مقاله:
آشنایی با دوقطبی های الکتریکی
فهرست:
مقدمه:
امواج الکترومغناطیسی
عدم وجود تک قطبی مغناطیسی
دو قطبی الکتریکی و آنتن ها
چرا آهن ربای تک قطبی وجود ندارد؟ (تئوری دو قطبی)
منبع
منابع:
www.ghotbgarayan.com
www.rosh.ir
مقدمه:
پدیده آهنربایی 2500 سال پیش در شهرماگنزیا مشاهده شد. آهنربا دارای دو قطب شمال N و جنوب S است. دو قطب مخالف یا غیرهمنام یکدیگر را جذب و دو قطب مشابه یا همنام یکدیگر را دفع می کنند عقربه قطب نما به این دلیل رو به شمال می ایستد که زمین شبیه یک آهنربا عمل می کند بطوریکه قطب شمال جغرافیایی زمین به قطب جنوب مغناطیسی آن بسیار نزدیک است.محور مغناطیسی زمین کاملا موازی محور جغرافیایی(محور چرخش) آن نیست لذا عقربه قطب نما از امتداد (شمال-جنوب) جغرافیایی انحرافی دارد که از نقطه ای به نقطه ای دیگر تغییر می کند و زاویه انحراف مغناطیسی نامیده می شود. همچنین امتداد شمال-جنوب مغناطیسی افقی نیست و با سطح افق زاویه ای می سازد که آن را زاویه میل مغناطیسی می نامند.
قطب های مغناطیسی همواره به صورت جفت ظاهر می شوند.
در سال 1819 هانس کریستین اورستد دانشمند دانمارکی کشف کرد که وقتی عقربه قطب نما در مجاور سیم حامل جریان قرار می گیرد منحرف می شود. تحقیقات مشابه توسط آندره آمپر در فرانسه صورت گرفت و چند سال بعد مایکل فاراد در انگلستان و جوزف هانری در امریکا کشف کرد که حرکت دادن آهنربا در مجاور یک حاقه رسانا باعث پیدایش جریان الکتریکی در حلقه می شود و نیز عبور جریان الکتریکی متغیر از یک حلقه باعث پیدایش جریان الکتریکی در حلقه دیگر می شود که در مجاورت حلقه اول قرار دارد اینها نخستسن ارتباط میان جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی را نشان داد که منجر به معادلات ماکسول شد که همچون معادلات نیوتن در مکانیک اصول قوانین الکترومغناطیسی بشمار می آیند.
زمانی که بار مثبت نقطه ای با سرعت V از محلی شروع به حرکت می کند در صورتی که نیروی منحرف کننده F بر آن اثر کند در اطراف بار القای مغناطیسی B وجود دارد که مقدار آن از رابطه :
F=qV×B یا F=qVBsinq
به دست می آید که در آن q زاویه بین V و B است.
میدان مغناطیسی را با خطوطی فرضی بنام خطوط القا نمایش می دهیم به طوری که در هر نقطه امتداد B بر خطوط القا مماس است و مقدار مطلق بردار B در هر نقطه با تعداد خطوط القایی که از واحد سطح عمود بر امتداد این خطوط عبور می کنند متناسب است. کل خطوط القا که از یک سطح دلخواه عبور می کند شار مغناطیسی نامیده می شود.
اگر B یکنواخت باشد:
که a زاویه بین خط عمود بر سطح با امتداد B است.
بنابر قانون فارادی، تغییر شار F باعث ایجاد جریان القایی می شود این تغییر شار را می توان یک مغناطیس یا یک مدار بسته حامل جریان بوجود آورد.
نیروی محرکه القایی e در یک مدار با تغییر شار مغناطیسی متناسب است:
بر طبق قانون لنز جهت جریان القایی بگونه ای است که همواره بوسیله آثار الکترومغناطیسی که ایجاد می کند با عامل به وجودآورنده جریان مخالفت می کند. در واقع جهت جریان القایی بگونه ای است که با شار مغناطیسی که به وجود می آورد، تغییر شار مغناطیسی تولید کننده خودش را خنثی می کند.
علامت منفی در رابطه بالا به دلیل قانون لنز ظاهر می شود.
به منظور ایجاد جریان القایی باید F یا B یا s و یا a تغییر کند.
علاوه بر بردار القایی B که نیروی میدان مغناطیس بر بار متحرک را مشخص می کند بردار دیگری به نام بردار شدت میدان مغناطیسی به شکل زیر تعریف می شود.
القای مغناطیسی در خلاء/ثابت تراوایی مغناطیسی=
شدت میدان در داخل حلقه ها متناسب است با شدت جریانی که آن را بوجود آورده است و از طرفی شار مغناطیسی با شدت میدان متناسب است لذا:
F =LT
در سیم پیچ بر اثر تغییر شار مغناطیسی نیروی محرکه خودالقایی بوجود می آید:
که این مفهوم دینامیکی I است در عمل جریان خود القایی عموما در زمان قطع و وصل جریان در مدار های الکتریکی بوجود می آید(L را ضریب خودالقایی می گویند و واحد آن هانری است).
امواج الکترومغناطیسی
هر موجود زنده ای در زمین به انرژی خورشید نیاز دارد به گونه ای که بدون آن زندگی در کره زمین غیر ممکن می شود. موجهای رادیویی، پرتوX، و …. نیز که هر یک نقش ویژه ای در دنیا امروز دارند جزء موجهای الکترومغناطیسی می باشند.تمامی ارتباطات راه دور بر استفاده از موجهای الکترومغناطیسی استوار است. بنابراین موجهای الکترومغناطیسی نقش برجسته ای در زندگی بشر امروزی دارند. مبانی نظری موجهای الکترومغناطیسی به دست فیزیکدان برجسته اسکاتلندی، ماکسول پایه ریزی شد.وی با بررسی دقیق قانونهای الکتریسیته و مغناطیسی که پشتینیان آنها را کشف کرده بوند آنها را به صورت قانونی یکپارچه ارائه کرد و وجود موجهای الکترومغناطیسی را پیش بینی کرد.
وی کار خود را به صورت چهار معادله ریاضی که معادلات ماکسول نامیده می شوند، عرضه کرد. چون امواج الکترمغناطیسی فاصله میان دو نقطه در خلاء را با سرعت شگفت انگیز300هزار کیلومتر بر ثانیه می پیمایند بنابراین در کمتر از یک ثانیه می توان از وقایعی که در هر کجای دنیا اتفاق می افتد با خبر شد.
عدم وجود تک قطبی مغناطیسی
هر گاه یک آهنربا را به قسمتهای مختلف تقسیم می کردیم، باز هر تکه خود آهنربای کامل است که دارای دو قطبN، S بود و هیچگاه نمی توانستیم با شکستن آهنربا به تک قطبی مغناطیسی یا قطب تنهایSیاNبرسیم. این قانون به عدم وجود تک قطبی مغناطیسی موسوم است که یکی از معادلات ماکسول را تشکیل می دهد. به همین دلیل است که شار مغناطیسی گذرنده از هر سطح بسته همواره صفر است و به این قانون، قانون گاوس در مورد میدان مغناطیسی گفته می شود خطوط میدان مغناطیسی خطوط بسته ای را تشکیل می دهند که هرگز یکدیگر را قطع نمی نمایند.
دو قطبی الکتریکی و آنتن ها
دو قطبی الکتریکی از دو بار الکتریکی هم اندازه و مختلف العلامه که به فاصله2aاز یکدیگر قرار گرفته اند، تشکیل شده است. فرض کنید یک دو قطبی الکتریکی مطابق شکل در مبدا مختصات قرار گرفته باشد. خطوط میدان این دو قطبی در شکل زیر رسم شده است در صورتی که بخواهیم میدان الکتریکی ناشی از این دو قطبی را بر روی عمود منصف خط واصل دوبار و به فاصلهXاز آن بدست آوریم از قانون کولن استفاده می نمائیم:
میدان الکتریکی ناشی از بار در نقطهA میدان الکتریکی ناشی از باردر نقطهA
بنابراین میدان الکتریکی ناشzی از دو قطبی الکتریکی روی عمود منصف خط واصل دوبار، بر آن دوبار عمود است.
این میدان با بار دو قطبی متناسب است و در صورتی که بار کمتر شود. این میدان نیز کوچکتر می گردد و در صورتی که محل دو بار عوض شود جهت میدان الکتریکی در آن نقطه عکس می گردد.
همواره میدان الکتریکی در هر نقطه بر خطوط میدان الکتریکی مماس است. همانطور که می دانیم حرکت نوسانی ذرات باردار یک حرکت شتابدار می باشد. باید توجه کنیم که عامل اصلی موجهای الکترومغناطیسی ذرات باردار شتابدار می باشند. آنتن خطی از یک میله فلزی تشکیل شده است که بوسیله یک منبع ولتاژ متناوب امکان نوسان بارها را بر رویش ممکن می سازد و ذرات باردار بر روی آنتن حرکت نوسانی ساده شتابدار انجام می دهند.
آنتن های دو قطبی هلوگرافیک در باند Ka
آنتن های دو قطبی هلوگراف (داری ساختار موجی) به عنوان تکنولوژی جایگزین آنتن های reflector و آنتن های آرایه فاز میکرواستریپ برای استفاده در باند K4 (260Hz-40Hz) مطرح شده اند. این آنتن ها همزمان ازز مزایای تکنولوژی چاپی با برش عمودی کم (Low Profile Printed Technology) با یک تغذیه غیر محدود، برای اجتناب از تلفات زیادی که در تغذیه های آرایه فاز مرسوم وجود دارد، استفاده می کنند. در این مقاله طراحی های یک لایه و در لایه متنوعی از این آنتنها توصیف شده اند. اندازه گیری ها نشان می دهند که در باند Ka کارایی آنتنهای هلوگراف با آنتنهای آرایه فاز پسیو با تغذیه های مرسوم میکرواستریپ قابل مقایسه است. با این حال این آنتنها در مقایسه با آرایه های فاز از پیچیدگی کمتری برخوردارند که باعث میشوند به عنوان گزینه مناسبی در ترمینال های ارزان قیمت LMCS و سیستم های مخابرات ماهواره ای مطرح شوند.
چرا آهن ربای تک قطبی وجود ندارد؟
سوال:چرا هنگامی که یک آهنربا میشکند در محل شکستگی قطبهای نا همنام ایجاد میشود؟ توضیح بر اساس تئوری دوقطبی مغناطیسی
میدانیم که هرگاه آهن ربایی را به دو نیمه تقسیم کنیم ، هر یک از دو نیمه خود یک آهن ربای کامل است . چنانچه این عمل را بارها تکرار نماییم مشاهده می شود که همواره آهن ربایی با دو قطب N وS داریم . یعنی آهن ربای تک قطبی وجود ندارد. به آطن آهن رباهای بسیار کوچک دذو قطبی مغناطیسی می گویند. میدانیم که جریان الکتریکی در یک حلقه در اطراف آن میدان مغناطیسی ایجاد می نماید. از طرف دیگر جریان اکتریکی حاصل از شارش بارهای الکتریکی نیز وجود دارد. حرکت بارهای الکتریکی در اتم باعث می شود که بیشتر اتمها رفتاری شبیه یک آهن ربا با دوقطب مغناطیسی از خود نشان دهند . در برخی اتمها مانند اتم هلیم و آرگون خاصیت مغناطیسی حاصل از حرکت بارهای الکتریکی درون اتم اثر هم را خنثی می کنند ولی در امهای دیگر ، خاصیت مغناطیسی تفاوت دارد بطور کلی مواد مغناطیسی به دو دسته تقسیم می شوند:
الف)مواد فرومغناطیس نرم: به راحتی خاصیت آهن ربایی خود را از دست می دهند . مانند آهن درمواد فرومغناطیس نرم ؛ حوزه هایی که در جهت میدان هستند به راحتی حجم شان زیاد می شود و حوزه هایی که در خلاف جهت میدان هستند حجم آنها کم می شود.این مواد در هسته سیملوله ها استفاده می شوند.
ب) مواد فرومغناطیس سخت: به سختی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. مانند فولاد در مواد فرومغناطیس سخت مرز حوزه ها به سختی جابه جا می شود . این مواد در آهن ربای دائمی استفاده می شوند.
مواد غیرمغناطیسی : موادی هستند که آهن ربا روی آنها بی اثر است . مانند شیشه ، چوب که جذب آهن ربا نمی شوند. مواد غیرمغناطیسی به دو دسته تقسیم می شوند: الف)پارامغناطیس: دو قطبیهای مغناطیسی به صورت کاتوره ی قرار می گیرند و اگر در نزدیکی یک آهنربا قرار گیرند دو قطبیهای کوچک در راستای میدان به خط می شوند و در میدان های مغناطیسیبسیار قوی مغناطیس می شوند مانند پلاتین، آلومینیوم و میدان را در داخل خود تقویت می کنند و به سختی جذب آهن ربا می شوند.
ب) دیامغناطیس: وقتی که در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار بگیرند میدان در داخل آنها اندکی تضعیف می شوند و از قطبهای آهن ربارانده می شوند مانند نقره ، طلا ، مس و تمام غیر فلزها بجز اکسیژن سوال:از توضیح شما متشکرم ولی جواب خود را دریافت نکردم .براساس تئوری دو قطبی مغناطیسی اگر آهن ربایی را بشکنیم در محل شکستگی باید N یک دو قطبی در کنار S دو قطبی دیگر قرار گرفته و دو قسمت جدا شده یکدیگر را جذب کنند ولی در عمل خلاف آن مشاهده می شود.علت چیست؟ در سئوال اصلی پرسیده بودم چرا در محل شکستگی قطبهای ( هم نام) ایجاد میشود ؟ ولی شما نوشته اید ( نا همنام )
جواب:قانون دو قطبی درست است . تصور ما بر آنستکه شما در نحوه شکستن آهن ربا دچار خطا شده اید . برای درک مطلب به دو شکل زیر توجه کنید . در شکل 1 آهن ربا از مقطع عرضی شکسته شده است . همانگونه که ملاحظه می نمایید ، چون جهت خطوط میدان با راستای شکسته گی موازی است ، لذا تغییری در N وS بوجود نیامده و چنانچه دو تکه آهن ربا را به هم نزدیک کنید همدیگر را دفع میکنند . شکل1
اما در شکل 2 جهت شکسته گی آهن ربا ، عمود بر خطوط میدان بوده و در این حالت N و S بشکلی که در تصویر دیده می شود ، بوجود می آیند. شکل 2
مقدمه
از مکانیک کوانتومی می دانیم که هر گاه اتم در یک میدان خارجی قرار گیرد، در این صورت در اثر میدان ترازهای انرژی اندکی جابجا می شوند. بطوری که این جابجایی ترازها با مشاهده خطوط طیفی حاصل از اتم قابل مشاهده است. مطالعه کامل اثرات میدان بر روی اتم در نظریه اختلال مورد بحث قرار می گیرد. از این اثرات تحت عناوین مختلف در مکانیک کوانتومی یاد می شود. مثلا اثرات میدان مغناطیسی در اثر زیمان مورد بحث قرار می گیرد. اما اگر اتم در یک میدان الکتریکی قرار گیرد، تغییرات مشاهده شده در اتم در اثر استارک خطی مورد ارزیابی قرار می گیرد.
چرا میدان الکتریکی می تواند روی اتم تاثیر کند؟
در حالت کلی اتم می تواند به دو صورت باشد. یا گشتاور دو قطبی الکتریکی دایمی دارد (قطبی است) و یا اینکه غیر قطبی بوده و فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است. از نظر کلاسیکی هر دستگاهی که دارای گشتاور دو قطبی دایمی باشد، جابجایی انرژی به بزرگی d.ε را که در آن d گشتاور دو قطبی و ε میدان الکتریکی است، می تواند تحمل کند.
امکان وجود اثر استارک خطی از نظر فیزیکی
اثر میدان الکتریکی بر روی اتم را توسط یک جمله اختلالی که به پتانسیل افزوده می شود، در نظریه اختلال بحث می کنند. به عنوان مثال اگر یک میدان الکتریکی ε که در جهت محور z قرار دارد، اگر بر اتم اعمال شود، پتانسیل اختلالی به صورت eεz خواهد بود که بخش اختلالی هامیلتون اتم را تشکیل می دهد. براساس روابط نظریه اختلالی جابجایی انرژی حالت پایه صفر است. بنابراین برای حالت پایه هیچ جابجایی انرژی وجود ندارد که بر حسب میدان الکتریکی خطی باشد.همچنین براساس آنچه در مورد گشتاور دو قطبی دایمی بیان شد، اتم نمی تواند در حالت پایه اش هیچ گشتاور دو قطبی دایمی داشته باشد. این استدلال را در مورد هر دستگاهی می توان تعمیم داد.یعنی در حالت کلی هر دستگاهی در ناتبهگن نمی تواند گشتاور دو قطبی دایمی داشته باشد. البته باید توجه داشته باشیم که عبارت ناتبهگن مهم است. یعنی فقط در این صورت است که این حالتها نمی توانند ویژه حالتهای عملگر پارتیه شوند. لذا مجذور تابع موج تابعی زوج بوده و جابجایی انرژی صفر خواهد بود. لذا به بیان فیزیکی در این حالت ، اثر استارک خطی نمی تواند وجود داشته باشد و چون حالت پایه ناتبهگن است، لذا این مطلب عمومیت داده می شود.
18