موج الکترومغناطیسی

ما می‌بینیم. واسطه این دیدن نور است. نور اگر نباشد چیزی دیده نمی‌شود. چشمه این نور چیست؟ نوری که جهان را به ما می‌نمایاند، چشمه‌اش خورشید است. البته که شعله‌ی آتش، رشته‌های داغ لامپ با نور سفید و گازهای تابان در لوله‌های شیشه‌ای دیگر از دیگر چشمه‌های نوری هستند که دیدن را برایمان امکان پذیر می‌کنند. اما خود نور چیست؟

نور پدیده‌ای الکترومغناطیسی است و بخشی از گستره‌ی امواج الکترومغناطیسی موسوم به طیف الکترومغناطیسی است. هر زمان که رادیو تنظیم می‌کنید، تلویزیون تماشا می‌کنید، پیام متنی ارسال می‌کنید یا در مایکروویو غذا گرم می‌کنید، در حال استفاده از امواج الکترومغناطیسی هستید.

ما هر روز و در تمام ساعات به این انرژی وابسته‌ایم. بدون آن، دنیایی که می‌شناسیم وجود نداشت. در این مقاله به بررسی چگونگی تشکیل موج الکترومغناطیسی، ویژگی‌های امواج الکترومغناطیسی و کارکردهای موج الکترومغناطیس، در طبیعت و زندگی روزمره خواهیم پرداخت.

امواج الکترومغناطیسی

موج آشفتگی‌ای در فضا است. این آشفتگی می‌تواند؛ به واسطه‌ی نوسان ذرات یک محیط مادی یا نوسان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی باشد. موج الکترومغناطیسی زاییده‌ی نوسان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است. اما چگونه؟

بارهای متحرک جریان الکتریکی به را می‌اندازند. پیرامون جریانی از بارها، میدان مغناطیسی حاصل می‌شود. حال اگر جریان الکتریکی تغییر کند( یعنی بارهای متحرک به صورت شتابدار حرکت کنند) میدان مغناطیسی اطراف جریان نیز تغییر خواهد کرد.

تغییرات میدان مغناطیسی زاینده میدان الکتریکی می‌شود؛ یک میدان الکتریکی متغییرِ نوسان کننده. میدان الکتریکی متغییر نیز ادای دین می‌کند  و میدان مغناطیسی متغییر نوسان کننده می‌سازد. می‌بینید! میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متغییر یکدیگر را بازتولید می‌کنند. از رابطه‌ی متقابل نوسان این دو میدان، موجی تولید می‌شود که موج الکترومغناطیسی نامیده می‌شود.

پس می‌توان گفت عامل اصلی ایجاد موج‌های الکترومغناطیسی ذرات باردار شتابدار است. زمانی که ذره بارداری شتاب می‌گیرد، بخشی از انرژی خود را به صورت امواج‌ الکترومغناطیسی گسیل می‌کند. این امواج، انرژی را نه به صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل ذرات محیط، بلکه به صورت انرژی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی منتقل می کنند.

ماکسول با کمک نتایج کارهای اورستد، آمپر و فارادی وجود موج‌های الکترومغناطیسی و انتشار آنها در فضا پیش‌بینی کرد. بعدها هرتز وجود موج‌های الکترومغناطیسی را به شکل تجربی نشان داد.

نمودار موج الکترومغناطیسی

برای بیان چگونگی انتشار موج‌های الکترومغناطیسی، می‌توان از نمودارهای میدان الکتریکی و یا مغناطیسی بر حسب مکان استفاده کرد. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به طور همزمان در جهت محور مکان افزایش می‌یابند؛ تا به یک مقدار بیشینه برسند و سپس کاهش می‌یابند تا صفر شوند و در ادامه همین تغییرات در جهت عکس برای هر کدام از میدان‌ها صورت می‌گیرد.

جهت انتشار امواج الکترومغناطیسی را می‌توان با استفاده از قاعده دست راست به دست آورد.

ویژگی‌های امواج الکترومغناطیسی

رابطه متقابل میدان‌ها سبب انتقالِ نوسان‌های میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی از یک نقطه فضا به نقاط دیگر و یا همان انتشار موج الکترومغناطیسی می‌شود. این موج را با ویژگی‌هایی که در زیر معرفی می‌کنیم می‌توان بررسی و توصیف کرد.

فرکانس f

فرکانس(f) تعداد چرخه‌های موج در یک ثانیه است و با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود. فرکانس موج متناسب با انرژی آن است.

دوره تناوب T

دوره (T) مدت زمانی است که یک موج برای طی کردن یک طول موج کامل نیاز دارد و با واحد ثانیه (s) اندازه‌گیری می‌شود.

دامنه A

دامنه فاصله بین بیشترین جابه‌جایی عمودی موج تا میانه‌ی موج است. دامنه مقدار نوسان یک موج خاص را اندازه‌گیری می‌کند. به‌طور خلاصه، دامنه در واقع ارتفاع موج است. دامنه بیشتر، انرژی بالاتر و دامنه کمتر، انرژی پایین‌تری را دارا است. دامنه اهمیت زیادی دارد، زیرا میزان شدت یا درخشندگی یک موج را در مقایسه با سایر امواج نشان می‌دهد.

طول موج λ

طول موج (λ) مسافتی است که موج  طی یک دوره تناوب طی می‌کند. امواج با طول موج بلند (مانند امواج رادیویی) انرژی کمی دارند. به همین دلیل است که گوش دادن به رادیو برای ما خطری ندارد.

امواج با طول موج کوتاه (مانند اشعه ایکس) انرژی بالایی دارند و می‌توانند برای سلامتی مضر باشند. طول موج نوع نور را مشخص می‌کند، در حالی که دامنه شدت آن را تعیین می‌کند. از آن‌جایی‌که تندی امواج الکترومغناطیسی ثابت است،طول موج کوتاه‌تر یعنی فرکانس بیشتر و  انرژی بالاتر.

سرعت V

سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلأ ثابت و برابر با تندی نور یعنی 300000 کیلومتر بر ثانیه است. تندی امواج الکترومغناطیسی به محیط و ویژگی‌های آن وابسته است. در حالت کلی می‌توان تندی موج را از رابطه زیر به دست آورد:

اما موج الکترومغناطیسی چند ویژگی بارز دارد که به قرار زیر است:

1. میدان‌های الکتریکی همواره عمود بر میدان مغناطیسی است.
2. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بر جهت حرکت موج عمودند، پس می‌توان گفت موج الکترومغناطیسی موجی عرضی است.
3. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با بسامد یکسان و همگام با یکدیگر تغییر می‌کنند.

تندی امواج الکترومغناطیسی

مشخص شده است که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تنها در سرعت معین و ثابتی در توازن با یکدیگرند و هنگام حمل انرژی در فضا یکدیگر را تقویت می‌کنند. اما چرا سرعت امواج الکترومغناطیسی هرگز در فضا تغییر نمی‌کند؟

پل‌جی. هیئویت در کتاب فیزیک مفهومی (جلد سوم) در این باره چنین نوشته است:

«سفینه‌ای که در فضا گشت می‌زند، حتی اگر موتورهایش خاموش باشد، سرعتش کم و زیاد می‌شود، چون گرانی می‌تواند به آن رو به جلو یا عقب شتاب دهد، اما سرعت موج الکترومغناطیسی در فضا هرگز تغییر نمی‌کند؛ نه بدان سبب که گرانی بر نور تاثیر نمی‌گذارد، چون می‌گذارد.

گرانی می‌تواند بسامد نور را تغییر دهد و یا آن را منحرف سازد، اما نمی‌تواند اندازه سرعت آن را تغییر دهد. چه عاملی باعث می‌شود که موج الکترومغناطیسی همواره با سرعت ثابت و در فضای تهی حرکت کند؟ پاسخ آن به القای الکترومغناطیسی و پایستگی انرژی مربوط می‌شود.

اگر سرعت نور کم می‌شد. میدان الکترکی متغییر آن میدان مغناطیسی ضعیف‌تری تولید می‌کند، که آن نیز، سبب تولید میدان الکتریکی ضعیف‌تری می‌شد و به همین ترتیب تا اینکه موج کاملن از بین می‌رفت و هیچ انرژی‌ای از جایی به جای دیگر منتقل نمی‌شد. بنابراین، موج الکترومغناطیسی نمی‌تواند با سرعتی کمتر از سرعت ثابت خود حرکت کند.

اگر سرعت نور زیاد می‌شد، میدان الکتریکی متغیر آن، میدان مغناطیسی قوی‌تری تولید می‌کرد که آن نیز باعث تولید میدان الکتریکی قوی‌تری می‌شد. به همیت ترتیب تا آخر. اوج‌گیری شدت میدان و افزایش مداوم انرژی با توجه به اصل پایستگی انرژی اکیدن ممنوع است. القای متقابل فقط وقتی به صورت نامحدود تداوم می‌یابد و انرژی آن بدون کم و زیاد شدن منتقل می‌شود که سرعت ثابت است.»

جیمز کلارک ماکسول با استفاده از تحلیل‌های ریاضی توانست؛ تندی امواج الکترومغناطیسی را با استفاده از ثابت‌های که در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی استفاده می‌شد به دست آورد:
تندی‌ای که ماکسول برای امواج الکترومغناطیسی با این رابطه به دست آورد برابر است با 300000 کیلومتر بر ثانیه. جالب است بدانید این عدد را پیش از ماکسول دانشمند فرانسوی به نام آرماند لوئیس فیزو برای تندی نور در خلأ به روش تجربی به دست آورده بود.

این نتیجه‌ای مهم است چرا که نشان می‌دهد نور موجی الکترومغناطیسی است. اما با این وجود نظریه ماکسول نیاز به تایید تجربی محکم‌تری داشت که بعدها هرتز این کاتر انجام داد.

هرتز با ایجاد نوسان‌های الکتریکی پُر بسامدی، آزمایش‌های مشهوری در تأیید نظریه ماکسول انجام داد. هرتز نشان داد که امواج رادیویی نیز با همان تندی نور مرئی در آزمایشگاه حرکت می‌کنند و این حاکی از سرشت یکسان امواج رادیویی و نور مرئی بود.

طیف امواج الکترومغناطیسی

تمام امواج الکترومغناطیسی در خلأ با تندی یکسانی حرکت می‌کنند، اما بسامد و طول موج آنها با یکدیگر متفاوت است. طبقه‌بندی امواج الکترومغناطیسی بر حسب بسامد (یا طول‌موج) طیف امواج الکترومغناطیسی را به دست می‌دهد.

گستره این طیف از بسامد کم امواج رادیویی تا امواج پربسامد گاما است. در این گستره به ترتیب کاهش بسامد موج‌های گاما، پرتوهای ایکس، فرابنفش، نور مرئی، فروسرخ، میکروموج و امواج رادیویی قرار دارد. این موج‌ها طیف پیوسته‌ای را تشکیل می‌دهند که هیچ گسستی بین‌شان نیست.

هریک از این امواج به شیوه‌ای خاص تولید و آشکار می‌شود و بسامد و طول‌موج‌های متفاوتی دارند، اما همگی با تندی نور در خلأ حرکت می‌کنند و ماهیت و قانون‌های حاکم بر آنها یکسان است.

نحوه تولید، کاربرد و آشکارسازی طیف امواج الکترومغناطیسی

در ادامه مباحث مرتبط با موج الکترومغناطیسی، به بررسی نحوه تولید، کاربرد و آشکارسازی انواع طیف موج‌های الکترومغناطیسی می‌پردازیم.

پرتوهای گاما

این پرتوها طول موجی در حدود دارند. بنابراین دارای بسامد بالا و انرژی بسیار زیادی هستند. قدرت نفوذ بالایی دارند و بسیار خطرناکند. با این وجود به خاطر قدرت نفوذ و انرژی بالا می‌توانند بافت‌های سرطانی را از بین ببرند.

همچنین برای پیدا کردن ترک در فلزات و ضدعفونی کردن تجهیزات و وسایل نیز از این امواج استفاده می‌کنند. چشمه این امواج هسته مواد رادیواکتیو و پرتوهای کیهانی است . این امواج را می‌توان توسط فیلم عکاسی و شمارش‌گر گایگر- مولر آشکارسازی کرد.

پرتو ایکس

طول موج این پرتوها  است. با فرکانس بالایی که دارند بسیار پرانرژی‌اند وقدرت نفوذ بالایی دارند. قدرت نفوذ و انرژی بالای این امواج سبب استفاده آنها در پرتونگاری، مطالعه ساختار بلورها، معالجه بیماری‌های پوستی و  پرتودرمانی است. چشمه تواید این پرتوها، لامپ پرتو ایکس است. این پرتوها می‌توانند توسط فیلم عکاسی و صفحه فلوئورسان آشکارسازی شوند.

فرابنفش

پرتوهای فرابنفش دارای طول موج  هستند. چشمه تولید این امواج خورشید، جسم‌های خیلی داغ، جرقه الکتریکی و لامپ‌های بخار جیوه‌اند. امواج فرابنفش توسط شیشه جذب می‌شوند و سبب بسیاری از واکنش‌های شیمایی می‌شود. قابلیت از بین بردن یاخته‌های زنده را نیز دارد. لامپ‌های UV در پزشکی نیز کاربرد دارند.

نور مرئی

نور مرئی که در دیدن اجسام نقش اساسی دارد از طیف امواج الکترومغناطیسی است که محدوده طول موج آن از 400 تا 700 نانومتر است. این امواج همچنین برای رشد گیاهان و عمل فتوسنتز نقش حیاتی دارد.

چشمه‌ نور مرئی خورشید و جسم‌های گرم و داغ است. از نورمرئی در سیستم‌های مخابراتی (لیزر و تارهای نوری) نیز استفاده می‌شود. چشم، فیلم عکاسی و فوتوسل از آشکارسازهای نور مرئی هستند.

فروسرخ

امواج فروسرخ همان است که جسم‌های گرم وداغ چون خورشید یا ذغال گسیل می‌کنند. طول موج‌شان در حدود  است. این امواج توسط پوست جذب و آن را گرم می‌کنند.

برای فیلم‌برداری و عکاسی در مه و تاریکی نیز از امواج فروسرخ استفاده می‌شود. همچنین عکاسی ‌IR توسط ماهواره‌ها هم با امواج فروسرخ صورت می‌گیرد. فیلم‌های مخصوص عکاسی برای آشکارسازی این امواج به کاربرده می‌شود.

امواج رادیویی

اجاق‌های مایکروویو، آنتن‌های رادیویی و تلویزیونی چشمه‌های تولید امواج رادیویی هستند. این امواج با طول موجی در حدود 3 متر در آشپزی، رادیو و تلویزیون، مخابرات ماهواره‌ای و در رادارها برای آشکارسازی هواپیما، موشک و کشتی استفاده می‌شود. همچنین به دلیل عبور آسان از جو زمین، در پیش‌بینی آب‌وهوا و نقشه‌برداری از سطح زمین کاربرد دارند.

جو محافظ زمین

خورشید منبعی از انرژی در سراسر طیف امواج الکترومغناطیسی است و تابش آن به‌طور مداوم جو زمین را بمباران می‌کند. اما جو زمین از ما در برابر امواج پرانرژی که ممکن است برای حیات زمین مضر باشند، محافظت می‌کند.

پرتوهای گاما، اشعه ایکس و برخی از امواج فرابنفش یونیزه‌کننده هستند. به این معنی که انرژی آن‌ها به قدری زیاد است که می‌تواند الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا کند. قرار گرفتن در معرض این امواج پرانرژی می‌تواند ساختار اتم‌ها و مولکول‌ها را تغییر داده و به سلول‌های زنده آسیب برساند.

در برخی موارد، این تغییرات می‌توانند مفید باشند، مانند زمانی که از تابش برای از بین بردن سلول‌های سرطانی استفاده می‌شود. اما در موارد دیگر، ممکن است مضر باشند، مانند آفتاب‌سوختگی ناشی از اشعه فرابنفش.

پنجره‌های جوّی

جو زمین بیشتر تابش‌های الکترومغناطیسی را جذب یا منعکس می‌کند. برخی از مهم‌ترین گازهایی که این تابش‌ها را جذب می‌کنند، شامل بخار آب، دی‌اکسید کربن و ازن هستند. برخی از امواج مانند نور مرئی می‌توانند به‌راحتی از جو عبور کنند.

به این مناطق طیف که امکان عبور امواج از جو وجود دارد، پنجره‌های جوّی گفته می‌شود. برخی از امواج مایکروویو حتی از میان ابرها نیز عبور می‌کنند، که باعث می‌شود آن‌ها بهترین گزینه برای ارسال سیگنال‌های ارتباطی ماهواره‌ای باشند.

اگرچه جو زمین برای حفظ حیات ضروری است، اما مانع از مشاهده مستقیم برخی منابع تابش‌های پرانرژی در فضا می‌شود. به همین دلیل، ابزارهای علمی باید در خارج از جو زمین قرار داده شوند تا بتوانند امواج پرانرژی (و حتی برخی از امواج کم‌انرژی مانند نور کهکشان‌های دوردست کوازارها) را مشاهده کنند.

سخن پایانی درباره موج الکترومغناطیسی

می‌بینید! امواج الکترومغناطیسی بخش جدایی‌ناپذیری از زندگی روزمره ما هستند. موج الکترومغناطیس کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف، از جمله پزشکی، ارتش، ناوبری و لوازم خانگی دارد. همچنین موج الکترومغناطیسی نقش مهمی در ارتباطات ایفا می‌کند و به‌طور چشمگیری به تسهیل زندگی ما کمک کرده است.