مفاهیم اساسی مغناطیس فرمول های اساسی در فیزیک - الکتریسیته و مغناطیس. شار مغناطیسی القای الکترومغناطیسی

تعاملات.

برهمکنش مغناطیسی بین آهن و آهنربا یا بین آهنرباها نه تنها زمانی که آنها در تماس مستقیم هستند، بلکه در فاصله دور نیز رخ می دهد. با افزایش فاصله، نیروی برهمکنش کاهش می یابد و در فاصله به اندازه کافی زیاد قابل توجه نیست. در نتیجه، ویژگی‌های قسمتی از فضا در نزدیکی آهنربا با ویژگی‌های آن قسمت از فضا که در آن نیروهای مغناطیسی خود را نشان نمی‌دهند، متفاوت است. در فضایی که نیروهای مغناطیسی ظاهر می شوند، میدان مغناطیسی وجود دارد.

اگر یک سوزن مغناطیسی وارد میدان مغناطیسی شود، به صورت کاملاً مشخص نصب می شود و در نقاط مختلف میدان به طور متفاوت نصب می شود.

در سال 1905، پل لانگوین، بر اساس قضیه لارمور و نظریه الکترونیکی لورنتز، تفسیری کلاسیک از نظریه دیا و پارامغناطیس ایجاد کرد.

آهنرباهای طبیعی و مصنوعی

مگنتیت (سنگ آهن مغناطیسی) - سنگی که آهن را جذب می کند، توسط دانشمندان باستانی توصیف شده است. این به اصطلاح یک آهنربای طبیعی است که اغلب در طبیعت یافت می شود. این ماده معدنی گسترده با ترکیب 31% FeO و 69% Fe2O3 و حاوی 72.4% آهن است.

اگر نواری را از چنین موادی ببرید و آن را روی نخ آویزان کنید، به روشی بسیار خاص در فضا نصب می شود: در امتداد یک خط مستقیم که از شمال به جنوب می گذرد. اگر نوار را از این حالت خارج کنید، یعنی آن را از جهتی که در آن بود منحرف کنید، و دوباره آن را به حال خود رها کنید، آنگاه نوار با انجام چندین نوسان، موقعیت قبلی خود را می گیرد و در جهت قرار می گیرد. از شمال به جنوب

اگر این نوار را در براده های آهن فرو کنید، در همه جا به یک اندازه جذب نوار نمی شوند. بیشترین نیروی جاذبه در انتهای نوار خواهد بود که رو به شمال و جنوب بود.

این مکان‌های روی نوار که بیشترین نیروی جاذبه در آن‌ها یافت می‌شود، قطب‌های مغناطیسی نامیده می‌شوند. قطبی که به سمت شمال است، قطب شمال آهنربا (یا مثبت) نامیده می شود و با حرف N (یا C) مشخص می شود. قطبی که به سمت جنوب است، قطب جنوب (یا منفی) نامیده می شود و با حرف S (یا یو) مشخص می شود. برهمکنش قطب های آهنربا را می توان به صورت زیر بررسی کرد. بیایید دو نوار مگنتیت برداریم و یکی از آنها را همانطور که در بالا ذکر شد روی یک نخ آویزان کنیم. نوار دوم را در دست بگیرید، آن را با قطب های مختلف به اولین می رسانیم.

معلوم می شود که اگر قطب جنوب یک نوار دیگر را به قطب شمال یک نوار نزدیک کنید، نیروهای جذابی بین قطب ها ایجاد می شود و نوار معلق روی نخ جذب می شود. اگر نوار دومی نیز با قطب شمال آن به قطب شمال نوار معلق آورده شود، آنگاه نوار معلق دفع می شود.

با انجام چنین آزمایشاتی می توان به اعتبار قانونی که هیلبرت در مورد برهمکنش قطب های مغناطیسی وضع کرده است متقاعد شد: مانند قطب ها دفع می کنند، برخلاف قطب ها جذب می شوند.

اگر بخواهیم آهنربا را به نصف تقسیم کنیم تا قطب مغناطیسی شمال را از جنوب جدا کنیم، معلوم می شود که نمی توانیم این کار را انجام دهیم. با نصف کردن یک آهنربا، دو آهن ربا به دست می آوریم که هر کدام دو قطب دارند. اگر این روند را بیشتر ادامه دهیم، آن‌طور که تجربه نشان می‌دهد، هرگز نمی‌توانیم آهن‌ربایی با یک قطب به دست آوریم. این تجربه ما را متقاعد می کند که قطب های آهنربا به طور جداگانه وجود ندارند، همانطور که بارهای الکتریکی منفی و مثبت جداگانه وجود دارند. در نتیجه، حامل های ابتدایی مغناطیس یا همان طور که به آنها آهنرباهای ابتدایی می گویند نیز باید دارای دو قطب باشند.

آهنرباهای طبیعی که در بالا توضیح داده شد عملاً در حال حاضر استفاده نمی شوند. آهنرباهای دائمی مصنوعی بسیار قوی تر و راحت تر هستند. ساده ترین راه برای ساخت آهنربای مصنوعی دائمی از یک نوار فولادی است، اگر آن را از مرکز به انتها با قطب های مخالف آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی دیگر مالش دهید. آهنرباهایی که شکل نواری دارند، آهنربای نواری نامیده می شوند. استفاده از آهنربا به شکل نعل اسب اغلب راحت تر است. به این نوع آهنربا، آهنربای نعل اسبی می گویند.

آهنرباهای مصنوعی معمولاً به گونه ای ساخته می شوند که در انتهای آنها قطب های مغناطیسی مخالف ایجاد می شود. با این حال، این به هیچ وجه ضروری نیست. می توان آهنربایی ساخت که هر دو انتهای آن دارای قطب یکسان باشد، مثلاً قطب شمال. می توانید با مالش یک نوار فولادی با قطب های مساوی از وسط تا انتها، چنین آهنربایی درست کنید.

با این حال، قطب شمال و جنوب چنین آهنربایی جدایی ناپذیر هستند. در واقع، اگر آن را در خاک اره فرو کنید، نه تنها به لبه های آهنربا، بلکه به وسط آن نیز جذب می شوند. به راحتی می توان بررسی کرد که قطب های شمال در لبه ها قرار دارند و قطب جنوب در وسط قرار دارند.

خواص مغناطیسی کلاس های مواد

این رفتار ترکیبی چنین آهنرباهای کوچک اتم ها در شبکه کریستالی است که خواص مغناطیسی یک ماده را تعیین می کند. مواد بر اساس خواص مغناطیسی خود به سه دسته اصلی تقسیم می شوند: فرومغناطیس ها, پارامغناطیس هاو مواد دیامغناطیسی. همچنین دو زیر کلاس جداگانه از مواد جدا از کلاس عمومی فرومغناطیس ها وجود دارد - ضد فرومغناطیسو آهنربای آهنی. در هر دو مورد، این مواد متعلق به کلاس فرومغناطیس ها هستند، اما در دماهای پایین دارای خواص ویژه ای هستند: میدان های مغناطیسی اتم های همسایه کاملاً موازی، اما در جهت مخالف قرار می گیرند. ضد فرومغناطیس ها از اتم های یک عنصر تشکیل شده و در نتیجه میدان مغناطیسی آنها صفر می شود. آهنرباهای فریم آلیاژی از دو یا چند ماده هستند و نتیجه برهم نهی میدانهای جهت مخالف یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپی ذاتی در کل ماده است.

فرومغناطیس ها

برخی از مواد و آلیاژها (عمدتا آهن، نیکل و کبالت) در دمای پایین تر امتیاز کوریاین ویژگی را به دست می آورند که شبکه کریستالی خود را به گونه ای بسازند که میدان های مغناطیسی اتم ها یک طرفه شده و یکدیگر را تقویت می کنند، به همین دلیل یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپی در خارج از ماده ظاهر می شود. آهنرباهای دائمی فوق از چنین موادی به دست می آیند. در واقع، هم‌ترازی مغناطیسی اتم‌ها معمولاً به حجم نامحدودی از مواد فرومغناطیسی گسترش نمی‌یابد: مغناطش‌سازی محدود به حجمی است که از چند هزار تا چند ده هزار اتم دارد و چنین حجمی از مواد معمولاً نامیده می‌شود. دامنه(از دامنه انگلیسی - "منطقه"). هنگامی که آهن در زیر نقطه کوری سرد می شود، حوزه های زیادی تشکیل می شود که در هر یک از آنها میدان مغناطیسی به روش خاص خود جهت گیری می شود. بنابراین آهن جامد در حالت عادی خود مغناطیسی نمی شود، هرچند در داخل آن دامنه هایی تشکیل می شود که هر کدام یک مینی آهنربای آماده هستند. با این حال، تحت تأثیر شرایط خارجی (به عنوان مثال، زمانی که آهن ذوب شده در حضور یک میدان مغناطیسی قدرتمند جامد می شود)، حوزه ها به طور منظم مرتب می شوند و میدان های مغناطیسی آنها متقابلاً تقویت می شود. سپس یک آهنربای واقعی دریافت می کنیم - جسمی با میدان مغناطیسی خارجی برجسته. آهنرباهای دائمی دقیقاً به این شکل طراحی می شوند.

پارامغناطیس

در بیشتر مواد، هیچ نیروی داخلی برای همسو کردن جهت مغناطیسی اتم ها وجود ندارد، هیچ حوزه ای تشکیل نمی شود و میدان های مغناطیسی اتم های منفرد به طور تصادفی هدایت می شوند. به همین دلیل، میدان‌های اتم‌های آهنربایی جداگانه به طور متقابل حذف می‌شوند و چنین موادی میدان مغناطیسی خارجی ندارند. با این حال، هنگامی که چنین ماده ای در یک میدان خارجی قوی (مثلاً بین قطب های یک آهنربای قوی) قرار می گیرد، میدان های مغناطیسی اتم ها در جهتی منطبق با جهت میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند و ما مشاهده می کنیم. اثر تقویت میدان مغناطیسی در حضور چنین ماده ای. موادی با خواص مشابه، پارامغناطیس نامیده می شوند. با این حال، به محض حذف میدان مغناطیسی خارجی، پارامغناطیس فوراً مغناطیس زدایی می شود، زیرا اتم ها دوباره به طور آشفته در یک ردیف قرار می گیرند. یعنی مواد پارامغناطیس با قابلیت مغناطیسی موقت مشخص می شوند.

دیامغناطیس ها

در موادی که اتم های آنها گشتاور مغناطیسی خود را ندارند (یعنی در مواردی که میدان های مغناطیسی در جوانه خاموش می شوند - در سطح الکترون ها) می تواند مغناطیس با ماهیت متفاوتی ایجاد شود. طبق قانون دوم القای الکترومغناطیسی فارادی، وقتی شار میدان مغناطیسی که از یک حلقه حامل جریان می گذرد افزایش می یابد، تغییر جریان الکتریکی در حلقه با افزایش شار مغناطیسی مقابله می کند. در نتیجه، اگر ماده ای که خاصیت مغناطیسی خاص خود را ندارد وارد میدان مغناطیسی قوی شود، الکترون های موجود در مدارهای اتمی که مدارهای میکروسکوپی با جریان هستند، ماهیت حرکت خود را به گونه ای تغییر می دهند که مانع از افزایش شار مغناطیسی، یعنی میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کنند که در جهت مخالف نسبت به میدان خارجی هدایت می شود. چنین موادی معمولاً دیامغناطیس نامیده می شوند.

مغناطیس در طبیعت

بسیاری از پدیده های طبیعی دقیقاً توسط نیروهای مغناطیسی تعیین می شوند. آنها منشأ بسیاری از پدیده های ریز جهان هستند: رفتار اتم ها، مولکول ها، هسته های اتمی و ذرات بنیادی - الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها و غیره. آهنرباها نیمی از انرژی امواج الکترومغناطیسی (امواج رادیویی، مادون قرمز، مرئی و فرابنفش، اشعه ایکس و پرتوهای گاما) مغناطیسی است. میدان مغناطیسی زمین خود را در تعدادی از پدیده ها نشان می دهد و مشخص می شود که به ویژه یکی از دلایل وقوع شفق های قطبی است.

اصولاً مواد غیر مغناطیسی وجود ندارند. هر ماده ای همیشه "مغناطیسی" است، یعنی خواص خود را در میدان مغناطیسی تغییر می دهد. گاهی اوقات این تغییرات بسیار کوچک هستند و تنها با استفاده از تجهیزات خاص قابل تشخیص هستند. گاهی اوقات آنها کاملاً قابل توجه هستند و با استفاده از ابزارهای بسیار ساده می توان آنها را بدون مشکل زیاد تشخیص داد. مواد مغناطیسی ضعیف عبارتند از: آلومینیوم، مس، آب، جیوه و غیره.

استفاده از مغناطیس

مهندسی برق مدرن به طور گسترده ای از خواص مغناطیسی ماده برای تولید انرژی الکتریکی و تبدیل آن به انواع مختلف انرژی استفاده می کند. در وسایل ارتباطی سیمی و بی سیم، در تلویزیون، اتوماسیون و تله مکانیک از موادی با خاصیت مغناطیسی خاص استفاده می شود. پدیده های مغناطیسی نیز در طبیعت زنده نقش بسزایی دارند.

اشتراک فوق العاده پدیده های مغناطیسی و اهمیت عملی بسیار زیاد آنها طبیعتاً به این واقعیت منجر می شود که مطالعه مغناطیس یکی از مهم ترین شاخه های فیزیک مدرن است.

مغناطیس نیز بخشی جدایی ناپذیر از دنیای کامپیوتر است: تا دهه 2010، رسانه های ذخیره سازی مغناطیسی (کاست های فشرده، فلاپی دیسک ها و غیره) در جهان بسیار رایج بودند، اما رسانه های ذخیره سازی مغناطیسی نوری (DVD-RAM) هنوز هم نقل قول می شوند. ”

حاوی مطالب نظری در بخش "مغناطیس" رشته "فیزیک" است.

طراحی شده برای کمک به دانش‌آموزان تخصص‌های فنی از همه اشکال تحصیل در کار مستقل و همچنین در آماده‌سازی برای تمرین‌ها، کلاس‌ها و امتحانات.

© Andreev A.D., Chernykh L.M., 2009

 موسسه آموزشی دولتی آموزش عالی حرفه ای "دانشگاه دولتی ارتباطات از راه دور سن پترزبورگ. پروفسور M.A. Bonch-Bruevich، 2009

مقدمه

در سال 1820، هانس کریستین اورستد، استاد دانشگاه کپنهاگ، در مورد الکتریسیته، گالوانیزم و مغناطیس سخنرانی کرد. در آن زمان الکتریسیته الکترواستاتیک نامیده می شد، گالوانیسم نامی بود که به پدیده های ناشی از جریان مستقیم دریافتی از باتری ها داده می شد، مغناطیس با خواص شناخته شده سنگ آهن، با سوزن قطب نما، با میدان مغناطیسی زمین مرتبط بود.

در جستجوی ارتباط بین گالوانیزم و مغناطیس، ارستد با عبور جریان از سیم معلق بالای سوزن قطب نما آزمایش کرد. وقتی جریان روشن شد، پیکان از جهت نصف النهار منحرف شد. اگر جهت جریان تغییر می کرد یا فلش بالای جریان قرار می گرفت، در جهت دیگر از نصف النهار منحرف می شد.

کشف ارستد یک محرک قوی برای تحقیقات و کشف بیشتر بود. اندکی گذشت و آمپر، فارادی و دیگران مطالعه کامل و دقیقی از عملکرد مغناطیسی جریان های الکتریکی انجام دادند. کشف پدیده القای الکترومغناطیسی توسط فارادی 12 سال پس از آزمایش اورستد اتفاق افتاد. بر اساس این اکتشافات تجربی، نظریه کلاسیک الکترومغناطیس ساخته شد. ماکسول شکل نهایی و شکل ریاضی خود را به آن داد و هرتز در سال 1888 آن را به طرز درخشانی تأیید کرد و به طور تجربی وجود امواج الکترومغناطیسی را اثبات کرد.

1. میدان مغناطیسی در خلاء

1.1. تعامل جریان ها. القای مغناطیسی

جریان های الکتریکی با یکدیگر تعامل دارند. همانطور که تجربه نشان می‌دهد، دو رسانای موازی مستقیم که جریان‌ها از طریق آن‌ها جریان دارند، اگر جهت جریان‌های موجود در آنها یکسان باشد، جذب می‌شوند و اگر جریان‌ها در جهت مخالف باشند، دفع می‌شوند (شکل 1). علاوه بر این، نیروی اندرکنش آنها در واحد طول رسانا با قدرت جریان در هر یک از هادی ها نسبت مستقیم و با فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. قانون برهمکنش جریان ها به طور تجربی توسط آندره ماری آمپر در سال 1820 ایجاد شد.

در فلزات، بار کل شبکه یونی با بار مثبت و الکترون های آزاد با بار منفی صفر است. بارها به طور مساوی در هادی توزیع می شوند. بنابراین، هیچ میدان الکتریکی در اطراف هادی وجود ندارد. به همین دلیل است که هادی ها در غیاب جریان با یکدیگر تعامل ندارند.

با این حال، در حضور جریان (حرکت منظم حامل های بار آزاد)، برهمکنشی بین هادی ها رخ می دهد که معمولاً به آن مغناطیسی می گویند.

در فیزیک مدرن، برهمکنش مغناطیسی جریان ها به عنوان یک اثر نسبیتی تفسیر می شود که در یک چارچوب مرجع نسبت به آن که حرکت مرتب بارها انجام می شود، رخ می دهد. در این آموزش از مفهوم میدان مغناطیسی به عنوان ویژگی فضای اطراف یک جریان الکتریکی استفاده خواهیم کرد. وجود میدان مغناطیسی جریان هنگام برهمکنش با رساناهای دیگر با جریان (قانون آمپر)، یا هنگام برهمکنش با ذره باردار متحرک (نیروی لورنتس، بخش 2.1)، یا هنگام انحراف سوزن مغناطیسی که در نزدیکی هادی قرار گرفته است، آشکار می شود. جریان (آزمایش ارستد).

برای مشخص کردن میدان مغناطیسی جریان، مفهوم بردار القای مغناطیسی را معرفی می کنیم. برای این کار، به طور مشابه نحوه استفاده از مفهوم بار نقطه آزمایش در هنگام تعیین ویژگی های میدان الکترواستاتیک، هنگام معرفی بردار القای مغناطیسی از یک مدار آزمایشی با جریان استفاده خواهیم کرد. اجازه دهید آن را صاف بسته به طرح کلی شکل دلخواه و اندازه کوچک. آنقدر کوچک که در نقاطی که قرار دارد میدان مغناطیسی را می توان یکسان در نظر گرفت. جهت کانتور در فضا با بردار معمولی به کانتور مشخص می شود که مربوط به جهت جریان در آن توسط قانون پیچ سمت راست (گیملت) است: هنگامی که دسته گیمل در جهت چرخانده می شود. جریان (شکل 2)، حرکت انتقالی نوک گیملت جهت بردار عادی واحد را به صفحه کانتور تعیین می کند.

X یکی از مشخصه های مدار آزمایش گشتاور مغناطیسی آن است که در آن س- ناحیه مدار تست

E اگر مدار آزمایشی را با جریان در یک نقطه انتخاب شده در کنار جریان مستقیم قرار دهید، جریان ها برهم کنش خواهند داشت. در این حالت گشتاور چند نیرو با جریان بر مدار آزمایش اثر می‌کند م(شکل 3). اندازه این لحظه، همانطور که تجربه نشان می دهد، به خواص میدان در یک نقطه معین (مدار کوچک است) و به خواص مدار (ممان مغناطیسی آن) بستگی دارد.

در شکل 4 که مقطعی از شکل 4 است. صفحه افقی 3، چندین موقعیت مدار آزمایش را با جریان در میدان مغناطیسی جریان مستقیم نشان می دهد من. نقطه در دایره جهت جریان به سمت ناظر را نشان می دهد. ضربدر جهت جریان پشت الگو را نشان می دهد. موقعیت 1 مربوط به تعادل پایدار مدار است ( م= 0) هنگامی که نیروها آن را کش می دهند. موقعیت 2 مربوط به تعادل ناپایدار ( م= 0). در موقعیت 3، مدار تست با جریان تحت حداکثر گشتاور است. بسته به جهت مدار، مقدار گشتاور می تواند هر مقداری از صفر تا حداکثر داشته باشد. همانطور که تجربه نشان می دهد، در هر نقطه، یعنی حداکثر مقدار گشتاور مکانیکی یک جفت نیرو به بزرگی گشتاور مغناطیسی مدار آزمایش بستگی دارد و نمی تواند به عنوان مشخصه میدان مغناطیسی در نقطه مورد مطالعه باشد. نسبت حداکثر گشتاور مکانیکی یک جفت نیرو به ممان مغناطیسی مدار آزمایش به دومی بستگی ندارد و می تواند به عنوان مشخصه میدان مغناطیسی باشد. این ویژگی را القای مغناطیسی (القای میدان مغناطیسی) می نامند.

در ما آن را به عنوان یک کمیت برداری در نظر می گیریم. برای جهت بردار القای مغناطیسی، جهت گشتاور مغناطیسی مدار آزمایش را با جریان، در نقطه میدان مورد مطالعه، در موقعیت تعادل پایدار در نظر می گیریم (موقعیت 1 در شکل 4). این جهت با جهت انتهای شمالی سوزن مغناطیسی قرار گرفته در این نقطه منطبق است. از مطالب فوق چنین استنباط می شود که عملکرد نیروی میدان مغناطیسی بر روی جریان را مشخص می کند و بنابراین، آنالوگ قدرت میدان در الکترواستاتیک است. میدان برداری را می توان با استفاده از خطوط القای مغناطیسی نشان داد. در هر نقطه از خط، بردار مماس بر آن است. از آنجایی که بردار القای مغناطیسی در هر نقطه از میدان جهت خاصی دارد، بنابراین جهت خط القای مغناطیسی در هر نقطه از میدان منحصر به فرد است. در نتیجه، خطوط القای مغناطیسی، و همچنین خطوط میدان الکتریکی، قطع نمی شوند. در شکل شکل 5 چندین خط القایی میدان مغناطیسی جریان مستقیم را نشان می دهد که در صفحه ای عمود بر جریان نشان داده شده اند. آنها به شکل دایره های بسته با مراکز روی محور جاری هستند.

لازم به ذکر است که خطوط میدان مغناطیسی همیشه بسته هستند. این یک ویژگی متمایز میدان گردابی است که در آن شار بردار القای مغناطیسی از طریق یک سطح بسته دلخواه صفر است (قضیه گاوس در مغناطیس).

1.2. قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس.
اصل برهم نهی در مغناطیس

Biot و Savard در سال 1820 مطالعه ای در مورد میدان های مغناطیسی جریان های با اشکال مختلف انجام دادند. آنها دریافتند که القای مغناطیسی در همه موارد با شدت جریان ایجاد کننده میدان مغناطیسی متناسب است. لاپلاس داده های تجربی به دست آمده توسط Biot و Savart را تجزیه و تحلیل کرد و متوجه شد که میدان مغناطیسی جریان مناز هر پیکربندی را می توان به عنوان مجموع برداری (ابرجا) از فیلدهای ایجاد شده توسط بخش های ابتدایی منفرد جریان محاسبه کرد.

D طول هر بخش از جریان آنقدر کوچک است که می توان آن را یک قطعه مستقیم در نظر گرفت که فاصله آن تا نقطه مشاهده بسیار بیشتر است. معرفی مفهوم عنصر جریان در جایی که جهت بردار با جهت جریان منطبق است راحت است. منو ماژول آن برابر است با (شکل 6).

برای القای میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک عنصر جریان در یک نقطه واقع در فاصله rلاپلاس از او (شکل 6) فرمولی معتبر برای خلاء استخراج کرد:

. (1.1)

فرمول قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس (1.1) در سیستم SI نوشته شده است که در آن ثابت ثابت مغناطیسی نامیده می شود.

قبلاً اشاره شد که در مغناطیس، مانند الکتریسیته، اصل برهم نهی میدان اتفاق می‌افتد، یعنی القای میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیستمی از جریان‌ها در یک نقطه معین از فضا برابر است با مجموع برداری القایی میدان های مغناطیسی ایجاد شده در این نقطه توسط هر یک از جریان ها به طور جداگانه:

ن و انجیر شکل 7 نمونه ای از ساخت یک بردار القای مغناطیسی در میدان دو جریان موازی و مخالف را نشان می دهد و:

1.3. کاربرد قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس.
میدان مغناطیسی جریان مستقیم

بیایید بخشی از جریان مستقیم را در نظر بگیریم. عنصر جریان یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که القای آن در یک نقطه است الف(شکل 8) طبق قانون بیوت-ساوارت-لاپلاس با فرمول زیر یافت می شود:

, (1.3)

فرمول های الکتریسیته و مغناطیس مطالعه اصول الکترودینامیک به طور سنتی با یک میدان الکتریکی در خلاء آغاز می شود. برای محاسبه نیروی برهمکنش بین دو بار نقطه ای و محاسبه قدرت میدان الکتریکی ایجاد شده توسط یک بار نقطه ای، باید بتوانید قانون کولن را اعمال کنید. برای محاسبه قدرت میدان ایجاد شده توسط بارهای گسترده (رشته باردار، صفحه و غیره) از قضیه گاوس استفاده می شود. برای یک سیستم بارهای الکتریکی لازم است که این اصل را اعمال کنیم

هنگام مطالعه مبحث "جریان مستقیم" لازم است قوانین اهم و ژول لنز را در همه اشکال در نظر بگیرید هنگام مطالعه "مغناطیس" باید در نظر داشت که میدان مغناطیسی با بارهای متحرک ایجاد می شود و بر روی بارهای متحرک عمل می کند. در اینجا باید به قانون Biot-Savart-Laplace توجه کنید. باید توجه ویژه ای به نیروی لورنتس داشت و حرکت یک ذره باردار در میدان مغناطیسی را در نظر گرفت.

پدیده های الکتریکی و مغناطیسی با شکل خاصی از وجود ماده - میدان الکترومغناطیسی - به هم متصل می شوند. اساس نظریه میدان الکترومغناطیسی نظریه ماکسول است.

جدول فرمول های اساسی الکتریسیته و مغناطیس

قوانین فیزیکی، فرمول ها، متغیرها	فرمول الکتریسیته و مغناطیس
قانون کولمب: کجا q 1 و q 2 - مقادیر هزینه های امتیازی،1 - ثابت الکتریکی؛ ε - ثابت دی الکتریک یک محیط همسانگرد (برای خلا ε = 1)، r فاصله بین بارها است.
قدرت میدان الکتریکی: کجا - نیروی وارد بر بار q 0 ، در یک نقطه معین از میدان واقع شده است.
قدرت میدان در فاصله r از منبع میدان: 1) شارژ امتیاز 2) یک رشته باردار بی نهایت طولانی با چگالی بار خطی τ: 3) یک صفحه بی نهایت باردار یکنواخت با چگالی بار سطحی σ: 4) بین دو صفحه با بار مخالف
پتانسیل میدان الکتریکی: که در آن W انرژی پتانسیل بار است q 0 .
پتانسیل میدانی یک بار نقطه ای در فاصله r از بار:
طبق اصل برهم نهی میدان، کشش:
پتانسیل: جایی که Ē من و ϕ i- کشش و پتانسیل در یک نقطه معین در میدان ایجاد شده توسط بار i ام.
کاری که میدان الکتریکی انجام می دهد، بار q را از نقطه ای با پتانسیل به حرکت در می آوردϕ 1 به نقطه ای با پتانسیلϕ 2:
رابطه بین تنش و بالقوه 1) برای یک فیلد غیر یکنواخت: 2) برای یک میدان یکنواخت:
ظرفیت الکتریکی یک هادی منفرد:
ظرفیت خازن:
ظرفیت الکتریکی یک خازن تخت: که در آن S مساحت صفحه (یک) خازن است، d فاصله بین صفحات است.
انرژی یک خازن شارژ شده:
قدرت فعلی:
چگالی جریان: که در آن S سطح مقطع هادی است.
مقاومت هادی: l طول هادی است. S سطح مقطع است.
قانون اهم 1) برای یک بخش همگن از زنجیره: 2) به شکل دیفرانسیل: 3) برای بخشی از مدار حاوی EMF: جایی که ε emf منبع فعلی است، R و R - مقاومت خارجی و داخلی مدار؛ 4) برای مدار بسته:
قانون ژول لنز 1) برای یک بخش همگن از مدار DC: که در آن Q مقدار گرمای آزاد شده در یک هادی حامل جریان است، t - زمان عبور فعلی؛ 2) برای بخشی از مدار که جریان آن در طول زمان تغییر می کند:
توان فعلی:
رابطه بین القای مغناطیسی و قدرت میدان مغناطیسی: که در آن B بردار القای مغناطیسی است، μ √ نفوذپذیری مغناطیسی یک محیط همسانگرد، (برای خلاء μ = 1)، μ 0 - ثابت مغناطیسی, H - قدرت میدان مغناطیسی.
القای مغناطیسی(القای میدان مغناطیسی): 1) در مرکز جریان دایره ای که در آن R شعاع جریان دایره ای است، 2) میدان های جریان رو به جلو بی نهایت طولانی جایی که r کوتاه ترین فاصله تا محور هادی است. 3) میدان ایجاد شده توسط یک قطعه هادی حامل جریان جایی که ɑ 1 و ɑ 2 - زوایای بین بخش هادی و خطی که انتهای قطعه و نقطه میدان را به هم متصل می کند. 4) میدان های یک شیر برقی بی نهایت طولانی که در آن n تعداد دور در واحد طول شیر برقی است.

با توجه به تفاوت خواص در سطح ساختار اتمی-مولکولی، همه مواد با توجه به خواص مغناطیسی خود به سه کلاس فرومغناطیسی، پارامغناطیس و دیامغناطیس تقسیم می شوند.

طبق قانون آمپر، جریان الکتریکی میدان مغناطیسی ایجاد می کند. الکترونی که به دور یک اتم می چرخد ​​را می توان به عنوان یک جریان الکتریکی حلقوی با قدرت و شعاع بسیار کوچک در نظر گرفت. با این حال، همچنان یک میدان مغناطیسی را القا می کند و این تعجب آور نیست. در واقع، تمام الکترون ها که به دور اتم ها می چرخند، میدان مغناطیسی خود را تولید می کنند و در نتیجه هر اتم میدان مغناطیسی خاص خود را دارد که میدان کل یا برهم نهیمیدان های مغناطیسی تک تک الکترون ها

حالا به اصل مطلب می رسیم. در برخی از اتم ها، تعداد مساوی الکترون در تمام جهات ممکن می چرخند و میدان های مغناطیسی آنها یکدیگر را خنثی می کنند. با این حال، در اتم های برخی از عناصر، مدارهای الکترون را می توان به گونه ای جهت داد که برخی از الکترون ها میدان های مغناطیسی تولید کنند که توسط میدان های الکترون هایی که در جهت مخالف می چرخند، جبران نشده باقی می مانند. و هنگامی که چنین میدان‌های مغناطیسی مرتبط با چرخش الکترون‌ها در مدار نیز به طور مساوی در تمام اتم‌های ساختار بلوری یک ماده هدایت می‌شوند، به طور کلی، یک میدان مغناطیسی پایدار و نسبتاً قوی در اطراف خود ایجاد می‌کند. هر قطعه ای از چنین ماده ای یک آهنربای کوچک با قطب های شمال و جنوب مشخص است.

این رفتار ترکیبی چنین آهنرباهای کوچکی از اتم های شبکه کریستالی است که تعیین می کند خواص مغناطیسی ماده. مواد بر اساس خواص مغناطیسی خود به سه دسته اصلی تقسیم می شوند: فرومغناطیس، پارامغناطیسو دیامغناطیس هاهمچنین دو زیر کلاس جداگانه از مواد جدا از کلاس عمومی فرومغناطیس ها وجود دارد - ضد فرومغناطیسو آهنربای آهنیدر هر دو مورد، این مواد متعلق به کلاس فرومغناطیس ها هستند، اما در دماهای پایین دارای خواص ویژه ای هستند: میدان های مغناطیسی اتم های همسایه کاملاً موازی، اما در جهت مخالف قرار می گیرند. ضد فرومغناطیس ها از اتم های یک عنصر تشکیل شده و در نتیجه میدان مغناطیسی آنها صفر می شود. آهنرباهای فریم آلیاژی از دو یا چند ماده هستند و نتیجه برهم نهی میدانهای جهت مخالف یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپی ذاتی در کل ماده است.

فرومغناطیس ها

برخی از مواد و آلیاژها (عمدتا آهن، نیکل و کبالت) در دماهای زیر نقطه کوری خاصیت ایجاد شبکه کریستالی خود را به گونه‌ای به دست می‌آورند که میدان‌های مغناطیسی اتم‌ها یک طرفه بوده و یکدیگر را تقویت می‌کنند، به همین دلیل یک مغناطیسی ماکروسکوپی فیلد خارج از ماده ظاهر می شود. از چنین موادی به دست می آوریم آهنرباهای دائمیدر واقع، هم ترازی اتمی مغناطیسی به طور کلی به حجم نامحدودی از مواد فرومغناطیسی گسترش نمی یابد: مغناطیس شدنمحدود به حجمی از چند هزار تا چند ده هزار اتم است و معمولاً چنین حجمی از ماده نامیده می شود. دامنه(از انگلیسی دامنه- "منطقه") هنگامی که آهن در زیر نقطه کوری سرد می شود، حوزه های زیادی تشکیل می شود که در هر یک از آنها میدان مغناطیسی به روش خاص خود جهت گیری می شود. بنابراین آهن جامد در حالت عادی خود مغناطیسی نمی شود، هرچند در داخل آن دامنه هایی تشکیل می شود که هر کدام یک مینی آهنربای آماده هستند. با این حال، تحت تأثیر شرایط خارجی (به عنوان مثال، زمانی که آهن ذوب شده در حضور یک میدان مغناطیسی قدرتمند جامد می شود)، حوزه ها به طور منظم مرتب می شوند و میدان های مغناطیسی آنها متقابلاً تقویت می شود. سپس یک آهنربای واقعی دریافت می کنیم - جسمی با میدان مغناطیسی خارجی برجسته. دقیقاً همین طور کار می کنند آهنرباهای دائمی

پارامغناطیس

در بیشتر مواد، هیچ نیروی داخلی برای همسو کردن جهت مغناطیسی اتم ها وجود ندارد، هیچ حوزه ای تشکیل نمی شود و میدان های مغناطیسی اتم های منفرد به طور تصادفی هدایت می شوند. به همین دلیل، میدان‌های اتم‌های آهنربایی جداگانه به طور متقابل حذف می‌شوند و چنین موادی میدان مغناطیسی خارجی ندارند. با این حال، هنگامی که چنین ماده ای در یک میدان خارجی قوی (مثلاً بین قطب های یک آهنربای قوی) قرار می گیرد، میدان های مغناطیسی اتم ها در جهت منطبق با جهت میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند و ما مشاهده می کنیم. اثر به دست آوردنمیدان مغناطیسی در حضور چنین موادی. موادی با خواص مشابه پارامغناطیس نامیده می شوند . با این حال ارزش آن را دارد که میدان مغناطیسی خارجی را بلافاصله به عنوان یک پارامغناطیس حذف کنیم مغناطیس زدایی شده، از آنجایی که اتم ها دوباره به طور آشفته در یک ردیف قرار می گیرند. یعنی مواد پارامغناطیس با توانایی مشخص می شوند مغناطیسی موقت

دیامغناطیس ها

در موادی که اتم های آنها گشتاور مغناطیسی خود را ندارند (یعنی در مواردی که میدان های مغناطیسی در جوانه خاموش می شوند - در سطح الکترون ها) می تواند مغناطیس با ماهیت متفاوتی ایجاد شود. طبق قانون دوم القای الکترومغناطیسی فارادی، با افزایش شار میدان مغناطیسی که از یک حلقه حامل جریان می گذرد، تغییر جریان الکتریکی در حلقه با افزایش شار مغناطیسی مقابله می کند. در نتیجه، اگر ماده ای که خاصیت مغناطیسی خاص خود را ندارد وارد میدان مغناطیسی قوی شود، الکترون های موجود در مدارهای اتمی که مدارهای میکروسکوپی با جریان هستند، ماهیت حرکت خود را به گونه ای تغییر می دهند که مانع از افزایش شار مغناطیسی، یعنی میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کنند که در جهت مخالف نسبت به میدان خارجی هدایت می شود. چنین موادی معمولاً دیامغناطیس نامیده می شوند.

با توجه به خواص مغناطیسی ماده، درک این نکته مهم است که آنها به پیکربندی مدارهای الکترونی اتم ها بستگی دارند. برای مثال، آهن حتی پس از شکستن به اتم های منفرد، خواص فرومغناطیسی خود را حفظ می کند. اما با خرد کردن بیشتر، فقط ذرات بنیادی را دریافت خواهید کرد که خاصیت مغناطیسی خاص خود را ندارند و دیگر نمی توان ماهیت مغناطیس را توصیف کرد. بنابراین، خواص مغناطیسی یک ماده منحصراً به پیکربندی ذرات بنیادی در ترکیب اتم و سازماندهی حوزه های کریستالی بستگی دارد، اما نه به خواص ذرات باردار ساختار اتمی.

حتی هزار سال قبل از اولین مشاهدات پدیده های الکتریکی، بشریت از قبل شروع به تجمع کرده بود. دانش در مورد مغناطیس. و درست چهارصد سال پیش، زمانی که توسعه فیزیک به عنوان یک علم تازه آغاز شده بود، محققان خواص مغناطیسی مواد را از خواص الکتریکی آنها جدا کردند و تنها پس از آن شروع به مطالعه مستقل آنها کردند. این آغاز یک آغاز تجربی و نظری بود که در اواسط قرن 19 پایه و اساس E. نظریه دینامیکی پدیده های الکتریکی و مغناطیسی.

به نظر می رسد که خواص غیرمعمول سنگ آهن مغناطیسی در اوایل عصر برنز در بین النهرین شناخته شده بود. و پس از شروع توسعه متالورژی آهن، مردم متوجه شدند که محصولات آهن را جذب می کند. فیلسوف و ریاضیدان یونان باستان تالس از شهر میلتوس (640-546 قبل از میلاد) نیز در مورد دلایل این جاذبه فکر کرد و این جاذبه را با انیمیشن این کانی توضیح داد.

متفکران یونانی تصور کردند که چگونه بخارات نامرئی مگنتیت و آهن را می پوشانند، چگونه این جفت ها مواد را به یکدیگر جذب می کنند. کلمه "آهن ربا"این می تواند از نام شهر Magnesia-y-Sipila در آسیای صغیر، نه چندان دور از مگنتیت گرفته شده باشد. یکی از افسانه ها می گوید که چوپان مگنیس به نحوی خود را با گوسفندان خود در کنار صخره ای یافت که نوک آهنی عصا و چکمه های او را به خود جلب کرد.

در رساله چینی باستانی "سوابق بهار و پاییز استاد لیو" (240 قبل از میلاد) به خاصیت مگنتیت برای جذب آهن اشاره شده است. صد سال بعد، چینی ها متوجه شدند که مگنتیت نه مس و نه سرامیک را جذب نمی کند. در قرن هفتم و هشتم، آنها متوجه شدند که یک سوزن آهنی مغناطیسی، هنگامی که آزادانه آویزان می شود، به سمت ستاره شمالی می چرخد.

بنابراین، در نیمه دوم قرن یازدهم، چین شروع به تولید قطب نماهای دریایی کرد، که ملوانان اروپایی تنها صد سال پس از چینی ها بر آن تسلط یافتند. سپس چینی ها قبلاً توانایی یک سوزن مغناطیسی را برای انحراف در جهت شرق شمال کشف کرده بودند و بنابراین پیش از دریانوردان اروپایی که دقیقاً در قرن پانزدهم به همین نتیجه رسیدند، انحراف مغناطیسی را کشف کردند.

در اروپا، اولین کسی که خواص آهنرباهای طبیعی را توصیف کرد، فیلسوف فرانسوی پیر دو ماریکور بود که در سال 1269 در ارتش چارلز آنژو، پادشاه سیسیلی خدمت کرد. در طی محاصره یکی از شهرهای ایتالیا، او برای یکی از دوستانش در پیکاردی سندی را فرستاد که در تاریخ علم با نام "نامه ای روی آهنربا" ثبت شد و در آنجا درباره آزمایشات خود با سنگ آهن مغناطیسی صحبت کرد.

ماریکور خاطرنشان کرد که در هر قطعه مگنتیت دو ناحیه وجود دارد که آهن را به شدت جذب می کند. او متوجه این شباهت با قطب های کره آسمانی شد، بنابراین نام آنها را برای تعیین مناطق حداکثر نیروی مغناطیسی به عاریت گرفت. از آنجا سنت نامگذاری قطب آهنرباها قطب مغناطیسی جنوب و شمال آغاز شد.

ماریکور نوشت که اگر هر قطعه مگنتیت را به دو قسمت بشکنید، هر قطعه قطب های خاص خود را خواهد داشت.

ماریکور اولین کسی بود که اثر دافعه و جاذبه قطب های مغناطیسی را با برهم کنش قطب های متضاد (جنوب و شمال) یا مشابه پیوند داد. ماریکور به درستی از پیشگامان مکتب علمی تجربی اروپا محسوب می شود، یادداشت های او در مورد مغناطیس در ده ها نسخه تکثیر شد و با ظهور چاپ، آنها در قالب یک بروشور منتشر شدند. آنها تا قرن هفدهم توسط بسیاری از طبیعت گرایان فرهیخته ذکر شده بودند.

طبیعت شناس، دانشمند و دکتر انگلیسی ویلیام گیلبرت نیز به خوبی با کار ماریکورا آشنا بود. در سال 1600، او اثر "درباره آهنربا، اجسام مغناطیسی و آهنربای بزرگ - زمین" را منتشر کرد. در این کار، گیلبرت تمام اطلاعات شناخته شده در آن زمان در مورد خواص مواد مغناطیسی طبیعی و آهن مغناطیسی را ارائه کرد و همچنین آزمایشات خود را با یک توپ مغناطیسی توصیف کرد که در آن مدلی از مغناطیس زمینی را بازتولید کرد.

به طور خاص، او به طور تجربی ثابت کرد که در هر دو قطب "زمین کوچک" سوزن قطب نما عمود بر سطح آن می چرخد، در استوا به موازات قرار می گیرد، و در عرض های جغرافیایی میانی به یک موقعیت متوسط ​​می چرخد. به این ترتیب، گیلبرت موفق شد شیب مغناطیسی را که بیش از 50 سال در اروپا شناخته شده بود، شبیه سازی کند (در سال 1544 توسط گئورگ هارتمن، مکانیک نورنبرگ توصیف شد).

گیلبرت همچنین انحراف ژئومغناطیسی را بازتولید کرد که آن را نه به سطح کاملاً صاف توپ نسبت داد، بلکه در مقیاس سیاره ای این تأثیر را با جاذبه بین قاره ها توضیح داد. او کشف کرد که چگونه آهن با حرارت زیاد خواص مغناطیسی خود را از دست می دهد و هنگامی که سرد می شود، آنها را بازیابی می کند. سرانجام، گیلبرت اولین کسی بود که به وضوح بین جاذبه آهنربا و جاذبه کهربای مالیده شده با پشم، که آن را نیروی الکتریکی نامید، تمایز قائل شد. این یک کار واقعاً مبتکرانه بود که هم معاصران و هم نوادگان از آن استقبال کردند. گیلبرت کشف کرد که درست است که زمین را به عنوان یک آهنربای بزرگ در نظر بگیریم.

تا اوایل قرن نوزدهم، علم مغناطیس پیشرفت بسیار کمی داشت. در سال 1640، Benedetto Castelli، شاگرد گالیله، جاذبه مگنتیت را به ذرات مغناطیسی بسیار کوچک آن نسبت داد.

در سال 1778، سبالد بروگمانز، اهل هلند، متوجه شد که چگونه بیسموت و آنتیموان قطب های یک سوزن مغناطیسی را دفع می کنند، اولین نمونه از یک پدیده فیزیکی که فارادی بعدها آن را نامید. دیامغناطیس.

چارلز آگوستین کولمب در سال 1785، از طریق اندازه گیری های دقیق روی ترازوی پیچشی، ثابت کرد که نیروی برهمکنش بین قطب های مغناطیسی با مجذور فاصله بین قطب ها نسبت معکوس دارد - دقیقاً به اندازه نیروی برهم کنش بارهای الکتریکی.

از سال 1813، فیزیکدان دانمارکی اورستد با پشتکار تلاش کرده است تا به طور تجربی ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس را برقرار کند. محقق از قطب نما به عنوان نشانگر استفاده کرد، اما برای مدت طولانی نتوانست به هدف دست یابد، زیرا انتظار داشت که نیروی مغناطیسی موازی با جریان باشد و سیم برق را در زاویه قائم با سوزن قطب نما قرار داد. فلش به هیچ وجه به وقوع جریان واکنش نشان نداد.

در بهار سال 1820، اورستد در طی یکی از سخنرانی های خود سیمی موازی با پیکان کشید و مشخص نیست چه چیزی او را به این ایده سوق داد. و سپس پیکان تاب خورد. به دلایلی، ارستد آزمایشات خود را برای چند ماه متوقف کرد، پس از آن به آنها بازگشت و متوجه شد که "اثر مغناطیسی یک جریان الکتریکی در امتداد دایره های اطراف این جریان هدایت می شود."

نتیجه متناقض بود، زیرا نیروهای چرخشی قبلاً خود را نه در مکانیک و نه در هیچ جای دیگری در فیزیک نشان نداده بودند. اورستد مقاله ای نوشت که در آن نتایج خود را بیان کرد و دیگر هرگز الکترومغناطیس را مطالعه نکرد.

در پاییز همان سال، آندره ماری آمپر فرانسوی شروع به آزمایش کرد. اول از همه، با تکرار و تایید نتایج و نتیجه‌گیری‌های ارستد، در اوایل اکتبر جذب هادی‌ها را در صورتی که جریان‌ها در آنها در یک راستا باشند، و دافعه را در صورت مخالف بودن جریان‌ها کشف کرد.

آمپر همچنین برهمکنش بین هادی های غیر موازی با جریان را مطالعه کرد و پس از آن آن را با فرمولی که بعداً نامگذاری شد توصیف کرد. قانون آمپراین دانشمند همچنین نشان داد که سیم های مارپیچ حامل جریان تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی می چرخند، همانطور که در مورد سوزن قطب نما اتفاق می افتد.

در نهایت او فرضیه جریان های مولکولی را مطرح کرد که بر اساس آن جریان های دایره ای میکروسکوپی پیوسته به موازات یکدیگر در داخل مواد مغناطیسی وجود دارد که باعث عمل مغناطیسی مواد می شود.

در همان زمان، Biot و Savard به طور مشترک یک فرمول ریاضی ایجاد کردند که به فرد امکان می دهد شدت یک میدان مغناطیسی جریان مستقیم را محاسبه کند.

و بنابراین، در پایان سال 1821، مایکل فارادی، که قبلاً در لندن کار می کرد، دستگاهی ساخت که در آن یک هادی حامل جریان به دور آهنربا و آهنربای دیگری به دور رسانای دیگری می چرخید.

فارادی پیشنهاد کرد که آهنربا و سیم هر دو در خطوط متحدالمرکز نیرو قرار دارند که عملکرد مکانیکی آنها را تعیین می کند.

با گذشت زمان، فارادی به واقعیت فیزیکی خطوط نیروی مغناطیسی متقاعد شد. در پایان دهه 1830، دانشمند به وضوح می دانست که انرژی آهنرباهای دائمی و رساناهای حامل جریان در فضای اطراف آنها که با خطوط نیروی مغناطیسی پر شده بود، توزیع شده است. در آگوست 1831، محقق توانست مغناطیس را وادار به تولید جریان الکتریکی کند.

این دستگاه شامل یک حلقه آهنی بود که دو سیم پیچ مخالف روی آن قرار داشت. سیم پیچ اول می تواند به یک باتری الکتریکی وصل شود و سیم پیچ دوم به یک هادی که بالای سوزن یک قطب نما مغناطیسی قرار داده شده است وصل می شود. هنگامی که جریان مستقیم از سیم سیم پیچ اول عبور کرد، سوزن موقعیت خود را تغییر نداد، اما در لحظه خاموش و روشن کردن آن شروع به نوسان کرد.

فارادی به این نتیجه رسید که در این لحظات تکانه های الکتریکی در سیم سیم پیچ دوم مرتبط با ناپدید شدن یا ظاهر شدن خطوط مغناطیسی نیرو ایجاد می شود. او کشف کرد که علت نیروی محرکه الکتریکی حاصل، تغییر میدان مغناطیسی است.

در نوامبر 1857، فارادی نامه ای به پروفسور ماکسول در اسکاتلند نوشت و از او خواست که شکلی ریاضی به دانش الکترومغناطیس بدهد. ماکسول این درخواست را انجام داد. مفهوم میدان الکترومغناطیسیدر سال 1864 در خاطرات او جای گرفت.

ماکسول اصطلاح "میدان" را برای تعیین بخشی از فضا که احاطه می کند و حاوی اجسامی است که در حالت مغناطیسی یا الکتریکی هستند معرفی کرد و به ویژه تأکید کرد که این فضا خود می تواند کاملاً خالی و پر از هر نوع ماده و میدان باشد. هنوز جا خواهد داشت

در سال 1873، ماکسول رساله ای در مورد الکتریسیته و مغناطیس منتشر کرد که در آن سیستمی از معادلات را ارائه کرد که پدیده های الکترومغناطیسی را با هم ترکیب می کند. او نام معادلات کلی میدان الکترومغناطیسی را به آنها داد و تا به امروز آنها را معادلات ماکسول می نامند. طبق نظریه ماکسول مغناطیس نوع خاصی از برهمکنش بین جریان های الکتریکی است. این پایه ای است که تمام کارهای تئوری و تجربی مرتبط با مغناطیس بر آن بنا شده است.