دسته‌ها
فیزیک پیش دانشگاهی فیزیک دوازدهم موج های الکترومغناطیسی نوسان و موج

موج الکترومغناطیسی

پیش تر گفتیم موج مکانیکی برای انتشار به محیط مادی نیاز دارد.  اما انتشار موج الکترومغناطیسی به محیط مادی نیاز ندارد و این امواج، انرژی را نه به صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل ذرات محیط، بلکه به صورت انرژی میدان های الکتریکی و مغناطیسی منتقل می کنند. مثلاً کل انرژی دریافتی از خورشید که باعث بقای زندگی روی کره زمین می شود از نوع امواج الکترومغناطیسی است. با اینکه خورشید در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری از زمین قرار دارد، توان امواج الکترومغناطیسی گسیل شده از خورشید که به سطح زمین می رسد، تقریباً ۱۰۰ میلیون گیگاوات است. جالب است که بدانید مرتبه بزرگی توان تولیدی یک نیروگاه هسته ای، ۱ گیگاوات است.

ph3 s3 electromagneticwave 01 موج الکترومغناطیسی

میدان های الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان

می دانیم بار الکتریکی، میدان الکتریکی ایجاد می کند و اگر بارهای الکتریکی ساکن باشند، میدان الکتریکی حاصل از آنها با زمان تغییر نمی کند. اگر بارها در جهت خاصی جریان پیدا کنند، جریان الکتریکی ایجاد می شود. جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می کنند. اگر جریان الکتریکی ثابت باشد، میدان مغناطیسی حاصل از آن ثابت است.

اگر میدان الکتریکی در هر نقطه ای از فضا متغیر باشد، میدان مغناطیسی متغیری ایجاد کند. این میدان مغناطیسی متغیر خود میدان الکتریکی متغیر به وجود می آورد. این رابطه متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی سبب انتقال نوسان های میدان های الکتریکی و مغناطیسی از یک نقطه از فضا به نقاط دیگر می شود که به این انتشار، انتشار موج الکترومغناطیسی می گویند.

در سال ۱۸۳۱ فاراده به طور تجربی کشف کرد که با تغییر میدان مغناطیسی ، میدان الکتریکی ایجاد می شود. به این پدیده القای الکترومغناطیسی فاراده می گویند. پدیده معکوس این پدیده یعنی تولید میدان مغناطیسی بر اثر تغییر میدان الکتریکی را ماکسول در سال ۱۸۶۵ پیش بینی کرد. ماکسول از این دو پدیده نتیجه گرفت که امواج الکترومغناطیسی باید لزوما ناشی از تغییرات همزمان میدان های الکتریکی و مغناطیسی باشد. شکل زیر یک موج الکترومغناطیسی سینوسی را نشان می دهد.

ph3 s3 electromagneticwave 02 موج الکترومغناطیسی

تندی انتشار موج الکترومغناطیسی

در یکی از آزمایش هایی که برای محاسبه تندی نور انجام شد، مقدار تندی نور توسط فیزیک دان آمریکایی آلبرت مایکلسون به دست آمد.  او توسط چینش آزمایشگاهی ای که در شکل زیر نشان داده شده است، باریکه نور لیزری را به سمت آینه ۸ وجهی چرخانی گسیل کرد که این نور پس از بازتاب از آینه ای ثابت، واقع در کوه سن آنتونی یو که در فاصله ۳۵ کیلومتری آینه چرخان قرار داشت به وجه دیگری از آینه چرخان برخورد کرد.

ph3 s3 electromagneticwave 12 موج الکترومغناطیسی

او به ازای کمترین تندی زاویه ای چرخش آینه که ناظر می توانست باریکه بازتابیده از آینه چرخان را ببیند، تندی نور را در سال ۱۹۲۶ ، برابر با عدد زیر بدست آورد.

 

ph3 s3 electromagneticwave 13 موج الکترومغناطیسی

قبل از این آزمایش، ماکسول نشان داد که تندی انتشار امواج الکترومغناطیسی در خلاء از رابطه زیر به دست می آید.

ph3 s3 electromagneticwave 03 موج الکترومغناطیسی

مقدار c با استفاده از این رابطه c=3×۱۰۸ m/s می شود که قبلا به صورت تجربی اندازه گیری شده بود. این نتیجه بسیار مهم بود چون نشان می داد که نور، یک موج الکترومغناطیسی است. بعدها آزمایش های مختلفی در تایید نظریه ماکسول انجام شد. هرتز نشان داد که امواج رادیویی هم با همان تندی نور مرئی در آزمایشگاه حرکت می کنند و این یعنی امواج رادیویی هم مانند نور موج الکترومغناطیسی است.

ویژگی های موج الکترومغناطیسی

  • میدان الکتریکی E همواره عمود بر میدان مغناطیسی B است.
  • میدان های الکتریکی E و مغناطیسی B همواره بر جهت حرکت موج عمودند و در نتیجه موج الکترومغناطیسی، یک موج عرضی است.
  • میدان ها با بسامد یکسان و همگام با یکدیگر تغییر می کنند.
  • جهت انتشار امواج الکترومغناطیسی را می توان از قاعده دست راست تعیین کرد مانند شکل زیر:
ph3 s3 electromagneticwave 04 موج الکترومغناطیسی

توضیح قاعده دست راست برای تعیین جهت انتشار موج الکترومغناطیسی

چهار انگشت دست راست، را در جهت میدان الکتریکی قرار داده و آن را به سمت جهت میدان مغناطیسی ( به سمت کف دست) می چرخانیم. یعنی کف دست جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد. انگشت شست جهت انتشار موج الکترومغناطیسی را نشان می دهد.

مثال۱:

در یک لحظه خاص، میدان الکتریکی مربوط به یک موج الکترومغناطیسی در نقطه ای از فضا در جهت  +z و میدان مغناطیسی مربوط به آن در جهت  +yاست. جهت انتشار موج به کدام سمت است؟

پاسخ:

طبق قانون دست راست، اگر میدان الکتریکی در جهت   +z و میدان مغناطیسی در جهت  +yاست. جهت انتشار  -x است. (مطابق شکل زیر)

ph3 s3 electromagneticwave 05 موج الکترومغناطیسی

مثال هایی از محاسبه بسامد و طول موج موج الکترومغناطیسی

مثال۲:

گستره تقریبی طول موج نور مرئی در خلاء از ۴۰۰nm (نور بنفش) تا  ۷۰۰nm (نور قرمز) است. گستره بسامد مربوط به نور مرئی را بر حسب هرتز تعیین کنید.

ph3 s3 electromagneticwave 08 موج الکترومغناطیسی

پاسخ:

چون نور یک موج الکترومغناطیسی است، برای به دست آوردن بسامد باید از رابطه زیر استفاده کنیم . سرعت را برابر با سرعت نور می گذاریم بنابر این:

ph3 s3 electromagneticwave 06 موج الکترومغناطیسی

مثال۳:

طول آنتن یک گوشی تلفن همراه قدیمی معمولا  یک چهارم طول موج دریافتی است. اگر طول چنین آنتنی تقریبا برابر  ۸٫۵cm باشد، بسامدی را که این گوشی با آن کار می کند تعیین کنید.

پاسخ: بنابر گفته سوال می توانیم طول موج دریافتی را به دست آوریم و سپس بسامد این طول موج را به دست بیاوریم.

ph3 s3 electromagneticwave 07 موج الکترومغناطیسی

مثال۴:

مطابق شکل زیر یک گوشی تلفن همراه را در یک محفظه تخلیه هوای شیشه ای قرار دهید.  با برقراری تماس با گوشی، صدای آن را خواهید شنید. ولی با به کار افتادن پمپ تخلیه هوا، صدا به تدریج ضعیف و سرانجام خاموش می شود. در حالی که امواج الکترومغناطیسی همچنان به گوشی می رسند. از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟

ph3 s3 electromagneticwave 09 موج الکترومغناطیسی

پاسخ:

امواج صوتی امواج مکانیکی هستند و برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند که در اینجا هوا بود. با تخلیه هوا، محیط مادی برای انتشار موج وجود ندارد و موج منتشر نمی شود اما امواج الکترومغناطیسی نیازی به محیط مادی برای انتشار ندارند بنابر این در خلا هم منتشر می شوند.

طیف امواج الکترومغناطیسی

طیف امواج الکترومغناطیسی به ترتیب از کمترین بسامد تا بیشترین بسامد شامل امواج رادیویی،میکروموج،  فروسرخ، طیف نور مرئی، فرابنفش، پرتوهای ایکس و پرتو های گاما است. 

ph3 s3 electromagneticwave 10 موج الکترومغناطیسی

تمام این امواج به رغم تفاوت فراوان در روش های تولید و کاربردهای آنها، امواجی الکترومغناطیسی هستند و

همگی با تندی نور در خلأ حرکت می کنند و هیچ گسستگی ای در این طیف وجود ندارد.

 


تمرین ها

تمرین ۱: طول موج امواج مربوط به رادار، در مقایسه با طول موج امواج فروسرخ و طول موج اشعه ایکس چگونه است؟

۱)از هر دو کوتاه تر است.

۲) از هر دو بلندتر است.

۳) از طول موج فروسرخ کوتاه تر و از طول موج اشعه ایکس بلندتر است.

۴) از طول موج فروسرخ بلندتر و از طول موج اشعه ایکس کوتاهتر است.

 

تمرین ۲: نمودار میدان الکترومغناطیسی برحسب مکان یک موج الکترومغناطیسی که در خلاء منتشر می شود. مطابق شکل زیر است. کدام مورد با توجه به نمودار درست است؟

ph3 s3 electromagneticwave 11 موج الکترومغناطیسی

۱)طول موج ۵/۰ متر است.

۲)دوره موج یک ثانیه است.

۳) عدد موج π رادیان بر متر است.

۴) بسامد موج f=3×۱۰۸ Hz  است.

 

تمرین ۳: موج رادیویی با بسامد ۳۰۰ مگا هرتز در فضا پخش می شود. طول موج آن چند متر است؟

۱)۱      ۲)۳                 ۳)۱۰۰             ۴)۳۰۰

 

تمرین ۴: وجوه مشترک در گستره امواج الکترومغناطیسی، کدام است؟

۱)سرعت انتشار در خلا و قانون های حاکم بر آنها

۲)ماهیت و سرعت انتشار در محیط های شفاف

۳) نحوه تولید و قانون های حاکم بر آنها

۴)ماهیت و نحوه آشکارسازی


دانلود نسخه PDF جزوه بالا و پاسخ تمرین ها



کبیری

از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *