الكتروديناميك

[omarekhayam]

الکترو مغناطیس یکی از شاخه‌های فیزیک است که مباحث مربوط به بارهای الکتریکی ساکن و متحرک ، میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را مورد بحث قرار می‌دهد. اما در این بحث بیشتر مفاهیم فیزیکی و توصیف کیفی این پدیده‌ها مورد توجه قرار می‌گیرد. و تا حد امکان از توصیف کمی این موارد که به ریاضیات عالی نیاز دارد، خودداری می‌شود. بنابرابن توصیف کمی پدیده‌های فوق در الکترودینامیک انجام می‌گیرد. می‌توان گفت که الکترو‌دینامیک نسبت به سایر علوم تقریبا یک علم تازه است که در کمتر از یکصد سال اخیر بوجود آمده است.

تاریخچه
هر چند کهربا و مغناطیس طبیعی برای یونانیان شناخته نشده بودند ، با وجود این الکترو‌دینامیک در مقام یک موضع کمی تنها در کمتر از یکصد سال رشد پیدا کرد. آزمایشات قابل ملاحظه کاوندیش در زمینه الکترو استاتیک از 1771 تا 1773 انجام شدند. تحقیقات ماندگار کولن در سال 1785 شروع به چاپ شدند. این کار شروع تحقیق کمی در الکترسیته و مغناطیس را در مقیاس جهانی مشخص کرد. پنجاه سال بعد از آن فارادی مشغول مطاله اثرات نظریه دینامیکی میدان‌های الکترومغناطیسی منتشر کرد. بیست و چهار سال بعد هرتز کشف خود را در مورد امواج الکترومغناطیسی عرضی که با سرعتی مشابه با سرعت نور انتشار می‌یابد به چاپ رسانید و با این کار نظریه ماکسول را در یک وضعیت کاملا آزمایشی قرار داد.

سیر تحولی و رشد
از دهه 1960 یک انقلاب واقعی در درک ما از نیروهای اساسی و اجزا تشکیل دهنده ماده صورت گرفته است.


در دهه 1990 الکترودینامیک کلاسیک در مقابل جبهه‌ای از توصیف وحدت یافته ذرات و بر همکنشهای که به عنوان مدل استاندارد نامیده می‌شود، ساکن مانده بود، مدل استاندارد یک توصیف کوانتوم مکانیکی منسجم از برهمکنشهای الکترومغناطیسی ، ضعیف و قوی بر اساس اجزاء اصلی ، بعضی کوارکها و لپتونها ( که از طریق حاملهای نیرو یعنی فوتونها ، بوزونها ، و گلوئونها ، برهمکنش می‌کنند) ارائه می‌کند. چهار چوب نظریه وحدت یافته از طریق اصول مربوط به ناوردایی پیمانه‌ای الکترومغناطیس (متصل به نیروها و تفاوتهای گسسته خواص ذرات) ایجاد‌ گردید.

از نقطه نظر مدل استاندارد ، الکترودینامیک کلاسیک ، حداکثر و دینامیک کوانتومی است. بنابرین تلاش عظیمی که در اواخر قرن نوزدهم در جهت وحدت موضوعات فیزیک شروع شده سبب ایجاد الکترودینامیک کوانتومی شود و بدین ترتیب الکترودینامیک کلاسیک را متحول ساخت. بنابراین در حالت کلی الکترودینامیک را می‌توان به دو قسمت اصلی تقسیم کرد.
الکترودینامیک کلاسیک
الکترودینامیک با استفاده از مفاهیم بنیادین ریاضیات عالی یک توصیف کمی از مباحث الکترومغناطیسی کلاسیک ارائه می‌کند. الکترومغناطیس کلاسیک در محاسبه میدانهای الکتریکی و مغناطیسی حاصل از توزیعهای معین بار تبحر دارد و توصیف فیزیکی این کمیتها مورد بحث قرار می‌گیرد. اما در مواردی که مرزهای معین وجود داشته باشند. به عنوان مثال اگر بخواهیم میدان و پتانسیل حاصل از یک کره رسانا که نصف آن دارای پتانسیل و نصف دیگرش دارای پتانسیل V1 است ، در یک نقطه معین از فضا تعیین کنیم، باید از شگرد‌های خاص ریاضی که در V1 الکترو دینامیک کلاسیک کاربرد دارد، استفاده کنیم.

همانگونه که الکترومغناطیس به دو قسمت الکتریسیته و ‌مغناطیس تقسیم می‌شود که در قسمت الکترواستاتیک بارهای الکتریکی ساکن و چگالیهای بار مستقل از زمان فرض می‌شوند و در الکترومغناطیس بارهای الکتریکی متحرک بوده و چگالیهای بار می‌توانند تابعیت زمانی نیز داشته باشند. الکترودینامیک کلاسیک نیز به دو بخش تقسیم می‌گردد. مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک کلاسیک به عنوان پیشروان درک کنونی ما از پدیده‌ها مفید واقع شوند و هنوز هم نقشهای مهمی را در زندگی علمی و در مرز مربوط به تحقیقات علمی ایفا می‌کنند.

الکترودینامیک کوانتومی
الکترودینامیک کوانتومی ، نتیجه‌ای است از تقارن شکسته شده ، خودی به خودی در یک نظریه که در آن برهمکنشهای ضعیف و الکترومغناطیسی در ابتدا وحدت یافته‌اند و این که حاملهای نیروی مربوط به هر دو بدون جرم هستند . شکست تقارن ، و حامل نیروی الکترومغناطیسی (فوتون) را بدون جرم باقی می‌گذارد همراه 80 الی 90 Gv/c2 را با یک برهمکنش ضعیف هسته‌ای در انرژیهای پایین با برد بسیار کوتاه (2x10 -18 ) بدست می‌آورند.

الکترودینامیک کلاسیک برای انتقالات کوچک انرژی و اندازه حرکت و تعداد میانگین بزرگ فوتونهای مجازی یا حقیقی حد الکترودینامیک کوانتومی است. علی رغم حضور تعداد نسبتا زیادی از کمیتهای که بایستی از آزمایش بدست آیند، مدل استاندارد وحدت یافته (همراه با نسبیت عام در مقیاسهای بزرگ) توضیعی با دقت بالا از طبیعت را در تمام جنبه‌هایش ارائه می‌دهد. از درون هسته ، تا میکروالکترونیک و میزها و صندلیها و دورترین کهکشانها. بخاطر مبدأها در یک نظریه وحدت یافته ، برد و قدرت برهمکنشهای ضعیف به جفت شدگی الکترومغناطیسی مربوط شدند.

بطور خلاصه می‌توان گفت که در الکترودینامیک کوانتومی با استفاده از مفاهیم آنالیز تانسوری یک میدان برداری (که به تانسور الکترومغناطیسی معروف است ) معرفی می‌شوند ، سپس با تعریف چگالیهای لاگرانژی و هامیلتونی خاص سیستمها مورد بحث قرار می‌گیرند.

سختی الکترودینامیک
همانطوری که اشاره شد، الکترودینامیک جهت توصیف کمی پدیده‌های الکترو مغناطیسی از ریاضیات عالی و روشهای پیچیده ریاضی بهره می‌گیرد. بنابراین افرادی که تمایلی به استفاده از این پیچیدگیها ندارند و آن را دشوار می‌دانند، به الکترو‌دینامیک به دید یک شاخه‌ای از فیزیک که درک آن بسیار سخت است، نگاه می‌کنند. اما امروزه با پیشرفت علوم کامپیوتری و گسترش روشهای عددی ، بسیاری از مسائل الکترودینامیک را می‌توان با استفاده از حلهای عددی مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.