مفهوم الموجات الكهرومغناطيسية

الموجات الكهرومغناطيسية:

الأشعة الكهرومغناطيسية هي شكل من أشكال الطاقة الموجودة حولنا، وتتخذ العديد من الأشكال مثل موجات الراديو، الموجات الميكروية، الأشعة السينية، وأشعة جاما، ويُعد ضوء الشمس أحد أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية، أما الضوء المرئي ليس سوى جزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي، والذي يحتوي على مجموعة واسعة من الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية.

الموجات الكهرومغناطيسية والميكانيكية:

الموجات الميكانيكية والموجات الكهرومغناطيسية طريقتان مهمتان تنتقل بهما الطاقة في العالم من حولنا، حيث تعتبر الموجات في الماء والموجات الصوتية في الهواء مثالين على الموجات الميكانيكية.
تحدث الموجات الميكانيكية بسبب اضطراب أو اهتزاز في المادة، سواء كانت صلبة أو غازية أو سائلة أو بلازما، حيث تسمى المادة التي تنتقل خلالها الموجات بالوسط، كما تتشكل موجات الماء عن طريق الاهتزازات في السائل وتتكون الموجات الصوتية من الاهتزازات في الغاز (الهواء).
تنتقل هذه الموجات الميكانيكية عبر وسيط عن طريق التسبب في اصطدام الجزيئات ببعضها البعض، مثل قطع الدومينو المتساقطة التي تنقل الطاقة من واحدة إلى أخرى، إذ لا يمكن أن تنتقل الموجات الصوتية في فراغ الفضاء؛ لأنه لا يوجد وسيط لنقل هذه الموجات الميكانيكية.
وفي الموجات الكهرومغناطيسية يمكن أن تكون الكهرباء ثابتة، مثل الطاقة التي تجعل الشعر يقف على نهايته، كما يمكن أن تكون المغناطيسية أيضًا ثابتة، كما هو الحال في مغناطيس الثلاجة.
سيحدث المجال المغناطيسي المتغير مجالًا كهربائيًا متغيرًا والعكس صحيح – كلاهما مرتبطان، وهذه الحقول المتغيرة تشكل موجات كهرومغناطيسية، حيث تختلف الموجات الكهرومغناطيسية عن الموجات الميكانيكية من حيث أنها لا تتطلب وسيطًا للانتشار، وهذا يعني أن الموجات الكهرومغناطيسية يمكنها الانتقال ليس فقط عبر الهواء والمواد الصلبة، ولكن أيضًا عبر فراغ الفضاء.
في ستينيات وسبعينيات القرن التاسع عشر، طور عالم اسكتلندي يدعى جيمس كلارك ماكسويل نظرية علمية لشرح الموجات الكهرومغناطيسية، لقد لاحظ أن المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية يمكن أن تتحد معًا لتكوين موجات كهرومغناطيسية، كما لخص هذه العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية فيما يشار إليه الآن باسم “معادلات ماكسويل”.

الخصائص الفيزيائية:

يتكون الضوء من حزم منفصلة من الطاقة تسمى الفوتونات، حيث تحمل الفوتونات زخمًا، وليس لها كتلة، وتنتقل بسرعة الضوء، إذ أن كل الضوء له خصائص تشبه الجسيمات وتشبه الموجة.
إن الأداة التي تحيد الضوء إلى طيف للتحليل هي مثال على مراقبة خاصية الضوء الشبيهة بالموجة، إذ تُلاحَظ طبيعة الضوء الشبيهة بالجسيمات بواسطة أجهزة الكشف المستخدمة في الكاميرات الرقمية – تحرر الفوتونات الفردية الإلكترونات المستخدمة في اكتشاف بيانات الصورة وتخزينها.
الاستقطاب من الخصائص الفيزيائية للضوء أنه يمكن أن يكون مستقطبًا، إذ أن الاستقطاب هو قياس محاذاة المجال الكهرومغناطيسي، كما أن المجال الكهربائي (باللون الأحمر) مستقطب عموديًا، مثلاً إذا فكرنا في رمي طبق فريسبي على سياج اعتصام في اتجاه واحد سوف يمر في اتجاه آخر سيتم رفضه، هذا مشابه لكيفية قدرة النظارات الشمسية على التخلص من الوهج من خلال امتصاص الجزء المستقطب من الضوء.

وصف الطاقة الكهرومغناطيسية:

تشير مصطلحات الضوء والموجات الكهرومغناطيسية والإشعاع جميعها إلى نفس الظاهرة الفيزيائية: الطاقة الكهرومغناطيسية، حيث يمكن وصف هذه الطاقة بالتردد أو الطول الموجي أو الطاقة، إذ أن الثلاثة جميعها مرتبطة رياضيا بحيث إذا كنا نعرف واحدًا منها، فإنه يمكن حساب الاثنين الآخرين.
عادةً ما يتم وصف الراديو والميكروويف من حيث التردد (Hertz) والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي من حيث الطول الموجي (بالأمتار) والأشعة السينية وأشعة جاما من حيث الطاقة (إلكترون فولت)، هذه اتفاقية علمية تسمح بالاستخدام المريح للوحدات التي تحتوي على أرقام ليست كبيرة جدًا ولا صغيرة جدًا.

التكرر:

التكرر يوصف عدد القمم التي تمر بنقطة معينة خلال ثانية واحدة على أنها تردد الموجة، تسمى الموجة الواحدة – أو الدورة – في الثانية بـ Hertz (Hz)، نسبة إلى Heinrich Hertz الذي أسس وجود موجات الراديو، كما أن موجة ذات دورتين تمر بنقطة في ثانية واحدة لها تردد 2 هرتز.

الطول الموجي:

الموجات الكهرومغناطيسية لها قمم وقيعان مماثلة لتلك الموجودة في أمواج المحيط، كما أن المسافة بين القمم هي الطول الموجي، وأقصر الأطوال الموجية هي مجرد أجزاء من حجم الذرة، بينما أطول الأطوال الموجية التي يدرسها العلماء حاليًا يمكن أن تكون أكبر من قطر كوكبنا.

الطاقة:

يمكن أيضًا وصف الموجة الكهرومغناطيسية من حيث طاقتها بوحدات قياس تسمى إلكترون فولت (eV)، إذ أن الإلكترون فولت هو مقدار الطاقة الحركية اللازمة لتحريك إلكترون خلال جهد واحد فولت، كما تتحرك على طول الطيف من الأطوال الموجية الطويلة إلى القصيرة، حيث تزداد الطاقة مع تقصير الطول الموجي، فإذا وضعنا في الاعتبار حبل القفز مع نهاياته مشدودة لأعلى ولأسفل، هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة لجعل الحبل يحتوي على مزيد من الموجات.

الطيف الكهرومغناطيسي:

تمتد الأشعة الكهرومغناطيسية لمدى هائل من الأطوال الموجية والترددات، هذا المدى معروف بالطيف الكهرومغناطيسي، وينقسم الطيف الكهرومغناطيسي بشكل عام إلى سبع مناطق، وذلك حسب ترتيب تناقص الطول الموجي وزيادة الطاقة والتردد.
والتسميات الشائعة هي: موجات الراديو، الموجات الميكروية، الأشعة تحت الحمراء، الضوء المرئي، الأشعة الفوق بنفسجية، الأشعة السينية وأشعة جاما، وعادةً، ما يتم التعبير عن إشعاعات الطاقة المنخفضة مثل الموجات الراديوية بالتردد، ويتم التعبير عن الموجات الميكروية والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية بالطول الموجي ويتم التعبيرعن إشعاعات الطاقة العالية مثل الأشعة السينية وأشعة جاما على أنها الطاقة لكل فوتون.

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية:

الموجات الراديوية:

توجد الموجات الراديوية في المدى الأقل للطيف الكهرومغناطيسي بترددات تصل إلى 30 جيجاهيرتز أو 30 مليار هيرتز، وأطوال موجية أطول أكبر 10 ميلليمتر (0.4 بوصة)، ويُستخدم الراديو بشكل أساسي في مجال الاتصالات التي تتضمن أصواتاً وبيانات ووسائل ترفيهية.

الموجات الميكروية:

تقع الموجات الميكروية في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الموجات الراديوية والأشعة تحت الحمراء، ولها ترددات بين 3 جيجا هرتز و 30 تريليون/ 30 تيرا هرتز وطول موجي بين 10 ميلليمتر (0.4 بوصة) و 100 ميكرومتر (0.004 بوصة).
وتستخدم الموجات المكروية في الاتصالات ذات النطاق الترددي العالي والرادار وكمصدر حراري لأفران الموجات المكروية المعروفة بأجهزة الميكروويف وأيضًا في تطبيقات صناعية أخرى.

الأشعة تحت الحمراء:

تقع الأشعة تحت الحمراء في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الموجات المكروية والضوء المرئي، ولها ترددات تقع بين 30 تيراهيرتز و 400 تيراهيرتز وأطوال موجية بين 100 مايكرومتر (0.004 بوصة) و 740 نانو متر (0.00003 بوصة)، حيث لا يمكن رصد الأشعة تحت الحمراء بالعين البشرية، لكن يمكننا أن نشعر بها إذا كانت كثافتها كافية.

الضوء المرئي:

يقع الضوء المرئي في مُنتصف الطيف الكهرومغناطيس بين الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، ولديها ترددات بين 400 تيراهيرتز و 800 تيراهيرتز وأطوال موجية بين 740 نانو متر (0.00003 بوصة) و 380 نانو متر (0.000015 بوصة)، وبشكل عام، يتم وصف الضوء المرئي كأطوال موجية يمكن ملاحظتها بالعين المجردة.

الأشعة الفوق بنفسجية:

تقع الأشعة الفوق بنفسجية في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الضوء المرئي والأشعة السينية، ولها ترددات بين 8×10¹⁴ هرتز 3×10¹⁶ هيرتز، وطول موجي بين 380 نانو متر (0.000015 بوصة) و 10 نانو متر (0.0000004 بوصة).
ضوء الأشعة فوق البنفسجية هو أحد مكونات ضوء الشمس، ومع ذلك، فهو غير مرئي للعين البشرية، وبرغم من أن له تطبيقات طبية وصناعية عديدة، إلا أنه يُمكن أن يدمر الأنسجة الحية.

الأشعة السينية:

تُصنّف الأشعة السينية لنوعين وهما: أشعة سينية خفيفة وأشعة سينية حادة، حيث تقع الأشعة السينية الخفيفة في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي بين الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما، ولديها ترددات بين 3×10¹⁶ و 10¹⁸ هيرتز وأطوال موجية بين 10 نانومتر و 100 بيكومتر.
وتقع الأشعة السينية الحادة في نفس نطاق الطيف الكهرومغناطيسي كأشعة جاما، والفرق الوحيد بينهما هو مصدر كل منهما: يتم إنتاج الأشعة السينية من تسريع الإلكترون، في حين تنتج إشعاعات جاما من بواسطة الأنوية الذرية.

إشعاعات جاما:

تقع إشعاعات جاما في نطاق الطيف الكهرومغناطيسي فوق الأشعة السينية الخفيفة، ولديها ترددات أكبر من 10¹⁸ هرتز وأطوال موجية أقل من 100 بيكومتر، وتدمر هذه الأشعة الأنسجة الحية، مما يجعله مفيدًا في قتل الخلايا السرطانية عند استخدامه بجرعات يتم قياسها بدقة في مناطق صغيرة، ومع ذلك، فإن التعرض غير المضبوط أمر خطير للغاية بالنسبة للبشر.