الکترومغناطیس میدان و موج

کتاب الکترونیکی پیش رو شامل شش فصل تمام و بخشی از فصل هفتم کتاب الکترومغناطیس میدان و موج نوشته ی دیوید ک چنگ , می باشد که جزو برنامه ی درس «الکترومغناطیس» یا به عبارت درست تر «الکتریسیته و مغناطیس» دانشگاه های ایران و جهان است.

فصل یکم شامل معرفی اجمالی پدیده ها و کمیت های چهارگانه ی شدت میدان الکتریکی (E) , چگالی شار الکتریکی (D) , شدت میدان مغناطیسی (H) و چگالی شار مغناطیسی (B) که کمیت های اصلی الکترومغناطیس نام دارند است. این فصل همچنین سه ثابت جهانی مربوط به ویژگی های خلاء را معرفی می کند: سرعت امواج الکترومغناطیس(از جمله نور) , گذردهی فضای آزاد , نفوذپذیری فضای آزاد . سپس روابط میان آن چهار کمیت و این سه ثابت در قالب روابط روشن می شوند.

فصل دوم ابزارهای ریاضی مورد نیاز برای مطالعه ی مباحث کتاب را در اختیار خواننده قرار می دهد.
برای تشریح برخی حالات همانند توزیع بار الکتریکی در سطح یک کره , استفاده از دستگاه مختصات دکارتی(یا کارتزین , یا مستطیلی) کار را بسیار دشوار می گرداند. برای همین به دستگاه های مختصات دیگری نیاز داریم که پاسخگوی حالات پیچیده تری باشد. دو نمونه از این دستگاه ها دستگاه مختصات استوانه ای و کروی هستند. سپس به بررسی اعمال برداری گوناگون در دستگاه های سه گانه همانند گرادیان , دیورژانش و کرل می پردازد. آشنایی با انتگرال های یگانه , دوگانه و سه گانه نیز در حل مسائل این کتاب ضروری است. فصل با معرفی قضیه ی دیورژانش و قضیه ی استوکس(قضیه ی کرل) که نقش مهمی در محاشبات پایانی دارند پایان می یابد.
این فصل با وجود آنکه ارتباط مستقیمی به مباحث فیزیکی ندارد اما درک عمیق مباحث ریاضی مطرح شده در آن برای آموختن مباحث اصلی کتاب ضروری است.

فصل سوم تحت عنوان میدان های الکتریکی ساکن , به بررسی میدان های الکتریکی حاصل از انواع گوناگون پخش بارهای الکتریکی می پردازد.در اوائل فصل قانون کلمببرای محاسبه ی نیروی الکتریکی که دو بار و یا دو پخش بار بر یکدیگر وارد می کنند ارائه شده استو. هر بار الکتریکی یا هر دسته از بارهای الکتریکی در اطراف خود میدان های الکتریکی ایجاد می کنند و نیروی محاسبه شده در قانون کلمب نیز ناشی از همین میدان الکتریکی است که اندازه ی آن با عکس مجذور فاصله از بار متناسب است:مشابه قانون نیوتون در مکانیک. با این تفاوت که نیروی گرانش تنها ربایشی است اما نیروی الکتریکی بسته به همنام یا ناهمنام بودن بارها می تواند رانشی یا ربایشی باشد.
در ادامه ی فصل مفهوم پتانسیل الکتریکی معرفی شده و با بهره برداری از عملگرهای ریاضی و مفاهیم فیزیکی معرفی شده تا به آنجا , در مباحث هادی ها و دی الکتریک ها عمیق تر می شود. در اواخر فصل هم ابزار خازن به عنوان وسیله ای که از دو هادی با بارهای الکتریکی مخالف که در اثر اتصال به پتانسیل الکتریکی ایجاد شده است مورد مداقه قرار می گیرد.

فصل چهارم در واقع ادامه ی مباحث فصل پیشین است که در آن روش های ویژه ای برای حل برخی حالات توزیع بار الکتریکی معرفی می شود. می توان مباحث فصل را به دو بخش مشخص تقسیم نمود: 1.تئوری تصویر 2.معادلات لاپلاس و پواسون و مسائل مقدار مرزی. بخش دوم در درس ریاضیات مهندسی نیز به کار می رود اما تفاوت آن با الکترومغناطیس تاکید بیشتر دومی بر فیزیک است.

فصل پنجم. جریان های الکتریکی دائم. دو فصل گذشته در رابطه با الکتریسیته ی ساکن بود در حالی که جریان الکتریکی در واقع همان حرکت بارهای الکتریکی از نقطه ای به نقطه ی دیگر است . در پایان فصل به محاسبتی برای ابزار مقاومت الکتریکی می پردازد.

فصل ششم. تا به اینجا نه از مغناطیس سخنی رفت نه از الکترومغناطیس! این فصل به مثابه فصل دوم و سوم همان مباحث را در رابطه با ویژگی مغناطیسی برخی مواد بررسی می کند. مباحث این فصل با فصل دو و سه شباهت زیادی دارد و در بسیاری از موارد قرینه است با یک تفاوت بسیار مهم: از آنجایی که میدان های مغاطیسی بر خلاف میدان های الکتریکی همیشه در خود بسته می شوند در نتیجه ما چیزی به نام «منبع شار مغناطیسی» نداریم. به عبارت دیگر دیورژانش چگالی شار مغناطیسی(B) صفر است و از لحاظ فیزیکی تکقطبی مغناطیسی معنا ندارد.بر خلاف این فصل در فصل دوم تاکید می شود که کرل شدت میدان الکتریکی(E) صفر است یعنی میدان الکتریکی در جهت مستقیم حرکت می کند و غیرگردشی است.
ویژگی های فیزیکی ابزار سلف در این فصل بررسی می شود.

فصل هفتم یعنی میدان های متغیر با زمان و معادلات ماکسول تازه در جلسات پایانی وارد الکترومغناطیس می شود! در حالی که این فصل عموما به علت سنگینی بیش از حد مباحث پیشین و کمبود وقت در بیشتر مواقع اصلا تدریس نمی شود یا به سرعت گفته می شود!! در ابتدای فصل قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و پس از آن معادلات ماکسول معرفی می شود که اولی یعنی قانون فارادی به صورت تجربی به دست آمده است.

در پایان گفتن این نکته خالی از لطف نیست که در یادداشت های روزانه ی مایکل فارادی دانشمند شهید انگلیسی حتی یک رابطه ی ریاضی وجود ندارد(فیزیک هالیدی,فصل 22) و یافته های علمی فراوان او عمدتا به صورت تجربی بود.

ت‍ه‍ران‌: دان‍ش‍گ‍اه‌ ت‍ه‍ران‌، م‍وس‍س‍ه‌ ان‍ت‍ش‍ارات‌ و چ‍اپ‌ - چاپ پانزدهم: ۱۳۸۸