المجال الكهرومغناطيسي

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 16 صور
الموسوعة الحرة

المجال الكهرومغناطيسي (أو المجال الكهرومغناطيسي ) هو مجال فيزيائي يتغير مكانيًا وزمنيًا، ويمثل التأثيرات الكهربائية والمغناطيسية الناتجة عن الشحنات الكهربائية والمؤثرة عليها . [ 1 ] يمكن اعتبار المجال عند أي نقطة في المكان والزمان مزيجًا من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي . وبسبب الترابط بين المجالين، يمكن أن يُحدث اضطراب في المجال الكهربائي اضطرابًا في المجال المغناطيسي، والذي بدوره يؤثر على المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى تذبذب ينتشر عبر الفضاء، يُعرف بالموجة الكهرومغناطيسية . [ 2 ] [ 3 ]

رياضيًا، يُعرَّف المجال الكهرومغناطيسي بأنه زوج من الحقول المتجهة ، يتألف من متجه للمجال الكهربائي وآخر للمجال المغناطيسي عند كل نقطة في الفضاء. قد تتغير هذه المتجهات بمرور الزمن والمكان وفقًا لمعادلات ماكسويل . وتخضع هذه المتجهات لقواعد النسبية الخاصة ؛ إذ قد يحدد مراقبون مختلفون متجهات مختلفة.

تُوصَف طريقة تفاعل الشحنات والتيارات (أي تيارات الشحنات) مع المجال الكهرومغناطيسي بواسطة معادلات ماكسويل [ 4 ] وقانون لورنتز للقوة [ 5 ] . تُفصّل معادلات ماكسويل كيفية تقارب المجال الكهربائي نحو الشحنات الكهربائية أو تباعده عنها، وكيفية التفاف المجال المغناطيسي حول التيارات الكهربائية، وكيف تؤثر التغيرات في المجالين الكهربائي والمغناطيسي على بعضهما البعض. ينص قانون لورنتز للقوة على أن الشحنة الخاضعة لمجال كهربائي تشعر بقوة في اتجاه المجال، وأن الشحنة المتحركة عبر مجال مغناطيسي تشعر بقوة عمودية على كل من المجال المغناطيسي واتجاه حركته.

يُوصَف المجال الكهرومغناطيسي بواسطة الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ، وهي مثال على نظرية المجال الكلاسيكية . تصف هذه النظرية العديد من الظواهر الفيزيائية العيانية بدقة. [ 6 ] ومع ذلك، فقد عجزت عن تفسير التأثير الكهروضوئي وطيف الامتصاص الذري ، وهما تجربتان تُجرىان على المستوى الذري. وقد استلزم ذلك استخدام ميكانيكا الكم ، وتحديدًا تكميم المجال الكهرومغناطيسي وتطوير الديناميكا الكهربائية الكمية .

تاريخ

نتائج تجربة مايكل فاراداي باستخدام برادة الحديد.

يعود تاريخ البحث التجريبي في الكهرومغناطيسية إلى عهد الفيلسوف والرياضي والعالم اليوناني القديم طاليس الملطي ، الذي  وصف حوالي عام 600 قبل الميلاد تجاربه في فرك فراء الحيوانات على مواد مختلفة كالكهرمان، مُولِّدًا الكهرباء الساكنة. [ 7 ] وبحلول القرن الثامن عشر، أصبح من المفهوم أن الأجسام يمكن أن تحمل شحنة كهربائية موجبة أو سالبة ، وأن جسمين يحملان شحنة من نفس النوع يتنافران، وأن جسمين يحملان شحنتين مختلفتين يتجاذبان، وأن قوة هذا التجاذب تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما. وقد صوّر مايكل فاراداي ذلك من خلال تفاعل الشحنات عبر المجال الكهربائي . يتولد المجال الكهربائي عندما تكون الشحنة ثابتة بالنسبة لمراقب يقيس خصائصها، ويتولد المجال المغناطيسي والمجال الكهربائي عندما تتحرك الشحنة، مُولِّدةً تيارًا كهربائيًا بالنسبة لهذا المراقب. ومع مرور الوقت، أُدرك أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي يُنظر إليهما بشكل أفضل كجزءين من كلٍّ أكبر، ألا وهو المجال الكهرومغناطيسي. في عام 1820، أثبت هانز كريستيان أورستد أن التيار الكهربائي قادر على تحريك إبرة البوصلة القريبة، مما يؤكد أن الكهرباء والمغناطيسية ظاهرتان مترابطتان ارتباطًا وثيقًا. [ 8 ] ثم قدم فاراداي الملاحظة الرائدة في عام 1831 بأن المجالات المغناطيسية المتغيرة مع الزمن يمكن أن تحث تيارات كهربائية.

في عام 1861، جمع جيمس كلارك ماكسويل جميع الدراسات السابقة حول الظواهر الكهربائية والمغناطيسية في نظرية رياضية واحدة، استنتج منها أن الضوء موجة كهرومغناطيسية. حققت نظرية ماكسويل للمجال المتصل نجاحًا كبيرًا إلى أن ظهرت أدلة تدعم النموذج الذري للمادة. ابتداءً من عام 1877، طور هندريك لورنتز نموذجًا ذريًا للكهرومغناطيسية، وفي عام 1897 أكمل جيه جيه طومسون تجارب حددت الإلكترون . تعمل نظرية لورنتز مع الشحنات الحرة في المجالات الكهرومغناطيسية، لكنها تعجز عن التنبؤ بطيف الطاقة للشحنات المقيدة في الذرات والجزيئات. لحل هذه المشكلة، يلزم استخدام ميكانيكا الكم ، مما أدى في النهاية إلى نظرية الديناميكا الكهربائية الكمية .

ظهرت التطبيقات العملية للفهم الجديد للمجالات الكهرومغناطيسية في أواخر القرن التاسع عشر. تم اختراع المولد الكهربائي والمحرك باستخدام النتائج التجريبية فقط مثل قوانين فاراداي وأمبير بالإضافة إلى الخبرة العملية.

الوصف الرياضي

توجد طرق رياضية مختلفة لتمثيل المجال الكهرومغناطيسي. تنظر الطريقة الأولى إلى المجالين الكهربائي والمغناطيسي كمجالات متجهة ثلاثية الأبعاد . لكل من هذه المجالات المتجهة قيمة محددة عند كل نقطة في المكان والزمان، ولذلك تُعتبر غالبًا دوالًا لإحداثيات المكان والزمان. ولهذا، يُكتب عادةً على النحو التالي: E ( x , y , z , t ) ( للمجال الكهربائي ) و B ( x , y , z , t ) ( للمجال المغناطيسي ).

إذا كان المجال الكهربائي ( E ) فقط غير صفري وثابتًا مع الزمن، يُقال إن المجال مجال كهرساكن . وبالمثل، إذا كان المجال المغناطيسي ( B ) فقط غير صفري وثابتًا مع الزمن، يُقال إن المجال مجال مغناطيسي ساكن . مع ذلك، إذا كان أي من المجالين الكهربائي أو المغناطيسي متغيرًا مع الزمن، فيجب اعتبار كلا المجالين معًا كمجال كهرومغناطيسي مقترن باستخدام معادلات ماكسويل . [ 9 ]

مع ظهور النسبية الخاصة ، أصبحت القوانين الفيزيائية قابلة للصياغة باستخدام صيغة الموترات . ويمكن كتابة معادلات ماكسويل بصيغة الموترات، والتي يعتبرها الفيزيائيون عمومًا وسيلة أكثر أناقة للتعبير عن القوانين الفيزيائية.

يخضع سلوك المجالات الكهربائية والمغناطيسية، سواء في حالات الكهروستاتيكا أو المغناطيسية الساكنة أو الديناميكا الكهربائية (المجالات الكهرومغناطيسية)، لمعادلات ماكسويل. وفي صيغة المجال المتجهي، تكون هذه المعادلات كما يلي:

قانون جاوس
∇⋅هـ=ρε0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}}
قانون جاوس للمغناطيسية
∇⋅ب=0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}
قانون فاراداي
∇×هـ=-∂ب∂ت{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}
قانون أمبير-ماكسويل
∇×ب=μ0ج+μ0ε0∂هـ∂ت{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}

أينρ{\displaystyle \rho }هي كثافة الشحنة، وهي دالة للزمن والموقع.ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}}هي سماحية الفراغ ،μ0{\displaystyle \mu _{0}}تمثل نفاذية الفراغ ، و J متجه كثافة التيار، وهو أيضًا دالة للزمن والموقع. داخل مادة خطية، تتغير معادلات ماكسويل باستبدال نفاذية وسماحية الفراغ بنفاذية وسماحية المادة الخطية المعنية. أما داخل المواد الأخرى التي تُظهر استجابات أكثر تعقيدًا للمجالات الكهرومغناطيسية، فغالبًا ما تُمثل هذه الحدود بأعداد مركبة أو موترات.

يحكم قانون قوة لورنتز تفاعل المجال الكهرومغناطيسي مع المادة المشحونة.

عندما ينتقل مجال ما عبر وسائط مختلفة، يتغير سلوك المجال وفقًا لخصائص تلك الوسائط. [ 10 ]

خصائص المجال

الكهرباء الساكنة والمغناطيسية الساكنة

المجال الكهربائي لشحنة كهربائية نقطية موجبة معلقة فوق صفيحة لانهائية من مادة موصلة. يُصوَّر المجال بخطوط المجال الكهربائي ، وهي خطوط تتبع اتجاه المجال الكهربائي في الفضاء.

تتبسط معادلات ماكسويل عندما لا تتغير كثافة الشحنة عند كل نقطة في الفضاء مع مرور الوقت، وتبقى جميع التيارات الكهربائية ثابتة كذلك. تختفي جميع المشتقات الزمنية من المعادلات، ليتبقى تعبيران يتضمنان المجال الكهربائي. ∇⋅هـ=ρϵ0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}} و ∇×هـ=0،{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =0,} إلى جانب صيغتين تتضمنان المجال المغناطيسي: ∇⋅ب=0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0} و ∇×ب=μ0ج.{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} .} هذه التعبيرات هي المعادلات الأساسية لعلم الكهرباء الساكنة ، الذي يركز على الحالات التي لا تتحرك فيها الشحنات الكهربائية، وعلم المغناطيسية الساكنة ، وهو المجال المقابل للظواهر المغناطيسية. [ 11 ]

تحولات المجالات الكهرومغناطيسية

يعتمد تحديد ما إذا كان التأثير الفيزيائي ناتجًا عن مجال كهربائي أو مجال مغناطيسي على الراصد، وهو ما تُحدده النسبية الخاصة بدقة رياضية. على سبيل المثال، لنفترض أن مختبرًا يحتوي على سلك مستقيم طويل يحمل تيارًا كهربائيًا. في إطار مرجعي يكون فيه المختبر ساكنًا، يكون السلك ثابتًا ومتعادلًا كهربائيًا: يتحرك التيار، المكون من إلكترونات سالبة الشحنة، في مقابل خلفية من أيونات موجبة الشحنة، وتلغي كثافات الشحنات الموجبة والسالبة بعضها بعضًا. لن تشعر شحنة اختبار قريبة من السلك بأي قوة كهربائية منه. مع ذلك، إذا كانت شحنة الاختبار تتحرك بالتوازي مع التيار، يتغير الوضع. في إطار سكون شحنة الاختبار، تتحرك الشحنات الموجبة والسالبة في السلك بسرعات مختلفة، وبالتالي ينكمش توزيع الشحنات الموجبة والسالبة بمقادير مختلفة وفقًا لقانون لورنتز . ونتيجة لذلك، يمتلك السلك كثافة شحنة صافية غير صفرية، ويجب أن تتعرض شحنة الاختبار لمجال كهربائي غير صفري، وبالتالي لقوة غير صفرية. في إطار السكون للمختبر، لا يوجد مجال كهربائي يفسر انجذاب الشحنة المختبرة نحو السلك أو ابتعادها عنه. لذا، يستنتج المراقب في إطار السكون للمختبر وجود مجال مغناطيسي . [ 12 ] [ 13 ]

بشكل عام، فإنّ حالةً يصفها مراقبٌ ما باستخدام مجال كهربائي فقط، سيصفها مراقبٌ آخر في إطار مرجعي قصوري مختلف باستخدام مزيج من المجالين الكهربائي والمغناطيسي. وبالمثل، فإنّ ظاهرةً يصفها مراقبٌ ما باستخدام مجال مغناطيسي فقط، ستُوصَف في إطار مرجعي متحرك نسبيًا بمزيج من المجالات. وتُعدّ تحويلات لورنتز للمجالات هي القواعد التي تربط المجالات المطلوبة في أطر مرجعية مختلفة . [ 14 ]

لذا، يُنظر الآن إلى الكهروستاتيكا والمغناطيسية الساكنة على أنهما دراسات للمجال الكهرومغناطيسي الساكن عند اختيار إطار مرجعي معين لكبح النوع الآخر من المجال، وبما أن المجال الكهرومغناطيسي، بشقيه الكهربائي والمغناطيسي، سيظهر في أي إطار مرجعي آخر، فإن هذه التأثيرات "الأبسط" ليست سوى نتيجة لاختلاف أطر القياس. إن إمكانية إعادة إنتاج تغيري المجال بمجرد تغيير حركة الراصد دليل إضافي على وجود مجال فعلي واحد فقط يتم رصده بطريقة مختلفة.

السلوك المتبادل للمجالات الكهربائية والمغناطيسية

تُجسّد معادلات ماكسويل، قانون فاراداي وقانون أمبير-ماكسويل، خاصيةً عمليةً للغاية للمجال الكهرومغناطيسي. يُمكن صياغة قانون فاراداي تقريبًا على النحو التالي: "يُؤدي تغير المجال المغناطيسي داخل حلقة إلى توليد جهد كهربائي حول الحلقة". هذا هو المبدأ الذي يقوم عليه المولد الكهربائي .

ينص قانون أمبير تقريبًا على أن "التيار الكهربائي المار في حلقة يُنشئ مجالًا مغناطيسيًا عبر تلك الحلقة". وبالتالي، يمكن تطبيق هذا القانون لتوليد مجال مغناطيسي وتشغيل محرك كهربائي .

سلوك المجالات في غياب الشحنات أو التيارات

تُعدّ الموجة الكهرومغناطيسية المستوية المستقطبة خطيًا والمنتشرة بالتوازي مع المحور z حلاً محتملاً لمعادلات الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر . ويكون المجال الكهربائي E والمجال المغناطيسي B متعامدين مع بعضهما البعض ومع اتجاه الانتشار.

يمكن دمج معادلات ماكسويل لاستنتاج معادلات الموجة . وتأخذ حلول هذه المعادلات شكل موجة كهرومغناطيسية . في حيز من الفضاء لا يحتوي على شحنات أو تيارات ( الفضاء الحر ) - أي حيثρ{\displaystyle \rho }و J يساويان صفرًا، فإن المجالين الكهربائي والمغناطيسي يحققان معادلات الموجة الكهرومغناطيسية التالية : [ 15 ] [ 16 ]

(∇2-1ج2∂2∂ت2)هـ  =  0{\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {E} \ \ =\ \ 0}
(∇2-1ج2∂2∂ت2)ب  =  0{\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {B} \ \ =\ \ 0}

كان جيمس كلارك ماكسويل أول من توصل إلى هذه العلاقة من خلال إكماله لمعادلات ماكسويل بإضافة حد تيار الإزاحة إلى قانون أمبير الدائري . وقد وحد هذا الفهم الفيزيائي للكهرباء والمغناطيسية والضوء: فالضوء المرئي ليس سوى جزء واحد من النطاق الكامل للموجات الكهرومغناطيسية، أي الطيف الكهرومغناطيسي .

المجالات الكهرومغناطيسية المتغيرة مع الزمن في معادلات ماكسويل

يُطلق على المجال الكهرومغناطيسي البعيد جدًا عن التيارات والشحنات (المصادر) اسم الإشعاع الكهرومغناطيسي ، لأنه ينبعث من الشحنات والتيارات الموجودة في المصدر. ويمكن أن يحدث هذا الإشعاع عبر نطاق واسع من الترددات يُسمى الطيف الكهرومغناطيسي ، ويشمل موجات الراديو ، والموجات الميكروية ، والأشعة تحت الحمراء ، والضوء المرئي ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وأشعة غاما . وتُناقش التطبيقات التجارية العديدة لهذه الإشعاعات في المقالات المذكورة والمرتبطة بها.

ومن التطبيقات البارزة للضوء المرئي أن هذا النوع من الطاقة القادمة من الشمس يمد جميع أشكال الحياة على الأرض التي إما تنتج الأكسجين أو تستخدمه.

يتميز المجال الكهرومغناطيسي المتغير القريب فيزيائيًا من التيارات والشحنات (انظر المجال القريب والبعيد لتعريف "القريب") بخاصية ثنائية القطب ، يهيمن عليها إما ثنائي قطب كهربائي متغير أو ثنائي قطب مغناطيسي متغير . يُطلق على هذا النوع من مجال ثنائي القطب بالقرب من المصادر اسم المجال الكهرومغناطيسي القريب .

تُستخدم الحقول ثنائية القطب الكهربائية المتغيرة ، على هذا النحو، تجاريًا كمجالات قريبة بشكل أساسي كمصدر للتسخين العازل . كما أنها تظهر بشكل طفيلي حول الموصلات التي تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي، وحول الهوائيات التي تهدف إلى توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي على مسافات أبعد.

تُستخدم المجالات المغناطيسية ثنائية القطب المتغيرة (أي المجالات المغناطيسية القريبة) تجاريًا في العديد من أنواع أجهزة الحث المغناطيسي . وتشمل هذه الأجهزة المحركات والمحولات الكهربائية عند الترددات المنخفضة، وأجهزة مثل بطاقات تعريف الترددات الراديوية (RFID ) وأجهزة الكشف عن المعادن وملفات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI ) عند الترددات العالية.

الصحة والسلامة

تتفاوت الآثار المحتملة للمجالات الكهرومغناطيسية على صحة الإنسان بشكل كبير تبعًا لترددها وشدتها ومدة التعرض لها. ويُعتبر التعرض للإشعاع الكهرومغناطيسي بتردد منخفض وشدّة منخفضة ومدة قصيرة آمنًا بشكل عام. [ 17 ] من جهة أخرى، من المعروف أن الإشعاع الصادر من أجزاء أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي ، مثل الأشعة فوق البنفسجية [ 18 ] وأشعة غاما [ 19 ] ، يُسبب ضررًا كبيرًا في بعض الحالات.

انظر أيضاً

مراجع

الاقتباسات

مصادر

للمزيد من القراءة

  • شعار ويكيميديا ​​كومنزوسائط متعلقة بالمجال الكهرومغناطيسي على ويكيميديا ​​كومنز