ماكسويل والنظرية الكهرومغناطيسية

ماكسويل والنظرية الكهرومغناطيسية

تنتشر الموجات الصوتية (موجات ميكانيكية طولية) في وسط مادي فقط، أما الموجات الكهرومغناطيسية فلا يشترط وجود وسط مادي لانتشارها.

وجد بالتجربة أن المجال المغناطيسي المتغير الذي يخترق موصلاً يولد قوة دافعة كهربائية محتثة على طرفيه (الحث الكهرومغناطيسي)، وأن المجال الكهربائي المتغير يولد مجالاً مغناطيسياً متغيراً عمودياً عليه ومتفقاً معه في الطور والعكس صحيح. واستناداً إلى ذلك تمكن العالم ماكسويل عام 1860 من ربط القوانين الخاصة بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية بالحقائق الآتية:

1. الشحنة الكهربائية النقطية الساكنة تولد حولها مجالاً كهربائياً تنبع خطوطه من أو إلى موقع تلك الشحنة.
2. لا يتوافر قطب مغناطيسي منفرد (لذا فإن خطوط المجال المغناطيسي تكون مغلقة).
3. المجال الكهربائي المتغير مع الزمن يولد حوله مجالاً مغناطيسياً متغيراً مع الزمن وعمودياً عليه ومتفقاً معه في الطور.
4. المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن يولد حوله مجالاً كهربائياً متغيراً مع الزمن وعمودياً عليه ومتفقاً معه في الطور.

واستنتج ماكسويل أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي المتغيرين مع الزمن والمتلازمين يمكن أن ينتشرا بشكل موجة في الفضاء تسمى الموجة الكهرومغناطيسية. وأصل نشوئها هو الشحنات الكهربائية المتذبذبة، وتنتشر في الفراغ بسرعة الضوء $3\times10^{8}\,m/s$.

تيار الإزاحة

وجد ماكسويل أن المجال المغناطيسي لا ينشأ فقط عن تيار التوصيل الاعتيادي وإنما يمكن أن ينشأ من مجال كهربائي متغير مع الزمن. فعند ربط صفيحتي متسعة بمصدر فولطية متناوبة فإن المجال الكهربائي $E$ المتغير مع الزمن بين صفيحتيها يولد تياراً يسمى تيار الإزاحة $I_d$، والذي يولد بدوره مجالاً مغناطيسياً $B$ متغيراً مع الزمن وعمودياً عليه. وتيار الإزاحة يتناسب مع المعدل الزمني للتغير في المجال الكهربائي: $I_d \propto \frac{\Delta E}{\Delta t}$. ويرافق تيار الإزاحة الموجة الكهرومغناطيسية المنتشرة في الفضاء بخلاف تيار التوصيل الذي ينتقل خلال الموصل فقط.

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية

• تنتشر في الفراغ بخطوط مستقيمة وتنعكس وتنكسر وتتداخل وتستقطب وتحيد عن مسارها.
• تتألف من مجالين كهربائي ومغناطيسي متلازمين ومتغيرين مع الزمن وبمستويين متعامدين مع بعضهما وعموديين على خط انتشار الموجة ويتذبذبان بالطور نفسه.
• هي موجات مستعرضة لأن المجالين الكهربائي والمغناطيسي يتذبذبان عمودياً على خط انتشار الموجة.
• تنتشر في الفراغ بسرعة الضوء، وعند انتقالها في وسط مادي تقل سرعتها تبعاً للخصائص الفيزيائية لذلك الوسط. وتتولد نتيجة تذبذب الشحنات الكهربائية، ويمكن توليد بعض منها بوساطة مولد الذبذبات (oscillator).
• تتوزع طاقة الموجة الكهرومغناطيسية بالتساوي بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي عند انتشارها في الفراغ.