تبلیغات
ایرج لندی - الکترومغناطیس
سرافراز باد میهن من

الکترومغناطیس

تاریخ:پنجشنبه 25 فروردین 1390-08:44 ق.ظ

الکترومغناطیس

(Electromagnetism 

 مقدمه:

همه ما با فیلم های سینمایی فراوان و داستان های علمی تخیلی زیادی آشنا هستیم که در آن ها به پرواز مغناطیسی اشاره شده است. این روش اساس حمل و نقل در بسیاری از داستان های علمی تخیلی را از گذشته های دور به تصویر می کشد. در این داستان ها با افرادی مواجه می شویم که سوار بر ماشین های کوچک و بزرگی که بر اساس مغناطیس کار می کنند در آسمان به راحتی به پرواز در می آیند.

همچنین همه ما کم و بیش با تله پاتی، مکاشفه و یا رویا آشنا هستیم و مطالب جالبی را در مورد آن ها مطالعه کرده و یا در تلویزیون به تماشا نشسته ایم. مثلث برمودا و خاصیت مغناطیسی شدید موجود در آن سال هاست که توجه همه اقشار جامعه را به خود جلب کرده است. علاوه بر حدث های تخیلی و فلسفی، مطالعات علمی زیادی نیز در این زمینه انجام گرفته و کتاب های زیادی نیز در همین رابطه نوشته شده اند. از جمله می توان به رمان جذاب و بسیار هیجان انگیز خاکستری نوشته استاد فیزیک دکتر گرجی اشاره کرد.

از سوی دیگر، نانو تکنولوژی نیز ما را احاطه کرده است. در سال 1966 فیلمی تخیلی با عنوان «سفر دریایی شگفت‌انگیز» اهالی سینما را به دیدن نمایشی جسورانه از كاربرد نانوتكنولوژی در پزشكی میهمان كرد. گروهی از پزشكان جسور و زیردریایی پیشرفته‌شان با شیوه‌ای اسرارآمیز به قدری كوچك شدند كه می‌توانستند در جریان خون بیمار سیر كنند و لخته خونی را در مغزش از بین ببرند كه زندگی او را تهدید می كرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، برای ساختن وسایل پیچیده حتی در مقیاس‌های كوچك‌تر گام‌های بلندی برداشته شده است. این امر باعث شده برخی افراد باور كنند كه می توان به کاربردهای الکترومغناطیس در نانوتکنولوژی پزشکی امیدوار بود.

برای درک بهتر و حتی صحبت در مورد هر یک از این پدیده ها نیاز است تا در مورد الکترومغناطیس به عنوان یکی از شاخه های بسیار مهم فیزیک مطالعه کنیم.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخچه پیدایش الکترومغناطیس

بهتر است که علم الکترومغناطیس را به دو قسمت مجزا تقسیم بندی کنیم، الکتریسیته و مغناطیس و سپس مبدا هر یک را جداگانه مورد بررسی قرار می دهیم.

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.

تا این که در سال 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.

 

تقسیم بندی کلی الکترومغناطیس

  الکترومغناطیس کلاسیک: در حالت کلی الکترومغناطیس در ابعاد بزرگ و سرعتهای پایین را می‌توان الکترومغناطیس کلاسیک نامید. 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

جیمز کلرک ماکسول  (1831-1879) قوانین الکترومغناطیس را به شکلی که ما 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 و لازم به یادآوری است که بدنه اصلی و مبنای الکترومغناطیس کلاسیک همان معادلات ماکسول می‌باشد.

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 عمومی‌ نظریه‌های دیگر مثل 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، ساخت جنگ افزارهای الکترومغناطیسی مانند بمب الکترومغناطیسی است.

اگر چه تلفیق 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 تعیین کرد. از اینرو اپتیک و الکترومغناطیس رابطه نزدیکی پیدا کردند. البته تکامل الکترومغناطیس کلاسیک به ماکسول ختم نشد و در اینجا بیان اندازه گیری سرعت نور به عنوان نوعی موج الکترومغناطیس خالی از فایده نیست.

 

اندازه گیری سرعت نور

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. در ادامه مارکونی دانشمند ایتالیایی و دیگران کاربرد عملی امواج الکترومغناطیسی ماکسول و هرتز را مورد استفاده قرار دادند.

 

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 آن، 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 ، شغل های بسیاری برای مردمی که از آموزش 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.

 

 

 

 

امواج الکترومغناطیسی 

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

    امواج الکترو مغناطیسی یک رده از امواج هستند که دارای مشخصات خاصی می باشند. امواج الکترو مغناطیسی جزو امواج عرضی بوده و برای انتشار خود نیاز به محیط مادی نداشته و دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس یا طول موج با هم تفاوت دارند. در طیف امواج الکترو مغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی می توان هر فرکانس دلخواهی را در آن تولید کرد. برای مقیاس‌های بسامد یا طول موج امواج الکترو مغناطیس، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده ای وجود ندارد.

اگرچه قسمت عمده امواج الکترومغناطیس دارای منبع فرازمینی هستند اما از جمله منابع زمینی امواج الکترومغناطیسی می‌توان به امواج دستگاه رله تلفن، چراغ‌های روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.

 

گستره امواج الکترومغناطیسی

 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.

 

کمیت های متداول در فیزیک امواج الکترومغناطیسی

طول موج، λ، به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر μm ، واحد آنگستروم A و واحد 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.

مولفین مختلف واحدهای مختلفی را برای عدد موجی مانند ΄ν ، K و δ به کار می‌برند که همگی یکسان‌اند. 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 الکترومغناطیس را بر حسب واحد الکترون ولت ( ev ) بیان می‌کنند که . یک الکترون ولت معادل 1.6x10-19J است و انرژی‌های فوتونی خیلی بالا ( مربوط به طول موج‌های خیلی کوتاه ) با واحد مگا الکترون ولت بیان می گردد.




داغ کن - کلوب دات کام
نظرات() 
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر