மின்காந்த அலைகள்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

மின்காந்த அலைகள் பற்றி

நடுத்தரம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

மேக்ஸ்வெல் காலத்தில் காஸ் விதி, ஃபாரடே விதி, ஆம்பியர் விதி மூன்றும் தெரிந்திருந்தன. ஆனால் அவை ஒன்றோடொன்று ஒத்துப்போகவில்லை. மின்னேற்றம் நடக்கும் மின்தேக்கிக்கு ஆம்பியரின் சுற்று விதி பொருந்தவில்லை என்று மேக்ஸ்வெல் கவனித்தார். இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் என்ற உறுப்பைச் சேர்த்து அவர் அதைச் சரிசெய்தார். அந்தத் திருத்தத்துடன், மின்புலமும் காந்தப்புலமும் சேர்ந்த அலைகள் வெற்றிடத்தில் \( 3 \times 10^{8} \) m s^-1 வேகத்தில் செல்லும் என்று அவரது சமன்பாடுகள் முன்கூறின. இது அளந்தறியப்பட்ட ஒளியின் வேகம். ஆக, ஒளி ஒரு மின்காந்த அலை என்பது தெரியவந்தது.

நீங்கள் ஏற்கெனவே அறிந்த விதிகளை இந்தப் பாடம் ஒன்றாக இணைக்கிறது. மாறும் காந்தப்புலம் மின்புலத்தை உருவாக்கும் என்று ஃபாரடே விதி சொல்கிறது. மாறும் மின்புலம் காந்தப்புலத்தை உருவாக்கும் என்று இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் சொல்கிறது. ஒன்று மற்றொன்றைத் தொடர்ந்து உருவாக்குகிறது. அந்த மாற்றம் அலையாக முன்னோக்கிச் செல்கிறது. வானொலி, கைபேசி, செயற்கைக்கோள் தகவல் தொடர்பு எல்லாமே இத்தகைய அலைகளைப் பயன்படுத்துகின்றன.

இந்தப் பாடத்தின் பாட நூல் வினாக்கள் பெரும்பாலும் கருத்து சார்ந்தவை. சில சிறு கணக்குகளும் உண்டு. மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகளைக் கூறவும், மின்காந்த அலைகளின் பண்புகளைப் பட்டியலிடவும், நிறமாலைப் பகுதிகளை அலைநீளம் அல்லது அதிர்வெண் வரிசையில் அடுக்கி ஒவ்வொன்றுக்கும் ஒரு பயன் சொல்லவும், வெளியிடு நிறமாலையை உட்கவர் நிறமாலையிலிருந்து வேறுபடுத்தவும் தயாராக இருங்கள்.

நீங்கள் கற்பவை

• இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டத்தை வரையறுத்து, மேக்ஸ்வெல் அதை ஆம்பியரின் சுற்று விதியில் ஏன் சேர்த்தார் என்று விளக்குதல்.
• நான்கு மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகளையும், ஒவ்வொன்றின் இயற்பியல் பொருளையும் கூறுதல்.
• மின்காந்த அலைகள் எப்படி உருவாகின்றன என்று விளக்கி, அவற்றின் பண்புகளைப் பட்டியலிடுதல்.
• ஒரு ஊடகத்தின் \( \mu \), \( \varepsilon \) மதிப்புகளிலிருந்து மின்காந்த அலைகளின் வேகத்தைக் கணக்கிடுதல்.
• மின்காந்த நிறமாலைப் பகுதிகளை வரிசைப்படுத்தி, ஒவ்வொன்றுக்கும் ஒரு பயன் தருதல்.
• வெளியிடு, உட்கவர் நிறமாலைகளில் தொடர், வரி, பட்டை நிறமாலைகளை வேறுபடுத்துதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• நிலைமின்னியலில் காஸ் விதியும் காந்தப்பாயம் என்ற கருத்தும்.
• ஃபாரடேயின் மின்காந்தத் தூண்டல் விதி.
• ஒரு அலையின் அதிர்வெண், அலைநீளம், வேகம்.

மின்காந்த அலைகள் — விரிவான விளக்கம்

இந்தப் பாடத்தில் என்ன உள்ளது

இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டமும் மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகளும்

மின்தேக்கியில் மின்னேற்றம் நடக்கும்போது கம்பிகளில் கடத்து மின்னோட்டம் பாய்கிறது. ஆனால் தட்டுகளுக்கு இடையிலான இடைவெளியில் அது பாய்வதில்லை. அப்போது எந்தப் பரப்பைத் தேர்ந்தெடுக்கிறோம் என்பதைப் பொறுத்து ஆம்பியர் விதி வெவ்வேறு விடைகளைத் தருகிறது. மேக்ஸ்வெல் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டத்தை (Displacement current) \( i_d = \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt} \) சேர்த்து இதைத் தீர்த்தார். தட்டுகளுக்கு இடையே மாறும் மின்பாயத்திலிருந்து இது தோன்றுகிறது. இந்த உறுப்பையும் சேர்த்தால் நான்கு மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகள் கிடைக்கின்றன: மின்னியலுக்கான காஸ் விதி, காந்தவியலுக்கான காஸ் விதி, ஃபாரடே விதி, ஆம்பியர்-மேக்ஸ்வெல் விதி. இவை சேர்ந்து மரபு மின்காந்தவியல் முழுவதையும் விவரிக்கின்றன.

மின்காந்த அலைகளின் உருவாக்கமும் பண்புகளும்

முடுக்கப்பட்ட மின்னூட்டங்கள் மின்காந்த அலைகளை உருவாக்குகின்றன. எடுத்துக்காட்டு: அலைக்கம்பத்தில் அலைவுறும் மின்னூட்டங்கள். மின்புலமும் காந்தப்புலமும் ஒன்றுக்கொன்றும் அலை பரவும் திசைக்கும் செங்குத்தாக உள்ளன. எனவே இவை குறுக்கலைகள். இவற்றுக்கு எந்தப் பொருள் ஊடகமும் தேவையில்லை. வெற்றிடத்தில் இவை \( c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} \) வேகத்தில், ஏறக்குறைய \( 3 \times 10^{8} m s^{-1} \) வேகத்தில் செல்கின்றன. புல வீச்சுகளின் தகவு \( \frac{E_0}{B_0} = c \). இவை ஆற்றலையும் உந்தத்தையும் எடுத்துச் செல்கின்றன. இவற்றைத் தளவிளைவு அடையச் செய்ய முடியும்.

மின்காந்த நிறமாலை

அதிர்வெண் கூடும் (அலைநீளம் குறையும்) வரிசையில் நிறமாலை இப்படிச் செல்கிறது: ரேடியோ அலைகள், நுண்ணலைகள், அகச்சிவப்பு, கண்ணுறு ஒளி, புற ஊதா, X-கதிர்கள், காமா கதிர்கள். ஒவ்வொரு பகுதிக்கும் தனி மூலங்களும் பயன்களும் உண்டு. ரேடியோ அலைகள் ஒலிபரப்புக்கும் தகவல் தொடர்புக்கும், நுண்ணலைகள் ரேடாரிலும் நுண்ணலை அடுப்பிலும், அகச்சிவப்பு தொலை இயக்கிகளிலும் இரவுப் பார்வையிலும், புற ஊதா நீரைக் கிருமி நீக்கம் செய்வதிலும், X-கதிர்கள் மருத்துவப் படமெடுத்தலிலும், காமா கதிர்கள் புற்றுநோய் சிகிச்சையிலும் பயன்படுகின்றன.

வெளியிடு நிறமாலையும் உட்கவர் நிறமாலையும்

வெவ்வேறு அலைநீளங்களில் செறிவு எப்படிப் பரவியுள்ளது என்பதை நிறமாலை காட்டுகிறது. வெளியிடு நிறமாலை சூடான அல்லது கிளர்வுற்ற மூலத்திலிருந்து வருகிறது. அது தொடர் நிறமாலையாக (வெண்சூடான இழை), வரி நிறமாலையாக (சோடிய ஆவி போன்ற கிளர்வுற்ற அணுக்கள்) அல்லது பட்டை நிறமாலையாக (கிளர்வுற்ற மூலக்கூறுகள்) இருக்கலாம். வெள்ளொளி குளிர்ந்த பொருள் வழியே செல்லும்போது உட்கவர் நிறமாலை உருவாகிறது. அந்தப் பொருள் தான் உமிழும் அதே அலைநீளங்களை நீக்குகிறது. சூரிய நிறமாலையில் காணும் கருமையான ஃபிரான்ஹோஃபர் வரிகள் இதற்கு எடுத்துக்காட்டு. ஒவ்வொரு தனிமத்துக்கும் தனக்கே உரிய வரிகள் உள்ளன. எனவே ஆய்வகத்திலும் விண்மீன்களிலும் தனிமங்களைக் கண்டறிய நிறமாலைகள் பயன்படுகின்றன.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டத்தை மின்னூட்டங்களின் ஓட்டம் என்று நினைத்தல். அது மாறும் மின்பாயத்திலிருந்து வருகிறது. மின்தேக்கியின் வெற்று இடைவெளியிலும் அது உண்டு.
• மின்காந்த அலைகளுக்கு ஊடகம் தேவை என்று கருதுதல். அவை வெற்றிடத்தின் வழியே செல்கின்றன. அப்படித்தான் சூரிய ஒளி புவியை அடைகிறது.
• நிறமாலை வரிசையைத் தவறாக எழுதுதல், குறிப்பாகப் புற ஊதாவையும் அகச்சிவப்பையும், அல்லது X-கதிர்களையும் காமா கதிர்களையும் இடம் மாற்றுதல். அதிர்வெண் கூடும் வரிசையில் ஒருமுறை நன்றாகக் கற்றுக்கொள்ளுங்கள்.
• \( \vec{E} \), \( \vec{B} \) இரண்டையும் அலை செல்லும் திசையின் அதே தளத்தில் வரைதல். \( \vec{E} \), \( \vec{B} \), அலை பரவும் திசை மூன்றும் ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தானவை.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் என்றால் சரியாக என்ன?

ஆம்பியர் விதியில் மேக்ஸ்வெல் சேர்த்த \( \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt} \) என்ற உறுப்புதான் அது. அது மின்னூட்டங்களின் இயக்கம் அல்ல. கடத்து மின்னோட்டம் போலவே, மாறும் மின்புலமும் காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகிறது என்ற உண்மையை அது குறிக்கிறது.

மின்காந்த அலைகள் எப்படி உருவாகின்றன?

முடுக்கப்பட்ட மின்னூட்டங்களால். ஓய்விலுள்ள மின்னூட்டம் மின்புலத்தை மட்டுமே உருவாக்கும். மாறாத திசைவேகத்தில் இயங்கும் மின்னூட்டம் தன்னுடன் நகரும் நிலையான மின், காந்தப்புலங்களை உருவாக்கும், ஆனால் கதிர்வீச்சு இருக்காது. அலைக்கம்பத்தில் அலைவுறும் மின்னூட்டம் போன்ற முடுக்கப்பட்ட மின்னூட்டம் மட்டுமே மின்காந்த அலைகளை வெளியிடுகிறது.

மின்காந்த அலைகள் ஏன் குறுக்கலைகள் எனப்படுகின்றன?

மின்புலமும் காந்தப்புலமும் அலை செல்லும் திசைக்குச் செங்குத்தாக அலைவுறுகின்றன. ஒளி உட்பட மின்காந்த அலைகளைத் தளவிளைவு அடையச் செய்ய முடியும். குறுக்கலைகளை மட்டுமே தளவிளைவு அடையச் செய்ய முடியும்.

மின்காந்த நிறமாலை என்றால் என்ன?

அதிர்வெண் அல்லது அலைநீள வரிசையில் அடுக்கப்பட்ட மின்காந்தக் கதிர்வீச்சின் முழு நெடுக்கம் இது. நீண்ட அலைநீள ரேடியோ அலைகள் முதல் மிகக் குறுகிய அலைநீள காமா கதிர்கள் வரை இது பரவியுள்ளது. கண்ணுறு ஒளி ஏறக்குறைய 400 nm முதல் 700 nm வரையிலான ஒரு குறுகிய பட்டை மட்டுமே.

வெளியிடு நிறமாலைக்கும் உட்கவர் நிறமாலைக்கும் என்ன வேறுபாடு?

வெளியிடு நிறமாலை கிளர்வுற்ற மூலத்திலிருந்து நேரடியாக வருகிறது. கருமையான பின்னணியில் ஒளிரும் வரிகள் அல்லது பட்டைகளைக் காட்டுகிறது. வெள்ளொளி குளிர்ந்த பொருள் வழியே செல்லும்போது உட்கவர் நிறமாலை தெரிகிறது. அந்தப் பொருள் உட்கவரும் அலைநீளங்களில், ஒளிரும் தொடர் பின்னணியில் கருமையான வரிகளைக் காட்டுகிறது.

நுண்ணலை அடுப்பு உணவை எப்படிச் சூடாக்குகிறது?

உணவில் உள்ள நீர் மூலக்கூறுகள் முனைவுள்ளவை. நுண்ணலைகளின் வேகமாக அலைவுறும் மின்புலம் அவற்றை முன்னும் பின்னும் தொடர்ந்து திரும்பச் செய்கிறது. இந்த ஆற்றல் அருகிலுள்ள மூலக்கூறுகளுக்குப் பரவி வெப்பமாகிறது. நுண்ணலைகள் சில சென்டிமீட்டர் ஆழம் மட்டுமே ஊடுருவும். எனவே தடிமனான உணவு மையத்திலிருந்து வெளிநோக்கிச் சூடாவதில்லை. நடுப்பகுதிக்கு வெப்பம் கடத்தல் மூலம் செல்கிறது.