تحقیق مقاله امواج الکترومغناطیس

-1 مقدمه

انرژی شکلهای متنوعی چون نور مرئی گرما و غیره دارد که توسط امواجی موسوم به الکترومغناطیس قابل انتقال هستند انتشار اغلب امواج یعنی اشعه ایکس ماورا بنفش و مایکروویو نیز بصورت تشعشع الکترومغناطیس است .

            برخلاف امواج مکانیکی (مانند امواج صوتی ) که برای انتقال نیاز به یک محیط واسط دارند امواج الکترومغناطیس حتی در خلاء نیز منتشر می شوند سرعت انتشار این امواج در خلاء برابر با سرعت سیر نوراست اگرچه از نقطه نظر فیزیک نوین نسبت دادن مطلق ماهیت موجی به نور پذیرفته نیست و ماهیت دوگانه ذره – موج برای آن در نظر گرفته می شود لیکن در مبحث طولیابهای الکترونیکی با نادیدن گرفتن ماهیت ذره ای نور خللی در کلیت بحث وارد نمی شود .

            اساسا کلیه طولیابهای الکترونیکی برمبنای ارسال الکترومغناطیس ساخته شده اند و تفاوت آنها تنها در محدوده ای از طیف الکترومغناطیس است که مورد استفاده قرار می دهند درمیان سیستم های نقشه برداری تنها تعداد معدودی از دستگاهها واز آنجمله دستگاههای آبنگاری (اکو ساندرها) هستند که برای اندازه گیری از امواج مکانیکی (صوتی ) استفاده   می کنند ولی اکثریت دستگاهها از امواج الکترومغناطیسی بهره می برند.

2-2معادلات ماکسول

در سال 1864 میلادی جیمز ماکسول دانشمند اسکاتلندی طی 4معادله دیفرانسیل حرکت امواجی را تبیین کرد که امروزه با نام امواج الکترومغناطیس شناخته می شوند اهمیت این چهار معادله را که علم الکتریسته را به علم مغناطیسی پیوند می زند همپای قوانین حرکتی نیوتن دانسته اند آنچه امروز معادلات ماکسول نامیده می شود در واقع شکل جامع پدیده جامع پدیده های است که دانشمندان دیگر قبل از ماکسول به آنها دست یافته اند و ماکسول موفق به بیان ریاضی آنها تحت قالب 4معادله دیفرانسیل شده است درادامه به این معادلات بطور مختصر اشاره شده است :

الف – معادله شماره 1: این معادله در مورد ذرات باردار میدان الکتریکی حاصله است وبه نام قانون الکتریکی گاوس مشهور است این معادله بصورت زیر نوشته می شود ومفهوم آن این است که اولا بارهای مشابه یکدیگر را دفع و بارهای همنام یکدیگر را جذب می کنند وشدت جذب و دفع بستگی به مربع فاصله آنها دارد و ثانیا در جسم هادی ولی ایزوله شده بار الکتریکی برسطح آن پخش می شود در این معادله E میدان الکتریکی ε0 ثابت گذردهی. dsالمان انتگر الگیری وq بار الکتریکی است .

ب- معادله شماره 2: این معادله درمورد مغناطیس است وبه نام قانون مغناطیس گاوس مشهور است این معادله بصورت زیر نوشته می شود ومفهوم آن این است که همتای مغناطیسی بار الکتریکی وجودندارد وعملا قطبهای مغناطیسی منزوی قابل ایجاد نیست در این معادله B شدت میدان مغناطیسی و ds المان انتگرالگیری سطح است .

ج معادله شماره 3:این معادله درمورد اثر الکتریکی ناشی از یک میدان مغناطیسی است و به نام قانون القای فارادی مشهور است این معادله یک سیم دایره ای شکل شود باعث ایجاد جریان الکتریکی داخل سیم خواهد شد دراین معادله E میدان الکتریکی dl المان انتگرالگیری طول dφB تغییرات شارژ مغناطیسی وdt تغییرات زمان است .

د معادله شماره 4: این معادله حالت برعکس معادله فوق  است یعنی در مورد اثر مغناطیسی ناشی از میدان متغییر الکتریکی با شدت جریان متغییر است وبه شکل تعمیم یافته قانون آمپر مشهور است این معادله بصورت زیر نوشته می شود ومفهوم آن این است که سرعت نور را می توان بطور کامل با اندازه گیریهای الکترومغناطیس بدست آورد و همچنین شدت جریان عبوری از یک سیم در اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می کند B میدان مغناطیسی dl المان انتگرالگیری  طول وdφE تغییرات شارژ الکتریکی و dt تغییرات زمان و μo ثابت تراوایی و i شدت جریان است .

2-3 هندسه امواج

امواجی که برپایه معادلات ماکسول انتشارمی یابند امواج الکترومغناطیس نامیده می شوند و متشکل از2میدان مغناطیسی والکتریکی عمود برهم وعمود بر امتداد انتشارهستند

            از آنجا که انرژی توسط میدان الکتریکی انتقال داده می شود بیشتر مورد توجه قرار می گیرد امواج مورد استفاده در اندازه گیری طول همگی عرضی هستند زیرا راستای آنها برامتداد انتشار آنها عمود است همچنین پلاریزه نیز هستند زیرا راستای ارتعاش آنها در یک صفحه قرار دارد وعلاوه براین کروماتیک هستند زیرا دارای فرکانس ثابت هستند .

 در واقع هرگاه منابع اولیه موج امکان پدید آوردن نور پلاریزه را نداشته باشند با تمهیداتی این عمل بروشهای غیر مستقیم انجام می شود به این ترتیب موج مورد مطالعه جهت اندازه گیری طول به ساده ترین شکل ممکن یعنی یک موج سینوسی ساده در می آید برای سهولت فهم شکل شماره 2-2 رادر نظر می گیریم .

در شکل شماره 2-2 جهت فلشها بردار الکتریکی را نشان می دهند که طبعا عمود برامتداد انتشار هستند همانطور که دیده می شود شدت این بردارها بطور تناوبی تغییر می کند از اینرو منحنی پیوسته C بعنوان نماینده تغییرات شدت میدان الکتریکی که با گذشت زمان (یافاصله) مشخص شده است .

             می دانیم فاصله 2نقطه همسان مانند اکسترمم (ماکزیمم و مینیمم) را طول موج می نامند وبه λ نشان می دهند همچنین فاصله زمانی بین این دونقطه را پریود یا زمان تناوب می نامند وبه T نشان می دهند معکوس پریود را فرکانس یا بسامد می نامند وبه ƒ نمایش   می دهند مفهوم فرکانس تعداد نوسانات در واحد زمان (مثلا ثانیه ) است روابط اصلی بین پارامترهای بالا در زیر خلاصه شده است .

ƒ =()                C = ƒλ                    E=h ƒ

که در آن C,E, h بترتیب ثابت بلانک انرژی و سرعت سیر نور هستند.

2-4 معادله حرکت موج

برای درک عمیق تر بهتر است حرکت دورانی بروی یک دایره بنام دایره مرجع مانند شکل شماره 2-3  بررسی شود در این شکل میتوان هرنقطه را بروی دایره مرجع تصویر کردمقدارy را اصطلاحا بعد حرکت می گویند. طبیعی است که بیشترین مقدار y همان دامنه حرکت است که از نظر عددی برابر با شعاع دایره مرجع می باشد داریم

حال اگر نقطه P روی دایره مرجع با سرعت ثابت بچرخد مقدارө ثابت نبوده و خواهیم داشت:

ورابطه 2-1 تبدیل به y=r Sin(ωt) می شود. این معادله برای حرکت ازمبدا صحیح است و برای نقطه ای مانند P باید زاویه اولیه  θ0 را در نظر گرفت زاویه که تعیین کننده موقعیت P روی دایره مرجع است را زاویه فاز و یا فاز حرکت می نامند.

             در طولیابی براساس زاویه فاز اختلاف زاویه فاز موج رفت و برگشت را بدست می آورند و مطابق مثال 1-2 طول را محاسبه می کنند.

مثال 2-1 : به کمک شکل 2-2 و مفهوم فاز حرکت فاصله افقی نقطه P را از مبدا (پاره خط S ) را بدست آورید.

پاسخ اگر نقطه Pازمبدا روی دایره مرجع یک دایره کامل (2π ) دوران کند به اندازه یک طول موج جلو خواهد رفت حال اگر به اندازه ө بچرخد به نسبت () جلو خواهد رفت پس داریم :

             باید توجه داشت که در طولیابی چون اختلاف فاز ناشی از یک رفت و برگشت موج است در عمل نصف مقدار فوق باید بحساب آید همانطور که در مثال 1-2 دیده شد.

25 طیف امواج -الکترومغناطیس و انتشار آنها

در سال 1887 هاینریش هرتز آلمانی توانست در آزمایشگاه امواج رادیویی را تولید کند در زمان هرتز تنها دونوع نور مرئی و امواج رادیویی از طیف وسیع امواج شناخته شده بودند. امروزه این طیف وسیع بطور کامل مورد مطالعه قرار گرفته است و هر بخش آن نامی خاص پیدا کرده است شکل 2-4 دامنه این طیف و جدول 2-1 این ناحیه ها را براساس تقسیمات عددی نشان می دهد در طولیابها بیشتر از امواج مادون قرمز و امواج مایکروویو استفاده می شود همانطور که درشکل 2-3 دیده می شود امواج مادون قرمز و امواج مایکروویو طولی موجی کمتر ولی فرکانسی بیشتر برخوردارند چنانچه در فصول بعد اشاره خواهد شد دستگاههای که براساس امواج با طول موج بلندتر کار می کنند بردی بیشتر ودقتی کمتر دارند و بلعکس امواج با طول موج کوچک دارای برد محدودتر ولی دقتی بیشتری را بدست می دهند امواج با فرکانس بیشتر از امواج نوری دارای انرژی زیاد و عموما سرطانزا و مخرب سلولهای زنده هستند واز اینرو در طولیابهای الکترونیک نقشی ندارند.

(نمودار و جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است )