خصوصیات امواج الکترو مغناطیسی

میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی، امواج الکترو مغناطیسی را تشکیل می دهند. از آنها برای انتقال سیگنال، نور و انرژی استفاده می شود. در این مقاله خلاصه ای از خواص و رفتار امواج الکترو مغناطیسی ارائه شده است.

آیا می دانید عینک های آفتابی پلاریزه چگونه کار می کنند؟

موج الکترو مغناطیسی نوعی موج است که در فضا انتشار می‌یابد (ارتعاش عمودی و انتشار افقی). عینک آفتابی پلاریزه شده اجازه می دهد که نور در راستای ارتعاش آن فقط در يک جهت حرکت نماید. بنا بر این، مقدار نور وارده کاهش یافته و روشنايی زننده نور تا حد زیادی مسدود می گردد.
در واقع نوری که در عینک های پلاریزه مشاهده می کنيد، حاصل نوسان الکترون ها از يک مدار به مدار پايين تر است، يا به عبارتی از يک سطح پتاسيل به سطح پتانسيل پايين تر، که در آن صورت، الکترون اين اختلاف انرژی را به صورت يک موج الکترو مغناطيسی از خود ساطع می کند. موج الکترو مغناطيس «نور» يک موج عرضی است؛ يعنی راستای ارتعاش آن بر راستای انتشار آن عمود است. مانند طنابی که در دست می گيريد و در آن يک موج ايجاد می کنيد. موج الکترو مغناطيسی شبيه به اين حرکت است؛ يعنی راستای ارتعاش آن بر راستای انتشار عمود است. با اين تفاوت که سه بعدی است. يعنی در طناب شکل موج دو بعدی است، ولی در مورد يک موج الکترو مغناطيسی، اين شکل سه بعدی است. مانند شکل کره ای که در فضا با بزرگتر شدنش منتشر می شود.
امواج الکترو مغناطیسی زمانی شکل می گیرند که نوسان متناوبی در میدان های الکتریکی و مغناطیسی وجود داشته باشد. این امواجِ حاصل از تابش الکترو مغناطیسی، هر دو حالت الکتریکی و هم چنین مغناطیسی را در بر می گیرند. وجود و ماهیت این امواج اولین بار توسط دانشمند جیمز کلرک ماکسول ارائه شد. او متوجه شد که میدان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی می توانند با هم جفت شوند تا موج های الکترو مغناطیسی را تشکیل دهند. او این رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس را به صورت خلاصه درآورد که اکنون "معادلات ماکسول" نامیده می شوند. هاینریش هرتز پیش ‌بینی ماکسول را با آزمایش به اثبات رساند. ماکسول پس از تکمیل نظریه الکترو مغناطیس، شکلی از معادله موج را از معادلات این نظریه به دست آورد و بنا بر این نشان داد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی هم می‌توانند رفتاری موج‌ گونه داشته باشند. سرعت انتشار امواج الکترو مغناطیسی از معادلات ماکسول درست برابر با سرعت نور به دست ‌آمد و ماکسول نتیجه گرفت که نور هم باید نوعی موج الکترو مغناطیسی باشد.
آزمایش هرتز با امواج رادیویی، دو مسئله را حل کرد:
نخست این که ماکسول در نظریه های خود اشاره کرده بود که سرعت امواج رادیویی با سرعت نور یکسان است! این ثابت می کرد که امواج رادیویی، شکلی از نور هستند!
دوم آن که هرتز فهمید چگونه می توان باعث شد میدان های الکتریکی و مغناطیسی از سیم ها جدا شده و آزادانه به صورت موج های ماکسول (موج های الکترو مغناطیسی) حرکت کنند.

مشخصات امواج الکترو مغناطیسی

➡ همان طور که در بالا ذکر شد، این امواج از نوسانات میدان های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده اند. این نوسانات عمود بر یک دیگر می باشند.
➡ این امواج دو بعدی متقاطع می باشند، یعنی، انتقال انرژی عمود بر نوسانات است.
➡ پلاریزاسیون امواج الکترو مغناطیسی امکان پذیر است.
➡ امواج الکترو مغناطیسی با امواج مکانیکی از این لحاظ متفاوتند که مورد قبلی به هیچ واسطه یا محیطی برای انتشار نیاز ندارد. آنها می توانند از ماده عبور کنند، همان طور که از خلاء عبور می کنند.
امواج مکانیکی از یک اختلال یا ارتعاش در ماده (چه جامد، چه مایع، چه گاز یا پلاسما) تولید می شوند. ماده ای که امواج از طریق آن منتقل می شوند، محیط یا واسطه نامیده می شود.
➡ این امواج از قوانین انعکاس، شکست نور و پراش یا تفرق تبعیت می نمایند.
➡ این امواج توسط میدان مغناطیسی و الکتریکی منحرف نمی شوند.
➡ امواج الکترو مغناطیسی می توانند تداخل (قرار گيری دو موج روی یک دیگر) را نشان دهند.
➡ این امواج از طریق خلأ با سرعت 108 × 3 متر در ثانیه، همانند سرعت نور سفر می کنند.
➡ همه‌ی انواع امواج الکترو مغناطیسی با سرعت نور در خلاء حرکت می کنند. آنها دارای ماهیت و سرعت یک سان هستند و فقط از لحاظ فرکانس یا طول موج با هم تفاوت دارند.
➡ زمین یک مقدار حد اکثری از انرژی الکترو مغناطیسی را از خورشید دریافت می کند. این انرژی، از خلأ عبور کرده و به زمین می رسد.
➡ تابش الکترو مغناطیسی شامل جریانی از ذرات (فوتون ها) با انرژی است، اما، بدون جرم. بنا بر این، امواج دارای حرکت هستند، اما بدون جرم.
➡ از آن جایی که طول موج در طیف نور کاهش می یابد، مقدار انرژی حمل شده توسط امواج افزایش پیدا می کند. این مسئله را می توان با استفاده از فرمول زیر نشان داد،
E = hC / λ
(که در آن E انرژی است،
h ثابت پلانک است،
C سرعت نور در خلاء است،
λ طول موج است)
➡ سرعت این امواج از یک محیط به محیط دیگر تغییر می کند، اگر چه، فرکانس یک سان باقی می ماند. این مسئله را می-توان با معادله زیر توضیح داد:
v = fλ
(که در آن v سرعت موج است،
f فرکانس است،
λ طول موج است)
➡ امواج در طیف الکترو مغناطیسی را می توان بسته به طول موج (یا فرکانس) به انواع مختلف تقسیم نمود. عكس دوره تناوب را بسامد يا فركانس می گويند.
➡ انواع مختلف امواج در طیف الکترومغناطیسی امواج مادون قرمز، اشعه ماوراء بنفش، اشعه های نور قابل مشاهده، اشعه X، اشعه گاما، مایکرو ویو، اشعه تلویزیونی و امواج رادیویی می باشند.
➡ یکی از ویژگی های خاص تابش الکترو مغناطیسی این است که در آن، هر ذره هم زمان ویژگی های موج را به نمایش می-گذارد.
➡ امواج الکترو مغناطیسی با انرژی بالا، اشعه X، اشعه گاما و اشعه‌های ماوراء بنفش هستند. امواج کم انرژی نیز شامل امواج رادیویی، امواج تلویزیونی، مایکرو ویو، اشعه مادون قرمز و غیره می باشند.
➡ تابش الکترو مغناطیسی می تواند اعمال فشار (فشار تابش) کند.
➡ تابش ترمزی یک مفهوم جالب در نظریه تابش الکترو مغناطیسی است. ترجمه آلمانی آن تقریباً معادل "پرتو ترمز / اشعه" است و در مواردی به کار می رود که تابش الکترو مغناطیسی از کاهش سرعت ذرات بار دار الکتریکی، هنگامی که با ذرات دیگر برخورد می کند، تولید شود.
➡ تابش چرنکوف مفهوم جذاب دیگری است. این تابش یک نوع تابش الکترو مغناطیسی است که توسط یک ذره بار دار هنگام عبور از محیط دی الکتریک با سرعتی بیشتر از نور (در آن محیط) ساطع می شود.
حتماً توجه کرده‌اید كه وقتی قايقی با سرعت نسبتاً بالا (بيش از سرعت امواج سطحی آب) در يك درياچه آرام حركت می‌كند، پشت سرش موج مثلثی شكلی منتشر می‌شود. تابش چرنكوف پديده‌ای كما بيش مشابه است. وقتی ذره بار داری در محيط ماده با سرعت بيش از سرعت نور در اين ماده حركت كند، تابشی از آن ساطع می‌شود كه به تابش چرنكوف معروف است. اين تابش به صورت همسان گرد ساطع نمی‌شود، بلكه مشابه همان موج پشت سر قايق در يك مخروط (در اين جا مسئله سه بعدی است) منتشر می‌شود.
اگر يک ذره بار دار چه در خلأ و چه در محيط ماده شتاب بگيرد، موج الكترو مغناطيسی ساطع می‌كند. پديده چرنكوف، غير از آن است. اولاً تابش چرنكوف تنها در محيط ماده صورت می‌گيرد. در ثانی برای تابش چرنكوف نيازی به شتاب نيست و اگر سرعت ذره بار دار ثابت بماند، باز هم تابش چرنكوف اتفاق می‌افتد (انرژی تابش را محيط ماده فراهم می‌سازد).
➡ تابش زمینه کیهانی (CMBR) انتشار تابش الکترو مغناطیسی در کل جهان است. این تابش از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) تولید شده است.
در طیف امواج الکترو مغناطیسی هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دل خواه را می‌توانیم تولید کنیم. برای مقیاس-های بسامد یا طول موج، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده‌ای وجود ندارد. از جمله منابع زمینی امواج الکترو مغناطیسی می‌توان به امواج دستگاه رله تلفن، چراغ های روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.
اصول الکترو مغناطیس، برای ساخت آهن رباهای الکتریکی و ماگلو (معراج مغناطیسی) قطار استفاده می شود. آهن رباهای الکتریکی در زمینه های مختلف استفاده می شوند. آنها تقریباً در تمام دستگاه های الکتریکی، MRI و غیره استفاده می شوند.
تابش الکترو مغناطیسی هم چنین می تواند باعث ایجاد خطر برای سلامت انسان شود. اعتقاد بر این است که انواع خاصی از سرطان، بیماری های پوستی، مشکلات گوارشی و غیره، ناشی از این تابش می باشند. با این حال، اثرات و شدت آن بستگی به فرکانس تابش دارد. هر چند این پدیده یک مزیت در نظر گرفته می شود، اما نمی توان برخی اثرات نا مطلوب آن را نا دیده گرفت.