امواج الکترومغناطیسی

هدف:

1) آشنایی با دسته دیگری از موج های موجود در اطراف به نام امواج الکترومغناطیسی
2) خواص مشترک بین امواج الکترومغناطیسی و امواج مکانیکی
3) خواص ویژه امواج الکترومغناطیسی

همه شما با امواج مکانیکی آشنایی دارید. این امواج را در مطلب "طبقه بندی امواج" مورد بررسی قرار دادیم. امواجی که در طول طناب منتشر می شوند، امواج صوتی، امواج روی سطح آب، موج های زلزله، امواج تشکیل شده در لوله های صوتی و .... همه از نوع امواج مکانیکی اند که به دو دسته طولی و عرضی یا ترکیب طولی و عرضی تقسیم می شوند که همگی به محیط مادی برای انتشار نیاز دارند وگرنه به زودی از بین می روند. آیا نوع دیگری از امواج وجود دارند که بتوانند در محیط خلا یا غیر مادی وجود داشته باشند؟ البته !

اگر راداری بر روی هواپیما بودید، می توانستید به خلبان در جهت یابی کمک کنید و اگر مانند جغد یا مار بودید، می توانستید در شب نیز به راحتی حرکات موجودات اطراف خود را حس کنید. اگر دوربینی که به اشعه ایکس حساس است، داشته باشید، می توانید درون بدن انسان و ساختمان های اطراف را به راحتی مشاهده کنید!!!

به نظر شما این توانایی از چه چیزی ناشی می شود؟ چه خاصیتی در این موارد وجود دارد؟

نوری که ما می توانیم دنیای اطراف خود را مشاهده کنیم، تنها یک قسمت کوچک از دسته بزرگی از امواج خاص الکتریکی و مغناطیسی است. در شکل بالا می بینید که به دلیل شکل خاص کروی قطرات باران، هنگام تابش نور خورشید به آن ها، نور آبی موجود در نور سفید خورشید، بیشتر از نور قرمز شکسته می شود و طیف نور زیبایی پدیدار می شود. این پدیده زیبا نمونه ای از امواج الکترومغناطیسی اطراف ماست. حال بیشتر با امواج الکترومغناطیسی و طیف آن آشنا می شویم.

تابش الکترومغناطیسی چیست؟

تابش الکترومغناطیس، شکلی از انرژی است که یا از نوسان الکتریکی و مغناطیسی تولید می شود و یا از حرکت ذرات باردار که درون ماده یا خلأ حرکت می کنند. میدان های الکتریکی و مغناطیسی با زاویه 90 درجه نسبت به هم در فضا منتشر شده و با هم ترکیب می شوند؛ در نتیجه جهت انتشار موج حاصل از نوسان این دو میدان، هم بر میدان الکتریکی عمود خواهد شد و هم بر میدان مغناطیسی.

نور و دیگر انواع انرژی تابشی (تشعشعی) را که از منبع تابش خاصی منتشر می شوند، طیف الکترومغناطیسی نام گذاری کرده اند.

چشم ما فقط قادر به دیدن محدوده کمی از طیف الکترومغناطیسی است، قسمتی از طیف الکترومغناطیسی که چشم ما قادر به دیدن آن است، نور مرئی نامیده می شود. برای راحتی، نور مرئی را با نام نور و بقیه انواع موج های موجود در طیف شکل بالا را امواج الکترومغناطیسی می نامیم.

تمام این امواج با سرعت نور (سیصد هزار کیلومتر در ساعت) منتشر می شوند؛ یعنی این امواج می توانند با چنین سرعتی در مدت یک دقیقه، چهارصد بار دور دنیا را طی کنند!

نور مرئی که برای چشم ما قابل دیدن است از محدوده نور قرمز (با کم ترین فرکانس و بلندترین طول موجی که چشم ما می تواند شناسایی کند) شروع شده و بعد از نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی به نور بنفش (با بیشترین فرکانس و کوتاه ترین طول موج) می رسد.

در تمام امواج الکترومغناطیسی، انرژی نامحدود با مقداری خاص در هر بار تشعشع در فضای اطراف منبع تشعشع با سرعت نور منتشر می شود. برای همین در طیف الکترومغناطیسی، انرژی بر حسب طول موج (یا فرکانس) طبقه بندی شده است.

خواص کلی تمام تابش های الکترومغناطیسی:

1) تابش الکترومغناطیسی می تواند از فضای خلأ هم عبور کند، پس نیازی به ماده برای انتشار ندارند (مثلا نور خورشید از فضای خلأ عبور می کند و به سطح زمین می رسد)؛ در حالی که بیشتر امواجی که تا به حال با آن ها آشنا شده اید، باید داخل ماده منتشر شوند( مانند امواج صوتی که به محیط مادی گاز، مایع و جامد نیاز دارند تا شنیده شوند!).

2) امواج الکترومغناطیسی از نوع عرضی هستند ولی خواص آن ها با موج های عرضی که قبلا با آن ها آشنا شده اید مانند موج ایجاد شده در طناب کاملا متفاوت است.

3) سرعت نور همیشه ثابت است (مقدار تقریبی آن 300 هزار کیلومتر در ساعت و مقدار دقیق آن 299 هزار کیلومتر در ساعت یا 2.99792458 x 10⁸ متر بر ثانیه است). امواح الکترومغناطیسی در خلأ می توانند با این سرعت منتشر شوند.

4) طول موج این امواج، یا بین دو قله یا دو دره محاسبه می شود.

5) امواج الکترومغناطیسی دارای اندازه حرکت هستند.

6) امواج الکترومغناطیسی می توانند قطبیده (پلاریزه) شوند زیرا از ارتعاش ذرات باردار الکتریکی تولید می شوند(با مفهوم قطبش بعدها آشنا خواهیم شد).

نکته:
علاوه بر امواج مکانیکی و الکترومغناطیسی، امواج دیگری هم هستند که در کتاب درسی به آن ها اشاره نشده است. امواجی مانند امواج دوبروی(یا امواج ماده)، موج های رایلی( سطحی ) و امواج الاستیک. البته امواج الاستیکی از دسته امواج مکانیکی هستند اما آن ها را در دسته جداگانه ای بررسی می کنند. امواج سطحی نیز می توانند هم مکانیکی باشند و هم الکترومغناطیسی!

حل چند سوال کلی راجع به انواع موج:

سوال 1:
یک موج عرضی، انرژی خود را از جهت شرق به غرب منتقل می کند. ذرات محیط..... .
الف) فقط در جهت شرق به غرب نوسان می کنند.
ب) هم به سمت غرب و هم به سمت شرق نوسان می کنند.
ج) فقط در جهت شمال به جنوب نوسان می کنند.
د) هم رو به شمال و هم رو به جنوب نوسان می کنند.

حل:
با توجه به اینکه همواره در موج عرضی، جهت حرکت موج(جهت انتقال انرژی) عمود بر مسیر نوسان تک تک ذرات تشکیل دهنده ی موج است، این ذرات هم رو به شمال و هم رو به جنوب نوسان خواهند کرد. بنابراین گزینه( د) صحیح است. اگر موج طولی داشتیم، باید می گفتیم در موج طولی، جهت نوسان ذرات همان جهت انتقال انرژی یا حرکت موج است. شکل های زیر را به دقت نگاه کنید و آن ها را به خاطر بسپارید. هر دو شکل نشان دهنده ی موج عرضی هستند.

به نوسان نقطه قرمز توجه کنید که با حرکت موج به سمت راست، نقطه قرمز به بالا و پایین نوسان می کند.

سوال 2:
موجی، انرژی را از سمت چپ به راست منتقل می کند، ذرات محیط نیز حرکت نوسانی رو به چپ و راست انجام می دهند. این موج چگونه موجی است؟

الف) مکانیکی
ب) الکترومغناطیسی
ج) عرضی
د) طولی

حل:

کاملا مشخص است که در موج طولی که از موج های مکانیکی است، جهت حرکت موج با جهت ارتعاش ذرات یکی است، پس گزینه (د) صحیح است. گزینه 1 را نمی توان پذیرفت زیرا موج مکانیکی به دو دسته طولی و عرضی تقسیم می شود. این موج نمی تواند الکترومغناطیسی نیز باشد زیرا جهت ارتعاش ذرات موجود در میدان های الکتریکی و مغناطیسی این امواج ، هر دو بر جهت حرکت موج عمود هستند. در موج عرضی نیز، جهت حرکت موج عمود بر جهت ارتعاش ذرات محیط است.

سوال3:
موج صوتی یک موج مکانیکی است نه یک موج الکترومغناطیسی. این جمله به چه معناست؟
الف) ذرات محیط با ورود موج صوتی به محیط، در جهت عمود بر جهت انتقال انرژی(یا عمود بر حرکت موج) نوسان می کنند.
ب) موج صوتی، انرژی خود را از درون خلأ عبور می دهد.
ج) ذرات محیط به طور مداوم و با تناوب خاصی حول وضعیت تعادلی خود نوسان می کنند.
د) برای انتقال انرژی، موج صوتی به یک محیط مادی نیاز دارد.

 حل:
گزینه (د) صحیح است.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: خدیجه آلچالانلو
تنظیم: مریم فروزان کیا