کتاب بهرام

امواج مادون قرمز (IR) نوعی از امواج الکترومغناطیسی هستند که طول‌موج آن‌ها از طول‌موج نور مرئی بیشتر و از امواج رادیویی کوتاه‌تر است. این امواج معمولاً در طیف الکترومغناطیسی بین امواج رادیویی و نور مرئی قرار دارند و اغلب به عنوان گرما یا حرارت شناخته می‌شوند، زیرا بسیاری از منابع گرما، مانند اجسام گرم، این امواج را منتشر می‌کنند.

طول‌موج و فرکانس:

• طول‌موج: معمولاً بین 0.7 میکرومتر (برای امواج نزدیک به نور مرئی) تا 1000 میکرومتر (برای امواج دور) است.
• فرکانس: امواج مادون قرمز دارای فرکانسی در بازه 300 گیگاهرتز تا 430 ترابایت‌برثانیه هستند.
• تقسیم‌بندی طیف مادون قرمز: طیف مادون قرمز به‌طور معمول به سه بخش تقسیم می‌شود:
  1. مادون قرمز نزدیک (Near Infrared - NIR): حدود 0.7 تا 1.5 میکرومتر

نور مرئی (Visible Light) بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که چشم انسان قادر به مشاهده آن است. این نور شامل امواج الکترومغناطیسی با طول‌موج‌هایی است که در حدود 400 تا 700 نانومتر قرار دارند. نور مرئی در دنیای اطراف ما برای دیدن اشیاء و محیط استفاده می‌شود و در واقع، یکی از مهم‌ترین منابع اطلاعاتی برای انسان‌ها است.

طول‌موج و فرکانس نور مرئی

• طول‌موج نور مرئی: طول‌موج‌های نور مرئی از 400 نانومتر (بنفش) تا 700 نانومتر (قرمز) است. این طیف شامل رنگ‌های مختلفی است که چشم انسان قادر به تمایز آن‌ها است.
• فرکانس نور مرئی: فرکانس این نورها در بازه‌ای از 430 تریلیون هرتز (در رنگ قرمز) تا 770 تریلیون هرتز (در رنگ بنفش) قرار دارد.

رنگ‌های نور مرئی

نور مرئی به هفت رنگ اصلی تقسیم می‌شود که از طول‌موج‌های مختلف برخوردارند:

1. بنفش (Violet): حدود 380–450 نانومتر
2. آبی (Blue): حدود 450–495 نانومتر

موج الکترومغناطیسی یکی از مهم‌ترین مفاهیم فیزیکی است که در زمینه‌های مختلف علمی مانند فیزیک، مهندسی، ارتباطات و پزشکی کاربرد دارد. این نوع موج از ترکیب دو میدان الکتریکی و مغناطیسی متغیر و عمود بر هم تشکیل شده است. در این مطلب، به تشریح ویژگی‌ها، نحوه عملکرد، و کاربردهای امواج الکترومغناطیسی پرداخته می‌شود.

1. تعریف موج الکترومغناطیسی

موج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Wave) به نوعی از موج گفته می‌شود که از نوسانات همزمان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده و به‌طور عمودی بر یکدیگر و در جهت حرکت موج قرار دارند. این امواج قادرند در خلاء نیز حرکت کنند، به این معنی که برای انتشار آن‌ها نیازی به محیط مادی ندارند.

2. ویژگی‌های موج الکترومغناطیسی

موج‌های الکترومغناطیسی ویژگی‌های مختلفی دارند که آن‌ها را از سایر امواج (مثل امواج صوتی) متمایز می‌کند. این ویژگی‌ها شامل:

معادلات مکسول (Maxwell's Equations) چهار معادله اصلی در فیزیک هستند که قوانین پایه‌ای الکترومغناطیس را بیان می‌کنند. این معادلات که به نام جیمز کلرک مکسول (James Clerk Maxwell) نام‌گذاری شده‌اند، به‌طور کامل رفتار و تعاملات میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را توضیح می‌دهند و اساس بسیاری از فناوری‌های مدرن، از جمله ارتباطات رادیویی، لیزرها، و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی را تشکیل می‌دهند.

مقدمه

در قرن 19 میلادی، فیزیک‌دانان دریافتند که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به‌طور عمیقی به هم مرتبط‌اند. اما این ارتباط تا زمانی که مکسول معادلات خود را ارائه نداد، به‌طور کامل درک نشده بود. معادلات مکسول، هم‌چنین نشان می‌دهند که نور، که خود یک نوع موج الکترومغناطیسی است، چگونه از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل می‌شود.

این معادلات در ابتدا از تعدادی قانون تجربی جداگانه (قانون گاؤس برای الکتریسیته و مغناطیس، قانون فارادی، و قانون آمپر) استخراج شده‌اند و سپس مکسول آن‌ها را به صورت یک سیستم معادلات منسجم و متحد گردآوری کرد.

موج الکترومغناطیسی، طیف الکترومغناطیسی و انرژی الکترومغناطیسی مفاهیم مرتبط با یکدیگر در فیزیک هستند که هر یک ویژگی‌های خاص خود را دارند. در اینجا به بررسی تفاوت‌های این سه مفهوم خواهیم پرداخت:

1. موج الکترومغناطیسی

موج الکترومغناطیسی به نوسانات یا امواجی اطلاق می‌شود که در آن‌ها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به طور متناوب تغییر می‌کنند و به طور متعامد (عمود بر یکدیگر) حرکت می‌کنند. این نوع امواج در فضای آزاد حرکت کرده و انرژی را منتقل می‌کنند. موج‌های الکترومغناطیسی می‌توانند از هر دو نوع میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تشکیل شوند که به طور متناوب در فضا گسترش می‌یابند.

ویژگی‌ها:

• به طور معمول، سرعت انتشار این امواج در خلأ برابر با سرعت نور (۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) است.

موج یکی از مفاهیم پایه‌ای در فیزیک است که به نوعی حرکت انتقالی انرژی از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر در یک محیط یا فضای خاص اطلاق می‌شود. موج‌ها به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: موج‌های مکانیکی و موج‌های الکترومغناطیسی. در ادامه، به بررسی ویژگی‌ها و انواع مختلف موج‌ها پرداخته می‌شود.

تعریف موج

موج به حرکت ارتعاشی یا نوسانی ذرات در یک محیط اطلاق می‌شود که انرژی را از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر انتقال می‌دهد. در یک موج، ذرات محیط ممکن است در مکان خود نوسان کنند، اما انرژی موج از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌شود. بسته به نوع محیط و ویژگی‌های موج، ممکن است موج‌ها به صورت عرضی یا طولی حرکت کنند.

ویژگی‌های اصلی موج

موج رادیویی (Radio Wave) به نوعی از امواج الکترومغناطیسی گفته می‌شود که فرکانس‌های آن در طیف وسیعی از ۳ هرتز (Hz) تا ۳۰۰ گیگاهرتز (GHz) قرار دارد. این امواج به‌طور عمده در انتقال اطلاعات از طریق سیستم‌های بی‌سیم مانند رادیو، تلویزیون، وای‌فای، تلفن همراه، و ماهواره‌ها استفاده می‌شوند. امواج رادیویی به دلیل ویژگی‌هایی نظیر سرعت بالا در انتقال، قابلیت عبور از موانع، و ظرفیت ارسال اطلاعات به مسافت‌های طولانی، اهمیت زیادی در ارتباطات و فناوری‌های مدرن دارند.

ویژگی‌های موج رادیویی

1. فرکانس (Frequency): امواج رادیویی در محدوده فرکانسی بین ۳ هرتز تا ۳۰۰ گیگاهرتز قرار دارند. فرکانس‌های مختلف برای کاربردهای خاصی به‌کار می‌روند. به‌عنوان مثال:

   • فرکانس‌های پایین‌تر (مثلاً ۳ هرتز تا ۳۰ کیلوهرتز) معمولاً در ارتباطات طولانی‌برد مثل امواج رادیویی AM (Amplitude Modulation) به‌کار می‌روند.
   • فرکانس‌های بالاتر (مثلاً ۲.۴ گیگاهرتز و ۵ گیگاهرتز) در سیستم‌های بی‌سیم مثل وای‌فای و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند.

انرژی الکترومغناطیسی (Electromagnetic Energy) به انرژی نهفته در امواج الکترومغناطیسی اشاره دارد. این امواج شامل انواع مختلفی از انرژی‌ها هستند که در فضا منتشر می‌شوند و شامل طیف گسترده‌ای از فرکانس‌ها و طول‌موج‌ها می‌شوند، از امواج رادیویی با طول‌موج بلند گرفته تا اشعه گاما با طول‌موج بسیار کوتاه. در این مقاله، به بررسی مفاهیم بنیادی، ویژگی‌ها و کاربردهای انرژی الکترومغناطیسی می‌پردازیم.

1. تعریف انرژی الکترومغناطیسی

الکترومغناطیس به مطالعه نیروهای الکتریکی و مغناطیسی می‌پردازد. این نیروها می‌توانند به صورت امواج در فضا منتشر شوند و انرژی را منتقل کنند. این امواج از نوسانات میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده‌اند که در فضا حرکت می‌کنند. انرژی الکترومغناطیسی به انرژی منتقل شده از طریق این امواج اطلاق می‌شود.

مفهوم انرژی در امواج الکترومغناطیسی به ارتباط میان فرکانس و طول‌موج این امواج بستگی دارد. انرژی این امواج از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود:

=ℎ⋅E=h⋅f

در این فرمول:

• E انرژی امواج الکترومغناطیسی است.

الکترون یک ذره subatomic است که جزء اصلی و بنیادی اتم‌ها به شمار می‌آید. این ذره بار منفی (Negative charge) دارد و یکی از اجزای اصلی اتم‌ها به شمار می‌آید، که به همراه پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل‌دهنده ساختار اتمی هستند.

ویژگی‌های کلیدی الکترون:

1. بار الکتریکی (Electric charge):

   • الکترون دارای بار منفی است. مقدار بار الکترون معادل ۱.۶ × ۱۰⁻¹⁹ کولن (Coulomb) است.

2. جرم (Mass):

   • جرم الکترون بسیار کوچک است. جرم تقریبی الکترون برابر با 9.11 × 10⁻³¹ کیلوگرم است که تقریباً ۱۸۳۶ بار کمتر از جرم یک پروتون یا نوترون است.

ذرات subatomic یا ذرات زیراتمی، ذراتی هستند که کوچکتر از اتم‌ها بوده و اجزای سازنده اتم‌ها به شمار می‌آیند. این ذرات در داخل اتم وجود دارند و برای درک ساختار و ویژگی‌های ماده و نیروهای طبیعی، مطالعه و فهم آنها ضروری است.

انواع ذرات Subatomic

ذرات زیراتمی به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. پروتون‌ها (Protons)
2. نوترون‌ها (Neutrons)
3. الکترون‌ها (Electrons)

هرکدام از این ذرات ویژگی‌های خاص خود را دارند و نقش‌های متفاوتی در ساختار اتمی ایفا می‌کنند.

1. پروتون‌ها (Protons)

• بار الکتریکی: پروتون‌ها دارای بار مثبت هستند.
• جرم: جرم پروتون تقریباً 1836 برابر بیشتر از جرم یک الکترون است.
• نقش در اتم: پروتون‌ها به همراه نوترون‌ها در هسته اتم قرار دارند و بیشتر جرم اتم به دلیل وجود پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته است.