الطاقة، وهي مقياس للقدرة على العمل، تأتي بأشكال مختلفة ويمكن تحويلها من نوع إلى آخر، وتشمل الطاقة المخزنة أو المحتملة، مثل البطاريات والمياه خلف السدود، والأجسام المتحركة تمثل أمثلة على الطاقة الحركية، وينشئ الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات والبروتونات، حقولا كهرومغناطيسية عند حركتها، وتنقل هذه الحقول نوع الطاقة التي نسميها الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو الضوء .
ما هي الموجات الكهرومغناطيسية والميكانيكية
هناك طريقتان مهمتان لنقل الطاقة في العالم من حولنا، وهي الأمواج الميكانيكية والموجات الكهرومغناطيسية. الموجات الميكانيكية تتسبب في اضطراب أو اهتزاز في المادة، سواء كانت صلبة أو غازية أو سائلة أو بلازما، وتتشكل موجات الماء عن طريق الاهتزازات في السائل، وتتشكل الأمواج الصوتية عن طريق الاهتزازات في الغاز (الهواء). تنتقل هذه الموجات الميكانيكية عبر وسيط من خلال التسبب في ارتطام الجزيئات ببعضها البعض، مثل سقوط الدومينو الذي ينقل الطاقة من واحد إلى آخر. ولا يمكن نقل الموجات الصوتية في فراغ الفضاء لأنه لا يوجد وسيلة لنقل هذه الموجات الميكانيكية. الأمواج في الماء والموجات الصوتية في الهواء هي مثالان على الأمواج الميكانيكية .
طبيعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ أو الفضاء
يمكن أن تكون الكهرباء ثابتة، مثل الطاقة التي تجعل شعرك يقف، ويمكن أيضا أن تكون المغناطيسية ثابتة مثل مغناطيس الثلاجة، ويؤدي حقل المغناطيس المتغير إلى تغيير في المجال الكهربائي والعكس، لأن كلاهما مرتبط، وتنتج هذه الحقول المتغيرة موجات كهرومغناطيسية، وتختلف الموجات الكهرومغناطيسية عن الموجات الميكانيكية بأنها لا تحتاج إلى وسيلة للانتشار، وهذا يعني أن الموجات الكهرومغناطيسية يمكن أن تنتقل ليس فقط عبر الهواء والمواد الصلبة، ولكن أيضا عبر فراغ الفضاء.
في الستينيات من القرن التاسع عشر ، طور عالم اسكتلندي يدعى جيمس كليرك ماكسويل نظرية علمية لشرح الموجات الكهرومغناطيسية، ولقد لاحظ أن المجالات الكهربائية والحقول المغناطيسية يمكن أن تتضافر معًا لتكوين موجات كهرومغناطيسية، ولخص هذه العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية في ما يشار إليه الآن باسم “معادلات ماكسويل” .
طبق العالم الألماني فيزيائي هاينريش هيرتز نظريات ماكسويل في إنتاج واستقبال الموجات اللاسلكية، وقد سميت وحدة تردد الموجة اللاسلكية “هرتز”، وذلك تكريما لهيرتز، وقد حل هيرتز مشكلتين عبر تجربته مع موجات الراديو، حيث أثبت أولا أن سرعة الموجات اللاسلكية تساوي سرعة الضوء، وهذا أثبت أن الموجات اللاسلكية هي شكل من أشكال الضوء، وثانيا، اكتشف هيرتز كيفية جعل الحقول الكهربائية والمغناطيسية تنفصل عن الأسلاك وتحرر كموجات ماكسويل – وهي الموجات الكهرومغناطيسية .
مما يتكون الضوء
الضوء مكون من حزم فردية من الطاقة تسمى الفوتونات، وتحمل الفوتونات زخما ولا تمتلك كتلة، وتتحرك بسرعة الضوء. يتمتع الضوء بخصائص تشبه الجسيمات والموجات، وتعد الأداة التي تحول الضوء إلى طيف للتحليل مثالا على ملاحظة خاصية الضوء المشابهة للموجة. يتم مراقبة طبيعة الضوء التي تشبه الجسيمات بواسطة أجهزة الكشف المستخدمة في الكاميرات الرقمية، حيث تقوم الفوتونات الفردية بتحرير الإلكترونات المستخدمة لاستخلاص بيانات الصورة وتخزينها .
الطريقة التي ينتقل بها الموج الكهرومغناطيسي في الفراغ
أرغب في البداية في شرح كيفية تحرك الموجة في وسط ما. ندرك أن الموجة تعتبر اضطرابا وتحتوي على طاقة محددة مرتبطة بها. عندما تدخل هذه الموجة إلى الوسط، فإنها تؤثر أساسا على اهتزاز جزيئات الوسط. يتم نقل هذا الاهتزاز من جسيم إلى آخر، وبالتالي تنتقل الموجة في الوسط. الآن، كيف يتم نقل الموجة الكهرومغناطيسية في الفراغ أو الفضاء؟ وفقا لمعادلات ماكسويل، ندرك أن المجال المغناطيسي المتغير ينتج مجالا كهربائيا والعكس صحيح. الموجة الكهرومغناطيسية (EM) لا تحتاج إلى وسيط، حيث تتولد حقول كهربائية ومغناطيسية بشكل مستمر، وبالتالي تنتشر الموجة .
الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفيزياء
في الفيزياء ، يشير الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى موجات (أو كوانتا ، فوتونات) من الحقل الكهرومغناطيسي ، تنتشر (تشع) عبر الفضاء ، تحمل طاقة مشعة كهرومغناطيسية، ويشمل موجات الراديو ، وأجهزة الميكروويف ، والأشعة تحت الحمراء ، والضوء (المرئي) والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما .
من الناحية الكلاسيكية ، يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي من الموجات الكهرومغناطيسية ، وهي تذبذبات متزامنة للحقول الكهربائية والمغنطيسية التي تنتشر بسرعة الضوء ، ويمكن تمييز موقع الموجة الكهرومغناطيسية داخل الطيف الكهرمغنطيسي إما بتردد التذبذب أو طول الموجة، وتسمى الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات المختلفة بأسماء مختلفة لأنها لها مصادر وتأثيرات مختلفة على المادة .
تنشأ الموجات الكهرومغناطيسية بفعل جسيمات مشحونة كهربائيا تتسارع، ويمكن لهذه الموجات أن تتفاعل فيما بعد مع جسيمات مشحونة أخرى، مما ينتج عنها قوة عليها، وتحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة والزخم بعيدا عن جسيمها المصدر، ويمكن نقل هذه الكميات إلى المادة التي تتفاعل معها، ويرتبط الإشعاع الكهرومغناطيسي بهذه الموجات الكهرومغناطيسية التي تنتشر بحرية دون تأثير مستمر من الشحنات المتحركة التي تولدها، لأنها قد حققت مسافة كافية عن تلك الشحنات .