شرح تفصيلي عن الموجات الكهرومغناطيسية

نظرة عامة حول مفهوم الموجات الكهرومغناطيسية

تعرف الموجات الكهرومغناطيسية بأنها الموجات التي يمكنها التنقل عبر الفضاء أو الفراغ بحرية، دون الحاجة إلى وسيط مادي لنقل طاقتها من موقع إلى آخر كما في الموجات الميكانيكية، ويمكن ملاحظة ذلك من خلال الموجات الضوئية التي تعتبر من الأمثلة على الموجات الكهرومغناطيسية؛ إذ يمكنها التنقل دون الحاجة إلى وسيط مادي، خلافاً للموجات الصوتية والتي تعتبر مثالاً على الموجات الميكانيكية التي تحتاج إلى وسط مادي لنقلها.^[١]

يتم إنشاء الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق اهتزاز الشحنة الكهربائية، مما يولّد موجة تحتوي على مكون كهربائي ومغناطيسي، ويجدر بالذكر هنا أن الموجة الكهرومغناطيسية تنقل طاقتها عبر الفراغ بسرعة 3×⁸10م/ث، أما عبر المادة فهي تنتقل بسرعة كلية أقل من السرعة السابقة.^[١]

كيفية تشكل الموجات الكهرومغناطيسية

تتشكل الموجات الكهرمغناطيسية من خلال التسلسل الآتي:^[٢]

• إنتاج مجال كهربائي بواسطة جسيم مشحون، ثم بذل قوة من قبل هذا المجال الكهربائي على الجسيمات المشحونة الأخرى، لتتسارع الشحنات الموجبة في اتجاه المجال، أما الشحنات السالبة فإنها تتسارع عكس اتجاهه، وبالتالي ونتيجة حركة هذه الشحنات يتم إنتاج مجال مغناطيسي.
• يؤثر المجال المغناطيسي المنتج بقوة على الجسيمات المشحونة المتحركة الأخرى بحيث تكون هذه القوة عمودية على اتجاه سرعتها دائماً، وبالتالي فهي تغير اتجاه السرعة فقط مع عدم قدرتها على تغيير مقدارها، مما يسبب تأرجح الجسيم المشحون المتسارع حول موضع التوازن مسبباً توليد المجال الكهرومغناطيسي.
• إذا كان تردد اهتزاز الجسيم المشحون هو ت، فإنه ينتج موجة كهرمغناطيسية ترددها هو ت أيضاً، وطولها الموجي هو: الطول الموجي = سرعة الموجة/تردد الموجة (ت)، مسببة نقل الطاقة عبر الفراغ.

أنواع الموجات الكهرومغناطيسية

يشمل الطيف الكهرومغناطيسي جميع ترددات الموجات بما في ذلك الراديو والضوء المرئي والأشعة السينية، وتتكون جميع الموجات الكهرومغناطيسية من فوتونات تنتقل عبر الفراغ لتتفاعل مع المادة، ليتم امتصاص بعض الموجات، أما الموجات المتبقية فيتم عكسها، وبشكل عام يمكن تصنيف الموجات الكهرمغناطيسية إلى 7 أنواع أساسية هي كما يلي:^[٣]

• موجات الراديو (الاتصال الفوري): تُعد موجات الراديو من الموجات ذات التردد الأدنى في الطيف الكهرومغناطيسي، ويمكن استخدام هذا النوع لنقل إشارات أخرى إلى أجهزة الاستقبال، لترجمتها إلى معلومات قابلة للاستخدام، ويعود السبب في إصدار هذه الموجات إلى العديد من المصادر الطبيعية أو المصنّعة من قبل الإنسان، كما أنها قد تنبعث أيضاً من النجوم، والكواكب، والأجسام الكونية الأخرى.

• موجات الميكرويف (البيانات والحرارة): وهي ثاني أقل موجات الطيف الكهرومغناطيسي في التردد، وعلى الرغم من أن الطول الموجي لموجات الراديو قد يصل في طوله إلى عدة أميال إلا أنّ موجات المايكرويف يتراوح طولها الموجي بين عدة سنتيمترات إلى قدم، ويمكن لهذه الأشعة اختراق العوائق مثل السحب والدخان وغيرها، ويتم استخدام هذا النوع من الموجات في الرادار، والمكالمات الهاتفية الأرضية، ونقل بيانات الحاسوب وغيرها.

• موجات الأشعة تحت الحمراء (حرارة غير مرئية): يقع هذا النوع من الموجات في النطاق منخفض متوسط الترددات في الطيف الكهرومغناطيسي أي بين موجات الميكرويف وموجات الضوء المرئي، ويتراوح طولها بين عدة مليمترات إلى أطوال مجهرية، وتنتج الموجات ذات الطول الموجي الأطول من هذا النوع حرارة وتشمل الإشعاع المنبعث من النار، والشمس، وغيرها، وتستخدم الموجات ذات الطول الموجي الأقصر في أجهزة التحكم عن بعد وتقنيات التصوير. 

• أشعة الضوء المرئية: يعتبر هذا النوع من الموجات من الموجات الأقل تردداً في الطيف الكهرمغناطيسي، وهي تتراوح بين الضوء المرئي الأحمر إلى الضوء المرئي البنفسجي، ومن الجدير بالذكر بأن المصدر الطبيعي الأكثر وضوحاً للضوء المرئي هو الشمس، ويظهر لون الأشياء من حولنا عادة بناءً على الطول الموجي للضوء الذي يمتصه الجسم أو يعكسه.

• الموجات فوق البنفسجية: لهذا النوع من الموجات أطوال موجية أقصر من الضوء المرئي، وهي تعتبر السبب الرئيسي في حروق الشمس ومن الممكن أن تسبب السرطان للكائنات الحية، ومن الجدير بالذكر بأن العمليات التي تتم على درجات حرارة عالية تنبعث منها الأشعة فوق البنفسجية، كما يساعد اكتشاف هذه الموجات في التعرف على بنية المجرات.

• الأشعة السينية: وهي موجات عالية الطاقة ذات أطوال موجية تتراوح بين 0.03 نانوميتر إلى 3 نانوميتر أي أن طولها الموجي مقارب لطول الذرة، وتنبعث الأشعة السينية من مصادر تنتج درجات حرارة عالية جداً مثل هالة الشمس، وتشمل المصادر الطبيعية للأشعة السينية الظواهر الكونية ذات الطاقة الهائلة مثل النجوم النابضة والثقوب السوداء وغيرها، ويستخدم هذا النوع من الموجات في تكنولوجيا التصوير، وذلك لعرض الهياكل العظمية داخل الجسم.

• أشعة غاما: يعتبر هذا النوع من الموجات بأنه ذو التردد الأعلى بين الموجات الكهرومغناطيسية، وتنبعث فقط من الأجسام الكونية الأكثر نشاطًا مثل النجوم النابضة والنجوم النيوترونية وغيرها، ومن المصادر الأرضية مثل البرق والانفجارات النووية والانحلال الإشعاعي، ومن الجدير بالذكر بأنه يتم قياس أطوال هذا النوع على المستوى دون الذري، ويمكن لأشعة جاما تدمير الخلايا الحية، ولحسن الحظ فإن الغلاف الجوي للأرض يمتص هذه الأشعة قبل أن تصل إلى الكوكب.

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية

للموجات الكهرومغناطيسية العديد من الخصائص التي يمكن ذكر بعضها كالآتي:^[٤]

• تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عن طريق الموجات الكهربائية والمغناطيسية المتذبذبة بزوايا قائمة على بعضها البعض.
• تمتلك الموجات الكهرومغناطيسية خصائص التداخل والانحراف كغيرها من الموجات.
• تبلغ سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ (3×⁸10) متر/ثانية.
• تعتبر الموجات الكهرومغناطيسية موجات مستعرضة.

تطبيقات الموجات الكهرومغناطيسية

للموجات الكهرومغناطيسية العديد من التطبيقات ومنها ما يلي:^[٢]

• يمكن للموجات الكهرومغناطيسية نقل الطاقة في الفراغ دون الحاجة إلى وسيط مادي.
• تلعب دوراً مهماً في تكنولوجيا الاتصالات.
• تستخدم الأشعة فوق البنفسجية للكشف عن الأوراق النقدية المزوّرة.
• تستخدم الأشعة تحت الحمراء للرؤية الليلية كما تستخدم في كاميرات المراقبة.