الکترومغناطیس (به انگلیسی: Electromagnetism) شاخه‌ای از فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی نیروی الکترومغناطیسی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند). در نظریهٔ الکترومغناطیس این نیروها به وسیلهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند. الکترومغناطیس توصیفگر بیشتر پدیده‌هایی‌ست (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتند. الکترومغناطیس همچنین نیرویی‌ست که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها کنار هم نگه می‌دارد. درحقیقت عامل همهٔ نیروهای درون مولکولی، نیروی الکترومغناطیسی است.

نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند که این دو جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتاً یه یکدیگر مربوطند. تغییر میدان الکتریکی با زمان، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. همچنین تغییر میدان مغناطیسی با زمان، میدان الکتریکی تولید می‌کند. این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته می‌شود و اساس کار ژنراتورها، موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها است. میدان الکتریکی عامل چند پدیدهٔ معمول مانند پتانسیل الکتریکی (ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (جریان برق)، و میدان مغناطیسی عامل رانش و ربایش آهنرباها هستند. در الکترودینامیک کوانتومی، نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار را می‌توان از طریق روش نمودارهای فاینمن محاسبه کرد که در آن فرض می‌شود که ذرات حامل (به نام فوتون مجازی) بین ذرات باردار مبادله می‌شود.

مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به ارائه نظریه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.

در ابتدا تصور این بود که الکتریسیته و مغناطیس دو پدیده جدا از هم هستند. با انتشار رساله الکتریسیته و مغناطیس جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۷۳ میلادی که در آن وی نشان داد تعامل بارهای مثبت و منفی توسط یک نیرو صورت می‌گیرد، این دیدگاه تغییر کرد. چهار اثر عمده ناشی از تداخل این دو وجود دارد که به وضوح توسط آزمایش‌ها نشان داده شده‌اند.

1. نیروی الکتریکی جذب یا دفع‌کننده بارها متناسب با معکوس مربع فاصله آنها است.
2. قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت توسط خطوط میدان مغناطیسی به هم متصل می‌شوند؛ قطب شمال مغناطیسی به قطب جنوب مغناطیسی متصل است.
3. جریان الکتریکی در سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم ایجاد می‌کند، که جهت آن وابسته به جهت جریان است.
4. هنگامی که یک حلقه سیم به سمت میدان مغناطیسی حرکت کند یا از آن دور شود، یا اینکه میدان مغناطیسی به سمت حلقه نزدیک یا از آن دور شود، در حلقه جریان برقرار می‌شود و جهت آن وابسته به جهت حرکت است.

زمانی که هانس کریستین اورستد در حال آماده شدن برای یک سخنرانی در شب ۲۱ آوریل سال ۱۸۲۰ میلادی بود، مشاهدات شگفت‌آوری کرد. او متوجه شد که سوزن قطب‌نما زمانی که جریان الکتریکی حاصل از باتری قطع و وصل می‌شد، منحرف می‌گردید. این انحراف او را متقاعد کرد که میدان‌های مغناطیسی از طرف یک سیم حامل جریان الکتریکی تأثیر می‌پذیرد و رابطه مستقیم بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. او یافته‌های خود را به چاپ رساند که نشان می‌داد جریان الکتریکی در اطراف یک سیم حامل جریان، تولید میدان مغناطیسی می‌کند. واحد القاء مغناطیسی Oersted است و به افتخار او نام‌گذاری شده‌است.

پدیده القای الکترومغناطیسی که بعدها توسط مایکل فارادی مشاهده شد، توسط جیمز کلارک ماکسول گسترش یافت و بخشی از آن دوباره توسط الیور هِویساید و هاینریش هرتز فرمول‌بندی شد که یکی از بزرگ‌ترین دست‌آوردهای فیزیک ریاضی در قرن نوزدهم میلادی به‌شمار می‌رود. از آن پس، الکترومغناطیس ٬همواره به عنوان مدلی برای توسعه فیزیک مطرح بوده‌است.

 

فهرست مطالب:

فصل اول: القای الکترومغناطیسی

معادله مشخصه الکترواستاتیک

القای الکترومغناطیسی

قانون القای فاراده

اگر مدار صلب و ساکن باشد

شکل دیفرانسیلی قانون القای فاراده

قانون لنز

خودالقایی

ضریب خودالقایی

القای متقابل

فرمول نویمن

اتصال سری و موازی القاگرها

میدان چنبره در یک نقطه دلخواه درون آن

انرژی مغناطیسی

و…

 

فصل دوم: انرژی مغناطیسی

برای مدار صلب و ساکن

برای محیطهای خطی

چگالی انرژی در میدان مغناطیسی

برای اجسام مغناطیسی همسانگرد و خطی

نیروها و گشتاور نیروهای وارد بر مدارهای صلب

دستگاه غیر ایزوله

دستگاه منزوی

و…

فصل سوم: معادلات ماکسول

تعمیم قانون آمپر

فرم دیفرانسیلی قانون آمپر

فرم نقطه ای قانون تعمیم یافته آمپر

چگالی جریان جابجایی

معادلات ماکسول

محاسبه انرژی الکترومغناطیسی

بردار پوئین تینگ

معادله موج الکترومغناطیسی

معادله موج تک رنگ (تکفام)

برای خلا یک محیط دی الکتریک نارسانای غیر مغناطیسی

در هادی ها

شرایط مرزی

مولفه مماسی میدان الکتریکی

مولفه های عمودی

مولفه مماسی شدت مغناطیسی H

جدول شرایط مرزی

معادله موج با چشمه ها

شرط لورنتز

پتانسیل نرده ای تاخیری

و…

فصل چهارم: انتشار امواج الکترومغناطیسی

تعریف

برای انتشار موج در عایق

موج تک فام

اگر موج فقط در راستای محور z منتشر شود

جبهه موج

پرتو

سرعت انتشار

معادلات ماکسول برای امواج تخت

رابطه پاشندگی عرضی

اصل برهم نهی

قطبش (پلاریزاسیون)

انواع پلاریزاسیون

امواج تخت تکفام در محیطهای رسانا

بررسی و محاسبه طول تضعیف و سرعت فاز

عمق پوسته

رابطه بین ثابتهای نوری و مشخصات الکتریکی محیط

و…

فصل پنجم: امواج در محیط های مرزدار

انتشار امواج در محیطهای محدود

انعکاس و شکست در مرز دو محیط نارسانا

تابش عمودی

محاسبات امواج تابشی، بازتابی و عبوری

محاسبات ضرایب انتقال، انعکاس فرنل

اگر موج تابشی به جای موج پلاریزه خطی یک موج بیضوی باشد

تابش مایل

محاسبات امواج تابشی، بازتابی و عبوری در تابش مایل

قانون انعکاس

قانون اسنل

محاسبه ضرایب فرنل

قانون بروستر

اگر محیط را غیر مغناطیسی در نظر بگیریم

قطبش S

قطبش P

زاویه بروستر و زاویه حد

انعکاس و عبور از یک سطح رسانا

بررسی موج بازتاب

تابش عمودی از هوا

رابطه هاگن – روبنز

بررسی موج عبوری

ضریب شکست حقیقی

اختلاف فاز دو موج

اگر تیغه عایق باشد

برای یک تیغه هادی در تابش عمودی

تیغه دوم را غیر هادی بگیریم

برای تابش عمودی

برای سطوح ضد بازتاب

انتشار موج بین دو صفحه رسانای موازی (موجبر)

دو صفحه هادی موازی

موجبرها

و…

فصل ششم: گسیل تابش

مقدمه

تابش از یک دو قطبی نوسان کننده

روش محاسبه

استفاده از شرط لورنتز

اگر تغییرات بار برحسب زمان را تناوبی فرض کنیم

در مختصات کروی

محاسبه بردار B

بردار پویین تینگ

توان تابشی

توان تابش شده لحظه ای

مقاومت تابشی یک دو قطبی در خلا

و…