سرشت علم(۱۲): طیف الکترومغناطیسی

پنجشنبه, ۱ام شهریور, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی دوازدهم:

طیف الکترومغناطیسی[۱]‌  – قسمت نخست

چهار مُعادله ­یِ جیمز ماکسول تعریفِ کاملی از الکترومغناطیس را فراهم کرد و مَفهومِ موجِ الکترومغناطیسی[۲]‌ را معرفی‌ نمود. این کشفِ او پیامد‌هایِ علمیِ‌ ژرفی داشته است اما بهتر است که نخست به سرشتِ این موج‌ها بپردازیم.

اگر نگاهی‌ به ذره ­ای باردار[۳] (شارژ شده) بیندازیم، برای نمونه به یک الکترون، چه اتفاقی با پس ­وپیش رفتنِ این ذره بدلیلِ گردشِ گرمایی می‌افتد؟

  • هر ذره ­یِ شارژدار (باردار) بر ذراتِ دیگر نیرویی وارد می‌کند و سپس ذره ­یِ دوم‌ در جایی‌ دیگر باید که گیرنده­ ی آن نیرو باشد. ماکسول کشف کرده ­بود که اطلاعاتِ جنبشِ (حرکتِ) هر الکترون با سرعتی برابر با ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه (سرعتِ نور) در حرکت است[۴].
  • هر الکترونی‌ در پس ­و پیش شدنِ خود حاملِ جریانِ برق  بسیار کوچک و در تغییری­ست که همچنین می­بایست تولیدکننده ­ی میدان مغناطیسیِ‌ کوچکی باشد. اما همین میدان مغناطیسی‌ هم بنوبه­ ی خود می­بایست اِلقاکننده ­ی میدان الکتریکیِ کوچکی بشود. این میدان‌های گسیل ­شده امواجِ الکترومغناطیسی نامیده می‌‌شوند.

برای شناختی‌ بیشتر پیرامونِ سرشتِ نور ما نیاز به کندوکاو در مختصات[۵] یا شاخصه‌هایِ موج‌ها داریم.

  • موج‌ها راهکاری بسیار کارآ را برایِ تراگسیل یا انتقالِ انرژی بدونِ حرکتِ جرم[۶] فراهم می­کنند.
  • برایِ شناسایی و طبقه ­بندیِ موج‌ها چهار متغیر[۷] که به شکلِ ارتعاشیِ موج‌ها مربوط هستند موردِ استفاده قرار می­گیرند. طولِ­ موج  (λ) فاصله ­ی بین دو نقطه­ یِ اوجِ دو موجِ (موج ­اوج) ‌متوالی است. دامنه­ یِ موج فاصله ­یِ بینِ وسط و سرِ موج است. فرکانس (f) به تعدادِ موج ­اوج‌هایی‌ که در هر ثانیه در نقطه ­ای عبور یا نوسان می­کنند گفته می­شود. فرکانس و طول موج مشخص ­کننده­ ی یک میدان الکترومغناطیسی‌ هستند. در امواج الکترومغناطیسی‌ این دو مشخصه رابطه ­ای معکوس با هم دارند: هرچه فرکانس بالاتر باشد طول موج کوتاه­تر است و بر عکس. سرعتِ موج (v) هم سرعتِ موج ­اوج‌ها هستند.[۸] سه­ تایِ این متغیر‌ها با هم در ارتباط هستند به ترتیبی که فرکانس به نحوی مستقیم با سرعتِ موج و به نحوی معکوس با طولِ موج مرتبط است.

f=v/λ

این مفاهیم بسیار ساده در موردِ امواجِ الکترومغناطیسی‌ کارکرد دارند.

  • در گامِ نخست اینکه تنها محدودیتی که معادله‌هایِ ماکسول بر امواج وارد می­سازند این است که سرعت در فرمولِ بالا سرعتِ نور، یعنی‌ ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه، است. یعنی در فرمولِ بالا   v=c
  • طولِ موج‌های کوتاه­تر (فرکانس‌هایِ بالاتر) انرژیِ بیشتری را در هر موج حمل می­کنند.
  • بالاخره اینکه هیچ محدودیتی بر طولِ­ موج‌ها وارد نیست. تنها شکل نور شناخته­ شده در زمان ماکسول نور قابلِ­ رویت بود که طولِ ­موج‌هایی‌ بسیار باریک، از ۱۵ تا ۳۰ میلیونی ­امِ یک اینچ، دارند[۹].
  • چنین چیزی شباهت به نشستن در یک قایقِ پارویی بر دریا است که در آن تنها امواجی که حس می­شوند امواجی هستند که در حدود و نزدیکِ به طول قایق ­اند.
  • بهمین ترتیب هم، انسان­ها تنها متکی‌ به چشمانِ خود (تنها گیرندگانِ حسی بینایی خود) نمی­توانند طولِ­ موج‌هایِ گسیل ­شده­ی دیگرِ طیفِ الکترومغناطیسی‌ را در­یابند. کشف و کاربردِ این امواج در طولِ سال‌های ۱۸۸۰ تا ۱۹۳۰ نقطه ­یِ عطفی را در حوزه ­هایِ فنّ­آوری و علم بوجود آورد.

تنها راهِ دریافتِ ما از این امواجِ الکترومغناطیسی‌ در برخورد و در درهم­کنشِ امواج با موادِ دیگر هستند. درهم­کنش‌هایِ ماده – نور سه­گانه هستند.

  • انتقال[۱۰]: هنگامیکه امواجِ الکترومغناطیسی‌ از جسم یا ماده­ای عبور می­کنند گفته می­شود که امواج در تراگسیل یا انتقال­اند و آن جسم یا ماده در ارتباطِ با امواج، قابلِ­رویت (یا شفاف) می­شود.
  • جذب[۱۱]: امواجِ الکترومغناطیسی‌ شکلی‌ از انرژی هستند که می­توانند از طریقِ جذب به ماده تراگسیل یا انتقال داده شوند. اگر چنین پدیده­ای صورت پذیرد، نور به انرژیِ گرمایی تبدیل می­شود – برای نمونه به پدیده­ای که ما در روز‌هایِ گرمِ تابستانی بر سطوحِ سیاه­رنگ حس می‌کنیم.
  • انکسار و پراکندگی[۱۲]: امواجِ الکترومغناطیسی‌ در برخورد با هر سطحی به شیوه‌هایِ مختلف پراکنده می­شوند، گاهی‌ در انعکاس[۱۳]، برخی‌ موارد در پراکندگی و پخش­شدن[۱۴] و گاهی‌ در پراشی یا انکسار و شکستگی[۱۵].
  • اصلِ علمیِ‌ (از بین­نرفتگی یا) پایستگی یا حفظِ انرژی بدان معناست که انرژیِ الکترومغناطیسِ وارده به هر ماده ­ای می‌باید با کلِّ انرژیِ منتقل ­شده، جذب­ شده و منکسرشده ­یِ آن ماده برابر باشد.

طیفِ الکترومغناطیسی‌ پیوستار یا تداومی[۱۶] از همه­یِ طولِ­ موج‌های ممکن است. هیچگونه طبقه ­بندیِ طبیعی و مرزبندیِ خشک در محدوده‌هایِ مختلفِ نور وجود ندارد.

  • البته جهتِ بی­ دردسرتر کردنِ تعریفِ این طیف، علم اغلب طیفِ الکترومغناطیسی‌ را، برایِ شناسایی امواج و اینکه چگونه تولید شده ­اند یا چگونه ردیابی می­شوند و یا چگونه استفاده می­شوند، تقسیم ­بندی کرده است.
  • در حوزه‌هایِ علم طیفِ الکترومغناطیسی در بیشترِ موارد به امواجِ رادیویی، میکروموج­ها، فروسرخ یا مادونِ قرمز، نورِ قابلِ­ رویت، فرا یا ماورایِ بنفش، اشعه ­یِ ایکس و اشعه­ یِ گاما تقسیم ­بندی شده است.[۱۷]

امواجِ رادیویی[۱۸] نخستین امواجِ غیرِقابلِ ­رویتِ الکترومغناطیسی­ای‌ بودند که کشف شدند. فیزیکدانِ آلمانی، هاینریش رودلف هرتز[۱۹] (۱۸۵۷-۱۸۹۴) در آزمایشاتِ بی­شماری در اواخرِ دهه ­ی ۸ قرنِ ۱۹ این امواج را کشف کرد. بعد‌ها مهندسِ ایتالیایی گوگلیلمو مارکنی[۲۰] (۱۸۷۴-۱۹۳۷) توانست شیوه­ یِ تراگسیل یا انتقالِ امواجِ رادیویی را اختراع کند و عصرِ جدیِدِ ابزار‌هایِ ارتباطی‌ بوجود آمد.

  • امواجِ رادیویی شاملِ امواجِ گسیل ­شده­ی الکترومغناطیسی ­ای هستند که طولِ­ موج‌هایی‌ از یک فوت (۳۰ سانتیمتر) تا چندین کیلومتر دارند.
  • این امواج مانندِ بقیه­ یِ امواجِ الکترومغناطیسی هنگامی تولید می­شوند که ذراتِ باردار به پس ­وپیش در حرکت و در نوسان ­اند[۲۱].
  • امواجِ رادیویی از آن جهت که از جوّ یا آتمسفر و از بیشترِ موادِ ساختمانی عبور می­کنند برایِ ارتباطات ایده‌آل هستند.
  • اطلاعات اغلب به دو شیوه ­یِ مختلف از طریقِ امواجِ رادیویی پخش می­شوند[۲۲]. همه­ یِ پخش‌هایِ رادیویی با امواجِ فرستنده ­ای که فرکانسِ ثابتی دارند شروع می­شوند که ما اغلب رادیوهای خود را بر آن طولِ­ موج تنظیم می‌کنیم. در فرستاده‌ه ایِ با طولِ­ موج­های (AM) (ای ام) دامنه ­یِ موجِ فرستنده تغییر داده ­می­شود. در فرستاده‌هایِ رادیویی (FM) (اف ام) فرکانسِ موجِ فرستنده تغییر داده می­شود.[۲۳]
  • بدان جهت که امواجِ رادیویی را می­توان به مسیر‌هایِ مختلف و به مسافت‌هایِ طولانی فرستاد، سازمان‌هایِ ملی‌ و بین‌المللیِ بسیاری طولِ ­موج‌های رادیویی را تخصیص می­دهند.
  • منجم‌ها آنتن‌هایی بشقابی و بزرگ‌ را برای ردیابیِ‌ امواجی رادیویی که از اجسامِ فضایی گسیل می­شوند استفاده می­کنند.

——–

[۱]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۲]

electromagnetic wave

[۳]

charged particle

[۴]

Everitt, C.W.F. James Clerk Maxwell: Physicist and Natural Philosopher. New York: Scribners, 1976.

[۵]

characteristics

[۶]

without moving the mass

[۷]

crest-and-trough shape variables

[۸]

Wavelengths, amplitudes, frequency, and velocity

[۹]

Sobel, M.I. Light. Chicago, IL: University of Chicago Press, 1989.

[۱۰]

transmission

[۱۱]

absorption

[۱۲]

scattering

[۱۳]

reflection

[۱۴]

diffuse scattering

[۱۵]

diffraction

[۱۶]

continuum

[۱۷]

Radio waves, micro waves, visible light, ultraviolet, X ray, and Gamma ray

[۱۸]

Aitken, H.G.J. The Origins of Modern Radio. Princeton: University Press, 1976.

[۱۹]

Heinrich Rudolf Hertz

[۲۰]

Guglielmo Marconi

[۲۱]

oscillating

[۲۲]

البته بجز مدولاسیون دامنه (AM) و مدولاسیون فرکانس(FM) ، مدولاسیون فاز  (PM)هم هست که اغلب کمتر مورد استفاده بوده است. در دنیای دیجیتال (AM) به (ASK – Amplitude Shift Keying) تغییر کرده است. به همین گونه  (FM)به (FSK – Frequency Shift Keying) و (PM) به (PSK – Phase Shift Keying) تغییر کرده­اند.

[۲۳]

Amplitude Modulation, Frequency Modulation

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.