دراسة حول مفهوم الكهرومغناطيسية وأهميتها

مقدمة إلى الكهرومغناطيسية

الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetism) هي فرع من فروع العلوم يختص بدراسة الشحنة الكهربائية، مع التركيز على القوى والمجالات المرتبطة بها. وتعتبر هذه العلوم مزيجًا بين علم الكهرباء وعلم المغناطيسية، مما أدى إلى نشوء علم الكهرومغناطيسية.

حتى القرن التاسع عشر، كان يُعتقد أن الكهرباء والمغناطيسية يمثلان مجالين علميين منفصلين، حتى جاء العالم ألبرت آينشتاين، الذي من خلال نظرية النسبية الخاصة أثبت أن الكهرباء والمغناطيسية هما وجهان لعملة واحدة، وهما الكهرومغناطيسية.

تعريف المجال الكهرومغناطيسي

المجال الكهرومغناطيسي (بالإنجليزية: Electromagnetic Field) هو خاصية تملأ الفراغ الناتجة عن حركة الشحنة الكهربائية، مما يولِّد مجالًا مغناطيسيًا. نتج عن التفاعل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية تكوين المجال الكهرومغناطيسي، الذي يمكن وصفه في ظروف معينة بأنه موجة تحمل الطاقة الكهرومغناطيسية.

تتأثر الشحنة في هذا المجال المغناطيسي بقوة تعرف بقوة لورنتز (بالإنجليزية: Lorentz Force)، وهي القوة التي تؤثر على الشحنة الكهربائية أثناء حركتها في مجال كهرومغناطيسي. تكون هذه القوة في أقصى درجاتها عندما تتحرك الشحنة بصورة عمودية مع المجال المغناطيسي، بينما تصبح القوة معدومة عندما تسير الشحنة بمحاذاة المجال المغناطيسي.

فهم الموجات الكهرومغناطيسية

الموجات الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic Waves) هي ظواهر نتيجة لتذبذب المجالات الكهربائية والمغناطيسية. وتتشكل هذه الموجات عندما يتفاعل المجال الكهربائي مع المجال المغناطيسي، مشكّلين بذلك ما يعرف بالموجات الكهرومغناطيسية.

تكون المجالات الكهربائية والمغناطيسية لهذه الموجات متعامدة على بعضها البعض، كما أنها متعامدة أيضًا على اتجاه انتشار الموجة. تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بسرعتها، إذ تنتقل بسرعة الضوء، ولا تحتاج إلى وسط ناقل، فتستطيع المرور عبر الهواء أو الفراغ. وتعتبر هذه الموجات عرضية، يمكن وصفها من خلال عرضها وطولها الموجي.

مسار علم الكهرومغناطيسية

يعنى علم الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetism) بدراسة التفاعلات المختلفة بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية، وكيفية حدوث هذه التفاعلات والظواهر المرتبطة بها. حيث تنتمي القوى الكهربائية والمغناطيسية إلى طائفة هذه المجالات.

تتواجد هذه المجالات كقوى أساسية في الطبيعة، حتى في الفضاء بعيدًا عن الشحنات أو التيارات التي أنتجتها. من خلال دراسة الكهرومغناطيسية، يمكننا ملاحظة إمكانية توليد المجال الكهربائي من المجال المغناطيسي، والعكس صحيح.

على سبيل المثال، عند تطبيق مجال مغناطيسي متغير، يتم توليد مجال كهربائي. كما يتولد مجال مغناطيسي أيضًا عند تطبيق مجال كهربائي متغير.

العلماء الذين ساهموا في تطوير الكهرومغناطيسية

ساهم العديد من العلماء في دراسة الكهرباء والمغناطيسية، مما أدى إلى تطوير علم الكهرومغناطيسية إلى صورته الحالية. ومن أبرز هؤلاء العلماء:

أندريه ماري أمبير

العالم الفرنسي أندريه ماري أمبير (Andre Marie Ampere) هو رائد في علم الديناميكا الكهربائية، المعروف اليوم بالكهرومغناطيسية، وقد حُدِّدت وحدة قياس التيار الكهربائي بـ”الأمبير” تكريمًا له. قام أمبير بتطوير نظرية رياضية لفهم العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، وأظهر تجاربه أن الأسلاك المتوازية التي تحمل تيارات كهربائية تتفاعل مع بعضها البعض.

استطاع أمبير تقديم صيغ رياضية توضح الظواهر الفيزيائية الناتجة عن تجاربه، بما في ذلك قانون أمبير، الذي ينص على أن التأثير المتبادل بين سلكين يحملان تيارًا كهربائيًا يتناسب مع أطوالهما وشدة التيار.

هانز أورستد

العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد (Hans Christian Orsted) كان أول من اكتشف تأثير التيار الكهربائي على البوصلة الممغنطة، مما أشار إلى بداية فهم العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. من خلال تجربته، أثبت أن إبرة البوصلة تتحرك عندما يكون بالقرب منها سلك يحمل تيارًا كهربائيًا.

مايكل فارادي

العالم الإنجليزي مايكل فارادي (Michael Faraday) يُعتبر أحد أبرز العلماء في القرن التاسع عشر، حيث ساهمت تجاربه الرئيسة في فهم الكهرومغناطيسية. قام بتوليد تيار كهربائي من مجال مغناطيسي، وأسس العديد من المبادئ الأساسية في هذا العلم، وكذلك أول محرك كهربائي ودينامو.

كما اكتشف فارادي التأثير المغناطيسي على الضوء وقدّم أساسًا كبيرًا من الأطر النظرية والتجريبية لنظرية المجال الكهرومغناطيسي، التي تم تطويرها لاحقًا بواسطة جيمس كلارك ماكسويل.

جيمس ماكسويل

العالم الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل (James Clerk Maxwell) هو عالم بارز في صياغة النظرية الكهرومغناطيسية. ساهمت معادلاته التي استندت إلى ملاحظات فارادي في تشكيل الفهم الحالي للكهرومغناطيسية، وهذا ما مهّد الطريق لنظرية النسبية الخاصة لآينشتاين.

أبدع ماكسويل في تصور الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتنبأ بإمكانية توليد الموجات الكهرومغناطيسية في المختبر، وقد أثبت هيرتز هذا الأمر لاحقًا. تعتبر معادلات ماكسويل الأربعة وصفًا شاملاً للعلاقة بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

تطبيقات الكهرومغناطيسية

تتواجد العديد من التطبيقات العملية التي تستخدم الكهرومغناطيسية في عملها، والتي تُستخدم يوميًا في مجالات متعددة، ومنها:

• الأجهزة المنزلية:

مثل مصابيح الفلورسنت، أفران الميكروويف، ومكبرات الصوت في مختلف الأجهزة الكهربائية.

• التطبيقات الصناعية:

تستخدم المحركات والمولدات الكهربائية والرافعات تقنيات الكهرومغناطيسية في عملياتها.

• الأجهزة الطبية:

كما في جهاز الرنين المغناطيسي (MRI) الذي يستخدم الكهرومغناطيسية لتصوير التفاصيل الدقيقة داخل الجسم.

• أجهزة الاتصالات:

تستخدم الكهرومغناطيسية في نقل المعلومات من أجهزة الإرسال إلى أجهزة الاستقبال عبر طاقة متوسطة، تنتقل هذه الطاقة عبر مسافات طويلة من خلال الموجات الكهرومغناطيسية عالية التردد، المعروفة أيضًا بالميكروويف أو موجات الراديو.