بخشی از مقاله
منشأ وچگونگی تشکيل امـواج
بنا به تعريف موج هرگاه در يک محيط آشفتگی وبی نظمی ايجاد کنيم موج ايجاد می شود.مثلاً با يک عمل ساده وانداختن يک سنگ داخل آب باعث ايجاد موج در آن محيط مايع شده ايم که به صورت دايره های متحدالمرکز از نقطة افتادن سنگ به طرف اطراف پراکنده شده و منتشر ميشوند يا با ايجاد صوت و سروصدا موج صوتی توليد کرده ايم. علت پيدايش و انتشار امواج تغيير نيرو و يا فشاری است که بر اثر انرژی چشمة موج(1) (مرکز شروع فعاليت امواج) در ذرات محيط بوجود می آيد.
عملکرد امـوج
به طور گسترده ما می توانيم محيط قابل ارتعاش را مجموعه ای از ذرات فرض کنيم که توسط فنرهايي بهم وصل هستند.
مطابق شکل:هرگاه ذرة شمارة1 را با صرف انرژی به جلو بکشيم وآن را
از وضع تعادل(1) دور کنيم بر ذرة شمارة2 نيرويي وارد مي کند که اين
(1) مکانی است که در آن نيروهای وارد بر جسم در حال تعادل هستند.
نيرو ضمن آنکه اين ذره را از وضعيت تعادل دور می کند واکنشی بر ذرة اولی وارد می آورد و قصد دارد آن را به حالت اوليه باز گرداند و اين چنين می شود که ذرة1 می استد و ذرة 2 کار ذرة 1 را انجام می دهد ودومی می ايستد و 3 نوسان می کند و اين گونه سبب تغيير شکل در ابتدای ذره به انتهای جسم منتقل می شود.
انواع موجـها
موجها از لحاظ فيزيکی به دو دسته عمده تقسيم می شوند:
1)امواج ميکانيکی
2)امواج الکترومغناطيسی
امواج ميکانيکی: امواجی هستند که فقط در محيطهای مادی انتشار می يابند واين محيط مادی می تواند يک بعدی,دو بعدی يا چند بعدی باشد.موجهای ميکانيکی در محيطهای کشسان توليد و منتشر می شوند.محيط کشسان محيطي است که اگر تغيير شکلی در آن روی دهد آنرا به حالت اوليه خود باز می گرداند.
مثل فشردگی فنر,صوت,زلزله و امواج ايجاد شده در سطح آب نمونه هايي از اين امواج هستند.
امواج ميکانيکی از لحاظ طريقة انتشار به دو گروه تقسيم می شوند:
1)امواج عرضی:جابجايي اجزای محيط عمود بر راستای انتشار است اين امواج را می توان با قله ها و دره هايي که در هنگام انتشار ايجاد می کند تشخيص داد.
در موج عرضی فنر,آشفتگی در هر جا بوجود می آيد کنش و واکنش هايي در اجزای مجاور ايجاد مي شود که سبب انتقال آشفتگی به ذرات مجاور می شود.
2)امواج طولی:جابجايي محيط در راستای انتشار موج است مثل موج ايجاد شده در فنر که به صورت انقباض يا انبساط آن صورت می گيرد يا بر اثر فشار پيستون بر هوا, حرکت اتومبيل در جاده و برخورد با مولکولهای.
مشخصات ظاهری امواج
حرکت عمودی موجها از اين نکته ناشی می شود که می تواند پس از گذراندن مسيری باطول ثابت به پيمان نقطه اوليه خود باز گردد (از لحاظ فيزيکی و جابجايي) و دوباره نوسان کند مثل آونگ ساده و حرکت رفت وبرگشتی داشته باشد.
با توجه به اين خصوصيات و پيشروی در محيط می توانيم اين مشخصه ها را برای امواج نسبت داده وتوجه کنيم.
1)طول موج: تعداد مسافت پيموده شده توسط موج در يک دوره از زمان را طول موج گويند وبا نشان می دهند و اين دوره زمانی کامل می شود که موج پس از جابجايي به مکان فيزيکی قبلی خود برسد.
2)دورة موج: مقدار زمانی است که يک نقطه نوسان کامل انجام می دهد و با نشان می دهيم.
3)سامد: تعداد نوسانات در مدت يک دوره را سامد حاصل از نوسان گوييم و با نشان می دهيم اين سامد موج است که ذرات محيط را به نوسان وا می دارد. نوع نوسان و جهت نوسان ذره يکسان است.
4)سرعت انتشار امواج: عبارت است از تعداد انتقال موج به زمان انتقال آن و با v نشان می دهيم.
می دانيم که امواج انرژی را انتقال می دهند و به همين علت است که باعث نوسان در محيط نوسانی می شوند پس کار انجام می دهند و هر جسمی که کار انجام می دهد دارای شتاب می باشد. واين انرژی از حرکت و سکون امواج ناشی می شود در حرکت انرژی جنبشی و در سکون انرژی پتانسيل وجود دارد.
امواج الکترومغناطيسی:برای انتشار خود بر خلاف امواج ميکانيکی به محيط مادی نياز ندارد و سرعت انتشارشان بسيار بيشتر از امواج ميکانيکی است به صورت عرضی منتشر مي شوند و اگر در مسير حرکتشان هيچ نوع محيطی از لحاظ مادی موجود نباشد با بيشترين سرعت يعنی با سرعت نور حرکت می کنند و اين امواج در خلأ سرعت انتشار يکسانی دارند.
اين امواج به«نور,فرابنفش,فروسرخ,امواج راديويي,ميکروويو,اشعة » تقسيم می شوند.
توليد امواج الکترومغناطيسي
هرگاه دو ميدان الکتريکی و مغناطيسی را بر هم عمود کنيم موجهای الکترومغناطيسي (الکتريکی ـ مغناطيسي) حاصل می شود.اين امواج در اثر شتاب گرفتن ذرات باردار تابش می شوند و بر جهت انتشار موج عمودند و ميدان های الکتريکی و مغناطيسي در هر نقطة فضا به طور نوسانی تغيير می کنند.
وجود الکتريسيته بدون وجود مغناطيس ووجود مغناطيس بدون الکتريسيته نـا ممکن است در واقع هر دو اينها يک چيز را می سـازند که امـواج الکترومغناطيس ناميده می شوند.
بنابه شواهد هرگاه الکتريسيته بوجود آيد مغناطيس توليد می کند و وجود مغناطيس نيز الکتريسيته توليد می کند و بهمين ترتيب و به طور متناوب اين تبديلات مغناطيس به الکتريسيته وبالعکس ادامه می يابد و به اين ترتيب ميدان الکترومغناطيسي با اين تبديل متناوب در همه جهات به بيرون راه می يابد و الکترومغناطيس تشکيل می شود.
امواج الکترومغناطيسي وقتي بوجود می آيند که چيزی حامل بارالکتريکی نوسان کند يعنی طرف عقب و جلو حرکت کند پس هر مرتبه که بار الکتريکی به عقب و جلو حرکت می کند يک موج بوجود می آيد.
موجهاي الکترومغناطيسي کلاً طيفی پيوسته را تشکيل می دهند يعنی رفته رفته با ايجاد ويژگی هايي امواج به هم تبديل می شوند و هيچ فاصله ای بين اين امواج وجود ندارد وهيچ سامدی از لحاظ عددی وجود ندارد که در اين طيف وجود نداشته باشد و درکل طيف امواج الکترومغناطيسي پيوسته است.
دسته بندی امواج الکترومغناطيسي
الف) امواج راديويي و ميکروويو:
همانطور که از نام امواج راديويي بر می آيد اين موجها در سيستم های راديويي (شنيدن از راه دور) بکار گرفته می شوند اين امواج بايد دارای طرحهای بلند باشند و در هر موجی که طول آن بلند باشد سامد کمتری دارد پس قدرت تخريبی و در نتيجه زيان کمتری دارد. اين امواج به سه دستة کلی امواج بلند, موج کوتاه و موج بسيار کوتاه تقسيم می شوند. امواج راديويي بسيار کوتاه معمولاً ميکرو موج ناميده می شوند اين موجها دارای طول موجهايي بين 10/1 الی 16 سانتيمتر هستند پس در بين سيستم های قرار می گيرد.
امواج راديويي در واقع بيشترين کاربرد را در جهان امروزه دارند از تلويزيون و ماهواره گرفته تا راديوی منزل همگی با امواج راديويي کار می کنند.
اين امواج بخاطر لاية يونوسفر(1) که باردار يونی دارد بوسيلة يونوسفر بازگردانده می شوند پس امواج راديويي می توانند با رفت آمد بين سطح زمين و يونوسفربه دور انحنای زمين سيرکنند و انتقال يابند.
1) لايه ای از ذرات باردار در جو بالايي زمين
اما ما چگونه می توانيم صدا را بشنويم در حالی که امواج راديويي جزء الکترومغناطيس است و صوت جزء امواج ميکانيکی به اين ترتيب بايد امواج راديويي به موج صوتی تبديل شوند.
از ميکروموجها در پژواک و تعيين فاصله استفاده می شود. چون جزء امواج راديويي است برای سير نياز به محيط مادی ندارد پس با فرستاده شدن به سمت سيارات و عبور از جو در محيط غير مادی می توان با برخورد به سيارات ديگر و پژواک آن با اندازه گيری زمان رفت و برگشت فاصله زمين تا آن سياره را حدث زد.
تصوير و صدای تلويزيون, توسط موجهای الکترومغناطيسی که نوعی موج
نور است به گيرنده های تلويزيون می رسد.
در لوازم صوتی از امواج راديوی استفاده مي شود چون دارای طول موجهای بلند وسامدهای کوتاه هستند که می توانند با سرعت زياد انتقال يابد.در لوازم تصويری از امواج ميکروويو که طول موجهای کوتاهتری دارند استفاده می شود و بوسيلة آنتن به سمت تلويزيون حرکت می کنند.که اين امواج در داخل تلويزيون به امواج صوتی تبديل شده تا صدای آن را بشنويم و هم تصوير را ببينيم.اين امواج در داخل تلويزيون به امواج طول کوتاه تبديل می شوند.
امواج صوتی و هادی های مختلف
پرکاربردترين موج ميکانيکی موج صوتی است که بيشترين سروکار را با آن داريم. سرعت سير اين گونه امواج در مواد مختلف متفاوت است اين موج در محيطهای مادی انتشار می يابد پس هر چه محيط متراکم تر وجامدتر باشد آن محيط توانايي انتقال صوت را در مدت کم دارا خواهد بود, چون مولکولها واتمها در جامدات بسيار نزديک هم چيده شده اند پس ذرات زود انرژی را بهم منتقل می نمايند تا در موادی که مولکولها از هم فاصله زياد دارند بهمين جهت است که ما از سيم در وسيلة تگراف بهره می گرفتيم.
در زير سرعت صوت چند ماده را شاهد هستيم:
هوا 331
اکسيژن 316
نيتروژن 334
هليوم 965
هيدروژن 1285
آب مقطر 149
آب دريا 1530
الکل 1200
آلومينيوم 6420
آهن 5960
شيشه 5970
سرب 1960
همانطور که در گازها می بينيم چون هيدروژن از همة آنها متراکمتر است پس سرعت صوت در آن بيشتر است.(سرعت انتشار موج صوتی در يک محيط به ويژگيهای محيط انتشار آن موج بستگی دارد)
موجهای صوتی دو دستة فراصوتی بالای Hz 20000 و فروصوتی پايين 20 را شامل می شود.
بعضی از حيوانات مثل سگها گسترة وسيعتری از سامدهای 15 الی Hz50000 را می شنوند يا خفاش ها تا سامد Hz 100000 را می شنوند. موجهای فراصوتی کاربردهای زيادی در علم پزشکی و صنعت دارند.
صوت
در مورد انتشار موج در طناب يا سطح آب آشفتگی به صورت برجستگی و يا فرورفتگی است ولی در حالت انتشار صوت در هوا آشفتگی به صورت لايه های تراکمی وانبساطی يا لايه های کم فشار و پرفشار است. که اين لايه ها در اثر حرکت نوسانی ذرات حول وضع تعادل خود بوجود می آيند.
اگر چشمة صوت, صوت را بطور يکنواخت در تمام جهات منتشر دهد به صورت موج کروی در فضا منتشر می شود.
لوله های صوتی
هم با امواج عرضی و هم با امواج طولی می توانيم موج ايستاده ايجاد کنيم.اين موج را می توانيم در يک فنر و يا يک ستون هوا ايجاد کرد.
لولة صوتی تشکيل شده از يک ستون که در داخل هوا وجود دارد و می توان درون آن موج ايستاده تشکيل داد.
