*بسامد _ فرکانس چیست؟*
سمبل های معروف:
هم اکنون که در حال مطالعه این متن هستید، به میزان میلیارد ها دفعه، امواج رادیویی، سرتاسر پیکره شما، محیط اطراف و فضای حاضر را به احتصار در آورده؛ از جانب همین صفحه مانیتور!
در واقع صفحاتی که از خود، امواج الکترومغناطیس گسیل ساخته، شامل طیف وسیعی از خطوط و حدود مواج در ابعاد بسیار ریز تر از کلیشه های مد منظر امروزی هستند.
اگر به حباب لامپی بنگرید، مسلما شاهد تراوش های نوسانی در قالب بینایی خاصی که می توان آنان را بردار های قابل سنجش، به حسب رساند، خواهید بود.
این تراوشات، همان نور های گسیلی معمولا زرد یا سفید رنگ هستند، اما ما بیشتر با خصال رنگ های خنثی سفید و سیاه کار داریم تا رنگ_ های فرعی و اصلی مانند زرد ( و حتی در مواقعی سبز و آبی ).
خلق طیف الکترومغناطیس:
بی تردید بایستی برای ثبت اطلاعات درباره فیزیک مثبوتی که متعلق به یک متحرک است، به ابعاد، یکا ها و پارامتر های مختلفی و البته؛ با مراعات به تبدیلات، به انان روی بیارویم. آنچنان که مثلا خواستار به حسب شتاب متوسط، تندی یا سرعت متوسط و به طور کلی، جوانب قابل سنجش رو بررسی کنیم.
همانطور که می دانید، دنیای امروز، دنیای شکوفایی اطلاعات است.
از اپراتور های مکانیکی در آزمایشگاه، از برخورد دهندگان اتمی برای شبیه سازی متریک و رویداد های فیزیکی استفاده می شود و و و……
همانطور هم که از ماهواره ها و امواج رادیویی، برای انتقال دیجیتالی اطلاعات ( دیتا ها ) استفاده می شود.
هنگام فعال سازی سیستم موقعیت یاب جهانی تان ( GPS )، با استفاده از امواج رادیویی، اطلاعات مکانی شما، با توجه به نقطه برخورد عرض و طول جغرافیایی حاصل از نقطه مکانی شما، سوار بر کد های الگوریتم نویسی شده و متجمع از الکترون هایی در راستای امواج رادیویی، به حس گر های ماهواره ها برخورد خواهند کرد و سپس، با برآیند های ماهواره دیگر، نهایتا، نقطه ایستای شما بر زمین مشخص خواهد شد.
اکنون موج عظیم و غیر قابل تصوری از پرده های صاف از دستگاه شما تا ماهواره و از ماهواره تا دستگاه شما، رد و بدل شده.
اما ممکن است از خود بپرسید که حقیقتا چرا قابل بر تشخیص این امواج، همانند نور یا رنگین کمان با اعصاب بصری مان نیستیم!…
مقاصد بصری:
تا به الان، حداقل توی این مقاله، بار ها با واژه موج برخورد کردیم.
موج در فیزیک: ماهیتی متحرک در حال نوسان و در عین حال تابع از الگوی حرکتی یکنواخت ( در شرایط یکسان ) که انرژی را جا به جا و منتقل کرده.
که به دو دسته تقسیم بندی و شناخته شده:
1_ مکانیکی: موجی که برای حرکت و انتقال انرژی، نیازمند به واسطه ای با یکی از حالت های شش گانه فیزیکی در طبیعت ( جامد، مایع، گاز، پلاسما، تبرید بوز _ انیشتین و چگالی فرمیونی ) است.
2:_الکترومغناطیسی: تنها به این لحاظ که نیاز به هیچ واسطه ای برای انتقال انرژی ها ندارند، از امواج مکانیکی متمایز می شوند.
البته
در دوره ای که دانشمندان تصور می کردند که نور، باید مانند صوت، به کمک یک واسطه مثبوت در فضا، جا به جا شود. همانطور که صوت را، تابع بر میزان غلظت گاز های اطراف محیطمان دریافت می کنیم، بایستی نور را هم تابع بر ثابت دیگری مشاهده کنیم.
این چنین که با تغییر آن ثابت، در نور، مانند ضریب روشنایی یا شفافیتش، دگرگونی ایجاد شود.
به طور مفروض، در چندین مدتی، دانشمندان، آن ثابت را اتر (Aether) نامگذاری کرده بودند و دو دانشمند به عناوین مایکلسون و مورلی، با همکاری با یکدیگر، در آزمایش مشهور مایکلسون _ مورلی، به اثبات علنی وجود اتر پرداختند.
اگر تحت تخلیص بیان کنیم، صاحب نظران، در نظر داشتند که واسطه صوت، که اتمسفر محیط اطرافمان هستند، متغیر باشد، صوتمان هم متغیر می شود.
با تکیه بر این روندنما، بایستی در مدتی، در آزمایش، که داده های نوری از خورشید دریافت می شد، دچار نوسان می شد و اینگونه، در مرحله اولیه، ثبت اتر علنی می شد؛ چرا که خورشید، سطح گازی دارد و در تابش هایش بایستی شاهد نوسانات مختلف باشیم ( طبق باور های آن زمان دانشمندان )
اما در نهایت نوسانات نوری که از خورشید دریافت می شد، ناهمخوانی با الگو های ثابت و معمول دریافتی از تابش نور های خورشید نداشت.
در نهایت اثبات و وجود اتر، برای همیشه رد شد؛ در عوض با پیشروی در عرصه تحقیق و پژوهش، با ماهیت های حقیقی تر از نور و امواج الکترومغناطیسی شدند…
نگارش اطلاعات از نور:
دانشمندان دریافتند که در شرایط خلا ( به طور مطلق نه نسبی )، اگر نوری را به صفحه ورقه ای نازک و فلزی بتابانید، نور آن صفحه را حرکت می شدهد، چرا که انرژی جنبشی الکترون ها و اتم های الکترومغناطیس نور، باعث ایجاد تراوشات لغزشی در جسم شده.
امروزه از این فرآیند به عنوانی نیروی پیشرانشی برای اشیای فضایی استفاده می شود؛ به طوری که با نصب یک لایه صفحه نازک بر اطراف اقسام اصلی وسیله، مانند کاوشگر های فضایی از راندمان انرژی جنبشی نور برای حرکت استفاده کرده.
از این لایه صفحات به عنوان بادبان های خورشیدی یاد می شود.
همانطور که در کشتی آبی، بادبان، به کمک نیروی جنبشی محصول از وزش باد، به حرکت در آمده؛ در بادبان های خورشیدی یا نوری، پرتو های الکترونغناطیس نور، مسبب به تحرک جسم شده.
این فناوری در کاوشگر فضایی ایکاروس IKAROS ) ) مورد استفاده قرار گرفته:
با این فرآیند دانشمندان گمان کردند که نور بایستی ماهیتی ذره ای باشد، اما اینکه ذره ای باید جرمی معین داشته باشد ولی همواره سرعت آن بسیار زیاد باشد ( حدود 8^10*3 کیلومتر بر ثانیه در خلا مطلق )، به طوری که اصلا کاهشی در سرعت نداشته باشد، تطابق منطقی تابع از قوانین فیزیکی را دارا نبود.
زمانی، این مثال نقض هم برکنار شد.
به طور ساده: دو مانع را در نظر بگیرید که شکافی فوق العاده کم حجم بین موانع وجود داشته باشید. حال، منبع نور را به منظور عبور نور از این روزنه و حجم را مستقر کنید. چندی بعد، متوجه پراکندگی شکل پرتوی نور، به صورت مدور بر اطراف و دیوار رو به رویی، خواهید شد. این واقعه را پدیده پراش نوری نامیدند که سندی محکم بر اثبات ماهیت موج وار نور است.
حال اگر رنگ تابش طیف همان پرتو های پراکنده شده به وسیله پراش نور را بررسی کنید، خواهید دریافت که با مجموعه هفت رنگ رنگین کمان رو به رو هستید و دقیقا طرز تشکیل رنگین کمان هم با همین رویه پیش رفته. به مجموعه رنگ های قابل رویت در رنگین کمان، مجموعه قنز سانب گفته می شود. برگرفته از جمع حروف اول نام رنگ های رنگین کمان به ترتیب از قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش!
آیزاک نیوتن، دانشمند، نور شناس و فیزیکدان مطرح قرن هفده، با اختراع منشور به بررسی ماهیت نور پرداخت و به پدیده پراش رسید.
وی گمان کرد که باید این مجموعه طیف ها هم گسسته و تجزیه بشوند، و بعد از سعی های پی در پی و مکرر، دریافت که نور تنها تا به این به شکست رسیده و رنگ هایی، علی الخصوص قرمز، آبی و زرد قابل بر فرو شکست نیستند.
اینگونه مواج بودن نور به تایید رسید و با جرئت از اینجا تعریف شد که نور، موجموعه از امواج الکترومغناطیس است.
فرکانس:
اکنون می توانیم ساختمان امواج را مورد بررسی قرار دهیم:
امواج، ماهیتی مکانیکی در طبیعت فیزیک هستند. بنابراین شکل و ابعاد را صاحبند.
اگر این موج باشد:
به لحاظ بصری، شاهد قله های موج هستیم. هر نقطه که خط حرکتی طول موج در آن چرخیده و عوض شده، قله موج نام دارد.
فاصله بین هر دو قله ( که ممتد بر افق یکدیگرند) را طول موج ( ƛ) می نامند:
امواج، بر محوریت خطی برداری و فرضی حرکت می کنند. در نقطه منصف بین فاصله دو قله ( که بر خط موج مستقر هستند)، قرار دارد:
به صورت تحت اللفظی از آن به عنوان<< خط محور موج>> یاد می شود. به فاصله بین هر قله تا خط محور موج، دامنه موج (A0) می گویند:
می دانیم که رابطه قدرت فوتون محصول از موج و طول موج بدین شرح است:
خب، در اشاره به این رنگ ها، از کلمه <<طیف>> استفاده کردیم. بدین معنا که هر رنگ، موج و دما و انرژی مختص به خود را صاحب است. اول از همه، باید مطلع باشیم که به مجموعه رنگ های قنزسانب، رنگ های طول موج های مرئی گفته می شود. چون که اندازه شبکیه چشم ما، قادر بر شناسایی این مجموعه طیف ها برای اعصاب بینایی است. اگر شبکیه چشم ما، در اندازه های مختلف و قدرت شناسایی بیشتر بود، می توانستیم موج ها و طیف های پرتو های گاما یا ایکس و فرابنفش پرتو های خورشید و کیهان را ببینیم؛ و بالعکس با شبکیه بازتر، موج های رادیویی و مادون قرمز ماهواره ها و کنترل وسایل الکترونیکی!…
طبق نتیجه گیری دانشمندان، از طیف قرمز تا طیف بنفش، مقدار طول موج و قدرت طول موج، رابطه عکس دارند. طول موج را در ریاضیات فیزیک و شیمی را با حرف یونانی لامبادا <<ƛ >> نشان می دهند. ƛ برای قرمز بیشتر است، پس انرژی اش بسیار کمتر بوده و ƛ برای بنفش کمتر بوده، پس انرژی فراوانی دارد. حداکثر ƛ برای طیف های مرئی که برای قرمز است و حداقل برای بنفش.
پس قرمز، طول موجی در حد 700 نانومتر داشته. ( 7*11-^10 متر )؛
و بنفش، با طول موجی نزدیک به 350 نانومتر. ( 5/3*11-^10 متر ).
و هر گاه که از قدرت انر/زی صحبت می کنیم، به هیچ وجه پارامتر دما را نمی توان نادیده گرفت. هر چقدر جسمی طول موج طیفش قوی تر باشد، داغ تر است. هنگام احتراق آهن در آتش، فلز به قدری گرم شده که از خود طیف قرمز را منتشر می کند. با افزایش حرارت، گرایش طیف، از قرمز به سوی نارنجی و در بهترین حالت، زرد منتقل داده می شود.
اگر از این حد به بعد با افزایش حرارت، جسم ذوب نمی شد و به تقویت انرژی گرمایشی خود ادامه می داد، این شانس را بدست می آوردیم که با تداوم افزایش دما، جسم را تا حدی گرم کنیم که ببینیم از خود طیف های رنگ های سبز و آبی و حتی بنفش منتشر می کند. گرچه که پروسه دشواری است، اما امکان عملی شدن داشته و آزمایش جذابی می شد.
پس از این نما، قابل قبول است که ماهیت صاحب موج، از این خصال، برخوردار است. همچنین امواج اصوات.
به هنگام کاهش فاصله، منبع صوت و تقویت ولوم صدا، مسبب به تقویت قدرت امواج نشری از منبع انرژی شده = اندازه (ƛ) در امواج کمتر شده.
که تحت وصف علمی: گرایش طیف الکترومغناطیس انرژی محصول از منبع انرژی طبق واسطه انرژی و امواج، رو به حدود خط آبی( که از بیش ترین انرژی های خطوط الکترومغناطیس مرئی به حساب می آید )، در طیف بندی نظری و ثبت شده، تحکیم شده.
از این پروسه، تحت عنوان های انتقال به آبی، آبی گرایی موج و یا Blue shift، یاد می شود.
و بالعکس: به هنگام افزایش فاصله، منبع صوت و کاهش ولوم صدا، مسبب به تضعیف قدرت امواج نشری از منبع انرژی شده اندازه (( ƛدر امواج بیشتر شده.
که تحت وصف علمی: گرایش طیف الکترومغناطیس انرژی محصول از منبع انرژی طبق واسطه انرژی و امواج، رو به حدود خط قرمز ( که از کم ترین انرژی های خطوط الکترومغناطیس مرئی به حساب می آید )، در طیف بندی نظری و ثبت شده، تحکیم شده.
از این نمون پروسه هم تحت عنوان های انتقال به سرخ، قرمز گرایی موج و یا
Red shift، یاد می شود.
این کنش و همکنش های فیزیکی، اثر دوپلر Doppler effect ) ) به افتخار محقق اتریشی، کریستیان یوهان دوپلر، عنوان بندی شده است.
منبع موج، به راست در حال حرکت است، بر این بنا،
بسامد در سمت راست، بلندتر و در سمت چپ، کوتاه تر است.
از الان، تغییر بسامد موج، به وسیله اثر حرکت فرستنده یا گیرنده، در بازه زمانی معین، مسبب به نشان گذاری صفی از تعداد مشخصی از دید ناظر بر فاصله ای استاندارد می باشد.
تعریف فوق، معرفه ای پایه از پارامتر حیاتی فرکانس (Frequency) در فیزیک نظری است.
چرا این مسئله، انقدر می تواند مهم باشد؟
رصدگران ARO، و جمع اخترشناسانی که با تلسکوپ رادیویی مشغول هستند، ترجیحشان بر استفاده سنجشی از فرکانس به جای طول موج است.
فرکانس هر موج= تعداد قله های گذرای موج از یک نقطه در یک واحد برای ثانیه.
یا
تعداد چرخه های ثابت قله های موج که در یک ثانیه از دید آنالیزگر عبور می کنند. ( منظور از چرخه، تعداد مکرر قله ای تاقله بعدی تا حد زمانی خاص است ).
در ریاضیات فیزیک، فرکانس را با حرف یونانی با نام ( نو) و علامت( ν )، نشان می دهند؛ چون که پیامد های فرکانس به تکرار سوژه در واحد زمان است، یکای آن، << دور در ثانیه >> قرارداد شده.
یکای فرکانس را هرتز نماد ( Hz ) نهادند به افتخار نخست فیزیکدانی که امواج رادیویی را مولد ساخت، هاینریش هرتز.
مطالعه و محاسبه فرکانس امواج، به شناخت امواج و همچنین تحقیق بر طرز کنترل ساختار امواج الزامی برای تکنولوژی های سودمند همچون اطلاعات رادیویی برای برقراری ارتباطات از قبیل گیرنده ها و فرستنده های بی سیم، ماهواره و موارد غیره و مشابه، کمک ها و جهش بزرگی را رسانا است.
میان فرکانس و موجی از امواج الکترومغناطیس، رابطه ای ساده معرفی شده. بدین وسیله که نور با سرعت ثابتKM 3*10^5 در ثانیه ( در خلاء مطلق ) متحرک بوده، آن را با نماد C در ریاضیات فیزیک، لقب نهادند.
با دانسته های قبلی از رابطه غیر مستقیم بین قدرت انرژی موج و طول موج، به راحتی در میابیم که همچنان هم رابطه بین فرکانس و طول موج، همانند انرژی موج و طول موج است؛ چرا که با کاهش طول موج، تعداد قله های بیشتری از میدان رویت ما گذر خواهد کرد.
به لحاظ ریاضی، فرکانس فوتون ( ν )، و طول موج آن (ƛ)، مختص به ضریب سرعت نور که ثابت است، قرار دارند، بدین شرح:
ν =فرکانس موج الکترومغناطیس بر حسب Hz که آن را با علامت مخفف f از حصول اختصار اعتدال لاتین کلمه فرکانس، از Frequency
=C سرعت نور= 3*10^8 M/S
=ƛ طول موج، از موج بر حسب متر.
نکته مهم: بیشتر پیشنهاد شده در خصوص استفاده از حساب فرکانس، از پیشوند های اختصاری و نمادین مانند مگا M )) ، به معنای میلیون یا 6^10 استفاده شود؛ به همچنین در مورد هزار، 3^10 یا کیلو (k)
مثلا ایستگاه های رادیویی AM) نوعی از رسانه های صوتی_ تصویری رادیویی ) در فرکانس هایی بین 560 تا 1630 کیلو هرتز یا ایسگاه های رادیویی FM، در گستره هایی بین 93 تا 115 مگا هرتز، پخش می شوند.
تراز الکترومگنت:
حال نظری بر فرم موج الکترومغناطیس خواهیم داشت. همانطور که تحت بررسی، متوجه شدیم موج الکترومغناطیس، متممی برای استخراج فرکانس است، پس این قضیه، نمی تواند از صحت طبیعت ماهیت های مواج، تزلزلی را دارا باشد.
فرکانس و الکترومغناطیس، متمم یکدیگرند در حالی که دو پارامتر مثبوت به نام های مغناطیس و الکتریسیته ( نیروی الکتریکی )، مکمل یکدیگر هستند. فرکانس و الکترومغناطیس، زیر شاخه از فیزیک ماهیت های مواج بوده که تحت تشریح و اثبات، هم تراز هستند.
در این حین:
شما می توانید با جریان دادن دورانی یا محوری یک نیروی الکتریکی، میدان مغناطیسی بسازید و بالعکس. دقیقا همانند یک آهنربای دست ساز ساده.
برای ساخت آهنربای سریع، نیازمند به یک میخ فلزی، سیم رسانای الکتریسیته و جریان الکتریکی هستید:
1_ چرخاندن سیم به دور میخ؛
2_ انتقال جریان الکتریکی به سیم و نهایتا فلز میخ.
این امر، مسبب به گردش جریان نیروی الکتریکی و تشکیل یک میدان مغناطیسی شده! به همین دلیل قطبیت های مغناطیسی آهنربا، باعث دریافت پاسخ میکروسکوپی از مواد فرومگنت (Ferromagnet) می شود.
مغناطیس و الکتریسیته هم مواج هستند.
در مواردی دو پارامتر مغناطیس و الکتریسیته، قابل بر پوشش همبسته و دوطرفه هستند. یعنی نوسانات امواج الکتریکی بر امواج مغناطیسی عمود بوده که این امر متقابل است= وجود دو نیروی مغناطیس و الکتریسیته= تتشکیل دو میدان مغناطیسی و الکتریکی! پس این پرفرآیند، صاحب بر محرک ارسالی در قالب تابش خواهد شد.
مطابقا هم تابش الکترومغناطیسی، شامل (ƛ) خواهد بود.
این مدارک، آشنا بر مثبوتی همیشگی هستند یعنی همان نور! تابش الکترومغناطیس= تابش نوری.
پس می توان تمامی خصال نور را به موج الکترومغناطیس، متصل ساخت. از جمله بارز ترین هایشان از نظیر: سرعت تابش الکترومغناطیس، همسان با عدد 3*10^8 M/S برای سرعت نور است:
کلیت ساختمان یک موج الکترومغناطیس
و زیر مجموعه تابش های طیفی ( حداقل قالب مرئی ):
موثر بر عصر حاضر:
مطالعه فرکانس ها و به طور کلی، امواج الکترومغناطیس، بسیار به انسان برای توسعه فناوری بی سیم، ماهواره ای و دستگاه آلاتی که شامل خروجی و ورودی های دیتایی هستند، کمک کرده.
اینک انسان در تلاش برای بهره وری بیشتر از ابعاد و جوانب شناخته شده از نور برای ادامه نسل بقا و بشریت است؛ گرچه اندکی نسبت به نعمتی که در اختیار او قراداد شده، یعنی خورشید، به میزانی ناشکری کرده.
با استفاده از منابع سرشاری مانند ستارگان، طبق بیانات دانشمندانی چون کاکو و کارداشف، می توان به تکامل تمدن های بشری دست یافت که با آن می توان از بهره وری از کیهان بی کران، برخوردار بود.
شاید این قضیه در دوران ما عملی نشود؛
اما بی تردید، انسان، موجودی فاتح است……….
نویسنده: ایلیا گلابی
منابع :
کتاب Universe the definitive visual guide از مارتین ریس
کتاب دنیای ستارگان از مارتین ریس ترجمه امیر حسین فرجاد نسب
سایت: https://ras.ac.uk/
https://shegeftijahan.com