الكهرباء والمغنطيسية
المغنطيس الذي تثبته على ثلاجتك قد لا يبدو ذا علاقة بالكهرباء. ولكن المغنطيسية في الواقع ذات علاقة وثيقة بالكهرباء. فكما يحيط المجال الكهربائي بالشحنة الكهربائية، وينتج قوة تؤثر على الشحنات الأخرى، يحيط المجال المغنطيسي بالمغنطيس، وينتج قوى تؤثر على المغانط الأخرى. ومثل الشحنة الكهربائية، يستطيع المغنطيس جذب مغنطيس آخر أو إبعاده. وبالإضافة إلى ذلك، تنتج المغنطيسية عن التيارات الكهربائية. وفي المغانط الدائمة تنتج التيارات عن حركة الإلكترونات في بعض الذرات. فالإلكترونات تتحرك على محاورها، وتحيط بالنويات الذرية.
تكوِّن المغنطيسية والكهرباء معًا قوة أساسية في الكون تسمى الكهرومغنطيسية. وتعتمد هذه القوة على حقيقة أن حركة الشحنات الكهربائية تنتج مجالات مغنطيسية، وأن المجالات المغنطيسية المتغيرة تنتج تيارات كهربائية.
فإمرار تيار كهربائي عبر ملف سلكي، على سبيل المثال، يحول الملف إلى مغنطيس مؤقت يسمى المغنطيس الكهربائي، حيث يولد التيار الكهربائي مجالاً مغنطيسيًا حول الملف السلكي. ويظل الملف مغنطيسيًا طالما استمر مرور التيار الكهربائي فيه.
وتستطيع المغنطيسية بدورها إنتاج تيار كهربائي عن طريق الحث الكهرومغنطيسي. وفي هذه العملية يتحرك ملف سلكي قرب مغنطيس، حيث تسبب هذه الحركة مرور تيار كهربائي عبر السلك، يستمر مع استمرار الحركة. وتنتج المولدات التيار الكهربائي بهذه الطريقة.
وتنتج المجالات الكهربائية والمغنطيسية المتغيرة معًا الموجات الكهرومغنطيسية، التي تسمى أيضًا الإشعاع الكهرومغنطيسي. وتنقل هذه الموجات طاقة تسمى الطاقة الكهرومغنطيسية بسرعة الضوء. وتكوِّن الموجات الكهرومغنطيسية الضوء والإشارات الإذاعية والتلفازية والموجات الدقيقة، كما تكوِّن الأشعة تحت الحمراء التي تحس بها في شكل حرارة عند وقوفك قرب موقد ساخن، والأشعة فوق البنفسجية التي تسبب حرق الشمس. والأشعة السينية التي يستخدمها الأطباء في فحص الأجزاء الداخلية لجسمك تتكون أيضًا من الموجات الكهرومغنطيسية، كما تتكون منها أيضًا أشعة جاما الصادرة عن المفاعلات النووية، أو القادمة من الفضاء الخارجي.


نبذة تاريخية

إنجازات تاريخية في الكهرباء

الاكتشافات المبكرة. لاحظ الإغريق القدماء قبل بضعة آلاف سنة أن مادة تسمى الكهرمان تجذب إليها المواد الخفيفة مثل الريش والقش، بعد دلكها بقماش. والكهرمان مادة أحفورية ناتجة عن تصلب أشجار الصنوبر التي عاشت قبل ملايين السنين. وهو عازل جيد للكهرباء، ولذلك فهو يمسك الشحنة الكهربائية بسهولة. وبالرغم من أن الإغريق لم يعرفوا الشحنة الكهربائية فقد كانوا في الواقع يجرون تجارب على الكهرباء الساكنة عندما كانوا يدلكون الكهرمان بالقماش.

وعرف بعض القدماء، ومنهم الإغريق والصينيون القدماء، أيضًا مادة صلبة أخرى يمكنها جذب الأشياء، وهي المادة المسماة اللودستون أو الماجنتيت. وهو معروف اليوم بأنه مغنطيس طبيعي ميال إلى جذب الأجسام الحديدية الثقيلة، بينما يجذب الكهرمان الأشياء الخفيفة مثل القش. وفي عام 1551م أثبت عالم الرياضيات الإيطالي جيرولامو كاردانو، والمعروف أيضًا باسم جيروم كاروان، أن التأثيرات الجذبية لكل من الكهرمان والماجنتيت لابد أن تكون مختلفة. وكان كاردانو أول من لاحظ الفرق بين الكهرباء والمغنطيسية.
وفي عام 1600م، أوضح الفيزيائي البريطاني وليم جيلبرت أن بعض المواد، مثل الزجاج والكبريت والشمع، ذات خواص شبيهة بخواص الكهرمان. فعند دلكها بقماش تكتسب هذه المواد خاصية جذب الأشياء الخفيفة. وقد سمى جيلبرت هذه المواد الكهربيات، ودرس خواصها، وخلص إلى أن تأثيراتها ربما تُعزى إلى نوع من السوائل. ونحن نعرف اليوم أن ما سماها جيلبرت الكهربيات هي عوازل جيدة للكهرباء.


تجارب الشحنة الكهربائية. في ثلاثينيات القرن الثامن عشر وجد العالم الفرنسي تشارلز دوفاي أن القطع الزجاجية المشحونة تجذب المواد الشبيهة بالكهرمان، ولكنها تتنافر مع المواد الشبيهة بالزجاج، واستنتج من ذلك أن هناك نوعين من الكهرباء سماهما الكهرباء الزجاجية (للمواد الشبيهة بالزجاج)، والكهرباء الراتينجية (للمواد الشبيهة بالكهرمان). وبذلك استطاع دوفاي التوصل إلى نوعي الشحنات الكهربائية السالبة والموجبة، بالرغم من أنه اعتقد أنهما نوعان من "السوائل الكهربائية".

بدأ العالم ورجل الدولة الأمريكي بنجامين فرانكلين تجاربه على الكهرباء في عام 1746م. وقد بنى هذه التجارب على اعتقاد مفاده أن هناك نوعًا واحدًا من السوائل الكهربائية. فالأجسام التي تحمل كمية كبيرة من السائل تتنافر، بينما تتجاذب الأجسام التي تحمل كمية قليلة من السائل. وإذا لامس جسم به فائض من السائل جسمًا آخر قليل السائل يتقاسم الجسمان السائل. وقد أوضحت فكرة فرانكلين كيف تلغي الشحنات المتضادة بعضها بعضًا عندما تتلامس.