المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفضاء

5-2 المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفضاء

Electric and Magnetic Fields in Space

رابط الدرس الرقمي

[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)

الأهداف

• تصف كيف تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء.
• تحل مسائل تتضمن خصائص الموجات الكهرومغناطيسية.
• تصف العوامل المؤثرة في قدرة الهوائي على التقاط موجة كهرومغناطيسية لها طول موجي محدد.
• تحل مسائل تتضمن انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في المواد العازلة للكهرباء.

المفردات

• الموجات الكهرومغناطيسية.
• العوازل الكهربائية.
• الهوائي.
• الطيف الكهرومغناطيسي.
• الإشعاع الكهرومغناطيسي.
• الكهرباء الإجهادية.
• المستقبل.

---

على الرغم من أنك قد لا تدرك الموجات الكهرومغناطيسية إلا أنك تعتمد عليها يوميًا. فبث الإشارات من محطات الإذاعة والتلفزة، والأقمار الاصطناعية التي تدور حول الأرض، وحتى تلك الموجات الصادرة عن المجرات البعيدة، تعد جميعها موجات كهرومغناطيسية.

وتستخدم الموجات الكهرومغناطيسية أيضًا في منتجات استهلاكية شائعة مثل أفران الميكروويف، وأجهزة التحكم عن بعد، والهواتف الخلوية وغيرها.

وستتعلم في هذا الجزء عن المجالات التي تعمل بالموجات الكهرومغناطيسية، وكيفية إنتاج هذه الموجات واستقبالها.

---

الموجات الكهرومغناطيسية

Electromagnetic Waves

حدث تقدم كبير في فهم الموجات الكهرومغناطيسية خلال القرن التاسع عشر، وأدت هذه التطورات إلى تطوير أجهزة وتقنيات جديدة كان لها أثر كبير في المجتمع الحديث.

سلسلة من الإنجازات

في عام 1821م بينما كان العالم الدنماركي أورستد يقدم عرضًا لطلابه لاحظ انحراف إبرة البوصلة عند اقترابها من سلك يسري فيه تيار كهربائي، وأدرك أن ملاحظته تعرض ربطًا أساسيًا بين الكهرباء والمغناطيسية.

وتوصل أورستد إلى أن التيار المار في موصل يولد مجالًا مغناطيسيًا، وأن التيار المتغير يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا. ولقد أحدثت هذه الاكتشافات ثورة في الأوساط العلمية، وقاد إلى سيل من البحوث الجديدة.

وبعد مرور إحدى عشرة سنة على هذه التجارب، اكتشف كل من العالمين مايكل فارادي وجوزيف هنري، كل على حدة، الحث الكهرومغناطيسي.

والحث الكهرومغناطيسي هو إنتاج مجال كهربائي بسبب مجال مغناطيسي متغير. ومن المثير للاهتمام أن المجالات الكهربائية الحثية تتولد حتى لو لم يكن هناك أسلاك، كما هو موضح في الشكل 5-5a.

لذا فإن المجال المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا متغيرًا مماثلًا. لاحظ أن خطوط المجال الكهربائي الحثي تشكل حلقات مغلقة، كما هو موضح في الشكل 5-5a؛ وذلك لأنه لا توجد شحنات عند النقاط التي تبدأ منها خطوط المجال، أو عند النقاط التي تنتهي فيها، خلافًا للمجال الكهروسكوني.

الشكل 5-5

هذه الأشكال تمثل:

a. مجالًا كهربائيًا حثيًا.
b. مجالًا مغناطيسيًا.
c. مجالين كهربائيًا ومغناطيسيًا معًا.

---

افترض الفيزيائي الإسكتلندي جيمس ماكسويل في عام 1860م أن عكس الحث صحيح أيضًا؛ فالتغير في المجال الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا. وهذا موضح في الشكل 5-5b.

واقترح ماكسويل أيضًا أن الشحنات الكهربائية ليست ضرورية؛ فالمجال الكهربائي المتغير وحده يمكن أن يولد مجالًا مغناطيسيًا.

ثم توقع ماكسويل أن كلًا من الشحنات المتسارعة والمجالات المغناطيسية المتغيرة تولد مجالات كهربائية ومغناطيسية تتحرك معًا في الفضاء.

ويسمى المجالان المغناطيسي والكهربائي المنتشران معًا في الفضاء الموجات الكهرومغناطيسية، أو موجة (EM).

ويوضح الشكل 5-5c اتجاهات المجالات التي تكون موجة كهرومغناطيسية.

وفي عام 1887م أثبت الفيزيائي الألماني هنريش هرتز عمليًا صحة نظرية ماكسويل. كما أدت نظرية ماكسويل إلى وضع تصور كامل للكهرباء والمغناطيسية.

---

خصائص الموجات الكهرومغناطيسية

وجد مؤخرًا أن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية تساوي تقريبًا:

[
3.00 \times 10^8 \ m/s
]

ويرمز لها بالرمز (c)، وهي سرعة الضوء.

وتنتقل الموجات الكهرومغناطيسية، ومنها الضوء، في الفضاء بسرعة (c). ويرتبط كل من طول الموجة الكهرومغناطيسية وترددها وسرعتها بالعلاقة الآتية:

العلاقة بين الطول الموجي والتردد لموجة

[
\lambda = \frac{v}{f}
]

الطول الموجي للموجة يساوي مقدار سرعتها مقسومًا على ترددها.

في هذه المعادلة يقاس الطول الموجي (\lambda) بوحدة (m)، وتقاس السرعة (v) بوحدة (m/s)، ويقاس التردد (f) بوحدة (Hz).

ولاحظ أن السرعة (v) لأي موجة كهرومغناطيسية تنتقل في الفراغ تساوي سرعة الضوء (c)، ولذلك فإن العلاقة الخاصة بالموجة الكهرومغناطيسية تصبح:

[
\lambda = \frac{c}{f}
]

حيث:

[
c = 3.00 \times 10^8 \ m/s
]

لاحظ أن حاصل ضرب الطول الموجي في التردد لأي موجة كهرومغناطيسية هو مقدار ثابت ويساوي (c). ولذلك عندما يزداد الطول الموجي يقل التردد، والعكس صحيح.

أي أن الموجة الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي الكبير لها تردد صغير، بينما الموجة الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي الصغير لها تردد كبير.

---

مسائل تدريبية

• ما مقدار سرعة موجة كهرومغناطيسية في الهواء إذا كان ترددها:

[
3.2 \times 10^{19} \ Hz
]

• ما طول موجة الضوء الأخضر إذا كان تردده:

[
5.70 \times 10^{14} \ Hz
]

• ما طول موجة كهرومغناطيسية ترددها:

[
8.2 \times 10^{14} \ Hz
]

• ما تردد موجة كهرومغناطيسية طولها الموجي:

[
2.2 \times 10^{-2} \ m
]

---

انتشار الموجات الكهرومغناطيسية خلال مادة

يمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية خلال المادة أيضًا؛ فسقوط أشعة الشمس على كأس زجاجية بها ماء مثال على انتقال موجات الضوء خلال ثلاث مواد مختلفة: الهواء والزجاج والماء، وهي مواد غير موصلة للكهرباء، وتسمى العوازل الكهربائية.

وتكون سرعة الموجة الكهرومغناطيسية خلال العازل دائمًا أقل من سرعتها في الفراغ، ويمكن حسابها بالعلاقة:

[
v = \frac{c}{\sqrt{K}}
]

في هذه المعادلة تقاس سرعة الموجة (v) بوحدة (m/s)، وتقاس سرعة الضوء (c) بوحدة (m/s)، وقيمتها تساوي:

[
3.00 \times 10^8 \ m/s
]

أما ثابت العزل الكهربائي النسبي (K) فليس له وحدات. وفي الفراغ:

[
K = 1.00000
]

وسرعة الموجة في الفراغ تساوي (c). وفي الهواء:

[
K = 1.00054
]

ولذلك تنتقل الموجة الكهرومغناطيسية في الهواء أبطأ قليلًا من (c).

---

مسائل تدريبية

• ما مقدار سرعة الموجة الكهرومغناطيسية المنتقلة في الهواء؟ استخدم:

[
c = 299792458 \ m/s
]

في حساباتك.

• إذا كان ثابت العزل الكهربائي للماء (1.77)، فما مقدار سرعة انتقال الضوء في الماء؟

• إذا كانت سرعة الضوء خلال مادة:

[
2.43 \times 10^8 \ m/s
]

فما مقدار ثابت العزل الكهربائي للمادة؟

---

انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء

تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية كما في الشكل 5-6.

والهوائي هو سلك يتصل بمصدر تيار متناوب مصمم لبث واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية. ويولد المصدر المتناوب فرق جهد متغيرًا في الهوائي الذي يهتز بتردد مساو لتردد مصدر التيار المتناوب.

ويولد فرق الجهد المتناوب هذا مجالًا كهربائيًا متغيرًا مماثلًا، منتشرًا ومبتعدًا عن الهوائي. والمجال الكهربائي المتغير يولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا متعامدًا مع الصفحة.

وعلى الرغم من أن المجال المغناطيسي غير ظاهر في الشكل 5-6 إلا أنه ينتشر مبتعدًا عن الهوائي. وينشأ عن ترابط المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية معًا موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء بسرعة الضوء.

الشكل 5-6

يولد مصدر التيار المتناوب الموصول بالهوائي فرق جهد متغيرًا في الهوائي، وهذا التغير في فرق الجهد يولد مجالًا كهربائيًا متغيرًا في الشكل a.

يولد المجال الكهربائي المتغير مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا. والمجال المغناطيسي المتولد بدوره يولد مجالًا كهربائيًا. وتستمر هذه العملية فتنتشر الموجة الكهرومغناطيسية مبتعدة عن الهوائي في الشكلين b وc.

---

لو أمكن رؤية الموجات الكهرومغناطيسية القادمة فستظهر المجالات المتغيرة، كما في الشكل 5-7، حيث يتذبذب المجال الكهربائي إلى أعلى وإلى أسفل، بينما يتذبذب المجال المغناطيسي بزوايا قائمة مع المجال الكهربائي.

وكلا المجالين متعامدان على اتجاه انتشار الموجة. لاحظ أن الموجة الكهرومغناطيسية الناتجة بواسطة الهوائي مستقطبة؛ وذلك لأن المجال الكهربائي مواز لموصل الهوائي.

الشكل 5-7

أجزاء من المجالين الكهربائي والمغناطيسي المتولدين بواسطة الهوائي قد تبدو في لحظة ما، كما هو موضح في الشكل a.

لاحظ أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي متعامدان، وعموديان على اتجاه سرعة الموجة (v) في الشكل b.

---

الشكل 5-8

المخطط يبين أنواعًا من الإشعاعات الكهرومغناطيسية وأطوالها الموجية.

عناصر الطيف الكهرومغناطيسي كما تظهر في الشكل

• موجات راديو.
• ميكروويف.
• تحت الحمراء.
• ضوء مرئي.
• أشعة فوق بنفسجية.
• أشعة (X).
• أشعة جاما.

مصادر الإشعاع الموضحة

• هوائي المذياع.
• محطات بث.
• مصابيح وليزرات.
• سنكروترون.
• أنبوب الأشعة السينية.
• مصادر مشعة.
• مسرعات الجسيمات.

أجسام للمقارنة

• منزل.
• كرة تنس أرضي.
• نحلة.
• خلية.
• فيروس.
• جزيء.
• ذرة.
• نواة.
• بروتون.

---

مسألة تحفيز

يشكل الضوء المرئي جزءًا بسيطًا فقط من الطيف الكهرومغناطيسي. وأطوال الموجات لبعض ألوان الضوء المرئي موضحة في الجدول 5-1.

• أي ألوان الضوء له أكبر طول موجي؟

• أي الألوان ينتقل أسرع في الفراغ؟

• تحيد الموجات ذات الطول الموجي الأكبر حول الأجسام التي تعترض مساراتها أكثر من الموجات ذات الطول الموجي الأقصر. أي الألوان سيحيد بدرجة أكبر، وأيها سيحيد بدرجة أقل؟

• احسب مدى التردد لكل لون من ألوان الضوء المعطاة في الجدول 5-1.

---

الجدول 5-1

أطوال موجات الضوء المرئي

| اللون | الطول الموجي (nm) |
| ------------- | ----------------- |
| نيلي - بنفسجي | 390 حتى 455 |
| أزرق | 455 حتى 492 |
| أخضر | 492 حتى 577 |
| أصفر | 577 حتى 597 |
| برتقالي | 597 حتى 622 |
| أحمر | 622 حتى 700 |

---

توليد الموجات الكهرومغناطيسية

Producing Electromagnetic Waves

الموجات من مصدر متناوب

تعلمت أنه يمكن لمصدر متناوب متصل بهوائي أن يرسل موجات كهرومغناطيسية، ويكون تردد الموجة مساويًا لتردد دوران مولد التيار المتناوب (AC)، ويحدد بـ:

[
1 \ kHz
]

تقريبًا.

ويوضح الشكل 5-8 مدى الترددات والأطوال الموجية التي تشكل جميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتسمى الطيف الكهرومغناطيسي.

---

الموجات الناتجة عن ملف ومكثف كهربائي، دائرة (RC)

الطريقة الشائعة لتوليد موجات كهرومغناطيسية ذات ترددات كبيرة هي استخدام ملف، محث، ومكثف كهربائي يتصلان معًا على التوالي.

فإذا شحن المكثف ببطارية فسوف يخزن فيه شحنات كهربائية، وبذلك ينتج فرق الجهد الكهربائي بين لوحيه مجالًا كهربائيًا.

وعند فصل البطارية يفقد المكثف شحنته عن طريق تدفق الإلكترونات المختزنة فيه خلال الملف، مولدة مجالًا مغناطيسيًا.

وعندما يفقد المكثف شحنته ينهار المجال المغناطيسي للملف، فتتولد قوة دافعة كهربائية حثية عكسية، ويعاد شحن المكثف في اتجاه معاكس، وتتكرر العملية.

وعند توصيل هوائي بالمكثف تبث مجالات المكثف في الفضاء. ويوضح الشكل 5-9 دورة اهتزازية كاملة.

الشكل 5-9

يوضح الشكل دورة اهتزازية كاملة لدائرة مكثف كهربائي وملف.

ويحدد حجم كل من المكثف والملف عدد الاهتزازات كل ثانية للدائرة، والتي تساوي تردد الموجة الناتجة.

---

تطبيق الفيزياء

الترددات

تحدد الوزارة المعنية في كل دولة موجة حاملة بترددات محددة لكل محطة من محطات الإذاعة أو التلفاز التي تبث من أراضيها.

تبث المحطة عن طريق تغيير موجاتها الحاملة. وعند التقاط الموجة بالمذياع أو التلفاز تنفصل الموجة الحاملة بعيدًا، وتعالج المعلومات التي تحملها الموجة، بحيث يمكنك السماع أو المشاهدة.

---

الطاقة في دائرة المكثف والملف

في دائرة الملف والمكثف، يحتوي كل من المجال المغناطيسي المتولد في الملف والمجال الكهربائي المتولد في المكثف على طاقة.

عندما يكون للتيار قيمة عظمى يكون للطاقة المختزنة في المجال المغناطيسي قيمة عظمى، وعندما يصبح التيار صفرًا يكون للمجال الكهربائي في المكثف قيمة عظمى، وتصبح الطاقة جميعها ممثلة في المجال الكهربائي.

وتكون الطاقة الكلية للدائرة، مجموع طاقتي المجالين الكهربائي والمغناطيسي والطاقة الحرارية الضائعة في الأسلاك والطاقة المحمولة بعيدًا بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية المتولدة، مقدارًا ثابتًا.

وتسمى الطاقة التي تحمل أو تشع على شكل موجات كهرومغناطيسية الإشعاع الكهرومغناطيسي.

وإذا زودت دائرة الملف والمكثف بنبضات جهد بترددات مناسبة فإنها تحافظ على استمرار حدوث الاهتزازات في الدائرة.

وهناك طريقة لعمل ذلك تتمثل في إضافة ملف آخر إلى الدائرة لتشكيل محول كهربائي. ففي المحول الموضح في الشكل 5-10 يزداد التيار المتناوب الحثي الناتج في الملف الثانوي بواسطة مضخم، ويعاد إلى الملف والمكثف.

في هذا النوع من الدوائر يمكن توليد ترددات تصل إلى:

[
400 \ MHz
]

تقريبًا.

الشكل 5-10

في المحول تكون الذبذبة المكبرة الناتجة عن الملف الثانوي في حالة رنين مع دائرة الملف والمكثف، وتحافظ على استمرار حدوث الاهتزازات.

---

الموجات الناتجة

يمكن زيادة تردد الاهتزاز الناتج بواسطة دائرة الملف والمكثف عن طريق تقليل حجم كل من الملف والمكثف المستخدمين.

ومع ذلك لا تستخدم الملفات أو المكثفات المنفردة للترددات التي تزيد على:

[
1 \ GHz
]

حيث يستخدم التجويف الرنان لتوليد الموجات الميكروية ذات الترددات الكبيرة التي تتراوح بين:

[
1 \ GHz
]

و:

[
100 \ GHz
]

والتجويف الرنان صندوق على شكل متوازي مستطيلات يعتمد في عمله على الملف والمكثف معًا. ويحدد حجم الصندوق تردد الاهتزاز.

فأفران الميكروويف مثلًا لها تجاويف رنانة تولد موجات ميكروويف تستخدم في طهي الطعام.

ولتوليد أعلى تردد للموجات تحت الحمراء يجب تصغير حجم التجويف الرنان ليصبح بحجم الجزيء. فالإلكترونات المهتزة التي تولد موجات تحت حمراء هي في الحقيقة ضمن أبعاد الجزيئات.

أما موجات الضوء المرئي والموجات فوق البنفسجية فتتولد بواسطة الإلكترونات الموجودة داخل الذرات.

وأما الأشعة السينية (X-ray) وأشعة جاما فتنشآن عن مسارعة الشحنات في نوى الذرات.

وجميع الموجات الكهرومغناطيسية تنشأ عن مسارعة الشحنات، وتنتشر بسرعة الضوء.

---

الموجات الناتجة بالكهرباء الإجهادية

لا تعد الملفات والمكثفات الطريقة الوحيدة لتوليد الجهود المتذبذبة. فبلورات الكوارتز تتشوه عند تطبيق جهد كهربائي عبرها، وتعرف هذه الخاصية باسم الكهرباء الإجهادية.

فعند تطبيق جهد متناوب على مقطع عريض من بلورة كوارتز تنتج اهتزازات مستمرة. وتكون العلاقة بين سمك البلورة وتردد الاهتزازة خطية عكسية، تمامًا كما في اهتزاز قطعة فلزية عند ثنيها وتركها تهتز؛ حيث يمكن قطع بلورة الكوارتز وتطبيق جهد معين عليها، فتتشوه وتبدأ في الاهتزاز بترددات محددة.

وتولد خاصية الكهرباء الإجهادية أيضًا قوة دافعة كهربائية عندما تتشوه البلورة. ولأن هذه القوة الدافعة الكهربائية تنتج بتردد مساو لتردد البلورة نفسه، فإنه يمكن تضخيمها وإعادتها إلى البلورة؛ للمحافظة على استمرار الاهتزاز.

وتستخدم بلورات الكوارتز عادة في الساعات؛ لأن ترددات اهتزازاتها ثابتة تقريبًا.

---

استقبال الموجات الكهرومغناطيسية

Reception of Electromagnetic Waves

الآن وبعد أن عرفت كيفية توليد الموجات الكهرومغناطيسية وبثها، كيف تتوقع طريقة استقبالها؟

إن التقاط هذه الموجات يتطلب هوائيًا، كما هو موضح في الشكل 5-11، حيث تعمل المجالات الكهربائية للموجات على تسارع إلكترونات المادة المكونة للهوائي، ويكون التسارع أكبر ما يمكن عندما يوجه الهوائي في اتجاه استقطاب الموجة نفسه.

وهذا يحدث عندما يكون الهوائي موازيًا لاتجاه المجالات الكهربائية للموجة؛ حيث يتذبذب فرق الجهد بين طرفي الهوائي بتردد الموجة الكهرومغناطيسية نفسه.

ويصبح للجهد قيمة عظمى عندما يكون طول الهوائي مساويًا لنصف الطول الموجي للموجة التي نريد التقاطها. لذلك يصمم طول الهوائي بحيث يساوي نصف الطول الموجي للموجة التي يفترض التقاطها.

فالهوائي المصمم لالتقاط موجات الراديو وموجات التلفاز أطول كثيرًا من الهوائي المصمم لالتقاط موجات الميكروويف.

إن استخدام هوائي مكون من سلك واحد يمكننا من الكشف عن الموجات الكهرومغناطيسية، إلا أن استخدام عدة أسلاك أكثر فاعلية؛ حيث يتكون هوائي التلفاز غالبًا من سلكين أو أكثر تفصل بينهما مسافة تعادل ربع الطول الموجي للموجة.

وتكون المجالات الكهربائية الناتجة عن الأسلاك منفردة أنماط تداخل بناء تعمل على زيادة قوة الإشارة.

من المهم أن تعرف أن جميع الموجات الكهرومغناطيسية لها خصائص الانعكاس والانكسار والحيود.

ولذلك لا نستغرب أن الأطباق اللاقطة تعكس الموجات الكهرومغناطيسية القصيرة جدًا، تمامًا كما تعكس مرايا القطع المكافئ موجات الضوء المرئي.

وتكون مساحة سطح الطبق اللاقط كبيرة؛ وذلك لجمع الموجات وتركيزها، وهذه المساحة تجعله قادرًا على التقاط موجات الراديو الضعيفة.

ويعمل الطبق اللاقط على عكس الموجات التي يستقبلها، وتركيزها على قطعة أو جهاز يسمى اللاقط.

ويثبت اللاقط بثلاثة قوائم فوق الطبق. ويحتوي اللاقط على هوائي قصير ثنائي القطب، يرسل إشارات إلى المستقبل، وهو جهاز يتكون من جهاز هوائي ودائرة ملف ومكثف وكاشف لفك شفرة الإشارة وتحليلها بالإضافة إلى مضخم.

الشكل 5-11

المجالات الكهربائية المتغيرة لإشارة محطة البث الإذاعية تعمل على مسارعة الإلكترونات الموجودة في الهوائي.

ثم تحلل المعلومات المحمولة على الموجة الإذاعية وتضخمها، ثم تستخدم لتشغيلها في سماعة أو مكبر صوت.

---

اختيار الموجات

هناك العديد من محطات الإذاعة والتلفاز التي تبث الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة في الوقت نفسه.

فإذا أردنا أن نستقبل المعلومات التي تبث من محطة ما فإنه يجب اختيار الموجات الخاصة بهذه المحطة.

ولاختيار موجات ذات تردد معين، ورفض باقي الموجات، يستخدم الموالف، وهو دائرة مكثف وملف متصل بهوائي.

وتعدل السعة الكهربائية للمكثف حتى يصبح تردد اهتزازات الدائرة مساويًا لتردد الموجة المطلوبة.

وعندما يحدث ذلك تعمل الموجات ذات التردد المطلوب اهتزازات محددة للإلكترونات في الدائرة.

---

الطاقة من الموجات

تحمل الموجات الطاقة والمعلومات؛ فالموجات التي تردداتها ضمن منطقة الأشعة تحت الحمراء وأشعة الميكروويف تعمل على مسارعة الإلكترونات في الجزيئات؛ حيث تتحول طاقة الموجات إلى طاقة حرارية في الجزيئات. وهذه هي طريقة عمل فرن الميكروويف في تسخين الطعام.

ويمكن لموجات الضوء أيضًا نقل الطاقة إلى الإلكترونات؛ فمثلًا يستفاد من هذه الحقيقة في الأفلام الفوتوجرافية؛ حيث تعمل الطاقة في موجات الضوء على إحداث تفاعلات كيميائية داخل الفيلم، فتكون النتيجة تسجيلًا دائمًا للضوء القادم من الجسم، والساقط على الفيلم.

وفي الترددات الكبيرة، ومنها الأشعة فوق البنفسجية (UV)، تسبب الإشعاعات حدوث العديد من التفاعلات الكيميائية، ومنها تلك التي تحدث في الخلايا الحية وتسبب حروق الشمس وسمرة الجلد، والأمراض الخطيرة أحيانًا.

---

الأشعة السينية

X Rays

أسقط الفيزيائي الألماني وليام رونتجن عام 1895م إلكترونات خلال أنبوب مفرغ مماثل للأنبوب الموضح في الشكل 5-12.

واستخدم فرق جهد كبيرًا جدًا خلال الأنبوب لإكساب الإلكترونات طاقات حركية كبيرة.

وعند اصطدام الإلكترونات بهدف فلزي، الأنود، داخل الأنبوب لاحظ رونتجن توهج شاشة فوسفورية قريبة.

واستمر التوهج حتى عند وضع قطعة خشب بين الأنبوب والشاشة، فاستنتج رونتجن أن هناك نوعًا من الأشعة ذات نفاذية كبيرة خرجت من الأنبوب.

ولأن رونتجن لم يعرف هذه الإشعاعات الغريبة فقد سماها الأشعة السينية.

وبعد أسابيع قليلة لاحظ رونتجن أن الشاشة الفسفورية أصبحت معتمة بسبب الأشعة السينية، كما اكتشف أيضًا أن أنسجة الجسم اللينة كانت شفافة بالنسبة للأشعة السينية، في حين لا تنفذ الأشعة السينية من العظام.

ولقد عمل صورة بالأشعة السينية لكف زوجته. وفي غضون أشهر استفاد الأطباء من الاستعمالات الطبية القيمة لهذه الظاهرة.

ومن المعلوم الآن أن الأشعة السينية هي موجات كهرومغناطيسية ذات تردد كبير.

وفي أنبوب الأشعة السينية تسرع الإلكترونات أولًا بواسطة فرق جهد كبير يصل إلى:

[
20000 \ V
]

أو أكثر لإكسابها سرعات كبيرة جدًا.

وعندما تصطدم الإلكترونات بالمادة تتحول طاقاتها الحركية الكبيرة إلى موجات كهرومغناطيسية ذات تردد كبير تسمى الأشعة السينية.

وتسارع الإلكترونات في أنابيب الأشعة السينية يشبه تسارعها في أنبوب الأشعة المهبطية كأنبوب تكون الصور في التلفاز القديم (CRT).

فعندما تصطدم الإلكترونات بالسطح الداخلي لشاشة التلفاز تتوقف فجأة مسببة توهج الفوسفور الملون.

ويمكن لهذا التوقف المفاجئ للإلكترونات أيضًا توليد أشعة سينية ضارة، ولذلك يحتوي السطح الداخلي لشاشة التلفاز على مادة الرصاص لإيقاف الأشعة السينية وحماية المشاهدين.

الشكل 5-12

تنبعث الأشعة السينية عند اصطدام إلكترونات ذات طاقة كبيرة بهدف فلزي داخل أنبوب الأشعة السينية.

ويمكن تغيير الهدف لإنتاج أشعة سينية بأطوال موجية مختلفة.

تسميات الشكل

• مهبط، الكاثود، ذو جهد كبير.
• إلكترونات.
• أشعة سينية.
• هدف فلزي، مصعد، الأنود.
• مصعد، الأنود.

---

5-2 مراجعة

• انتشار الموجات: وضح كيف يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تنتشر في الفضاء؟

• التردد: ما تردد موجة كهرومغناطيسية طولها الموجي:

[
1.5 \times 10^{-5} \ m
]

• إشارات التلفاز: تحتوي هوائيات التلفاز عادة على قضبان فلزية أفقية. استنادًا إلى هذه المعلومات ما استنتاجك حول اتجاهات المجالات الكهربائية في إشارات التلفاز؟

• تصميم الهوائي: لبعض قنوات التلفاز ترددات أقل من ترددات حزمة (FM) في المذياع، في حين أن قنوات أخرى لها ترددات أكبر كثيرًا. ما الإشارة التي تحتاج إلى هوائي أطول: القنوات ذات الترددات الأقل، أم القنوات ذات الترددات الأكبر؟ علل إجابتك.

• ثابت العزل الكهربائي: إذا كانت سرعة الضوء في مادة مجهولة هي:

[
1.98 \times 10^8 \ m/s
]

فما مقدار ثابت العزل الكهربائي للمادة المجهولة، علمًا بأن سرعة الضوء في الفراغ تساوي:

[
3.00 \times 10^8 \ m/s
]

• التفكير الناقد: تحجب معظم الأشعة فوق البنفسجية (UV) الناتجة عن الشمس بطبقة الأوزون في الغلاف الجوي للأرض. وقد اكتشف العلماء في السنوات الأخيرة أن طبقة الأوزون فوق القطب الجنوبي وفوق المحيط المتجمد الشمالي أصبحت رقيقة. استخدم ما تعلمته عن الموجات الكهرومغناطيسية والطاقة لتوضح لماذا يشعر بعض العلماء بقلق بالغ من استنزاف طبقة الأوزون؟