الوحدة السابعة : الكهرومغناطيسية فيزياء الصف الثاني عشر، ملخص وحدة الكهرومغناطيسية كاملة
. الكهربائية و المغناطيسية
. الكهربائية و المغناطيسية
الوحدة السابعة : الكهرومغناطيسية
1 القوى الكهربائية و المغناطيسية على الجسيمات
تجارب طومسون
– الموجات الكهرومغناطيسية جزء لا يتجزأ من حياتنا اليومية ، نتعامل معها بشكل يومي مثال موجات الراديو والتلفزيون و الضوء و الهاتف الخلوي .
اكتشاف الإلكترون :
– قام طومسون بتوصيل أنبوبة مفرغة من الهواء ( الشكل المجاور ) بفرق جهد كبير جدا بين الأنود و الكاثود .
– لاحظ وجود بقعة مضيئة ناتجة عن مرور أشعة غير مرئية ( أشعة الكاثود ) تسارعت من الكاثود إلى الأنود بسبب فرق الجهد ، و توصل طومسون إلى أن هذه الجسيمات ذات شحنة سالبة .
– من خلال التجربة استطاع طومسون تحديد النسبة بين الشحنة و الكتلة ، و وجدها ثابتة.
– استنتج طومسون أن الجسيمات مكونات سالبة لجميع الذرات ( إلكترونات )
– لاحظ طومسون أن حزمة الإلكترونات تؤثر فيها قوتان متعاكستان كهربائية و مغناطيسية و لكي تستمر في الحركة في خط مستقيم يجب أن تكون القوة المغناطيسية تساوي القوة الكهربائية
– القوة المغماطيسية عمودية على السرعة لذلك تتحرك الإلكترونات في مسار دائري يعطى بالعلاقة :
– استطاع حساب سرعة الإلكترونات من خلال معرفة شدة المجال الكهربائي و المجال المغناطيسي
– من خلال معرفة نصف قطر المسار استطاع حساب الشحنة النوعية للالكترون
تحليل النظائر :
– تصطدم الأيونات بالكاشف في أماكن مختلفة حيث عددها و موقعها يعتمد على نوع مادة الأيونات . ( الموقع يعتمد على كتلة الأيون حيث يزداد نصف القطر بزيادة الكتلة ، و عددها يعتمد على عدد نظائر العنصر)
– نصف القطر يمكن تحديدة من خلال المسافة بين مكان اصطدام الأيون و الشق
الموجود في الإلكترود ( حيث هذه المسافة تساوي القطر 2r)
مثال : ( أيونات الكروم )
– العلامات الأربع الحمراء تشير إلى أن عينة الكروم تحتوي على أربعة نظائر. %51 .
– يدل عرض العلامة على نسبة وجود النظير. ( تزداد النسبة بزيادة العرض ) .
– النظير 52 هو النظير الأكثر وجودا ( عرضها و شدة لمعانها أكبر) .
– مجموع نسب النظائر يساوي 100.% .
– في الشكل المجاور الأيونات أحادين التأين _(+1).
– للحصول على أيون ثنائي التكافؤ يجب زيادة تسرع الإلكترونات عن طريق زيادة المجال الكهربائي بزيادة فرق الجهد . ( يتحكم بذلك مشغل المطياف )
تطبيقات للمطياف :
– استخدام مطياف الكتلة الفصل النظائر و معرفة نسبتها ( مثال : فصل عينة من اليورانيوم إلى النظائر المكونة لها
– يستخدم مطياف الكتلة التحليل الغلاف الجوي و التربة في المريخ و أجسام أخرى في النظام الشمسي .
– يستخدم مطياف الكتلة في العلوم الجيولوجية و المستحضرات الدوائية و البيولوجية
– يستخدم في الطب الشرعي .
– يستخدم في المطارات للكشف عن آثار متفجرات التي يحملها المسافرون في الحقائب أو ملابسهم .
المجالات الكهربائية و المغناطيسية في الفراغ
– لاحظ العالم أورستید انحراف إبرة البوصلة عند اقترابها من سلك يسري فيه تيار كهربائي ( شحنة متحركة ). ومنها استنتج أن هنك علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. وأن التيار المتغير يولد مجالا مغناطيسيا متغيرا.
– بعد ذلك اكتشف كل من العالمين ( مایکل فارادي و جوزيف هنري ) أن المجال مغناطيسي المتغير ينتج كذلك مجال كهربائي متغیر
– اقترح ماكسويل أيضا أن الشحنات الكهربائية ليست ضرورية ، فالمجال الكهربائي المتغير وحده يمكن أن يولد مجالا مغناطيسيا. ثم توقع ماكسويل أن كلا من الشحنات المتسارعة والمجالات المغناطيسية المتغيرة تولد مجالات كهربائية ومغناطيسية تتحرك معا في الفضاء
– تأكد العالم هيرتز أن هذه الموجة يمكنها أن تنتقل في الفضاء .
– أطلق على وحدة قياس التردد اسم ( هيرتز Hz) تكريما له
الموجات الكهرومغناطيسية
– موجات تتكون من مجالين (كهربائي و مغناطيسي ) متذيذيين و متعامدين على بعضهما البعض و في اتجاه متعامد على اتجاه سرعة الموجة .
– تنتقل عبر الفضاء بسرعة الضوء.
* يوضح الشكل المجاور :
– يمكن لمجال كهربائي أن ينشأ عن مجال مغناطيسي ما ( الشكل يسار) لاحظ خطوط المجال عبارة عن حلقت مغلقة وخلاف المجال الكهرباء الساكنة حيث لا توجد شحنات تبدأ عندها الخطوط أو تنتهي.
– يمكن لمجال مغناطيسي أن ينشأ عن مجال كهربائي متغير ( الشكل يمين ).
خصائص الموجات الكهرومغناطيسية :
الشكل المجاور:
1- تتذبذب المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تتألف منها الموجة الكهرومغناطيسية في اتجاهات متعامدة على بعضها البعض و في اتجاه متعامد على اتجاه سرعة الموجة .
2- تعتبر موجات مستعرضة ( الانتشار يعامد الاهتزاز)
3. تنتقل عبر الفراغ و يمكن انتقالها عبر الوسط
4. أكبر سرعة لها في الفراغ ( c=3×10 m/s ) و في الهواء أقل قليلا (نعتبرها تقريبا مساوية لها في الفراغ). أما في الأوساط الأخرى أقل من سرعتها في الفراغ .
5- بالعلاقة بين السرعة و الطول الموجي في الفراغ و الهواء )
استخدامات الموجات منخفضة التردد ( الأطوال الموجية الكبيرة )
( انظر الصفحة السابقة )
– تستخدم أقل الموجات ترددا في البث الإذاعي و التلفزيوني
– موجات الهواتف الخلوية و نظام تحديد الموقع ( أكثر من تردد موجات الراديو )
– موجات الميكروويف مثل جهاز الميكروويف المستخدم في المنزل .
– الأشعة تحت الحمراء اكثر تردد مما سبق ( أقل طول موجي ) تستخدم في مناظير الرؤية الليلية و تستخدم في قياس درجة حرارة الجسم من خلال الاشعاع الحراري للجسم الساخن . و التدفئة و أجهزة التحكم عن بعد .
– الأشعة فوق البنفسجية هي الأعلى تردد في الطيف المرئي و تستخدم في تأيين الذرات و الجزيئات و التفاعلات الكيميائية. و كذلك في التعقيم و بعض الصناعات الإلكترونية ( أشباه الموصلات )
استخدامات الموجات عالية التردد ( الأطوال الموجية قصيرة جدا)
– موجات الأشعة السينية ( أشعة x ).
يتم توليدها عن طريق قذف ذرات إلكترونات سريعة فتحرر إلكترونات من مدارات داخلية للذرة و تعيد الذرة ترتيب إلكتروناتها مطلقة الأشعة السينية .
تم اكتشافها من قبل العالم ( رونتجن ) حيث استخدم الأنبوبة في الشكل المجاور و فرق جهد كبير جدا .
من استخداماتها تصوير العظام للكشف عن الكسور و الأسنان و القضاء على بعض الأورام السرطانية و تصوير الحقائب في المطارات لكنها ضارة أشعة X للإنسان إذا تعرض لها بكميات كبيرة .
– أشعة جاما :
تردداتها عالية جدا و طاقتها كبيرة جدا و نفاذيتها كبيرة داخل الأجسام . لذلك تستخدم للكشف عن المواد الخطرة في حاويات الشحن ، و كذلك في علاج بعض الأمراض السرطانية .
– يعمل مذبذب جهاز الإرسال على زيادة فرق جهد التيار المتردد المستحث في الملف الثانوي للمحول . ثم يضاف التيار إلى الملف و المكثف ، و بالتالي يتواصل تذبذب الدائرة .
– في المحول تكون الذبذبة المكبرة الناتجة عن الملف الثانوي في حالة رنين مع دائرة الملف والمكثف، وتحافظ على استمرار حدوث الاهتزازات.
الترددات المضبوطة بالتجويف الرنان
– يمكن زيادة التردد في دائرة الملف عن طريق خفص قدرة الملف على تخزين الطاقة و تقليل سعة المكثف .
– تنشأ موجات الميكروويف عن طريق التجويف الرنان (صندوق فلزي مستطيل الشكل يعمل كملف و مكثف و يتحكم في التردد)
– لانتاج موجات عالية التردد يجب تقليل حجم الصندوق إلى أن يصبح بحجدم الجزيء للترددات العالية جدا .
– الأشعة تحت الحمراء تنتج عن طريق اهتزاز النوى داخل الجزيئات
– موجات الضوء و الترددات الأعلى ( أشعة X ) تتولد نتيجة حركة الالكترونات داخل الذرات .
– أشعة جاما بسبب تسارع الشحنات في الأنوية الذرية
– لماذا لا يستخدم التجويف الرنان في توليد الأشعة تحت الحمراء
لا يمكن استخدام موجات الأشعة تحت الحمراء لأنها تنتج داخل الحزبنات. يجب أن يكون التجويف الرنان أصغر من الحد الممكن – الحجم الجزيئي.
الموجات الناتجة بواسطة الكهرباء الإجهادية : (الكهروضغطية )
– مثال : بلورة الكوارتز تنشأ عند تعرضها لفرق جهد كهربائي ( يسمى الكهرباء الإجهادية ).
– إذا كان فرق جهد التيار متردد فإن البلورة ستهتز بتردد معين . وهذا التردد يعتمد على سمك البلورة حيث يزداد التردد بنقصان
– ينشأ في البلورة قوة دافعة كهربائية نتيجة لاهتزاز البلورة يمكن تضخيمها و اعادتها إلى البلورة لتواصل الاهتزاز و عادة يكون تردد الاهتزازات ثابتة . لذلك تستخدم البلورة على نطاق واسع ( الأجهزة الخلوية الساعات و التلفاز و الكمبيوتر )