در سال 1199-1820 هانس کريستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جريان الکتريکي در يک سيستم مي‌تواند عقربه قطب نماي مغناطيسي را تحت تأثير قرار دهد. بدين ترتيب الکترومغناطيس به عنوان يک علم مطرح شد. اين علم جديد توسط بسياري از پژوهشگران که مهمترين آنان مايکل فاراده بود تکامل بيشتري يافت.

جيمز کلرک ماکسول قوانين الکترومغناطيس را به شکلي که امروزه مي‌شناسيم ، در آورد. اين قوانين که معادلات ماکسول ناميده مي‌شوند.

تاريخچه پيدايش الکترومغناطيس

      مبدا علم الکتريسيته به مشاهده معروف تالس ملطي (Thales of Miletus) در 600 سال قبل از ميلاد بر مي‌گردد. در آن زمان تالس متوجه شد که يک تکه کهرباي مالش داده شده خرده‌هاي کاغذ را مي‌ربايد. از طرف ديگر مبدأ علم مغناطيس به مشاهده اين واقعيت برمي‌گردد که بعضي از سنگها (يعني سنگهاي ماگنتيت) بطور طبيعي آهن را جذب مي‌کند. اين دو علم تا سال 1199 - 1820 به موازات هم تکامل مي‌يافتند.

    در سال 1199-1820 هانس کريستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جريان الکتريکي در يک سيستم مي‌تواند عقربه قطب نماي مغناطيسي را تحت تأثير قرار دهد. بدين ترتيب الکترومغناطيس به عنوان يک علم مطرح شد. اين علم جديد توسط بسياري از پژوهشگران که مهمترين آنان مايکل فاراده بود تکامل بيشتري يافت.

جيمز کلرک ماکسول قوانين الکترومغناطيس را به شکلي که امروزه مي‌شناسيم ، در آورد. اين قوانين که معادلات ماکسول ناميده مي‌شوند، همان نقشي را در الکترومغناطيس دارند که قوانين حرکت و گرانش در مکانيک دارا هستند.

معادلات الكترومغناطيس ماكسول

   ماكسول تمام دانش تجربي آن روزگار را در مجموعه واحدي از معادلات رياضي به طور بارزي خلاصه كرد و جهان علم را شديداً تحت تاثير قرار داد. چنانكه همگان به تحسين وي پرداختند. لودويك بولتزمن از قول گوته مي نويسد كه آيا خدا بود كه اين سطور را نوشت.

    وي به شيوه اي صرفاً نظري نشان داد كه ميدان مغناطيسي مي تواند همانند موجي عرضي در اتر نور رسان انتشار يابد. پذيرش موجي نور به همان اندازه پذيرش يك زمينه ي فراگير يعني اتر نور رسان را ايجاب مي كرد. ماكسول در اين مورد مي گويد.

    اترها را ابداع كردند تا سيارات در آنها شناور باشند، جوهاي الكتريكي و شارهاي مغناطيسي را تشكيل دهند، احساس ها را از يك پاره ي پيكر ما به پاره ي ديگر منتقل كنند. ولي آخر، تا آنجا كه تمامي فضا سه يا چهار بار از اترها پر شده است... تنها اتري كه باقيمانده است، همان است كه توسط هويگنس براي توضيح انتشار نور ابداع شده است.

     بنابراين سرعت ثابت امواج الكترمغناطيسي بايستي نسبت به يك دستگاه مقايسه مي شد، و اين دستگاه همان دستگاه اتر بود. يعني اتر ساكن مطلق فرض مي شد و تمام اجسام نسبت به آن در حركت بودند و سرعت امواج الكترومغناطيسي و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. اين نظريه در حالي شكل گرفت كه نسبيت گاليله اي نيز معتبر و بي نقص تصور مي شد. بنابراين اگر سرعت نور نسبت به يك دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حركت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با w = c+v چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حركت كند، آنگاه خواهيم داشت w = c-v نتيجه اينكه در اواخر قرن نوزدهم ميلادي فيزيك نظري بر سه بنياد زير مبتني بود. 

   بر اين اساس ماكسول به فكر محاسبه سرعت حركت منظومه ي شمسي نسبت به اتر افتاد. وي در سال 1879 طي نامه اي كه براي تاد در آمريكا نوشت، طرحي را براي اندازه گيري سرعت حركت منظومه ي شمسي نسبت به اتر پيشنهاد كرد. يك آمريكايي به نام مايكلسون اين طرح را دنبال كرد و براي انجام آزمايش تداخل سنجي نيز ساخت و در سال 1880 آزمايش كرد.

   آزمايش مايلكسون بر اساس نسبيت گاليله شكل گرفت. در نسبيت گاليله اي همه ي اجسام نسبت به اتر كه ساكن فرض شده بود حركت مي كردند. بنابراين اگر جسمي مثلاً زمين نسبت به اتر با سرعت V1 در حركت بود و جسم ديگري مثلاً يك راكت نسبت به زمين با سرعت V2 حركت مي كرد، انگاه سرعت راكت نسبت به اتر از رابطه ي زير به دست مي آمد:      V= V1+V2

    سئوال مايكلسون اين بود كه اگر دو شعاع نوراني يكي عمود بر جهت حركت زمين و ديگري همجهت با آن به دو آينه كه در فاصله مساوي از منبع نور قرار دارند بفرستيم، كداميك زودتر بر مي گردد؟ طبق محاسبات مايكلسون كه در ادامه خواهد آمد و با استفاده از نسبيت گاليله اي و مطلق بودن زمان و با توجه به جمع برداري سرعت ها، زمان رفت و برگشت دو شعاع نوراني قابل محاسبه و با توجه به آن مي توان سرعت مطلق زمين را نسبت به اتر محاسبه كرد.

    با توجه به شكل آزمايش مايكلسون، يك پرتو نوري (مايكلسون از نور خورسيد استفاده كرد) به آينه مياني دستگاه برخورد مي كند. آينه نيمه اندود است قسمتي از نور را عبور مي دهد و بخشي از آن را با توجه به زاويه اي كه با نور ورودي تشكيل داده تحت زاويه 45 درجه منعكس مي كند.

    پرتو عبوري در رفت و بازگست بازوي تداخل سنج را طي مي كند كه با توجه به اينكه در رفت و بازگشت به ترتيب سرعت هاي زير خواهد داشت:             c+v and c-v

   كه در آن c , v به ترتيب سرعت نور نسبت به زمين و سرعت زمين نسبت به اتر است. بنابراين زمان رفت و برگشت پرتو موازي با حركت زمين برابر خواهد شد با  

T1=(L/c+v)+(L/c-v)=2Lc/c2-v2

كه در آن L طول بازوي تداخل سنج است.

   اما پرتوي كه عمود بر جهت حركت منعكس مي شود، قبل از آنكه به منعكس كننده برسد، منعكس كننده قدري جابجا شده و كه در اين حالت كقدار جابجايي آن با بازوي تداخل سنج و مسير نور يك مثلث قائم الزاويه تشكيل مي دهد. كه مي توان نشان داد زمان رفت و برگشت تور در جهت عمود بر جهت حركت رمين برابر است با:

T2=2L/(c2-v2)1/2

با تقسيم طرفين روابط بالا بر يكديگر و پس از ساده كردن خواهيم داشت:    T2=T1/(1-v2/c2)1/2

    در اين رابطه سرعت نور مشخص است و زمانها با آزمايش قابل محاسبه هستند و تنها مجهول آن v يعني سرعت زمين نسبت به اتر مجهول بود كه طبق پيش بيني مايكلسون بسادگي قابل محاسبه بود.

مايكلسون براي آنكه طول بازوي تداخل سنج هم موجب بروز اشكال نشود با چرخندان آن به اندازه 90 درجه تنها يك طول مورد استفاده قرار گرفت، با اين وجود نتيجه ي آزمايش منفي بود. بارها و بارها اين آزمايش و حتي با در سال 1987 به كمك مورلي تكرار شد، بازهم نتيجه منفي بود و دو زمان اندازه گيري شده با هم برابر بود. يعني آزمايش نشان داد كه زمين نسبت به اتر ساكن است.

امواج الکترومغناطيسي

   امواج الکترومغناطيسي يک رده از امواج است که داراي مشخصات زير است:

امواج الکترومغناطيسي داراي ماهيت و سرعت يکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، يا طول موج باهم تفاوت دارند

در طيف امواج الکترومغناطيس هيچ شکافي وجود ندارد. يعني هر فرکانس دلخواه را مي‌توانيم توليد کنيم.

براي مقياسهاي بسامد يا طول موج ، هيچ حد بالا يا پائين تعيين شده‌اي وجود ندارد. 

از جمله منابع زميني امواج الکترومغناطيسي مي‌توان به امواج دستگاه رله تلفن ، چراغهاي روشنايي و نظاير آن اشاره کرد.

اين امواج براي انتشار خود نياز به محيط مادي ندارند.

قسمت عمده اين فيزيک امواج داراي منبع فرازميني هستند.

امواج الکترومغناطيسي جزو امواج عرضي هستند.

امواج الکترومغناطيسي از طولاني‌ترين موج راديويي ، با طول موج‌هاي معادل چندين کيلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج راديويي متوسط و کوتاه تا نواحي کهموج ، فروسرخ و مرئي امتداد مي‌يابد. بعد از ناحيه مرئي فرابنفش قرار دارد که خود منتهي به نواحي اشعه ايکس ، اشعه گاما و اشعه کيهاني مي‌شود. نموداري از اين طيف که در آن نواحي قراردادي طيفي نشان داده مي‌شوند در شکل آمده است که اين تقسيم بندي‌ها جز براي ناحيه دقيقا تعريف شده مرئي لزوما اختياري‌اند.

يکاهاي معروف فيزيک امواج الکترومغناطيسي

   طول موج λ بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنين ميکرون يا ميکرومتر μm ، واحد آنگستروم A و واحد ايکس XU نشان داده مي‌شود.

   با بکار بردن متر به عنوان واحد طول ، طول موجهاي نوري بايستي بنا به تناسب برحسب ، nm سنجيده شوند، ولي هنوز آنگستروم يک واحد رسمي بوده و به عنوان متداول ترين واحد در طيف نمايي بکار برده مي‌شود.

   واحد XU ابتدا به شکل مستقل طوري تعريف شده بود که رابطه آن با آنگستروم به صورت 1A = XU 1002.060بود. اين واحد اکنون دقيقا معادل 10-10 يا m 10-13 تعريف شده است.

علي رغم طبقه بندي عمومي تابش با طول موج ، کميت مهم از نظر ساختار اتمي و مولکولي فرکانس <ν = c/λvacΔE = hv به اختلاف انرژي ΔE بين دو حالت ساکن دستگاه مربوط است. در طول موجهاي کوتاهتر مناسب‌تر آن است که به جاي ν واحد متناسب با آن يعني عدد موجي δ = 1/λvac = c/v جايگزين شود. مؤلفين مختلف واحدهاي مختلفي را براي عدد موجي مانند ΄ν ، K و δ بکار مي‌برند که همگي يکسان‌اند، در اين بحث علامت δ انتخاب شده است، زيرا امکان اشتباه آن با خود ν و يا ساير ثابتها کم است.

    واحد عدد موجي يک بر سانتيمتر است که گاهي کايزر (K) ناميده مي‌شود. واحد کوچکتر آن ميلي کايزر است که (mk) واحد مناسبي براي ساختار فوق ريز و کارهاي مربوط به عرض خطي است. هر چند که متخصصين طيف نمايي فرکانس راديويي براي اين قبيل کميتها واحد فرکانس يعني MHz را بکار مي‌برند (MHz 29.979=mk 1 ).

   انرژي موج را بر حسب واحد الکترون ولت (ev) بيان مي‌کنند که انرژيهاي فوتوني خيلي بالا (مربوط به طول موجهاي خيلي کوتاه) يک الکترون ولت معادل 1.6x10-19J است.

طيف نمايي و امواج الکترومغناطيسي

    ناحيه مرئي يا نور مرئي (4000-7500 آنگستروم) توسط نواحي فروسرخ از طرف طول موجهاي بلند ، فرابنفش از طرف طول موجهاي کوتاه ، محصور شده است. معمولا اين نواحي به قسمتهاي فروسرخ و فرابنفش دور و نزديک ، با محدوده‌هايي به ترتيب در حدود 30 ميکرومتر و 2000 آنگستروم تقسيم مي‌شوند که نواحي مزبور داراي شفافيت نوري براي موادي شفاف از جمله منشورها و عدسيها مي‌باشند.

    تا اين اواخر ناحيه مرئي متشکل از فروسرخ تا فرابنفش نور توسط گافهايي از نواحي راديويي و اشعه ايکس سوا مي‌شدن