امواج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Waves)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Waves) :
امواج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Waves) یکی از بنیادی ترین مفاهیم فیزیک هستند. این امواج از نوسان میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده اند. این دو میدان در فاز (هم فاز) با هم نوسان می کنند و هر دو بر جهت انتشار موج عمود هستند، بنابراین این امواج همگی عرضی هستند. بزرگ ترین تفاوت این امواج با امواج مکانیکی در این است که آنها برای انتشار به هیچ محیط مادی نیاز ندارند و می توانند در خلاء نیز با سرعت نور (حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه) حرکت کنند. منبع تولید این امواج، شتاب گرفتن ذرات باردار الکتریکی است. نظریه کامل این امواج توسط جیمز کلرک ماکسول در قرن نوزدهم فرمول بندی شد و بعدها توسط هاینریش هرتز به طور تجربی تأیید گردید.
معادلات ماکسول: پایه و اساس درک امواج الکترومغناطیسی، چهار معادله ماکسول هستند. این معادلات رابطه بین میدان های الکتریکی (
\[ \mathbf{E} \]) و مغناطیسی (
\[ \mathbf{B} \]) را با بارها و جریان های الکتریکی توصیف می کنند. در خلاء (بدون بار و جریان)، این معادلات به صورت زیر درمی آیند:
\[ \nabla \cdot \mathbf{E} = 0 \] \[ \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \] \[ \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \] \[ \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \]با ترکیب این معادلات، می توان معادله موج را برای میدان های الکتریکی و مغناطیسی به دست آورد:
\[ \nabla^2 \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} \] \[ \nabla^2 \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} \]که در آن
\[ \mu_0 \]تراوایی خلاء و
\[ \epsilon_0 \]گذردهی خلاء است. سرعت موج در خلاء برابر است با:
\[ c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}} \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s} \]ویژگی های امواج الکترومغناطیسی: 1. عرضی بودن: میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر جهت انتشار و عمود بر یکدیگر هستند. 2. سرعت نور: در خلاء با سرعت نور
\[ c \]منتشر می شوند. در محیط های مادی، سرعت کمتر است (
\[ v = c/n \]که
\[ n \]ضریب شکست است). 3. قطبیدگی: جهت میدان الکتریکی، قطبش موج را تعیین می کند. امواج الکترومغناطیسی می توانند قطبیده خطی، دایروی یا بیضوی باشند. 4. حامل انرژی و تکانه: امواج الکترومغناطیسی انرژی (با چگالی انرژی
\[ u = \frac{1}{2}\epsilon_0 E^2 + \frac{1}{2\mu_0}B^2 \]) و تکانه حمل می کنند. 5. طیف پیوسته: امواج الکترومغناطیسی طیف وسیعی از فرکانس ها و طول موج ها را پوشش می دهند که طیف الکترومغناطیسی نامیده می شود.
طیف الکترومغناطیسی: طیف الکترومغناطیسی به نواحی مختلف بر اساس فرکانس (یا طول موج) تقسیم می شود. از فرکانس پایین به بالا (یا طول موج بلند به کوتاه) عبارتند از: - امواج رادیویی (Radio waves) - ریزموج ها (Microwaves) - فروسرخ (Infrared) - نور مرئی (Visible light) - فرابنفش (Ultraviolet) - پرتو ایکس (X-rays) - پرتو گاما (Gamma rays) تمام این امواج ماهیت یکسانی دارند و فقط از نظر فرکانس و انرژی متفاوتند. مرزهای بین این نواحی تقریبی هستند و همپوشانی دارند.
تولید و آشکارسازی: امواج الکترومغناطیسی با شتاب دادن به ذرات باردار تولید می شوند. آنتن ها (برای امواج رادیویی و مایکروویو)، اجسام گرم (برای فروسرخ)، انتقال های الکترونی در اتم ها (برای نور مرئی و فرابنفش)، و واپاشی هسته ای یا شتاب دهنده های ذرات (برای پرتو ایکس و گاما) از منابع رایج هستند. آشکارسازی آنها نیز با استفاده از اثرات مختلف مانند اثر فوتوالکتریک، اثر فوتوشیمیایی، یا تغییرات دما (بولومتر) انجام می شود.
کاربردها: امواج الکترومغناطیسی کاربردهای بی شماری دارند. ارتباطات (رادیو، تلویزیون، تلفن همراه، وای فای)، پزشکی (تصویربرداری با اشعه ایکس، ام آرآی، لیزر)، صنعت (گرمایش القایی، جوشکاری لیزر)، علوم (طیف سنجی، تلسکوپ های رادیویی)، و زندگی روزمره (مایکروویو، کنترل از راه دور) همگی به نوعی بر اساس این امواج کار می کنند. درک عمیق امواج الکترومغناطیسی پایه و اساس فناوری مدرن است.
