الكهرومغناطيسية

التاريخ

حتى بداية القرن التاسع عشر، كانت الكهرباء والمغناطيسية تعتبران مستقلتين. وفي عام 1820، اكتشف هانز كريستيان أورستد أن التيار يحرف إبرة مغناطيسية، وأظهر مايكل فاراداي عام 1831 أن المغناطيس المتحرك يولد تيارًا في ملف. وفي ستينيات القرن التاسع عشر، عمم الفيزيائي الإسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل هذه القوانين في منظومة معادلات لم تصف فقط جميع الظواهر المعروفة، بل تنبأت أيضًا بالموجات الكهرومغناطيسية.

كيف يعمل

عندما تهتز الإلكترونات في هوائي، فإنها تخلق حولها مجالات كهربائية ومغناطيسية متغيرة تنتشر في الفضاء كموجة كهرومغناطيسية، تمامًا كالدوائر على سطح الماء. وتدرك العين الموجات عالية التردد كضوء، ويلتقط الهوائي الترددات الراديوية كإشارة واي فاي.

التاريخ

حتى بداية القرن التاسع عشر، كانت الكهرباء والمغناطيسية تعتبران مستقلتين. وفي عام 1820، اكتشف هانز كريستيان أورستد أن التيار يحرف إبرة مغناطيسية، وأظهر مايكل فاراداي عام 1831 أن المغناطيس المتحرك يولد تيارًا في ملف. وفي ستينيات القرن التاسع عشر، عمم الفيزيائي الإسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل هذه القوانين في منظومة معادلات لم تصف فقط جميع الظواهر المعروفة، بل تنبأت أيضًا بالموجات الكهرومغناطيسية.

كيف يعمل

عندما تهتز الإلكترونات في هوائي، فإنها تخلق حولها مجالات كهربائية ومغناطيسية متغيرة تنتشر في الفضاء كموجة كهرومغناطيسية، تمامًا كالدوائر على سطح الماء. وتدرك العين الموجات عالية التردد كضوء، ويلتقط الهوائي الترددات الراديوية كإشارة واي فاي.

التاريخ

بدأ إدراك الصلة بين الكهرباء والمغناطيسية بتجربة ه.ك. أورستد (1820) التي أظهرت أن التيار يسبب انحراف إبرة مغناطيسية. واكتشف م. فاراداي عام 1831 الحث الكهرومغناطيسي – تولد التيار في حلقة عند تغير التدفق المغناطيسي. أما التوليف العبقري فأنجزه جيمس كليرك ماكسويل: ففي الأعوام 1861–64 صاغ منظومة المعادلات مضيفًا إلى قانون أمبير ’تيار الإزاحة‘ – وهو حد بمشتقة المجال الكهربائي بالنسبة للزمن – مما كفل عدم التناقض وتنبأ بالموجات. وأكد وجود الموجات تجريبيًا ه. هيرتز عام 1887. وأدخل هندريك لورنتز عام 1895 قوة لورنتز وشيد النظرية الإلكترونية مفسرًا سلوك الشحنات على المستوى المجهري. واكتملت المرحلة الكمومية في منتصف القرن العشرين بأعمال ر. فاينمان، وج. شفينغر، وس. توموناغا الذين بنوا كهروديناميكا كمومية قابلة لإعادة الاستنظام.

كيف يعمل

تخضع الكهروديناميكا لمبدأ النسبية وهي لا متغيرة بالنسبة لتحويلات لورنتز. ويستنتج من معادلات ماكسويل معادلة موجية للمجالات. وفي الكهروديناميكا الكمومية، توصف حالة المنظومة بمتجه في فضاء فوك، وتُبنى مؤثرات الخلق والإفناء للفوتونات من الكمونات، ويعطى التفاعل مع المادة (فرميونات) بلاغرانجيان التفاعل eψ̄γ^μψA_μ (حيث e الشحنة، ψ حقل ديراك، A_μ الكمون الكهرومغناطيسي). وتحسب عمليات التبعثر اضطرابيًا بدلالة ثابت البنية الدقيقة α ≈ 1/137 باستخدام مخططات فاينمان. وعلى المسافات الصغيرة، تزداد الشحنة الفعالة (ظاهرة استقطاب الفراغ)، وهو أمر تم التحقق منه بدقة عالية. ويعطي الحد الكلاسيكي قوة لورنتز F = q(E + v × B) التي تصف حركة الأجسام المشحونة في المجالات.

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

غياب أحاديات القطب المغناطيسية المرصودة، رغم أن معادلات ماكسويل تسمح بها.; سبب تكميم الشحنة الكهربائية: لماذا الشحنة دائمًا مضاعف للشحنة الأولية.; التوفيق بين الكهروديناميكا الكمومية والنسبية العامة لوصف حقول الجاذبية القوية.

💡 تفحص التجارب الحديثة قانون كولوم حتى مسافات تصل إلى 10⁻¹⁸ م، وهو لم يُخترق بعد – فالاعتماد على التربيع العكسي يتحقق بدقة مذهلة. وهذا أحد أكثر قوانين الفيزياء دقة في التحقق.