Aعلى الرغم من أنك قد لا تعرف ما تعنيه هذه المصطلحات، فمن المحتمل أنك سمعت عن موجات الراديو القصيرة، وأجهزة الميكروويف، وإشارات التلفزيون VHF وUHF. يُستخدم كل مصطلح من هذه المصطلحات لوصف أحد الأنواع العديدة للموجات الكهرومغناطيسية التي يتم بثها عبر الهواء لتزويدك بالراديو والتلفزيون وأشكال الاتصال الأخرى. وتتكون كل هذه الموجات من مجالات كهربائية ومغناطيسية تنتشر عبر الفضاء.

المفتاح لفهم كيفية تصرف هذه الموجات هو فهم طبيعة الإلكترون. لماذا؟ لأن الموجات الكهرومغناطيسية تنتج عن تسارع الإلكترونات، فإن شحنة الإلكترونات تنتج مجالات كهربائية وحركة الإلكترونات تنتج مجالات مغناطيسية. علاوة على ذلك، يتم بث الموجات واستقبالها بواسطة هوائيات، وهي أجهزة مصنوعة من مادة تحتوي أيضًا على إلكترونات. وبالتالي، فإن الخطوة المنطقية الأولى في فهم كيفية إنتاج الموجات الكهرومغناطيسية ونشرها واستقبالها واستخدامها في العديد من الأجهزة هي التعرف على خصائص الإلكترون.

لقد رأينا أن الطاقة تنتقل إلينا من الشمس عبر فئة من الموجات تعرف باسم الموجات الكهرومغناطيسية. وتشمل هذه الفئة الموجات المرئية، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء المألوفة. ودرسنا مفهومي المجالات الكهربائية والمغناطيسية. لقد كان الفيزيائي الاسكتلندي العظيم جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879) هو الذي أظهر أن هذين المجالين يتقلبان معًا يمكن أن يشكلا موجة كهرومغناطيسية منتشرة. سنجمع الآن معرفتنا بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية لفهم هذا النوع المهم من الموجات.

إنتاج الموجات الكهرومغناطيسية

دعونا نوضح طريقة واحدة لإنشاء موجة كهرومغناطيسية. يتكون الإعداد من سلكين معدنيين مستقيمين متصلين بأطراف مولد التيار المتردد ويعملان كهوائي. يتغير الفرق المحتمل بين المحطات بشكل جيبي مع مرور الوقت $t$ ولها فترة $T$. في هذه اللحظة $t = 0$ s، عندما لا تكون هناك شحنة في طرفي أي من السلكين. وبما أنه لا توجد شحنة، فلا يوجد مجال كهربائي عند النقطة P على يمين الهوائي. مع مرور الوقت، يصبح السلك العلوي مشحونًا بشكل إيجابي والسلك السفلي مشحونًا بشكل سلبي. بعد ربع دورة ( $t = 1/4 T$)، وصلت الشحنات إلى قيمها القصوى. المجال الكهربائي المقابل $\vec{E}$ عند النقطة P زادت قوتها القصوى في الاتجاه الهبوطي. كما أن المجال الكهربائي الذي تم إنشاؤه في أوقات سابقة لم يختف ولكنه انتقل إلى اليمين. هنا يكمن جوهر الأمر: في النقاط البعيدة، لا يتم الشعور بالمجال الكهربائي للشحنات على الفور. وبدلاً من ذلك، يتم إنشاء الحقل أولاً بالقرب من الأسلاك، وبعد ذلك، مثل تأثير سقوط حصاة في بركة، يتحرك إلى الخارج كموجة في جميع الاتجاهات.

جنبا إلى جنب مع المجال الكهربائي، المجال المغناطيسي $\vec{B}$ يتم إنشاؤه أيضًا، لأن الشحنات المتدفقة في الهوائي تشكل تيارًا كهربائيًا ينتج عنه مجال مغناطيسي. بمساعدة RHR2 (يشير إبهام اليد اليمنى على طول التيار $I$، تتجعد الأصابع في اتجاه $\vec{B}$) ، يمكن رؤية المجال المغناطيسي عند P يشير إلى الصفحة. مع تغير التيار المتذبذب، يتغير المجال المغناطيسي وفقًا لذلك. تنتشر الحقول المغناطيسية التي نشأت في أوقات سابقة إلى الخارج على شكل موجة، تمامًا كما تفعل الحقول الكهربائية.

لاحظ أن المجال المغناطيسي عمودي على الصفحة، بينما المجال الكهربائي يقع في مستوى الصفحة. وبالتالي، فإن المجالات الكهربائية والمغناطيسية الناتجة عن الهوائي تكون متعامدة بشكل متبادل وتظل كذلك أثناء تحركها للخارج. علاوة على ذلك، فإن كلا المجالين متعامدان مع اتجاه السفر. هذه المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتعامدة، التي تتحرك معًا، تشكل موجة كهرومغناطيسية.

الموجة الكهرومغناطيسية، مثل أي موجة دورية، لها تردد $f$ والطول الموجي $\lambda$ التي تتعلق بالسرعة $v$ من الموج $v = f \lambda$. بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية التي تنتقل عبر الفراغ، أو عبر الهواء، بشكل تقريبي جيد، تكون السرعة $v = c$، لذا $c= f \lambda$.

توجد الموجات الكهرومغناطيسية بمجال هائل من الترددات، تبدأ من قيم أقل من $10^4$ هرتز إلى أكبر من $10^{24}$ هرتز. وبما أن كل هذه الموجات تنتقل عبر الفراغ بنفس السرعة $c = 3.00 \times 10^8$ m/s, the above Equation can be used to find the correspondingly wide range of wavelengths. The ordered series of electromagnetic wave frequencies or wavelengths is called the electromagnetic spectrum. Historically, regions of the spectrum have been given names such as radio waves and infrared waves. Although the boundary between adjacent regions is shown as a sharp line in any drawing, the boundary is not so well defined in practice, and the regions often overlap.

تحمل الموجات الكهرومغناطيسية، مثل موجات الماء أو الموجات الصوتية، الطاقة. يتم نقل الطاقة بواسطة المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تشكل الموجة. ففي فرن الميكروويف، على سبيل المثال، تخترق أجهزة الميكروويف الطعام وتوصل طاقتها إليه.

كما نعلم عن تأثير دوبلر، فهو التأثير الذي تظهره الموجات الصوتية عندما يتحرك مصدر الموجة الصوتية، أو راصد الموجة، أو كليهما بالنسبة إلى وسط الانتشار (مثل الهواء). هذا التأثير هو الذي يكون فيه تردد الصوت المرصود أكبر أو أصغر من التردد المنبعث من المصدر. وينشأ تأثير دوبلر مختلف عندما يتحرك المصدر عما يحدث عندما يتحرك المراقب.

يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أيضًا أن تظهر تأثير دوبلر، ولكنها تختلف عن تأثير الموجات الصوتية لسببين. أولاً، تتطلب الموجات الصوتية وسطًا مثل الهواء لتنتشر فيه. في تأثير دوبلر للصوت، فإن حركة المصدر والمراقب والموجات نفسها بالنسبة لهذا الوسط هي المهمة. في تأثير دوبلر للموجات الكهرومغناطيسية، لا تلعب الحركة بالنسبة للوسط أي دور، لأن الموجات لا تحتاج إلى وسط لتنتشر فيه. يمكنهم السفر في الفراغ. ثانيًا، في معادلات تأثير دوبلر، تلعب سرعة الصوت دورًا مهمًا، وتعتمد على الإطار المرجعي الذي يتم قياسه به. على سبيل المثال، تختلف سرعة الصوت بالنسبة للهواء المتحرك عنها بالنسبة للهواء الساكن. وكما سنرى لاحقًا في النظرية النسبية، تتصرف الموجات الكهرومغناطيسية بطريقة مختلفة. إن السرعة التي يتحركون بها لها نفس القيمة، سواء تم قياسها بالنسبة إلى مراقب ثابت أو بالنسبة إلى مراقب يتحرك بسرعة ثابتة. لهذين السببين، ينشأ نفس تأثير دوبلر بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية عندما يتحرك مصدر الموجات أو مراقبها؛ فقط الحركة النسبية للمصدر والمراقب فيما يتعلق ببعضهما البعض هي المهمة.

من الخصائص الأساسية للموجات الكهرومغناطيسية أنها موجات عرضية، وبسبب هذه الخاصية يمكن أن تكون مستقطبة. يمكن توضيح فكرة الاستقطاب من خلال موجة عرضية تنتقل على طول حبل باتجاه الشق. ويقال إن الموجة مستقطبة خطيا، مما يعني أن اهتزازاتها تحدث دائما في اتجاه واحد. ويسمى هذا الاتجاه اتجاه الاستقطاب. ويكون اتجاه الاستقطاب عموديا، موازيا للشق، وبالتالي تمر الموجة بسهولة. ومع ذلك، عندما يتحول الشق بشكل عمودي على اتجاه الاستقطاب، لا يمكن للموجة المرور، لأن الشق يمنع الحبل من التأرجح. بالنسبة للموجات الطولية، مثل الموجات الصوتية، فإن فكرة الاستقطاب ليس لها أي معنى. في الموجة الطولية، يكون اتجاه الاهتزاز على طول اتجاه السفر، ولن يكون لاتجاه الشق أي تأثير على الموجة.