الکترودینامیک کوانتومی

همچنین ببینید: مدل استاندارد و الکترودینامیک کوانتومی

میدان الکترومغناطیسی کلاسیک که در مکانیک کوانتومی گنجانده شده است، چیزی را تشکیل می دهد که به عنوان نظریه نیمه کلاسیک تابش شناخته می شود. با این حال، قادر به پیش‌بینی‌های تجربی مشاهده‌شده مانند فرآیند انتشار خود به خود یا تغییر بره که دلالت بر نیاز به کوانتیزه کردن میدان‌ها دارد، ندارد . در فیزیک مدرن، میدان الکترومغناطیسی یک میدان کلاسیک نیست ، بلکه یک میدان کوانتومی است . آن را نه به عنوان بردار سه عدد در هر نقطه، بلکه به عنوان بردار سه عملگر کوانتومی در هر نقطه نشان داده می شود. دقیق ترین توصیف مدرن از برهمکنش الکترومغناطیسی (و خیلی چیزهای دیگر) الکترودینامیک کوانتومی (QED) است، [ 42 ] که در یک نظریه کامل تر به نام مدل استاندارد فیزیک ذرات گنجانده شده است .

در QED، بزرگی برهمکنش های الکترومغناطیسی بین ذرات باردار (و پادذرات آنها ) با استفاده از تئوری اغتشاش محاسبه می شود . این فرمول های نسبتاً پیچیده، نمایش تصویری قابل توجهی را به عنوان نمودارهای فاینمن ایجاد می کنند که در آن فوتون های مجازی رد و بدل می شوند.

پیش‌بینی‌های QED با دقت بسیار بالایی با آزمایش‌ها مطابقت دارد: در حال حاضر حدود 10-12 ( و ​​محدود به خطاهای آزمایشی). برای جزئیات بیشتر به تست های دقیق QED مراجعه کنید . این امر QED را به یکی از دقیق ترین تئوری های فیزیکی ساخته شده تاکنون تبدیل می کند.

تمام معادلات در این مقاله در تقریب کلاسیک هستند که دقت کمتری نسبت به توصیف کوانتومی ذکر شده در اینجا دارد. با این حال، در اکثر شرایط روزمره، تفاوت بین این دو نظریه ناچیز است.

موارد استفاده و مثال

میدان مغناطیسی زمین

نوشتار اصلی: میدان مغناطیسی زمین

طرحی از میدان مغناطیسی زمین که منبع میدان را به عنوان آهنربا نشان می دهد. قطب جنوب میدان مغناطیسی نزدیک قطب شمال جغرافیایی زمین است.

میدان مغناطیسی زمین از جابجایی یک آلیاژ آهن مایع در هسته بیرونی تولید می شود . در فرآیند دینام ، حرکات یک فرآیند بازخورد را هدایت می‌کنند که در آن جریان‌های الکتریکی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد می‌کنند که به نوبه خود بر جریان‌ها اثر می‌گذارند. [ 43 ]

میدان روی سطح زمین تقریباً مشابه است که اگر یک آهنربای میله ای غول پیکر در مرکز زمین قرار گرفته باشد و با زاویه ای حدود 11 درجه از محور چرخشی زمین کج شود (شکل را ببینید). [ 44 ] قطب شمال یک سوزن قطب نما مغناطیسی تقریباً به سمت شمال، به سمت قطب مغناطیسی شمال است . با این حال، از آنجا که یک قطب مغناطیسی به طرف مقابل خود جذب می شود، قطب مغناطیسی شمال در واقع قطب جنوب میدان ژئومغناطیسی است. این سردرگمی در اصطلاح به این دلیل به وجود می آید که قطب یک آهنربا با جهت جغرافیایی آن مشخص می شود. [ 45 ]

میدان مغناطیسی زمین ثابت نیست - قدرت میدان و محل قطب های آن متفاوت است. [ 46 ] علاوه بر این، قطب ها به طور دوره ای جهت خود را در فرآیندی به نام وارونگی ژئومغناطیسی معکوس می کنند . آخرین واژگونی 780000 سال پیش رخ داد. [ 47 ]

میدان های مغناطیسی دوار

مقالات اصلی: میدان مغناطیسی دوار و دینام

میدان مغناطیسی دوار یک اصل کلیدی در عملکرد موتورهای جریان متناوب است . آهنربای دائمی در چنین میدانی به گونه ای می چرخد ​​که تراز خود را با میدان خارجی حفظ کند.

گشتاور مغناطیسی برای به حرکت درآوردن موتورهای الکتریکی استفاده می شود . در یک طراحی ساده موتور، یک آهنربا به یک محور آزادانه در حال چرخش ثابت می‌شود و در معرض میدان مغناطیسی آرایه‌ای از آهنرباهای الکتریکی قرار می‌گیرد . با تغییر مداوم جریان الکتریکی از طریق هر یک از آهنرباهای الکتریکی، در نتیجه قطبیت میدان های مغناطیسی آنها تغییر می کند، مانند قطب هایی که در کنار روتور نگه داشته می شوند. گشتاور حاصل به شفت منتقل می شود.

یک میدان مغناطیسی دوار را می توان با استفاده از دو سیم پیچ متعامد با اختلاف فاز 90 درجه در جریان AC آنها ساخت. با این حال، در عمل چنین سیستمی از طریق یک آرایش سه سیم با جریان های نابرابر تامین می شود.

این نابرابری در استانداردسازی اندازه هادی مشکلات جدی ایجاد می‌کند و برای رفع آن از سیستم‌های سه فازی استفاده می‌شود که سه جریان از نظر بزرگی برابر و دارای اختلاف فاز 120 درجه باشند. سه سیم پیچ مشابه با زوایای هندسی متقابل 120 درجه میدان مغناطیسی دوار را در این حالت ایجاد می کنند. توانایی سیستم سه فاز برای ایجاد میدان دوار، مورد استفاده در موتورهای الکتریکی، یکی از دلایل اصلی تسلط سیستم های سه فاز بر سیستم های تامین برق جهان است .

موتورهای سنکرون از سیم‌پیچ‌های روتور تغذیه شده با ولتاژ DC استفاده می‌کنند که اجازه می‌دهد تحریک دستگاه کنترل شود و موتورهای القایی از روتورهای اتصال کوتاه (به جای آهنربا) به دنبال میدان مغناطیسی دوار یک استاتور چند سیم پیچ استفاده می‌کنند . چرخش های اتصال کوتاه روتور جریان های گردابی را در میدان چرخشی استاتور ایجاد می کنند و این جریان ها به نوبه خود روتور را توسط نیروی لورنتس حرکت می دهند.

فیزیکدان ایتالیایی گالیله فراریس و مهندس برق صربستانی-آمریکایی نیکولا تسلا به طور مستقل در مورد استفاده از میدان های مغناطیسی دوار در موتورهای الکتریکی تحقیق کردند. در سال 1888، فراریس تحقیقات خود را در مقاله‌ای به آکادمی سلطنتی علوم در تورین منتشر کرد و تسلا برای کارهای خود امتیاز 381968 را به دست آورد .

جلوه هال

مقاله اصلی: جلوه هال

حامل های بار یک هادی حامل جریان که در یک میدان مغناطیسی عرضی قرار می گیرند، نیروی لورنتز جانبی را تجربه می کنند. این منجر به جدایی بار در جهت عمود بر جریان و میدان مغناطیسی می شود. ولتاژ حاصل در آن جهت متناسب با میدان مغناطیسی اعمال شده است. این به عنوان اثر هال شناخته می شود .

اثر هال اغلب برای اندازه گیری بزرگی میدان مغناطیسی استفاده می شود. همچنین برای یافتن علامت حامل های بار غالب در موادی مانند نیمه هادی ها (الکترون های منفی یا حفره های مثبت) استفاده می شود.

مدارهای مغناطیسی

مقاله اصلی: مدار مغناطیسی

یک کاربرد مهم H در مدارهای مغناطیسی است که در آن B = μ H در داخل یک ماده خطی است. در اینجا، μ نفوذپذیری مغناطیسی ماده است . این نتیجه از نظر شکل شبیه به قانون اهم J = σ E است که در آن J چگالی جریان، σ رسانایی و E میدان الکتریکی است. با بسط این قیاس، همتای قانون ماکروسکوپی اهم ( I = V ⁄ R ) به صورت زیر است:

{\displaystyle \Phi ={\frac {F}{R}}_{\mathrm {m}}،}

که{\textstyle \Phi =\int \mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} }

شار مغناطیسی در مدار است

،{\textstyle F=\int \mathbf {H} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}نیروی محرکه مغناطیسی اعمال شده به مدار است و

Rm رلکتانس مدار است . در اینجا رلکتانس Rm کمیتی شبیه به مقاومت برای شار است . با استفاده از این قیاس، محاسبه شار مغناطیسی هندسه های میدان مغناطیسی پیچیده، با استفاده از تمام تکنیک های موجود در نظریه مدار، ساده است .

بزرگترین میدان های مغناطیسی

این بخش باید به روز شود . لطفاً به به روز رسانی این مقاله کمک کنید تا رویدادهای اخیر یا اطلاعات جدید موجود را منعکس کند.
آخرین به روز رسانی: اکتبر 2018 ( ژوئیه 2021 )

از اکتبر 2018 ، بزرگترین میدان مغناطیسی تولید شده در یک حجم ماکروسکوپی در خارج از محیط آزمایشگاه 2.8 kT است ( VNIIEF در Sarov ، روسیه ، 1998). [ 48 ] ​​[ 49 ] تا اکتبر 2018، بزرگترین میدان مغناطیسی تولید شده در آزمایشگاه با حجم ماکروسکوپی 1.2 کیلو تن توسط محققان دانشگاه توکیو در سال 2018 بود. [ 49 ] بزرگترین میدان مغناطیسی تولید شده در آزمایشگاه در ذرات رخ می دهد. شتاب‌دهنده‌هایی مانند RHIC در برخورد یون‌های سنگین، جایی که میدان‌های میکروسکوپی به آن می‌رسند. 10 14 T. [ 50 ] [ 51 ] مغناطیس‌ها قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی شناخته شده را در بین هر جسم طبیعی دارند که از 0.1 تا 100 GT (10 8 تا 10 11 T) متغیر است. [ 52 ]