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.
——–
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
electromagnetic wave
charged particle
Everitt, C.W.F. James Clerk Maxwell: Physicist and Natural Philosopher. New York: Scribners, 1976.
characteristics
without moving the mass
crest-and-trough shape variables
Wavelengths, amplitudes, frequency, and velocity
Sobel, M.I. Light. Chicago, IL: University of Chicago Press, 1989.
transmission
absorption
scattering
reflection
diffuse scattering
diffraction
continuum
Radio waves, micro waves, visible light, ultraviolet, X ray, and Gamma ray
Aitken, H.G.J. The Origins of Modern Radio. Princeton: University Press, 1976.
Heinrich Rudolf Hertz
Guglielmo Marconi
oscillating
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.
Amplitude Modulation, Frequency Modulation
————————————————————–
—————–
* 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.