يصعب تفسير التفاعلات الكهربائية والمغناطيسية بعبارات غير تقنية. لأنه يتعين على المرء أن يصف التفاعلات من منظور “مجالات القوة” غير المرئية التي تتحول، وتتوسع، وتتقلص، وتقوى، وتضعف، وتدور في الفضاء، ومن الصعب للغاية وصفها بشكل مناسب في المصطلحات اللفظية. من الناحية الرياضية، يلزم وجود مجموعات مقترنة من المعادلات التفاضلية المتجهة ثلاثية الأبعاد التي يصعب تصورها.
كيف تنشأ القوة الكهربائية؟
تنشأ القوة الكهربائية بواسطة الشحنات الكهربائية لجميع الأغراض العملية، يحتوي العالم من حولك على نوعين فقط من الجسيمات المشحونة: البروتونات، التي لها شحنة +1 في الوحدات الذرية، والإلكترونات، التي تبلغ شحنتها -1. هناك عدة مئات من الجسيمات المشحونة الأخرى، لكن جميعها تقريباً غير مستقرة وتتفكك في نطاقات زمنية أقصر من جزء من المليار من الثانية، مثل الطاقة والزخم، ليتم الحفاظ على الشحنة الكلية للكون.
يمكنك إنشاء أو تدمير شحنة موجبة طالما أنّك تقوم أيضاً بإنشاء أو تدمير كمية متساوية من الشحنة السالبة، لكن المجموع الجبري لا يمكن أن يتغير. لذلك فإنّ إجمالي الشحنة الكهربائية في الكون يساوي صفراً تماماً. القوة الكهروستاتيكية بين شحنتين نقطتين معطاة بموجب “قانون كولوم”:
F = k q1 q2 / r2
حيث:
k = الثابت الإلكتروستاتيكي = 8.99 × 109 كجم م 3 / ث 2 كول 2، r = المسافة بين الشحنتين، وq1 وq2 هما الشحنتان المقاستان بوحدة كولوم. (واحد كولوم = الشحنة على 6.24 × 1018 إلكتروناً. لذلك، يحمل بروتون أو إلكترون شحنة مقدارها ± 1.602 × 19-10كولوم).
إذا كان لكل من (q1 وq2) نفس الإشارة، فإنّ القوة الكهروستاتيكية تكون متنافرة. وإذا كانت لديهم إشارات متعاكسة، فإنّ القوة تكون قوة تجاذب. لاحظ كيف تبدو صيغة القوة الكهروستاتيكية، تماماً مثل تلك الخاصة بالجاذبية، كل ما علينا فعله هو استبدال ثابت الجاذبية (G) بالثابت الكهروستاتيكي (k)، وتبديل كتلة الشحنة.
وصف المجال المغناطيسي:
لا يتم وصف الحقول المغناطيسية الساكنة بواسطة معادلة بسيطة، لأنّ المغناطيس له دائماً قطب شمالي وقطب جنوبي، لذلك فإنّ المجال المغناطيسي دائماً ما يتم ربطه من قطب إلى آخر. إذا غمر المرء مغناطيساً في سائل ثقيل يحتوي على برادة حديد، فإنّ برادة الحديد ستصطف نفسها على طول المجال المغناطيسي، وبالتالي تكشف عن شكل الحقل المغناطيسي. يُطلق على كل من هذه الحقول اسم الحقول “ثنائية القطب”، لأنّها تم إنشاؤها بواسطة قطبين. على الرغم من عدم وجود صيغة بسيطة للقوة المغناطيسية، إلّا أنّ هناك ثابت للقوة المغناطيسية (m)، والذي يكافئ “k” للمجالات الكهربائية و”G” للجاذبية، (m) تساوي (1.26 × 6- 10 in metric units).
كيف يتفاعل المجال المغناطيسي مع جسم مشحون؟
إذا كانت الشحنة في حالة سكون، فلا يوجد تفاعل. ولكن إذا تحركت الشحنة، فإنّها تتعرض لقوة يزداد حجمها بالتناسب المباشر مع سرعة الشحنة. القوة لها اتجاه عمودي على كل من اتجاه حركة الشحنة واتجاه المجال المغناطيسي. هناك اتجاهان محتملان بدقة متعاكسة لمثل هذه القوة لاتجاه حركة معين. يتم حل هذا الغموض الظاهري من خلال حقيقة أنّ أحد الاتجاهين ينطبق على القوة المؤثرة على شحنة موجبة متحركة بينما ينطبق الاتجاه الآخر على القوة المؤثرة على شحنة سالبة متحركة، اعتماداً على الاتجاه الأولي لسرعة الجسيمات في المجال المغناطيسي، فإنّ الشحنات التي لها سرعة ثابتة في مجال مغناطيسي موحد ستتبع مساراً دائرياً أو حلزونياً.
التيارات الكهربائية في الأسلاك ليست المصدر الوحيد للمجالات المغناطيسية. تظهر المعادن الطبيعية خصائص مغناطيسية ولها مجالات مغناطيسية. تنتج هذه المجالات المغناطيسية عن حركة الإلكترونات في ذرات المادة. كما أنّها ناتجة عن خاصية للإلكترونات تسمى “العزم المغناطيسي ثنائي القطب”، والتي ترتبط بالدوران الفعلي للإلكترونات الفردية. في معظم المواد، يلاحظ وجود مجال ضئيل أو معدوم خارج المادة بسبب التوجيه العشوائي للذرات المكونة المختلفة. ومع ذلك، ففي بعض المواد مثل الحديد، تميل الذرات الموجودة ضمن مسافات معينة إلى الاصطفاف في اتجاه واحد معين.
الكهرومغناطيسية:
تعد الكهرباء والمغناطيسية في الأساس جانبين لشيء واحد، لأنّ المجال الكهربائي المتغير يخلق مجالاً مغناطيسياً، ويخلق المجال المغناطيسي المتغير مجالاً كهربائياً، (هذا هو السبب في أنّ الفيزيائيين عادةً ما يشيرون إلى “الكهرومغناطيسية” أو القوى “الكهرومغناطيسية” معاً، وليس بشكل منفصل). لإثبات أنّ تياراً كهربائياً (أي شحنة كهربائية متحركة) يولد مجالاً مغناطيسياً، كل ما عليك فعله هو وضع بوصلة مغناطيسية بجوار سلك في الدائرة.
عندما يمر التيار عبر السلك، تنحرف البوصلة، مما يشير إلى وجود مجال مغناطيسي يدور حول السلك. في الواقع، هذا هو بالضبط كيف تم اكتشاف المجال المغناطيسي للتيار الكهربائي. في عام 1819م، كان البروفيسور “هانز أورستد” من جامعة كوبنهاغن يلقي محاضرة عن التيارات الكهربائية وأيضاً عن المغناطيس. وحدث أن ترك بوصلة بجوار سلك موصل، وفي منتصف المحاضرة لاحظ أنّ التيار كان يحرف البوصلة.
من المهم أن نفهم أنّ “قانون كولوم” يشار إليه على أنّه قانون القوة الكهروستاتيكية. القوى بين الشحنات الكهربائية المتحركة أكثر تعقيداً، وفي الواقع، ما نسميه “المجال المغناطيسي” هو في الواقع نتيجة لتحريك الشحنات على بعضها البعض. الحقول المغناطيسية الساكنة في مواد مثل الحديد ناتجة بشكل أو بآخر عن حركة الإلكترونات داخل الذرات.
يمكن للمرء أيضاً استخدام المغناطيس وبعض حلقات الأسلاك لإظهار عكس ما سبق: أنّ المجال المغناطيسي المتغير يخلق تياراً كهربائياً. (وهذا ما يسمى بالحث) عن طريق تحريك المغناطيس ببساطة عبر ملف من الأسلاك، يمكن للمرء بسهولة اكتشاف التيار المتدفق في الملف باستخدام مقياس التيار الكهربائي الحساس. ولكن إذا ظل المغناطيس ثابتاً داخل الحلقة، فلن يحدث شيء. فقط المجال المغناطيسي المتغير يؤدي إلى تيارات كهربائية. وبالمثل، فإنّ الرسوم المتحركة فقط (التيارات) هي التي تؤدي إلى ظهور مجالات مغناطيسية. الشحنات غير المتحركة تنتج فقط “قوة كولوم”.
تطبيقات على الكهرومغناطيسية:
المولد الكهربائي التجاري هو أكثر بقليل من ملف من الأسلاك يتم تدويره داخل ترتيب دائري للمغناطيس. والمحرك الكهربائي هو أكثر بقليل من ملف يحمل تياراً يتفاعل مجاله المغناطيسي مع مجال ترتيب دائري للمغناطيس. بمعنى آخر، الاختلاف الوحيد بين المولد والمحرك هو ما إذا كنت تضع القوة لإخراج التيار، أو تضعها في التيار لإخراج القوة. نوعا الأجهزة متماثلان تماماً.
إذا قمت بتشغيل الشفرة على مروحة كهربائية بإصبعك، فهذا يعني أنّك قد حولتها إلى مولد كهربائي. غالباً ما أثبتت هذه الحقيقة باستخدام مولدات كهربائية محمولة باليد. من خلال تشغيل ذراع المولد على مولد واحد، يمكنك إرسال تيار كافٍ عبر مصباح صغير لجعله يضيء. هذا يثبت أنّه مولد. ولكن من خلال توصيل مولدين متطابقين ببعضهما البعض، يمكنك أيضاً أن توضح أنّ تحريك المقبض على أحد المولدات يجعل المقبض الموجود على المولد الآخر يدور من تلقاء نفسه، مما يثبت أنّ المولد الثاني يعمل الآن كمحرك.
نظرية ماكسويل:
في عام 1864م استخلص الفيزيائي الاسكتلندي “جيمس كلارك ماكسويل” مجموعة من المعادلات للكهرومغناطيسية والتي نسميها اليوم “معادلات ماكسويل”. أثناء عمله على هذه المعادلات، خطر ببال ماكسويل أنّه إذا كان بإمكان المرء بطريقة ما إنتاج مجال مغناطيسي غير متجسد في الفضاء، وضبطه على التذبذب (oscillating)، فإنّه سينتج مجالاً كهربائياً، (نفس الطريقة التي يمكن أن يحفز بها المجال المغناطيسي المتذبذب تياراً كهربائياً) بعد ذلك، ينتج المجال الكهربائي المتذبذب مجالاً مغناطيسياً، وهكذا، في دورة لا نهاية لها.
كان ماكسويل قادراً على إظهار أنّه إذا تم إنشاء مثل هذا الشيء، فإنّ المجالين الكهربائي والمغناطيسي سوف يتأرجحان بزاوية قائمة مع بعضهما البعض (موجة واحدة ترتفع وتنخفض، والأخرى تدخل وتخرج) وستنتقل معاً أثناء التحول طاقتهم ذهاباً وإياباً حيث أنّهم يعيدون توليد بعضهم البعض باستمرار وديناميكياً. بعبارة أخرى، سيكون لديك مجالات كهربائية ومغناطيسية موجودة من تلقاء نفسها، بدون شحنات، ولا مغناطيس، ولا كتل. حسب ماكسويل أنّ سرعة هذه الموجة ستكون:
½(v = (4p k / m
حيث (k) و(m) هي ثوابت القوة الكهربائية والمغناطيسية. إذا أدخلنا القيم المعطاة سابقاً، فلدينا:
½(4 × 3.14159×8.99×109/1.26×10-6) = 2.99 × 108 m/s
وهي سرعة الضوء. على الرغم من أنّ هذا لم يثبت أنّ الضوء كان عبارة عن زوج الموجات المغناطيسية والكهربائية المتعامدة بشكل متبادل الذي تصوره ماكسويل، إلّا أنّه كان بالتأكيد موحياً، واقترح ماكسويل أنّ الضوء كان موجة كهرومغناطيسية. كان توقع ماكسويل أنّ مجالاً كهربائياً متغيراً يولد مجالاً مغناطيسياً بمثابة ضربة رئيسية للنظرية النقية (pure theory). وحدت معادلات ماكسويل للحقل الكهرومغناطيسي كل ما كان معروفاً حتى الآن عن الكهرباء والمغناطيسية وتوقعت وجود ظاهرة كهرومغناطيسية يمكن أن تنتقل كموجات بسرعة (1/Square root of√ε0μ0 ) في الفراغ.
هذه السرعة، التي تستند إلى ثوابت تم الحصول عليها من قياسات كهربائية بحتة، تتوافق مع سرعة الضوء. وبالتالي، توصل ماكسويل إلى أنّ الضوء نفسه كان ظاهرة كهرومغناطيسية. لاحقًا، افترضت النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين أنّ قيمة سرعة الضوء مستقلة عن حركة مصدر الضوء. منذ ذلك الحين، تم قياس سرعة الضوء بدقة متزايدة. في عام 1983م تم تحديده ليكون بالضبط (299,792,458) متراً في الثانية.
توفي ماكسويل وترك للآخرين إكمال عمله. خلال سبعينيات وثمانينيات القرن التاسع عشر، تم تطبيق معادلاته على عدد من المشاكل في الكهرومغناطيسية. أصبح من الواضح تدريجياً لعدد من الأشخاص أنّ معادلات ماكسويل تنبأت بأنّ الموجات الكهرومغناطيسية يجب أن تنتج دائماً في أي وقت تكون فيه الشحنات الكهربائية تحت التسارع. بعبارة تقريبية، فإنّ الشحنات المتسارعة دائماً “تلقي” الموجات الكهرومغناطيسية، مثل القارب السريع الذي يلقي بالموجات المائية. تشكل الموجات الكهرومغناطيسية طيفاً كاملاً مثل موجات الراديو والميكروويف والضوء والأشعة السينية.
