مغناطیس یک قطبی و الکتریسیته یک قطبی از نظر میدان هایشان تفاوت چه کاربردی دارند

پویینچوونه بین مغناطیسی یک‌قطبی و الکتریکی یک‌قطبی از نظر میدان‌ها

مغناطیسی یک‌قطبی و الکتریکی یک‌قطبی دوه مفهوم مهم در الکترومغناطیس هستند و تفاوت‌های قابل توجهی در خصوص خواص و رفتار میدانی آنها وجود دارد. زیرا یک مقایسه دقیق از این دو نوع یک‌قطبی از نظر میدان‌ها:

۱. تعاریف و پیش‌زمینه فیزیکی

یک‌قطبی الکتریکی: یک‌قطبی الکتریکی به یک بار نقطه‌ای منزوی، چه مثبت و چه منفی، اشاره دارد. بر اساس قانون کولن، میدان الکتریکی تولید شده توسط یک‌قطبی الکتریکی با مربع فاصله (۱/r²) کاهش می‌یابد و به صورت شعاعی از بار (یا به سمت بار) به بیرون (یا به داخل) می‌رود.

یک‌قطبی مغناطیسی: یک‌قطبی مغناطیسی یک بار مغناطیسی منزوی فرضی است که مشابه مفهوم یک‌قطبی الکتریکی است. با این حال، یک‌قطبی‌های مغناطیسی در طبیعت مشاهده نشده‌اند. پدیده‌های مغناطیسی فعلی همه به دلیل دوقطبی (جفتی از قطب شمال و جنوب) هستند. اگر یک‌قطبی‌های مغناطیسی وجود داشتند، میدان مغناطیسی مشابه یک‌قطبی الکتریکی تولید می‌کردند، اما این یک فرضیه نظری است.

۲. رفتار میدانی

یک‌قطبی الکتریکی

توزیع میدان الکتریکی: میدان الکتریکی E تولید شده توسط یک‌قطبی الکتریکی متقارن کروی است و به قانون کولن پیروی می‌کند:

که در آن q بار است، ϵ0 ثابت دی الکتریک خلاء است، r فاصله از بار تا نقطه مشاهده است و r^ بردار واحد شعاعی است.

• توزیع پتانسیل الکتریکی: پتانسیل الکتریکی V یک‌قطبی الکتریکی به صورت خطی با فاصله کاهش می‌یابد:

یک‌قطبی مغناطیسی (فرضی)

• توزیع میدان مغناطیسی: اگر یک‌قطبی‌های مغناطیسی وجود داشتند، میدان مغناطیسی B مشابه متقارن کروی تولید می‌کردند و به یک فرم مشابه قانون کولن پیروی می‌کردند:

  

• که در آن g بار مغناطیسی است، μ0 ثابت مغناطیسی خلاء است، r فاصله از یک‌قطبی مغناطیسی تا نقطه مشاهده است و r^ بردار واحد شعاعی است.

• توزیع پتانسیل اسکالر مغناطیسی: پتانسیل اسکالر مغناطیسی ϕm نیز به صورت خطی با فاصله کاهش می‌یابد:

  

۳. خصوصیات هندسی خطوط میدان

• خطوط میدان الکتریکی: خطوط میدان الکتریکی یک‌قطبی الکتریکی از یک بار مثبت (یا به سمت یک بار منفی) به بیرون می‌روند و تا بی‌نهایت ادامه می‌یابند. این خطوط میدانی واگرا هستند که نشان‌دهنده این است که میدان الکتریکی به صورت شعاعی پخش می‌شود.

• خطوط میدان مغناطیسی: خطوط میدان مغناطیسی یک‌قطبی مغناطیسی نیز از یک‌قطبی (یا به سمت آن) به بیرون می‌روند و تا بی‌نهایت ادامه می‌یابند. این خطوط میدانی نیز واگرا هستند که نشان‌دهنده این است که میدان مغناطیسی به صورت شعاعی پخش می‌شود.

۴. توسعه‌های چندقطبی مرتبه بالاتر

• چندقطبی‌های الکتریکی: علاوه بر یک‌قطبی‌های الکتریکی، می‌توان چندقطبی‌های الکتریکی مانند دوقطبی و چهارقطبی را داشت. یک دوقطبی الکتریکی شامل دو بار مساوی و مخالف است و توزیع میدان الکتریکی آن متفاوت از یک‌قطبی الکتریکی است و نشان‌دهنده تقارن و ویژگی‌های کاهش پیچیده‌تری است.

• چندقطبی‌های مغناطیسی: پدیده‌های مغناطیسی فعلی اغلب به دلیل چندقطبی‌های مغناطیسی مانند آهنرباهای میله‌ای یا حلقه‌های جریانی ایجاد می‌شوند. توزیع میدان مغناطیسی یک دوقطبی مغناطیسی مشابه یک دوقطبی الکتریکی است، اما در کاربردهای عملی، معمولاً فقط درباره دوقطبی‌های مغناطیسی صحبت می‌کنیم بدون چندقطبی‌های مغناطیسی مرتبه بالاتر.

۵. ظاهر شدن در معادلات ماکسول

• یک‌قطبی الکتریکی: در معادلات ماکسول، چگالی بار ρ در قانون گاوس برای الکتریسیته ظاهر می‌شود:

• این نشان می‌دهد که وجود یک‌قطبی الکتریکی منجر به واگرایی در میدان الکتریکی می‌شود.

• یک‌قطبی مغناطیسی: در معادلات ماکسول استاندارد، چگالی بار مغناطیسی ρm وجود ندارد، بنابراین قانون گاوس برای مغناطیسیت به صورت زیر است:

این نشان می‌دهد که در الکترومغناطیس کلاسیک، یک‌قطبی‌های مغناطیسی منزوی وجود ندارند. با این حال، اگر یک‌قطبی‌های مغناطیسی معرفی شوند، این معادله به صورت زیر خواهد بود:

این اجازه می‌دهد که یک‌قطبی‌های مغناطیسی وجود داشته باشند.

۶. اثرات کوانتومی

• یک‌قطبی الکتریکی: یک‌قطبی‌های الکتریکی در واقعیت وجود دارند و میدان‌های الکتریکی آنها می‌توانند با استفاده از الکترودینامیک کوانتومی (QED) توصیف شوند.

• یک‌قطبی مغناطیسی: اگرچه یک‌قطبی‌های مغناطیسی مشاهده نشده‌اند، اما تأثیرات نظری قابل توجهی در مکانیک کوانتومی دارند. به عنوان مثال، دیراک پیشنهاد کرد که وجود یک‌قطبی‌های مغناطیسی منجر به کوانتیزاسیون هر دو بار الکتریکی و مغناطیسی می‌شود و روی فاز تابع موج ذرات باردار تأثیر می‌گذارد.

خلاصه

• یک‌قطبی الکتریکی: وجود دارد، میدان‌های الکتریکی متقارن کروی تولید می‌کند که با مربع فاصله کاهش می‌یابند.

• یک‌قطبی مغناطیسی: فرضی، نظری باید میدان مغناطیسی متقارن کروی مشابه تولید کند که با مربع فاصله کاهش می‌یابد.

تفاوت اصلی در این است که یک‌قطبی‌های الکتریکی یک پدیده واقعی هستند، در حالی که یک‌قطبی‌های مغناطیسی یک فرضیه نظری هستند.