يمكننا الحصول على فهم جيد للموجات الكهرومغناطيسية (EM) من خلال النظر في كيفية إنتاجها، وكلما تغير التيار تختلف الحقول الكهربائية والمغناطيسية المرتبطة بها، فتنتقل من المصدر مثل الأمواج، وربما يكون أسهل موقف يمكن تصوره هو تيار متفاوت في سلك طويل مستقيم، ينتج عن مولد التيار المتردد في مركزه، ويصبح هذا السلك الرمادي الطويل المستقيم مع مولد التيار المتردد في مركزه هوائي إذاعي للموجات الكهرومغناطيسية، وتظهر هنا توزيعات الشحن في أربع مرات مختلفة، وينتشر الحقل الكهربائي بعيدا عن الهوائي بسرعة الضوء، ويشكل جزءا من الموجة الكهرومغناطيسية .
توليد الموجات الكهرومغناطيسية
جسيم مشحون ينتج حقل كهربائي، ويمارس هذا الحقل الكهربائي قوة على الجزيئات المشحونة الأخرى، وتتسارع الشحنات الموجبة في اتجاه الحقل وتتسارع الشحنات السلبية في اتجاه معاكس لاتجاه الحقل، والجسيمات المشحونة تتحرك تنتج المجال المغناطيسي، ويمارس هذا المجال المغناطيسي قوة على الشحنات المتحركة الأخرى، ودائما ما تكون القوة على هذه الشحنات عموديا على اتجاه سرعتها وبالتالي لا تغير سوى اتجاه السرعة وليس السرعة، وينتج الجسيم المشحون المتسارع موجة كهرمغنطيسية، والموجات الكهرومغناطيسية هي المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تنتقل عبر الفضاء الخالي بسرعة الضوء c الجسيم المشحون يتأرجح حول موضع التوازن هو جسيم مشحون متسارع، وإذا كان تردد التذبذب هو f ، فإنه ينتج موجة كهرمغنطيسية مع التردد f ، ويتم إعطاء الطول الموجي λ لهذه الموجة بواسطة λ = c / f الموجات الكهرومغناطيسية تنقل الطاقة عبر الفضاء، ويمكن توصيل هذه الطاقة إلى جزيئات مشحونة على مسافة كبيرة بعيدا عن المصدر .
وتنتج الشحنات المتسارعة المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة، وتغيير الحقول الكهربائية ينتج مجالات مغناطيسية وتغيير الحقول المغناطيسية ينتج مجالات كهربائية، ويؤدي هذا التفاعل بين الحقول الكهربائية والمغناطيسية المستحثة إلى انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، ويمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء الحر .
موجات الراديو
تنبعث معظم موجات الراديو من الشحنات التي تتأرجح في الهوائيات اتجاه تسريع الشحنات هو على طول الهوائي، وتنتشر الموجة الراديوية من الهوائي إلى المستقبِل على طول مسار خط مستقيم يسمى خط الأفق، ويكمن اتجاه الحقل الكهربائي E للإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الهوائي في مستوى يحتوي على الهوائي وخط البصر للمستقبل، ويكون عموديا على خط البصر، والموجة مستقطبة مما يعني أن E له اتجاه محدد جيدا، والمجال الكهربائي هو الأقوى والأعلى كثافة في الاتجاهات العمودية للهوائي ويذهب إلى الصفر في الاتجاه على طول الهوائي، وتحصل على استقبال رديء للغاية إذا كنت تقف تحت الهوائي .
ولنقل المعلومات يجب تعديل الموجة الكهرومغناطيسية، والمعلومات التي تحملها موجة الراديو سليمة، ويمثل اتساع موجة راديو AM (معدل السعة) الاختلافات في الضغط ، والتي تشكل الصوت، ويمكن تحويل ترددات موجات الراديو FM (بتشكيل التردد) قليلا من تردد الموجة الحاملة الاسمية، ومقدار التحول يتناسب مع الاختلافات في الضغط والتي تشكل الصوت .
تحرك الموجات الكهربائية والمغناطيسية
وفقا لقانون امبير ينتج التيار الموجود في الهوائي مجالا مغناطيسيا ومع تغير التيار يتغير المجال المغناطيسي في الحجم والاتجاه، وينتج التيار في الهوائي خطوط المجال المغناطيسي الدائرية، وينتج التيار فصل الشحنة على طول السلك مما يؤدي بدوره إلى إنشاء الحقل الكهربائي، والمجالان الكهربائي والمغناطيسي بالقرب من السلك يكونوا عموديان، ويختلف المجال المغناطيسي بالتيار وينتشر بعيدا عن الهوائي بسرعة الضوء .
تلقي الموجات الكهرومغناطيسية
تحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة بعيدا عن مصدرها، وعلى غرار الموجة الصوتية التي تحمل الطاقة بعيدا عن الموجة الدائمة على خيط الغيتار، وهوائي لاستقبال إشارات EM يعمل في الاتجاه المعاكس، ومثل الهوائيات التي تنتج موجات EM فإن هوائيات الاستقبال مصممة خصيصا للرد على ترددات معينة، وموجة كهرومغناطيسية واردة تسرع الإلكترونات في الهوائي، وإعداد موجة دائمة، وإذا كان الراديو أو التلفزيون قيد التشغيل فالمكونات الكهربائية تلتقط وتضخم الإشارة المتكونة من الإلكترونات المتسارعة، ثم يتم تحويل الإشارة إلى تنسيق الصوت و / أو الفيديو، وفي بعض الأحيان تستخدم أطباق الاستقبال الكبيرة لتركيز الإشارة على الهوائي .
وهناك علاقة بين شدة المجال E و B في الموجة الكهرومغناطيسية، ويمكن فهم ذلك من خلال النظر مرة أخرى في الهوائي الموصوف للتو، فكلما كان الحقل الإلكتروني أقوى من خلال فصل الشحنة زاد التيار وبالتالي زاد الحقل ب، وبما أن التيار يتناسب طرديا مع الجهد (قانون أوم) والجهد يتناسب طرديا مع شدة المجال الإلكتروني يجب أن يتناسب الاثنان بشكل مباشر، ويمكن إثبات أن قيم الحقول لها نسبة ثابتة تساوي سرعة الضوء، من خلال القانون وهو B / E = C، ويتم إنشاء الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة الشحنات المتذبذبة (التي تشع كلما تسارع) ولها نفس التردد مثل التذبذب، وبما أن الحقول الكهربائية والمغناطيسية في معظم الموجات الكهرومغناطيسية متعامدة مع الاتجاه الذي تتحرك فيه الموجة، فهي عادة عرضية، وترتبط قوة الأجزاء الكهربائية والمغناطيسية للموجة ب .
تاريخ النظرية
في الأصل كانت الكهرباء والمغناطيسيتان تعتبران قوتين منفصلتين، ولكن هذا الرأي تغير مع نشر كتاب جيمس كليرك ماكسويل عام 1873 بعنوان “الكهرباء والمغناطيسية” والذي توسطت فيه تفاعلات الشحنات الإيجابية والسلبية بواسطة قوة واحدة، وهناك أربعة تأثيرات رئيسية ناتجة عن هذه التفاعلات والتي تم توضيحها بوضوح من خلال التجارب :
1- تجذب الشحنات الكهربائية أو تتنافر مع قوة متناسبة عكسيا مع مربع المسافة بينهما، على عكس الشحنات جذب، مثل تلك التي تصد .
2- تجذب الأقطاب المغناطيسية (أو حالات الاستقطاب عند نقاط فردية) بعضها البعض أو تتصدى لها بطريقة تشبه الشحنات الإيجابية والسلبية وتوجد دائما كأزواج، وكل قطب شمالي يتم سحقه إلى قطب جنوبي .
3- يعمل التيار الكهربائي داخل السلك على إنشاء مجال مغناطيسي محيطي مناسب خارج السلك، ويعتمد اتجاهه (في اتجاه عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة) على اتجاه التيار في السلك .
4- يتم إحداث تيار في حلقة من الأسلاك عندما يتم تحريكه نحو أو خارج مجال مغناطيسي أو يتم نقل المغناطيس باتجاهه أو بعيدا عنه، ويعتمد اتجاه التيار على اتجاه الحركة .
توليد الموجات الكهرومغناطيسية
جسيم مشحون ينتج حقل كهربائي، ويمارس هذا الحقل الكهربائي قوة على الجزيئات المشحونة الأخرى، وتتسارع الشحنات الموجبة في اتجاه الحقل وتتسارع الشحنات السلبية في اتجاه معاكس لاتجاه الحقل، والجسيمات المشحونة تتحرك تنتج المجال المغناطيسي، ويمارس هذا المجال المغناطيسي قوة على الشحنات المتحركة الأخرى، ودائما ما تكون القوة على هذه الشحنات عموديا على اتجاه سرعتها وبالتالي لا تغير سوى اتجاه السرعة وليس السرعة، وينتج الجسيم المشحون المتسارع موجة كهرمغنطيسية، والموجات الكهرومغناطيسية هي المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تنتقل عبر الفضاء الخالي بسرعة الضوء c الجسيم المشحون يتأرجح حول موضع التوازن هو جسيم مشحون متسارع، وإذا كان تردد التذبذب هو f ، فإنه ينتج موجة كهرمغنطيسية مع التردد f ، ويتم إعطاء الطول الموجي λ لهذه الموجة بواسطة λ = c / f الموجات الكهرومغناطيسية تنقل الطاقة عبر الفضاء، ويمكن توصيل هذه الطاقة إلى جزيئات مشحونة على مسافة كبيرة بعيدا عن المصدر .
وتنتج الشحنات المتسارعة المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتغيرة، وتغيير الحقول الكهربائية ينتج مجالات مغناطيسية وتغيير الحقول المغناطيسية ينتج مجالات كهربائية، ويؤدي هذا التفاعل بين الحقول الكهربائية والمغناطيسية المستحثة إلى انتشار الموجات الكهرومغناطيسية، ويمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء الحر .
موجات الراديو
تنبعث معظم موجات الراديو من الشحنات التي تتأرجح في الهوائيات اتجاه تسريع الشحنات هو على طول الهوائي، وتنتشر الموجة الراديوية من الهوائي إلى المستقبِل على طول مسار خط مستقيم يسمى خط الأفق، ويكمن اتجاه الحقل الكهربائي E للإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الهوائي في مستوى يحتوي على الهوائي وخط البصر للمستقبل، ويكون عموديا على خط البصر، والموجة مستقطبة مما يعني أن E له اتجاه محدد جيدا، والمجال الكهربائي هو الأقوى والأعلى كثافة في الاتجاهات العمودية للهوائي ويذهب إلى الصفر في الاتجاه على طول الهوائي، وتحصل على استقبال رديء للغاية إذا كنت تقف تحت الهوائي .
ولنقل المعلومات يجب تعديل الموجة الكهرومغناطيسية، والمعلومات التي تحملها موجة الراديو سليمة، ويمثل اتساع موجة راديو AM (معدل السعة) الاختلافات في الضغط ، والتي تشكل الصوت، ويمكن تحويل ترددات موجات الراديو FM (بتشكيل التردد) قليلا من تردد الموجة الحاملة الاسمية، ومقدار التحول يتناسب مع الاختلافات في الضغط والتي تشكل الصوت .
تحرك الموجات الكهربائية والمغناطيسية
وفقا لقانون امبير ينتج التيار الموجود في الهوائي مجالا مغناطيسيا ومع تغير التيار يتغير المجال المغناطيسي في الحجم والاتجاه، وينتج التيار في الهوائي خطوط المجال المغناطيسي الدائرية، وينتج التيار فصل الشحنة على طول السلك مما يؤدي بدوره إلى إنشاء الحقل الكهربائي، والمجالان الكهربائي والمغناطيسي بالقرب من السلك يكونوا عموديان، ويختلف المجال المغناطيسي بالتيار وينتشر بعيدا عن الهوائي بسرعة الضوء .
تلقي الموجات الكهرومغناطيسية
تحمل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة بعيدا عن مصدرها، وعلى غرار الموجة الصوتية التي تحمل الطاقة بعيدا عن الموجة الدائمة على خيط الغيتار، وهوائي لاستقبال إشارات EM يعمل في الاتجاه المعاكس، ومثل الهوائيات التي تنتج موجات EM فإن هوائيات الاستقبال مصممة خصيصا للرد على ترددات معينة، وموجة كهرومغناطيسية واردة تسرع الإلكترونات في الهوائي، وإعداد موجة دائمة، وإذا كان الراديو أو التلفزيون قيد التشغيل فالمكونات الكهربائية تلتقط وتضخم الإشارة المتكونة من الإلكترونات المتسارعة، ثم يتم تحويل الإشارة إلى تنسيق الصوت و / أو الفيديو، وفي بعض الأحيان تستخدم أطباق الاستقبال الكبيرة لتركيز الإشارة على الهوائي .
وهناك علاقة بين شدة المجال E و B في الموجة الكهرومغناطيسية، ويمكن فهم ذلك من خلال النظر مرة أخرى في الهوائي الموصوف للتو، فكلما كان الحقل الإلكتروني أقوى من خلال فصل الشحنة زاد التيار وبالتالي زاد الحقل ب، وبما أن التيار يتناسب طرديا مع الجهد (قانون أوم) والجهد يتناسب طرديا مع شدة المجال الإلكتروني يجب أن يتناسب الاثنان بشكل مباشر، ويمكن إثبات أن قيم الحقول لها نسبة ثابتة تساوي سرعة الضوء، من خلال القانون وهو B / E = C، ويتم إنشاء الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة الشحنات المتذبذبة (التي تشع كلما تسارع) ولها نفس التردد مثل التذبذب، وبما أن الحقول الكهربائية والمغناطيسية في معظم الموجات الكهرومغناطيسية متعامدة مع الاتجاه الذي تتحرك فيه الموجة، فهي عادة عرضية، وترتبط قوة الأجزاء الكهربائية والمغناطيسية للموجة ب .
تاريخ النظرية
في الأصل كانت الكهرباء والمغناطيسيتان تعتبران قوتين منفصلتين، ولكن هذا الرأي تغير مع نشر كتاب جيمس كليرك ماكسويل عام 1873 بعنوان “الكهرباء والمغناطيسية” والذي توسطت فيه تفاعلات الشحنات الإيجابية والسلبية بواسطة قوة واحدة، وهناك أربعة تأثيرات رئيسية ناتجة عن هذه التفاعلات والتي تم توضيحها بوضوح من خلال التجارب :
1- تجذب الشحنات الكهربائية أو تتنافر مع قوة متناسبة عكسيا مع مربع المسافة بينهما، على عكس الشحنات جذب، مثل تلك التي تصد .
2- تجذب الأقطاب المغناطيسية (أو حالات الاستقطاب عند نقاط فردية) بعضها البعض أو تتصدى لها بطريقة تشبه الشحنات الإيجابية والسلبية وتوجد دائما كأزواج، وكل قطب شمالي يتم سحقه إلى قطب جنوبي .
3- يعمل التيار الكهربائي داخل السلك على إنشاء مجال مغناطيسي محيطي مناسب خارج السلك، ويعتمد اتجاهه (في اتجاه عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة) على اتجاه التيار في السلك .
4- يتم إحداث تيار في حلقة من الأسلاك عندما يتم تحريكه نحو أو خارج مجال مغناطيسي أو يتم نقل المغناطيس باتجاهه أو بعيدا عنه، ويعتمد اتجاه التيار على اتجاه الحركة .
