0
ویژه نامه ها

الکترو مغناطيس

شرح اکتشاف به اصطلاح الکتريسته تماسي يا مجاورتي به توسط گالواني (1780) و ولتا (1792) به اندازه اي شناخته شده است که از بيان آن صرف نظر مي کنيم؛ چون براي ما وضوح صورت مفهومها و قوانين بيشتر قابل توجه
الکترو مغناطيس
الکترو مغناطيس

 

نويسنده: ماکس بورن
مترجم: هوشنگ گرمان





 

شرح اکتشاف به اصطلاح الکتريسته تماسي يا مجاورتي (1) به توسط گالواني (1780) و ولتا (1792) به اندازه اي شناخته شده است که از بيان آن صرف نظر مي کنيم؛ چون براي ما وضوح صورت مفهومها و قوانين بيشتر قابل توجه است تا بحث در پيرامون آزمايش ران قورباغه گالواني و ارتباط آن با منشاء بارهاي الکتريکي. از اين رو فقط به ذکر نکات واقعي مي پردازيم.
هرگاه دو فلز مختلف، مثلا مس و روي را در محلول رقيق جوهر گوگرد فرو برند (ش. 1)، اين فلزها بارهاي الکتريکي اي را نشان مي دهند که تأثيرشان عيناً مانند تأثير بارهاي الکتريکي ناشي از عمل مالش است. اينک اين بارها بنابر قانون بنيادي الکتريسيته به اقتضاي علامتشان به مقدار متساوي بر فلزها (قطبها) وارد مي شوند. پس دستگاه مرکب از محلول و فلزها که ياخته يا عنصر گالواني نيز خوانده مي شود، توانايي آن را دارد که الکتريسيته ها را جدا کند. و عجيب آنکه اين توانايي ظاهراً زوال ناپذير است؛ چون اگر قطبها به وسيله سيمي متصل گردند، به طوري که بارهايشان جاري و خود همتراز شوند، همينکه رشته اتصال آنها قطع گردد، قطبها بازهم داراي بار خواهند شد، به اين ترتيب، ياخته ولتايي تا زماني که رشته اتصال برقرار باشد، پي در پي الکتريسيته تحويل مي دهد، پس يک جريان الکتريسيته دائمي در اين سيستم بايد به راه بيفتد. اينکه جزئيات اين امر را به چه شکل به تصور آورند، بستگي به اين دارد که کداميک از دو نظريه يک يا دو سياله را بپذيرند. در حالت اول فقط يک جريان وجود دارد، در حالت دوم دو جريان مربوط به دو سياله که در دو جهت مخالف يکديگر حرکت مي کنند.
الکترو مغناطيس
ش. 1- یاخته یا عنصر ولتا
بنابراين، جريان الکتريکي موجوديت خود را از طريق اثرات آشکار و محسوس اثبات مي کند. مقدم بر همه، سيم اتصالي را گرم مي کند. و اين تفته شدن رشته لامپ روشنايي را همه کس مي شناسد. پس جريان الکتريکي پيوسته انرژي گرمايي توليد مي کند. عنصر گالواني اين توانايي را از کجا مي گيرد که پي در پي الکتريسيته توليد مي کند و از اين طريق غيرمستقيم گرما ايجاد مي نمايد؟ اصل بقاي انرژي حکم مي کند که در هر جا در ضمن فرايندي نوعي انرژي پديد مي آيد و همين مقدار انرژي به نوعي ديگر بايد ناپديد گردد.
منبع انرژي يک فرايند (فعل و انفعال) شيميايي، درون ياخته است. تا زماني که جريان الکتريکي برقرار است، يکي از دو فلز پي در پي حل مي شود و بر فلز ديگر نشست مي کند. در درون محلول نيز فرايندهاي پيچيده شيميايي صورت مي گيرند. ما با اين فرايندها کار نداريم و فقط بر اين نکته تکيه مي کنيم که ياخته هاي گالواني عبارتند از وسيله اي به منظور توليد الکتريسيته به ميزان تقريباً غيرمحدود و ايجاد جريانهاي الکتريکي قابل ملاحظه.
اينک معکوس اين فرايند را مورد توجه قرار خواهيم داد، منظور فرايندي که در آن جريان الکتريکي موجب تجزيه شيميايي مي شود. مثلاً اگر جريان الکتريکي بين دو رشته اتصال، منظور دو الکترود که تجزيه نشدني و فرضاً از جنس پلاتين باشند، از آب همراه با مقداري اسيد عبور داده شود، اين آب به گاز اکسيژن و هيدروژن تجزيه خواهد شد؛ هيدروژن در قطب منفي (کاتود) به وجود مي آيد، اکسيژن در قطب مثبت (آنود).
قانون مربوط به اين «الکتروليز» را که به توسط نيکولسون (2) و کارليزل (3) (1800) کشف شده بود، فاراده (1832) به دست آورد. دامنه تأثير برسيهاي فارده براي شناخت ساختمان ماده و براي شيمي نظري و عملي شناخته شده و روشن است. اما علت توجه ما به بررسيهاي مزبور بيشتر از اين جهت است که قوانين فاراده وسيله اي براي اندازه گيري دقيق جريانهاي الکتريکي در اختيار مي گذارند و تکميل دستگاه طرح الکترومغناطيسي را ممکن مي سازند.
آزمايش تجزيه شيميايي را با جريان تخليله نيز به طريقه جريان گالواني مي توان انجام داد، به اين نحو که اگر دو جسم فلزي متخالف بارشده را به وسيله سيمي به يکديگر وصل کنند، چنين جرياني ايجاد خواهد شد. البته مي بايد ترتيبي داده شود که مقدار بار الکتريسيته ناشي از تخليله به قدر کافي زياد باشد. دستگاههايي به نام خازن براي تغذيه الکتريسته به کار مي روند. نحوه تأثير اين دستگاه بر پايه اصل القاست، و با چنان شدتي تخليله مي شوند که مقادير قابل سنجشي را در ياخته الکتروليتي تجزيه مي کنند. ميزان باري که از ياخته ولتا مي گذرد، به شيوه هاي الکترواستاتيکي مذکور در فوق قابل اندازه گيري است. فاراده قانوني براي اين مورد به دست آورده است که مي گويد: بار که دو برابر باشد، تجزيه هم دو برابر صورت مي گيرد؛ بار سه برابر، تجزيه هم سه برابر، خلاصه اين که مقدار ماده تجزيه شده m (يا مقدار يکي از دو فرآورده تجزيه اي) نسبت مستقيم دارد با مقدار الکتريسيته که عبور کرده است:
cm = e
ثابت C باز به جنس ماده و نوع فعل و انفعال شميايي بستگي دارد.
قانون دوم فاراده نحوه اين وابستگي را بيان مي کند. چنانکه مي دانيم، ماده هاي بنيادي (عناصر شيميايي) به نسبتهاي کاملاً مشخص با يکديگر ترکيب مي شوند. آن مقدار از يک عنصر شيمايي را که با 1g سبکترين عنصر هيدروژن قابل ترکيب بوده باشد، وزن هم ارز (وزن معادل) نامند. پس از اين لحاظ که مثلاً آب ( الکترو مغناطيس ) از اتصال 8g اکسيژن (O) و 1g هيدروژن (H) پديد مي آيد، اکسيژن داراي وزن هم ار ز8g است. قانون فاراده اينک مي گويد، همين مقدار الکتريسيته که 1g هيدروژن را مجزا مي کند، درست يک وزن هم ارز از عنصر شيميايي ديگر را نيز مي تواند جدا سازد، يعني مثلاً 8g اکسيژن را.
به همين ملاحظه کافي است که ثابت C فقط در مورد هيدروژن معلوم باشد، آنگاه اندازه آن را براي هر ماده ديگري مي تواند از طريق عمل تقسيم بر وزن هم ارز ماده مورد نظر به دست آورد. چون براي هيدروژن با وزن هم ارز الکترو مغناطيس ، خواهيم داشت:
الکترو مغناطيس
براي ماده ديگر با وزن هم ارز μ
الکترو مغناطيس
از تقسيم دو تساوي فوق به دست مي آيد.
الکترو مغناطيس ، یعنی الکترو مغناطيس
بنابراين الکترو مغناطيس مقدار الکتريسيته اي است که 1g هيدروژن را جدا مي کند. رقم الکترو مغناطيس از طريق اندازه گيريهاي دقيق تثبيت شده و در دستگاه cm - g - sec بالغ است بر
[1] الکترو مغناطيس يکاي در هر گرم الکترو مغناطيس
اينک هر دو قانون فاراده را مي توان در يک فرمول خلاصه کرد:
[2] الکترو مغناطيس
ملاحظه مي شود که تجزيه الکتروليتي براي مقدار الکتريسيته اي که در ضمن تخليله از ياخته گالواني مي گذرد، به سهولت مقياسي به دست مي دهد؛ فقط کافي است که جرم m داراي وزن هم ارز تعيين شود و آنگاه مقدار الکتريسيته موردنظر از دستور [2] محاسبه گردد. در اين مورد البته به هيچ وجه فرق نمي کند که اين مقدار الکتريسيته به وسيله رساناي بارشده (خازن) عايد گردد يا از ياخته هاي گالواني تکي سرچشمه گيرد. در حالت اخير الکتريسيته پيوسته با شدت ثابت جاري مي شود، به اين معنا که باري به اندازه e = i × t از سطح مقطع رسانا مي گذرد؛ لذا از ياخته گالواني نيز در فاصله زماني t همين مقدار بار مي گذرد، J در اين تساوي يک ثابت تناسب را معرفي مي کند.
[3] الکترو مغناطيس
J شدت جريان يا به طور ساده جريان خوانده مي شود، چون نشان مي دهد که چه مقدار بار در يکاي زمان از رسانا عبور مي کند.
بعد شدت جريان عبارت است از
الکترو مغناطيس
و يکاي آن
الکترو مغناطيس

مقاومت و گرماي الکتريکي

اينک لازم است مختصري درخصوص نفس فرآيند جريان صحبت کنيم. معمولاً سعي مي شود که جريان الکتريکي را به جريان آب از يک لوله تشبيه کنند و قوانين معتبر حالت اخير را به جريان الکتريسيته انتقال دهند. براي آنکه آب از لوله بگذرد، نيروي محرکي بايد وجود داشته باشد. چنانچه آب را از يک منبع واقع در ارتفاع از طريق لوله مايل قرار گرفته به درون يک منبع کم ارتفاعتر جاري کنند، نيروي محرک در اين جا نيروي سنگيني خواهد بود (ش. 2)؛ و هر قدر سطح آب منبع فوقاني مرتفعتر باشد، به همين نسبت نيز اين نيروي سنگيني زيادتر خواهد بود. اما سرعت جريان آب يا شدت جريان آن تنها به ميزان فشار سنگيني بستگي ندارد، بلکه همچنين تابع مقاومتي است که لوله در برابر اين جريان از خود ظاهر مي کند. هرگاه لوله باريک و بلند باشد، مقدار آبي که در يکاي زمان از لوله مي گذرد، کمتر خواهد بود از حالتي که همين لوله کوتاه و گشاد باشد. بنابراين، شدت جريان J نسبت مستقيم دارد با اختلاف فشارV، منظور فشاري که آب را مي راند، و نيز نسبت معکوس دارد با مقاومت W. پس مي نويسيم:
[4] الکترو مغناطيس يا Jw = v،
در ضمن اگر اختلاف سطحي به اندازه يک يکاي ارتفاع موجب ايجاد يک يکاي شدت جريان گردد، يکاي مقاومت مشخص خواهد بود.
اينک اهم (4) (1826) عين همين برداشت را به جريان الکتريکي انتقال داد. اختلاف سطح محرک اينک مطابق است با نيروي الکتريکي. تساوي [4] براي يک رشته سيم مشخص به طول l خواهد شد v = El، که E عبارت است از شدت ميدان که در طول رشته ثابت در نظر گرفته مي شود. چون اگر همين شدت ميدان بر يک رشته سيم طولانتير تأثير کند، فشار بيشتري به الکتريسيته در حال جريان وارد خواهد کرد. کميت V همچنين فشار الکتريکي يا نيروي الکتروموتوري ناميده مي شود. V مضافاً همانند است با مفهوم پتانسيل الکتريکي که قبلاً (در ص. 165) ذکر شد.
از آنجا که شدت جريان J و شدت ميدان الکتريکي E، همچنين فشار الکتريکي v = El، کميتهاي قابل اندازه گيري اند، تناسب بيان شده بين J و V را از طريق تجربي مي توان آزمايش کرد. در اين ميان جريان الکتريکي از قطب مثبت به قطب منفي را جريان مثبت مي ناميم.
مقاومت W به جنس و شکل رشته رسانا بستگي دارد؛ هر قدر رشته رسانا طولانيتر و نازکتر باشد، مقاومت W نيز بيشتر خواهد بود. اگر طول سيم را l و سطح مقطع آن را f بگيريم، ميبينيم که W با l نسبت مستقيم، و با f نسبت معکوس دارد؛ پس مي نويسيم
[5] الکترو مغناطيس یا الکترو مغناطيس
به طوري که ضريب تناسب σ اينک فقط به جنس سيم بستگي دارد و قابليت هدايت ناميده مي شود.
الکترو مغناطيس
ش.2- شدت جریان آب متناسب است با اختلاف فشار V و در نهایت متناسب با اختلاف ارتفاع بین دو سطح آب دو منبع.
چنانچه W از تساوي [5] و V از تساوي V = El در تساوي [4] قرار داده شود، نتيجه خواهد شد
الکترو مغناطيس
و سپس با حذف l از طرفين تساوي، خواهيم داشت
الکترو مغناطيس یا الکترو مغناطيس
اما J / f يعني شدت جريان در يکاي سطح مقطع را چگالي جريان ناميده با j نمايش مي دهند. پس آنگاه تساوي زير برقرار است
[6]الکترو مغناطيس
قانون اهم اکنون در اين قالب فقط داراي ثابت مربوط به خصوصيت جنسي ماده رسانا است (قابليت هدايت با حرف σ نمايش داده شده،)، ولي ديگر هيچ گونه ارتباطي با چگونگي شکل جسم هادي (سيم) ندارد.
در مورد نارساناها (جسمهاي عايق)، σ=0 است. ولي در واقع نارساناي تمام عيار وجود ندارد. خلاء کامل را که کنار بگذاريم، هميشه يک مقدار بسيار جزئي آثار قابليت هدايت وجود دارد. به همين ملاحظه مواد را از رساناهاي بد (مثل چيني، سنگ کهربا) گرفته تا فلزات که قابليت هدايت آنها بسيار بالاست، تقسيم بندي کرده اند.
قبلاً يادآور شديم که جريان الکتريکي رشته رسانا را گرم مي کند. قانون هم ارزي اين پديده توسط ژول (1841) يافته شده است؛ اين قانون محققاً يک حالت خاص از اصل بقاي انرژي است، بدين نحو که انرژي الکتريکي به انرژي گرمايي تبديل مي شود. قانون ژول مي گويد، گرمايي که تحت فشار الکتريکي V بر اثر عبور جريان J در يکاي زمان پديد مي آيد، برابر است با
[7] Q = JV
به طوري که Q با يکاهاي مکانيکي اندازه گرفته مي شود، نه با کالري. دستور اخير براي ما استفاده بعدي نخواهد داشت، فقط به منظور تکميل موضوع معرفي شد.

الکترو مغناطيس

تا اين جا الکتريسيته و مغناطيس در حکم دو رشته پديده از بعضي جهات مشابه، ولي کاملاً مستقلاً و جدا، به شمار مي رفتند. طبعاً مجدانه سعي مي شد که پلي بين اين دو رشته يافت شود و اين دو را به يکديگر بپيوندد، ولي اين تلاش تا مدتها به جايي نرسيد. سرانجام اورستد (5) (1820) کشف کرد که سوزن مغناطيسي بر اثر جريانهاي گالواني منحرف مي شود. در همان سال، بيو (6) و ساوار (7) قانون کمي اين پديده را که لاپلاس به صورت تأثير بعيد انشاء کرده بود، يافتند. علت اهميت اين مسئله براي ما در اين است که اينک براي نخستين بار يک کميت ثابت از جنس سرعت، که خصوصيت ذاتي الکترومغناطيس است، وارد ميشود و بعداً همانندي خود را با سرعت نور اثبات مي کند.
بيو و ساوار به اين نتيجه رسيدند که يک جريان عبوري از يک رشته سيم مستقيم يک قطب مغناطيسي را نه به سمت خود مي کشاند و نه از خود مي راند، ولي آن را در مسير دايره اي به دور خود مي چرخاند (ش. 3) بدين نحو که جهت گردش نسبت به جهت (مثبت) جريان، راست گرد (خلاف گردش عقربه ساعت) خواهد بود. قانون کمي را به ساده ترين شکل مي توان بيان کرد، به اين ترتيب که رشته سيم را به صورت تعداد بيشمارتکه هاي به طول l به تصوير مي آورند و تأثير اين عنصر جريان (تکه اي از جريان) را معلوم مي کنند، آنگاه مجموع تأثير جريان از حاصل جمع تأثيرهاي جزئي به دست خواهد آمد. ما در اين مورد به همين اندازه قناعت مي کنيم که قانون ناظر بر يک عنصر جريان را براي حالت خاص بيان کنيم، منظور حالتي که قطب مغناطيسي بر يک سطح افقي قرار گيرد، آنچنان که اين سطح از مرکز عنصرجرياني بگذرد و بر امتداد آن عمود باشد (ش. 4).
الکترو مغناطيس
ش.3- جریان J در میدان مغناطیسی H محاط شده است.
ش.4- امتداد H عمود است بر امتداد J و امتداد بردار شعاع r.
سپس شدت ميدان مغناطيسي H که بر قطب مغناطيسي اعمال مي شود، در همين سطح واقع خواهد شد، به اين معنا که بر خط اتصال قطب و مرکز جريان عمود خواهد بود و با شدت جريان J و طول عنصر l نسبت مستقيم دارد، اما با مجذور فاصله r نسبت معکوس:
[8] الکترو مغناطيس
بنابراين، بر قطب مغناطيسي داراي شدت p يک نيروي pH اعمال مي شود.
اين قاعده از لحاظ صورت مشابه است با قانون جاذبه نيوتون يا با قانون الکتريسيته ساکن و مغناطيس کولن، حال آنکه نيروي الکترومغناطيسي خصوصيتي کاملاً متفاوت از خود نشان مي دهد، چون تأثير آن در امتداد عمود بر خط اتصال است، اما نه در امتداد اين خط. در اين جا ملاحظه مي شود که تأثيرات الکتروديناميکي با ساختار فضاي اقليدسي در ارتباطي بس نزديک قرار مي گيرند، به اين معنا که به نحوي يک دستگاه مختصات قائم طبيعي در اختيار مي گذارند.
ضريب تناسب c که در دستور [8] وارد شده، کاملاً مشخص است، زيرا که دوري r، شدت جريان J و ميدان مغناطيسي H کميتهاي قابل اندازه گيري اند. اين ضريب تناسب محققاً به معناي شدت آن جرياني است که از يک قطعه رساناي باز درازاي يکاي طول مي گذرد و يک ميدان مغناطيسي به شدت يکا در فاصله يکاي طول توليد مي کند. معمول و غالباً راحت است اگر به جاي يکاي جريان که ما وارد کرده ايم (يعني مقدار الکتريسيته اي که در يکاي زمان از مقطع مي گذرد) و يکاي الکترواستاتيکي خوانده مي شود، اين جريان داراي شدت c در مقياس الکترواستاتيکي به عنوان يکاي جريان انتخاب شود. در اينصورت آن را يکاي جريان الکترومغناطيسي مي نامند. به کار بردن اين يکا داراي اين مزيت است که بعداً معادله [8] صورت ساده الکترو مغناطيس يا الکترو مغناطيس را پيدا مي کند، و در نتيجه اندازه گيري يک کميت شدت جريان به اندازه گيري دو کميت طول و ميدان مغناطيسي موکول مي شود. طرز کار غالب دستگاههاي سنجش الکتريکي مبتني است بر انحراف مغناطيسها بر اثر جريانها يا به عکس. از اين رو اين دستگاها شدت جريان را در مقيس الکترومغناطيس تحويل مي دهند. آنگاه به منظور محاسبه و تبديل اين جريان به مقياس الکترواستاتيکي قبلاً ذکر شده، ثابت c بايد معلوم باشد. ولي براي اين مقصود فقط يک اندازه گيري کافي خواهد بود.
پيش از آنکه در خصوص تعيين تجربي مقدار c صحبت کنيم، مي خواهيم اطلاعاتي از طريق يک ملاحظه بعدي ساده راجع به ماهيت c به دست آوريم.c بنا بر رابطه [8] از تساوي الکترو مغناطيس تعريف مي شود.
اينک دستورهاي بعدي زير برقرارند:
الکترو مغناطيس
از اين رو بعد c مي شود
الکترو مغناطيس
اما اکنون مي دانيم که بار e و شدت قطب مغناطيسي p داراي بعد يکسانند، زيرا که قانون کولون در مورد نيروهاي الکتريکي مغناطيسي يکسان حکم مي کند. پس خواهيم داشت
الکترو مغناطيس
يعني ثابت c داراي بعد سرعت است.
نخستين اندازه گيري c به توسط وبر (8) و کولراوش (9) (1856) انجام شده است. اين آزمايشها در جمع کارهاي ظريف فيزيکي هرگز به فراموشي سپرده نشده اند؛ نه فقط به ملاحظه دشواري شان، بلکه همچنين به علت وسعت ميدان تأثيري که داشته اند. در واقع براي الکترو مغناطيس حاصل شد که با سرعت نور دقيقاً تطبيق مي کند.
اين انطباق نمي توانست تصادفي باشد. تعداد بيشماري از متفکران، مقدم بر همه شخص وبر و بسياري از رياضيدانان و فيزيکدانان به عمق ارتباطي پي برده بودند که عددالکترو مغناطيس بين دو مبحث علمي پهناور برقرار کرده است، و در پي يافتن پلي بودند که مي بايست الکترومغناطيس را به اپتيک برساند. ولي اين پل را نخست ماکسول يافت، و از آن پس بود که ازهنر تجربي شکوهمند فاراده واقعيتهاي جديد و برداشتهاي نو تحصيل شد.

پي‌نوشت‌ها:

1. گاهي نيز الکتريسيته ولتايي خوانده مي شود. - م.
2. Nicholson
3. Carlisle
4. G. s. Ohm
5. Oersted
6. Biot
7. Savart
8. Weber
9. Kohlrausch

منبع مقاله :
ماکس، بورن؛ (1371)، نظريه ي نسبيت اينشتين، ترجمه ي هوشنگ گرمان، تهران: انتشارات علمي و فرهنگي، چاپ چهارم.



 

 



ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما