ما هي الموجات الكهرومغناطيسية؟ وما هي أبرز الخصائص العامة التي تميزها؟

أشعة الموجات الكهرومغناطيسية وما الخصائص العامة للموجات الكهرومغناطيسية

1-1 الأشعة (الموجات الكهرومغناطيسية) 

الاشعة (الموجات الكهرومغائطيسية) هي صورة من صور الطاقة التي لا تستند على كتلة مادية، أي انها كيان غير مادي وعديم الكتلة . وانما هي طاقة متمثلة في صورة مجالين احدهما الكهربائي والآخر مغناطيسي يتغيران بمرور الزمن وبتغير الموضع. ويمكن انت تتولد الموجات الكهرومغناطيسية من مصادر متنوعة ومختلفة فمنها ما يتولد عن الشحنات الكهربائية المتسارعة او المتباطئة عن التيارات الكهربائية المترددة ومنها ما يتولد من الاجسام الساخنة غير المتوهجة او من الاجسام الملتهبة المتوهجة . كذلك يمكن ان تتولد الموجات الكهرو مغناطيسي عندا الانتقال الالكترونات بين المدارات المختلفة في الذرة أو نتيجة لاضمحلال طاقة الاثارة في نواة الذرة . وسوف يفصل مصادر توليد الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة في الفقرات اللاحقة.

وتختلف بعض خصائص الموجات (الاشعة) الكهرومغناطيسية اختلافاً هائلاً بتغير مصدر توليدها رغم اشتراكها في عداد من الخصائص العامة مهما تغير المصدر وسوف يرد فيما يلي سرد لبعض الخصائص العامة للموجات الكهرومغناطيسية .

2-1 الخصائص العامة للموجات الكهرومغناطيسية

الموجة الكهرومغناطيسية المسماة أحياناً بالفوتون ، وسوف يرد شرح ذلك لاحقاً) هي عبارة عن مجالين متغيرين متناوبين) احدهما كهربائي والآخر مغناطيسي تتغير شدتهما بتغير الزمن والموضع، وينتشران معاً في مستويين متعامدين فيما بينهما بحيث يكون يكون المجال الكهربائي في احد هذين المستويين . ويكون المجال المغناطيسي بالتالي في المستوى الآخر العمودي على الأول وتنتشر الموجة من نقطة التوليد في اتجاه المستقيم الذي يمثال مستقيم تلاقي هذين المستتويين المتعامدين كما في الشكل (1-1)

الشكل (1-1) يبين شكل الموجة الكهرومغناطيسية

ويتغير كل من المجالين الكهربائي والمغناطيسي بين قيمة موجبة قصوى يطلق عليها اسم “القمة” واخرى سالبة قصوى يطلق عليها اسم “القاع”، مروراً بالصفر ويحدث التغير وفق العلاقة الرياضية بسيطة تعرف بالدالة التوافية البسيطة المبنية على شكل (1-1) وتوصف الموجات الكهرومغناطيسية بأنها موجات مستعرضة .

طبيعتها ، ويتجلى ذلك بوضوح على شكل (1-1) حيث يكون اتجاه انتشار الموجة من نقطة تولدها ، دائماً عمودية على اقصر المستقيمات الواصلة بين قسم الموجة او قيعاتها وخط الانتشار. وبمعنى آخر فإنه بفرض أن المركبة الكهربائية للموجة الكهرومغناطيسية تتغير من القمة للقاع في المستوى (y, y) . كما في الشكل (1-1). ان مستوى تغير المجال المغناطيسي هو المستوى (z, z) العمودي على المستوى الأول يكون اتجاه انتشار الموجة هو اتجاه المحور السيني.

وتصل الموجتان الكهربائية والمغناطيسية إلى القمة معاً كما تؤولان معاً للصفر شكل (1-1) كل في مستوى انتشارها ويطلق على هذه الموجة اسم الموجة المستوية ، نظراً لانتشارها كل من المجالين الكهربائي والمغناطيسي في مستويين منفصلين ومتعامدين .

وقد توصف الموجات الكهرومغناطيسية بأنها موجات مستقطبة وقد يكون الاستقطاب أفقياً أو رأسيا بالنسبة لسطح الأرض أو في أي اتجاه آخر ويستخدم الاستقطاب الافقي او الرأسي في الارسال التلفزيوني وغيره. ويقصد بالموجات المستقطبة افقيا ان تنتشر المركبة الكهربائية لجميع الموجات الكهرومغناطيسية في المستوى الأفقي أي الموازي لسطح الأرض، في حين تنتشر المركبة المغناطيسية لهذه الموجات في المستوى الرأسي ) أي العمودي على سطح الأرض اما بالنسبة للموجات المستقطبة رأسياً فتنتشر المركبة الكهربائية في المستوى الرأسي في حين تنتشر المركبة المغناطيسية في المستوى الأفقي .

وتتميز كل موجة بكمية فيزيائية يطلق عليها طول الموجة” يرمز لها في المراجع عادة بالرمز لامدا ( وهي عبارة عن المسافة بين اي قمتين متتاليتين، او قاعين متتاليين للمجال الكهربائي والمغناطيسي). وتختلف أطوال الموجات الكهرومغناطيسية احتلافا هائلاً تبعاً لشريحة هذه الموجات ، وتتروح هذه الاطوال بين أكثر من ألف كيلومتر للموجات الكهرومغناطيسية الطويلة اي منخفضة الطاقة. وحوالي الفمتومتر ( الفمتومتر ويعادل 15-10×1 من المتر). كما تتميز أي موجة الكهرومغناطيسية بكمية اخرى يطلق عليها “تردد الموجة” ، وهو عدد يمثل عدد الموجات الكاملة ( الاهتزازات الكاملة ) في ثانية واحدة. ويقاس التردد بوحدة أطلق عليها هيرتز ، تخليداً لذكرى العالم الذي توصل الى توليد هذه الموجات والكشف عنها عملياً لأول مرة وعندما يقال تجاوزا أن تردد الموجة يساوي الهيرتز الواحد فإن هذا يعني تكرار الشكل الأمل للموجة مرة واحده في الثانية ، وعندما يقال ان التردد 50 ميغا هيرتز فهذا يعني ان الموجة الكاملة تتكرر 50 مليون مرة في الثانية الواحدة تترواح ترددات الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة بين حوالي عدة عشرات من الهيرتز بالنسبة للموجات فائقة الطول أي منخفضة الطاقة، وبين أكثر من 23-10 هيرتز بالنسبة للموجات شديدة القصر أي فائقة الطاقة مثل إشعاعات جاما)

ويرتبط طول الموجة( بالمتر ) وترددها F ( بالهيرتز ) لاية موجة كهرومغناطيسية مع سرعة الضوء C (بالمترا ثانية) في الفراغ بعلاقة بسيطة هي:

C=Fλ

وجدير بالذكر ان شدتي المجالين الكهربائي E والمغناطيسي B يرتبطان في اية لحظة بعلاقة بسيطة حددها ماكسويل وهي : E = CB حيث C هي سرعة الضوء في الفراغ، ونظراً لضخامة سرعة الضوء من حيث المقدار حوالي ثلاثمئة مليون متر في الثانية من هنا يتضح أن شدة المجال الكهربائي يكون محسوسة من الناحية العملية بالمقارنة بشدة المجال المغناطيسي . لذلك يسهل التقاط المركبة الكهربائية للموجة الكهرومغناطيسية بواسطة هوائيات الاستقبال اللاسلكي . وتقوم اسس عمل جميع الهوائيات المستخدمة للبث او الاستقبال على استخدام المركبة الكهربائية .

وتتحدد الطاقة الكهرومغنطيسية التي تحملها الموجة الكهرومغناطيسية الفوتون) من تردد الموجة F بعلاقة خطية طردية استنتجها انشتاين وهي :

E=hf

حيث هو ثابت يعرف باسم ثابت بلانك ويساوي 34-6,6310 جول. ثانية

ويمكن حساب الطاقة الاجمالية لحزمة من الموجات الكهرومغناطيسية وحيدة الطاقة التي تسري خلال وحدة الاسطح من مساحة عمودية على اتجاه الانتشار، وذلك يضرب عدد الموجات الفوتونات) في طاقة كل موجة (فوتون) تخترق وحدة المساحات باستخدام الطاقة المحسوبة من علاقة اينشتين.

مثلما تتميز الموجة الكرومغناطيسية رغم عدم وجود كتلة لها فانها تتميز كذالك بزخم ( Momentum يمكن حسابه بيسر ، بقسمة طاقة الموجة E على سرعة الضوء في الفراغ C ، وفقاً للعلاقة التي اشتقها ماكسويل. وبالتالي فإنه عندما وتسقط موجة كهرومغناطيسية (فوتون) على سطح ما وتمتص فيه يقع على هذا السطحضغط يمكن حسابه بيسر من الزخم. وعندما يكون السطح عاكساً مثالياً يتضاعف الزخم الواقع على السطح وفقاً لقوانين الحفاظ الزخم، وبالتالي يتضاعف الضغط الواقع على هذا السطح .

2-2 – الفوتون والموجة الكهرومغناطيسية

ثبت من دراستنا للضوء المرئي كأحد صور الموجات الكهرومغناطيسية أن الضوء يسلك مسلك الموجات الكهرومغناطيسية في بعض الظواهر كالانعكاس والانكسار والاستقطاب وغيرها. ويمكن شرح جميع هذه الظواهر بدقة في ضوء الطبيعة الموجية للضوء ، أي على اساس اعتبار الضوء موجة كهرومغناطيسية. أما بالنسبة لبعض الظواهر الأخرى كاستطارة الضوء أي حيوده عن مساره أو الظاهرة الكهروضوئية التي تتمثل في امكانية تحرر وانطلاق الإلكترونات من أسطح بعض الفلزات والمواد عند سقوط الضوء عليها ولبعض الظواهر الأخرى، فإنه يستحيل شرح هذه الظواهر استناداً إلى الطبيعة الموجية للضوء، وانما يمكن شرح هذه الظواهر بيسر باعتبار أن كل موجة يمكن تمثيلها بجسيم وحيد عديم الكتلة عند السكون يطلق عليه اسم فوتون Photon

ويقال أن هذا الفوتون هو حامل المجالين الكهربائي والمغناطيسي. وهكذا تنصف الموجات الكهرومغناطيسية بخضوعها لمبدأ عرف باسم مبدأ الأزدواجية “Duality” . الذي يمثل في أن الموجة الكهرومغناطيسية يمكن ان تسلك مسلك الموجة بالنسبة لبعض الظواهر ومسلك الجسيم عديم الكتلة بالنسبة لبعض الظواهر الأخرى.

لذلك جرت العادة عند ذكر مصطلح موجة كهرومغناطيسية وحيدة (منفردة) أن يطلق عليها اسم الفوتون . وعند الحديث عن حزمة من الموجات فإنه يمكن التعبير عن ذلك بحزمة من الفوتونات .