امواج الکترومغناطیسی چگونه تولید می ­شوند؟

امواج الکترمغناطیسی (Electromagnetic Waves) یا نور، همان نوسانات میدان های الکتریکی و مغناطیسی هستند که در فضا توزیع و منتشر می شوند.

به عبارت ساده تر، امواج الکترومغناطیسی وظیفه انتقال انرژی به شکل تابش الکترومغناطیسی را بر عهده دارند که در طیف های مختلف و با انرژی های مختلف وجود دارند.

امواج الکترومغناطیسی کاربردهای عملی زیادی دارند، از جمله تأمین نور و روشنایی، سیستم های ارتباطی، تصویربرداری پزشکی و تولید انرژی.

به عنوان مثال، امواج رادیویی برای پخش سیگنال های تلویزیونی و رادیویی استفاده می شود، در حالی که اشعه ایکس برای تصویربرداری پزشکی استفاده می شود.

در این مقاله به طور مفصل این امواج، منشأ تولید، انواع و کاربرد آنها را مورد بررسی قرار می دهیم. با ما همراه باشید.

منظور از میدان چیست؟

میدان، یک اصطلاح فیزیکی برای ناحیه ­ای است که با اعمال نیرویی می­ تواند بر ماده موجود در آن تأثیر بگذارد.

به عنوان مثال، خورشید یک میدان گرانشی ایجاد می­ کند که سیارات منظومه شمسی را جذب می­ کند و بنابراین در وضعیت قرارگیری آنها در مدارات خاص و در فواصل ویژه تأثیر می­ گذارد.

مشابه با میدان گرانشی، برای ذرات باردار نیز می­ توان میدان تعریف کرد. بارهای الکتریکی ساکن تنها تولید کننده­ میدان الکتریکی هستند، زیرا تنها نیرویی که به آنها وارد می­ شود، از نوع الکتریکی است.

در حالی که بارهای الکتریکی متحرک، هم میدان الکتریکی و هم میدان مغناطیسی تولید می­ کنند. این موضوع، یک نتیجه مهم از نظریه­ ماکسول است که بارهای شتاب­ دار، امواج الکترومغناطیسی تابش می ­کنند.

برخلاف امواج صوتی که باید با برخورد مولکول‌ ها به یکدیگر (مانند دومینو) از ماده عبور کنند، امواج EM نیازی به رسانه یا محیط واسط ندارند و در فضای خالی نیز حرکت می کنند.

امواج سینوسی یکی از اشکال امواج الکترومغناطیسی هستند. دقت داشته باشید که همه امواج EM سینوسی نیستند، اما همه امواج الکترومغناطیسی را می توان به عنوان یک برهم نهی خطی از امواج سینوسی که در جهات دلخواه حرکت می کنند مشاهده کرد (بسط فوریه).

تبدیل فوریه یک تکنیک ریاضی است که می تواند برای تبدیل یک تابع از یک متغیر واقعی به متغیر دیگر استفاده شود و ابزاری قدرتمند و منحصر به‌ فرد برای طیف‌ نگارها است.

زیرا انواع مطالعات طیف‌ سنجی با طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیسی سر و کار دارند و از این تبدیل، برای توصیف رفتار امواج نور و برهمکنش آنها با ماده استفاده می شود.

تبدیل فوریه یک موج الکترومغناطیسی تابع پیچیده ای است که دامنه و فاز موج را در هر جزء فرکانس توصیف می کند.

نحوه تولید امواج الکترومغناطیسی

ذره بارداری را در نظر بگیرید که با فرکانس خاصی در نوسان است (شتاب دارد). این ذره شتاب­دار، یک میدان الکتریکی نوسانی در فضا ایجاد می­ کند که سبب ایجاد یک میدان مغناطیسی نوسانی در همان محیط می­ شود.

این میدان مغناطیسی جدید نیز به نوبه خود، منبع میدان الکتریکی نوسانی است. بنابراین، به­ عبارتی می­ توان گفت که همزمان با انتشار موج در فضا، میدان‌ های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده، یکدیگر را با یک فرکانس بازسازی می‌ کنند.

قدرت بخش های الکتریکی و مغناطیسی موج به صورت زیر با یکدیگر مرتبط است:

E/B=c

رابطه بالا به این معنی است که میدان مغناطیسی B نسبت به میدان الکتریکی E بسیار ضعیف تر است.

یک موج EM صفحه ای سینوسی که در جهت x حرکت می کند به شکل زیر است، به طوری که E بردار میدان الکتریکی و B بردار میدان مغناطیسی موج EM است.

E(x,t) = Emax cos(kx - ωt + φ)

  B(x,t) = Bmax cos(kx - ωt + φ)

برای امواج الکترومغناطیسی، میدان های E و B همواره عمود بر یکدیگر و عمود بر جهت انتشار هستند که در شکل زیر، جهت انتشار  در جهت E x B است.

عملکرد کلی تابش الکترومغناطیسی

تغییر در برخی از خصوصیات میدان ­ها یا همان امواج الکترومغناطیسی، طیف گسترده ­ای از امواج را تولید می­ کند که محققان و تولید کنندگان در حوزه های مختلفی از آنها استفاده می کنند.

عملکرد امواج الکترومغناطیسی به گونه ای است که بدون نیاز به تماس مستقیم بین دو مکان، انرژی را از نقطه­ ای به نقطه دیگر منتقل می­ کنند.

در حالی‌ که ذرات محیط منتقل­ کننده­ موج در نقطه ثابتی ارتعاش دارند، انرژی تابشی (نور) از مکانی به مکان دیگر و با سرعتی در حدود 299792 کیلومتر در ثانیه (سرعت نور) در فضا منتشر می­ شود.

هر بخش از طیف امواج الکترومغناطیسی (از امواج رادیویی تا اشعه گاما) مقدار متفاوتی انرژی را حمل می ­کند. نور مرئی، تنها بخش کوچکی از این امواج است و هر رنگ آن نیز مربوط به طول موج متفاوتی است.

هنگامی که امواج الکترومغناطیسی از یک محیط عبور می کنند، سرعت امواج در محیط v = c/n است، که در آن n(λ) ضریب شکست محیط است. شاخص شکست n یکی از ویژگی های محیط است و به طول موج EM بستگی دارد.

وقتی یک موج EM از یک محیط با ضریب شکست n1 به محیط دیگری با ضریب شکست متفاوت n2 حرکت می کند، فرکانس آن ثابت می ماند، اما سرعت و طول موج آن تغییر می کند. برای هوا n تقریباً برابر با 1 (برای تمام طول موج ها) است.

کمترین و پر انرژی­ ترین بخش امواج الکترومغناطیسی

پرتوهای گاما پرانرژی­ ترین بخش امواج الکترومغناطیسی هستند و امواج رادیویی کمترین انرژی را دارا می باشند.

هر چه موج انرژی بیشتری حمل کند، باریک‌ تر است، یا به عبارت فنی تر، طول موج آن کوتاه‌ تر است. از این رو، پرتوهای ایکس طول موج‌ های کوتاه‌ تری نسبت به امواج نور مرئی دارند. نور مرئی نیز طول موج‌ کوتاه‌ تری نسبت به امواج رادیویی دارد.

ویژگی­ های کلیدی امواج الکترومغناطیسی

همانطور که پیش از این نیز ذکر شد، موج الکترومغناطیسی یک نوسان دوره ­ای یا متناوب از موج های الکتریکی و مغناطیسی است که در فضا منتشر می­ شود. در این بخش با مشخصات اصلی آنها آشنا می شویم.

به بالا ترین و پایین ترین نقطه موج چه می گویند؟

بالاترین نقطه موج را قله و پایین ­ترین نقطه موج را فرورفتگی یا دره می­ نامند.