Πρακτικές Εφαρμογές Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων

Ένα επιταχυνόμενο φορτίο είναι μια πηγή ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα ξεκινά όταν λαμβάνεται ένα ταλαντευόμενο φορτίο. Αυτό το φορτίο παράγει ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο στη γειτονιά του. Αυτό το πεδίο, με τη σειρά του, παράγει ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο στη γειτονιά. Η διαδικασία συνεχίζεται επειδή τα ταλαντευόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία λειτουργούν ως πηγές το ένα του άλλου. Ως εκ τούτου, ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα προέρχεται από το ταλαντούμενο φορτίο.

Πηγή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων:

Το ηλεκτρικό πεδίο παράγεται από σταθερά φορτία. Τα θετικά φορτία επιταχύνονται προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου και τα αρνητικά φορτία επιταχύνονται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου.

Το μαγνητικό πεδίο παράγεται από κινούμενα φορτισμένα σωματίδια. Λόγω των κινούμενων φορτίων, ασκείται δύναμη στα άλλα κινούμενα φορτία. Η δύναμη σε αυτά τα φορτία είναι πάντα κάθετη προς την κατεύθυνση της ταχύτητας και του μαγνητικού πεδίου.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται όταν λαμβάνεται ένα ταλαντούμενο φορτίο. Αυτό το ταλαντούμενο φορτίο παράγει ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο, με τη σειρά του, παράγει ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο. Καθώς τόσο το ηλεκτρικό πεδίο όσο και το μαγνητικό πεδίο είναι κάθετα μεταξύ τους, σχηματίζουν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που ταξιδεύει κάθετα τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μαγνητικό πεδίο.

Γραφική αναπαράσταση ενός γραμμικά πολωμένου ηλεκτρομαγνητικού κύματος:

Επίπεδο ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διαδίδεται κατά μήκος της διεύθυνσης z. Το ηλεκτρικό πεδίο Ex είναι κατά μήκος του άξονα x και μεταβάλλεται ημιτονοειδώς με το z, σε μια δεδομένη στιγμή. Το μαγνητικό πεδίο By είναι κατά μήκος του άξονα y και μεταβάλλεται πάλι ημιτονοειδώς με το z. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία Ex και By είναι κάθετα μεταξύ τους και η κατεύθυνση διάδοσης z.

Ένα γραμμικό πολωμένο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, που διαδίδεται στην κατεύθυνση z.

Ο James Clerk Maxwell προέβλεψε την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ενώ ο Heinrich Hertz δοκίμασε ένα επιτυχημένο πείραμα για να αποδείξει οριστικά την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα:

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι το εύρος των φασμάτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και τα αντίστοιχα μήκη κύματος τους. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα καλύπτει ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητες που κυμαίνονται από 1 Hertz έως πάνω από 1023 Hertz και μήκη κύματος που κυμαίνονται από το μέγεθος ενός πυρήνα έως τα 108 m.

Το φάσμα χωρίζεται σε διάφορες περιοχές που δεν έχουν καθαρά καθορισμένα όρια.

Μπορούμε να ταξινομήσουμε τις διαφορετικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με βάση τις συχνότητες και το μήκος κύματος ως:

1. Ραδιοκύματα
2. Φούρνοι μικροκυμάτων
3. Κύματα υπερύθρων
4. Ορατές ακτίνες
5. Κύματα υπεριώδους
6. Ακτινογραφίες
7. Ακτίνες γάμμα

Θα συζητήσουμε εν συντομία τις διάφορες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και θα συζητήσουμε επίσης τις πρακτικές εφαρμογές τους:

1. Ραδιοκύματα:

Τα ραδιοκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες που κυμαίνονται εντός του εύρους συχνοτήτων από 500 kHz έως 1000 MHz. Το μήκος κύματος κυμαίνεται από 1 mm έως αρκετές εκατοντάδες μέτρα. Τα ραδιοκύματα έχουν το μεγαλύτερο μήκος κύματος και τη χαμηλότερη συχνότητα σε σύγκριση με όλα τα κύματα EM.

Εφαρμογή ραδιοκυμάτων:

1. Ραδιοφωνική μετάδοση: 

Η ραδιοφωνική μετάδοση είναι μία από τις κύριες εφαρμογές των ραδιοκυμάτων. Εδώ πρώτα, το σήμα διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας διάφορες συσκευές διαμόρφωσης όπως η διαμόρφωση συχνότητας (FM) και η διαμόρφωση πλάτους (AM). Το διαμορφωμένο σήμα κρυπτογραφείται και μεταδίδεται με τη βοήθεια ενός ραδιοπομπού. Στην πλευρά του δέκτη, το διαμορφωμένο σήμα μπορεί να αποκρυπτογραφηθεί.

1. Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας:

Καθώς τα ραδιοκύματα είναι ικανά να διεισδύουν μέσω άκαμπτων υλικών, αυτή η ιδιότητα δίνει στις εταιρείες την ευκαιρία να χρησιμοποιούν ραδιοκύματα στον κλάδο των επικοινωνιών για την κυψελωτή σύνδεση.

1. Δορυφορική επικοινωνία:

Καθώς τα ραδιοκύματα μπορούν να ταξιδέψουν μεγάλες αποστάσεις και επίσης διεισδύουν σε άκαμπτα υλικά, αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για επικοινωνία με τη βοήθεια δορυφόρων επικοινωνίας. Το ραδιοκύμα που περιέχει πληροφορίες μεταδίδεται με την αποστολή κυμάτων στους ανιχνευτές ραδιοκυμάτων σε δορυφόρους που λαμβάνουν και μεταδίδουν σήματα στο σταθμό.

Υπάρχουν πολλές άλλες χρήσεις των ραδιοκυμάτων στην καθημερινή μας ζωή όπως το RADAR, η ραδιοαστρονομία, τα παιχνίδια τηλεχειρισμού κ.λπ.

2. Φούρνοι μικροκυμάτων:

Τα μικροκύματα παράγονται από ταλαντευόμενα ρεύματα σε ειδικούς σωλήνες κενού όπως οι δίοδοι Klystrons, Magnetrons και Gunn. Τα μικροκύματα είναι τα κύματα e.m που έχουν μήκος κύματος επόμενο μικρότερο από τα ραδιοκύματα, η συχνότητά τους κυμαίνεται μεταξύ 109Hz και 1012Hz. Λόγω του μικρότερου μήκους κύματος τους, μπορούν να ταξιδεύουν ως δέσμη σε ένα σήμα.

Εφαρμογές:

1. Χρησιμοποιείται για την ανάλυση λεπτών λεπτομερειών της μοριακής και ατομικής δομής.
2. Δεδομένου ότι τα μικροκύματα=310-2 mm είναι χρήσιμα για την επίδειξη όλων των ιδιοτήτων των κυμάτων σε μακροσκοπική κλίμακα.
3. Ο δορυφόρος IRA-1E που εκτοξεύτηκε από έναν ινδικό οργανισμό διαστημικής έρευνας για επικοινωνία και πλοήγηση χρησιμοποιεί ακτινοβολία μικροκυμάτων για τη μετάδοση σημάτων στον δέκτη.

Επίσης, υπάρχουν πολλοί τομείς στον τομέα της Βιοϊατρικής, της τηλεπισκόπησης όπου χρησιμοποιείται η ακτινοβολία μικροκυμάτων.

3. Υπέρυθρα κύματα:

Τα υπέρυθρα κύματα παράγονται από θερμά σώματα και μόρια. Μερικές φορές αναφέρονται ως κύματα καύσωνα. Για τη διατήρηση της μέσης θερμοκρασίας των αερίων του θερμοκηπίου της γης, τα υπέρυθρα κύματα παίζουν σημαντικό ρόλο. Τα κύματα συλλαμβάνονται από αυτά τα αέρια του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα για να αυξήσουν τη θερμοκρασία τους και να παραλληλίσουν την ατμόσφαιρα.

Εφαρμογές:

1. Χρήσιμο για την αποσαφήνιση της μοριακής δομής διαφόρων στοιχείων.
2. Λιγότερο διασκορπισμένο από το ορατό φως από τα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Χρήσιμο λοιπόν για φωτογράφηση με ομίχλη.
3. Τα περισσότερα τηλεχειριστήρια λειτουργούν με παλμούς υπερύθρων. Σε ηλεκτρονικές συσκευές όπως τηλεχειριστήρια τηλεόρασης, συσκευές αναπαραγωγής DVD, προβολείς κ.λπ. Η υπέρυθρη ακτινοβολία χρησιμοποιείται συχνά για την αποστολή σημάτων μέσω καλωδίων οπτικών ινών για τη μετάδοση ήχου σε συστήματα ήχου και για συνδέσεις στο Διαδίκτυο υψηλής ταχύτητας.

4. Ορατές ακτίνες:

Είναι μέρος του φάσματος που ανιχνεύεται από τα ανθρώπινα μάτια. Το μήκος κύματός του κυμαίνεται από περίπου 700 nm έως 400 nm. Τα μάτια μας είναι ευαίσθητα σε αυτό το εύρος μηκών κύματος. Διαφορετικά ζώα είναι ευαίσθητα σε διαφορετικά εύρη μηκών κύματος. Για παράδειγμα, τα φίδια μπορούν να ανιχνεύσουν υπέρυθρα κύματα.

Εφαρμογή:

1. Ανιχνεύεται με τη διέγερση των νευρικών απολήξεων του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς.
2. Μπορεί να προκαλέσει χημική αντίδραση.

5. Υπεριώδεις ακτίνες:

Τα υπεριώδη κύματα καλύπτουν μήκη κύματος που κυμαίνονται περίπου 400 nm (4×10-7 m) – 0,6 nm (6×10-10 m) πέφτουν χαμηλότερα στο εύρος μήκους κύματος των ακτίνων Χ και υψηλότερα στο εύρος μήκους κύματος του ορατού φωτός.

Εφαρμογή:

1. Τα υπεριώδη κύματα μπορούν να προκαλέσουν πολλές χημικές αντιδράσεις. Για παράδειγμα, το μαύρισμα του ανθρώπινου δέρματος.
2. Ιοντισμένα άτομα στην ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα την ιονόσφαιρα.

6. Ακτινογραφίες:

Πέρα από την περιοχή UV του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος βρίσκεται η περιοχή των ακτίνων Χ. Καλύπτει μήκη κύματος από περίπου 10-8 m (10 nm) έως 10-13 (10-4 nm).

Εφαρμογή:

Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικό εργαλείο στην ιατρική και ως θεραπεία για ορισμένες μορφές καρκίνου. Επειδή οι ακτίνες Χ βλάπτουν τους ζωντανούς ιστούς, πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να αποφεύγεται η υπερβολική έκθεση.

7. Ακτίνες γάμμα:

Οι ακτίνες γάμμα είναι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες της υψηλότερης περιοχής συχνοτήτων και της χαμηλότερης περιοχής μήκους κύματος. Αυτά είναι τα πιο διεισδυτικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Εφαρμογή:

1. Στην ακτινοθεραπεία για τη θεραπεία κακοήθων όγκων, χρησιμοποιούνται ακτίνες γάμμα.
2. Για τη μελέτη της δομής των ατομικών πυρήνων, οι ακτίνες γάμμα διαπερνούν τα άτομα.

Συμπέρασμα:

Τα σωματίδια επιταχυνόμενου φορτίου εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία ταλαντώνονται ημιτονοειδώς στο χώρο και στο χρόνο σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Τα ταλαντευόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, Ε και Β είναι κάθετα μεταξύ τους και προς την κατεύθυνση διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Υπάρχουν πολλές χρήσεις του ηλεκτρομαγνητικού κύματος στον τομέα της άμυνας, της ναυσιπλοΐας, στον ιατρικό τομέα και σε πολλούς τομείς.