1. الضوء والإشعاع
الموجات الكهرومغناطيسية (1 \ 4)
عنوان هذه الفقرة يشير إلى أن موجات الضوء لها علاقة بالكهرباء و بالمغناطيسية. و هذه في الواقع واحدة من أبرز النتائج التي توصلت إليها الفيزياء الكلاسيكية في القرن التاسع عشر. كيف حدث كل ذلك؟
- كانت الكهرباء معروفة منذ عصر اليونانيين القدماء. فكلمة ألكترون مشتقة من الكلمة اليونانية ηλεκρον, والتي تعني كهرمان. حيث أن فرك قطعة من الكهرمان مع الفراء ينتج شحنات كهربائية و التي تجذب بدورها الريش، ويمكن أن تحدث شرارا عندما توضع بالقرب من الأجسام الأرضية. كما كانت المعادن الممغنطة التي تجذب الأجسام الحديدية معروفة في ذلك الحين.
- في عام 1820 إكتشف عالم الفيزياء الدنماركي Hans Christian Ørsted وجود صلة بين الكهرباء والمغناطيسية: فالتيار الكهربائي المار في سلك يمكنه تحريك إبرة البوصلة عن وجهتها المعتادة. وبالتالي فإن التيارات الكهربائية تؤدي إلى المجالات المغناطيسية حول السلك التي تؤثر بقوة بالأجسام المغناطيسية. و كانت هذه بداية الديناميكا الكهربائية.
- في عام 1831 وجد عالم الفيزياء الإنجليزي Michael Faraday أن تحريك مغناطيس يدفع بتيار كهربائي في السلك. و قد بين أن المجالات المغناطيسية المختلفة تسبب مجالات كهربائية حول خطوط المجال المغناطيسي.
- أخيرا و في عام 1856 قام James Clerk Maxwell بمحاولة لجمع النتائج المتوصل إليها سابقا في نظرية واحدة. تفسر معادلات Maxwell الشحنات الكهربائية بإعتبارها مصدر المجالات الكهربائية، في حالة عدم وجود المجالات المغناطيسية. بدلا من ذلك إن الحقول المغناطيسية ناجمة عن تيارات كهربائية أو حقول كهربائية متفاوتة زمنيا. بالمثل لهذه الأخيرة تحث الحقول المغناطيسية المتفاوتة زمنيا الحقول الكهربائية.يبدو هذا معقدا للغاية. و لكن الصيغة الرياضية واضحة و مباشرة، و تعطي معادلات متماثلة جدا بما يتعلق بالمجال الكهربائي والمجال المغناطيسي. و تعتبر من بين أجمل المعادلات في الفيزياء! ولكننا بحاجة لحسابات التفاضل والتكامل لشرحها، لكنها في النهاية تخرج عن نطاق هذا البرنامج التعليمي. ستتعلم عنها في دروس الفيزياء أو بقراءة المزيد عن معادلات Maxwell في الملحق رقم 1.
ما علاقة كل ما سبق ذكره مع الموجات الكهرومغناطيسية؟ حسنا، تذكر أن الشحنات و التيارات الكهربائية تحدث المجالات الكهربائية والمغناطيسية. كما يبدو للعيان، لا توجد مثل هذه المجالات في ظل عدم وجود الشحنات و التيارات. لكن هناك إستثناء: كلا النوعان، المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتفاوتة زمنيا يمكن أن يوجدا في حالة عدم وجود شحنات و تيارات كهربائية! كلا هذان المجالان يدعان الموجات الكهرومغناطيسية.
يمكن للمرء أن يثبت بمعادلات Maxwell أن متجهات المجالات المغناطيسية و الكهربائية دائما متعامدة مع بعضها البعض. و كلاهما عمودي على إتجاه إنتشار الموجات و بالتالي فإن الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات مستعرضة.
إن الطابع المستعرض للموجات الكهرومغناطيسية مبين في الرسم البياني أدناه.
يبين الرسم البياني في الأعلى مستوى موجة أحادية اللون والذي هو أبسط مثال على الموجة. ألقي نظرة على الموجة المنتشرة في الرسم المتحرك. ما هو مستوى موجة أحادية اللون؟
- تنتشر الموجات المستوية في إتجاه واحد فقط، هنا: على طول المحور x.
- الموجات أحادية اللون لها قيمة واحدة للطول الموجي و للفترة (و بالتالي التردد) فقط، كما يظهر في الصفحة السابقة.
من الواضح أن الموجات بهذه الخصائص المثالية يصعب الحصول عليها. ضوء النهار أو ضوء المصابيح يتألف من مزيج من موجات لها أطوال موجية وسعات مختلفة، ومسار إشعاعها متشتت. يمكن أن تنتج تقريبا الموجات أحادية اللون المستوية المثالية بالليزر. مبادئ الليزر وخصائص أشعة الليزر تم مناقشتها في وحدة بعنوان الليزر للإستشعار عن بعد.
