امواج الكترومغناطیس
تولید امواج الكترومغناطیس
بنا به گفته ماكسول اگر در ناحیهای از فضا میدان الكتریكی تغییر كند آن گاه میدان مغناطیسی در فضا به وجود می آید. ماكسول از این موضوع نكته دیگری را نتیجه گرفت:
اگر میدان مغناطیسی در حال تغییر بتواند میدان الكتریكی تولید كند، آن گاه میدان الكتریكی خودش نیز در حال تغییر خواهد بود. این تغییر در میدان الكتریكی مجدداً میدان مغناطیسی تولید میكند كه در حال تغییر است و در نتیجه میدان الكتریكی در حال تغییر جدیدی می تواند از آن حاصل شود و به همین نحو قضیه می تواند ادامه داشته باشد.
هنگامی كه ماكسول با معادلاتش كار می كرد، دریافت كه این فرآیند پی در پی در تغییر میدان های الكتریكی و مغناطیسی می تواند باعث ایجاد موجی از میدان های الكتریكی و مغناطیسی شود كه به راحتی در فضا قابل انتشار است. ما امروزه این موج را جزء امواج الكترومغناطیس می دانیم.
دو میله فلزی (كه ما به عنوان آنتن به كار میگیریم) را در نظر بگیرید. فرض كنید این دو میله را توسط كلیدی به دو قطب باتری وصل كنیم.
به محض بسته شدن كلید میله بالایی به سرعت مثبت می شود و میله ای پایینی منفی می گردد، براین اساس خطوط میدان الكتریكی در اطراف میله ها شكل می گیرد. هنگامی كه بارها به حركت درمی آیند، جریان الكتریكی حاصل می شود كه جهت آن به سمت بالا است.
بنابراین یك میدان مغناطیسی در اطراف آنتن
حاصل می گردد. خطوط میدان مغناطیسی دایره وار سیم را احاطه می كنند. در
تصویر فوق جهت خطوط میدان كه به سمت داخل صفحه است با علامت 
و خطوط میدانی كه از صفحه خارج میشوند با 
نشان داده شده اند.
به نظر شما میدان الكتریكی و مغناطیسی تا چه مسافتی گسترش یافته اند؟
بدیهی است اگر این حالت پایدار باشد آن گاه میدان الكتریكی و مغناطیسی تا بی نهایت دور امتداد خواهند داشت. در حقیقت وقتی كه كلید وصل می شود در نواحی نزدیك، میدانهای الكتریكی و مغناطیسی به سرعت ظاهر می شوند.
اما مدّتی طول می كشد كه میدان ها به نواحی دور برسند. هر دو میدان الكتریكی و مغناطیسی حامل انرژی هستند و امكان ندارد این انرژی با سرعت بی نهایت انتقال یابد.
حال شرایطی را در نظر بگیرید كه آنتن به منبع ولتاژ
متناوب (AC) وصل شود. فرض كنید همانند گذشته طرف بالای مولد مثبت و طرف
پایین آن منفی باشد. خطوط میدان با رنگ قرمز نشان داده شده اند و جهت
جریان نیز در شكل آمدهاست. همچنین جهت میدان مغناطیسی كه حول آنتن به صورت
دایروی بهوجود آمده با علامت نشان داده شده است.
در لحظاتی دیگر جهت اختلاف پتانسیل مولد (AC) تغییر می كند. براین اساس جهت جریان عكس شده و خطوط میدان مغناطیسی جدیدی در خلاف جهت گذشته شكل می گیرند.
ازآنجاكه خطوط میدان جدید جهتشان عكس شده است، بنابراین خطوط قدیمی طوری خم می شوند كه خطوط جدید و قدیم مسیرهای بسته ای را تشكیل دهند. در هر حال، خطوط قدیمی از بین نمی روند. آن ها به حركتشان به دور دست ادامه می دهند.
ازآنجاكه میدان مغناطیسی در حال تغییر میدان الكتریكی را به وجود می آورد و میدان الكتریكی در حال تغییر میدان مغناطیسی را حاصل می كند، در نتیجه تركیب این میدان های در حال تغییر مغناطیسی و الكتریكی پیشرونده، خودش را تأمین می كند و دیگر به میله آنتن اوّلیه وابستگی نخواهند داشت.
برای مشاهده فیلم روی شکل زیر کلیک کنید.
میدان های كه از آنتن خیلی دور نیستند (و به عنوان میدان های نزدیك شناخته می شوند) شكل بسیار پیچیدهای دارند ولی ما علاقه زیادی به آن ها نداریم. بلكه توجّه عمده ما به سمت میدان هایی دور از آنتن است.
این میدان ها توسط گیرنده می توانند دریافت شوند و به آن ها میدان تابشی می گویند. در این شرایط میدان های الكتریكی به شكل حلقه درآمده و به سمت بیرون منتشر می شوند. اگرچه میدان های مغناطیسی هم به شكل حلقه هستند اما در شكل نشان داده نشده اند زیرا بر صفحه عمودند.
امواج الکترو مغناطیسی
مبدا علم الكتريسيته به مشاهده معروف تالس ملطي در 600 سال قبل از ميلاد بر ميگردد. در آن زمان تالس متوجه شد كه يك تكه كهرباي مالش داده شده خرده هاي كاغذ را ميربايد. از طرف ديگر مبدا علم مغناطيس به مشاهده اين واقعيت برميگردد كه بعضي از سنگها (يعني سنگهاي ماگنتيت) بطور طبيعي آهن را جذب ميكند. اين دو علم تا سال 1199-1820 به موازات هم تكامل مييافتند.
در سال 1199-1820 هانس كريستان اورستد (1777-1851) مشاهده كرد كه جريان
الكتريكي در يك سيستم ميتواند عقربه قطب نماي مغناطيسي را تحت تاثير قرار
دهد. بدين ترتيب الكترومغناطيس به عنوان يك علم مطرح شد. اين علم جديد توسط
بسياري از پژوهشگران كه مهمترين آنان مايكل فاراده بود تكامل بيشتري يافت.
جيمز كلارك ماكسول قوانين الكترومغناطيس را به شكلي كه امروزه ميشناسيم، در
آورد. اين قوانين كه معادلات ماكسول ناميده ميشوند، همان نقشي را در
الكترومغناطيس دارند كه قوانين حركت و گرانش در مكانيك دارا هستند
در مكانيك كلاسيك و ترموديناميك تلاش ما بر اين است كه كوتاهترين وجمع و
جورترين معادلات يا قوانين را كه يك موضع را تا حد امكان به طور كامل تعريف
ميكنند معرفي كنيم. در مكانيك به قوانين حركت نيوتن و قوانين وابسته به
آنها ، مانند قانون گرانش نيوتن، و در ترموديناميك به سه قانون اساسي
ترموديناميك رسيديم. در مورد الكترومغناطيس ، معادلات ماكسول به عنوان مبنا
تعريف ميشود. به عبارت ديگر ميتوان گفت كه معادلات ماكسول توصيف كاملي
از الكترومغناطيس به دست ميدهد و علاوه برآن اپتيك را به صورت جزء مكمل
الكترومغناطيس پايه گذاري ميكند. به ويژه اين معادلات به ما امكان خواهد
داد تا ثابت كنيم كه سرعت نور در فضاي آزاد طبق رابطه :
به كميتهاي صرفا الكتريكي و مغناطيسي مربوط ميشود .
يكي از نتايج بسيار مهم معادلات ماكسول ، مفهوم طيف الكترومغناطيسي است كه
حاصل كشف تجربي موج راديويي است. قسمت عمده فيزيك امواج الكترومغناطيسي را
از چشمههاي ماوراي زمين دريافت ميكنيم و در واقع همه آگاهي هايي كه
درباره جهان داريم از اين طريق به ما ميرسد. بديهي است كه فيزيك امواج
الكترو مغناطيسي خارج از زمين در گسترده نور مرئي از آغاز خلقت بشر مشاهده
شدهاند.
فيزيك امواج الكترو مغناطيسي يك رده از فيزيك امواج است كه داراي مشخصات زير است.
امواج الكترو مغتاطيسي داراي ماهيت و سرعت يكسان هستند و فقط از لحاظ فركانس ، يا طول موج با هم تفاوت دارند .
در طيف فيزيك امواج الكترو مغناطيس هيچ شكافي وجود ندارد. يعني هر فركانس دلخواه را ميتوانيم توليد كنيم.
براي مقياسهاي بسامد يا طول موج ، هيچ حد بالا يا پائين تعيين شده اي وجود ندارد.
قسمت عمده اين فيزيك امواج داراي منبع فرازميني هستند.
فيزيك امواج الكترومغناطيسي جزو امواج عرضي هستند.
فيزيك امواج الكترومغناطيسي از طولانيترين موج راديويي ، با طول موجهاي
معادل چندين كيلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج راديويي متوسط و كوتاه تا
نواحي كهموج ، فروسرخ و مرئي امتداد مييابد. بعد از ناحيه مرئي فرابنفش
قرار دارد كه خود منتهي به نواحي اشعه ايكس ، اشعه گاما و پرتوي كيهاني
ميشود. نموداري از اين طيف كه در آن نواحي قراردادي طيفي نشان داده
ميشوند در شكل آمده است كه اين تقسيم بنديها جز براي ناحيه دقيقا تعريف
شده مرئي لزوما اختيارياند.
يكاهاي معروف فيزيك امواج الكترومغناطيسي
طول موج لاندا بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنين ميكرون يا
ميكرومتر ، واحد آنگستروم نشان داده ميشود. اين واحد اكنون دقيقا معادل
10- ^ 10 متر تعريف شده است.
ناحيه مرئي يا نور مرئي ( 4000-7500 آنگستروم ) توسط نواحي فروسرخ از طرف
طول موجهاي بلند ، فرابنفش از طرف طول موجهاي كوتاه ، محصور شده است.
معمولا اين نواحي به قسمت هاي فروسرخ و فرابنفش دور و نزديك ، با
محدودههايي به ترتيب در حدود 30 ميكرومتر و 2000 آنگستروم تقسيم ميشوند
كه نواحي مزبور داراي شفافيت نوري براي موادي شفاف از جمله منشورها و
عدسيها ميباشند .