پاورپوینت امواج الكترومغناطیس
در سال 1199-1820 هانس کریستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم می‌تواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.
جیمز کلرک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه می‌شناسیم ، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده می‌شوند.
تاریخچه پیدایش الکترومغناطیس
مبدا علم الکتریسیته به مشاهده معروف تالس ملطی (Thales of Miletus) در 600 سال قبل از میلاد بر می‌گردد. در آن زمان تالس متوجه شد که یک تکه کهربای مالش داده شده خرده‌های کاغذ را می‌رباید. از طرف دیگر مبدأ علم مغناطیس به مشاهده این واقعیت برمی‌گردد که بعضی از سنگها (یعنی سنگهای ماگنتیت) بطور طبیعی آهن را جذب می‌کند. این دو علم تا سال 1199 - 1820 به موازات هم تکامل می‌یافتند.
در سال 1199-1820 هانس کریستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جریان الکتریکی در یک سیستم می‌تواند عقربه قطب نمای مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بدین ترتیب الکترومغناطیس به عنوان یک علم مطرح شد. این علم جدید توسط بسیاری از پژوهشگران که مهمترین آنان مایکل فاراده بود تکامل بیشتری یافت.
جیمز کلرک ماکسول قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که امروزه می‌شناسیم ، در آورد. این قوانین که معادلات ماکسول نامیده می‌شوند، همان نقشی را در الکترومغناطیس دارند که قوانین حرکت و گرانش در مکانیک دارا هستند.
معادلات الكترومغناطیس ماكسول
ماكسول تمام دانش تجربی آن روزگار را در مجموعه واحدی از معادلات ریاضی به طور بارزی خلاصه كرد و جهان علم را شدیداً تحت تاثیر قرار داد. چنانكه همگان به تحسین وی پرداختند. لودویك بولتزمن از قول گوته می نویسد كه آیا خدا بود كه این سطور را نوشت.
وی به شیوه ای صرفاً نظری نشان داد كه میدان مغناطیسی می تواند همانند موجی عرضی در اتر نور رسان انتشار یابد. پذیرش موجی نور به همان اندازه پذیرش یك زمینه ی فراگیر یعنی اتر نور رسان را ایجاب می كرد. ماكسول در این مورد می گوید.
اترها را ابداع كردند تا سیارات در آنها شناور باشند، جوهای الكتریكی و شارهای مغناطیسی را تشكیل دهند، احساس ها را از یك پاره ی پیكر ما به پاره ی دیگر منتقل كنند. ولی آخر، تا آنجا كه تمامی فضا سه یا چهار بار از اترها پر شده است... تنها اتری كه باقیمانده است، همان است كه توسط هویگنس برای توضیح انتشار نور ابداع شده است.
بنابراین سرعت ثابت امواج الكترمغناطیسی بایستی نسبت به یك دستگاه مقایسه می شد، و این دستگاه همان دستگاه اتر بود. یعنی اتر ساكن مطلق فرض می شد و تمام اجسام نسبت به آن در حركت بودند و سرعت امواج الكترومغناطیسی و در حالت خاص سرعت نور نسبت به اتر ثابت بود. این نظریه در حالی شكل گرفت كه نسبیت گالیله ای نیز معتبر و بی نقص تصور می شد. بنابراین اگر سرعت نور نسبت به یك دستگاه لخت c باشد و دستگاه با سرعت v نسبت به اتر در حركت باشد، در آنصورت سرعت نور نسبت به اتر w برابر خواهد شد با w = c+v چنانچه نور در جهت مخالف دستگاه حركت كند، آنگاه خواهیم داشت w = c-v نتیجه اینكه در اواخر قرن نوزدهم میلادی فیزیك نظری بر سه بنیاد زیر مبتنی بود.
بر این اساس ماكسول به فكر محاسبه سرعت حركت منظومه ی شمسی نسبت به اتر افتاد. وی در سال 1879 طی نامه ای كه برای تاد در آمریكا نوشت، طرحی را برای اندازه گیری سرعت حركت منظومه ی شمسی نسبت به اتر پیشنهاد كرد. یك آمریكایی به نام مایكلسون این طرح را دنبال كرد و برای انجام آزمایش تداخل سنجی نیز ساخت و در سال 1880 آزمایش كرد.
آزمایش مایلكسون بر اساس نسبیت گالیله شكل گرفت. در نسبیت گالیله ای همه ی اجسام نسبت به اتر كه ساكن فرض شده بود حركت می كردند. بنابراین اگر جسمی مثلاً زمین نسبت به اتر با سرعت V1 در حركت بود و جسم دیگری مثلاً یك راكت نسبت به زمین با سرعت V2 حركت می كرد، انگاه سرعت راكت نسبت به اتر از رابطه ی زیر به دست می آمد: V= V1+V2
سئوال مایكلسون این بود كه اگر دو شعاع نورانی یكی عمود بر جهت حركت زمین و دیگری همجهت با آن به دو آینه كه در فاصله مساوی از منبع نور قرار دارند بفرستیم، كدامیك زودتر بر می گردد؟ طبق محاسبات مایكلسون كه در ادامه خواهد آمد و با استفاده از نسبیت گالیله ای و مطلق بودن زمان و با توجه به جمع برداری سرعت ها، زمان رفت و برگشت دو شعاع نورانی قابل محاسبه و با توجه به آن می توان سرعت مطلق زمین را نسبت به اتر محاسبه كرد.
با توجه به شكل آزمایش مایكلسون، یك پرتو نوری (مایكلسون از نور خورسید استفاده كرد) به آینه میانی دستگاه برخورد می كند. آینه نیمه اندود است قسمتی از نور را عبور می دهد و بخشی از آن را با توجه به زاویه ای كه با نور ورودی تشكیل داده تحت زاویه 45 درجه منعكس می كند.
پرتو عبوری در رفت و بازگست بازوی تداخل سنج را طی می كند كه با توجه به اینكه در رفت و بازگشت به ترتیب سرعت های زیر خواهد داشت: c+v and c-v
كه در آن c , v به ترتیب سرعت نور نسبت به زمین و سرعت زمین نسبت به اتر است. بنابراین زمان رفت و برگشت پرتو موازی با حركت زمین برابر خواهد شد با
T1=(L/c+v)+(L/c-v)=2Lc/c2-v2
كه در آن L طول بازوی تداخل سنج است.
اما پرتوی كه عمود بر جهت حركت منعكس می شود، قبل از آنكه به منعكس كننده برسد، منعكس كننده قدری جابجا شده و كه در این حالت كقدار جابجایی آن با بازوی تداخل سنج و مسیر نور یك مثلث قائم الزاویه تشكیل می دهد. كه می توان نشان داد زمان رفت و برگشت تور در جهت عمود بر جهت حركت رمین برابر است با:
T2=2L/(c2-v2)1/2
با تقسیم طرفین روابط بالا بر یكدیگر و پس از ساده كردن خواهیم داشت: T2=T1/(1-v2/c2)1/2
در این رابطه سرعت نور مشخص است و زمانها با آزمایش قابل محاسبه هستند و تنها مجهول آن v یعنی سرعت زمین نسبت به اتر مجهول بود كه طبق پیش بینی مایكلسون بسادگی قابل محاسبه بود.
مایكلسون برای آنكه طول بازوی تداخل سنج هم موجب بروز اشكال نشود با چرخندان آن به اندازه 90 درجه تنها یك طول مورد استفاده قرار گرفت، با این وجود نتیجه ی آزمایش منفی بود. بارها و بارها این آزمایش و حتی با در سال 1987 به كمك مورلی تكرار شد، بازهم نتیجه منفی بود و دو زمان اندازه گیری شده با هم برابر بود. یعنی آزمایش نشان داد كه زمین نسبت به اتر ساكن است.
امواج الکترومغناطیسی
امواج الکترومغناطیسی یک رده از امواج است که دارای مشخصات زیر است:
امواج الکترومغناطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج باهم تفاوت دارند
در طیف امواج الکترومغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.
برای مقیاسهای بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده‌ای وجود ندارد.
از جمله منابع زمینی امواج الکترومغناطیسی می‌توان به امواج دستگاه رله تلفن ، چراغهای روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.
این امواج برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.
قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.
امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.
امواج الکترومغناطیسی از طولانی‌ترین موج رادیویی ، با طول موجهای معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می‌یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و اشعه کیهانی می‌شود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می‌شوند در شکل آمده است که این تقسیم بندی‌ها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاری‌اند.
یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی
طول موج λ بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر μm ، واحد آنگستروم A و واحد ایکس XU نشان داده می‌شود.
با بکار بردن متر به عنوان واحد طول ، طول موجهای نوری بایستی بنا به تناسب برحسب ، nm سنجیده شوند، ولی هنوز آنگستروم یک واحد رسمی بوده و به عنوان متداول ترین واحد در طیف نمایی بکار برده می‌شود.
واحد XU ابتدا به شکل مستقل طوری تعریف شده بود که رابطه آن با آنگستروم به صورت 1A = XU 1002.060بود. این واحد اکنون دقیقا معادل 10-10 یا m 10-13 تعریف شده است.
علی رغم طبقه بندی عمومی تابش با طول موج ، کمیت مهم از نظر ساختار اتمی و مولکولی فرکانس <ν = c/λvacΔE = hv به اختلاف انرژی ΔE بین دو حالت ساکن دستگاه مربوط است. در طول موجهای کوتاهتر مناسب‌تر آن است که به جای ν واحد متناسب با آن یعنی عدد موجی δ = 1/λvac = c/v جایگزین شود. مؤلفین مختلف واحدهای مختلفی را برای عدد موجی مانند ΄ν ، K و δ بکار می‌برند که همگی یکسان‌اند، در این بحث علامت δ انتخاب شده است، زیرا امکان اشتباه آن با خود ν و یا سایر ثابتها کم است.
واحد عدد موجی یک بر سانتیمتر است که گاهی کایزر (K) نامیده می‌شود. واحد کوچکتر آن میلی کایزر است که (mk) واحد مناسبی برای ساختار فوق ریز و کارهای مربوط به عرض خطی است. هر چند که متخصصین طیف نمایی فرکانس رادیویی برای این قبیل کمیتها واحد فرکانس یعنی MHz را بکار می‌برند (MHz 29.979=mk 1 ).
انرژی موج را بر حسب واحد الکترون ولت (ev) بیان می‌کنند که انرژیهای فوتونی خیلی بالا (مربوط به طول موجهای خیلی کوتاه) یک الکترون ولت معادل 1.6x10-19J است.
طیف نمایی و امواج الکترومغناطیسی
ناحیه مرئی یا نور مرئی (4000-7500 آنگستروم) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موجهای بلند ، فرابنفش از طرف طول موجهای کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمتهای فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدوده‌هایی به ترتیب در حدود 30 میکرومتر و 2000 آنگستروم تقسیم می‌شوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسیها می‌باشند.
تا این اواخر ناحیه مرئی متشکل از فروسرخ تا فرابنفش نور توسط گافهایی از نواحی رادیویی و اشعه ایکس سوا می‌شدن