو های کیهانی، اشعه های X ، اشعه های گاما در فضا داشته باشند. تابش سینکروترون همچنین دلیلی برای وجود میدان های مغناطیسی وسیع در فضا و تبدیل، ذخیره سازی، و انتشار مقادیر زیادی از انرژی در پلاسمای کیهانی، از جمله جت های کهکشانی باشد. اطلاعات بیشتر در مورد تابش سینکروترون برای پژوهشگران علاقه مند اینجا یافت می شود.

Z پینچ ها همچنین می توانند به عنوان نتیجه‌ی نیروی V  تابش سینکروترون تولید کنند.

اخترشناسی رادیویی می تواند محدوده اطلاعات در دسترس مارا بیشتر از اطلاعاتی که از  تلسکوپ های مرئی استخراج می شوند، گسترش دهد. آشکارسازی طیف انرژی بالاتر مانند اشعه X می تواند این دانش را یک مرحله ارتقا دهد.

کهکشان فعال NGC 5128 ، تصویر ترکیبی در ریز میلیمتر(radio plumes ؛ نارنجی)،مریی (سفید) و تابش اشعه X (آبی). قطر کهکشان حدودا ۲۰۰۰۰۰ سال نوری است؛ فاصله تخمین زده شده ۱۰ میلیون سال نوری است.

Credit: X-ray: NASA/CXC/Cfa/R. Kraft et al.: sub-millimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. Optical: ESO/WFI

ویدیوی کوتاه ناسا در مورد این کهکشان در اینجا است، اگر چه نظریه ی جهان الکتریکی اعتقادی به سیاهچاله ها ندارد’ که باعث جت های کهکشانی و تابش حاصل از آن ها می شوند.

در تمامی موارد دیدیم که پلاسما و جریان های الکتریکی که در درون آن وجود دارند ساطع کننده ی بسیار خوب پرتوها هستند. زیرا، همانطور که دیدیم، الکتریسیته در پلاسما شتاب دهنده ی بسیارخوب ذرات باردار می باشد، که از طریق میدان های الکتریکی در سراسر دولایه ها، که ذرات پس از آن پرتو تابش می کنند. تحقیقات جالبی در آرشیو arXiv در اینجا موجود است.

رشته های پلاسمای خورشیدی درتاج پایین تر خورشید آشکار می کند در نور ماورابنفش توسط ابزار TRACE،

courtesy The TRACE Picturebook, NASA

به نظر می رسد که این تولید کارامد از تابش توسط مکانیسم های الکتریکی خیلی شبیه منشا بسیاری از تابش هایی باشدکه در فضا آشکار سازی می شوند، نسبت به مقدار بسیار زیادی از ماده تاریک و ماده ابرچگال که لازمه ی توضیح شتاب ذرات فقط با استفاده از گرانش است.

البته، ‘ اتصال مجدد مغناطیسی’ ، قطع شدن و اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی، همچنین اغلب برای توضیح این نوع از شواهد در مدل گرانشی استناد می شود. همانطور که دیدیم، این به سادگی غیر ممکن است چراکه خطوط میدان مغناطیسی مانند خطوط طول جغرافیایی وجود فیزیکی ندارند (قابل مشاهده نیستند).

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

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

منبع:

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/03/30/essential-guide-to-the-eu-chapter-11/

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

لینک برای مطالعه بیش تر:

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

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.

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 .

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 .

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 .

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.

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.

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.

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