موجات كهرومغناطيسية (Electromagnetic Waves) تبعث الدوائر الكهربائية التي تحمل تيارات متذبذبة عالية التردد الطاقة على هيئة مجالين يعتمدان على بعضهما, أحدهما كهربائي والأخر مغناطيسي, ويميل جميع منهما على الأخر.

الفيزياء

تحتل الأمواج الكهرمغنطيسية مجالاً واسعاً يمتد من الموجات الراديوية والهرتزية، والتي هي أطولها موجة، إلى أشعة غاما g وهي أقصرها موجة. ويبين الشكل 2 تصنيف هذه الأمواج بدلالة الطول الموجي l في الخلاء مقدراً بالأمتار، وبدلالة تردداتها مقدرة بالهرتز. ويظهر في هذا الشكل الاشتراك في الطول الموجي.

تصنيف الموجات الكهرمغنطيسية بدلالة طول الموجة l في الخلاء مقدراً بالأمتار

إن الأمواج الكهرمغنطيسية، بأصنافها كلها، تتفق فيما بينها بالخواص العامة للأمواج (الانتشار، والانعكاس، والانكسار، والتداخل، والانعراج، والاستقطاب وغيرها). ويمكن استنتاج هذه الخواص من معادلات ماكسويل. ولكن أصناف الأمواج الكهرمغنطيسية تختلف فيما بينها من حيث مصدرها ومنشؤها ومن حيث كشفها. فالأمواج الراديوية والهرتزية تولدها هزَّازات إلكترونية أوحركة الجسيمات المشحونة في حقول مغنطيسية، والضوء المرئي وغير المرئي تولده الأجسام المتوهجة والغازات المتأينة (المتشردة) وينشأ عن تغير في حالات الطاقة للذرات والجزيْئات، والأشعة السينية تنشأ عن اصطدام إلكترونات سريعة ذات طاقة عالية بمادةٍ ما في شروط معينة، وأشعة غاما تصدر تلقائياً من العناصر ذات النشاط الإشعاعي وتنشأ عن تفكك disintegration هذه العناصر.

نبذة تاريخية

في عام 1864م تسقط العالم الفيزيائي البريطاني كلارك ماكسويل وجود الموجات الكهرومغنطيسية. افترض ماكسويل حتى المجالين المغنطيسي والكهربائي يعملان سويًا على إنتاج طاقة إشعاعية. وعهد الضوء على أنه أحد أنواع الموجات الكهرومغنطيسية كما تسقط وجود موجات غير مرئية.

وفي عام 1887م أكد عالم الفيزياء الألماني هينريتش هرتز ما تسقطه ماكسويل. فقد بيّن حتى تذبذب شحنة كهربائية تنتج عنه موجات كهرومغنطيسية أطول بكثير من موجات الضوء المرئي. وقد قاد اكتشاف هرتز هذا إلى تطوير المذياع والتلفاز.

المجال المغناطيسي المتغير يولد المجال الكهربائي, كما حتى المجال الكهربائي المتغير يولد المجال المغناطيسي.

الإشعاع يتكون من موجات كهرومغناطيسية تتحرك في الفضاء بسرعة الضوء أي بسرعة 299796 مليون متر في الثانية أوبسرعة 186284 ميل في الثانية.

أثبت العالم فرداي بالتجربة العلاقة بين الظاهرتين المغناطيسية والكهربائية, كما أفترض العالم جيمس ماكسويل وجود الموجات الكهرومغناطيسية وأن لها طبيعة مماثلة لطبيعة الضوء, وأن الموجات الضوئية هي على صورة الموجات الكهرومغناطيسية.

أثبت العالم هرتز بالتجربة هذه النظرية الرياضية البحتة بعد سبعة سنوات من وفات ماكسويل.

سرعة الإنتشار

الموجة الكهرمغنطيسية electromagnetic waves هي انتشار اضطراب الحقل الكهربائي المصحوب باضطراب الحقل المغناطيسي . ويكون الحقلان متعامدين فيما بينهما وعموديين على منحى الانتشار propagation (الشكل 1).

وتنتشر الموجة بسـرعة V، تعطى بالعلاقة

حيث Î السماحية permetivity الكهربائية للوسط، وm: نفوذيته permeability المغناطيسية، وتبلغ سرعة انتشار الموجة في الخلاء C= 3×⁸10 متر/ثانية. والموجة الكهرمغناطيسية عرضانية (منحى الاهتزاز فيها عمودي على منحى الانتشار)، فهي لذلك تُسْتَقْطَب بخلاف الأمواج الطولانية (الأمواج الصوتية) التي لا تقبل الاستقطاب.

وللأمواج الكهرمغنطيسية ما يميز الأمواج عامة، فالطول الموجيl هوالمسافة الخطية التي تبترها الموجة (الحقلان→E و→H معاً) في الزمن اللازم للقيام باهتزازة كاملة والذي يسمى الدور T، أي حتى l=VT حيث V: سرعة انتشار الموجة الكهرمغنطيسية في الوسط المعتبر. أما تردد (تواتر) الموجة الكهرمغنطيسية فهوعدد الاهتزازات في واحدة الزمن (الثانية)، أي حتى

طاقة الأمواج الكهرمغنطيسية

إذا كان الحقل الكهربائي في نقطة ما يساوي E وكان الحقل المغنطيسي يساوي H، فإن الطاقة الكهرمغنطيسية W في واحدة الحجوم تعطى بالعلاقة التالية: w= Î E2 ولما كان:

أمكن حتى يخط أيضاً

إن هذه الطاقة ترافق الحقلين →Eو→H، فهي إذاً تنتقل بسرعتهما C في الخلاء. لهذا يمكن حتى تُمثَّل اتجاهياً باستعمال متجه بويْنتِنْغ Poynting، وهو

→P = →E´ →H و، باستقامة C وبالاتجاه نفسه. وينتج من ذلك أن:

إن هذا التمثيل الموجي للطاقة غير كاف لتفسير جميع الظواهر المتصلة بالأمواج الكهرمغنطيسية ولاسيما الظاهرة الكهربائية الضوئية. فهذه الظاهرة لا يمكن تفسيرها إلا على أساس من حتى الضوء يتكون من جسيمات (فوتونات) إذا اصطدمت بمادة ما في شروط معينة، اقتلعت منها بعض إلكتروناتها، لذلك ينبغي حتى يُشرَك مع هذا التمثيل تمثيل مكمم quantised، أي حتى تجزأ الطاقة إلى حبيبات هي الفوتونات، حيث ينقل جميع فوتون منها طاقة تساوي e = hf، ويدل f على تردد الموجة الكهرمغنطيسية وh على ثابت بلانك.

الطيف الكهرومغنطيسي

يتكون من نطاقات من الأطوال الموجية المتنوعة. وأهم أنواع الموجات الكهرومغنطيسية مرتبة ترتيبًا تصاعديًا حسب الطول الموجي هي أشعة جاما، فالأشعة السينية، فالضوء فوق البنفسجي، فالضوء المرئي فالأشعة تحت الحمراء، فالموجات المتناهية الصغر، ثم موجات الراديو. ويبلغ طول أشعة جاما حوالي10-11 م بينما يبلغ طول بعض موجات الراديوالطويلة أكثر من 10,000كم.

ولكل أنواع الموجات الكهرومغنطيسية خواص الضوء المرئي. فهي تنعكس وتنتشر وتنكسر. ويكون اتجاه المغنطيسية في جميع الموجات الكهرومغنطيسية عموديًا على اتجاه حركتها، بينماقد يكون اتجاه القوة الكهربائية عموديًا على اتجاه القوة المغنطيسية واتجاه حركة الموجات. وتساوي شدة القوة المغنطيسية دائمًا شدة القوة الكهربائية.

استخدامات الموجات الكهرومغنطيسية

يستخدم الأطباء أشعة جاما، التي يشعها الراديوم، في علاج السرطان. ويستخدمون كذلك الأشعة السينية لعلاج السرطان، كما يستخدمونها في تحديد مكان الاضطرابات الداخلية وتشخيصها. وتُستخدم الأشعة فوق البنفسجية في المصابيح الشمسية، وفي المصابيح الفلورية، وكمطهر. أما الموجات تحت الحمراء، التي تنبعث من الأجسام الساخنة، فتُستخدم في علاج الأمراض الجلدية، وصقل المينا. وتستخدم موجات المايكروويف؛ أي الموجات المتناهية الصغر، لطهوالطعام، بينما تُستخدم موجات الراديوفي الإذاعة المسموعة والمرئية.

ويعتمد الاستخدام التقني للموجات الكهرومغطيسية على السهولة التي يمكن بها التعهد على الأطوال الموجية المتنوعة وإنتاجها. ويرتبط الطول الموجي بمعدل اهتزاز الإلكترونات في مصدر الطاقة، فحدثا كان الاهتزاز أبطأ ازداد الطول الموجي. وأسهل الموجات إنتاجًا هي الموجات الطويلة. وقد بدأ استخدام موجات الراديوفي الاتصالات في أوائل القرن العشرين، ولم يحدث استغلال فعّال للموجات القصيرة إلا بعد تطوير بعض النبائط كالكلايسترون وهونوع من أنواع صمامات الموجات الدقيقة انظر: الصمام المفرغ. وقد أدى تطوير الليزر في أوائل الستينات من القرن العشرين إلى استخدامات جديدة للموجات القصيرة. عملى سبيل المثال، يمكن الليزر الأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء من نقل الرسائل الصوتية والإشارات التلفازية.

انظر ايضا

مصادر

الموسوعة المعهدية الكاملة

• Hecht, Eugene (2001). Optics (4th ed.). Pearson Education. ISBN .
• Serway, Raymond A. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. ISBN . Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. ISBN .
• Reitz, John (1992). Foundations of Electromagnetic Theory (4th ed.). Addison Wesley. ISBN . Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). John Wiley & Sons. ISBN .
• Allen Taflove and Susan C. Hagness (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers. ISBN .

مراجع للإستزادة

• إلياس أبوعسلي، الإلكتروديناميك (مطبوعات جامعة دمشق 1970).
• أدهم السمان، الكهرمغنطيسية (مطبوعات جامعة دمشق 1980).

وصلات خارجية

• Electromagnetism - a chapter from an online textbook
• Electromagnetic Radiation - an introduction for electrical engineers
• on Project PHYSNET.
• Radiation of atoms? e-m wave, Polarisation, ...