تم النشر اليوم 2024/05/19 | موجة كهرومغناطيسية

حساب طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي

علاقة بلانك المذكورة أعلاه تعطينا العلاقة بين طاقة الشعاع وتردده ν
{displaystyle nu }
E
=
h
ν
{displaystyle E=hnu } حيث ν
{displaystyle nu } التردد، و h
{displaystyle h} ثابت بلانك. نريد بواسطة تلك المعادلة حساب طاقة شعاع من وسط قمة منحنى بلانك لأشعة الشمس وليكن شعاع ذو طول موجة 500 نانو متر. حساب طول الموجة بالمتر = 500. 10-9 متر = 5. 10-7 متر
ونحسب تردد الشعاع من العلاقة: تردد الشعاع = سرعة الضوء (متر/ ثانية) ÷ طول الموجة (متر)
= 3.108 (متر/ ثانية) ÷ 5.10-7 (متر) = 6.1014 (1/ثانية) أو هرتز
ثابت بلانك = 6,6. 10-34 جول. ثانية = 6,6. 10-27 إرج. ثانية
= 3,9. 10-15 إلكترون فولت. ثانية (s. eV)
يستعمل الفيزيائيون في هذه الحالة ثابت بلانك كوحدة (الإلكترون فولت. ثانية) لتسهيل الحساب، حيث أن المقدار (بالجول.ثانية) يكون صغيرا جدا جدا. نعوض الآن في معادلة بلانك، فنحصل على: h = E. تردد الشعاع
= 3,9. 10-15 (إلكترون فولت. ثانية). 6.1014 (1/ثانية)
= 2,3 إلكترون فولت
أي أن شعاع الطيف ذو طول الموجة 500 نانومتر له طاقة 3 و2 إلكترون فولت. وهذا الشعاع هو شعاع من أشعة الطيف الشمسي ذو لون أخضر. كما يمكن حساب طاقة الشعاع بالواط إذا أردنا ولكن 3 و2 إلكترون فولت بوحدة الواط ستكون مقدارا صغيرا جدا يصعب الاحتفاظ به في الذاكرة.
(ومن يريد إجراء تلك الحسبة فعليه الرجوع إلى وحدة طاقة).

الإشعاع الكهرومغناطيسي

رسم توضيحي لتعامد المجالان الكهربي E والمغناطيسي M في موجة كهرومغناطيسية.
الإشعاع الكهرمغناطيسي هو انتشار الموجات الكهرومغناطيسية بمكوناتها الكهربائية والمغناطيسية في الفضاء، ويتم هذا الانتشار مع اهتزاز المجالين الكهربائي والمغناطيسي بحيث يتعامدان على بعضهما البعض أي يشكلان زوايا قائمة مع بعضهما وعلى اتجاه الانتشار.
كما تقوم الموجات الكهرومغناطيسية بنقل الطاقة من خلال انتشارها في الفراغ أو في المواد الشفافة مثل الزجاج، وتختلف الموجات الكهرومغناطيسية تمامًا عن موجات الصوت، فموجات الصوت تعتبر موجات ميكانيكية تحتاج إلى وسط مادي للانتشار فيه مثل الهواء والماء والمعادن وغيرها. أما الموجات الكهرومغناطيسية مثل الضوء فهي لا تحتاج لوسط مادي لتنتقل فيه، فأشعة الشمس على سبيل المثال تصلنا بعد انتشارها الفراغ وكما يصلنا ضوء النجوم البعيدة. بعد أن توصل الإنسان لتوليد الموجات الكهرومغناطيسية سخرها للكثير من استخدامات التكنولوجية مثل: الراديو، والتلفزيون، والرادار، والهاتف المحمول وغيرها، كذلك بالنسبة لتكنولوجيا الاتصال بين الأرض ورواد الفضاء، والمركبات الفضائية المتحركة التي يرسلها الإنسان إلى كواكب المجموعه الشمسية، كل هذه الاتصالات تتم بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية.

تولد الإشعاع الكهرومغناطيسي

تنقسم الأشعة الكهرومغناطيسية إلى قسمين طبيعية وصناعية ولكنهما متماثلين في خواصهما: الأشعة الكهرومغناطيسية الطبيعية مثل الضوء والأشعة السينية التي تنتج من أغلفة بعض الذرات، وأشعة غاما التي تصدر من أنوية الذرات ذات النشاط الإشعاعي.
الأشعة الكهرومغناطيسية الصناعية هي الأشعة التي ولدها الإنسان:
حيث تبث الدوائر الكهربائية التي تحمل تيارات متذبذبة عالية التردد على هيئة مجالين يتعامدان على بعضهما، أحدهما كهربائي والأخر مغناطيسي، ويتعامد مستوى أحدهما على مستوى الآخر. المجال المغناطيسي المتغير يولد المجال الكهربائي، كما أن المجال الكهربائي المتغير يولد المجال المغناطيسي. وقد اتضح فيما بعد أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يماثل تماما الموجات الكهرومغناطيسية للضوء وهي تتحرك في الفضاء بسرعة الضوء أي بسرعة 299796 كيلومتر في الثانية أو بسرعة 186284 ميل في الثانية، ولها نفس خواص الضوء.

طاقة كهرومغناطيسية

أثبت العالم الألماني ماكس بلانك عام 1900 من خلال دراسته لإشعاع الجسم الأسود أنه توجد علاقة بين طاقة الشعاع وطول موجته. فإذا رمزنا لطول الموجة شعاع ب ( λ
{displaystyle lambda } ) فإن الطاقة المقترنة بها E
E (طاقة الشعاع) تعطى بالعلاقة: E
=
h
c / λ
{displaystyle E=hc/lambda } حيث h
{displaystyle h} ثابت طبيعي يسمى ثابت بلانك، و c
c سرعة الضوء في الفراغ (وهي أيضا ثابت طبيعي). كما أن الطاقة ترتبط مع التردد بالعلاقة التالية: E
=
h
ν
{displaystyle E=hnu } حيث ν
{displaystyle nu } التردد. كما يرتبط تردد موجة كهرومغناطيسية بطول موجتها بالعلاقة (المعروفة أيضًا عن الصوت): λ
⋅
ν
=
c
{displaystyle lambda cdot nu =c} حيث c
c سرعة الضوء في الفراغ.

علم الطبيعة

ينتج الإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل غير مباشر، وبالأصح في الإشعاع الكهرومغناطيسي كل من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي ينتج من تغير الآخر (يولد المجال الكهربائي المتغير مجال مغناطيسي متغير ومتعامد عليه، والعكس صحيح)، تسمح هذه العلاقة بجعل شدة المجالين في تناسب ثابت (فمثلا عندما تصل شدة المجال الكهرباء إلى أقصى قيمة له تصل شدة المجال المغناطيسي إلى أقصى قيمة له) واتساق الطور لكلا المجالين الكهربائي والمغناطيسي (تتفق قمم وقيعان المجالين على طول منحنى الانتشار). اكتشافها
يظهر بالصورة ثلاث موجات كهرومغناطيسية (أزرق، أخضر وأحمر)مع مقياس مسافة بالمايكرومتر خلال المحور السيني.

المقالة الرئيسة: معادلات ماكسويل
يرجع الفضل في اكتشافها إلى العالم جيمس ماكسويل الذي وضع فرضية نشوء الموجات الكهرومغناطيسية سنة 1864 م، فقد كان معلوما حسب قانون فرداي أن المجال المغناطيسي المتغير ينتج (يحرض) مجالا كهربائيا متغيرا. فقام ماكسويل بصياغة قوانين حركة تلك الموجات الكهرومغناطيسية وهي المعروفة بمعادلات ماكسويل. ثم أثبت هنريك هيرتز لاحقا صحتها – أن المجال الكهربائي المتغير ينتج بدوره مجالا مغناطيسيا متغيرا، وبالعكس فالمجال الكهربي يولد أيضا مجالا مغناطيسيا. وهكذا تنشأ الموجات الكهرومغناطيسية بقسميها الكهربائي والمغناطيسي. وهي تستطيع قطع مسافة كبيرة جدا وبسرعة كبيرة جدا هي سرعة الضوء دون أن تعاني اضمحلالا في الفضاء. ولأن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأ ماكسويل في المعادلة تتزامن مع سرعة الضوء المقاسة، مما استنتج ماكسويل بأن الضوء نفسه هو موجة كهرومغناطيسية. قام هنريك هيرتز سنة 1887 بعد موت ماكسويل بسبع سنوات بتجربة حيث بنى دائرتين كهربيتين غير متصلتين تعملان على نفس التردد فوجد أنه عند تغذية أحديهما بتيار كهربي يتولد في إثرها تيار في الدائرة الأخرى، فأثبت العالم هرتز بالتجربة هذه النظرية الرياضية البحتة بعد سبعة سنوات من وفاة ماكسويل. وفي عام 1901 نجح ماركوني لأول مرة في إرسال موجات كهرومغناطيسية عبر المحيط الأطلسي بواسطة دائرة كهربائية، أمكن استقبال الموجات عبر المحيط. موجة يتغير فيها المجال الكهربي متعامدة على موجة يتغير فيها مجال مغناطيسي. وتنتشر الموجة في الاتجاه العمودي على المستوي الذي يتغير فيه المجالان (أي من اليسار إلى اليمين)
في هذا الشكل التوضيحي
k
→ {displaystyle {vec {k}}} اتجاه انتشار الموجة،
B
→ {displaystyle {vec {B}}} المجال المغناطيسي المتردد،
E
→ {displaystyle {vec {E}}} المجال الكهربي المتردد، كما يوضح الشكل طول الموجة (لامدا). يمكن تعريف طول الموجة بأنها المسافة بين قاعين متتاليين للموجة أو المسافة بين قمتين متتاليتين للموجة.

شرح مبسط

الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الكهرومغناطيسية أو الموجة الكهرطيسية[1] هو أحد أشكال الطاقة تصدره وتمتصه الجسيمات المشحونة، والتي تظهر سلوك مشابه للموجات في سفرها خلال الفضاء. للإشعاع الكهرومغناطيسي حقل كهربائي وآخر مغناطيسي، متساويان في الشدة، ويتذبذب كل منها في طور معامد للآخر ومعامد لاتجاه الطاقة وانتشار الموجة، حيث ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي في الفراغ بسرعة الضوء.[2]