العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية

الكهرباء والمغناطيسية هما ظاهرتان منفصلتان ومترابطتان، وهما يترابطان بالقوة الكهرومغناطيسية معا، ويشكلان الأساس للكهرومغناطيسية، وهي تخصص رئيسي في الفيزياء.

وباستثناء السلوك بسبب قوة الجاذبية ، فإن كل حدث تقريبًا في الحياة اليومية ، ينبع من القوة الكهرومغناطيسية ، وهي مسؤولة عن التفاعلات بين الذرات ، والتدفق بين المادة والطاقة ، والقوى الأساسية الأخرى هي القوة النووية الضعيفة ، والقوية ، التي تحكم التحلل الإشعاعي ، وتشكيل نوى ذرية.

المبادئ الأساسية للكهرباء

الكهرباء هي الظاهرة المرتبطة بتواجد شحنات كهربائية ساكنة أو متحركة، ويمكن أن يكون مصدر تلك الشحنة الكهربائية جسيما أوليا مثل الإلكترون الذي يحمل شحنة سالبة، أو البروتون الذي يحمل شحنة موجبة، أو أيون، أو أي جسم آخر يحمل اختلالا في الشحنة الإيجابية أو السالبة. تجتذب الشحنات الإيجابية والسالبة بعضها البعض، مثل جذب البروتونات للإلكترونات، في حين يتنافر الشحنات مع بعضها البعض، مثل طرد البروتونات لبعضها البعض وكذلك الإلكترونات لبعضها البعض.

تشمل الأمثلة المألوفة للكهرباء البرق والتيار الكهربائي الناتج من مأخذ أو بطارية. تشمل الكهرباء الساكنة وحدات SI المعتادة مثل الأمبير للتيار، والكولوم للشحنة الكهربائية، والفولت لفرق الجهد، والأوم للمقاومة، والواط للطاقة. تحتوي الشحنة النقطية على مجال كهربائي، ولكن عند تشغيل الشحنة، تولد أيضا مجالا مغناطيسيا.

المبادئ الأساسية للمغناطيسية

تعرف المغناطيسية بأنها الظاهرة الفيزيائية التي تنتج عن تحرك الشحنة الكهربائية، كما يمكن للمجال المغناطيسي أن يحفز الجزيئات المشحونة على الحركة ما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي، وتتضمن الموجة الكهرومغناطيسية (مثل الضوء) مكونات كهربائية ومغناطيسية ينتقلان في نفس الاتجاه، لكنهما موجهان بزاوية قائمة (90 درجة) لبعضهما البعض.

تشبه الكهرباء، تنتج التأثيرات المغناطيسية قوة جذب وقوة اندفاع بين الأشياء. بينما تعتمد الكهرباء على الشحنات الموجبة والسالبة، لا يوجد قطب مغناطيسي معروف واحد، وأي جسم مغناطيسي له قطب شمالي وجنوبي. يتم توجيه الاتجاهات استنادا إلى اتجاه المجال المغناطيسي للأرض. على سبيل المثال، يتنافر الأقطاب المغناطيسية المتشابهة (على سبيل المثال، القطب الشمالي ينافر القطب الشمالي)، بينما تجذب الأقطاب المتضادة بعضها البعض (القطب الشمالي والجنوبي يجتذبان بعضهما).

وتشمل الأمثلة المألوفة على المغناطيسية تفاعل إبرة البوصلة مع المجال المغناطيسي للأرض ، وجذب وتنافر مغناطيس القضيب ، والمجال المحيط بالمغناطيسات الكهربائية ، ومع ذلك فإن كل شحنة كهربائية متحركة لها مجال مغناطيسي ، لذلك تنتج إلكترونات المدارات للذرات مجالًا مغناطيسيًا ، هناك مجال مغناطيسي مرتبط بخطوط الطاقة ، وتعتمد الأقراص الصلبة ومكبرات الصوت على المجالات المغناطيسية للعمل ، كما تشمل وحدات SI الرئيسية للمغناطيسية تسلا (T) لكثافة التدفق المغناطيسي ، ويبر (Wb) للتدفق المغناطيسي ، أمبير لكل متر (A / m) لشدة المجال المغناطيسي.

دراسة الكهرباء والمغناطيسية

على الرغم من أنها كانت تعتبر بظواهر متميزة حتى القرن التاسع عشر، فإن الكهرباء والمغناطيسية معروفتان اليوم كمكونات للمجال الكهرومغناطيسي الموحد، وتتفاعل الجسيمات المشحونة بالشحنة الكهربائية بواسطة القوة الكهربائية، في حين تستجيب الجسيمات المشحونة المتحركة للقوى المغناطيسية.

تتصرف العديد من الجسيمات غير الذرية، بما في ذلك الإلكترون والبروتون المشحون كهربائيا والنيوترون غير المشحون كهربائيا، بطريقة تشبه المغناطيس الأولي. وعلى الجانب الآخر، رغم البحث المنتظم، لم يتم العثور على أقطاب مغناطيسية أحادية، والتي تشبه الشحنات الكهربائية المغناطيسية.

المبادئ الأساسية للكهرومغناطيسية

يأتي مصطلح `الكهرومغناطيسية` من مزيج من المصطلحات اليونانية `elektron` التي تعني الكهرمان، و`magnetis lithos` التي تعني الحجر المغنيسي، وهو خام حديد مغناطيسي. وكان الإغريق القدماء يعرفون جيدا بالكهرباء والمغناطيسية، إلا أنهم اعتبروهما ظاهرتين منفصلتين.

ولم يتم وصف العلاقة المعروفة باسم الكهرومغناطيسية ، حتى نشر جيمس كلارك ماكسويل مقالة عن الكهرباء والمغناطيسية في عام 1873م ،  تضمن عمل ماكسويل عشرين معادلة مشهورة ، تم تكثيفها منذ ذلك الحين إلى أربع معادلات تفاضلية جزئية ، والمفاهيم الأساسية التي تمثلها المعادلات هي كما يلي:

1- مثل حجب التيارات الكهربائية، وعلى عكس التيارات الكهربائية، فإنها تجذب وقوة الجذب أو الابتعاد تتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.

توجد الأقطاب المغناطيسية دائمًا كأزواج بين الشمال والجنوب، مثل الأعمدة التي تتنافر وتجذب بشكل متعاكس.

3- يولد التيار الكهربائي في سلك مجالًا مغناطيسيًا ، حول السلك ، يعتمد اتجاه المجال المغناطيسي (في اتجاه عقارب الساعة ، أو عكس اتجاه عقارب الساعة) على اتجاه التيار،  هذه هي (قاعدة اليد اليمنى) ، حيث يتبع اتجاه المجال المغناطيسي أصابع يدك اليمنى ، وإذا كان إبهامك يشير في الاتجاه الحالي.

عند تحريك حلقة من السلك نحو مجال مغناطيسي أو بعيدًا عنه، يتولد تيار في السلك، ويتوقف اتجاه هذا التيار على اتجاه الحركة.

نظرية ماكسويل تعارضت مع ميكانيكا نيوتن، ولكن التجارب أثبتت صحة معادلات ماكسويل، وتم حل النزاع في النهاية من خلال نظرية آينشتاين للنسبية الخاصة. 

بصريات

ولأن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية ، يمكن اعتبار انتشار الضوء مجرد فرع من الكهرومغناطيسية ، ومع ذلك يتم التعامل معها عادةً كموضوع منفصل ، يسمى البصريات ، ويُعرف الجزء الذي يتعامل مع تتبع أشعة الضوء بالبصريات الهندسية ، في حين أن الجزء الذي يعالج ظواهر الموجة المميزة للضوء ، يسمى البصريات الفيزيائية.

في الفترة الأخيرة، تم تطوير فرع جديد وحيوي في البصريات الكمومية يهتم بنظرية وتطبيقات الليزر، ويقوم هذا الجهاز بإنتاج شعاع متماسك ومكثف من الإشعاع أحادي الاتجاه، والذي يستخدم في العديد من التطبيقات.

ويوصف بصريات الشعاع تشكيل الصور بواسطة العدسات ، المجاهر ، التلسكوبات ، والأجهزة البصرية الأخرى ، والتي تفترض أن مرور الضوء يمكن أن يمثله خطوط مستقيمة ، أي الأشعة ، ومع ذلك  فإن التأثيرات الدقيقة التي تعزى إلى خاصية الموجة للضوء المرئي ، تتطلب تفسيرات للبصريات الفيزيائية.

وأحد التأثيرات الموجية الأساسية هو التداخل ، حيث تتحد موجتان موجودتان في منطقة من الفضاء عند نقاط معينة ، للحصول على تأثير ناتج محسّن ، (على سبيل المثال ، قمم الموجات المكونة تضاف معًا) ،  وفي الطرف الآخر ، يمكن أن تلغي الموجتان بعضهما البعض ، وتملأ قمم موجة واحدة أحواض أخرى.

تؤدي الموجة الأخرى إلى الحيود، حيث ينتشر الضوء في مناطق الظل الهندسي، مما يسبب ضبابيةً في الصورة التي ينتجها أي جهاز بصري، ويعتمد ذلك على طول موجة الضوء.

يمكن استخدام أدوات بصرية مثل مقياس التداخل وصريفالحيود لقياس طول الموجة للضوء بدقة تصل إلى حوالي 500 ميكرومتر، ويمكن استخدامها أيضًا لقياس المسافات الصغيرة في هذا الطول.