يمكننا فهم الموجات الكهرومغناطيسية (EM) بشكل جيد من خلال النظر إلى كيفية توليدها. عندما يتغير التيار الكهربائي، تتغير الحقول الكهربائية والمغناطيسية المرتبطة به. تتنقل هذه الموجات من المصدر مثل الأمواج. قد يكون أسهل مثال لذلك هو التيار المتردد في سلك طويل ومستقيم. ينشأ هذا التيار في مركز السلك ويجعل السلك المستقيم الطويل هوائيا للموجات الكهرومغناطيسية. تظهر توزيعات الشحن في السلك بأربعة مرات مختلفة، وينتشر الحقل الكهربائي بسرعة الضوء ويشكل جزءا من الموجة الكهرومغناطيسية .
توليد الموجات الكهرومغناطيسية
ينتج “جسيم مشحون” حقلا “كهربائيا”، ويمارس هذا الحقل الكهربائي قوة على الجزيئات المشحونة الأخرى. وتتسارع “الشحنات الموجبة” في اتجاه الحقل، وتتسارع “الشحنات السلبية” في اتجاه معاكس لاتجاه الحقل. وتتحرك الجسيمات المشحونة وتنتج المجال المغناطيسي، ويمارس هذا المجال المغناطيسي قوة على الشحنات المتحركة الأخرى، ودائما ما تكون القوة على هذه الشحنات عموديا على اتجاه سرعتها، وبالتالي لا تغير سوى اتجاه السرعة وليس السرعة. وينتج الجسيم المشحون المتسارع موجة كهرومغناطيسية، والموجات الكهرومغناطيسية هي المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تنتقل عبر الفضاء الخالي بسرعة الضوء “c”. ويتأرجح الجسيم المشحون حول “موضع التوازن”، وإذا كان تردد التذبذب هو “f”، فإنه ينتج موجة كهرومغناطيسية بتردد “f”. ويتم إعطاء الطول الموجي “λ” لهذه الموجة بواسطة “λ = c / f”. وتنقل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة عبر الفضاء، ويمكن توصيل هذه الطاقة إلى جزيئات مشحونة على مسافة كبيرة بعيدا عن المصدر .
وتنتج الشحنات المتسارعة المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة، وتغيير الحقول الكهربائية ينتج مجالات مغناطيسية وتغيير الحقول المغناطيسية ينتج مجالات كهربائية، ويؤدي هذا التفاعل بين الحقول الكهربائية والمغناطيسية المستحثة إلى انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، ويمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء الحر .
موجات الراديو
معظم موجات الراديو تنشأ من تذبذب الشحنات في الهوائيات. اتجاه تسارع الشحنات على طول الهوائي يؤدي إلى انتشار الموجات الراديوية من الهوائي إلى المستقبل عبر خط مستقيم يسمى خط الأفق. يتواجد اتجاه الحقل الكهربائي E للإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج عن الهوائي في المستوى الذي يحتوي على الهوائي ويقع على خط الرؤية للمستقبل. يكون هذا الاتجاه عموديا على خط الرؤية، وتكون الموجة ذات استقطاب محدد، وهذا يعني أن لـ E اتجاها واضحا جيدا. يكون الحقل الكهربائي أكثر قوة وكثافة في الاتجاهات العمودية للهوائي ويتجه نحو الصفر في الاتجاه على طول الهوائي. يكون استقبال ضعيفا جدا إذا كنت تقف تحت الهوائي .
ولنقل المعلومات يجب تعديل الموجة الكهرومغناطيسية، والمعلومات التي تحملها موجة الراديو سليمة، ويمثل اتساع موجة راديو AM (معدل السعة) الاختلافات في الضغط ، والتي تشكل الصوت، ويمكن تحويل ترددات موجات الراديو FM (بتشكيل التردد) قليلا من تردد الموجة الحاملة الاسمية، ومقدار التحول يتناسب مع الاختلافات في الضغط والتي تشكل الصوت .
تحرك الموجات الكهربائية والمغناطيسية
وفقا لقانون أمبير، ينتج التيار الموجود في الهوائي مجالا مغناطيسيا، ومع تغير التيار يتغير المجال المغناطيسي في الحجم والاتجاه. وينتج التيار في الهوائي خطوط المجال المغناطيسي الدائرية، وينتج التيار فصل الشحنة على طول السلك مما يؤدي بدوره إلى إنشاء الحقل الكهربائي، والمجالان الكهربائي والمغناطيسي بالقرب من السلك يكونان عموديين، ويختلف المجال المغناطيسي بالتيار وينتشر بعيدا عن الهوائي بسرعة الضوء .
تلقي الموجات الكهرومغناطيسية
تحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة بعيدا عن مصدرها، وعلى غرار الموجة الصوتية التي تحمل الطاقة بعيدا عن الخيط الذي يصدر الصوت في الغيتار، فإن الهوائي الذي يستقبل إشارات الكهرومغناطيسية يعمل في الاتجاه المعاكس، وكما تنتج الهوائيات الموجات الكهرومغنطيسية، فإن الهوائيات التي تستقبل هذه الموجات مصممة خصيصا للاستجابة لترددات معينة، وتسرع الموجة الكهرومغناطيسية الإلكترونات في الهوائي وتولد موجة دائمة، وإذا كان الراديو أو التلفزيون قيد التشغيل، فإن المكونات الكهربائية تلتقط الإشارة المتكونة من الإلكترونات المتسارعة وتضخمها، ويتم تحويل الإشارة إلى تنسيق الصوت و/أو الفيديو، وفي بعض الأحيان يستخدم أطباق الاستقبال الكبيرة لتركيز الإشارة على الهوائي .
وهناك علاقة بين شدة المجال E و B في الموجة الكهرومغناطيسية، ويمكن فهم ذلك من خلال النظر مرة أخرى في الهوائي الموصوف للتو، فكلما كان الحقل الإلكتروني أقوى من خلال فصل الشحنة زاد التيار وبالتالي زاد الحقل ب، وبما أن التيار يتناسب طرديا مع الجهد (قانون أوم) والجهد يتناسب طرديا مع شدة المجال الإلكتروني يجب أن يتناسب الاثنان بشكل مباشر، ويمكن إثبات أن قيم الحقول لها نسبة ثابتة تساوي سرعة الضوء، من خلال القانون وهو B / E = C، ويتم إنشاء الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة الشحنات المتذبذبة (التي تشع كلما تسارع) ولها نفس التردد مثل التذبذب، وبما أن الحقول الكهربائية والمغناطيسية في معظم الموجات الكهرومغناطيسية متعامدة مع الاتجاه الذي تتحرك فيه الموجة، فهي عادة عرضية، وترتبط قوة الأجزاء الكهربائية والمغناطيسية للموجة ب .
تاريخ النظرية
في الأصل كانت الكهرباء والمغناطيسيتان تعتبران قوتين منفصلتين، ولكن هذا الرأي تغير مع نشر كتاب جيمس كليرك ماكسويل عام 1873 بعنوان “الكهرباء والمغناطيسية” والذي توسطت فيه تفاعلات الشحنات الإيجابية والسلبية بواسطة قوة واحدة، وهناك أربعة تأثيرات رئيسية ناتجة عن هذه التفاعلات والتي تم توضيحها بوضوح من خلال التجارب :
تتفاعل الشحنات الكهربائية بجذب أو انتفاض بقوة تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما، بعكس الشحنات المتجاذبة، مثل تلك التي تصدرها الكائنات الحية .
تجذب الأقطاب المغناطيسية (أو حالات الاستقطاب عند نقاط فردية) بعضها البعض أو تتصدى لها بطريقة تشبه الشحنات الإيجابية والسلبية، وتوجد دائمًا على شكل أزواج، ويتم سحق كل قطب شمالي إلى قطب جنوبي .
يؤدي تدفق التيار الكهربائي في السلك إلى إنشاء مجال مغناطيسي مناسب خارج السلك، ويتوقف اتجاه هذا المجال (إما عكس اتجاه عقارب الساعة أو في اتجاه عقارب الساعة) على اتجاه التيار الكهربائي داخل السلك .
يتم إنشاء تيار في حلقة من الأسلاك عند تحريكها نحو أو خارج مجال مغناطيسي، أو عند نقل المغناطيس باتجاهها أو بعيدًا عنها، ويتوقف اتجاه التيار على اتجاه الحركة .