امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم (۳)

زمان مطالعه: ۷ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما کاربران عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا به موضوع امواج الکترومغناطیسی بپردازیم. امواج الکترومغناطیسی بحثی مهم در امتحان پایان‌ ترم و آزمون سراسری است. همچنین موضوعی مشترک در فیزیک دوازدهم (فیزیک ‌۳) برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است. همچنین تمرین و فعالیت کتاب درسی در این مقاله به طور کامل توضیح داده می‌شوند.

امواج الکترومغناطیسی

همان‌طور که می‌دانید، بارهای الکتریکی تولید میدان الکتریکی می‌کنند. در صورتی که بارهای الکتریکی ساکن (بدون حرکت) باشند، میدان الکتریکی ناشی از آن‌ها با گذر زمان تغییر نمی‌کند. لازم به ذکر است که در علم فیزیک، شاخه‌ای وجود دارد که به مطالعه بارهای الکتریکی و نیرو‌های بین ‌آن‌ها در حالتی که ساکن هستند، می‌پردازد. این شاخه از علم فیزیک به الکترواستاتیک یا الکتریسیته ساکن نام دارد.

میدان الکتریکی

شکل (۱) : میدان‌ الکتریکی ناشی از بار الکتریکی ساکن

همچنین از مباحث فیزیک یازدهم، به یاد دارید که جریان الکتریکی یا بهتر بگوییم، سیم حامل جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. در صورتی که مقدار جریان الکتریکی ثابت باشد (با زمان تغییر نکند)، میدان مغناطیسی حاصله نیز ثابت است.

میدان مغناطیسی

شکل (۲) : میدان مغناطیسی ناشی از سیم حامل جریان الکتریکی ثابت

اما اگر عامل تولید میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی، در واقع بارهای الکتریکی ساکن نباشند چه !؟ مسلماً در این حالت نیز میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تولید می‌شوند که البته مقدار آن‌ها ثابت نیست.

امواج الکترومغناطیسی از رابطه متقابل میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی به وجود می‌آیند. یعنی هر تغییری در میدان الکتریکی در هر نقطه از فضا، میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند و همین میدان مغناطیسی متغیر نیز خود میدان الکتریکی متغیر به وجود می‌آورد.

همین رابطه متقابل بین میدان الکتریکی و مغناطیسی متغیر، سبب انتقال نوسان‌های میدان الکتریکی و مغناطیسی از یک نقطه فضا به نقاط دیگر می‌شوند. منظور از انتقال نوسان همان انتشار امواج الکترومغناطیسی است.

انتشار موج الکترومغناطیسی

شکل (۳) : انتشار موج الکترومغناطیسی عرضی

در مباحث فیزیک یازدهم با بحث القای الکترومغناطیسی آشنا شدید. یعنی تولید میدان الکتریکی به واسطه تغییرات میدان مغناطیسی. همان‌طور که می‌دانید، این القای الکترومغناطیسی توسط مایکل فاراده در سال ۱۸۳۱ میلادی به طور تجربی کشف شد؛ به همین جهت به قانون القای فاراده نیز موسوم است.

عکس اثر قانون القای فاراده، یعنی تولید میدان مغناطیسی بر اثر تغییر میدان الکتریکی نیز امکان‌پذیر است که این امر توسط جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۶۵ میلادی کشف شد. ماکسول از این دو پدیده نتیجه گرفت که امواج الکترومغناطیسی، الزاماً ناشی از تغییرات هم‌زمان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی (اصطلاحاً میدان الکترومغناطیسی‌) است.

موج الکترومغناطیس

شکل (۴) : تصویری لحظه‌ای از انتشار موجی الکترومغناطیسی در جهت x که مولفه میدان الکتریکی آن در جهت y و مولفه میدان مغناطیسی آن در جهت z است.

مشخصات امواج الکترومغناطیسی

  1. میدان الکتریکی  همواره بر میدان مغناطیسی  عمود است.
  2. میدان الکتریکی  و میدان مغناطیسی  همواره بر جهت حرکت موج عمود‌ هستند. در واقع امواج الکترومغناطیسی‌، امواجی عرضی به حساب می‌آیند.
  3. نوسان یا به عبارتی، میدان‌های الکتریکی و مفناطیسی با فرکانس (بسامد) یکسان و همگام به یکدیگر تغییر می‌کنند.
  4. امواج الکترومغناطیسی، بر خلاف امواج مکانیکی، جهت انتشار به محیط مادی نیاز ندارند.

قاعده دست راست

جهت انتشار امواج الکترومغناطیسی عرضی مطابق شکل زیر توسط قانون دست راست تعیین می‌شوند.

قانون دست راست

شکل (۵) : اگر انگشت شصت دست راست در جهت انتشار باشد، و سایر انگشت‌ها در جهت میدان الکتریکی باشند، جهت خمش انگشت‌ها جهت میدان مغناطیسی را مشخص می‌کند.

لازم به ذکر است که امواج الکترومغناطیسی عرضی در مراجع به امواج TEM موسوم هستند. یعنی Transverse Electro-Magnetic Wave که Transverse به معنی عرضی است. به زبان ریاضی، بردارهای میدان الکتریکی و مغناطیسی در امواج الکترومغناطیسی TEM هیچ مولفه‌ای در جهت انتشار ندارند. به عبارتی میدان الکتریکی  و میدان مغناطیسی  بر جهت حرکت عمود‌اند (عرضی). به طور مثال، اگر موج الکترومغناطیسی در راستای x حرکت کند، میدان الکتریکی در راستای y و میدان مغناطیسی در راستای z است.

سرعت امواج الکترومغناطیسی

ماکسول با یک تحلیل ریاضی نشان داد که سرعت امواج الکترومغاطیسی در خلأ از رابطه زیر به دست می‌آید.

\( C=\frac{1}{\sqrt{\mu_{0}\epsilon_{0}}}\)

\( \mu_{0} = 4\pi \times 10^{-7}\:\: \frac{T.m}{A}\)

\( \epsilon_{0} = 8.85 \times 10^{-12}\:\: \frac{C^{2}}{N.m^{2}}\)

که در آن مقادیر ثابت \(\mu_{0}\) و \(\epsilon_{0}\) ، به ترتیب تراوایی مغناطیسی خلأ (ضریب نفوذپذیری مغناطیسی خلأ) و ضریب گذردهی الکتریکی خلأ می‌باشند. با جایگذاری مقادیر مذکور مشاهده می‌شود که سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلأ برابر با سرعت نور، یعنی \(C = 3 \times 10^{8}\:\:\: \frac{m}{s}\) است. سرعت نور پیشتر توسط آرماند لوئیس فیزو به روش تجربی محاسبه شده بود. اما مطالعات ماکسول نشان داد که نور نیز موجی الکترومغناطیسی به حساب می‌آید.

\(C=\frac{1}{\sqrt{4\pi \times 10^{-7} \times 8.85 \times 10^{-12}}}\approx 3 \times 10^{8}\:\:\: \frac{m}{s}\)

در واقع تمامی امواج الکترومغناطیسی در خلأ، از امواج فرکانس پایین رادیویی و مایکروویو تا امواج با فرکانس بسیار زیاد ایکس و گاما، با سرعت نور حرکت می‌کنند.

طیف الکترومغناطیسی

شکل (۶) : محدوده فرکانسی و طول موجی طیف الکترومغناطیسی

در حدود سال ۱۸۸۸ میلادی، هاینریش هرتز آزمایشاتی انجام داد که مهر تایید تجربی نظریه ماکسول بود. هرتز نشان داد که امواج رادیویی نیز با همان سرعت نور مرئی حرکت می‌کنند. در واقع ماهیت یا سرشت امواج رادیویی و نور یکسان است.

موج الکترومغناطیسی

شکل (۷) : نمایشی از موج الکترومغناطیسی

پیش‌تر بیان کردیم که امواج الکترومغناطیسی، بر خلاف امواج مکانیکی، جهت انتشار به محیط مادی نیاز ندارند. امواج الکترومغناطیسی انرژی را به فرم انرژی جبنشی و انرژی پتانسیل ذرات محیط منتقل نمی‌کنند. بلکه انرژی، به صورت انرژی میدان‌های الکتریکی و مفغناطیسی توسط امواج الکترومغناطیسی منتقل می‌شود.

به طور مثال انرژی خورشید، به فرم انرژی میدان الکتریکی و مغناطیسی توسط امواج الکترومغناطیسی به زمین می‌رسند. به طور مثال، توان امواج الکترومغناطیسی گسیل شده از خورشید که در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری ما قرار دارد، در سطح زمین تقریباً در حدود ۱۰۰ میلیون گیگاوات است! در مقام مقایسه، بزرگی توان تولیدی در یک نیروگاه هسته‌ای، در حدود ۱ گیگاوات است.

مثال ۳-۷ کتاب فیزیک ۳ (ریاضی و تجربی)

محدوده یا طیف نور مرئی در خلأ برحسب طول موج در حدود ۴۰۰nm (نور بنفش) تا ۷۰۰nm (نور قرمز است). می‌خواهیم محدوده طیف نور مرئی را بر حسب فرکانس بیان کنیم.

طیف مرئی

شکل (۸) : محدوده طول موج طیف مرئی در طیف الکترومغناطیسی

همان‌طور که می‌دانیم، می‌توانیم به نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی نگاه کنیم. یعنی برای آن رابطه ساده \(\large f=\frac{v}{\lambda}\) را بنویسیم. در متن مقاله گفته شد که در خلأ سرعت تمامی امواج الکترومغناطیسی برابر با سرعت نور است. پس در رابطه مذکور، v را با c جایگزین می‌کنیم. پس برای دو حد بالا و پایین فرکانس (بسامد) طیف نوری داریم:

\(f_{violet}=\frac{c}{\lambda_{violet}}=\frac{3\times10^{8}\:\: \frac{m}{s}}{400\:\: m} = 7.5 \times 10^{14} Hz\)

\(f_{red}=\frac{c}{\lambda_{red}}=\frac{3\times10^{8}\:\: \frac{m}{s}}{700\:\: m} = 4.3 \times 10^{14} Hz\)

همان‌طور که از محاسبات فوق و تعریف طیف الکترومغناطیسی مشخص است، طیف الکترومغناطیسی از فرکانس‌های پایین (طول موج زیاد) شروع و تا فرکانس‌های بالا (طول موج کم) گسترش می‌یابد.

تمرین ۳-۵ کتاب فیزیک ۳ (ریاضی و تجربی)

طول آنتن یک گوشی تلفن همراه قدیمی معمولاً یک چهارم طول موج دریافتی است. اگر طول چنین آنتنی تقریباً برابر با ۸.۵cm باشد، فرکانسی که شبکه مخابراتی از آن استفاده می‌کند را تعیین کنید.

آنتن موبایل

شکل (۹) : عموماً طول آنتن‌ها به اندازه یک چهارم طول موج است.

حل: در اینجا سرعت حرکت امواج رادیویی در هوا را می‌توانیم با یک تقریب خیلی خوبی همان سرعت حرکت موج الکترومغناطیسی در خلأ یعنی \(c=3 \times 10^{8} \: \:\: \frac{m}{s}\) در نظر بگیریم. طول آنتن نیز مقدار ۸.۵cm بیان شده است که یک چهارم طول موج دریافتی است. یعنی طول موج دریافتی برابر با \(\lambda = 4 \times 8.5cm = 34cm\)  است. پس طبق رابطه \(f=\frac{c}{\lambda}\) داریم:

\(f=\frac{c}{\lambda}=\frac{3\times10^{8}}{34\times10^{-2}}\approx 0.08 \times 10^{10}\)

\(f\approx 0.8 GHz\:\:or \:\:800MHz\)

فعالیت ۳-۴ کتاب فیزیک ۳ (ریاضی و تجربی)

مطابق شکل زیر، یک گوشی تلفن همراه را در یک محفظه شیشه‌ای تخلیه هوا قرار می‌دهیم و با آن تماس می‌گیریم.

آزمایش امواج الکترومغناطیسی

شکل (۱۰) : آزمایش انتشار موج مکانیکی و الکترومغناطیسی

وقتی که پمپ تخلیه هوا (اصطلاحاً پمپ خلأ) را روشن می‌کنیم، رفته رفته صدای زنگ تلفن کم شده تا در نهایت هیچ صدایی شنیده نمی‌شود. این در حالی است که تلفن همراه، همچنان زنگ می‌خورد. از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیریم؟

پاسخ: همان‌طور که می‌دانیم امواج صوتی، ماهیتی مکانیکی دارند. یعنی امواج مکانیکی محسوب می‌شوند که جهت انتشار به محیط مادی (در اینجا ذرات، اتم و مولکول‌های هوا) نیاز دارند. وقتی که پمپ تخلیه هوا شروع به کار می‌کند، هوای درون محفظه خالی از هوا می‌شود. وقتی که چگالی ذرات، اتم‌ها یا مولکول‌های هوا کم می‌شود، انتقال صوت (موج مکانیکی) دشوار‌تر می‌شود.

به یاد دارید که هرچه چگالی ذرات محیط بیشتر باشد، نظیر یک جسم جامد، امواج صوتی بهتر منتقل می‌شوند. در نهایت با تخلیه کامل، از آنجایی که عملاً هیچ هوایی درون محفظه نیست (عدم وجود محیط مادی)، صدای زنگ گوشی (موج صوتی) منتشر نشده و به گوش ما نمی‌رسد.

این در حالی است که امواج الکترومغناطیسی جهت انتشار به محیط مادی نیاز نداشته و حتی در خلا نیز امکان انتشار دارند.

امیدواریم که این مقاله برای شما دانش‌آموز و محقق عزیز، مفید واقع شده باشد. مقالات زیر وبلاگ بین جو (Binjo) نیز شاید برای شما مفید باشد:

اصول لیزر – فیزیک دوازدهم (۳)

اثر فوتوالکتریک – فیزیک دوازدهم (۳)

اشکان ابوالحسنی، مدیریت واحد وبلاگ بین جو، کارشناس ارشد فوتونیک (گرایش مخابرات نوری) و دانشجوی دکتری در رشته مهندسی برق مخابرات - گرایش میدان و موج است. در پی علاقه ایشان به مباحث آموزشی، به تولید محتوا در حوزه فیزیک پیش از دانشگاه در وبلاگ بین جو نیز می‌پردازد.

دیدگاهتان را بنویسید

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