تحقیق مقاله الکترومغناطیس

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.

پیشگامان علم الکترومغناطیس

اگر چه تنفیق الکتریسیته و مغناطیس توسط ماکسول بیشتر مبتنی بر کار پیشینیانش بود. اما خود او نیز سهم عمده ای در آن داشت. ماکسول نتیجه گرفت که ماهیت نور ، الکترومغناطیسی است و سرعت آن را میتوان با اندازه گیریهای صرفا الکتریکی و مغناطیس تایین کرد. از اینرو اپتیک و الکترومغناطیس رابطه نزدیکی پیدا کردند. تکامل الکترومغناطیس کلاسیک به ماکسول ختم نشد.

فیزیکدان انگلیسی الیور هوی ساید (Oliver Heaviside) و بویژه فیزیکدان هلندی اچ . آ . لورنتس (H.A.Lorentz) در پالایش نظریه ماکسول مشارکت اساسی داشتند. هاینریش هرتز (Heinrich Hertz) بیست سال و اندی پس از آنکه ماکسول نظریه خود را مطرح کرد، گام موثری به جلو برداشت. وی امواج ماکسولی الکترومغناطیسی را ، از نوعی که اکنون امواج کوتاه رادیویی می‌نامیم، در آزمایشگاه تولید کرد. مارکونی و دیگران کاربرد عملی امواج الکترومغناطیسی ماکسول و هرتز را مورد استفاده قرار دادند.

تقسیم بندی کلی الکترومغناطیس

الکترومغناطیس کلاسیک: در حالت کلی الکترومغناطیس در ابعاد بزرگ و سرعتهای پایین را می‌توان الکترومغناطیس کلاسیک نامید. بدنه اصلی و منبای الکترومغناطیس کلاسیک همان معادلات ماکسول می‌باشد. و در الکترومغناطیس کلاسیک مباحثی مانند القای الکتریکی مدارات الکترونیکی ، و ساختار وسایل الکترونیکی از قبیل مقاومت و خازن و نحوه اتصال آنها در مدار و قوانین حاکم بر آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.

الکترومغناطیس کوانتومی: الکترومغناطیس ابعاد بسیار ریز و کوچک و سرعتهای بالا را میتوان الکترومغناطیس کوانتومی نامید. در اینجا مباحثی مانند تئوری میدانها ، الکترودینامیک کوانتومی ، نظریه ریسمان و موارد دیگر وجود دارد.

الکترومغناطیس امروزی

امروزه الکترومغناطیس از دو جهت مورد توجه است. یکی در سطح کاربردهای مهندسی ، که در آن معادلات ماکسول عموما در حل تعداد زیادی از مسایل علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دیگری در سطح مبانی نظری. در این سطح چندان تلاش مداومی برای گسترش دامنه آن وجود دارد که الکترومغناطیس حالت ویژه‌ای از یک نظریه عمومی‌تر جلوه می‌کند.

این نظریه عمومی‌تری از نظریه‌های ، مثلا گرانش و مکانیک کوانتومی را نیز در بر می‌گیرد. پرداختن به این نظریه کلی هنوز به نتیجه نهایی نرسیده است. یکی دیگر از کاربردهای الکترومغناطیس که امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است، الکترومغناطیس و ساخت جنگ افزارهای الکترومغناطیسی مانند بمب الکترومغناطیسی است.

گستره الکترومغناطیس

از آنجا که الکترومغناطیس یک علم بسیار وسیع و دامنه‌دار است و نیز با علوم دیگر مانند اپتیک ، کوانتوم و ... ارتباط بسیار نزدیک دارد. لذا تعیین مرز و محدوده برای الکترومغناطیس کار دشواری است. اما می‌توان گفت که بشر امروزی زندگی خود را مدیون الکترومغناطیس است. بعنوان یک مورد می‌توان به کارآفرینی الکترومغناطیس اشاره کرد.

به عبارت دیگر صنعتی شدن و استفاده از الکتریسیته ، شغلهایی برای مردمی که از آموزش و پرورش کمتری برخوردارند، ایجاد کرده است. ارتباطات الکتریکی ، حمل و نقل سریع با استفاده از قطارهای مغناطیسی ، انواع وسایل خانگی مانند تلویزیون ، رادیو و ... ، تأمین روشنایی با استفاده از جریان الکتریکی و صدها مورد دیگر را می‌توان به عنوان گستره علم الکترومغناطیس در زندگی بشر عنوان کرد.

دید کلی

در مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک تلاش ما بر این است که کوتاهترین وجمع و جورترین معادلات یا قوانین را که یک موضع را تا حد امکان به طور کامل تعریف می‌کنند معرفی کنیم. در مکانیک به قوانین حرکت نیوتن و قوانین وابسته به آنها ، مانند قانون گرانش نیوتن، و در ترمودینامیک به سه قانون اساسی ترمودینامیک رسیدیم. در مورد الکترومغناطیس ، معادلات ماکسول به عنوان مبنا تعریف می‌شود. به عبارت دیگر می‌توان گفت که معادلات ماکسول توصیف کاملی از الکترو‌مغناطیس به دست می‌دهد و علاوه برآن اپتیک را به صورت جزء مکمل الکترومغناطیس پایه گذاری می‌کند. به ویژه این معادلات به ما امکان خواهد داد تا ثابت کنیم که سرعت نور در فضای آزاد طبق رابطه (C=1/√μ0 ε0) به کمیتهای صرفا الکتریکی و مغناطیسی مربوط می‌شود.

یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول ، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه‌های ماورای زمین دریافت می‌کنیم و در واقع همه آگاهیهای که درباره جهان داریم از این طریق به ما می‌رسد. بدیهی است که فیزیک امواج الکترو مغناطیسی خارج از زمین در گسترده نور مرئی از آغاز خلقت بشر مشاهده شده‌اند.

تعریف فیزیک امواج الکترومغناطیسی

فیزیک امواج الکترو مغناطیسی یک رده از فیزیک امواج است که دارای مشخصات زیر است.

امواج الکترو مغتاطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج با هم تفاوت دارند

در طیف فیزیک امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.

برای مقیاس‌های بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.

از جمله منابع زمینی فیزیک امواج الکترومغناطیسی می‌توان به فیزیک امواج دستگاه رله تلفن ، چراغ‌های روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.

این فیزیک امواج برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.

قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.

فیزیک امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.

گستره فیزیک امواج الکترومغناطیسی

فیزیک 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 پرتوی 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 به کار 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 به کار برده می شود.

واحد XU ابتدا به شکل مستقل طوری تعریف شده بود که رابطه آن با آنگستروم به صورت 1A=XU 1002.060 بود. 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/λvacvac=c/v جایگزین شود. مولفین مختلف واحدهای مختلفی را برای عدد موجی مانند ΄ν ، K و δ به کار می‌برند که همگی یکسان‌اند، در این بحث علامت δ انتخاب شده است، زیرا امکان اشتباه آن با خود ν و یا سایر ثابت ها 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 به کار 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 فیزیک 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 قسمت های 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 می‌شدند که در آنها بر انگیزش و آشکارسازی تابش با طول موج‌های متناسب ممکن نبوده است. اختراع رادار در سال‌های جنگ ( 45- 1938 ) راه ورود به نواحی فیزیک امواج خیلی کوتاه رادیویی یا کهموج را باز کرد، در حالی که در همان زمان طیف شناسان فروسرخ دامنه فعالیت خود را تا به نواحی طول موج‌های بلندتر توسعه می‌دادند. این دو ناحیه هم اکنون ابعاد کوچکتر از میلیمتر روی هم می‌افتند.

گاف طول موج کوتاه ، به خاطر جالب بودنش برای متخصصین فیزیک پلاسما و اختر فیزیک به خوبی پر شده است. هم اکنون حدود طیف نمایی نوری به زیر 2 آنگستروم رسیده است در حالی که مرز پرتوهای ایکس نرم تا 50 آنگستروم می‌رسند. تشخیص بین پرتو نوری و پرتو ایکس ، در ناحیه پوشش فوق الذکر بر منشا خطوط طیفی مبتنی است.

طیف نمایی نوری با گذار‌های الکترونهای خارجی یا ظرفیتی و طیف نمایی اشعه ایکس با گذارهای الکترون‌های داخلی مربوط می‌کند. طیف‌های نوری ، طول موج‌های خیلی کوتاه از الکترون‌های خارجی عناصری با درجه یونش بسیار بالا به وجود می‌آیند.

کاربرد‌های فیزیک امواج الکترومغناطیسی

کاربردهای فیزیک امواج الکترومغناطیسی در مخابرات :

از این جمله می‌توان فیبر نوری ، دستگاه رله تلفن ، موجبرها ، ماهواره و... اشاره کرد.

کاربرد‌های فیزیک امواج الکترو‌مغناطیسی در نظامی :

مانند بمب الکترومغناطیسی ، انواع رادار ، ردیابهای موشک و...

کاربردهای فیزیک امواج الکترو مغناطیسی در پزشکی :

از قبیل عکسبرداری مغناطیسی ، رادیولوژی ، سونوگرافی با لیزر ، کاربرد اشعه ایکس و گاما در فیزیک پزشکی و...

کاربردهای فیزیک امواج الکترومغناطیسی در صنعت :

انواع برشکاری‌ های لیزری ، قطار الکترو‌مغناطیسی و صندلی مغناطیسی و...

کاربردهای فیزیک امواج الکترومغناطیسی در اخترشناسی : با مطاله طیف الکترومغناطیسی گسیل شده از جو می‌توان به ساختار اجرام آسمانی پی‌برد.

طیف الکترومغناطیسی (بیناب الکترو مغناطیس)

تابش الکترو مغناطیس در زندگی:

اشعه ایکس چی هست؟

مکانیزم عمل عکس برداری ها و رادیو لوژی چیست؟

با تابش ایکس و گاما و ...چگونه عکس می گیرند؟

چرا فقط عکس استخوانها می افتد؟

اموج رادیویی چیست و سرعت آن چقدر است؟

فرستنده و گیرنده رادیویی چگونه کار می کنند و یا ساخته می شوند؟

انتقال نور و تصویر در امواج تلویزیونی مشاهده و دریافت تصویر از آن چگونه صورت می گیرد؟

ماهواره ها چگونه کار می کنند؟

برای چه پشت بام آنتن گذاشته ایم ؟ و هزاران پدیده دیگر.......