انرژی الکترومغناطیسی برای تامین انرژی دنیای مدرن استفاده می شود. بدون فناوری پیشرفته الکترومغناطیسی، تلفن‌های همراه و رایانه‌ها، بلوتوث، سیستم‌های GPS، تصاویر ماهواره‌ای، و درک علمی از سیاره و فضای ما آن‌طور که می‌دانیم امکان‌پذیر نخواهد بود. همانطور که کاربردها و وسایل تکنولوژیکی همچنان در حال پیشرفت هستند، اتکای متقابل بر – و درک بیشتر – فناوری الکترومغناطیسی بسیار مهمتر از همیشه است. برای کشف بیشتر در مورد دنیای الکترومغناطیسی که در آن زندگی می کنیم، ادامه مطلب را بخوانید.
انرژی الکترومغناطیسی چیست؟
انرژی الکترومغناطیسی انرژی تابشی است که در امواج با سرعت نور حرکت می کند؛ همچنین می توان آن را به عنوان انرژی تابشی، تابش الکترومغناطیسی، امواج الکترومغناطیسی، نور یا حرکت تابش توصیف کرد. تابش الکترومغناطیسی می تواند گرما را منتقل کند. امواج الکترومغناطیسی گرما، انرژی یا امواج نور را از طریق خلاء یا محیطی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می کنند. عمل انجام این کار انرژی الکترومغناطیسی در نظر گرفته می شود. تشعشعات الکترومغناطیسی توسط جیمز کلرک ماکسول، فیزیکدان قرن نوزدهم کشف شد که یافته‌های او تأثیر زیادی بر آنچه که مکانیک کوانتومی نامیده می‌شود، داشت.
وقتی صحبت از نحوه عملکرد آن می‌شود، می‌توانیم انرژی یا تابش الکترومغناطیسی را مانند یک موج معمولی اقیانوس در نظر بگیریم. در این استعاره تابش آب است. امواج الکترومغناطیسی امواج اقیانوس هستند و انرژی الکترومغناطیسی از امواجی که آب را از وسط اقیانوس به ساحل می برند تولید می شود؛ این انرژی به بهترین وجه با نیروی مورد نیاز برای حرکت تمام آن آب در فواصل طولانی نشان داده می شود. انتقال و تولید انرژی الکترومغناطیسی واقعی کمی پیچیده تر است.
امواج الکترومغناطیسی چگونه کار می کنند؟
انرژی الکترومغناطیسی متشکل از تغییر میدان های مغناطیسی و الکتریکی است که انرژی الکترومغناطیسی را منتقل می کند. بارهای مثبت میدان های الکتریکی ایجاد می کنند یا فضای باردار آن را احاطه کرده است که به بیرون تابش می کند. هنگامی که آن ذره باردار دستکاری می شود – برای مثال، با حرکت دادن آن به بالا و پایین – شما میدان الکتریکی را تغییر می دهید.
جریان های مغناطیسی نیز میدان های مغناطیسی ایجاد می کنند. هنگامی که جریان مغناطیسی در حال نوسان است، تغییرات میدان مغناطیسی ممکن است رخ دهد. میدان‌های مغناطیسی و میدان‌های الکتریکی روی یکدیگر تأثیر می‌گذارند و با نوسان و حرکت یک ناحیه، ناحیه دیگر نیز تغییر می‌کند. میدان‌های مغناطیسی در یک صفحه افقی حرکت می‌کنند و میدان‌های الکتریکی به صورت عمودی حرکت می‌کنند و امکان هم‌ترازی قطبی میدان‌های الکترومغناطیسی را فراهم می‌کنند.
انتشار الکتریکی و مغناطیسی یا حرکت امواج، اجزای اساسی امواج الکترومغناطیسی هستند. یک میدان مغناطیسی در حال تغییر می تواند باعث تغییر میدان الکتریکی شود که می تواند باعث تغییر میدان مغناطیسی و غیره شود. نتیجه یک واکنش زنجیره ای است و با هم این میدان ها عمود بر یکدیگر نوسان می کنند و امواج الکترومغناطیسی عرضی ایجاد می کنند؛ امواج در حامل‌هایی حرکت می‌کنند که حاوی ذرات تشعشعی به نام فوتون هستند که جرم ندارند و می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند؛ امواج عرضی که توسط میدان های مغناطیسی و فوتون های لحظه ای تغذیه می شوند، همان چیزی هستند که امواج انرژی الکترومغناطیسی را به حرکت در می آورند. آرایه فرکانس پتانسیل و طول موج هایی که امواج الکترومغناطیسی می توانند داشته باشند، طیف الکترومغناطیسی نامیده می شود.
طیف الکترومغناطیسی چیست؟
طیف الکترومغناطیسی گستره ای از محدوده فرکانس ها و طول موج های تابش الکترومغناطیسی است. هر نوع ترکیب موج و فرکانس اشکال مختلفی از انرژی را ایجاد می کند. فرکانس الکترومغناطیسی معادل تعداد تاج های موجی است که در هر ثانیه به نقطه خاصی می رسند. فرکانس را می‌توان به‌عنوان هر قله‌ای از یک موج در حین چرخش و حرکت در نظر گرفت. این اندازه گیری فرکانس، یک سیکل موج در ثانیه، هرتز (Hz) نامیده می شود؛ هرتز به افتخار فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز نامگذاری شده است که با امواج رادیویی آزمایش کرد تا ثابت کند سرعت امواج برابر با سرعت نور یا تابش است. این یک کشف عظیم برای حوزه انرژی الکترومغناطیسی بود.
سرعت موج برابر با طول موج ضربدر فرکانس است. با افزایش فرکانس، طول موج کاهش می یابد و موج الکترومغناطیسی قوی تر می شود. انرژی امواج الکترومغناطیسی با الکترون ولت اندازه گیری می شود. این واحد نشان دهنده انرژی جنبشی مورد نیاز برای انتقال الکترون ها از طریق پتانسیل ولت است. به عبارت دیگر، انرژی با میزان انرژی مورد نیاز برای ایجاد امواج یا قله های بیشتر اندازه گیری می شود؛ هر چه یک موج الکترومغناطیسی کوچکتر باشد، امواج بیشتری می تواند وجود داشته باشد و انرژی بیشتری وجود دارد. طول موج بیشتر به معنای انرژی کمتر و در نتیجه فرکانس کمتر است. طیف الکترومغناطیسی را به عنوان یک خط مستقیم و افقی در نظر بگیرید که از چپ به راست می خوانید؛ در انتهای سمت چپ طیف، فرکانس یا هرتز کمتر و طول موج بزرگتری دارید. در انتهای سمت راست، شکل موج های کوچکتر و فرکانس یا هرتز بالاتری دارید؛ همانطور که از انتهای یک طیف به انتهای دیگر آن سفر می کنید، انرژی الکترومغناطیسی با افزایش فرکانس قابل توجه تر می شود.
تابش الکترومغناطیسی در سراسر طیف
هفت نوع تابش الکترومغناطیسی در طیف گسترده ای وجود دارد:
امواج رادیویی
در ابتدای طیف الکترومغناطیسی امواج رادیویی با فرکانس پایین قرار دارند؛ امواج رادیویی با فرکانس پایین دارای طولانی ترین طول موج و کمترین انرژی در طیف هستند و اندازه آنها از طول زمین فوتبال تا بزرگتر از سیاره زمین متفاوت است. امواج رادیویی به ما اجازه می دهند همانطور که انتظار می رود از طریق فرکانس رادیویی به رادیو گوش دهیم، اما در فناوری تلسکوپ برای مشاهده فضا نیز استفاده می شود.
مایکروویو
اگرچه امواج مایکروویو از نظر فرکانس و اندازه مشابه امواج رادیویی هستند، اما به دلیل فناوری مورد نیاز برای دسترسی به آنها و فناوری که می توانند ارائه کنند، متفاوت هستند. انواع مختلف مایکروویو با اندازه طول موج آنها مشخص می شود؛ به عنوان مثال، امواج مایکروویو باند C یا متوسط از میان ابرها، برف، باران، گرد و غبار، دود یا مه عبور می‌کنند و اجازه می‌دهند برای ارتباطات ماهواره‌ای، در حالی که مایکروویوهای باند L برای کارکرد سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی (GPS) استفاده می‌شوند. مایکروویوها همینطور چیزی هستند که به سیگنال های تلویزیون و تلفن همراه و البته اجاق های مایکروویو اجازه عملکرد می دهند.
امواج مادون قرمز
امواج مادون قرمز به عنوان نور یا تشعشع مادون قرمز نیز شناخته می شوند و می توانند از طریق گرما برای انسان قابل تشخیص باشند. بخش مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی شامل سه زیربخش است: مادون قرمز نزدیک، مادون قرمز میانی و مادون قرمز دور. مادون قرمز دور مادون قرمز حرارتی نیز نامیده می شود، زیرا برای مشاهده انرژی حرارتی یا گرمایی مناسب است. انرژی الکترومغناطیسی مادون قرمز برای مکان یابی و مشاهده اشیاء در فضا، نظارت و ردیابی الگوهای دمای زمین، مشاهده اشیاء یا انرژی گرمایی از طریق تصویربرداری حرارتی، و تغییر کانال در تلویزیون با کنترل از راه دور استفاده می شود.
نور مرئی
به طور سنتی در نزدیکی وسط طیف الکترومغناطیسی، طیف نور مرئی قرار دارد. این قسمت از طیف همان چیزی است که چشم انسان می تواند ببیند؛ هر نوع تابش الکترومغناطیسی نور در نظر گرفته می شود، اما از آنجایی که این تنها نور الکترومغناطیسی است که توسط مردم قابل درک است، به آن نور مرئی یا طیف مرئی می گویند. طیف نور مرئی، رنگین کمان را به ما می دهد – هر رنگ رنگین کمان طول موجی با اندازه متفاوت دارد. به عنوان مثال، رنگ قرمز دارای طولانی ترین طول موج و بنفش دارای کوتاه ترین طول موج است.
امواج ماوراء بنفش (UV)
امواج فرابنفش که به عنوان نور UV و اشعه ماوراء بنفش نیز شناخته می شوند، به دلیل طول موج های کوچکتر و انرژی بیشتر در فرکانس بالاتر طیف قرار دارند. اشعه ماوراء بنفش به سطوح انتهایی، از جمله نور UV نزدیک، میانی، دور و شدید تقسیم می شود. با این حال، اشعه ماوراء بنفش به دلیل فرکانس بالاتر و انرژی بالاتر، در صورت مواجهه بیش از حد برای انسان می تواند خطرناک باشد؛ اشعه ماوراء بنفش می تواند با ایجاد آفتاب سوختگی، شکستن سلول های ما و حتی تأثیر بر DNA به پوست ما آسیب برساند. به همین دلیل است که مردم از ضد آفتاب استفاده می کنند – برای محافظت از پوست در برابر اشعه UV ساطع شده از خورشید.
اشعه ایکس
دومین تا آخرین علامت در طیف الکترومغناطیسی متعلق به اشعه ایکس است. این پرتوها دارای فرکانس انرژی بسیار بالا و اندازه طول موج بسیار کوتاه تری هستند – آنها می توانند به کوچکی یک اتم باشند. دمای جسم طول موج اشعه ایکس را تعیین می‌کند و طول موج‌های داغ‌تر کوتاه‌تر است و بالعکس. اشعه ایکس به دلیل استفاده در تصویربرداری پزشکی شناخته شده است، که پس از شلیک امواج اشعه ایکس به بدن فرد، سایه هایی از اشیاء را روی فیلم های اشعه ایکس ایجاد می کند؛ امواج اشعه ایکس نیز زمانی که بدن انسان در معرض بیش از حد قرار گرفتن در معرض قرار می گیرد خطرناک است. به همین دلیل است که بیمارانی که اشعه ایکس پزشکی دریافت می‌کنند، از تجهیزات محافظ استفاده می‌کنند و تکنسین‌های اشعه ایکس اتاق را در حین گرفتن عکس ترک می‌کنند.
اشعه گاما
پرتوهای گاما در انتهای سمت راست طیف، دورتر از امواج رادیویی قرار دارند که دارای طول موج کوتاه اما بالاترین فرکانس انرژی هستند. در نتیجه امواج گاما قوی ترین امواج الکترومغناطیسی هستند. پرتوهای گاما توسط انفجارهای ابرنواختر، سیاهچاله ها، واکنش های هسته ای، فروپاشی هسته ای و رعد و برق تولید می شوند. این انفجارهای پرتو آنقدر قدرتمند هستند که به گفته ناسا، می توانند انرژی بیشتری را در 10 ثانیه نسبت به خورشید در طول عمر خود تولید کنند.
آیا انرژی الکترومغناطیسی ایمن است؟
خطرات مرتبط با امواج الکترومغناطیسی این سوال را مطرح می کند که آیا انرژی الکترومغناطیسی ایمن است یا خیر. تابش الکترومغناطیسی به انواع مختلف تابش بستگی دارد که در کل طیف الکترومغناطیسی تغییر می کند؛ تشعشعات یونیزه کننده توسط بالاترین سطح فرکانسی انرژی الکترومغناطیسی از جمله امواج ماوراء بنفش، اشعه ایکس و اشعه گاما القا می شوند. پرتوهای گاما تهدیدات تشعشعات یونیزه تولید شده توسط واکنش ها و رویدادهای هسته ای هستند. علاوه بر این، فروپاشی هسته‌ای می‌تواند خطرات سلامتی پرتوهای یونیزه را نیز ایجاد کند و توسط پرتوهای گاما یا اشعه ایکس تولید می‌شود. قرار گرفتن در معرض پرتوهای یونیزه کننده می تواند باعث آسیب DNA سرطان زا، بیماری اشعه و حتی مرگ شود؛ با این حال، پرتوهای غیریونیزه کننده حاوی انرژی کافی برای ایجاد نگرانی یا خطرات شدید تشعشع نیستند. این نوع تشعشعی است که امواج فرکانس سطح پایین تر (مانند نور مرئی، امواج مایکروویو یا امواج رادیویی) ساطع می کنند؛ تشعشعات غیریونیزه کننده نوعی است که انسان معمولاً هنگام استفاده از فناوری انتشار امواج الکترومغناطیسی مانند تلفن همراه، تلویزیون، رایانه، خطوط برق یا مایکروویو در معرض آن قرار می‌گیرد؛ با این حال، با ادامه گرمایش جهانی، تشعشعات فرکانس سطح پایین تر به سطوح نگران کننده تر تغییر می کند. نور خورشید به زمین می‌تابد و سپس از طریق تشعشع به فضا فرستاده می‌شود. اما گازهای گلخانه ای – نوعی آلودگی ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای – می توانند این تشعشعات را در جو زمین به دام بیندازند و اثر گازهای گلخانه ای را ایجاد کنند و گرمایش جهانی را تداوم بخشند.
چرا انرژی الکترومغناطیسی مهم است؟
همانطور که وضعیت محیطی سیاره به یک نگرانی فزاینده تبدیل می شود، نیاز ما به درک تابش الکترومغناطیسی نیز افزایش می یابد. دانشمندان باید تحقیقات خود را در مورد تابش و انرژی الکترومغناطیسی ادامه دهند در حالی که نیاز به انرژی تجدید پذیر و پایدار افزایش می یابد؛ علاوه بر این، توسعه مداوم فناوری رایانه‌ها، تلفن‌ها، لوازم برقی کارآمد و منابع انرژی تجدیدپذیر اولویتی برای نیاز روزافزون به اتصال و اطلاعات در دنیای پرجمعیت خواهد بود. آموزش و استفاده از انرژی الکترومغناطیسی به ما این امکان را می دهد که به سوار شدن بر امواج الکترومغناطیسی که به جهان ما قدرت می بخشند ادامه دهیم.
منبع: برنیکا
