Physics
📄 اطبع pdf
00971504825082
Electric & Magnetic Fields in Vacuum | المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفراغ
المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفراغ
ما هي الموجات الكهرومغناطيسية؟
الموجات الكهرومغناطيسية هي شكل من أشكال الطاقة التي تنتشر عبر الفضاء على شكل موجات تتكون من مجالين متعامدين:
- مجال كهربائي (Electric Field)
- مجال مغناطيسي (Magnetic Field)
تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بقدرتها على الانتقال في الفراغ دون الحاجة إلى وسط مادي، على عكس الموجات الميكانيكية التي تحتاج إلى وسط لانتقالها.
الحركة في الفضاء واستحثاث المجالات الكهربائية
في الفضاء، يمكن للمجالات الكهربائية أن تُستحث حتى بدون الحاجة إلى أسلاك، وهذا يرجع إلى عدة ظواهر فيزيائية:
1. الحث الكهرومغناطيسي
عندما يتحرك موصل في مجال مغناطيسي، أو عندما يتغير المجال المغناطيسي حول موصل، فإن ذلك يولد قوة دافعة كهربائية (EMF) في الموصل حتى بدون وجود أسلاك توصيل.
2. الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء
تنتقل الطاقة الكهرومغناطيسية عبر الفضاء على شكل موجات يمكنها استحثاث مجالات كهربائية في الأجسام الموضوعة في مسارها.
3. البلازما الفضائية
في الفضاء، توجد كميات هائلة من البلازما (غاز متأين) التي يمكنها نقل التيارات الكهربائية وتوليد مجالات كهربائية دون الحاجة إلى أسلاك تقليدية.
جيمس مكسويل
ولد في 13 يونيو 1831 في إدنبرة اسكتلندا توفي ماكسويل في كامبريدج بإنجلترا في 5 نوفمبر 1879
جيمس مكسويل
وضع الأسس النظرية لنظرية المجال الكهربائي في مقالته حول الكهرباء والمغناطيسية
حيث أسس النظرية الكهرومغناطيسية الكاملة للضوء بناءً على أفكار مايكل فاراداي.
التي أظهرت أن الشحنات المتذبذبة تنتج موجات في مجال كهرومغناطيسي (1873)
مجال كهربائي ناتج من تغير المجال المغناطيسي
قانون فرداي
مجال مغناطيسي ناتج من تغير المجال كهربائي
قانون مكسويل
خصائص الموجات الكهرومغناطيسية
من أهم خصائص الموجات الكهرومغناطيسية:
- تسير بسرعة الضوء (299,792 كم/ثانية في الفراغ)
- تتكون من مجالين متعامدين: كهربائي ومغناطيسي
- لا تحتاج إلى وسط مادي للانتقال
- تخضع لظاهرتي الانعكاس والانكسار
- يمكن استقطابها
جميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل
في الفراغ بنفس السرعة
\[C= 3 × 10^8 m/s \]
\[C=v=\frac{X}{t}=\frac{\lambda }{T}=\lambda f \]
c = v
X
t
λ
T
\[f\]
سرعة الضوء
المسافة المقطوعة
الزمن
طول الموجة
الزمن الدوري
التردد
مثال 1
الطول الموجي للضوء الأزرق يعادل \[λ=5×10^{-7}\; m\]
فإن تردد الضوء يعادل
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
أختر الإجابة الصحيحة
A
6 × 1014 HZ
B
4 × 1014 HZ
C
2.5 × 1014 HZ
D
5 × 1014 HZ
مثال 2
ما هو تردد موجة كهرومغناطيسية طولها الموجي
3.2 × 10-7m
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
أختر الإجابة الصحيحة
A
f = 6.54 × 1014HZ
B
f = 4.75 × 1014HZ
C
f = 8.72 × 1014HZ
D
f = 9.37 × 1014HZ
اختبار قصير: خصائص الأمواج الكهرومغناطيسية
1. إذا كان تردد الموجة الكهرومغناطيسية 3 × 10⁸ هرتز، فما هو طولها الموجي؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
أ1 متر
ب10 أمتار
ج100 متر
د0.1 متر
الإجابة الصحيحة: أ) 1 متر (الطول الموجي = السرعة / التردد)
2. أي من الخصائص التالية لا تنطبق على الموجات الكهرومغناطيسية؟
أتنتقل في الفراغ
بتحتاج إلى وسط مادي للانتقال
جتنتقل بسرعة الضوء
دهي موجات مستعرضة
الإجابة الصحيحة: ب) تحتاج إلى وسط مادي للانتقال (الموجات الكهرومغناطيسية لا تحتاج إلى وسط مادي)
3. إذا كان الطول الموجي لموجة كهرومغناطيسية 500 نانومتر، فما هو ترددها؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
أ6 × 10¹⁴ هرتز
ب6 × 10¹⁵ هرتز
ج6 × 10¹³ هرتز
د6 × 10¹² هرتز
الإجابة الصحيحة: أ) 6 × 10¹⁴ هرتز (التردد = السرعة / الطول الموجي)
4. ما المسافة التي تقطعها الموجة الكهرومغناطيسية في 2 ثانية؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
أ6 × 10⁸ متر
ب1.5 × 10⁸ متر
ج3 × 10⁸ متر
د9 × 10⁸ متر
الإجابة الصحيحة: أ) 6 × 10⁸ متر (المسافة = السرعة × الزمن)
5. أي من الأطياف التالية له أكبر طول موجي؟
أالأشعة تحت الحمراء
بالأشعة فوق البنفسجية
جموجات الراديو
دالضوء المرئي
الإجابة الصحيحة: ج) موجات الراديو (لها أكبر طول موجي في الطيف الكهرومغناطيسي)
6. إذا زاد تردد الموجة الكهرومغناطيسية، ماذا يحدث لطولها الموجي؟
أيزداد
بيقل
جيبقى ثابتًا
ديعتمد على الوسط
الإجابة الصحيحة: ب) يقل (التردد و الطول الموجي يتناسبان عكسيًا)
7. ما هي سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ؟
أ3 × 10⁶ م/ث
ب3 × 10⁸ م/ث
ج3 × 10⁵ م/ث
د3 × 10¹⁰ م/ث
الإجابة الصحيحة: ب) 3 × 10⁸ م/ث (هذه سرعة الضوء في الفراغ)
8. ما هو الطول الموجي لموجة كهرومغناطيسية بتردد 10⁹ هرتز؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
أ0.3 متر
ب3 أمتار
ج30 متر
د300 متر
الإجابة الصحيحة: أ) 0.3 متر (الطول الموجي = السرعة / التردد)
أنواع الأمواج الكهرومغناطيسية
المصدر الرئيسي للأمواج الكهرومغناطيسية هو الشمس
تنقسم الأمواج الكهرومغناطيسية إلى سبع أنواع
أمواج الأشعة تحت الحمراء
أمواج الميكرويف
أمواج راديوية
تستخدم في كميرات التصوير الليلي وأجهزة التحكم عن بعد
تستخدم في أفران الميكرويف والرادارات
تستخدم في أجهزة البث الإذاعي والتلفزيوني
الأشعة السينية
أمواج الأشعة فوق البنفسجية
أمواج الضوء المرئي
تستخدم في التصوير الطبي ومعالجة بعض أورام السرطان
تستخدم في تعقيم مياه الشرب وتعقيم الأدوات الطبية
تستخدم في المنزل والمجهر ورؤية الأجسام
أشعة جاما
تستخدم في معالجة بعض أورام السرطان
الموجات الراديوية ومحطات البث
تستخدم الموجات الراديوية في نقل المعلومات (الصوت/البيانات) لمسافات بعيدة عبر البث الإذاعي والتلفزيوني والاتصالات اللاسلكية.
معلومة مهمة: محطات الراديو (FM/AM) تختلف في التردد، وكل محطة لها تردد محدد يتم ضبط جهاز الاستقبال عليه.
النظام
مجال التردد التقريبي
ملاحظة
AM
kHz 530 – 1700
جودة صوت أقل، مدى أكبر
FM
MHz 88 – 108
جودة صوت أعلى، مدى أقل
دائرة الاهتزاز LC (المذبذب)
من أهم الدوائر في الاتصالات: دائرة تتكون من مكثف C وملف حث L.
تقوم هذه الدائرة بتوليد اهتزازات (Oscillations) بتردد طبيعي يعتمد على قيم L و C.
تردد الاهتزاز الطبيعي:
\[
f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
(L بالهنري H، و C بالفاراد F)
الفكرة: الطاقة تتبادل بين المجال الكهربائي في المكثف والمجال المغناطيسي في الملف بشكل دوري.
التجاوب (الرنين) في دائرة LC
عندما يكون تردد الإشارة القادمة مساويًا للتردد الطبيعي لدائرة LC فإن الدائرة تصبح في حالة رنين (Resonance)،
وعندها يكون الاستجابة/الإشارة المستقبلة أقوى.
الحالة
النتيجة
f = f0
أقصى استجابة (رنين)
f ≠ f0
استجابة أضعف (رفض الإشارة)
البلورة الكوارتز (Quartz) كمذبذب
البلورات (مثل الكوارتز) تمتلك خاصية كهروضغطية (Piezoelectric): عند الضغط تتولد شحنة كهربائية،
وعند تطبيق فرق جهد تهتز البلورة بتردد ثابت جدًا.
لذلك تُستخدم بلورات الكوارتز في: الساعات، مولدات التردد، الدوائر الإلكترونية التي تحتاج ثبات عالي في التردد.
مكوّنات جهاز الاستقبال الراديوي (بشكل مبسط)
المكوّن
وظيفته
الهوائي (Antenna)
يستقبل الموجة الكهرومغناطيسية
دائرة الضبط LC
تختار تردد محطة معينة (الرنين)
الكاشف/المقوم (Detector)
يفصل الإشارة الصوتية عن الموجة الحاملة
المضخم (Amplifier)
يقوي الإشارة
السماعة (Speaker)
تحول الإشارة الكهربائية إلى صوت
اختبار سريع: LC والرنين
1) إذا كانت L = 4×10⁻³ H و C = 9×10⁻⁹ F، فإن التردد الطبيعي f يساوي تقريبًا:
أ0.84 × 10⁶ Hz
ب0.84 × 10⁶ Hz (≈ 840 kHz)
ج8.4 × 10⁶ Hz
د84 × 10⁶ Hz
الإجابة الصحيحة: ب) استخدم f = 1/(2π√LC)
2) يحدث الرنين في دائرة LC عندما:
أيكون تردد الإشارة مساويًا للتردد الطبيعي للدائرة
بتكون C = 0
جتكون L = 0
ديزداد الزمن الدوري دائمًا
الإجابة الصحيحة: أ) f = f0
انتقال الموجة الكهرومغناطيسية
تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية نتيجة التغير المستمر في كل من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي.
فالمجال الكهربائي المتغير يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا، والمجال المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا متغيرًا.
الخلاصة: الموجة الكهرومغناطيسية لا تحتاج إلى وسط مادي، وتنتشر في الفراغ بسرعة الضوء.
سرعة الانتشار في الفراغ:
\[
c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s}
\]
انتشار الموجة في وسط مادي
عند انتقال الموجة الكهرومغناطيسية من الفراغ إلى وسط مادي (كالزجاج أو الماء)،
تقل سرعتها بسبب تفاعلها مع ذرات الوسط.
\[
v = \frac{c}{\sqrt{K}}
\]
حيث:
K : ثابت العزل الكهربائي للوسط
v : سرعة الموجة في الوسط
كلما زاد ثابت العزل الكهربائي للوسط، قلت سرعة الموجة الكهرومغناطيسية داخله.
معامل الانكسار
يُعرّف معامل الانكسار للوسط (n) بأنه النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط.
\[
n = \frac{c}{v} = \sqrt{K}
\]
الوسط
معامل الانكسار التقريبي
الهواء
1.0
الماء
1.33
الزجاج
1.5
مثال محلول
إذا كان ثابت العزل الكهربائي لوسط ما
\[
K = 2.25
\]
احسب سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في هذا الوسط.
الحل:
\[
v = \frac{c}{\sqrt{K}} = \frac{3 \times 10^8}{\sqrt{2.25}}
\]
\[
v = \frac{3 \times 10^8}{1.5} = 2 \times 10^8 \ \text{m/s}
\]
اختبار سريع
1) إذا زاد معامل الانكسار للوسط، فإن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية:
أتزداد
بتقل
جتبقى ثابتة
دتنعدم
الإجابة الصحيحة: ب) تقل
نظام استقبال الموجات الكهرومغناطيسية
يقوم نظام الاستقبال بتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية القادمة من الفضاء إلى تيارات كهربائية يمكن معالجتها داخل جهاز الاستقبال.
فكرة عامة: الموجة الكهرومغناطيسية تحمل طاقة، وعند وصولها إلى موصل (مثل سلك الهوائي) تحرك الشحنات داخله.
سلك الهوائي (Antenna)
كيف يعمل الهوائي؟
- تصل الموجة الكهرومغناطيسية إلى سلك الهوائي.
- تؤثر المجالات (E و B) على الإلكترونات داخل السلك.
- تتحرك الإلكترونات مكوِّنة تيارًا متناوبًا (AC).
- ينتقل التيار إلى دائرة الاستقبال ليتم تضخيمه ومعالجته.
العلاقة بين طول الهوائي وطول الموجة
لكي يكون الهوائي فعّالاً في استقبال موجة معينة، يجب أن يكون طوله مناسبًا لطول تلك الموجة.
الطول الأمثل للهوائي:
\[
L \approx \frac{\lambda}{2}\ \ \text{أو}\ \ \frac{\lambda}{4}
\]
الرمز
المعنى
L
طول الهوائي
λ
طول الموجة
أطباق الاستقبال الفضائي (Satellite Dish)
طبق الاستقبال الفضائي يعمل على تركيز الموجات الكهرومغناطيسية الضعيفة القادمة من القمر الصناعي نحو نقطة محددة (البؤرة).
الضبط الصحيح للطبق
- الزاوية الأفقية (Azimuth): اتجاه الطبق بالنسبة للشمال.
- الزاوية الرأسية (Elevation): ميل الطبق للأعلى أو للأسفل.
- زاوية الاستقطاب (LNB Skew): دوران وحدة الاستقبال حول محورها.
لماذا البؤرة مهمة؟ لأن شكل الطبق المكافئ يعكس الموجات ويجمعها عند نقطة واحدة حيث يوجد الـ LNB.
محاكاة بسيطة: تأثير طول الهوائي على قوة الإشارة
جرّبي تغيير طول الهوائي (بالمتر) وتردد الإشارة (Hz) وشاهدي كيف تتغير "قوة الإشارة" بشكل تقريبي.
1.0 m
قوة الإشارة (تقريبية): متوسطة
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
ثم نقارن L مع \(\lambda/2\) أو \(\lambda/4\)
اختبار سريع: الهوائي وطبق الاستقبال
1) الطول الأفضل للهوائي لاستقبال موجة طولها الموجي λ يكون غالبًا:
أλ/2 أو λ/4
ب2λ
جλ×10
دلا علاقة بينهما
الإجابة الصحيحة: أ
2) وظيفة طبق الاستقبال الفضائي الأساسية هي:
أإبطاء الموجة
بتركيز الموجات على البؤرة
جتوليد موجات جديدة
دزيادة سرعة الضوء
الإجابة الصحيحة: ب
تعديل الموجة (Modulation)
لا يمكن إرسال الإشارة الصوتية (ذات التردد المنخفض) مباشرة لمسافات بعيدة،
لذلك نستخدم موجة عالية التردد تُسمّى الموجة الحاملة ونُحمِّل عليها الإشارة الصوتية.
تسمّى هذه العملية التعديل.
الهدف من التعديل:
زيادة مدى الإرسال، تحسين جودة الإشارة، ومنع تداخل الإشارات.
تعديل السعة AM
في تعديل السعة (AM)، تتغير سعة الموجة الحاملة حسب شدة الإشارة الصوتية،
بينما يبقى التردد ثابتًا.
في AM:
✔ السعة تتغير
✖ التردد ثابت
ميزة: بسيط وسهل الاستقبال
عيب: يتأثر كثيرًا بالضوضاء (Noise)
تعديل التردد FM
في تعديل التردد (FM)، تتغير تردد الموجة الحاملة حسب الإشارة الصوتية،
بينما تبقى السعة ثابتة.
في FM:
✔ التردد يتغير
✖ السعة ثابتة
ميزة: جودة صوت عالية ومقاومة للضوضاء
عيب: يحتاج نطاق ترددي أكبر
مقارنة بين AM و FM
الخاصية
AM
FM
الكمية المتغيرة
السعة
التردد
جودة الصوت
أقل
أعلى
التأثر بالضوضاء
كبير
قليل
فك التعديل (Demodulation)
بعد استقبال الإشارة المعدلة، يجب استخراج الإشارة الصوتية الأصلية،
وتُسمّى هذه العملية فك التعديل.
- استقبال الإشارة عبر الهوائي
- اختيار التردد المطلوب (دائرة LC)
- فك التعديل (كاشف AM أو FM)
- تضخيم الإشارة
- إخراج الصوت عبر السماعة
مثال حسابي امتحاني
إذا كان تردد محطة إذاعية
\[
f = 100\ \text{MHz}
\]
احسب طول الموجة.
الحل:
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
\[
\lambda = \frac{3 \times 10^8}{100 \times 10^6}
\]
\[
\lambda = 3\ \text{m}
\]
اختبار نهائي سريع
1) في تعديل FM، أي كمية تتغير؟
أالتردد
بالسعة
جالسرعة
دالطول الموجي فقط
الإجابة الصحيحة: أ
الملخص الذهني للدرس
- الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة الضوء ولا تحتاج وسطًا ماديًا.
- سرعة الموجة في وسط مادي تقل وتعتمد على ثابت العزل الكهربائي.
- دائرة LC تولد اهتزازات بتردد طبيعي يعتمد على L و C.
- الرنين يحدث عندما يساوي تردد الإشارة التردد الطبيعي للدائرة.
- الهوائي يحول الموجة الكهرومغناطيسية إلى تيار كهربائي متناوب.
- طول الهوائي الفعّال غالبًا λ/2 أو λ/4.
- AM: السعة تتغير — FM: التردد يتغير.
- FM جودة أعلى وأقل تأثرًا بالضوضاء من AM.
خريطة مفاهيم (Concept Map)
موجات كهرومغناطيسية
↓
سرعة الضوء (c)
↓
\(\lambda = \frac{c}{f}\)
↓
هوائي (λ/2 أو λ/4)
↓
دائرة LC → رنين
↓
تعديل (AM / FM)
↓
فك التعديل → صوت
القوانين الامتحانية المهمة
\[
c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s}
\]
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
\[
f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
\[
v = \frac{c}{\sqrt{K}}
\]
\[
n = \frac{c}{v} = \sqrt{K}
\]
أسئلة وزارية متوقعة
1) لماذا لا يمكن إرسال الإشارة الصوتية مباشرة دون تعديل؟
لأن ترددها منخفض، ومدى انتشارها قصير، وتتعرض لتداخل كبير،
لذلك تُحمَّل على موجة حاملة عالية التردد.
2) علّل: جودة صوت FM أفضل من AM.
لأن FM يعتمد على تغير التردد وليس السعة، والضوضاء تؤثر غالبًا في السعة.
3) متى يحدث الرنين في دائرة LC؟
عندما يكون تردد الإشارة مساويًا للتردد الطبيعي للدائرة.
نصائح ذهبية للامتحان
- احفظ الفرق بين AM و FM بكلمة واحدة: (سعة / تردد).
- أي سؤال عن اختيار محطة → رنين + LC.
- أي حساب سرعة أو طول موجة → ابدأ دائمًا بـ \( \lambda = c / f \).
- انتبه للوحدات (MHz → Hz).
Electric and Magnetic Fields in Vacuum
What are electromagnetic waves?
Electromagnetic waves are a form of energy that propagates through space as waves consisting of two perpendicular fields:
- Electric Field (E)
- Magnetic Field (B)
Electromagnetic waves can travel through vacuum without needing a material medium, unlike mechanical waves which require a medium to propagate.
Motion in space and induction of electric fields
In space, electric fields can be induced even without wires, due to several physical phenomena:
1) Electromagnetic induction
When a conductor moves in a magnetic field, or when the magnetic field around a conductor changes, an electromotive force (EMF) is generated in the conductor even without connecting wires.
2) Electromagnetic waves in space
Electromagnetic energy travels through space as waves that can induce electric fields in objects placed in their path.
3) Space plasma
Space contains huge amounts of plasma (ionized gas) that can carry electric currents and generate electric fields without conventional wires.
James Clerk Maxwell
Born 13 June 1831 in Edinburgh, Scotland. Died in Cambridge, England on 5 November 1879.
James Maxwell
He established the theoretical foundations of field theory in his work on electricity and magnetism,
building a complete electromagnetic theory of light based on Michael Faraday’s ideas.
This showed that oscillating charges produce waves in an electromagnetic field (1873).
Electric field produced by a changing magnetic field
Faraday’s Law
Magnetic field produced by a changing electric field
Maxwell’s Law (Displacement Current)
Properties of electromagnetic waves
Key properties of electromagnetic waves include:
- They travel at the speed of light (299,792 km/s in vacuum).
- They consist of two perpendicular fields: electric and magnetic.
- They do not require a material medium to propagate.
- They undergo reflection and refraction.
- They can be polarized.
All electromagnetic waves travel in vacuum with the same speed:
\[C= 3 × 10^8 m/s \]
\[C=v=\frac{X}{t}=\frac{\lambda }{T}=\lambda f \]
c = v
X
t
λ
T
\[f\]
Speed of light
Distance traveled
Time
Wavelength
Period
Frequency
Example 1
The wavelength of blue light is \[λ=5×10^{-7}\; m\].
Find the frequency of the light.
Click here to view the solution method
Choose the correct answer
A6 × 1014 Hz
B4 × 1014 Hz
C2.5 × 1014 Hz
D5 × 1014 Hz
Example 2
What is the frequency of an electromagnetic wave with wavelength
3.2 × 10-7 m?
Click here to view the solution method
Choose the correct answer
Af = 6.54 × 1014 Hz
Bf = 4.75 × 1014 Hz
Cf = 8.72 × 1014 Hz
Df = 9.37 × 1014 Hz
Short Quiz: Properties of Electromagnetic Waves
1. If the frequency is 3 × 10⁸ Hz, what is the wavelength? (c = 3 × 10⁸ m/s)
A1 m
B10 m
C100 m
D0.1 m
Correct: A) 1 m (wavelength = speed / frequency)
2. Which of the following is NOT true for electromagnetic waves?
AThey can travel in vacuum
BThey require a material medium to propagate
CThey travel at the speed of light in vacuum
DThey are transverse waves
Correct: B) They require a medium (EM waves do NOT need a medium)
3. If λ = 500 nm, what is the frequency? (c = 3 × 10⁸ m/s)
A6 × 10¹⁴ Hz
B6 × 10¹⁵ Hz
C6 × 10¹³ Hz
D6 × 10¹² Hz
Correct: A) 6 × 10¹⁴ Hz (f = c / λ)
4. What distance does an EM wave travel in 2 seconds? (c = 3 × 10⁸ m/s)
A6 × 10⁸ m
B1.5 × 10⁸ m
C3 × 10⁸ m
D9 × 10⁸ m
Correct: A) 6 × 10⁸ m (distance = speed × time)
5. Which spectrum has the longest wavelength?
AInfrared
BUltraviolet
CRadio waves
DVisible light
Correct: C) Radio waves (largest wavelength in the EM spectrum)
6. If frequency increases, what happens to wavelength?
AIncreases
BDecreases
CStays the same
DDepends on the medium
Correct: B) Decreases (inverse relationship)
7. What is the speed of EM waves in vacuum?
A3 × 10⁶ m/s
B3 × 10⁸ m/s
C3 × 10⁵ m/s
D3 × 10¹⁰ m/s
Correct: B) 3 × 10⁸ m/s (speed of light in vacuum)
8. What is the wavelength for f = 10⁹ Hz? (c = 3 × 10⁸ m/s)
A0.3 m
B3 m
C30 m
D300 m
Correct: A) 0.3 m (λ = c / f)
Types of electromagnetic waves
The main source of electromagnetic waves is the Sun. The electromagnetic spectrum is commonly divided into seven types.
Infrared
Microwaves
Radio waves
Used in night-vision cameras and remote controls
Used in microwave ovens and radar
Used in radio and TV broadcasting
X-rays
Ultraviolet
Visible light
Used in medical imaging and some cancer treatments
Used for disinfecting drinking water and medical tools
Used in everyday life and microscopes to see objects
Gamma rays
Used in some cancer treatments
Radio waves and broadcasting stations
Radio waves are widely used to transmit information (audio/data) over long distances through radio, TV, and wireless communication.
Key idea: AM/FM stations operate at different frequencies, and the receiver is tuned to the desired station frequency.
System
Approx. frequency range
Note
AM
530 – 1700 kHz
Lower sound quality, longer range
FM
88 – 108 MHz
Higher sound quality, shorter range
LC Oscillator (resonant circuit)
One of the most important circuits in communications is the LC circuit consisting of a capacitor C and an inductor L.
It produces oscillations with a natural frequency that depends on L and C.
Natural frequency:
\[
f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
(L in henry H, C in farad F)
Concept: Energy alternates periodically between the capacitor’s electric field and the inductor’s magnetic field.
Resonance in an LC circuit
Resonance occurs when the incoming signal frequency equals the natural frequency of the LC circuit.
At resonance, the circuit response is maximum, which helps select a desired station.
Condition
Result
f = f0
Maximum response (resonance)
f ≠ f0
Weaker response (signal rejection)
Quartz crystal oscillator
Crystals such as quartz have a piezoelectric property: mechanical stress produces electric charge,
and applying voltage can make the crystal vibrate at a very stable frequency.
That’s why quartz is used in clocks, frequency generators, and circuits that require highly stable frequency.
Basic components of a radio receiver
Component
Function
Antenna
Receives the electromagnetic wave
LC tuning circuit
Selects a specific station frequency (resonance)
Detector / Rectifier
Extracts the audio signal from the carrier
Amplifier
Amplifies the signal
Speaker
Converts electrical signal into sound
Quick Quiz: LC & Resonance
1) If L = 4×10⁻³ H and C = 9×10⁻⁹ F, the natural frequency f is approximately:
A0.84 × 10⁶ Hz
B0.84 × 10⁶ Hz (≈ 840 kHz)
C8.4 × 10⁶ Hz
D84 × 10⁶ Hz
Correct: B) Use f = 1/(2π√LC)
2) Resonance in an LC circuit happens when:
AThe incoming frequency equals the circuit natural frequency
BC = 0
CL = 0
DThe period always increases
Correct: A) f = f0
Receiving electromagnetic waves
A receiving system converts incoming electromagnetic energy into electrical signals that can be processed by the receiver.
General idea: When an EM wave reaches a conductor (like an antenna wire), it drives charges inside it.
Antenna
How does an antenna work?
- The electromagnetic wave reaches the antenna wire.
- The fields (E and B) exert forces on electrons in the wire.
- Electrons move, producing an AC signal.
- The signal is then amplified and processed by the receiver circuit.
Antenna length vs wavelength
For efficient reception, the antenna length should match the wavelength of the target signal.
Common effective lengths:
\[
L \approx \frac{\lambda}{2}\ \ \text{or}\ \ \frac{\lambda}{4}
\]
Symbol
Meaning
L
Antenna length
λ
Wavelength
Satellite dish
A satellite dish focuses weak incoming electromagnetic waves from a satellite to a single focal point.
Correct dish alignment
- Azimuth: horizontal direction relative to north.
- Elevation: vertical tilt above the horizon.
- LNB Skew: rotation angle of the LNB around its axis.
Why focus matters: the parabolic surface reflects waves toward the focal point where the LNB is located.
Mini simulation: antenna length vs signal strength
Change antenna length (m) and frequency (Hz) to see a rough estimate of “signal strength”.
1.0 m
Signal strength (rough): Medium
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
then compare L with \(\lambda/2\) or \(\lambda/4\)
Quick quiz: antenna & dish
1) A common effective antenna length for a wave of wavelength λ is:
Aλ/2 or λ/4
B2λ
C10λ
DNo relation
Correct: A
2) The main function of a satellite dish is to:
ASlow down the wave
BFocus waves to the focal point
CGenerate new waves
DIncrease speed of light
Correct: B
Modulation
Low-frequency audio signals cannot be transmitted efficiently over long distances.
Therefore, a high-frequency carrier wave is used to carry the information.
This process is called modulation.
Purpose of modulation:
Increase transmission range, improve quality, and reduce interference.
Amplitude Modulation (AM)
In AM, the amplitude of the carrier wave varies according to the audio signal,
while the frequency remains constant.
In AM:
✔ Amplitude changes
✖ Frequency constant
Advantage: Simple receiver
Disadvantage: Highly affected by noise
Frequency Modulation (FM)
In FM, the frequency of the carrier wave varies with the audio signal,
while the amplitude remains constant.
In FM:
✔ Frequency changes
✖ Amplitude constant
Advantage: High sound quality, noise resistant
Disadvantage: Requires wider bandwidth
AM vs FM
Property
AM
FM
Variable quantity
Amplitude
Frequency
Sound quality
Lower
Higher
Noise effect
High
Low
Demodulation
After receiving the modulated signal, the original audio signal must be extracted.
This process is called demodulation.
- Antenna reception
- Frequency selection (LC circuit)
- Demodulation (AM or FM detector)
- Amplification
- Sound output
Exam-style example
A radio station transmits at a frequency of
\[
f = 100\ \text{MHz}
\]
Calculate the wavelength.
Solution:
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
\[
\lambda = 3\ \text{m}
\]
Final quick test
1) In FM modulation, which quantity changes?
AFrequency
BAmplitude
CSpeed
DOnly wavelength
Correct: A
Mental summary
- Electromagnetic waves travel in vacuum at the speed of light.
- Wave speed decreases in material media.
- An LC circuit oscillates with a natural frequency.
- Resonance occurs when signal frequency equals natural frequency.
- An antenna converts EM waves into AC current.
- Effective antenna length is usually λ/2 or λ/4.
- AM: amplitude varies — FM: frequency varies.
- FM has better sound quality and less noise.
Concept map
Electromagnetic waves
↓
Speed of light (c)
↓
\(\lambda = \frac{c}{f}\)
↓
Antenna (λ/2 or λ/4)
↓
LC circuit → Resonance
↓
Modulation (AM / FM)
↓
Demodulation → Sound
Key formulas
\[
c = 3 \times 10^8 \ \text{m/s}
\]
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
\[
f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
\]
\[
v = \frac{c}{\sqrt{K}}
\]
\[
n = \frac{c}{v}
\]
Expected exam questions
1) Why is modulation necessary?
Low-frequency signals have short range and high interference,
so they must be transmitted using a high-frequency carrier.
2) Why is FM less affected by noise than AM?
Because noise mainly affects amplitude, while FM depends on frequency variation.
Exam tips
- Remember: AM → amplitude, FM → frequency.
- Tuning/selecting a station → resonance + LC circuit.
- Always convert units correctly (MHz → Hz).
المجالات الكهربائية والمغناطيسية في الفراغ |
ما هي الموجات الكهرومغناطيسية؟
الموجات الكهرومغناطيسية هي شكل من أشكال الطاقة التي تنتشر عبر الفضاء على شكل موجات تتكون من مجالين متعامدين:
- مجال كهربائي (Electric Field)
- مجال مغناطيسي (Magnetic Field)
تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بقدرتها على الانتقال في الفراغ دون الحاجة إلى وسط مادي، على عكس الموجات الميكانيكية التي تحتاج إلى وسط لانتقالها.
الحركة في الفضاء واستحثاث المجالات الكهربائية
في الفضاء، يمكن للمجالات الكهربائية أن تُستحث حتى بدون الحاجة إلى أسلاك، وهذا يرجع إلى عدة ظواهر فيزيائية:
1. الحث الكهرومغناطيسي
عندما يتحرك موصل في مجال مغناطيسي، أو عندما يتغير المجال المغناطيسي حول موصل، فإن ذلك يولد قوة دافعة كهربائية (EMF) في الموصل حتى بدون وجود أسلاك توصيل.
2. الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء
تنتقل الطاقة الكهرومغناطيسية عبر الفضاء على شكل موجات يمكنها استحثاث مجالات كهربائية في الأجسام الموضوعة في مسارها.
3. البلازما الفضائية
في الفضاء، توجد كميات هائلة من البلازما (غاز متأين) التي يمكنها نقل التيارات الكهربائية وتوليد مجالات كهربائية دون الحاجة إلى أسلاك تقليدية.
جيمس مكسويل
ولد في 13 يونيو 1831 في إدنبرة اسكتلندا توفي ماكسويل في كامبريدج بإنجلترا في 5 نوفمبر 1879 |
جيمس مكسويل |
|
|
وضع الأسس النظرية لنظرية المجال الكهربائي في مقالته حول الكهرباء والمغناطيسية حيث أسس النظرية الكهرومغناطيسية الكاملة للضوء بناءً على أفكار مايكل فاراداي. التي أظهرت أن الشحنات المتذبذبة تنتج موجات في مجال كهرومغناطيسي (1873) |
|
مجال كهربائي ناتج من تغير المجال المغناطيسي
قانون فرداي
|
مجال مغناطيسي ناتج من تغير المجال كهربائي
قانون مكسويل
|
خصائص الموجات الكهرومغناطيسية
من أهم خصائص الموجات الكهرومغناطيسية:
- تسير بسرعة الضوء (299,792 كم/ثانية في الفراغ)
- تتكون من مجالين متعامدين: كهربائي ومغناطيسي
- لا تحتاج إلى وسط مادي للانتقال
- تخضع لظاهرتي الانعكاس والانكسار
- يمكن استقطابها
جميع الموجات الكهرومغناطيسية تنتقل
في الفراغ بنفس السرعة \[C= 3 × 10^8 m/s \] \[C=v=\frac{X}{t}=\frac{\lambda }{T}=\lambda f \]
| c = v | X | t | λ | T | \[f\] |
| سرعة الضوء | المسافة المقطوعة | الزمن | طول الموجة | الزمن الدوري | التردد |
الطول الموجي للضوء الأزرق يعادل \[λ=5×10^{-7}\; m\]
فإن تردد الضوء يعادل
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
أختر الإجابة الصحيحة
ما هو تردد موجة كهرومغناطيسية طولها الموجي
3.2 × 10-7m
اضغط هنا تظهر طريقة الحل
أختر الإجابة الصحيحة
اختبار قصير: خصائص الأمواج الكهرومغناطيسية
1. إذا كان تردد الموجة الكهرومغناطيسية 3 × 10⁸ هرتز، فما هو طولها الموجي؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
2. أي من الخصائص التالية لا تنطبق على الموجات الكهرومغناطيسية؟
3. إذا كان الطول الموجي لموجة كهرومغناطيسية 500 نانومتر، فما هو ترددها؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
4. ما المسافة التي تقطعها الموجة الكهرومغناطيسية في 2 ثانية؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
5. أي من الأطياف التالية له أكبر طول موجي؟
6. إذا زاد تردد الموجة الكهرومغناطيسية، ماذا يحدث لطولها الموجي؟
7. ما هي سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ؟
8. ما هو الطول الموجي لموجة كهرومغناطيسية بتردد 10⁹ هرتز؟ (سرعة الضوء = 3 × 10⁸ م/ث)
المصدر الرئيسي للأمواج الكهرومغناطيسية هو الشمس
تنقسم الأمواج الكهرومغناطيسية إلى سبع أنواع
| أمواج الأشعة تحت الحمراء | أمواج الميكرويف | أمواج راديوية |
|
|
|
| تستخدم في كميرات التصوير الليلي وأجهزة التحكم عن بعد | تستخدم في أفران الميكرويف والرادارات | تستخدم في أجهزة البث الإذاعي والتلفزيوني |
| الأشعة السينية | أمواج الأشعة فوق البنفسجية | أمواج الضوء المرئي |
|
|
|
| تستخدم في التصوير الطبي ومعالجة بعض أورام السرطان | تستخدم في تعقيم مياه الشرب وتعقيم الأدوات الطبية | تستخدم في المنزل والمجهر ورؤية الأجسام |
| أشعة جاما | ||
|
||
| تستخدم في معالجة بعض أورام السرطان |
الموجات الراديوية ومحطات البث
تستخدم الموجات الراديوية في نقل المعلومات (الصوت/البيانات) لمسافات بعيدة عبر البث الإذاعي والتلفزيوني والاتصالات اللاسلكية.
معلومة مهمة: محطات الراديو (FM/AM) تختلف في التردد، وكل محطة لها تردد محدد يتم ضبط جهاز الاستقبال عليه.
| النظام | مجال التردد التقريبي | ملاحظة |
| AM | kHz 530 – 1700 | جودة صوت أقل، مدى أكبر |
| FM | MHz 88 – 108 | جودة صوت أعلى، مدى أقل |
دائرة الاهتزاز LC (المذبذب)
من أهم الدوائر في الاتصالات: دائرة تتكون من مكثف C وملف حث L. تقوم هذه الدائرة بتوليد اهتزازات (Oscillations) بتردد طبيعي يعتمد على قيم L و C.
\[ f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \] (L بالهنري H، و C بالفاراد F)
الفكرة: الطاقة تتبادل بين المجال الكهربائي في المكثف والمجال المغناطيسي في الملف بشكل دوري.
التجاوب (الرنين) في دائرة LC
عندما يكون تردد الإشارة القادمة مساويًا للتردد الطبيعي لدائرة LC فإن الدائرة تصبح في حالة رنين (Resonance)، وعندها يكون الاستجابة/الإشارة المستقبلة أقوى.
| الحالة | النتيجة |
| f = f0 | أقصى استجابة (رنين) |
| f ≠ f0 | استجابة أضعف (رفض الإشارة) |
البلورة الكوارتز (Quartz) كمذبذب
البلورات (مثل الكوارتز) تمتلك خاصية كهروضغطية (Piezoelectric): عند الضغط تتولد شحنة كهربائية، وعند تطبيق فرق جهد تهتز البلورة بتردد ثابت جدًا.
لذلك تُستخدم بلورات الكوارتز في: الساعات، مولدات التردد، الدوائر الإلكترونية التي تحتاج ثبات عالي في التردد.
مكوّنات جهاز الاستقبال الراديوي (بشكل مبسط)
| المكوّن | وظيفته |
| الهوائي (Antenna) | يستقبل الموجة الكهرومغناطيسية |
| دائرة الضبط LC | تختار تردد محطة معينة (الرنين) |
| الكاشف/المقوم (Detector) | يفصل الإشارة الصوتية عن الموجة الحاملة |
| المضخم (Amplifier) | يقوي الإشارة |
| السماعة (Speaker) | تحول الإشارة الكهربائية إلى صوت |
اختبار سريع: LC والرنين
1) إذا كانت L = 4×10⁻³ H و C = 9×10⁻⁹ F، فإن التردد الطبيعي f يساوي تقريبًا:
2) يحدث الرنين في دائرة LC عندما:
انتقال الموجة الكهرومغناطيسية
تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية نتيجة التغير المستمر في كل من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي. فالمجال الكهربائي المتغير يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا، والمجال المغناطيسي المتغير يولد مجالًا كهربائيًا متغيرًا.
الخلاصة: الموجة الكهرومغناطيسية لا تحتاج إلى وسط مادي، وتنتشر في الفراغ بسرعة الضوء.
انتشار الموجة في وسط مادي
عند انتقال الموجة الكهرومغناطيسية من الفراغ إلى وسط مادي (كالزجاج أو الماء)، تقل سرعتها بسبب تفاعلها مع ذرات الوسط.
K : ثابت العزل الكهربائي للوسط
v : سرعة الموجة في الوسط
كلما زاد ثابت العزل الكهربائي للوسط، قلت سرعة الموجة الكهرومغناطيسية داخله.
معامل الانكسار
يُعرّف معامل الانكسار للوسط (n) بأنه النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعته في الوسط.
| الوسط | معامل الانكسار التقريبي |
| الهواء | 1.0 |
| الماء | 1.33 |
| الزجاج | 1.5 |
مثال محلول
إذا كان ثابت العزل الكهربائي لوسط ما \[ K = 2.25 \] احسب سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في هذا الوسط.
الحل:
\[
v = \frac{c}{\sqrt{K}} = \frac{3 \times 10^8}{\sqrt{2.25}}
\]
\[
v = \frac{3 \times 10^8}{1.5} = 2 \times 10^8 \ \text{m/s}
\]
اختبار سريع
1) إذا زاد معامل الانكسار للوسط، فإن سرعة الموجة الكهرومغناطيسية:
نظام استقبال الموجات الكهرومغناطيسية
يقوم نظام الاستقبال بتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية القادمة من الفضاء إلى تيارات كهربائية يمكن معالجتها داخل جهاز الاستقبال.
فكرة عامة: الموجة الكهرومغناطيسية تحمل طاقة، وعند وصولها إلى موصل (مثل سلك الهوائي) تحرك الشحنات داخله.
سلك الهوائي (Antenna)
كيف يعمل الهوائي؟
- تصل الموجة الكهرومغناطيسية إلى سلك الهوائي.
- تؤثر المجالات (E و B) على الإلكترونات داخل السلك.
- تتحرك الإلكترونات مكوِّنة تيارًا متناوبًا (AC).
- ينتقل التيار إلى دائرة الاستقبال ليتم تضخيمه ومعالجته.
العلاقة بين طول الهوائي وطول الموجة
لكي يكون الهوائي فعّالاً في استقبال موجة معينة، يجب أن يكون طوله مناسبًا لطول تلك الموجة.
\[ L \approx \frac{\lambda}{2}\ \ \text{أو}\ \ \frac{\lambda}{4} \]
| الرمز | المعنى |
| L | طول الهوائي |
| λ | طول الموجة |
أطباق الاستقبال الفضائي (Satellite Dish)
طبق الاستقبال الفضائي يعمل على تركيز الموجات الكهرومغناطيسية الضعيفة القادمة من القمر الصناعي نحو نقطة محددة (البؤرة).
الضبط الصحيح للطبق
- الزاوية الأفقية (Azimuth): اتجاه الطبق بالنسبة للشمال.
- الزاوية الرأسية (Elevation): ميل الطبق للأعلى أو للأسفل.
- زاوية الاستقطاب (LNB Skew): دوران وحدة الاستقبال حول محورها.
لماذا البؤرة مهمة؟ لأن شكل الطبق المكافئ يعكس الموجات ويجمعها عند نقطة واحدة حيث يوجد الـ LNB.
محاكاة بسيطة: تأثير طول الهوائي على قوة الإشارة
جرّبي تغيير طول الهوائي (بالمتر) وتردد الإشارة (Hz) وشاهدي كيف تتغير "قوة الإشارة" بشكل تقريبي.
قوة الإشارة (تقريبية): متوسطة
اختبار سريع: الهوائي وطبق الاستقبال
1) الطول الأفضل للهوائي لاستقبال موجة طولها الموجي λ يكون غالبًا:
2) وظيفة طبق الاستقبال الفضائي الأساسية هي:
تعديل الموجة (Modulation)
لا يمكن إرسال الإشارة الصوتية (ذات التردد المنخفض) مباشرة لمسافات بعيدة، لذلك نستخدم موجة عالية التردد تُسمّى الموجة الحاملة ونُحمِّل عليها الإشارة الصوتية. تسمّى هذه العملية التعديل.
الهدف من التعديل: زيادة مدى الإرسال، تحسين جودة الإشارة، ومنع تداخل الإشارات.
تعديل السعة AM
في تعديل السعة (AM)، تتغير سعة الموجة الحاملة حسب شدة الإشارة الصوتية، بينما يبقى التردد ثابتًا.
✔ السعة تتغير
✖ التردد ثابت
ميزة: بسيط وسهل الاستقبال
عيب: يتأثر كثيرًا بالضوضاء (Noise)
تعديل التردد FM
في تعديل التردد (FM)، تتغير تردد الموجة الحاملة حسب الإشارة الصوتية، بينما تبقى السعة ثابتة.
✔ التردد يتغير
✖ السعة ثابتة
ميزة: جودة صوت عالية ومقاومة للضوضاء
عيب: يحتاج نطاق ترددي أكبر
مقارنة بين AM و FM
| الخاصية | AM | FM |
| الكمية المتغيرة | السعة | التردد |
| جودة الصوت | أقل | أعلى |
| التأثر بالضوضاء | كبير | قليل |
فك التعديل (Demodulation)
بعد استقبال الإشارة المعدلة، يجب استخراج الإشارة الصوتية الأصلية، وتُسمّى هذه العملية فك التعديل.
- استقبال الإشارة عبر الهوائي
- اختيار التردد المطلوب (دائرة LC)
- فك التعديل (كاشف AM أو FM)
- تضخيم الإشارة
- إخراج الصوت عبر السماعة
مثال حسابي امتحاني
إذا كان تردد محطة إذاعية \[ f = 100\ \text{MHz} \] احسب طول الموجة.
الحل:
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
\[
\lambda = \frac{3 \times 10^8}{100 \times 10^6}
\]
\[
\lambda = 3\ \text{m}
\]
اختبار نهائي سريع
1) في تعديل FM، أي كمية تتغير؟
الملخص الذهني للدرس
- الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر في الفراغ بسرعة الضوء ولا تحتاج وسطًا ماديًا.
- سرعة الموجة في وسط مادي تقل وتعتمد على ثابت العزل الكهربائي.
- دائرة LC تولد اهتزازات بتردد طبيعي يعتمد على L و C.
- الرنين يحدث عندما يساوي تردد الإشارة التردد الطبيعي للدائرة.
- الهوائي يحول الموجة الكهرومغناطيسية إلى تيار كهربائي متناوب.
- طول الهوائي الفعّال غالبًا λ/2 أو λ/4.
- AM: السعة تتغير — FM: التردد يتغير.
- FM جودة أعلى وأقل تأثرًا بالضوضاء من AM.
خريطة مفاهيم (Concept Map)
↓ سرعة الضوء (c)
↓ \(\lambda = \frac{c}{f}\)
↓ هوائي (λ/2 أو λ/4)
↓ دائرة LC → رنين
↓ تعديل (AM / FM)
↓ فك التعديل → صوت
القوانين الامتحانية المهمة
أسئلة وزارية متوقعة
1) لماذا لا يمكن إرسال الإشارة الصوتية مباشرة دون تعديل؟
لأن ترددها منخفض، ومدى انتشارها قصير، وتتعرض لتداخل كبير، لذلك تُحمَّل على موجة حاملة عالية التردد.
2) علّل: جودة صوت FM أفضل من AM.
لأن FM يعتمد على تغير التردد وليس السعة، والضوضاء تؤثر غالبًا في السعة.
3) متى يحدث الرنين في دائرة LC؟
عندما يكون تردد الإشارة مساويًا للتردد الطبيعي للدائرة.
نصائح ذهبية للامتحان
- احفظ الفرق بين AM و FM بكلمة واحدة: (سعة / تردد).
- أي سؤال عن اختيار محطة → رنين + LC.
- أي حساب سرعة أو طول موجة → ابدأ دائمًا بـ \( \lambda = c / f \).
- انتبه للوحدات (MHz → Hz).
Electric and Magnetic Fields in Vacuum |
What are electromagnetic waves?
Electromagnetic waves are a form of energy that propagates through space as waves consisting of two perpendicular fields:
- Electric Field (E)
- Magnetic Field (B)
Electromagnetic waves can travel through vacuum without needing a material medium, unlike mechanical waves which require a medium to propagate.
Motion in space and induction of electric fields
In space, electric fields can be induced even without wires, due to several physical phenomena:
1) Electromagnetic induction
When a conductor moves in a magnetic field, or when the magnetic field around a conductor changes, an electromotive force (EMF) is generated in the conductor even without connecting wires.
2) Electromagnetic waves in space
Electromagnetic energy travels through space as waves that can induce electric fields in objects placed in their path.
3) Space plasma
Space contains huge amounts of plasma (ionized gas) that can carry electric currents and generate electric fields without conventional wires.
James Clerk Maxwell
| Born 13 June 1831 in Edinburgh, Scotland. Died in Cambridge, England on 5 November 1879. | James Maxwell |
|
|
He established the theoretical foundations of field theory in his work on electricity and magnetism, building a complete electromagnetic theory of light based on Michael Faraday’s ideas. This showed that oscillating charges produce waves in an electromagnetic field (1873). |
|
Electric field produced by a changing magnetic field
Faraday’s Law
|
Magnetic field produced by a changing electric field
Maxwell’s Law (Displacement Current)
|
Properties of electromagnetic waves
Key properties of electromagnetic waves include:
- They travel at the speed of light (299,792 km/s in vacuum).
- They consist of two perpendicular fields: electric and magnetic.
- They do not require a material medium to propagate.
- They undergo reflection and refraction.
- They can be polarized.
| c = v | X | t | λ | T | \[f\] |
| Speed of light | Distance traveled | Time | Wavelength | Period | Frequency |
The wavelength of blue light is \[λ=5×10^{-7}\; m\].
Find the frequency of the light.
Click here to view the solution method
Choose the correct answer
What is the frequency of an electromagnetic wave with wavelength
3.2 × 10-7 m?
Click here to view the solution method
Choose the correct answer
Short Quiz: Properties of Electromagnetic Waves
1. If the frequency is 3 × 10⁸ Hz, what is the wavelength? (c = 3 × 10⁸ m/s)
2. Which of the following is NOT true for electromagnetic waves?
3. If λ = 500 nm, what is the frequency? (c = 3 × 10⁸ m/s)
4. What distance does an EM wave travel in 2 seconds? (c = 3 × 10⁸ m/s)
5. Which spectrum has the longest wavelength?
6. If frequency increases, what happens to wavelength?
7. What is the speed of EM waves in vacuum?
8. What is the wavelength for f = 10⁹ Hz? (c = 3 × 10⁸ m/s)
Types of electromagnetic waves
The main source of electromagnetic waves is the Sun. The electromagnetic spectrum is commonly divided into seven types.
| Infrared | Microwaves | Radio waves |
|
|
|
| Used in night-vision cameras and remote controls | Used in microwave ovens and radar | Used in radio and TV broadcasting |
| X-rays | Ultraviolet | Visible light |
|
|
|
| Used in medical imaging and some cancer treatments | Used for disinfecting drinking water and medical tools | Used in everyday life and microscopes to see objects |
| Gamma rays | ||
|
||
| Used in some cancer treatments |
Radio waves and broadcasting stations
Radio waves are widely used to transmit information (audio/data) over long distances through radio, TV, and wireless communication.
Key idea: AM/FM stations operate at different frequencies, and the receiver is tuned to the desired station frequency.
| System | Approx. frequency range | Note |
| AM | 530 – 1700 kHz | Lower sound quality, longer range |
| FM | 88 – 108 MHz | Higher sound quality, shorter range |
LC Oscillator (resonant circuit)
One of the most important circuits in communications is the LC circuit consisting of a capacitor C and an inductor L. It produces oscillations with a natural frequency that depends on L and C.
\[ f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \] (L in henry H, C in farad F)
Concept: Energy alternates periodically between the capacitor’s electric field and the inductor’s magnetic field.
Resonance in an LC circuit
Resonance occurs when the incoming signal frequency equals the natural frequency of the LC circuit. At resonance, the circuit response is maximum, which helps select a desired station.
| Condition | Result |
| f = f0 | Maximum response (resonance) |
| f ≠ f0 | Weaker response (signal rejection) |
Quartz crystal oscillator
Crystals such as quartz have a piezoelectric property: mechanical stress produces electric charge, and applying voltage can make the crystal vibrate at a very stable frequency.
That’s why quartz is used in clocks, frequency generators, and circuits that require highly stable frequency.
Basic components of a radio receiver
| Component | Function |
| Antenna | Receives the electromagnetic wave |
| LC tuning circuit | Selects a specific station frequency (resonance) |
| Detector / Rectifier | Extracts the audio signal from the carrier |
| Amplifier | Amplifies the signal |
| Speaker | Converts electrical signal into sound |
Quick Quiz: LC & Resonance
1) If L = 4×10⁻³ H and C = 9×10⁻⁹ F, the natural frequency f is approximately:
2) Resonance in an LC circuit happens when:
Receiving electromagnetic waves
A receiving system converts incoming electromagnetic energy into electrical signals that can be processed by the receiver.
General idea: When an EM wave reaches a conductor (like an antenna wire), it drives charges inside it.
Antenna
How does an antenna work?
- The electromagnetic wave reaches the antenna wire.
- The fields (E and B) exert forces on electrons in the wire.
- Electrons move, producing an AC signal.
- The signal is then amplified and processed by the receiver circuit.
Antenna length vs wavelength
For efficient reception, the antenna length should match the wavelength of the target signal.
\[ L \approx \frac{\lambda}{2}\ \ \text{or}\ \ \frac{\lambda}{4} \]
| Symbol | Meaning |
| L | Antenna length |
| λ | Wavelength |
Satellite dish
A satellite dish focuses weak incoming electromagnetic waves from a satellite to a single focal point.
Correct dish alignment
- Azimuth: horizontal direction relative to north.
- Elevation: vertical tilt above the horizon.
- LNB Skew: rotation angle of the LNB around its axis.
Why focus matters: the parabolic surface reflects waves toward the focal point where the LNB is located.
Mini simulation: antenna length vs signal strength
Change antenna length (m) and frequency (Hz) to see a rough estimate of “signal strength”.
Signal strength (rough): Medium
Quick quiz: antenna & dish
1) A common effective antenna length for a wave of wavelength λ is:
2) The main function of a satellite dish is to:
Modulation
Low-frequency audio signals cannot be transmitted efficiently over long distances. Therefore, a high-frequency carrier wave is used to carry the information. This process is called modulation.
Purpose of modulation: Increase transmission range, improve quality, and reduce interference.
Amplitude Modulation (AM)
In AM, the amplitude of the carrier wave varies according to the audio signal, while the frequency remains constant.
✔ Amplitude changes
✖ Frequency constant
Advantage: Simple receiver
Disadvantage: Highly affected by noise
Frequency Modulation (FM)
In FM, the frequency of the carrier wave varies with the audio signal, while the amplitude remains constant.
✔ Frequency changes
✖ Amplitude constant
Advantage: High sound quality, noise resistant
Disadvantage: Requires wider bandwidth
AM vs FM
| Property | AM | FM |
| Variable quantity | Amplitude | Frequency |
| Sound quality | Lower | Higher |
| Noise effect | High | Low |
Demodulation
After receiving the modulated signal, the original audio signal must be extracted. This process is called demodulation.
- Antenna reception
- Frequency selection (LC circuit)
- Demodulation (AM or FM detector)
- Amplification
- Sound output
Exam-style example
A radio station transmits at a frequency of \[ f = 100\ \text{MHz} \] Calculate the wavelength.
Solution:
\[
\lambda = \frac{c}{f}
\]
\[
\lambda = 3\ \text{m}
\]
Final quick test
1) In FM modulation, which quantity changes?
Mental summary
- Electromagnetic waves travel in vacuum at the speed of light.
- Wave speed decreases in material media.
- An LC circuit oscillates with a natural frequency.
- Resonance occurs when signal frequency equals natural frequency.
- An antenna converts EM waves into AC current.
- Effective antenna length is usually λ/2 or λ/4.
- AM: amplitude varies — FM: frequency varies.
- FM has better sound quality and less noise.
Concept map
↓ Speed of light (c)
↓ \(\lambda = \frac{c}{f}\)
↓ Antenna (λ/2 or λ/4)
↓ LC circuit → Resonance
↓ Modulation (AM / FM)
↓ Demodulation → Sound
Key formulas
Expected exam questions
1) Why is modulation necessary?
Low-frequency signals have short range and high interference, so they must be transmitted using a high-frequency carrier.
2) Why is FM less affected by noise than AM?
Because noise mainly affects amplitude, while FM depends on frequency variation.
Exam tips
- Remember: AM → amplitude, FM → frequency.
- Tuning/selecting a station → resonance + LC circuit.
- Always convert units correctly (MHz → Hz).
No comments:
Post a Comment