الموجات الكهرومغناطيسية: ما هي وكيف يتم إنتاجها (مع أمثلة)

تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية من حولك في جميع الأوقات ، وتمثل دراستهم مجالًا مهمًا بالكامل من الفيزياء. ساعد فهم وتصنيف ووصف الأشكال المختلفة للإشعاع الكهرومغناطيسي وكالة ناسا و تقوم الكيانات العلمية الأخرى بدفع التكنولوجيا البشرية إلى منطقة غير مستكشفة سابقًا وخارجها ، غالبًا بشكل درامي طرق. ومع ذلك ، فإن جزءًا صغيرًا فقط من الموجات الكهرومغناطيسية مرئي للعين البشرية.

في الفيزياء ، قدر معين من الرياضيات أمر لا مفر منه. لكن الشيء الجميل في العلوم الفيزيائية هو أن الرياضيات تميل إلى أن تكون منطقية "أنيقة" - أي بمجرد أن تتعرف على المعادلات الأساسية للميكانيكا الكلاسيكية (على سبيل المثال ، الأشياء الكبيرة المرئية التي تتحرك حولها) ، تبدو معادلات الكهرومغناطيسية مألوفة ، فقط مع اختلاف المتغيرات.

لفهم المجالات والموجات الكهرومغناطيسية بشكل أفضل ، يجب أن يكون لديك معرفة أساسية بمعادلات ماكسويل ، التي اشتقها جيمس كليرك ماكسويل في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. تصف هذه المعادلات ، التي تم اشتقاق الحل العام للموجات الكهرومغناطيسية منها ، العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. في النهاية ، يجب أن تفهم أيضًا ما يعنيه أن تكون "موجة" - كيفهؤلاءموجات معينة مختلفة قليلا.

معادلات ماكسويل تضفي الطابع الرسمي على العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية وتصف كل هذه الظواهر. بناءً على أعمال علماء الفيزياء مثل كارل جاوس ومايكل فاراداي وتشارلز أوغستين دي كولوم ، اكتشف ماكسويل أن المعادلات التي أنتجها هؤلاء العلماء فيما يتعلق بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية كانت سليمة في الأساس ، ولكن غير تام.

إذا لم تكن معتادًا على حساب التفاضل والتكامل ، فلا تقلق. يمكنك المتابعة بشكل جيد دون حل أي شيء. فقط تذكر أن التكامل ليس أكثر من شكل ذكي لإيجاد المنطقة الواقعة أسفل منحنى في الرسم البياني عن طريق جمع شرائح صغيرة جدًا من هذا المنحنى. أيضًا ، في حين أن المتغيرات والمصطلحات قد لا تعني الكثير في البداية ، ستشير إليها مرارًا وتكرارًا خلال المقالة حيث تستمر "الأضواء" في التوهج لك في هذا الموضوع الحيوي.

​معادلة ماكسويل الأولىمشتق منقانون جاوسبالنسبة للمجالات الكهربائية ، والتي تنص على أن صافي التدفق الكهربائي عبر سطح مغلق (مثل السطح الخارجي للكرة) يتناسب مع الشحنة الداخلية:

هنا ، يمثل المثلث المقلوب ("نبلة" أو "ديل") عامل التدرج اللوني ثلاثي الأبعاد ،ρهي كثافة الشحنة لكل وحدة حجم وε​₀ هو الكهربائيالسماحية من المساحة الحرة​.

​معادلة ماكسويل الثانيةهو قانون غاوس للمغناطيسية ، والذي ، على عكس حالة المجالات الكهربائية ، لا يوجد شيء اسمه "شحنة مغناطيسية نقطية" ، أواحتكار مغناطيسي. بدلاً من ذلك ، تظهر خطوط المجال المغناطيسي على شكل حلقات مغلقة. سيكون التدفق المغناطيسي الصافي عبر سطح مغلق دائمًا 0 ، والذي ينتج مباشرة من كون الحقول المغناطيسية ثنائية القطب.

ينص القانون في الواقع على أن كل سطر من مجال مغناطيسيبيجب أن يخرج دخول الحجم المختار في الفضاء من هذا الحجم عند نقطة ما ، وهذا هو التدفق المغناطيسي التالي عبر السطح وبالتالي يكون صفرًا.

​معادلة ماكسويل الثالثةيصف (قانون فاراداي للحث المغناطيسي) كيفية إنشاء مجال كهربائي بواسطة مجال مغناطيسي متغير. تعني كلمة "funny" المضحكة "مشتق جزئي" وتعني تقلبًا. بغض النظر عن الرموز الفردية ، تُظهر العلاقة أن التغيير في التدفق الكهربائي ينتج عن ويلزم أغير ثابتحقل مغناطيسي.

​معادلة ماكسويل الرابعة(قانون أمبير-ماكسويل) هو منبع للآخرين ، لتصحيح ماكسويل لفشل أمبير في حساب التيارات غير المستقرة التي تموج من خلال المعادلات الثلاثة الأخرى مع عوامل التصحيح الخاصة بهم خاصة. تُشتق المعادلة من قانون أمبير وتصف كيفية إنشاء مجال مغناطيسي بواسطة تيار (شحنة متحركة) أو مجال مغناطيسي متغير أو كليهما.

هنا،μ​₀ هي نفاذية الفضاء الحر. توضح المعادلة كيف أن المجال المغناطيسي داخل منطقة معينة حول التيار في السلكييتغير مع هذا التيار ومع المجال الكهربائيه​.

بمجرد أن قام ماكسويل بإضفاء الطابع الرسمي على فهمه للكهرباء والمغناطيسية من خلال معادلاته ، بحث عن حلول مختلفة للمعادلات التي قد تصف ظواهر جديدة.

بما أن المجال الكهربائي المتغير يولد مجالًا مغناطيسيًا ويولد مجال مغناطيسي متغير مجال كهربائي ، قرر ماكسويل أن الموجة الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار يمكن أن تكون كذلك ولدت. باستخدام معادلاته ، قرر أن سرعة مثل هذه الموجة ستكون لها سرعة مساوية لسرعة الضوء. واتضح أن ذلك لم يكن مصادفة ، وأدى إلى اكتشاف أن الضوء شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي!

بشكل عام ، الموجات هي تذبذبات في وسط ينقل الطاقة من مكان إلى آخر. للموجات طول موجي ودورة وتردد مرتبط بها. السرعةالخامسللموجة هو طولها الموجيλمرات تواترهاFأو λf = v.

وحدة الطول الموجي للنظام الدولي للوحدات هي المتر ، على الرغم من أن النانومترات يتم مواجهتها بشكل متكرر لأنها أكثر ملاءمة للطيف المرئي. يتم قياس التردد بالدورات في الثانية (s^-1) أوهيرتز(هرتز) ، بعد هاينريش هيرتز. الفترةتيمن الموجة هي المدة التي تستغرقها لإكمال دورة واحدة ، أو 1 / f.

بالنسبة لحالة الموجة الكهرومغناطيسية ، على عكس حالة الموجات الميكانيكية ،الخامسثابت في جميع المواقف ، مما يعني ذلكλيختلفعكسيامعF. وهذا يعني أن الترددات الأعلى تعني أطوال موجات أقصر في حالة معينةالخامس. يشير مصطلح "التردد العالي" أيضًا إلى "الطاقة العالية" ؛ وهي الطاقة الكهرومغناطيسيةهبالجول (J) يتناسب معF، عن طريق عامل يسمى ثابت بلانكح​ (= 6.62607 × 10^-34 ي).

• معادلة الموجة هيy = A sin (kx - t)، أينأالسعةxهو الإزاحة على طول المحور السيني ،كهو عدد الموجة 2π / ك ، و

​ω​

هو التردد الزاوي 2π / T.

تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من مجال كهربائي (ه) موجة تتأرجح في مستوى عمودي (بزوايا قائمة) على مجال مغناطيسي (ب) لوح. إذا كنت تتخيل نفسك كأنك تمشي بموجة كهرومغناطيسية ("تنتشر") عبر أرضية مستوية ، فإنهيتأرجح مكون الموجة في مستوى عمودي عبر جسمك وبتتذبذب الموجة داخل الأرضية الأفقية.

نظرًا لأن الإشعاع الكهرومغناطيسي يعمل كموجة ، فإن أي موجة كهرومغناطيسية معينة سيكون لها تردد وطول موجة مرتبط بها. هناك قيد آخر وهو أن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية ثابتة عند c = 3 × 10⁸ م / ث ، السرعة التي ينتقل بها الضوء في الفراغ (تُستخدم أيضًا لسرعة الضوء في الهواء لتقريب قريب). وبالتالي ، يرتبط التردد المنخفض بأطوال موجية أطول والعكس صحيح.

لا تتطلب الموجات الكهرومغناطيسية وسيطًا مثل الماء أو الغاز لتنتشر من خلاله ؛ وبالتالي ، يمكنهم اجتياز فراغ الفضاء الفارغ نفسه بأسرع سرعة في الكون بأسره!

يتم إنتاج الموجات الكهرومغناطيسية عبر نطاق هائل من الترددات والأطوال الموجية. بدءًا من التردد المنخفض (طاقة أقل) وبالتالي الطول الموجي الأطول ، فإن الأنواع المختلفة من الإشعاع الكهرومغناطيسي هي:

• ​موجات الراديو(حوالي متر واحد وأكثر): يمتد إشعاع الترددات الراديوية الكهرومغناطيسي من حوالي 20.000 إلى 300 مليار هرتز. هؤلاء "يطيرون" ليس فقط حول العالم ولكن في أعماق الفضاء ، وأدى تسخيرها من قبل ماركوني في مطلع القرن العشرين إلى إحداث ثورة في عالم البشر الاتصالات.
• ​المايكرويف(حوالي 1 ملم إلى 1 متر): يمكن أن تخترق هذه أيضًا الفضاء ، لكنها مفيدة في تطبيقات الطقس لأنها يمكن أن تخترق أيضًا السحب.
• ​موجات الأشعة تحت الحمراء(700 نانومتر إلى 1 مم): الأشعة تحت الحمراء ، أو "ضوء الأشعة تحت الحمراء" ، هي مادة نظارات "الرؤية الليلية" وغيرها من معدات التحسين البصري.
• ​ضوء مرئي(400 نانومتر إلى 700 نانومتر): تمتد الموجات الضوئية في الطيف المرئي على جزء صغير من تردد الموجة الكهرومغناطيسية ونطاق الطول الموجي. عيناك ، بعد كل شيء ، هي المنتج المحافظ إلى حد ما لما تحتاجه الطبيعة لجمعه من أجل البقاء على قيد الحياة اليومية.
• ​ضوء الأشعة فوق البنفسجية(10 نانومتر إلى 400 نانومتر): الأشعة فوق البنفسجية هي ما يسبب حروق الشمس وربما الأورام الخبيثة الجلدية أيضًا. ومع ذلك ، لم تكن أسرة التسمير موجودة بدونها.
• ​الأشعة السينية(حوالي 0.01 نانومتر إلى 10 نانومتر): هذا الإشعاع عالي الطاقة هو وسيلة مساعدة تشخيصية مذهلة في الطب ، ولكن يجب موازنة ذلك مع قدرتها على التسبب في أذى جسدي لأنفسهم في المستوى الأعلى التعرض.
• ​أشعة غاما(<0.01 نانومتر): كما تتوقع ، هذه طاقة عالية جدًا وبالتالي فهي إشعاع مميت. لولا أن الغلاف الجوي للأرض يحجب معظمها ، لما كانت الحياة في شكلها الحالي قادرة على الاستمرار منذ بلايين السنين. يتم استخدامها لعلاج الأورام الشديدة بشكل خاص.

لأن الإشعاع الكهرومغناطيسي له خصائص الموجة ، وسيعمل مثل الموجة عند قياسه على هذا النحو ولكنه أيضًا يعمل مثل الجسيم (يسمىالفوتون) عند القياس على هذا النحو ، نقول أن لها ازدواجية موجة جسيم.

ينتج التيار الثابت مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا ، بينما يؤدي التيار المتغير إلى مجال مغناطيسي متغير. إذا كان التغيير ثابتًا ودوريًا ، يُقال إن الموجات (والحقول المرتبطة بها) تتأرجح ، أو "تتذبذب" بسرعة ذهابًا وإيابًا في المستوى.

يعمل نفس المبدأ الأساسي في الاتجاه المعاكس: يحث المجال المغناطيسي المتذبذب مجالًا كهربائيًا متذبذبًا.

تنتج الموجات الكهرومغناطيسية من هذا التفاعل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية. إذا تحركت الشحنة للخلف وللأمام على طول السلك ، فإنها تخلق مجالًا كهربائيًا متغيرًا ، والذي بدوره يخلق مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا ، والذي ينتشر ذاتيًا كموجة كهرومغناطيسية ، قادرة على الانبعاث الفوتونات. هذا مثال على تقاطع موجتين عرضيتين (وحقول) مع بعضهما البعض لتشكيل موجة عرضية أخرى.

• يمكن للذرات والجزيئات أن تمتص وتصدر ترددات معينة من الإشعاع الكهرومغناطيسي المتسق مع مستويات الطاقة الكمية المرتبطة بها.

غالبًا ما يخلط الناس بين هذين النوعين من الموجات لمجرد أنهم على دراية بالاستماع إلى الراديو. لكن موجات الراديو ، كما تعلمون الآن ، هي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. يسافرون بسرعة الضوء وينقلون المعلومات من محطة الراديو إلى الراديو الخاص بك. ومع ذلك ، يتم تحويل هذه المعلومات بعد ذلك إلى حركة مكبر الصوت ، والتي تنتج موجات صوتيةطوليموجات في الهواء (مثل تلك الموجودة في البركة بعد أن تزعجها صخرة ملقاة).

• تنتقل الموجات الصوتية بسرعة 343 م / ث في الهواء ، وهي أبطأ بكثير من موجات الراديو ، وتتطلب وسيطًا تنتقل من خلاله.

تسمح ظاهرة تسمى انزياح تردد دوبلر في الإشعاع الكهرومغناطيسي لعلماء الفيزياء الفلكية بمعرفة ما إذا كانت الأجسام في الفضاء تتحرك نحونا أم بعيدًا عنا ، لأن جسمًا ثابتًا ينبعث منه موجات كهرومغناطيسية سيُظهر نمطًا مختلفًا عن ذلك الذي يتحرك ، بالنسبة إلى مراقب ثابت.

تسمح تقنية تسمى التحليل الطيفي للكيميائيين بتحديد تكوين الغازات. يحمي الغلاف الجوي للأرض المحيط الحيوي من أكثر الأشعة فوق البنفسجية ضررًا وأشعاعات أخرى ذات طاقة أعلى مثل أشعة جاما. سمحت أفران الميكروويف لطهي الطعام لطلاب الجامعات بإعداد وجبات الطعام في مساكنهم. تعد إشارات الهاتف الخلوي ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) إضافة حديثة نسبيًا ولكنها مهمة بالفعل إلى قائمة التقنيات التي تعتمد على طاقة EM.