1234729512521617293434334345125216729

تعرف على قصة اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية وأهم خصائصها ....

تعرف على قصة إكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية ، وخصائصها ...
طيف كهرومغناطيسي

إن  أعظم إنجاز في القرن التاسع عشر للفيزياء النظرية هو اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية ( الموجات اللاسلكية ) حيث كانت أول إشارة اتصال غير متوقع بين الظواهر الكهربائية وسرعة الضوء. 

إن القوى الكهربائية في الطبيعة تأتي على شكل نوعين:
 أولا : هناك الجاذبية الكهربائية أو التنافر بين الشحنات (+) والشحنات ( - ) ومن الممكن استخدام ذلك لتحديد وحدة الشحنة الكهربائية بينما تتنافر مع شحنة مماثلة مثلا على مسافة متر واحد بقوة الوحدة (الصيغ الفعلية لذلك دقيقة). 

ثانيا : هناك أيضا التجاذب والتنافر بين التيارات الكهربائية المتوازية حيث يمكن ايضا تحديد وحدة التيار حين يتدفق التيار في سلك مستقيم ويتجاذب مع تيار مماثل في سلك مواز على مسافة متر واحد بقوة الوحدة لكل متر من طول السلك . 

ولكن هناك صلة بين التيارات الكهربائية والشحنات ! ويمكن ان تستند وحدة التيار على وحدة الشحنة حين تعبر وحدة شحنة ,واحده كل ثانية خلال أي مقطع من السلك تعريف هذه الثانية يبدو مختلف تماما وإذا استخدمت الامتار والثواني في جميع التعاريف فإن النسبة بين وحدتي التيار تأتي بسرعة الضوء 300,000,000 متر في الثانية الواحدة. 
في عهد  فاراداي كانت سرعة الضوء معروفة إلا أنها لم تكن بالدقة التي هي عليها اليوم وقد استنتجت اولا في 1676 م من قبل ( اولي رومر) وهو عالم فلك يعمل في باريس حاول رومر توقع كسوف قمر المشتري Io ووجد اختلاف بين اوقات الكسوف الفعلي والمتوقع والتي تزيد ثم تنخفض مرة أخرى حين تدور الأرض حول الشمس واستنتج السبب بطريقة صحيحة فحين تتحرك الأرض في مدارها تزيد وتنقص ايضا مسافتها الى كوكب المشتري ويحتاج الضوء الى وقت اضافي لتغطية المسافة الاضافية. 

ولكن ما كان معنى العلاقة بين الكهرباء والضوء؟ 
إن فكرة العالم  فاراداي و التي تطورت فيما بعد إلى مفهوم المجال المغناطيسي الحيز التي يمكن ملاحظة القوى المغناطيسية فيه يتغير بطريقة أو بأخرى؟ فاراداي أظهر أيضا أن المجال المغناطيسي الذي يختلف مع الوقت مثل الذي ينتج بالتيار المتردد AC قد يوجه التيارات الكهربائية مثل وضع الأسلاك النحاسية في طريقة ملائمة ويسمى ذلك الحث المغناطيسي magnetic induction وهي الظاهرة التي تستند عليها المحولات الكهربائية. 

اذاً المجالات المغناطيسيه يمكن أن تنتج تيارات كهربائية وهذا معروف لدينا بالفعل أن التيارات كهربائية تنتج المجالات المغناطيسية في الدينامو ( مولد التيار المتردد).

 اذاً هل من بامكان فضاء ان يدعم حركة موجية متردده بين الاثنين ؟ نوع ما

المجال المغناطيسي ---> التيار الكهربائي ---> المجال المغناطيسي --- التيار الكهربائي...>>... 

كانت هناك عقبه لايمكن لهذه الموجة ان تتواجد في الفضاء لأن الفضاء فارغ لا يحتوي أسلاك النحاس التي يمكن أن تحمل التيارات اللازمة لإكمال الدورة أعلاه حل هذه المعضلة شاب اسكتلندي لامع هو جيمس كلارك ماكسويل في عام 1861 باقتراح أن معادلات الكهرباء احتاجت الى طرف اضافي مقدما تيار كهربائي ينتقل عبر الفضاء الفارغ ولكن فقط في تذبذبات سريعة جدا. 

مع اضافة هذا الطرف (التيارات المزاحة) سمحت معادلات الكهرباء والمغناطيسية للموجة بالتواجد والانتشار في سرعة الضوء. الرسم أدناه يوضح هذه الموجة - الأخضر هو الجزء المغناطيسي ، والأزرق هو الجزء الكهربائي - وهو الطرف الذي اضافه ماكسويل. الموجة المرسومه تنتشر على طول خط واحد ولكنها في الواقع تملأ الفضاء ومن الصعب رسم ذلك. 

موجات لا سلكية

الموجة الكهرومغناطيسية 

لقد اقترح العالم ماكسويل أن ذلك في الواقع هو الضوء وكانت هناك تلميحات سابقة كما ذكر حيث ظهرت سرعة الضوء بشكل غير متوقع في معادلات الكهرباء والمغناطيسية والمزيد من الدراسات تؤكد ذلك على سبيل المثال ، إذا ضرب شعاع من الضوء جانب من المنشور الزجاجي جزء فقط منه يدخل والجزء الآخر ينعكس. نظرية ماكسويل توقعت بشكل صحيح خصائص الشعاع المنعكس. 

بعد ذلك أظهر هاينريش هيرتز في ألمانيا أن التيار الكهربائي المتردد الى الخلف والامام في سلك (يسمى الان الهوائي ) يمكن أن يكون مصدر لمثل هذه الموجات. (هذا التيار ايضا ينتج مجال مغناطيسي وفقا لقانون أمبير ولكن هذا المجال يتناقص بسرعة مع المسافة) الشرارات الكهربائية تنشئ مثل هذه التيارات المتردده الى الخلف والامام عندما تقفز عبر فجوة وتسمعاحيانا طقطقة يتسبب بها البرق على موجة AM في الراديو . استخدم هيرتز في عام 1886 هذه الشرارات في إرسال إشارات الراديو عبر مختبره وفي وقت لاحق تمكن الايطالي ماركوني مع لاقطات أكثر حساسية من توسيع مدى استقبال الراديو ، وفي عام 1903 التقطت اشارات من أوروبا من مسافه مماثلة لكيب كود ماساتشوستس. 

وكان المعتبر أن الضوء من السلك الساخن للمصباح كان ينبعث لأن الحرارة تسبب في ان ترتد الإلكترونات الى الخلف والامام بسرعة محولة كلا منها الى هوائي صغير وعندما حاول علماء الفيزياء متابعة هذه الفكرة وجدوا أن قوانين الطبيعة المألوفة لا بد ان تعرف على مقاييس الأحجام الذرية وذلك كيف نشأت نظرية الكم quantum theory . 

وتدريجيا اكتشفت موجات كهرومغناطيسية أخرى فالموجة الطبيعة للضوء تتسبب في انعاكس ألوان مختلفة على سطح ناعم بشطوب متوازية وهوالسبب في وميض قرص الليزر المدمج (للموسيقى أو استخدام الكمبيوتر) بألوان مختلفة . الصفوف المنتظمة للذرات في البلورة تشكل ايضا خطوط متوازية ولكن متقاربة بشكل اكبر ويبدو ان لديها لديها التأثير نفسه على الأشعة السينية ويبين ذلك أن الأشعة السينية مثل الضوء هي أيضا موجات كهرومغناطيسية ولكن بطول موجي اقصر بكثير وبعد ذلك وجد أن حزمة الالكترونات في المجال المغناطيسي داخل أنبوب فارغ يمكن أن تصبح غير مستقرة وتطلق موجات أطول من ضوء هذا الأنبوب المغنيطروني كان جهاز رادار سري في الحرب العالمية الثانية وقدم بعد ذلك امكانية فرن الميكروويف. 

إن الموجات الكهرومغناطيسية أدت إلى ضهور الاذاعة والتلفزيون وصناعة الالكترونية الضخمة. وهي ايضا تتولد في الفضاء بالأحزمة الإلكترونية غير المستقرة في الغلاف المغناطيسي ، وكذلك في الشمس وفي الكون وتخبر عن جسيمات الطاقة في الفضاء البعيد.

 الأشعة الكهرومغناطيسية أو
الطيف الكهرومغناطيسي أو
 الأمواج الكهرومغناطيسية كلها تحمل نفس المعني الفيزيائي وحين التحدث عن جزء خاص من هذا الطيف الكهرومغناطيسي مثل الضوء المرئي والغير المرئي مثل والمايكروويف وأشعة اكس وأشعة جاما وموجات التلفزيون والراديو كلها عبارة أشعة تعرف باسم الأشعة الكهرومغناطيسية Electromagnetic Radiation وكلها لها نفس الخصائص ولكنها تختلف في الطول الموجي Wavelength أو التردد Frequency.

ما الفكرة والأسباب لتكون الطيف الكهرومغناطيسي ؟

وكما نعلم فإن الأمواج المتكونة في وسط مثل الماء فإن جزيئات الوسط (الماء) هي التي تتذبذب فتنتج إضرابات تنتشر في وسط الماء. وكذلك الحال في الأمواج الصوتية حيث ان الصوت ينتقل من خلال إضراب في جزيئات الهواء على شكل تضاغط وتخلخل ينتشر في الفراغ. ولكن الحال مختلف في الأمواج الكهرومغناطيسية حيث أن الذي يتموج (يتذبذب) في هذه الحالة هو المجال الكهربي الذي ينشئ من تذبذب الجسيمات المشحونة مثل الإلكترون ذو الشحنة السالبة أو البروتون ذو الشحنة الموجبة. فإذا افترضنا شحنة سالبة (إلكترون) مرتبطة بزنبرك لنجعلها تتذبذب تحت تأثير قوة الزنبرك، حيث بإمكانك زيادة قوة الزنبرك من خلال المؤشر، وإعطاء الشحنة السالبة إزاحة صغير وتركها تتذبذب فينتج عن ذلك انبعاث أشعة الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة الضوء وتتأثر بها الشحنة الموجبة على الطرف المقابل.
تعامد المجالات الكهرومغناطيسية

وهذا سبب تكون الأشعة الكهرومغناطيسية حيث أن تذبذب الشحنات المكونة للذرة يؤدي إلى انبعاث الطيف الكهرومغناطيسي والذي يقوم بدور الزنبرك هو درجة الحرارة التي تمد الشحنات بالطاقة أو أي نوع من أنواع الإثارة Excitation مثل التصادمات وغيره. ويعتمد الطول الموجي للأشعة الكهرومغناطيسية على درجة إثارة الشحنة ومن هنا نجد أن الطيف الكهرومغناطيسي له مدى واسع وللتميز بين الأطوال الموجبة أعطيت أسماء مختلفة مثل أشعة المايكروويف والأشعة المرئية وأشعة اكس وأشعة جاما.

خصائص الأشعة الكهرومغناطيسية

– إن الأشعة الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة ثابتة هي سرعة الضوء وقيمتها 3x108m/s2. تنتقل هذه الأشعة في الفراغ وتنقل الطاقة من المصدر source إلى المستقبل receiver. تم اكتشاف هذه الأشعة على مراحل حيث كان العالم هيرتز Hertz 1887 أول من عمل في هذا المجال وكان في ذلك الوقت فقط أشعة الراديو والأشعة المرئية ومن ثم تم اكتشاف باقي الطيف الكهرومغناطيسي من خلال الملاحظات والظواهر الفيزيائية.

– الأشعة ( الموجات ) الكهرومغناطيسية لها طول موجي l وتردد n يحدد خصائصها وترتبط سرعة الأشعة الكهرومغناطيسية مع التردد والطول الموجي من خلال المعادلة c = n l

– إن الطيف الكهرومغناطيسي يبدأ من أمواج الراديو ذات الطول الموجي الطويل والتردد المنخفض ثم منطقة أشعة المايكروويف ومنطقة الأشعة تحت الحمراء ثم منطقة الأشعة المرئية ثم منطقة الأشعة فوق البنفسجية ثم منطقة أشعة اكس ثم منطقة أشعة جاما. وهذا التسلسل هو تبعاً لزيادة تردد هذه الموجات. ولكل منطقة من مناطق الطيف الكهرومغناطيسي خصائص تميزها عن بعضها البعض وبناء عليه نتجت تطبيقات مختلفة لهذه الأشعة وللعلم فإن منطقة الطيف المرئي هي التي منحنا الله سبحانه وتعالى القدرة على رؤيتها وهي المنطقة التي تستجيب لها شبكية العين لتتمكن من رؤية الأشياء من حولنا.
الوان الطيف

– الأشعة الكهرومغناطيسية لها طاقة تعطى بالمعادلة التي استنتجها العالم ماكس بلانك وهي :  E = h n

حيث أن الثابت h هو ثابت بلانك

h = 6.6×10-34 J.s

إن  وحدة الإلكترون فولت تستخدم للتعبير عن طاقة الأشعة الكهرومغناطيسية

1 e.v. = 1.6 x 10-19 J

نستنتج من ذلك أنه كلما زاد التردد ازدادت الطاقة وعليه فإن طاقة أشعة جاما اكبر ما يمكن في الطيف الكهرومغناطيسي وكما نعلم أن جسم الإنسان يتحمل طاقة أقصاها طاقة الطيف المرئي وتعتبر طاقة الطيف فوق الأزرق ضارة وتسبب حرق لخلايا الجسم وكذلك طاقة أشعة اكس تستطيع اختراق جلد البشري والتعرض لها يسبب خطورة كبيرة. سنقوم بدراسة كل منطقة من مناطق الطيف الكهرومغناطيسي على حده لتوضيح المزيد من المعلومات عن تولدها واستخداماتها.
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
شارك زملاءك من الزر أدناه لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى
  1. التدوينة التالية
  2. التدوينة السابقة
    blogger
    facebook
جارى التحميل ...

تابعنا على فيسبوك

تابعنا على تويتر

النشرة البريدية