مفاهیم پایه الکترودینامیک
الکترودینامیک یکی از مباحث پایه فیزیک است که در آن، تغیرات حرکت الکتریکی در ماده بررسی می‌شود. تحلیل الکتریکی و مغناطیسی سیستم ها و ارتباط آنها عنوان اصلی این رشته است. در این مبحث، دو نوع بار الکتریکی، مثبت و منفی وجود دارند که توانایی جذب یا دفع یکدیگر را دارند. در حالتی که بار شارژ بارهای مختلف در محل ستون هم قرار گرفتند، یک میدان الکتریکی به وجود می‌آید.
فیزیک دینامیک الکتریکی، مسائلی را بررسی می‌کند که در آن، نیروی الکتریکی بر اشیاء اثر می‌گذارد. اجزای الکتریکی (برخی تراشه‌های پردازنده مانند، تلفن همراه، پخش کننده‌ی دیجیتال) از میدان الکتریکی بسیار قوی استفاده می‌کنند. تفاوت بین الکترون‌های موجود در مواد همراه با رشته‌هایی که از طریق آن تغییرات زیادی رخ می‌دهد، توضیح داده شده است. الکترودینامیک، با توجه به فیزیک مغناطیسی، عنوان می‌کند که هنگامی که یک بار الکتریکی در حرکت است، چگونه یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود.
ایده اصلی در الکترودینامیک، تبدیل حرکت الکترون به انرژی مغناطیسی و از طریق آن به انرژی، مثل تولید برق صنعتی است. استفاده از انرژی مغناطیسی در تولید قطعات الکتریکی، برای مثال تولید میکروفن یا بلندگو، یکی از کاربردهای مهم این مطالعه است. در کل، در این مبحث، سایر مسائل فیزیک مانند تعامل بین نیروی الکتریکی و مغناطیسی و نحوه‌ی شکل گیری میدان الکتریکی در هوا و جو، بررسی می‌شوند.
قوانین فیزیکی الکترودینامیک
الکترودینامیک یکی از شاخه‌های علمی فیزیک است که به پژوهش دربارهٔ رفتار برق است. قوانین فیزیکی الکترودینامیک، قوانینی هستند که برای توصیف رفتار برق در فیزیک استفاده می‌شوند. این قوانین بر پایهٔ برهان‌هایی مثل برهان ماکسول، برهان گاوس و برهان امپره تشکیل شده‌اند.
برهان ماکسول، یکی از برهان‌های پایه‌ای الکترودینامیک است که به توصیف تغییرات میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در فضا می‌پردازد. طبق این برهان میدان الکتریکی متناوب با یک میدان مغناطیسی هم سازگار است و برعکس. به عبارت دیگر، تغییرات میدان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند و تغییرات میدان مغناطیسی نیز یک میدان الکتریکی را تولید می‌کند.
برهان گاوس، دستورالعملی برای توصیف توزیع بار الکتریکی در فضا است. طبق این برهان، چگالی بار الکتریکی در هر نقطه از یک فضا، برابر با تغییر میدان الکتریکی در آن نقطه برابر است.
برهان امپره، به شهودی کمک می‌کند تا از نحوهٔ تولید میدانهای مغناطیسی توسط جریان‌های برقی در فضا، برای فهمیدن رفتار میدانهای الکتریکی استفاده شود.
در کل، قوانین فیزیکی الکترودینامیک به ما کمک می‌کنند، تا به درستی رفتار برق را در فیزیک توصیف کنیم. داشتن دانش کامل دربارهٔ قوانین فیزیکی الکترودینامیک، برای انجام پژوهش‌های کاربردی، مانند ساخت و توسعهٔ سیستم‌های برقی، از اهمیت بالایی برخوردار است.
روش‌های حل مسائل الکترودینامیک
الکترودینامیک یکی از مهم‌ترین حوزه‌های فیزیک است که در آن به بررسی رفتار الکترون‌ها و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در نیمه‌های رسانا می‌پردازیم. در حل مسائل الکترودینامیک باید با استفاده از قوانین فیزیکی مربوط به این حوزه، مشکلات مختلف را حل کرد. در ادامه به بیان چند روش مهم برای حل مسائل الکترودینامیک پرداخته‌ایم.
روش میدان: در این روش، با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، موقعیت هر یک از ذرات باردار را مشخص می‌کنیم. برای مثال، با مشخص شدن منابع میدان الکتریکی، می‌توانیم شدت و جهت آن را در هر نقطه از فضا پیدا کنیم. در مجموع، میدان مغناطیسی و الکتریکی ما را به شکل دقیقی درباره توزیع ذرات باردار و رفتار آنها در هر نقطه از فضا مطلع می‌سازد.
روش همبستگی: در این روش، حالت ذرات باردار را با استفاده از تابع موجی که توسط آن تعیین می‌شود، مشخص می‌کنیم. تابع موج توسط معادلات شروینگر حاصل می‌شود که به صورت طیفی نشان می‌دهد کدام یک از حالات مجاز برای ذرات باردار است. با انجام محاسبات، می‌توانیم رفتار ذرات باردار را در هر حالتی که تابع موج آنها را توصیف می‌کند، پیش‌بینی کنیم.
روش میدانهای فاصله‌ای: در این روش، میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در دو نقطه‌ی مجاور از فضا را بررسی می‌کنیم. با استفاده از قوانین فیزیکی مربوط به الکترودینامیک، مقدار و جهت میدان‌ها در این دو نقطه را تعیین می‌کنیم. برخلاف روش میدان، در این روش می‌توانیم به دقت میدانهای موجود در هر نقطه از فضا را تعیین کنیم.
با توجه به بیان روش‌های مختلف در حل مسائل الکترودینامیک، می‌توان نتیجه گرفت که هر روش برای حل یک مسئله خاص می‌تواند مفید باشد. بهتر است برای هر مسئله خاص، از شیوه‌ی مناسبی برای حل آن استفاده کنیم. علم الکترودینامیک همواره یکی از زمینه‌هایی است که موضوع مطالعه برای فیزیک‌دانان برجسته و ماهر محسوب می‌شود و برای پاسخ گویی به سوالات پیچیده‌ای که در این زمینه بوجود می‌آیند، روش‌های مختلفی در دسترس هستند.
پدیده های الکترودینامیک ساختارهای فیزیکی
پدیده های الکترودینامیک ساختارهای فیزیکی به مسائلی اشاره دارد که در آن ها الکتریسیته و مغناطیسیته در ارتباط با یکدیگر قرار دارند. این پدیده ها بر روی ساختارهای فیزیکی همچون اتم، مولکول، بلور، مایعات و گازهای پلاسما تأثیر می گذارند.
یکی از پدیده های الکترودینامیک ساختارهای فیزیکی، به وجود آمدن جریان الکتریکی است. وقتی یک میدان مغناطیسی به یک هادی اعمال شود، بارهای الکتریکی در جهت قویای میدان تحرک کرده و جریان الکتریکی به وجود می آید. این پدیده همچنین برای ساختن ترانسفورماتور، موتورهای الکتریکی و دستگاه های الکتریکی دیگر استفاده می شود.
بسیاری از پدیده های الکترودینامیک ساختارهای فیزیکی به این دلیل است که بخش مغناطیسی هر میدان الکتریکی بدلیل حرکت ذرات بار الکتریکی، تأثیر مستقیمی بر روی این ذرات دارد. برای مثال، هنگامی که یک الکترون به سرعت به دور یک هسته حرکت می کند، انتشار یک موج الکتریکی به وجود می آید که باعث تولید یک میدان مغناطیسی می شود. این میدان مغناطیسی همچنین تأثیر مستقیمی بر روی حرکت الکترون خواهد داشت. این تأثیرات ، باعث تشکیل پدیده هایی مانند پدیده لورنتز و تولید آنتن الکتریکی می شود.
پدیده های الکترودینامیک ساختارهای فیزیکی عرصه ی تحقیقات بسیاری از دانشمندان و محققان را در سراسر جهان در بر می گیرد. این پدیده ها نقش مهمی در توسعه دستگاه های الکتریکی، فناوری اطلاعات و ارتباطات، انرژی های نو و ... بازی می کنند. به همین دلیل، مطالعه و آشنایی با مفاهیم و پدیده های الکترودینامیک ساختارهای فیزیکی، دغدغه بسیاری از دانشجویان محقق در زمینه های مختلف فیزیک، مهندسی برق و الکترونیک و نیز صنایع مرتبط با آنها به شمار می روند.
کاربرد الکترودینامیک در زیست‌شناسی
الکترودینامیک و زیست‌شناسی دو حوزه متفاوت هستند، با این حال الکترودینامیک به عنوان علم مهمی در زیست‌شناسی نقش زیادی دارد. الکترودینامیک به بررسی پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی در سیستم‌های عامل در محیط زیست می‌پردازد. بسیاری از پدیده‌های ایجاد شده توسط یون‌ها، الکترون‌ها و سایر مواد باردار در سیستم‌های زیستی قابل بررسی و توضیح با استفاده از الکترودینامیک هستند.
در زیست‌شناسی، الکترودینامیک در بسیاری از حوزه‌ها مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال، در تصویربرداری پزشکی از روش‌هایی مانند نوار مغز و تصویربرداری کامپیوتری با استفاده از پرتوهای X، گام‌های الکترودینامیکی در تشخیص بیماری بسیار مهم هستند.
علاوه بر تصویربرداری پزشکی، الکترودینامیک در بررسی حرکت سلول‌های زنده نیز مهم است. مراحل مختلف حرکت و تعامل سلول‌ها، از جمله جذب و ترکیب قطبی و نیز انتقال سیگنال‌های الکتریکی، می‌توانند با استفاده از الکترودینامیک و مبانی الکتروفیزیولوژی مورد بررسی قرار گیرند.
بطور کلی، کاربرد الکترودینامیک در زیست‌شناسی به دلیل قابلیت بسیار پویای آن در بررسی پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی در سیستم‌های زیستی، از اهمیت بالایی برخوردار است. این علم می‌تواند در بررسی بسیاری از پدیده‌های بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی در سیستم‌های زیستی مانند بافت‌ها، سلول‌ها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک موثر باشد.
الکترودینامیک کوانتومی و نانوتکنولوژی
الکترودینامیک کوانتومی و نانوتکنولوژی دو حوزه پرکاربردی هستند که به تحقیقات بسیار زیادی در جهت بهبود فناوری و ایجاد مصرف بیشتر از انرژی های قابل استخراج از منابع طبیعی و بهینه سازی فرآیندهای تولید و انتقال انرژی، می‌پردازند.
الکترودینامیک کوانتومی، به کار بردن تئوری کوانتوم و نظریه الکترودینامیک در اندازه های مولکولی و اتمی، می‌باشد. در این حوزه، رفتار و عملکرد هر اتم و مولکول با توجه به فیزیک کوانتومی در بررسی قرار میگیرد. این حوزه به تحلیل و بررسی رفتار الکترون‌ها و فوتون ها با استفاده از تئوری های کوانتوم می‌پردازد. الکترودینامیک کوانتومی در پژوهش های نانو تکنولوژی، اپتیک، الکترونیک و نور پزشکی، برای بهبود و افزایش کارایی سامانه‌ها به کار می‌رود.
نانوتکنولوژی هم، حوزه دیگری است که به تحقیقاتی در مورد مواد و ساخت سازه‌های نانو می‌پردازد. این حوزه شامل بررسی ابعادی کوچکتر از 100نانومتر است، درواقع به عنوان پایه دانش ماده است. برای تولید مواد نانوتکنولوژی، فنون مختلفی از جمله نانو اپتیکال، نانوالکترونیک، نانو مکانیک و نانو فیزیک به کار گرفته می‌شوند و با ترکیب الکترودینامیک کوانتومی، این فناوری در حوزه های مختلف از جمله داروسازی، پوشش‌دهی، تجهیزات الکترونیکی، تولید وسایل علمی و منتظره برای پئوستن به صنایع مختلف به کار می‌رود.
در پایان، می‌توان گفت که با ترکیب الکترودینامیک کوانتومی و نانوتکنولوژی، توسعه مواد زیادی پیدا کرده است و در برخی موارد سامانه‌های با کارایی بیشتری به وجود آورده است. برای رونق این بخش، تحقیقات بیشتری در هر دو حوزه الزامی است.