كهرومغناطيسية

Question: ما هي الفيزياء الكهرومغناطيسية؟


الفيزياء الكهرومغناطيسية أو الفِيزِيَاء الكَهْرَمِغْنَاطِيسيَّة[1] أو الفِيزِيَاء الكَهْرَطِيسيَّة[1] هي فيزياء المجال المغناطيسي (أو الحركة المغناطيسية الكهربية) هو فرع من فروع الفيزياء يدرس العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، حيث يؤثر مجال مغناطيسي على الشحنة الكهربية أو الجسيم المشحون كهربياً (والمقصود بالجسيم يختلف من آن لآخر ففي الكهرومغناطيسية الكلاسيكية يكون المقصود بالجسيم هو الجسيم النقطي، أما في الديناميكا الكهربائية الكمومية يكون المقصد هو الجسيم الأولى) ، وفي المقابل  يتأثر المجال أيضاً بوجود تلك الجسيمات وحركتها في هذا المجال.
المجال المغناطيسي المتغير يخلق مجالاً كهربياً (وهذه الظاهرة تسمى بالحث الكهرومغناطيسي وهي أساس عمل المولدات الكهربائية والمحركات الكهربية والمحول الكهربي)، وبالمثل يخلق المجال الكهربي المتغير مجالاً مغناطيسياً ؛ وبسبب هذه التبادلية ما بين المجالين الكهربي والمغناطيسي يصبح من الطبيعى أن نعتبرهم وجهان لعملة واحدة ألا وهي المجال الكهرومغناطيسي.
ينشئ المجال المغناطيسي نتيجة لحركة الشحنات الكهربية (كمثال:التيار الكهربائي)، ويسبب المجال المغناطيسي في وجود تلك القوي المغناطيسية المصاحبة للمغناطيس.
تفصيل
في الفيزياء القوة الكهرومغناطيسية أو التآثر الكهرومغناطيسي (بالإنجليزية: Electromagnetism) هي ذلك المجال الكهرومغناطيسي الذي يؤثر على الجسيمات ذات الشحنة الكهربية ، مثل الإلكترون والبروتون وجسيمات ألفا و الأيونات. وهي القوة التي تربط الإلكترونات في الذرات ، كما تربط الذرات في الجزيئات.

وتؤثر القوة الكهرومغناطيسية بواسطة تبادل جسيمات لا كتلة لها وتسمى فوتونات وشبه الفوتونات . والفوتونات هي نفسها موجات كهرومغناطيسية .والقوة الكهرومغناطيسية تعمل على تجاذب الجسيمات المشحونة ذات الشحنة المضادة ، أي تجاذب الشحنة الموجبة والشحنة السالبة ، وتعمل على تنافر الجسيمات التي تحمل نفس النوع من الشحنة .
والقوة الكهرومغناطيسية هي واحدة من ضمن أربعة قوى أساسية نعرفها تتحكم في بناء العالم المادي . والثلاثة قوى الأخرى هي:
القوة الشديدة  (strong force) (النووية) وهي تعمل في نواة الذرة وتربط بين البروتونات والنيوترونات  ،
القوة النووية الضعيفة (weak force ) وهي تعمل داخل نواة الذرة وهي المسؤولة عن النشاط الأشعاعي لنواة الذرة ،
قوة الجاذبية أو الثقالة (gravity ) وهذه تعمل بين الكتل ، ويبلغ مداها إلي مالا نهاية. وقوة الجاذبية تعمل بين جميع الأجسام ، و تظهر واضحة في التكوين الكري للأجسام السماوية من كواكب وشـموس , و كذلك تتحكم في أفلاك الكواكب حول الشمس ، ودوران المجرات.
القوة الكهرومغناطيسية هي التي تربط الإلكترونات بأنوية الذرات ، وتربط الذرات بعضها البعض مكونة جزيئات وهي القوة المتحكمة في البنية البلورية . والقوة الشديدة هي التي تربط الكواركات في  نواة الذرة وتربط ومكونات النواة (البروتونات)  رغم شحناتها المتنافرة الموجبة  . وقوة الجاذبية هي التي تكوّر الأرض وتكور الشمس  وتجعل الكواكب تدور في أفلاك حول الشمس ، وهي التي تربط المجرات بعضها البعض ، و هي التي تجعلنا منجذبين إلى الأرض.
تاريخ الكهرومغناطيسية

اعتقد في الماضي أن ظاهرة المغناطيسية وظاهرة الكهرباء قوتان منفصلتان . ولكن تلك الرؤية تغيرت عن طريق جيمس ماكسويل في عام 1873 في رسالة علمية تحت عنوان "دراسات عن  الكهرباء والمغناطيسية" حيث بين أن التآثر بين شحنات موجبة وسالبة تتحكم فيه قوة واحدة . وبين "ماكسويل" أنه توجد أربعة تأثيرات لتلك التفاعلات المتبادلة ، تظهر جميعها خلال التجارب العملية:
تتجاذب الشحنات الكهربائية أو تتنافر من بعضها البعض بقوة تتناسب تناسبا عكسيا مع مربع المسافة بينهما تتجاذب الشحنات المتضادة (سالبة ، وموجبة) ، وتتنافر الشحنات المتماثلة .
الأقطاب المغناطيسية تتجاذب أو تتنافر بطريقة مماثلة لسلوك الشحنات الكهربائية ، ويوجد للمغناطيس  نوعين من الأقطاب . يرتبط قطب شمالي دائما بقطب جنوبي .
ينتج التيار الكهربائي مجالا مغناطيسيا دائريا حول السلك ، ويكون اتجاه دورانه (إما في اتجاه  عقرب الساعة أو في عكس اتجاهها ) بحسب اتجاه التيار في السلك ،
عندما يتحرك سلك في مجال مغناطيسي ينشأ فيه بالتأثير تيار كهربائي ، كما ينشأ تيار كهربائي عند تحرك مغناطيسي إلى سلك أو مبتعدا عنه ، ويعتمد  اتجاه التيار على اتجاه حركة المغناطيس.

لاحظ هانز أورستد في 21 أبريل 1820 وهو يُعد أحد التجارب أن إبرة البوصلة تنحرف عن اتجاهها نحو الشمال عندما كان يغلق ويفتح التيار في دائرة كهربائية يُعدها . وأقنعة التامل في تلك الظاهرة بأن تيارا كهربائيا يمر في سلك يتسبب في حدوث مجالا مغناطيسيا حول السلك ، طبقا لانتشار الضوء . وتأكد من وجود علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية .

ولم يستطع أورستد تفسير تلك الظاهرة ولم يصيغها في معادلة رياضية تصف سلوكها . ولكنه ركز البحث في تلك الظاهرة بعدها بثلاثة أشهر ، وقام بنشر رسالة علمية مبينا أن مرور تيار كهربائي يتسبب في نشأة مجالا مغناطيسيا حوله . وقد سميت وحدة اورستد للحث الكهرومغناطيسي في نظام وحدات سنتيمتر غرام ثانية cgs بإسمه تكريما لإنجازاته العلمية على هذا السبيل.

كانت نتائجئه واعزا على ابحاث مستفيضة للعلماء عن الحركية الكهربائية . واستطاع الفيزيائي الفرنسي أندريه أمبير صياغة معادلة رياضية واحدة تصف  القوة المغناطيسية بين سلكين يمر فيهما تيار .
يعتبر هذا التوحيد بين المغناطيسية والكهرباء والذي شاهده فاراداي ، ثم صاغه ماكسويل بالإضافة إلى ما قام به هاينريش هيرتز من اعمال ، يعتبر من أهم الإنجازات العلمية في القرن التاسع عشر في مجال الفيزياء النظرية. وتعلقت بها تبعات هامة ، من ضمنها فهم طبيعة الضوء.
ومع اكتشاف نظرية الكم في مطلع القرن العشرين تعمق فهمنا للضوء و للموجات الكهرومغناطيسية، فنعرف اليوم أن تلك الأشعة في صورة كمومية وتنتشر ذاتيا في هيئة مجال كهرومغناطيسي ترددي . وباختلاف تردد الاهتزاز تنتج أنواع مختلفة من الأشعة الكهرومغناطيسية ، منها الموجات الراديوية ذات الترددات المنخفضة ، إلى الضوء المرئي ذو ترددات  متوسطة ، إلى أشعة إكس ذات تردد عالي ، ثم إلى  أشعة غاما ذات الترددات العالية جدا .
لم يكن " أورستد" العالم الوحيد الذي ربط بين الكهرباء والمغناطيسية . في عام 1802 قام العالم الإيطالي "جيان روماجنوزي" بدراسة انحراف إبرة البوصلة في وجود شحنات كهرباء ثابتة electrostatic charges.  ولكن لم ينتبه العلماء إلى هذا الاكتشاف في عام 1802 .
[2]

القوة الكهرومغناطيسية
أنظر أيضا قانون لورنتس
القوة الكهرومغناطيسية هي القوة التي يؤثر بها المجال الكهرومغناطيسي على الجسيمات الكهربية.
القوة الكهرومغناطيسية هي واحدة من بين أربع قوي أساسية في الطبيعة ؛ وباقى تلك القوي الأساسية هي القوي النووية القوية (وهي تلك المسئولة عن ترابط نواة الذرة)،والقوي النووية الضعيفة والجاذبية ؛ فأي قوة في عالمنا عبارة عن تجميع لنسب مختلفة من هذه القوي الأربع الأساسية.
القوي الكهرومغناطيسية هي المسئولة عمليا عن كل مظاهر الحياة اليومية العادية فيما عدا الجاذبية؛فكل القوي المؤثرة في ربط ما بين الذرات وبعضها البعض يمكن ارجاعها إلى القوة الكهرومغناطيسية التي تؤثر على الجسيمات الكهربية في الذرّة من الكترونات وبروتونات؛
وبذلك يمكن اعتبار قوي "الشد" و"الدفع" التي نتعرض لها في حياتنا اليومية العادية عند الاصطدام بالأجسام العادية آتية من قوى الترابط ما بين الذرات المكونة لأجسامنا وتلك الذرات المكونة للأجسام التي صدمناها.إذا أدخلنا للمخ نسبه كهرومغناطيسيه للمخ بنسبه 15% ماذا يحدث سيتم تغيير شحنات السالبه إلي شحنات تفيد إنسان ومن الممكن علاج الصداع عن طريق كهرومغناطيسيه أو مشاكل نفسيه دون عقار ويتم توجيه الكهرومغناطيسيه إلي أمام الوجه فوق الرأس ليكون مركز الإجابه هوفص الأمامي للمخ
المغناطيس الكهربائي
المغناطيس الكهربائي عبارة عن مغناطيس تتولد فيه المغناطيسية فقط بسبب تدفق تيار كهربي خلال سلك ما. وعادة ما تُصنع المغانط الكهربية من لفاف من السلك - ما يـُـسمـّـى بـ " وشيعة " - بعدد لفات كبير لزيادة التأثير المغناطيسي(المغنطه). ويُمكن زيادة المجال المغناطيسي الذي تنتجه الوشيعة بوضع مادة مغناطيسية خاصـّـة، كقضيب حديدي، داخل الوشيعات. ويتسبب التيار المار خلال الوشيعة في تحول الحديد (الحديد المطاوع) 
إلى مغناطيس مؤقت.
الموجات الكهرومغناطيسية
ينتقل الضوء ، والموجات اللاسلكية، و أشعة إكس ، وصور الطاقة الإشعاعية الأخرى خلال الفضاء كموجات طاقة تسمى الموجات الكهرومغناطيسية. ولتلك الموجات قمة وقاع، تمامًا كالأمواج التي تتكون عندما نلقي بحجر في الماء الساكن. وتُسمى المسافة بين قمتين متتاليتن  أو بين قاعين متتالييين بـ "طول الموجة"، وتقاس طول الموجة بالمتر. ويُسمى عدد الموجات في الثانية بـ "التردد" ويقاس التردد بالهرتز. وتنتقل جميع الموجات الكهرومغناطيسية بسرعة الضوء التي تبلغ نحو 300.000 كيلومتر/ث ،(أي أن الشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن يدور حول الأرض 7 مرات  في الثانية الواحدة.
والعلاقة بين طول الموجة والتردد هي كالآتي:
سرعة الضوء = طول الموجة . التردد
وبحسب الوحدات:
سرعة الضوء [متر/ثانية]= طول الموجة [متر] . التردد [1/ثانية]
تحيطنا الموجات الكهرومغناطيسية من جميع الجهات بأنواع مختلفة من أمواج الطاقة ، قليل منها مرئية وغالبيتها غير مرئية . منها ما هو طبيعي كالأمواج الضوئية التي تأتينا من الشمس والأشعة الكونية ومنها ما هو من صنع الإنسان كالأمواج الضوئية القادمة من المصابيح  والأمواج اللاسلكية التي ينتجها  الهاتف الخلوي (الجوال).
إذا تغاضينا عن أمواج الطاقة الميكانيكية (كالأمواج الصوتية) فإننا نستطيع أن نجزم بان معظم الأمواج الموجودة من حولنا هي أمواج ذات طبيعة كهرومغناطيسية والتي تشكل بمجموعها ما يسمى بـ " الطيف الكهرومغناطيسي ".
الآن لو أردنا أن نتحدث عن الطيف الكهرومغناطيسي نفسه فلا بد أن نذكركم بالجزء الأكثر شعبية منه أو الجزء الذي يعرفه معظمكم وهو الطيف الضوئي (أو طيف ألوان قوس قزح) أو ما يسمى علميا بـ " طيف الضوء المرئي " وعلى الرغم من أنه لا يشكل إلا جزءا بسيطا من الطيف الكهرومغناطيسي إلا أنه وفي نفس الوقت قد ساهم في فهم المبدأ العام بشكل ممتاز.
الطيف الكهرومغناطيسي وعملية الإشعاع لن نفهمها تماما دون المرور بمفاهيم مثل طول الموجة والتردد ولكن قبل أن نخوض أيضا في هذين المفهومين نحن بحاجة للتعرف على طبيعة هذه الطاقة التي نسميها الطاقة الكهرومغناطيسية.
طبيعة الإشعاع الكهرومغناطيسي (الطاقة الكهرومغناطيسية):
إن الاسم الذي أطلق على هذا الطاقة هو نتيجة لتفسير العلماء لطبيعتها فكلمة كهرومغناطيسي تجمع بين كلمتي كهربائي ومغناطيسي وهذا بالضبط التفسير الذي قدمه العلماء لهذه الطاقة فهي (أي الإشعاع الكهرومغناطيسي) عبارة عن سيل من الطاقة في مسار يحوي حقلين مغناطيسي وكهربائي تسير في الحقل المغناطيسي أمواج مغناطيسية وتسير في الحقل الكهربائي أمواج كهربائية وتتراوح الطاقة الكهرومغناطيسية جيئة وذهابا بين هذين الحقلين أو المجالين بحيث أنه عندما تزداد شدة أحد الحقلين تنقص شدة الآخر والعكس بالعكس.
هذا يعني أن الموجتين (أو نوعي الطاقة في الحقلين المختلفين) مرتبطين معا ويتغيران معا بشكل متعاكس وتسمى سرعة التغير هذه بالتردد وبمعنى آخر أن التردد هو عدد المرات في الثانية التي تتغير بها الطاقة في الحقلين من أقصى قيمة لها وتعود لنفس هذه القيمة القصوى بمعنى آخر أنها عدد الأمواج التي تتشكل من هذا التغير خلال ثانية واحدة.
و لأن الطاقة الكهرومغناطيسية تتألف من تركيبة لموجتين مغناطيسية وكهربائية فقد ارتأى العلماء أن يسموها الأمواج الكهرومغناطيسية لأن طبيعتها موجية.
إذن التردد هو عدد المرات التي تصل فيها الطاقة الموجية لأقصى قيمة لها في اتجاه واحد. أما طول الموجة فهو مقياس آخر للموجة مرتبط بالتردد فهو يمثل المسافة بين أقصى قيمتين متتاليتين أو قاعين متتاليتين في نفس الاتجاه للطاقة الموجية.
أما حرصنا على الفهم الصحيح للطبيعة الموجية والمختلطة (بين الكهربائية والمغناطيسية) فلأنه سيشكل القاعدة الأساسية لفهم أنواع الطيف الكهرومغناطيسي وتقسيماته (تصنيفاته) وفقا للتردد أو لطول الموجة.
وتصنّف الأمواج الكهرومغناطيسية التي تحيط بنا حسب ترددها ومنها أشعة غاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي (الذي نراه بالعين) والأشعة تحت الحمراء والأمواج الراديووية كالتي تستخدم بأفران المايكروويف  وتستخدم في الرادار والإرسال التلفزيوني والراديو وغيرها.
الظاهرة الكهروضوئية

قام ألبرت أينشتاين بنشر رسالة علمية غيرت المفهوم الشائع في مطلع القرن العشرين، وكانت الرسالة عن ظاهرة كهروضوئية (حصل من اجلها على جائزة نوبل في الفيزياء) وكان قد وصل إلى علمه ما أسماه ماكس بلانك عن الكم  quanta . فأوضح أن الضوء أيضا يمكن أن يكون في صورة كمومية لما يشبه جسيم ، وسُمي شعاع الضوء بعد ذلك فوتون .
وأوضحت نظرية اينشتاين عن الظاهرة الكهروضوئية ما كان قد ظهر لماكس بلانك في عام 1900 بأنه كارثة الاشعة فوق البنفسجية. بين ماكس بلانك أن الأجسام الساخنة تشع أشعة كهرومغناطيسية في هيئة كمات  ("quanta"،  تنتسب إلى الطاقة الكلية التي يشعها جسم أسود، وكانت كلا من نتائج بلانك واينشتاين في تعارض مع النظرة الكلاسيكية (علوم القرن التاسع عشر) التي كانت تعتبر أن الضوء يصدر في موجات مستمرة (غير منفصلة).
بذلك افسحت نظرية بلانك ونظرية أينشتاين المجال لابتكار ميكانيكا الكم التي صيغت في عام 1925، وتدخلت إلى ابتكار  نظرية الكم الكهرومغناطيسي. واكتملت النظرية الجديدة بين الاعوام 1940 - 1950 فيما يسمى كهروديناميكا كمية quantum electrodynamics، وفي تطبيقات .
كميات ووحدات الكهرومغناطيسية

تعتبر وحدات الكهرومغناطيسية جزءا من نظام الوحات الكهربائية ن وهي تعتمد أساسا على الخاصية المغناطيسية للتيار الكهربائي ، ووحدة التيارالكهربائي هي  أمبير طبقا للنظام الدولي للوحدات. وحدات الكهرومغناطيسية هي:

أمبير وحدة التيار الكهربائي
كولوم (وحدة الشحنة الكهربائية)
فاراد وحدة السعة الكهربائية
هنري وحدة الحث
أوم وحدة المقاومة الكهربائية
تسلا كثافة الفيض المغناطيسي
فولط وحدة الجهد الكهربائي
واط وحدة القدرة
فيبر وحدة الفيض المغناطيسي

بالنسبة إلى نظام وحدات سنتيمتر غرام ثانية فيعرف التيار الكهربائي طبقا لقانون أمبير وفيه تكون  السماحية الكهرومغناطيسية عبارة عن كمية لا بعدية (سماحية نسبية ) وتساوي 1  للفراغ . بالتالي نتخذ  مربع سرعة الضوء  في الفراغ في عدة معادلات تربط بين تلك الكميات في هذا النظام .
انظر أيضا
وحدة كهرومغناطيسية
أورستد
جاوس (وحدة)
وحدة (توضيح)
وحدة طاقة
وحدة قياس
تحويل الوحدات (طاقة)
قوى أساسية
مراجع

وصلات خارجية
.


تصنيف:كهروديناميكا
*
تصنيف:وحدات قياس
تصنيف:هندسة كهربائية
تصنيف:فروع الفيزياء