تعتبر الموجات الكهرومغناطيسية من الظواهر الفيزيائية الأساسية التي تلعب دورًا هامًا في حياتنا اليومية وفي مجالات متعددة من العلوم والتكنولوجيا حيث إن هذه الموجات هي نوع من أشكال الطاقة التي تنتقل عبر الفراغ أو وسط معين، وتتميز بتفاعلها مع مجالي الكهرباء والمغناطيسية، وفي هذا المقال عبر موقعكم مخزن سوف نساعدكم في تقديم بحث شامل لكم عن تلك الموجات.
الكهرومغناطيسية، أو كما يعرف بالإنجليزية بـ “Electromagnetism ، هي فرع من علوم الفيزياء يستكشف تأثير الشحنة الكهربائية من خلال دراسة القوى والحقول المتعلقة بالشحنة الكهربائية وتجمع الكهرومغناطيسية بين مجالي الكهرباء والمغناطيسية، وتشكل معًا تخصصًا فرعيًا يعرف باسم “علم الكهرومغناطيسية”، وفي القرون السابقة وحتى القرن التاسع عشر، كانت الكهرباء والمغناطيسية تدرس كعلمين منفصلين إلا أن العالم ألبرت آينشتاين قدم في أطروحته للنظرية النسبية الخاصة دليلاً قاطعًا على أن الكهرباء والمغناطيسية ليستا سوى جوانب مختلفة لظاهرة واحدة، وهي الكهرومغناطيسية.
تعريف المجال الكهرومغناطيسي
المجال الكهرومغناطيسي يعرف بالإنجليزية باسم “Electromagnetic Field”، وهو خاصية تظهر في الفراغ نتيجة لتحرك الشحنة الكهربائية، مما يسفر عن إنتاج مجال مغناطيسي مرتبط بها ينشأ المجال الكهرومغناطيسي نتيجة للتفاعل المتبادل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية، وفي ظروف معينة، يمكن وصف هذا المجال بأنه موجة تحمل الطاقة الكهرومغناطيسية وتتأثر الشحنة الكهربائية في هذا المجال المغناطيسي بقوة تعرف بقوة لورنتز (Lorentz Force)، وهي القوة التي تؤثر على الشحنة أثناء تحركها في مجال كهرومغناطيسي ويكون تأثير هذه القوة أكبر عندما تتحرك الشحنة بشكل عمودي إلى المجال المغناطيسي، بينما تلغى هذه القوة تمامًا إذا كانت حركة الشحنة متوازية للمجال المغناطيسي.
مفهوم الموجات الكهرومغناطيسية
إن مفهوم الموجات الكهرومغناطيسية يتعلق بالظواهر التي تنشأ نتيجة لتذبذب المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي تتشكل هذه الموجات عندما يتفاعل المجال الكهربائي مع المجال المغناطيسي، يتكاملان معًا ليشكلوا ما يعرف بالموجات الكهرومغناطيسية حيث يتعامد المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي لهذه الموجات على بعضهما ويكونان متعامدين على اتجاه الموجة الكهرومغناطيسية.
علم دراسة الكهرومغناطيسية
إن علم دراسة الكهرومغناطيسية يستكشف التفاعل بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي، وكيفية حدوث هذا التفاعل والظواهر المترتبة عليه، حيث تشمل هذه المجالات القوى الكهربائية والمغناطيسية، والتي تندرج تحت نطاق الكهرومغناطيسية. يعد هذا العلم جزءًا من القوى الأساسية في الطبيعة، حيث يظهر هذا التأثير في الفضاء حتى في غياب شحنة كهربائية أو تيار.
من خلال دراسة الكهرومغناطيسية، لوحظ أن المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي يمكن أن يتولد كل منهما بفعل الآخر. على سبيل المثال، عند تطبيق مجال مغناطيسي متغير، يمكن أن ينشئ مجالًا كهربائيًا، والعكس صحيح عند تطبيق مجال كهربائي متغير، حيث يتكون مجال مغناطيسي نتيجة لهذا التغيير.
تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بقدرتها على الانتقال بسرعة الضوء، وبالتالي، لا تحتاج إلى وسط ناقل ويمكنها التحرك عبر الهواء أو حتى عبر الفراغ يعتبر تصوير الموجات الكهرومغناطيسية على أنها موجات مستعرضة، حيث يتم وصفها بتردد وطول موجي محدد.
علماء طوروا من نظرية الموجات الكهرومغناطيسية
هنا عدد من العلماء قاموا بدراسة الكهرباء والمغناطيسية وسهموا في تقدم علم الكهرومغناطيسية حتى وصل إلى شكله الحالي وتلك الجهود المشتركة لهؤلاء العلماء ساهمت في تطور علم الكهرومغناطيسية وفهم الظواهر التي تنشأ نتيجة لهذا التفاعل المعقد بين الكهرباء والمغناطيسية ومن بين هؤلاء العلماء المساهمين ما يلي:
أندريه ماري أمبير (Andre Marie Ampere): عالم فيزياء فرنسي أسس علم الديناميكا الكهربائية، والمعروف الآن بالكهرومغناطيسية. قاد أمبير الجهود نحو تطوير نظرية رياضية وفيزيائية لفهم العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. وقام بتصوير تجاربه بصيغ رياضية، أبرزها قانون أمبير، الذي يتعلق بتأثير التيارات الكهربائية المتوازية.
هانز كريستيان أورستد (Hans Christian Orsted): عالم دنماركي فيزيائي وكيميائي، اكتشف أن التيار الكهربائي يمكنه أن يؤثر على إبرة البوصلة الممغنطة هذا الاكتشاف أدى إلى فهم أهمية العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، وشكل مصدر إلهام للعديد من العلماء الذين جاءوا بعده لتطوير نظرية الكهرومغناطيسية.
مايكل فارادي: هو عالم إنجليزي يعتبر أحد أعظم العلماء في القرن التاسع عشر، حيث ساهم بشكل بارز في تفهم الكهرومغناطيسية من خلال تجاربه المتعددة تم تسمية وحدة قياس السعة الكهربائية باسمه تكريمًا لإسهاماته الكبيرة في هذا المجالو تتمثل المساهمة الرئيسية لفارادي في إنتاج تيار كهربائي من مجال مغناطيسي، واختراع أول محرك كهربائي ودينامو كما أظهر العلاقة بين الكهرباء والترابط الكيميائي، واكتشف تأثير المغناطيسية على الضوء قدم أيضًا تجربة حول المغناطيسية المعاكسة، والتي تفسر سلوك بعض المواد في المجالات المغناطيسية القوية. فارادي أسس الأساس التجريبي والنظري لنظرية المجال الكهرومغناطيسي الكلاسيكية، والتي نقلها جيمس كلارك ماكسويل إلى مستوى نظرية متقدمة.
جيمس كليرك ماكسويل والطاقة الكهرومغناطيسية
هناك أيضًا عدد من العلماء الآخرين الذي قدموا إسهامات عديدة في هذا المجال ومنهم جيمس كليرك وفيما يلي سنتعرف على أسهاماته أكثر:
جيمس كليرك ماكسويل العالم الاسكتلندي المشهور بالرياضيات والفيزياء، صاغ نظرية الكهرومغناطيسية، ويعتبر من قبل معظم علماء الفيزياء المعاصرين كأحد أبرز علماء القرن التاسع عشر، حيث كان له تأثير هائل في فيزياء القرن العشرين.
أدخل مفهوم الإشعاع الكهرومغناطيسي وصاغ معادلات المجال المتعلقة به، مستنداً إلى الملاحظات التي قام بها مايكل فاراداي حول خطوط القوة الكهربائية والمغناطيسية هذه المعادلات لعبت دوراً هاماً في تأسيس الأسس لنظرية النسبية الخاصة لألبرت آينشتاين ومعادلة تكافؤ الكتلة والطاقة.
وكان لأفكار ماكسويل تأثير كبير في تطوير فيزياء الكم. تنبأت نظرية ماكسويل بأن الموجات الكهرومغناطيسية يمكن إنتاجها في المختبر، وهو ما أثبته هيرتز لاحقًا.
تعتبر معادلات ماكسويل الأربع وصفًا شاملاً لطرق توليد وتفاعل المجالات الكهربائية والمغناطيسية مع بعضها، وقام ماكسويل بالاعتماد على هذه المعادلات في وصف المجالات الكهرومغناطيسية.
تطبيقات على الكهرومغناطيسية
الكهرومغناطيسية تجد تطبيقاتها الواسعة في الحياة اليومية من خلال مجموعة متنوعة من الأجهزة والتقنيات حيث تظهر هذه التطبيقات كيف أصبحت الكهرومغناطيسية جزءًا حيويًا من حياتنا اليومية وكيف أسهمت في تحسين وتسهيل عدة جوانب من الحياة الحديثة إليكم بعض التطبيقات البارزة:
مجال الأجهزة المنزلية ولها أنواع عديدة منها:
مصابيح الفلورنست: تعتمد على مبدأ الكهرومغناطيسية في إنتاج الضوء.
أفران الميكرويف: تستخدم المجال الكهرومغناطيسي لتسخين الطعام بفعالية.
مكبرات الصوت: يعتمد توليد الصوت على التأثير الكهرومغناطيسي.
مجال التطبيقات الصناعية ومن أمثتلها:
المحركات والمولدات الكهربائية: تستند إلى مبدأ الكهرومغناطيسية في عمليات التحويل بين الطاقة الكهربائية والحركية.
الرافعات: يعتمد عملها على المجال الكهرومغناطيسي.
التطبيقات الطبية مثل:
جهاز الرنين المغناطيسي (MRI): يستخدم الكهرومغناطيسية لتوليد صور دقيقة للأنسجة داخل جسم الإنسان.
أجهزة الاتصالات: تستخدم جميع أنواع الاتصالات الحديثة الكهرومغناطيسية يتم نقل المعلومات عبر الموجات الكهرومغناطيسية، مثل الميكروويف وموجات الراديو، بين أجهزة الإرسال والاستقبال
أنواع الموجات الكهرومغناطيسية
أصناف الموجات الكهرومغناطيسية عديدة ومنها ما يلي :
موجات الراديو: تستخدم في الاتصالات اللاسلكية، وتشمل موجات الراديو التي تستخدم في البث الإذاعي والتلفزيون.
الأشعة تحت الحمراء: تعتبر غير مرئية للعين البشرية، وتُستخدم في تطبيقات مثل الأجهزة الحرارية والتصوير بالأشعة تحت الحمراء.
موجات الطيف المرئي: هي الموجات التي يمكن للعين البشرية رؤيتها وتشمل ألوان الطيف الضوئي المختلفة.
موجات الأشعة فوق البنفسجية: ذات طاقة أعلى من الضوء المرئي، وتُستخدم في تطبيقات مثل التعقيم والكشف عن المواد.
موجات الأشعة السينية: تمتلك طاقة عالية وتستخدم في التصوير الطبي وأبحاث الهياكل الدقيقة.
موجات أشعة غاما: ذات أعلى طاقة في الطيف الكهرومغناطيسي، وتستخدم في مجالات علم الفلك والبحث النووي.
