विद्युत चुम्बकीय तरंगें: मैक्सवेल का सिद्धांत, प्रकार, विशेषताएं - शारीरिक - 2025

विद्युत चुम्बकीय तरंगों अनुप्रस्थ तरंगों हैं कि त्वरित विद्युत आवेश की वजह से खेतों के अनुरूप हैं। उन्नीसवीं सदी बिजली और चुंबकत्व में महान प्रगति की सदी थी, लेकिन इसके पहले छमाही तक, वैज्ञानिक अभी भी दोनों घटनाओं के बीच के संबंध से अनजान थे, उन्हें एक दूसरे से स्वतंत्र मानते हुए।

यह स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी जेम्स क्लर्क मैक्सवेल (1831-1879) थे जिन्होंने दुनिया को साबित किया कि बिजली और चुंबकत्व एक ही सिक्के के दो पहलू थे। दोनों घटनाएं निकटता से संबंधित हैं।

बिजली कड़कने वाला तूफ़ान। स्रोत: पिक्साबे

मैक्सवेल सिद्धांत

मैक्सवेल ने 4 सुरुचिपूर्ण और संक्षिप्त समीकरणों में बिजली और चुंबकत्व के सिद्धांत को एकीकृत किया, जिनमें से भविष्यवाणियों की जल्द ही पुष्टि की गई:

मैक्सवेल को अपने विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत को विकसित करने के लिए क्या सबूत थे?

यह पहले से ही एक तथ्य था कि विद्युत धाराएं (चार्जिंग चार्ज) चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करती हैं, और बदले में एक चर चुंबकीय क्षेत्र प्रवाहकीय सर्किटों में विद्युत धाराओं की उत्पत्ति करता है, जिसका अर्थ होगा कि एक चर चुंबकीय क्षेत्र एक विद्युत क्षेत्र को प्रेरित करता है।

क्या रिवर्स घटना संभव हो सकती है? क्या परिवर्तनशील विद्युत क्षेत्र बदले में चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने में सक्षम होंगे?

माइकल फैराडे के एक शिष्य मैक्सवेल प्रकृति में समरूपता के अस्तित्व के बारे में आश्वस्त थे। विद्युत और चुंबकीय दोनों घटनाओं को भी इन सिद्धांतों का पालन करना था।

इस शोधकर्ता के अनुसार, दोलन वाले क्षेत्र उसी तरह से गड़बड़ी उत्पन्न करते हैं जैसे कि एक तालाब में फेंका गया पत्थर लहरें उत्पन्न करता है। ये गड़बड़ी विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों को दोलन करने से ज्यादा कुछ नहीं है, जिसे मैक्सवेल ने ठीक विद्युत चुम्बकीय तरंग कहा है।

मैक्सवेल की भविष्यवाणी

मैक्सवेल के समीकरणों ने प्रकाश की गति के बराबर प्रसार गति के साथ विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अस्तित्व की भविष्यवाणी की। जर्मन भौतिक विज्ञानी हेनरिक हर्ट्ज़ (1857 - 1894) द्वारा कुछ ही समय बाद भविष्यवाणी की पुष्टि की गई, जो एक एलसी सर्किट का उपयोग करके अपनी प्रयोगशाला में इन तरंगों को उत्पन्न करने में कामयाब रहे। मैक्सवेल की मृत्यु के तुरंत बाद यह हुआ।

सिद्धांत की शुद्धता को सत्यापित करने के लिए, हर्ट्ज़ को एक डिटेक्टर उपकरण का निर्माण करना पड़ा, जिससे उन्हें वेवलेंथ और फ़्रीक्वेंसी का पता चल सके, जिससे वे विद्युत चुम्बकीय रेडियो तरंगों की गति की गणना कर सकें, जो प्रकाश की गति से मेल खाती थी। ।

उस समय वैज्ञानिक समुदाय द्वारा मैक्सवेल के काम को संदेह के साथ प्राप्त किया गया था। शायद यह आंशिक रूप से था क्योंकि मैक्सवेल एक शानदार गणितज्ञ थे और उन्होंने मामले की सभी औपचारिकता के साथ अपना सिद्धांत प्रस्तुत किया था, जिसे समझने में कई असफल रहे।

हालांकि, हर्ट्ज़ का प्रयोग शानदार और सम्मोहक था। उनके परिणाम अच्छी तरह से प्राप्त हुए थे और मैक्सवेल की भविष्यवाणियों की सत्यता के बारे में संदेह साफ हो गए थे।

विस्थापन वर्तमान

विस्थापन का वर्तमान मैक्सवेल का निर्माण है, जो एम्पीयर के कानून के गहन विश्लेषण से उत्पन्न हुआ है, जिसमें कहा गया है:

एक बैटरी एक संधारित्र को चार्ज करती है। सतहों एस (ठोस लाइन) और एस 'और समोच्च सी एम्पीयर के नियम को लागू करने के लिए दिखाए गए हैं। स्रोत: पिक्साबे से संशोधित

इसलिए, एम्पीयर के कानून में दाईं ओर शब्द, जिसमें वर्तमान शामिल है, शून्य नहीं है और न ही बाईं ओर सदस्य है। तत्काल निष्कर्ष: एक चुंबकीय क्षेत्र है।

क्या S 'पर एक चुंबकीय क्षेत्र है?

हालांकि, ऐसी कोई भी धारा नहीं है जो घुमावदार सतह S को पार करती है या पार करती है, जिसका समोच्च C है, क्योंकि यह सतह कंडेनसर की प्लेटों के बीच के अंतरिक्ष में क्या है, का हिस्सा शामिल करती है, जिसे हम मान सकते हैं कि हवा या कोई अन्य पदार्थ है गैर प्रवाहकीय।

उस क्षेत्र में कोई प्रवाहकीय सामग्री नहीं होती है जिसके माध्यम से कोई भी विद्युत प्रवाह होता है। यह याद रखना चाहिए कि प्रवाह के प्रवाह के लिए, सर्किट बंद होना चाहिए। चूंकि वर्तमान शून्य है, एम्पीयर के नियम में बाईं ओर अभिन्न 0. है, कोई चुंबकीय क्षेत्र नहीं है, तब है?

एक विरोधाभास जरूर है। S 'वक्र C द्वारा भी सीमित है और चुंबकीय क्षेत्र का अस्तित्व उस सतह पर निर्भर नहीं होना चाहिए, जिस पर C की सीमा है।

मैक्सवेल विरोधाभास का समाधान द्वारा विस्थापन वर्तमान मैं की अवधारणा को शुरू करने _डी ।

विस्थापन वर्तमान

जब संधारित्र चार्ज हो रहा होता है, तो प्लेटफॉर्म और कंडक्टर के माध्यम से करंट प्रवाह के बीच एक परिवर्तनशील विद्युत क्षेत्र मौजूद होता है। जब संधारित्र चार्ज होता है, तो कंडक्टर में वर्तमान बंद हो जाता है और प्लेटों के बीच एक निरंतर विद्युत क्षेत्र स्थापित होता है।

तब मैक्सवेल ने कहा कि, परिवर्तनशील विद्युत क्षेत्र के साथ जुड़ा हुआ है, एक वर्तमान होना चाहिए जिसे उन्होंने विस्थापन वर्तमान i _{D कहा}, एक ऐसा वर्तमान जिसे चार्ज का आंदोलन शामिल नहीं है। सतह S के लिए यह मान्य है:

विद्युत प्रवाह एक वेक्टर नहीं है, हालांकि इसमें परिमाण और अर्थ है। खेतों को एक मात्रा से संबंधित करना अधिक उपयुक्त है जो वेक्टर है: वर्तमान घनत्व जे, जिसका परिमाण वर्तमान और उस क्षेत्र के बीच भागफल है जिसके माध्यम से यह गुजरता है। अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में वर्तमान घनत्व की इकाइयाँ एम्पीयर / एम ^{2 हैं} ।

इस सदिश के संदर्भ में, विस्थापन वर्तमान घनत्व है:

इस तरह, जब एम्पीयर का नियम समोच्च C पर लागू होता है और सतह S का उपयोग किया जाता है, तो I _C इसके माध्यम से करंट होता है। दूसरी ओर, i _C S से नहीं गुजरता है, लेकिन I _D करता है।

व्यायाम हल किया

किसी दिए गए माध्यम में गति

किसी दिए गए माध्यम में, यह दिखाना संभव है कि विद्युत चुम्बकीय तरंगों की गति अभिव्यक्ति द्वारा दी गई है:

जिसमें and और μ संबंधित पारगम्यता और प्रश्न में माध्यम की पारगम्यता हैं।

आंदोलन की मात्रा

ऊर्जा यू के साथ एक विद्युत चुम्बकीय विकिरण का एक संबद्ध गति पी है जिसका परिमाण है: p = U / c।

विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रकार

विद्युत चुम्बकीय तरंगों में तरंग दैर्ध्य और आवृत्तियों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला होती है। उन्हें इलेक्ट्रोमैग्नेटिक स्पेक्ट्रम के रूप में जाना जाता है, जिसे उन क्षेत्रों में विभाजित किया गया है, जिन्हें सबसे लंबे तरंग दैर्ध्य के साथ शुरू करने वाले क्षेत्रों में विभाजित किया गया है:

रेडियो तरंगें

उच्चतम तरंग दैर्ध्य और सबसे कम आवृत्ति अंत में स्थित, वे कुछ से एक अरब हर्ट्ज तक होते हैं। वे वे हैं जो विभिन्न प्रकार की जानकारी के साथ एक संकेत संचारित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं और एंटेना द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। टेलीविजन, रेडियो, मोबाइल, ग्रह, तारे और अन्य खगोलीय पिंड इनका प्रसारण करते हैं और इन्हें पकड़ा जा सकता है।

माइक्रोवेव ओवन

अल्ट्रा हाई (UHF), सुपर हाई (SHF) और अत्यंत उच्च (EHF) आवृत्तियों में स्थित, वे 1 गीगाहर्ट्ज़ और 300 गीगाहर्ट्ज़ के बीच होते हैं। पिछले वाले के विपरीत जो एक मील (1.6 किमी), माइक्रोवेव तक माप सकते हैं। वे कुछ सेंटीमीटर से लेकर 33 सेमी तक होते हैं।

स्पेक्ट्रम में उनकी स्थिति को देखते हुए, 100,000 और 400,000 एनएम के बीच, उनका उपयोग उन आवृत्तियों पर डेटा संचारित करने के लिए किया जाता है जो रेडियो तरंगों के साथ हस्तक्षेप नहीं करते हैं। इस कारण से, उन्हें रडार प्रौद्योगिकी, सेल फोन, रसोई ओवन और कंप्यूटर समाधान में लागू किया जाता है।

इसका दोलन मैग्नेट्रॉन नामक एक उपकरण का उत्पाद है, जो एक प्रकार का गुंजयमान गुहा है जिसके छोर पर 2 डिस्क मैग्नेट होते हैं। विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र कैथोड से इलेक्ट्रॉनों के त्वरण द्वारा उत्पन्न होता है।

अवरक्त किरणों

इन ताप तरंगों का उत्सर्जन थर्मल बॉडीज, कुछ प्रकार के लेजर और प्रकाश उत्सर्जक डायोड द्वारा किया जाता है। यद्यपि वे रेडियो तरंगों और माइक्रोवेव के साथ ओवरलैप करते हैं, उनकी सीमा 0.7 और 100 माइक्रोमीटर के बीच है।

संस्थाएं अक्सर गर्मी पैदा करती हैं जो रात के काले चश्मे और त्वचा से पता लगाया जा सकता है। वे अक्सर रिमोट कंट्रोल और विशेष संचार प्रणालियों के लिए उपयोग किए जाते हैं।

दृश्य प्रकाश

स्पेक्ट्रम के संदर्भात्मक विभाजन में हमें बोधगम्य प्रकाश मिलता है, जिसमें 0.4 और 0.8 माइक्रोमीटर के बीच एक तरंग दैर्ध्य होता है। हम जो अंतर करते हैं वह इंद्रधनुष के रंग हैं, जहां सबसे कम आवृत्ति लाल रंग की होती है और वायलेट द्वारा उच्चतम होती है।

इसकी लंबाई के मान को नैनोमीटर और एंगस्ट्रॉम में मापा जाता है, यह पूरे स्पेक्ट्रम के बहुत छोटे हिस्से का प्रतिनिधित्व करता है और इस सीमा में सूर्य और सितारों द्वारा उत्सर्जित विकिरण की सबसे बड़ी मात्रा शामिल है। इसके अलावा, यह ऊर्जा पारगमन में इलेक्ट्रॉनों के त्वरण का उत्पाद है।

चीजों के बारे में हमारी धारणा दृश्य विकिरण पर आधारित होती है जो किसी वस्तु पर और फिर आंखों पर गिरती है। मस्तिष्क तब उन आवृत्तियों की व्याख्या करता है जो चीजों में मौजूद रंग और विवरण को जन्म देते हैं।

पराबैंगनी किरणे

ये तरंग 4 और 400 एनएम की सीमा में हैं, वे सूरज और अन्य प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न होते हैं जो बड़ी मात्रा में गर्मी का उत्सर्जन करते हैं। इन छोटी तरंगों के लंबे समय तक संपर्क से जीवित चीजों में जलन और कुछ प्रकार के कैंसर हो सकते हैं।

चूंकि वे उत्साहित अणुओं और परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की छलांग का उत्पाद हैं, इसलिए उनकी ऊर्जा रासायनिक प्रतिक्रियाओं में शामिल है और उनका उपयोग दवा में बाँझ करने के लिए किया जाता है। वे आयन मंडल के लिए जिम्मेदार हैं क्योंकि ओजोन परत पृथ्वी पर इसके हानिकारक प्रभावों को रोकती है।

एक्स-रे

यह पदनाम इस तथ्य के कारण है कि वे अदृश्य विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं जो अपारदर्शी निकायों से गुजरने और फोटोग्राफिक प्रिंट बनाने में सक्षम हैं। 10 और 0.01 एनएम (30 से 30,000 पीएचज) के बीच स्थित, वे भारी परमाणुओं में कक्षाओं से कूदने वाले इलेक्ट्रॉनों का परिणाम हैं।

इन किरणों को सूरज की कोरोना, पल्सर, सुपरनोवा और ब्लैक होल अपनी बड़ी मात्रा में ऊर्जा के कारण उत्सर्जित कर सकते हैं। उनके लंबे समय तक संपर्क कैंसर का कारण बनता है और हड्डी के ढांचे की छवियों को प्राप्त करने के लिए उनका उपयोग चिकित्सा क्षेत्र में किया जाता है।

गामा किरणें

स्पेक्ट्रम के चरम बाईं ओर स्थित, वे तरंगें हैं जिनकी आवृत्ति सबसे अधिक होती है और आमतौर पर ब्लैक होल, सुपरनोवा, पल्सर और न्यूट्रॉन सितारों में होती है। वे विखंडन, परमाणु विस्फोट और बिजली के परिणामस्वरूप भी हो सकते हैं।

चूंकि वे रेडियोधर्मी उत्सर्जन के बाद परमाणु नाभिक में स्थिरीकरण प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न होते हैं, वे घातक हैं। उनकी तरंग दैर्ध्य उप-परमाणु है, जो उन्हें परमाणुओं से गुजरने की अनुमति देता है। वे अभी भी पृथ्वी के वायुमंडल द्वारा अवशोषित होते हैं।

विभिन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगों के अनुप्रयोग

विद्युत चुम्बकीय तरंगों में यांत्रिक तरंगों के समान प्रतिबिंब और परावर्तन गुण होते हैं। और उनके द्वारा प्रचारित ऊर्जा के साथ-साथ वे जानकारी भी ले सकते हैं।

इस वजह से, विभिन्न प्रकार के विद्युत चुम्बकीय तरंगों को बड़ी संख्या में विभिन्न कार्यों के लिए लागू किया गया है। यहां हम कुछ सबसे आम देखेंगे।

विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम और इसके कुछ अनुप्रयोग। स्रोत: टाउटाउट और फ़ारोड

रेडियो तरंगें

खोजे जाने के कुछ समय बाद, गुग्लिल्मो मार्कोनी ने साबित किया कि वे एक उत्कृष्ट संचार उपकरण हो सकते हैं। हर्ट्ज द्वारा उनकी खोज के बाद से, AM और FM रेडियो, टेलीविज़न, सेल फोन, और बहुत कुछ जैसे रेडियो फ्रीक्वेंसी के साथ वायरलेस संचार, दुनिया भर में तेजी से व्यापक हो गए हैं।

माइक्रोवेव ओवन

उनका उपयोग भोजन को गर्म करने के लिए किया जा सकता है, क्योंकि पानी एक द्विध्रुवीय अणु है जो विद्युत क्षेत्रों को दोलन करने में सक्षम है। भोजन में पानी के अणु होते हैं, जो इन क्षेत्रों के संपर्क में आते हैं, दोलन करना शुरू करते हैं और एक दूसरे से टकराते हैं। परिणामी प्रभाव वार्मिंग है।

दूरसंचार में भी उनका उपयोग किया जा सकता है, जो कि अधिक तरंगदैर्ध्य की अन्य तरंगों की तुलना में कम हस्तक्षेप के साथ वातावरण में यात्रा करने की उनकी क्षमता के कारण है।

इंफ्रारेड वेव्स

अवरक्त का सबसे विशिष्ट अनुप्रयोग नाइट विजन डिवाइस है। उनका उपयोग उपकरणों के बीच संचार में और सितारों, इंटरस्टेलर गैस बादलों और एक्सोप्लैनेट्स के अध्ययन के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपिक तकनीकों में भी किया जाता है।

वे शरीर के तापमान के नक्शे भी बना सकते हैं, जिनका उपयोग कुछ प्रकार के ट्यूमर की पहचान करने के लिए किया जाता है, जिनका तापमान आसपास के ऊतकों से अधिक होता है।

दृश्य प्रकाश

दृश्यमान प्रकाश सूर्य द्वारा उत्सर्जित स्पेक्ट्रम का एक बड़ा हिस्सा बनाता है, जिस पर रेटिना प्रतिक्रिया करता है।

पराबैंगनी किरणे

पराबैंगनी किरणों में पदार्थ के साथ महत्वपूर्ण रूप से बातचीत करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है, इसलिए इस विकिरण के लगातार संपर्क में समय से पहले बूढ़ा हो जाता है और त्वचा के कैंसर के विकास का खतरा बढ़ जाता है।

एक्स-रे और गामा किरणें

एक्स-रे और गामा किरणों में और भी अधिक ऊर्जा होती है और इसलिए वे नरम ऊतकों को भेदने में सक्षम होते हैं, इसलिए, उनकी खोज के लगभग समय से, उन्हें रोगों की खोज में फ्रैक्चर का निदान करने और शरीर के इंटीरियर की जांच करने के लिए उपयोग किया गया है। ।

एक्स-रे और गामा किरणों का उपयोग न केवल एक नैदानिक ​​उपकरण के रूप में किया जाता है, बल्कि ट्यूमर के विनाश के लिए एक चिकित्सीय उपकरण के रूप में किया जाता है।

संदर्भ

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3. सियर्स, एफ। (2015)। आधुनिक भौतिकी के साथ विश्वविद्यालय भौतिकी। 14 वां संस्करण। पियर्सन। 1053-1057।