مهندسی میدان و مایکروویو

انجمن مهندسی مایکروویو ایران

مهندسی میدان و مایکروویو

انجمن مهندسی مایکروویو ایران

معادلات ماکسول

معادله‌های ماکسول، معادله‌هایی هستند که چگونگی ایجاد شدن میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را توسط بارها و جریانات الکتریکی و نیز پیدایش یکی از این میدان‌ها توسط تغییر میدان دیگر را توصیف می‌کنند. این معادله‌ها مبانی الکترومغناطیس (کلاسیک) و مهندسی برق به شمار می‌روند که اولین بار توسط فیزیکدان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول فرمول‌بندی شده‌اند. انواع فرمولبندی برای این معادله‌ها می‌توان ارائه داد.خود ماکسول این معادلات را در قالب ۸ معادله فرمولبندی کرده بود ولی در حالت ۳ بعدی مشهورترین فرمول بندی فرمول‌بندی هوی‌ساید این معادلات است که دو فرم دیفرانسیلی و انتگرالی دارد.

معادلات ماکسول مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل مشتقات جزئی است که همراه با قانون نیروی لورنتس، تشکیل بنیاد کلاسیک الکترودینامیک، اپتیک کلاسیک و مدارهای الکتریکی را می دهد . این رشته ها به نوبه خود زمینه برق و ارتباطات فناوری مدرن هستند . معادلات ماکسول پس از فیزیکدان و ریاضیدان اسکاتلندی جیمز کلرک ماکسول نامگذاری شده است، زیرا در شکل اولیه آنها همه در یک مقاله چهار بخشی، "در خطوط فیزیکی از نیروی"، که او در میان سال های 1861 و 1862 منتشر شده است . فرم ریاضی قانون نیروی لورنتس نیز در این مقاله ظاهر شد . معادلات راه حل هایی که انتشار امواج در خلاء با یک سرعت ثابت را توصیف می کند. ماکسول همچنین تذکر داد که این سرعت با سرعت هم اندازه نور ، و به درستی حدس زده است که نور، مانند امواج رادیویی و اشعه X ، صورتی از تابش الکترومغناطیسی در محدوده طول موج خاص است. معادلات ماکسول توصیف می کند که میدان های الکتریکی و مغناطیسی چگونه تولید می شوند و با بار و جریان در تغییر هستند. . معادلات دارای دو نوع تغییر اصلی هستند . "میکروسکوپی" مجموعه ای از معادلات ماکسول که از بار کل و جریان کل شامل سطح مشکل به محاسبه اتمی بار و جریان در مواد استفاده می کند. "ماکروسکوپی" مجموعه ای از معادلات ماکسول که دو رشته کمکی تعریف می کند که می توانیم گام به گام این بارهای "اتمی" اندازه گیری شده را بدانیم. نوشتن معادلات ماکسول به اشکال دیگر که هنوز هم "معادلات ماکسول" نامیده می شوند اغلب مفید است.چندین فرمول طبیعی تعریف شده در چهار بعد فضا زمان، نسبتاً فضا و کاملاً زمان ، که آشکارا سازگار با نسبیت خاص و عام هستند وجود دارد. چنین چهار فرمول ابعادی به طور معمول در فیزیک انرژی بالا و گرانشی استفاده می شوند. در مکانیک کوانتوم، نسخه بر اساس پتانسیل های الکتریکی و مغناطیسی هستند ترجیح داده می شود. از آنجا که معادلات ماکسول دلالت بر سرعت ثابت نور دارند، آنها مدت ها معتقد بودند که این فقط برای یک ناظرساکن با توجه به فرض "اتر" معتبر است . انیشتین، در تئوری ویژه نسبیت نظریه ای به جای معادلات ماکسول داد که برای ناظر دلخواه(ساکن و متحرک) معتبر بود ، و نشان داد که این مفاهیم ازنظر فیزیکی مستقل از فضا و زمان ناظراست. از اواسط قرن 20، فهمیده شد که، با این حال، که معادلات ماکسول،قوانین دقیق جهانی نیستند اما تقریب دقیق تر از نظریه اساسی الکترودینامیک کوانتومی است.


جیمز کلارک ماکسول

جیمز کلرک ماکسول(به انگلیسی: James Clerk Maxwell) (زاده۱۳ ژوئن ۱۸۳۱ در ادینبورگ؛ درگذشته ۵ نوامبر ۱۸۷۹ در کمبریج)، از فیزیکدانان بریتانیایی بود.

ماکسول در چهارده سالگی، نوشتاری در مورد بیضی‌ها منتشر کرد و سال ۱۸۵۴ تحصیلات خود را به پایان رسانید.

ماکسول، نظریه الکترومغناطیس در مورد الکترودینامیک را کامل کرد که این فرمول‌بندی ریاضی به نام خود او معادلات ماکسول نامگذاری شده است. این معادله‌ها وجود موج‌های الکترومغناطیسی را پیشبینی می‌کردند؛ بنابراین ماکسول نظریه‌ای توسعه داد که تئوری ذرّه‌ای بودن خاصیت نور را توسط آیزاک نیوتون، مورد تناقض قرار می‌داد. اثبات خاصیت موجی نور بعدها توسط هاینریش رودلف هرتز به انجام رسید و امروزه مبانی سیستم اطلاع‌رسانی مانند، رادیو، تلویزیون، تلفن همراه، شبکه بیسیم و حتی تندپز را تشکیل می‌دهد.

دومین زمینه پژوهشی ماکسول، تئوری جنبشی گازها (مکانیک آماری) بود و در این مبحث توزیع بولتزمن-ماکسول بر همه شناخته شده می‌باشد. همچنین در زمینه ترمودینامیک، روابط ماکسول از آثار اوست.

او بعد از تکمیل تحصیلات در دانشگاه ادینبورگ و کمبریج، اولین پروفسور علوم طبیعی اسکاتلند و سپس کمبریج شد. نبوغ او در ریاضیات، در دوران کودکی، خود را نشان داد و در بسیاری از حوزه‌ها به کار گرفته شد. او علاوه بر دست‌آوردهایش در گازها که منجر به پایه‌گذاری علم استاتیک شد، حسابی روی ترمودینامیک کار کرد و چندین فرمول بنیادی و اساسی را که موجب شهرتش شد، را عرضه کرد. بزرگ‌ترین موفقیت او کشف و فرمول بندی، تساوی عمومی الکترومغناطیس‌ها که در رابطه با تئوری نور و الکتریسیته بود، است. او اولین کسی بود که تشخیص داد نور از امواج الکترو مغناطیس تشکیل شده و شکل گیری امواج الکترو مغناطیسی امروزی را پیش بینی کرد. ماکسول به دلیل بیماریش برای چندین سال خانه نشین شد. او در سن ۳۰ سالگی، تقریباً بیشتر کارهایش را تکمیل کرده بود و در سن ۴۸ سالگی در گذشت. تعداد تئوریسین‌های برجسته‌ای که دنیا می‌شناسد، بسیار کم است و از ۱۰۰ تا هم تجاوز نمی‌کند و ماکسول هم یکی از همین نخبگان است. نبوغ او در حد نبوغ، نیوتون، انیشتن و جوسایا ویلارد گیبز است.