الموجات الكهرومغناطيسية: نظرية ماكسويل وأنواعها وخصائصها - جسدي - بدني - 2026

و الموجات الكهرومغناطيسية وموجات عرضية التي تتوافق مع الحقول التي تسببها الشحنات الكهربائية متسارعة. كان القرن التاسع عشر قرن التقدم الكبير في الكهرباء والمغناطيسية ، ولكن حتى النصف الأول منه ، كان العلماء لا يزالون غير مدركين للعلاقة بين الظاهرتين ، معتقدين أنهما مستقلان عن بعضهما البعض.

كان الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879) هو الذي أثبت للعالم أن الكهرباء والمغناطيسية ليسا سوى وجهين لعملة واحدة. كلتا الظاهرتين مرتبطتان ارتباطًا وثيقًا.

عاصفة رعدية. المصدر: Pixabay.

نظرية ماكسويل

وحد ماكسويل نظرية الكهرباء والمغناطيسية في 4 معادلات أنيقة وموجزة ، سرعان ما تأكدت تنبؤاتها:

ما الدليل الذي كان لدى ماكسويل لتطوير نظريته الكهرومغناطيسية؟

لقد كانت حقيقة أن التيارات الكهربائية (الشحنات المتحركة) تنتج مجالات مغناطيسية ، وبالتالي فإن المجال المغناطيسي المتغير ينشأ تيارات كهربائية في الدوائر الموصلة ، مما يعني أن المجال المغناطيسي المتغير يحث على مجال كهربائي.

هل يمكن أن تكون الظاهرة العكسية ممكنة؟ هل ستكون المجالات الكهربائية المتغيرة قادرة على توليد مجالات مغناطيسية بدورها؟

ماكسويل ، تلميذ مايكل فاراداي ، كان مقتنعا بوجود تناظرات في الطبيعة. كان على كل من الظواهر الكهربائية والمغناطيسية أيضًا الالتزام بهذه المبادئ.

وفقًا لهذا الباحث ، فإن الحقول المتذبذبة قد تولد اضطرابات بنفس الطريقة التي يولد بها الحجر الذي يتم إلقاؤه في البركة الأمواج. هذه الاضطرابات ليست أكثر من تذبذب المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، والتي أطلق عليها ماكسويل على وجه التحديد الموجات الكهرومغناطيسية.

توقعات ماكسويل

تنبأت معادلات ماكسويل بوجود موجات كهرومغناطيسية بسرعة انتشار تساوي سرعة الضوء. تم تأكيد التنبؤ بعد فترة وجيزة من قبل الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز (1857 - 1894) ، الذي تمكن من توليد هذه الموجات في مختبره باستخدام دائرة LC. حدث هذا بعد وقت قصير من وفاة ماكسويل.

للتحقق من صحة النظرية ، كان على Hertz بناء جهاز كاشف يسمح له بالعثور على الطول الموجي والتردد ، والبيانات التي يمكنه من خلالها حساب سرعة موجات الراديو الكهرومغناطيسية ، بالتزامن مع سرعة الضوء..

استقبل المجتمع العلمي عمل ماكسويل بشك في ذلك الوقت. ربما يرجع ذلك جزئيًا إلى أن ماكسويل كان عالمًا رياضيًا لامعًا وقدم نظريته بكل شكليات القضية ، والتي فشل الكثيرون في فهمها.

ومع ذلك ، كانت تجربة هيرتز رائعة ومقنعة. وقد لقيت نتائجهم استحسانًا وتم إزالة الشكوك حول صحة تنبؤات ماكسويل.

الإزاحة الجارية

إن تيار الإزاحة هو إنشاء ماكسويل ، الناتج عن تحليل عميق لقانون أمبير ، والذي ينص على ما يلي:

البطارية تشحن مكثفًا. تظهر الأسطح S (الخط الصلب) و S 'والكونتور C لتطبيق قانون Ampere. المصدر: معدل من Pixabay.

لذلك ، فإن المصطلح الموجود على اليمين في قانون Ampere ، والذي يتضمن التيار ، ليس باطلاً ولا العضو الموجود على اليسار. استنتاج فوري: يوجد مجال مغناطيسي.

هل يوجد مجال مغناطيسي في S '؟

ومع ذلك ، لا يوجد تيار يعبر أو يعبر السطح المنحني S '، الذي له نفس الكفاف C ، لأن هذا السطح يشمل جزءًا مما هو موجود في الفراغ بين ألواح المكثف ، والذي يمكننا افتراض أنه هواء أو مادة أخرى غير موصل.

في تلك المنطقة لا توجد مادة موصلة يتدفق من خلالها أي تيار. يجب أن نتذكر أنه لكي يتدفق التيار ، يجب إغلاق الدائرة. بما أن التيار يساوي صفرًا ، فإن التكامل على اليسار في قانون أمبير هو 0. لا يوجد مجال مغناطيسي إذن ، هل هناك؟

هناك بالتأكيد تناقض. S 'مقيد أيضًا بالمنحنى C ويجب ألا يعتمد وجود المجال المغناطيسي على السطح الذي توجد به حدود C.

ماكسويل حل التناقض التي كتبها إدخال مفهوم الإزاحة ط الحالي _D.

الإزاحة الجارية

أثناء شحن المكثف ، يوجد مجال كهربائي متغير بين الألواح ويتدفق التيار عبر الموصل. عندما يشحن المكثف ، يتوقف التيار في الموصل وينشأ مجال كهربائي ثابت بين الصفائح.

ثم استنتج ماكسويل أنه ، المرتبط بالمجال الكهربائي المتغير ، يجب أن يكون هناك تيار يسميه تيار الإزاحة i _D ، وهو تيار لا يتضمن حركة شحنة. بالنسبة للسطح S فهو صالح:

التيار الكهربائي ليس متجهًا ، على الرغم من أن له مقدارًا ومعنى. من الأنسب ربط الحقول بكمية متجهة: الكثافة الحالية J ، والتي يكون حجمها هو الحاصل بين التيار والمنطقة التي يمر بها. وحدات كثافة التيار في النظام الدولي هي أمبير / م ².

من حيث هذا المتجه ، فإن كثافة تيار الإزاحة هي:

بهذه الطريقة ، عند تطبيق قانون Ampere على الكفاف C والسطح S ، يكون i _C هو التيار المار فيه. من ناحية أخرى ، لا يمر i _C عبر S ، لكن i _D يفعل.

تمرين حل

السرعة في وسط معين

في وسط معين ، من الممكن إظهار أن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية تُعطى بالتعبير:

في أي ε و μ هي السماحية ونفاذية الوسط المعني.

مقدار الحركة

الإشعاع الكهرومغناطيسي مع الطاقة U له زخم مصاحب له حجمه: p = U / c.

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية

تحتوي الموجات الكهرومغناطيسية على نطاق واسع جدًا من الأطوال الموجية والترددات. وهي مجمعة فيما يعرف بالطيف الكهرومغناطيسي ، والذي تم تقسيمه إلى مناطق سُميت أدناه ، بدءًا من أطول موجات:

موجات الراديو

تقع عند أعلى طول موجي وأقل تردد ، وتتراوح من بضعة إلى مليار هيرتز. هي تلك التي تُستخدم لإرسال إشارة بمعلومات من أنواع مختلفة ويتم التقاطها بواسطة الهوائيات. يبثها التلفزيون والراديو والهواتف المحمولة والكواكب والنجوم والأجرام السماوية الأخرى ويمكن التقاطها.

فرن المايكرويف

تقع في ترددات فائقة الارتفاع (UHF) وعالية جدًا (SHF) وعالية جدًا (EHF) ، وتتراوح بين 1 جيجاهرتز و 300 جيجاهرتز. على عكس الترددات السابقة التي يمكن أن تصل إلى ميل (1.6 كم) ، فإن الموجات الدقيقة وهي تتراوح من بضعة سنتيمترات إلى 33 سم.

نظرًا لموقعها في الطيف ، بين 100000 و 400000 نانومتر ، يتم استخدامها لنقل البيانات على الترددات التي لا تتداخل معها موجات الراديو. لهذا السبب ، يتم تطبيقها في تكنولوجيا الرادار والهواتف المحمولة وأفران المطبخ وحلول الكمبيوتر.

تذبذبها هو نتاج جهاز يعرف باسم مغنطرون ، وهو نوع من التجويف الرنان الذي يحتوي على قرصين مغناطيسيين في نهاياته. يتم إنشاء المجال الكهرومغناطيسي من خلال تسارع الإلكترونات من الكاثود.

الأشعة تحت الحمراء

تنبعث هذه الموجات الحرارية من الأجسام الحرارية وبعض أنواع الليزر والصمامات الثنائية الباعثة للضوء. على الرغم من أنها تميل إلى التداخل مع موجات الراديو والميكروويف ، إلا أن مداها يتراوح بين 0.7 و 100 ميكرومتر.

غالبًا ما تنتج الكيانات الحرارة التي يمكن اكتشافها بواسطة النظارات الليلية والجلد. غالبًا ما تستخدم في أجهزة التحكم عن بعد وأنظمة الاتصالات الخاصة.

ضوء مرئي

في التقسيم المرجعي للطيف نجد ضوءًا محسوسًا يبلغ طوله الموجي بين 0.4 و 0.8 ميكرومتر. ما نتميز به هو ألوان قوس قزح ، حيث يتميز أقل تردد باللون الأحمر والأعلى باللون البنفسجي.

تُقاس قيم طوله بالنانومتر وأنجستروم ، وهو يمثل جزءًا صغيرًا جدًا من الطيف بأكمله ويتضمن هذا النطاق أكبر كمية من الإشعاع المنبعث من الشمس والنجوم. بالإضافة إلى ذلك ، فهو نتاج تسارع الإلكترونات في عبور الطاقة.

يعتمد إدراكنا للأشياء على الإشعاع المرئي الذي يسقط على جسم ما ثم على العينين. ثم يفسر الدماغ الترددات التي تؤدي إلى اللون والتفاصيل الموجودة في الأشياء.

الأشعة فوق البنفسجية

تتراوح هذه التموجات بين 4 و 400 نانومتر ، وتتولد عن الشمس والعمليات الأخرى التي تنبعث منها كميات كبيرة من الحرارة. يمكن أن يتسبب التعرض طويل المدى لهذه الموجات القصيرة في حروق وأنواع معينة من السرطان في الكائنات الحية.

نظرًا لأنها نتاج قفزات من الإلكترونات في الجزيئات والذرات المثارة ، فإن طاقتها تشارك في التفاعلات الكيميائية وتستخدم في الطب للتعقيم. هم مسؤولون عن الأيونوسفير لأن طبقة الأوزون تمنع آثاره الضارة على الأرض.

الأشعة السينية

يرجع هذا التعيين إلى حقيقة أنها موجات كهرومغناطيسية غير مرئية قادرة على المرور عبر أجسام غير شفافة وإنتاج مطبوعات فوتوغرافية. تقع بين 10 و 0.01 نانومتر (30 إلى 30000 PHz) ، وهي نتيجة إلكترونات تقفز من مدارات في ذرات ثقيلة.

يمكن أن تنبعث هذه الأشعة من هالة الشمس والنجوم النابضة والمستعرات الأعظمية والثقوب السوداء نظرًا لكميتها الكبيرة من الطاقة. يؤدي تعرضهم لفترات طويلة إلى الإصابة بالسرطان ويستخدمون في المجال الطبي للحصول على صور لهياكل العظام.

أشعة غاما

تقع في أقصى يسار الطيف ، وهي الموجات التي لها أعلى تردد وتحدث عادةً في الثقوب السوداء والمستعرات الأعظمية والنجوم النابضة والنجوم النيوترونية. يمكن أن تكون أيضًا نتيجة للانشطار والانفجارات النووية والبرق.

نظرًا لأنها تتولد عن عمليات التثبيت في النواة الذرية بعد الانبعاثات المشعة ، فهي قاتلة. الطول الموجي لها هو دون ذري ، مما يسمح لها بالمرور عبر الذرات. لا يزال الغلاف الجوي للأرض يمتصهم.

تطبيقات الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة

للموجات الكهرومغناطيسية نفس خصائص الانعكاس والانعكاس مثل الموجات الميكانيكية. وإلى جانب الطاقة التي ينتشرونها ، يمكنهم أيضًا نقل المعلومات.

لهذا السبب ، تم تطبيق أنواع مختلفة من الموجات الكهرومغناطيسية على عدد كبير من المهام المختلفة. سنرى هنا بعضًا من أكثرها شيوعًا.

الطيف الكهرومغناطيسي وبعض تطبيقاته. المصدر: تاتوت وفرود

موجات الراديو

بعد وقت قصير من اكتشافه ، أثبت Guglielmo Marconi أنه يمكن أن يكون أداة اتصال ممتازة. منذ اكتشافها من قبل Hertz ، أصبحت الاتصالات اللاسلكية مع ترددات الراديو مثل راديو AM و FM ، والتلفزيون ، والهواتف المحمولة ، وأكثر من ذلك بكثير ، منتشرة بشكل متزايد في جميع أنحاء العالم.

فرن المايكرويف

يمكن استخدامها لتسخين الطعام ، لأن الماء عبارة عن جزيء ثنائي القطب قادر على الاستجابة للحقول الكهربائية المتذبذبة. يحتوي الطعام على جزيئات الماء ، والتي عند تعرضها لهذه الحقول ، تبدأ في التذبذب والتصادم مع بعضها البعض. التأثير الناتج هو الاحترار.

يمكن استخدامها أيضًا في الاتصالات ، نظرًا لقدرتها على السفر في الغلاف الجوي بتداخل أقل من الموجات الأخرى ذات الطول الموجي الأكبر.

موجات الأشعة تحت الحمراء

أكثر التطبيقات المميزة للأشعة تحت الحمراء هي أجهزة الرؤية الليلية. تُستخدم أيضًا في الاتصال بين الأجهزة وفي تقنيات التحليل الطيفي لدراسة النجوم وسحب الغاز بين النجوم والكواكب الخارجية.

يمكنهم أيضًا إنشاء خرائط درجة حرارة الجسم ، والتي تُستخدم لتحديد بعض أنواع الأورام التي تكون درجة حرارتها أعلى من درجة حرارة الأنسجة المحيطة.

ضوء مرئي

يشكل الضوء المرئي جزءًا كبيرًا من الطيف المنبعث من الشمس ، والذي تستجيب له شبكية العين.

الأشعة فوق البنفسجية

تمتلك الأشعة فوق البنفسجية طاقة كافية للتفاعل مع المادة بشكل كبير ، لذا فإن التعرض المستمر لهذه الأشعة يسبب الشيخوخة المبكرة ويزيد من خطر الإصابة بسرطان الجلد.

الأشعة السينية وأشعة جاما

تتمتع الأشعة السينية وأشعة جاما بطاقة أكبر ، وبالتالي فهي قادرة على اختراق الأنسجة الرخوة ، ومن ثم ، منذ لحظة اكتشافها تقريبًا ، تم استخدامها لتشخيص الكسور وفحص الجزء الداخلي من الجسم بحثًا عن الأمراض..

لا تستخدم الأشعة السينية وأشعة جاما كأداة تشخيص فحسب ، بل كأداة علاجية لتدمير الأورام.

المراجع

1. جيانكولي ، د. (2006). الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. الطبعة السادسة. برنتيس هول. 628-637.
2. ريكس ، أ. (2011). أساسيات الفيزياء. بيرسون. 503-512.
3. سيرز ، ف. (2015). الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. الإصدار الرابع عشر. بيرسون. 1053-1057.