نظريات الفيزياء : الحلقة الثانية : الكهرومغناطيسية بين فارداي و ماكسويل
- الفيزياء
-
الحلقة الثانية : الكهرومغناطيسية بين فارداي و ماكسويل .
.
.
.
(قد تبدو المقالة طويلة نسبيا لاكننا أردنا الإلمام بالموضوع جيدا)
.
.
_لطالما كانت الكهرباء لغزا قديما .. فرغم أن البشر إستطاعوا التعرف على بعض هذه الظواهر التي يتم ملاحظتها و لاكنهم لم يستطيعوا دراستها تجريبيا أو تحويل استغلالها لصالحهم ..كذلك الظواهر المغناطيسية التي تمثلت في انجذاب بعض انواع المعادن إلى بعض الصخور .. ولاكنهما ضلا مفهومين منفصلين إلى أن جاء مجموعة من التجريبين و العلماء الذي قامو بتجارب صاغت هذا المفهوم فيزيائيا ختمها ماكسويل بتقديم 4 معادلات سحرية تجمع ما وصلوا إليه بطريقة رياضية بارعة ...
_بدأ العلماء في اتباع فضولهم لدراسة هذه الظواهر الطبيعية ,بداية ب"فرانكلين" الأمريكي الذي قام بتفريغ البرق , تبعه "أليساندرو فولتا" بتجربة الضفدعة المشهورة .. وقام الباحثون بالتعرف تجريبيا على نوعين من الشحنات موجبة و سالبة بحيث يتم التجاذب بين شحنتين متقابلتين و التباعد بين شحنتين تتميزان بنفس الشحنة (مثال : البروتون و الإلكترون) ,
تم جاء "تشارلز دي كولوم" الذي قدم صيغة رياضية مطابقة لصيغة "نيوتن" عن التجاذب الكوني بحيث التجاذب بين شحنتين يزيد بزيادة الشحنة و يقل هذا المقدار بالتباعد في المسافة بين الجسمين المشحونين...
_لاكن الكهرومغناطيسية الحقيقية التي يرتبط إسمها بتجارب فارداي و معادلات ماكسويل بدأت بعد "هانز كرستيان أورستد" الذي توقع وجود علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية , و هو ما قاده إلى إكتشاف التأثر المغناطيسي 1820, حين قام بتجربة بينت أن السلك الذي يمر فيه تيار كهربائي يولد حوله مجال مغناطيسي (على شكل حلقات حول التيار) , هذه التجربة التي أثبتت نبوءات "أورستد" نفسه و كذلك "أمبير" الذي قدم بعد أيام قليلة بحث يشرح فيه هذه الظاهرة , و كذلك قدم "أوم" الألماني علاقته الشهيرة : U=RI , بعد أن أجرى تجارب لقياس الفرق للجهد الكهربائي , و الذي ينص على ان الفرق بين الجهد الكهربائي و طرفي ناقل معدني يتناسب طرديا مع شدة التيار الكهربائي المار فيه...
_ولا ننسى جهد "غوس" الألماني لتفسير تدفق خطوط المجال المغناطيسي من سطح مغلق ..كل هذا كان محفزا ل "فارداي" العالم التجريبي الذي رغم عدم توفره على مؤهلات بارعة في الرياضيات إلا أن إلهامه و تعليمه الذاتي المستمر جعله يقوم بعدة تجارب , وقد إكتشف الحث الكهرومغناطيسي سنة 1831 , حين وجد ان القدرة الكهرحركية المنتجة حول مسار مغلق تتناسب مع تغير التدفق المغناطيسي خلال أي سطح أحاط بذلك المسار, و شكل هذا المبدأ أساسا لعمل المولدات الكهربائية ..
_إلا أن هذه التجارب و النتائج كلها بقيت غير مدعومة بمنهج رياضي دقيق أو معدلات قادرة على تفسير هذه الظواهر بصيغة دقيقة .قبل أن يقدم جيمس كلارك ماكسويل الأسكتلندي 4 معادلات سميت بإسمه رغم أنه لم يكن من وضعها لأول مرة, بل قام ببرهنة صحتها في حال كان المجال الكهربائي ساكنا E=0 ..و تنص هذه المعادلات الأربع على :
(يمكنك مشاهدتها في أول تعليق)
1- قانون غوس للكهربية : يبين هذا القانون العلاقة بين فيض المجال الكهربائي من سطح مغلق و الشحنة الموجودة في هذا السطح .
2 -قانون غوس للمغناطيسية : يبين هذا القانون الحقيقة التجريبية التي تدل على عدم وجود مغناطيس أحادي القطب.
3 -قانون فارداي : يعبر عن العلاقة بين القوة الدافعة الكهربية النشئة بالحث في مسار مغلق ومعدل تغير فيض المجال المغناطيسى خلال أي سطح محدود بالمسار المغلق، ويبرهن عدم اعتماد فرق الجهد على المسار الذي يسلكه.
4 قانون أمبير : الذي عدله ماكسويل يعبر عن العلاقة بين المجال المغناطيسي و التيارات المنشأة له ..
_ببساطة (لمن لم يستوعب جيدا مفهوم المعادلات) .. توصل ماكسويل بصيغة رياضية صحيحة إلى أن الكهرباء يمكن ان يولد تيار مغناطيسي و العكس صحيح ..و أن تنبأ العلماء بأن العلاقة بينهما صحيح ..وكذلك تم التوصل إلى أن للموجة الكهرومغناطيسية حقل كهربائي وآخر مغناطيسي، متساويان في الشدة، ويتذبذب كل منها في طور معامد للآخر ومعامد لاتجاه طاقة وانتشار الموجة..
_قام ماكسويل بعدها بإفتراض تصحيحات و قام إنطلاقا من معادلاته إلى إسنتاج أن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية تساوي الثابث C (سرعة الضوء) , و قام العلماء بتفسير الضوء بعدها مباشرة على أنه موجة كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ.. حيث كان الضوء في ذلك الوقت ينظر إليه كموجة بسبب بعض الظواهر التي أكدت ذلك و هي الحيود , عكس ما طرحه نيوتن سابقا "النظرية الجسيمية" ..
_هذا الإنجاز العظيم لم يمر مرور الكرام لأنه يطرح تساؤلا مهما .. إذا ماكان الضوء موجة كهرومغناطيسية فيتوجب حتما وجود وسط لتنتشر فيه لأن هذا ما تنص عليه قوانين الفيزياء , و إلا فكيف تصلنا الموجات الضوئية من الشمس و النجوم الأخرى خارج غلافنا الجوي .. فقام الفيزيائيون بإفتراض وسط في الفضاء كثيف متين و في نفس الوقت يسمح بختراق الموجات الضوئية له لكي نرصدها نحن.. تم تسميته "بالأثير" .. فتكفل عالمان هما مايكلسون و مورلي بالقيام بتجربة ذكية جدا للتأكد من فرضية الأثير ..
_ترى هل توصل الفيزيائيون لتأكيد هذه الفرضية ؟ و ما تم إثباته بتجربة مورلي و مايكلسون ؟
تابعوا ولادة الفيزياء الحديثة ..
.
.
.
(قد تبدو المقالة طويلة نسبيا لاكننا أردنا الإلمام بالموضوع جيدا)
.
.
_لطالما كانت الكهرباء لغزا قديما .. فرغم أن البشر إستطاعوا التعرف على بعض هذه الظواهر التي يتم ملاحظتها و لاكنهم لم يستطيعوا دراستها تجريبيا أو تحويل استغلالها لصالحهم ..كذلك الظواهر المغناطيسية التي تمثلت في انجذاب بعض انواع المعادن إلى بعض الصخور .. ولاكنهما ضلا مفهومين منفصلين إلى أن جاء مجموعة من التجريبين و العلماء الذي قامو بتجارب صاغت هذا المفهوم فيزيائيا ختمها ماكسويل بتقديم 4 معادلات سحرية تجمع ما وصلوا إليه بطريقة رياضية بارعة ...
_بدأ العلماء في اتباع فضولهم لدراسة هذه الظواهر الطبيعية ,بداية ب"فرانكلين" الأمريكي الذي قام بتفريغ البرق , تبعه "أليساندرو فولتا" بتجربة الضفدعة المشهورة .. وقام الباحثون بالتعرف تجريبيا على نوعين من الشحنات موجبة و سالبة بحيث يتم التجاذب بين شحنتين متقابلتين و التباعد بين شحنتين تتميزان بنفس الشحنة (مثال : البروتون و الإلكترون) ,
تم جاء "تشارلز دي كولوم" الذي قدم صيغة رياضية مطابقة لصيغة "نيوتن" عن التجاذب الكوني بحيث التجاذب بين شحنتين يزيد بزيادة الشحنة و يقل هذا المقدار بالتباعد في المسافة بين الجسمين المشحونين...
_لاكن الكهرومغناطيسية الحقيقية التي يرتبط إسمها بتجارب فارداي و معادلات ماكسويل بدأت بعد "هانز كرستيان أورستد" الذي توقع وجود علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية , و هو ما قاده إلى إكتشاف التأثر المغناطيسي 1820, حين قام بتجربة بينت أن السلك الذي يمر فيه تيار كهربائي يولد حوله مجال مغناطيسي (على شكل حلقات حول التيار) , هذه التجربة التي أثبتت نبوءات "أورستد" نفسه و كذلك "أمبير" الذي قدم بعد أيام قليلة بحث يشرح فيه هذه الظاهرة , و كذلك قدم "أوم" الألماني علاقته الشهيرة : U=RI , بعد أن أجرى تجارب لقياس الفرق للجهد الكهربائي , و الذي ينص على ان الفرق بين الجهد الكهربائي و طرفي ناقل معدني يتناسب طرديا مع شدة التيار الكهربائي المار فيه...
_ولا ننسى جهد "غوس" الألماني لتفسير تدفق خطوط المجال المغناطيسي من سطح مغلق ..كل هذا كان محفزا ل "فارداي" العالم التجريبي الذي رغم عدم توفره على مؤهلات بارعة في الرياضيات إلا أن إلهامه و تعليمه الذاتي المستمر جعله يقوم بعدة تجارب , وقد إكتشف الحث الكهرومغناطيسي سنة 1831 , حين وجد ان القدرة الكهرحركية المنتجة حول مسار مغلق تتناسب مع تغير التدفق المغناطيسي خلال أي سطح أحاط بذلك المسار, و شكل هذا المبدأ أساسا لعمل المولدات الكهربائية ..
_إلا أن هذه التجارب و النتائج كلها بقيت غير مدعومة بمنهج رياضي دقيق أو معدلات قادرة على تفسير هذه الظواهر بصيغة دقيقة .قبل أن يقدم جيمس كلارك ماكسويل الأسكتلندي 4 معادلات سميت بإسمه رغم أنه لم يكن من وضعها لأول مرة, بل قام ببرهنة صحتها في حال كان المجال الكهربائي ساكنا E=0 ..و تنص هذه المعادلات الأربع على :
(يمكنك مشاهدتها في أول تعليق)
1- قانون غوس للكهربية : يبين هذا القانون العلاقة بين فيض المجال الكهربائي من سطح مغلق و الشحنة الموجودة في هذا السطح .
2 -قانون غوس للمغناطيسية : يبين هذا القانون الحقيقة التجريبية التي تدل على عدم وجود مغناطيس أحادي القطب.
3 -قانون فارداي : يعبر عن العلاقة بين القوة الدافعة الكهربية النشئة بالحث في مسار مغلق ومعدل تغير فيض المجال المغناطيسى خلال أي سطح محدود بالمسار المغلق، ويبرهن عدم اعتماد فرق الجهد على المسار الذي يسلكه.
4 قانون أمبير : الذي عدله ماكسويل يعبر عن العلاقة بين المجال المغناطيسي و التيارات المنشأة له ..
_ببساطة (لمن لم يستوعب جيدا مفهوم المعادلات) .. توصل ماكسويل بصيغة رياضية صحيحة إلى أن الكهرباء يمكن ان يولد تيار مغناطيسي و العكس صحيح ..و أن تنبأ العلماء بأن العلاقة بينهما صحيح ..وكذلك تم التوصل إلى أن للموجة الكهرومغناطيسية حقل كهربائي وآخر مغناطيسي، متساويان في الشدة، ويتذبذب كل منها في طور معامد للآخر ومعامد لاتجاه طاقة وانتشار الموجة..
_قام ماكسويل بعدها بإفتراض تصحيحات و قام إنطلاقا من معادلاته إلى إسنتاج أن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية تساوي الثابث C (سرعة الضوء) , و قام العلماء بتفسير الضوء بعدها مباشرة على أنه موجة كهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ.. حيث كان الضوء في ذلك الوقت ينظر إليه كموجة بسبب بعض الظواهر التي أكدت ذلك و هي الحيود , عكس ما طرحه نيوتن سابقا "النظرية الجسيمية" ..
_هذا الإنجاز العظيم لم يمر مرور الكرام لأنه يطرح تساؤلا مهما .. إذا ماكان الضوء موجة كهرومغناطيسية فيتوجب حتما وجود وسط لتنتشر فيه لأن هذا ما تنص عليه قوانين الفيزياء , و إلا فكيف تصلنا الموجات الضوئية من الشمس و النجوم الأخرى خارج غلافنا الجوي .. فقام الفيزيائيون بإفتراض وسط في الفضاء كثيف متين و في نفس الوقت يسمح بختراق الموجات الضوئية له لكي نرصدها نحن.. تم تسميته "بالأثير" .. فتكفل عالمان هما مايكلسون و مورلي بالقيام بتجربة ذكية جدا للتأكد من فرضية الأثير ..
_ترى هل توصل الفيزيائيون لتأكيد هذه الفرضية ؟ و ما تم إثباته بتجربة مورلي و مايكلسون ؟
تابعوا ولادة الفيزياء الحديثة ..
