مقدمه:
مبدا علم الکتریسیته به مشاهده معروف تالس ملطی (Thales of Miletus) در 600 سال قبل از میلاد بر می‌گردد. در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده‌های کاغذ را می‌رباید. از طرف دیگر مبدأ علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمی‌گردد که بعضی از سنگها (یعنی سنگهای ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب می‌کند. این دو علم تا سال 1199 - 1820 به موازات هم تکامل می‌یافتند.
در سال 1199-1820 هانس کریستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم می‌تواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.
جیمز کلرک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه می‌شناسیم ، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده می‌شوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک دارا هستند.
پیشگامان علم الکترومغناطیس
اگر چه تنفیق الکتریسیته و مغناطیس توسط ماکسول بیشتر مبتنی بر کار پیشینیانش بود. اما خود او نیز سهم عمده ای در آن داشت. ماکسول نتیجه گرفت که ماهیت نور ، الکترومغناطیسی است و سرعت آن را میتوان با اندازه گیریهای صرفا الکتریکی و مغناطیس تایین کرد. از اینرو اپتیک و الکترومغناطیس رابطه نزدیکی پیدا کردند.
تولید امواج الکترومغناطیس
بنا به گفته ماکسول اگر در ناحیه‌ای از فضا میدان الکتریکی تغییر کند آنگاه میدان مغناطیسی در فضا به‌وجود می‌آید. ماکسول از این موضوع نکته دیگری را نتیجه گرفت:
اگر میدان مغناطیسی در حال تغییر بتواند میدان الکتریکی تولید کند، آنگاه میدان الکتریکی خودش نیز در حال تغییر خواهد بود. این تغییر در میدان الکتریکی مجدداً میدان مغناطیسی تولید می‌کند که در حال تغییر است و در نتیجه میدان الکتریکی در حال تغییر جدیدی می‌تواند از آن حاصل شود و به همین نحو قضیه می‌تواند ادامه داشته باشد.
هنگامی که ماکسول با معادلاتش کار می‌کرد دریافت که این فرآیند پی در پی در تغییر میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی می‌تواند باعث ایجاد موجی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی شود که براحتی در فضا قابل انتشار است. ما امروزه این موج را جزو امواج الکترومغناطیس می‌دانیم.
دو میله فلزی (که ما به عنوان آنتن بکار می‌گیریم) را در نظر بگیرید. فرض کنید این دو میله را توسط کلیدی به دو قطب باطری وصل کنیم.
به محض بسته شدن کلید میله بالایی بسرعت مثبت می‌شود و میله‌ای پایینی منفی می‌گردد براین اساس خطوط میدان الکتریکی در اطراف میله‌ها شکل می‌گیرددر هنگامی که بارها به حرکت درمی‌آیند، جریان الکتریکی حاصل می‌شود که جهت آن به سمت بالا است.
بنابراین یک میدان مغناطیسی در اطراف آنتن حاصل می‌گردد. خطوط میدان مغناطیسی دایره وار سیم را احاطه می‌کنند. در تصویر فوق جهت خطوط میدان که به سمت داخل صفحه است با علامت و خطوط میدانی که از صفحه خارج می‌شوند با نشان داده شده‌اند.
به نظر شما میدان الکتریکی و مغناطیسی تا چه مسافتی گسترش یافته‌اند؟
بدیهی است اگر این حالت پایدار باشد آنگاه میدان الکتریکی و مغناطیسی تا بینهایت دور امتداد خواهند داشت. در حقیقت وقتی که کلید وصل می‌شود در نواحی نزدیک، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بسرعت ظاهر می‌شوند.
اما مدّتی طول می‌کشد که میدان‌ها به نواحی دور برسند. هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی حامل انرژی هستند و امکان ندارد این انرژی با سرعت بینهایت انتقال یابد.
حال شرایطی را در نظر بگیرید که آنتن به منبع ولتاژ متناوب () وصل شود. فرض کنید همانند گذشته طرف بالای مولد مثبت و طرف پایین آن منفی باشد. خطوط میدان با رنگ قرمز نشان داده شده‌اند و جهت جریان نیز در شکل آمده‌است. همچنین جهت میدان مغناطیسی که حول آنتن به صورت دایروی به‌وجود آمده با علامت نشان داده شده‌است.
در لحظاتی دیگر جهت اختلاف پتانسیل مولد () تغییر می‌کند. براین اساس جهت جریان عکس شده و خطوط میدان مغناطیسی جدیدی در خلاف جهت گذشته شکل می‌گیرند.
ازآنجاکه خطوط میدان جدید جهتشان عکس شده‌است بنابراین خطوط قدیمی طوری خم می‌شوند که خطوط جدید و قدیم مسیرهای بسته‌ای را تشکیل دهند. در هر حال، خطوط قدیمی از بین نمی‌روند. آنها به حرکتشان به دور دست ادامه می‌دهند.
ازآنجاکه میدان مغناطیسی در حال تغییر میدان الکتریکی را به‌وجود می‌آورد و میدان الکتریکی در حال تغییر میدان مغناطیسی را حاصل می‌کند، در نتیجه ترکیب این میدان‌های در حال تغییر مغناطیسی و الکتریکی پیشرونده، خودش را تامین می‌کند و دیگر به میله آنتن اوّلیه وابستگی نخواهند داشت.
میدان های که از آنتن خیلی دور نیستند (و به عنوان میدان‌های نزدیک شناخته می‌شوند) شکل بسیار پیچیده‌ای دارند ولی ما علاقه زیادی به آنها نداریم. بلکه توجّه عمده ما به سمت میدان‌هایی دور از آنتن است.
این میدان‌ها توسط گیرنده می‌توانند دریافت شوند و به آنها میدان تابشی می‌گویند. در این شرایط میدان‌های الکتریکی به شکل حلقه درآمده و به سمت بیرون منتشر می‌شوند. اگرچه میدان‌های مغناطیسی هم به شکل حلقه هستند اما در شکل نشان داده نشده‌اند زیرا بر صفحه عمودند.
دید کلی
در مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک تلاش ما بر این است که کوتاهترین وجمع و جورترین معادلات یا قوانین را که یک موضع را تا حد امکان بطور کامل تعریف می‌کنند معرفی کنیم. در مکانیک به قوانین حرکت نیوتن و قوانین وابسته به آنها ، مانند قانون گرانش نیوتن، و در ترمودینامیک به سه قانون اساسی ترمودینامیک رسیدیم. در مورد الکترومغناطیس ، معادلات ماکسول به عنوان مبنا تعریف می‌شود. به عبارت دیگر میتوان گفت که معادلات ماکسول توصیف کاملی از الکترومغناطیس بدست می‌دهد و علاوه برآن اپتیک را به صورت جزء مکمل الکترومغناطیس پایه گذاری می‌کند. به ویژه این معادلات به ما امکان خواهد داد تا ثابت کنیم که سرعت نور در فضای آزاد طبق رابطه (C = 1/√μ0 ε0) به الکترومغناطیس|کمیتهای صرفا الکتریکی و مغناطیسی مربوط می‌شود.
یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول ، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه‌های ماورای زمین دریافت می‌کنیم و در واقع همه آگاهیهای که درباره جهان داریم از این طریق به ما می‌رسد. بدیهی است که فیزیک امواج الکترومغناطیسی خارج از زمین در گسترده نور مرئی از آغاز خلقت بشر مشاهده شده‌اند.
تعریف امواج الکترومغناطیسی
امواج الکترومغناطیسی یک رده از امواج است که دارای مشخصات زیر است:
امواج الکترومغناطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج باهم تفاوت دارند
در طیف امواج الکترومغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.
برای مقیاسهای بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده‌ای وجود ندارد.
از جمله منابع زمینی امواج الکترومغناطیسی میتوان به امواج دستگاه رله تلفن ، چراغهای روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.
این امواج برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.
قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.
امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.
گستره امواج الکترومغناطیسی
امواج الکترومغناطیسی از طولانی‌ترین موج رادیویی ، با طول موج‌های معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می‌یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و اشعه کیهانی می‌شود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می‌شوند در شکل آمده است که این تقسیم بندی‌ها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاری‌اند.