کتاب بهرام

مغناطیس (Magnetism) یکی از پدیده‌های فیزیکی است که در طبیعت به‌طور گسترده‌ای یافت می‌شود و به ویژگی‌های خاصی از مواد اشاره دارد که باعث ایجاد نیروهای جذب یا دفع در اجسام می‌شود. این پدیده در درجه اول به دلیل حرکت بارهای الکتریکی و ویژگی‌های خاصی از ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها به وجود می‌آید. در ادامه، توضیحات کامل‌تری در مورد مغناطیس آورده شده است.

تعریف مغناطیس

مغناطیس به ویژگی‌هایی اطلاق می‌شود که موجب جذب یا دفع مواد می‌شود. این ویژگی به‌طور عمده به دلیل حرکت ذرات بار دار مانند الکترون‌ها به‌وجود می‌آید. در واقع، همه ذرات بنیادی که بار الکتریکی دارند، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند.

انواع مغناطیس

نانومتر (Nanometer) یک واحد اندازه‌گیری بسیار کوچک است که در علم فیزیک، شیمی، و مهندسی به کار می‌رود. معادل یک نانومتر، یک میلیاردم متر است (1 نانومتر = 10^-9 متر). به عبارت دیگر، نانومتر یک واحد طول است که برای اندازه‌گیری چیزهایی استفاده می‌شود که ابعاد بسیار کوچکی دارند، نظیر مولکول‌ها، اتم‌ها و ساختارهای میکروسکوپی.

ابعاد نانومتر: برای تصور بهتر اندازه یک نانومتر، می‌توان به مثال‌هایی اشاره کرد:

• قطر یک موی انسان معمولاً حدود 80,000 تا 100,000 نانومتر است.
• یک مولکول آب تقریباً 0.3 نانومتر طول دارد.
• ابعاد اتم‌ها در حدود 0.1 نانومتر است.

کاربردهای نانومتر:

تابش گاما (Gamma radiation) نوعی تابش الکترومغناطیسی است که از هسته اتم‌ها منتشر می‌شود و دارای انرژی بسیار بالاتر از نور مرئی و اشعه ایکس است. این تابش به دلیل فرکانس بسیار بالا و طول موج بسیار کوتاه، قدرت نفوذ زیادی دارد و می‌تواند بسیاری از مواد را عبور کند. تابش گاما معمولاً پس از فرآیندهایی مانند واپاشی هسته‌ای یا برخورد ذرات با هسته‌ها منتشر می‌شود.

ویژگی‌ها و خصوصیات تابش گاما

1. انرژی بالا: تابش گاما به دلیل فرکانس بالا، دارای انرژی زیادی است. این انرژی می‌تواند به چندین میلیون الکترون‌ولت (MeV) برسد.
2. طول موج کوتاه: تابش گاما دارای طول موجی بسیار کوتاه (در مقیاس پیکومتر) است که آن را قادر می‌سازد تا از مواد مختلف عبور کند.

امواج مایکروویو، نوعی از امواج الکترومغناطیسی هستند که طول موج آن‌ها بین امواج رادیویی و امواج مادون قرمز قرار دارد. این امواج از نظر فنی در رده امواج میکرو قرار می‌گیرند و به طور معمول طول موج‌های آن‌ها بین 1 میلی‌متر و 30 سانتی‌متر است، که معادل فرکانس‌های بین 300 مگاهرتز و 300 گیگاهرتز می‌باشد.

ویژگی‌های امواج مایکروویو

1. طول موج و فرکانس: همانطور که گفته شد، امواج مایکروویو دارای طول موج‌های کوتاه‌تری نسبت به امواج رادیویی هستند. این ویژگی باعث می‌شود که این امواج توانایی نفوذ به مواد مختلف را داشته باشند و از آن‌ها برای کاربردهای مختلف استفاده شود.

2. انتقال انرژی: امواج مایکروویو قادرند انرژی را از طریق فضا منتقل کنند. این امواج، به دلیل طول موج کوتاه‌تر نسبت به امواج رادیویی، می‌توانند اطلاعات را با سرعت بالاتر انتقال دهند.

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