الموجات الكهرومغناطيسية
الإشعاع الكهرومغناطيسي هو شكل من أشكال الطاقة المنبعثة من حركة الجسيمات المشحونة، أثناء انتقالها عبر الفضاء، ويتصرف كموجة، وله مكون كهربائي ومكون مغناطيسي متذبذب، وتتأرجح هذه الموجات عموديا ومتوافقة مع بعضها البعض. وينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفضاء بطريقة عرضية ذاتية الانتشار من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة، حيث يشير اللون الأزرق إلى اتجاه المجال الكهربائي، واللون الأحمر إلى اتجاه المجال المغناطيسي، وتنتشر الموجة في اتجاه x الموجب.
لذلك تكون الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات تنشأ نتيجة للاهتزازات بين مجال كهربائي ومجال مغناطيسي ، وتتشكل الموجات الكهرومغناطيسية عندما يتلامس مجال كهربائي مع مجال مغناطيسي ، ومن ثم فهي تعرف باسم الموجات “الكهرومغناطيسية” ، المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية متعامدين (بزوايا قائمة) مع بعضهما البعض ، كما أنها متعامدة مع اتجاه الموجة الكهرومغناطيسية.
طرق إنتاج الموجات الكهرومغناطيسية
إذا كنت ترغب في معرفة كيفية إنتاج موجات كهرومغناطيسية، فإن الموجات الكهرومغناطيسية هي عبارة عن مزيج من موجات المجال الكهربائي والمغناطيسي الناتجة عن حركة الشحنات، وتتكون من موجات مجال كهربائي ومغناطيسي. يتم توليد هذه الموجات بواسطة جسيمات مشحونة تتحرك بشكل متذبذب، مما ينتج عنه مجالات كهربائية ومغناطيسية متذبذبة
وبمجرد الحركة ، فإن المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي يخلقها الجسيم المشحون تكون ذاتية الاستمرارية ، والتغيرات المعتمدة على الوقت في أحد المجالات (الكهربائية أو المغناطيسية) تنتج الآخر ، ويبدأ تكوين جميع الموجات الكهرومغناطيسية بجسيم مشحون ، هذا الجسيم المشحون يخلق مجالًا كهربائيًا (يمكن أن يمارس قوة على الجسيمات المشحونة القريبة الأخرى) ، عندما يتسارع كجزء من حركة تذبذبية ، ينتج عن الجسيم المشحون تموجات أو اهتزازات في مجاله الكهربائي ، وينتج أيضًا مجالًا مغناطيسيًا (كما تنبأت معادلات ماكسويل).
هذا يعني أن المجال الكهربائي الذي يتأرجح بمعدل زمني ينتج مجالا مغناطيسيا، وأن المجال المغناطيسي الذي يتغير بمعدل زمني ينتج مجالا كهربائيا. يتذبذب المجالان الكهربائي والمغناطيسي في الموجة الكهرومغناطيسية مع مرور الوقت، ويؤدي أحدهما إلى تغيير الآخر. تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في كل مكان بشكل طبيعي (مثل الضوء) وتستخدم في التكنولوجيا الحديثة، مثل الراديو AM و FM، والهواتف اللاسلكية والخلوية، وفتحات أبواب المرآب، والشبكات اللاسلكية، والرادار، وأفران الميكروويف، وغيرها. تستخدم هذه الأجهزة وغيرها العديد من الموجات الكهرومغناطيسية لنقل البيانات والإشارات. ويوضح ذلك الفرق بين الموجات الكهرومغناطيسية والموجات الميكانيكية
أهم خصائص الموجات الكهرومغناطيسية
للموجات الكهرومغناطيسية العديد من الخصائص. فيما يلي سنتعرف على سلوك هذه الموجات وأهم خصائصها
- تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عرضيًا عن طريق تغيير المجالين الكهربائي والمغناطيسي بحيث يكون المجالان متعامدين على بعضهما البعض.
- الشحنات المتسارعة هي المسؤولة عن إنتاج الموجات الكهرومغناطيسية.
- تتحرك الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة ثابتة في الفراغ، وتكاد تكون سرعتها تساوي 3 × 10^8 متر في الثانية، والقيمة المستخدمة لتمثيلها هي ج = 1/√με.
- لا يحتاج انتشار الموجات الكهرومغناطيسية إلى وسط مادي للانتقال.
- الخاصية الأساسية للموجة الكهرومغناطيسية هي ترددها، حيث تبقى تردداتها ثابتة ولكن طول موجتها يتغير عندما تنتقل الموجة من وسط إلى آخر.
- يُعطى معامل الانكسار للمادة من خلال: ن = √ميكرومترصϵص
- الموجة الكهرومغناطيسية تتبع مبدأ التراكب .
- يعرف المتجه الضوئي (المعروف أيضًا باسم المتجه الكهربائي) بأنه السبب الرئيسي لتأثيرات الضوء بسبب الموجة الكهرومغناطيسية.
- في الموجة الكهرومغناطيسية، يتذبذب المجالان الكهربائي والمغناطيسي في نفس المرحلة، وتكون لأحجامهما نسبة ثابتة، وتساوي نسبة اتساع المجالات الكهربائية والمغناطيسية سرعة الموجة الكهرومغناطيسية، والتي تمثلها الثابتان ه٠ وب٠، ويمكن تمثيل ذلك بالمعادلة ج = ه٠ب٠
- تتم نقل الطاقة عن طريق المجالات الكهربائية والمغناطيسية للموجات الكهرومغناطيسية بشكل متساوٍ، أي أن الطاقة الكهربائية والطاقة المغناطيسية يتم نقلهما بنفس القدر.
- هناك كمية متجهة س، يسمى متجه Poynting الذي يمثل الطاقة المنقولة بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية في الثانية لكل وحدة مساحة ، س→ = 1ميكرومتره→ × ب.
أنواع الموجات الكهرومغناطيسية
توجد أنواع مختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تنبعث من الأجسام ، وتتراوح من الأطوال الموجية الأطول إلى الأقصر ، وفيما يلي سنتعرف على بعض أنواع الموجات الكهرومغناطيسية
- موجات الراديو
تمتلك موجات الراديو أطول مدى موجي من بين جميع الموجات الكهرومغناطيسية، وتتراوح مداها من حوالي قدم طويلة إلى عدة أميال طويلة، وتستخدم عادةً لنقل البيانات ويمكن استخدامها في جميع أنواع التطبيقات مثل الراديو والأقمار الصناعية والرادار وشبكات الكمبيوتر.
- أفران الميكروويف
أفران الميكروويف أقصر من أمواج الراديو بأطوال موجية تقاس بالسنتيمترات، ونستخدم الموجات الميكروويف في طهي الطعام ونقل المعلومات، وفي نظام الرادار الذي يساعد على التنبؤ بحالة الطقس. وتعد الموجات الميكروويف مفيدة في الاتصالات لأنها قادرة على اختراق السحب والدخان والأمطار الخفيفة. يمتلئ الكون بإشعاع الخلفية الكونية الميكرووية، ويعتقد العلماء أنها أدلة على أصل الكون، ويطلقون عليه الانفجار العظيم.
- الأشعة تحت الحمراء
الأشعة تحت الحمراء بين الموجات الدقيقة والضوء المرئي توجد موجات الأشعة تحت الحمراء ، يتم تصنيف موجات الأشعة تحت الحمراء أحيانًا على أنها الأشعة تحت الحمراء “القريبة” والأشعة تحت الحمراء “البعيدة” ، وموجات الأشعة تحت الحمراء القريبة هي الموجات الأقرب للضوء المرئي في الطول الموجي.
هذه هي الموجات تحت الحمراء التي يستخدمها جهاز التحكم عن بعد للتلفزيون لتغيير القنوات. تكون الموجات تحت الحمراء البعيدة بعيدة عن الضوء المرئي من حيث الطول الموجي. الموجات تحت الحمراء البعيدة هي موجات حرارية تطلق حرارة، وأي شيء ينبعث منه حرارة يشع به موجات تحت الحمراء. ويشمل ذلك جسم الإنسان.
- الضوء المرئي
يغطي الضوء المرئي طيف الأطوال الموجية التي يمكن رؤيتها بالعين البشرية، ويتراوح طول هذا الطيف من 390 إلى 700 نانومتر، ويتوافق ذلك مع ترددات تتراوح بين 430 إلى 790 تيراهرتز.
- الموجات فوق البنفسجية
تمتاز الأشعة فوق البنفسجية بأن لديها أقصر طول موجي بعد الضوء المرئي. وتعد الأشعة فوق البنفسجية من الشمس المسؤولة عن حروق الشمس، ولكننا محميون من تأثيرها بفضل طبقة الأوزون. يستطيع بعض الحشرات مثل النحل رؤية الأشعة فوق البنفسجية، وتستخدم التلسكوبات القوية مثل تلسكوب هابل الفضائي الضوء فوق البنفسجي لرؤية النجوم البعيدة.
- الأشعة السينية
تتميز الأشعة السينية بأطوال موجية قصيرة جدا مقارنة بالأشعة فوق البنفسجية، وفي هذه المرحلة من الطيف الكهرومغناطيسي، يعتبر العلماء هذه الأشعة جسيمات بدلا من موجات. اكتشف العالم الألماني فيلهلم رونتجن الأشعة السينية التي تتميز بقدرتها على اختراق الأنسجة الرخوة مثل الجلد والعضلات، وتستخدم لالتقاط صور بالأشعة السينية للعظام في الجسم.
- أشعة جاما
أشعة جاما عندما تقصر الأطوال الموجية للموجات الكهرومغناطيسية ، تزداد طاقتها ، أشعة جاما هي أقصر موجات في الطيف ، ونتيجة لذلك تمتلك أكبر قدر من الطاقة ، وتستخدم أشعة جاما أحيانًا في علاج السرطان وفي التقاط صور مفصلة للطب التشخيصي ، يتم إنتاج أشعة جاما في التفجيرات النووية عالية الطاقة.