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.

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.

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.

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.

 

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

مقدار c با استفاده از این رابطه c=3×۱۰^۸ 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:

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)

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.

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:

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.

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؟

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. 

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؟

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=3×۱۰^۸ 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

---

---