الکترومغناطیس و مفاهیم اولیه آن

الکترومغناطیس و مفاهیم اولیه آن

شاید مقوله‌ی امواج الکترومغناطیسی یکی از مورد توجه‌ترین سوژه‌های علم فیزیک باشد؛ موضوعی که توانسته تا به این حد روی روند و کیفیت زندگی ما تاثیر بگذارد. اگر بخواهیم لقب عصر فضا را به سال‌های دهه‌ی ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی نسبت دهیم و با خواندن اخبار و مقالات مختلف از آن دوران به وجد بیاییم، در آن صورت از عصر حاضر نیز بدون تردید با عنوان عصر ارتباطات و فناوری اطلاعات یاد خواهیم کرد.

پیش از این در هیچ دوره‌ای از تاریخ بشر، درسترسی به اطلاعات و امکان ایجاد ارتباط تا به این حد آسان نبوده است. بخش قابل توجهی از زیرساخت‌های ارتباطی کنونی در دنیای امروز ما به‌واسطه‌ی پیشرفت‌های به‌دست‌آمده در حوزه‌ی مخابرات و فناوری اطلاعات بوده که مبتنی برعلم فیزیک حاصل می شود.

از طرفی نیز احتمالا همه‌مان روی این موضوع اتفاق نظر داریم که امواج الکترومغناطیسی پایه‌های اصلی را در کارکردهای این زیرساخت‌های ارتباطی تشکیل داده‌اند. کافی ‌است تا لحظه‌ای درنگ کنیم و به ماهواره‌ها، دکل‌های مخابراتی، دستگاه‌های تلفن همراه، شبکه‌های داده، شبکه‌های رادیویی و تلویزیونی و بسیاری دیگر از شالوده‌های اصلی دنیای ارتباطات در ذهنمان نگاهی گذرا بیندازیم و همگی روی این موضوع همنظر شویم که امواج الکترومغناطیسی از موردتوجه‌ترین سوژه‌های دنیای علم بوده‌اند.

 در مورد ماهیت این امواج و نحوه‌ی کار آنها و همینطور برخی کاربردها و حتی برخی مضرات احتمالی آنها بسیار گفته و نوشته شده است. از بالاترین سطوح در کتب دانشگاهی تا مطالب متداول برخی رسانه‌ها یا کاتالوگ‌های تبلیغاتی در حوزه‌های گوناگون گاهی به امواج الکترومغناطیسی پرداخته‌اند. اما چنین توجهی روی امواج الکترومغناطیسی لزوما همراه با ارائه‌ی واقعیت‌های مستدل علمی به مخاطبان آن نوشته‌ها همراه نیست.

در واقع یک ذهنیت دوگانه یا حتی منفی در برخی از افراد جامعه به‌نادرستی شکل گرفته است.

چندی پیش ما در زومیت به بررسی ماهیت کلی تابش امواج و همینطور ذره‌های ساطع‌شده در اثر برخی فعل‌وانفعالات شیمیایی پرداختیم. در بخشی از آن گزارش نیز به‌طور خاص به امواج الکترومغناطیسی اشاره شده بود.

تابش‌های الکترومغناطیسی شکلی از انرژی هستند که به فراوانی در اطراف ما وجود داشته و شامل شکل‌های زیادی از جمله امواج رادیویی، امواج مایکروویو، پرتوهای ایکس و پرتوهای گاما می‌شوند. حتی نور خورشید هم شکلی از انرژی الکترومغناطیسی است؛ اما باید توجه کنیم که نور مرئی تنها بخش اندکی از مجموعه‌ی وسیع انرژی الکترومغناطیسی را در بر می‌گیرد. طیف الکترومغناطیس دارای گستره‌ی وسیعی از طول موج‌های مختلف است.

تئوری الکترومغناطیس

در زمان‌های گذشته باور دانشمندان بر این بود که الکتریسیته و مغناطیس دو نوع نیروی کاملا متمایز از هم هستند. اما در سال ۱۸۷۳، یک دانشمند اسکاتلندی به‌نام جیمز کلارک ماکسول که امروزه او را به‌عنوان یکی از تاثیرگذارترین دانشمندان تاریخ (و به زعم برخی، یکی از سه دانشمند بزرگ تاریخ در کنار آلبرت اینیشتین و آیزاک نیوتون) می‌شناسیم، تئوری یکپارچه‌ای از دو حوزه‌ی برق و مغناطیس را با نام تئوری الکترومغناطیس ارائه داد. اگر بخواهیم نگاه کلی به این تئوری داشته باشیم می‌توانیم برهم‌کنش‌های اصلی الکترومغناطیسی را به این صورت بیان کنیم:

۱. نیروی کششی و رانشی میان بارهای الکتریکی دارای نسبت عکس با مربع فاصله‌ی میان آنهاست.

۲. قطب‌های مغناطیسی در قالب جفت‌هایی هستند که همدیگر را جذب و دفع می‌کنند؛ مشابه همان حالتی که در قطب‌های الکتریکی نیز وجود دارد.

۳. وجود جریان الکتریکی در یک سیم باعث ایجاد میدانی مغناطیسی در اطراف آن می‌شود و  جهت آن میدان مغناطیسی هم به جهت جریان الکتریکی سیم بستگی دارد.

۴. یک بار الکتریکی در حال حرکت می‌تواند باعث تولید میدان مغناطیسی شود و برعکس.

ماکسول علاوه بر این چهار اصل، رابطه‌های ریاضی را نیز برای محاسبه‌ی این موارد توسعه داده بود که امروزه آنها را با ناممعادلات ماکسول می‌شناسند. در این مقاله از پرداختن به روابط و تشریح آنها صرف نظر می‌کنیم. شما در صورت علاقه به الکترومغناطیس و مطالعه‌ی جزئی‌تر در مورد آن می‌توانید به کتب تخصصی فیزیک همچون کتاب مبانی فیزیک هالیدیبخش الکترومغناطیس آن مراجعه کنید.

 امواج و میدان

تابش الکترومغناطیسی زمانی ساخته می‌شود که یک ذره‌ی اتمی همانند الکترون، توسط یک میدان الکتریکی شتابی گرفته باشد و به عبارتی این میدان الکتریکی باعث حرکت الکترون شود. وقوع چنین حرکتی باعث ایجاد میدان‌های الکتریکی و میدان‌های مغناطیسی جنبنده (نوسان‌کننده) می‌شود. این میدان‌ها در نسبت زاویه‌ای ۹۰ درجه نسبت به همدیگر و در یک بسته‌ی حامل انرژی موسوم به فوتون حرکت می‌کنند.

فوتون‌ها یا بسته‌های انرژی ترکیب‌شده از دو میدان متحرک، می‌توانند در قالب موج‌هایی با هارمونی مشخص و در سریع‌ترین سرعت ممکن در جهان هستی، یعنی سرعتی برابر ۲۹۹،۷۹۲،۴۵۸ متربرثانیه در خلا حرکت کنند. این سرعت در واقع همان سرعت نور است که ما به‌طور متداول مقدار تقریبی ۳۰۰ هزار کیلومتربرثانیه را به آن نسبت می‌دهیم.

امواج الکترومغناطیسی دارای خاصیت‌هایی نیز هستند که برای تعیین نوع و دامنه‌ی آنها در یک طیف به کار می‌رود. فرکانس (بسامد)، طول موج و میزان انرژی، ۳ خاصیت اساسی امواج الکترومغناطیسی در دنیای فیزیک محسوب می‌شوند و دانشمندان و مهندسان از این داده‌ها برای انجام محاسباتشان بهره می‌برند. کارآیی و همچنین برآورد مضر بودن یا نبودن یک موج الکترومغناطیسی را می‌توانیم از طریق بررسی این خاصیت‌ها به‌طور علمی و مستدل تعیین کنیم.

طول موج به فاصله‌ی میان دو قله‌ی متوالی در یک موج گفته می‌شود و واحد اصلی آن نیز بر حسب متر است. فرکانس یا بسامد هم به شمار موج‌هایی اطلاق می‌شود که در یک بازه‌ی زمانی مشخص تشکیل شده‌اند. معمولا فرکانس را برحسب تعداد چرخه‌های (سیکل) موج ایجاد شده در ثانیه یا همان هرتز (Hz) می‌سنجند. کوتاه‌تر بودن طول موج به معنی بیشتر بودن فرکانس خواهد بود؛ زیرا وقتی طول موج کوتاه‌تر شود، ما در یک بازه‌ی زمانی مشخص و یکسان، به علت کوتاه‌تر شدن زمان عبور یک چرخه‌ی موجی، شاهد تشکیل شمار بیشتری از چرخه‌های موج خواهیم بود.

به‌طور مشابه نیز می‌توانیم چنین استدلال کنیم که طول موج‌های بلندتر دارای فرکانس‌های پایین‌تری هستند؛ زیرا زمان مورد نیاز برای عبور کامل یک چرخه، افزایش می‌یابد.

برای خواندن نکات بیشتر و مفصل‌تر در مورد مقوله‌ی تابش و پرتوزایی و همینطور تاریخچه‌ی این پدیده می‌توانید به سه‌مقاله‌ی اصلی اشاره‌شده در ابتدای این گزارش مراجعه کنید. در ادامه‌ نگاهی کلی به طیف الکترومغناطیسی خواهیم داشت و یک بررسی اجمالی برپایه‌ی همان سه پارامتر اساسی امواج الکترومغناطیسی (طول موج، فرکانس و انرژی) ارائه خواهیم داد.

امواج رادیویی

امواج رادیویی در طیف الکترومغناطیسی پایین‌تر از نور خورشید قرار می‌گیرند و فرکانس آنها تا ۳۰ میلیارد هرتز (۳۰ گیگاهرتز) می‌رسد. طول موج‌های این امواج هم بیشتر از ۱۰ میلی‌متر هستند. امواج رادیویی در وهله‌ی نخست برای ارتباطاتی شامل ارتباطات صوتی، داده‌ها و همینطور رسانه‌ها استفاده می‌شوند.

مایکروویو

این دسته از امواج در طیف الکترومغناطیس در محدوده‌ی میان امواج رادیویی و فروسرخ جای گرفته‌اند. فرکانس آنها از ۳۰ گیگاهرتز تا ۳۰ تریلیون هرتز (۳۰ ترا هرتز) و طول موج آنها نیز از مقدار ۱۰ میلی‌متر تا مقادیر پایین‌تر ۱۰۰ میکرومتر می‌رسد. امواج مایکروویو برای ایجاد ارتباطات با پهنای باند بالا و رادارها به کار می‌روند. این امواج در اجاق‌های مخصوص مایکروویو و برخی کاربردهای دنیای صنعت نیز به‌عنوان منبع گرما استفاده می‌شوند.

فروسرخ

فروسرخ در محدوده‌ی میان مایکروویو و نور مرئی قرار دارد. فرکانس امواج فروسرخ از ۳۰ تراهرتز تا ۴۰۰ تراهرتز بوده و طول موج آنها نیز در محدوده‌ی ۱۰۰ میکرومتر تا ۷۴۰ نانومتر قرار می‌گیرد. پرتوهای فروسرخ با چشم انسان قابل رویت نیستند؛ اما می‌توانیم آنها را به‌صورت گرما حس کنیم، در صورتی که شدت آن کافی باشد.

نور مرئی

نور مرئی در میانه‌ی طیف الکترومغناطیس است و میان تابش فروسرخ و فرابنفش قرار دارد. فرکانس نور مرئی از ۴۰۰ تا ۸۰۰ تراهرتز بوده و طول موج مرئی نیز از ۷۴۰ نانومتر تا مقادیر پایین‌تر ۳۸۰ نانومتر را شامل می‌شود. به‌طور عمومی ما محدوده‌ی نور مرئی را به‌عنوان طول موجی تعریف می‌کنیم که برای چشم اغلب انسان‌ها قابل رویت باشد.

فرابنفش

نور فرابنفش در طیف الکترومغناطیسی پس از نور مرئی و قبل از پرتوهای پرانرژی ایکس قرار دارد. فرکانس این تابش‌ها از ۱۰۱۴ × ۸ تا ۱۰۱۶ × ۳ هرتز و طول موجشان نیز در حدود ۳۸۰ نانومتر تا ۱۰ نانومتر هستند. نور فرابنفش یکی از اجزای اصلی نور خورشید است و با این حال با چشم انسان قابل رویت نیست. این تابش کاربردهای بسیاری در زمینه‌های پزشکی و صنعتی دارد؛ اما نباید فراموش کنیم که می‌تواند بافت‌های زنده را نیز نابود کند.

پرتوهای ایکس

پرتوهای ایکس با اینکه به‌عنوان پرتوهای پرانرژی قلمداد می‌شوند؛ اما دانشمندان آنها را به دو نوع تقسیم کرده‌اند: پرتوهای ایکس نرم و پرتوهای ایکس سخت. پرتوهای ایکس نرم (soft) در جایی میان تابش‌های فرابنفش و پرتوهای گاما قرار می‌گیرند. فرکانس پرتوهای ایکس نرم از ۱۰۱۶ × ۳ تا ۱۰۱۸ هرتز و طول موج آنها نیز از حدود ۱۰ نانومتر تا مقادیر بسیار پایین ۱۰۰ پیکومتر (۱۰ به توان منفی ۱۲ متر) است.

پرتوهای ایکس سخت (hard) هم دقیقا همین محدوده از طیف را به خود اختصاص می‌دهند و از نظر طول موج یا فرکانس تفاوتی با دسته اول ندارند. تنها تفاوت اصلی میان این دو دسته در منابع تابش آنهاست.

پرتوهای گاما

این پرتوها نزدیک به انتهای طیف الکترومغناطیسی و پس از پرتوهای ایکس قرار می‌گیرند. پرتوهای گاما دارای فرکانس‌هایی بیشتر از ۱۰۱۸ هرتز و طول‌ موج‌هایی کمتر از ۱۰۰ پیکومتر هستند. تابش گاما باعث آسیب رساندن به بافت‌های زنده می‌شود و همین امر آن را برای از میان بردن سلول‌های سرطانی در صورت کاربرد با احتیاط در نواحی کوچک به ابزار مناسبی تبدیل می‌کند. نیازی به یادآوری نیست که قرار گرفتن در معرض این امواج به‌صورت کنترل‌نشده، به‌طور جدی برای انسان‌ و سایر گونه‌های زیستی خطرناک است.

 نکته‌ای که پیرامون پرتوهای الکترومغناطیسی باید به آن توجه کنیم این است که تابش‌های فوق هم از نوع طبیعی و هم از نوع مصنوعی وجود دارد. در واقع ماهیت تابش الکترومغناطیسی در تمامی محدوده‌ی طیف آن همیشه در دنیای طبیعت وجود داشته است. ذهنیتی که به‌نادرستی در میان برخی جا افتاده، این است که امواج الکترومغناطیسی تنها پدیده‌هایی مصنوعی و ساخته‌ی دست بشر هستند.

ما انسان‌ها به‌عنوان گونه‌ای که بیشترین بهره‌وری را از پدیده‌های طبیعی داشته‌ایم، از پدیده‌ی الکترومغناطیس برای متحول ساختن دنیای خودمان و توسعه‌ی ابزارهای ارتباطی عصر جدید استفاده کرده‌ایم.

لازم به اشاره نیست که تمام دکل‌های مخابراتی BTS، دستگاه‌های موبایل، سیستم‌های وای‌فای، کامپیوترها و همینطورگیرنده‌های صوتی و تصویری همه و همه با امواج الکترومغناطیسی همبستگی دارند و به نظر می‌رسد که حتی تصور دنیای امروز با این سطح از ارتباطات بدون استفاده از پدیده‌ی الکترومغناطیس دور از ذهن باشد.

باید بپذیریم که امواج الکترومغناطیسی بیش از هر زمان دیگری در تاریخ بشر با زندگی ما همبستگی پیدا کرده‌ و همانند پدیده‌هایی چون الکتریسیته یا سیستم‌های لوله‌کشی آب یا مواد غذایی صنعتی و فرآوری‌شده به‌طور کامل جای خود را در زندگی روزمره‌ی بشر باز کرده‌اند.

تشریح کاربردهای این امواج و میزان ضرورت آنها در زندگی انسان امروز، از مقوله‌های مفصلی است که در بخش‌های آینده به آنها خواهیم پرداخت.