முகப்பு அறிவியல் மின்காந்த அலைகள் 1 : அறிமுகம்

மின்காந்த அலைகள் 1 : அறிமுகம்

53
0

எழுதியது: சிறி சரவணா

இன்று நாம் பயன்படுத்தும் பெரும்பாலான இலத்திரனியல் சாதனங்கள், உதாரணமாக உங்கள் செல்போன் தொடக்கம், டிவி ரிமோட் வரை மின்காந்த அலைகள் உங்கள் கண்களுக்குத் தெரியாமல், உங்கள் கட்டளைகளை நிறைவேற்றிக்கொண்டுதான் இருக்கின்றன. விண்வெளியில் சஞ்சரிக்கும் செயற்கைக்கோள்கள் தொடக்கம்,  உடல் பரிசோதனைக்காக வைத்தியசாலைகளில் எடுக்கப்படும் எக்ஸ்ரே வரை எல்லாமே மின்காந்தஅலைகளால் எதோ ஒரு விதத்தில் தொடர்புபடுத்தப்படுகின்றது. அப்படியான இந்த மின்காந்த அலைகள் என்றால் என்ன? எங்கிருந்து அவை வருகின்றது, அவற்றின் பயன்பாடுகள் மற்றும் அதில் இருக்கும் வேறுபட்ட  அலைக்கற்றைகளின் பண்புகளையும் பார்க்கலாம்.

முதலில் அலைகள் என்றால் என்ன என்று பார்க்கலாம். அலைகளில் இரண்டுவகை உண்டு. பொதுவாக நீங்கள் அலைகளைப் பார்த்திருப்பீர்கள். கடலலைகள் ஒரு உதாரணம். நீரில் கல்லொன்றை விட்டெறியும்போது, அந்த நீர் மேற்பரப்பில் ஏற்படும் மாற்றங்களும் அலைகளே, அதேபோல நாம் பேசும்போது வரும் ஒலி, அதுவும் அலைகளே, காற்றினூடு அவை பயணிக்கின்றன. இப்படியான அலைகளை பொறிமுறை அலைகள் என அழைகின்றனர். அதாவது இவை திண்மம், திரவம், வாயு மற்றும் பிளாஸ்மா போன்ற பொருட்களின் பல்வேறுபட்ட நிலைகளின் மூலம் சக்தியைக் காவிச்செல்கின்றன.  இப்படி இவை ஒரு ஊடகத்தைப் பயன்படுத்தி சக்தியைக் கடத்துவதால் இவை பொறிமுறை அலைகள்.

பொறிமுறை அலைகளின் மூலம், பொருட்கள் இடத்துக்கிடம்  கடத்துவதில்லை, மாறாக சக்தி மட்டுமே அலைகளின் மூலம் பயணிக்கிறது. கீழே உள்ள படத்தைப் பாருங்கள். நீரின் மேற்பரப்பில் இருக்கும் தும்பி, அதே இடத்திலேயே இருக்க, அலை (நெளிவாக காட்டப்படும் கொடு) வலப்பக்கம் இருந்து இடப்பக்கம் நோக்கி அசைந்து செல்கிறது. நீரின் மூலக்கூறுகள் மேல்கீழாக மட்டுமே அசைய, அலையின்மூலம் சக்தி இடப்பக்கம் இருந்து வலப்பக்கம் நோக்கி அசைந்துசெல்கிறது.

emsAnatomy_mainContent_wave-movement
தும்பி நீரலையின் மீது இருக்கும் காட்சி, தும்பி நிலையாக ஒரே இடத்தில் இருப்பதை அவதானிக்கவும்.

பொறிமுறை அலைகளுக்கு நிச்சயம் ஒரு ஊடகம் அவசியம். ஒலி என்பதே வளியில் இருக்கும் வாயுக்களின் மூலக்கூறுகள் அசைவதனால் ஏற்படும் ஒரு சக்திப் பரிமாற்றமே. வெற்றிடத்தில் ஒலி எழுப்பமுடியாது. ஆனால் மின்காந்த அலைகள் இந்த பொறிமுறை அலைகளைவிட சற்று வித்தியாசமானது. அவற்றைப் பற்றி பார்க்க முதல், சக்தி என்றால் என்ன என்று பார்த்துவிடலாம்.

சக்தி/ஆற்றல் – “வேலையை செய்துமுடிக்கத் தேவையான அளவு” என நாம் இலகுவாக இதற்கு வரைவிலக்கணம் கூறலாம். சக்தியானது பல்வேறு நிலைகளில் காணப்படுகிறது, இயக்கப்பாட்டுச்சக்தி, வெப்பசக்தி, அழுத்தசக்தி இப்படி பல்வேறு நிலைகளில் காணப்படும் சக்தியை ஒரு நிலையில் இருந்து இன்னுமொரு நிலைக்கு மாற்றமுடியும். அத்தோடு சக்தியை சேமித்தும் வைக்கமுடியும், உதாரணமாக மின்கலத்தில் மின்சக்தி சேமிக்கப்பட்டிருக்கும். நீரணையால் தடுக்கப்பட்டிருக்கும் நீரில் அழுத்தசக்தி காணப்படும். அதேபோல இயங்கிக்கொண்டிருக்கும் பொருட்களில் இயக்கப்பாட்டுசக்தி காணப்படும், உதாரணம் ஓடிக்கொண்டிருக்கும் சைக்கிள்!

இதேபோலத்தான், ஏற்றம்கொண்ட அணுத்துணிக்கைகளான இலத்திரன்(மறை ஏற்றம்) மற்றும் ப்ரோத்திரன்(நேர் ஏற்றம்) ஆகியன அசையும்போது அவை மின்காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகின்றன. இந்தப் புலத்தினுள் மின்காந்த அலைகள் மின்காந்தக்கதிர்ப்புச் சக்தியை காவுகின்றன. மின்காந்தக்கதிர்புச் சக்தி என்ற சொல் உங்களுக்குப் புதிதாக இருக்கலாம். ஆனால் ஒளி என்ற சொல்லை உங்களுக்குத் தெரியும்! ஒளி – மின்காந்தக்கதிர்ப்புச் சக்தியின் ஒரு வகையே!

மின்காந்த அலைகள், பொறிமுறை அலைகளை விட சற்று வித்தியாசமானது என்று மேலே கூறினேன். எப்படியென்று பார்க்கலாம். மின்காந்த அலைகள் என்ற சொல்லிலேயே இரண்டுவகையான சக்திபற்றிய குறிப்பு காணப்படுகிறது. ஒன்று “மின்”, அடுத்தது “காந்தம்”.  இந்த இரண்டு சக்திகளும் ஒன்றோடு ஒன்று தொடர்புபட்டவை. மின்கம்பியில் மின்சாரம் பாயும் போது, அதனைச் சுற்றி காந்தப்புலம் தோன்றும். அதேபோல, காந்தப்புலத்தினுள் மின்கடத்தியை அசைப்பதன் மூலம் மின்சக்தியை பிறப்பிக்கமுடியும். பொதுவாக பாடசாலையில் அறிவியல் / விஞ்ஞான வகுப்பில் நீங்கள் இதைப் பற்றிப் படித்திருக்கலாம். அப்படியும் இல்லையென்றால், டைனமோ என்ற சொல்லாவது கேள்விப்படிருக்கலாம். சைக்கிள் டைனமோ ஒரு எளிய உதாரணம். ஒரு காந்தம், கொஞ்சம் கம்பி – காந்தம் சுழல, அதிலிருந்து கொஞ்சம் மின்சக்தி!

முதன்முதலில் மின்சக்திக்கும், காந்தசக்திக்கும் இருக்கும் தொடர்பை பயனுள்ளமுறையில் அறிந்துகொண்டு பயன்படுத்தியவர் – மைக்கல் பாரடே. டைனமோ, மோட்டார் என்ற எல்லா வஸ்துக்களுக்கும் வித்திட்ட மகான்! ஆனாலும் அவரது நண்பரான ஜேம்ஸ் மக்ஸ்வெல்தான் மின், காந்தப் புலங்களுக்கு இடையிலான தொடர்பை சமன்பாடுகள் மூலம் விளக்கியவர். மின்புலத்தில் ஏற்படும் மாற்றம் எவ்வாறு காந்தப்புலத்தைத் தாக்கும் என்றும், காந்தப்புலத்தில் ஏற்படும் மாற்றம் மீண்டும் எவ்வாறு மின்புலத்தில் தாக்கும் என்றும் சமன்பாடுகள் மூலம் நிருபித்தவர். இன்று இந்த சமன்பாடுகள் “மக்ஸ்வெல் சம்பாடுகள்” என அழைக்கப்படுகின்றன.

இவரது சமன்பாட்டின் பின்னரே ஒளியும் ஒரு மின்காந்த அலை என்பது நிருபணமானது. மக்ஸ்வெல்லின் கோட்பாட்டுப் படி, மின்புலமும், காந்தப்புலமும், ஒன்றுகொன்று செங்குத்தாக குறித்த வேகத்தில் அலைந்தால் (oscillate) மட்டுமே, அது மின்காந்த அலையைத் தோற்றுவிக்கும்.  அந்தவேகம் – செக்கனுக்கு 299,792,458 மீற்றர்கள். ஒளியின்வேகமும் அதுதானே!

ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தான மின்துடிப்பும், காந்தத்துடிப்பும் – மின்காந்தஅலைகள் தோன்றும் விதம்
ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தான மின்துடிப்பும், காந்தத்துடிப்பும் – மின்காந்தஅலைகள் தோன்றும் விதம்

ஒளி என்பது மின்காந்த அலைகளின் மொத்த நிறமாலையில் (spectrum) ஒரு பகுதியே. நம் கண்களால் உணரக்கூடிய பகுதி. மின்காந்த அலைகளில் இருக்கும் வேறுபட்ட நிறமாலைகள் வேறுபட்ட பண்புகளைக் கொண்டிருக்கின்றன. உதாரணமாக வெப்பம் அகச்சிவப்புக் கதிர்கள் (infrared waves) மூலம் சூரியனில் இருந்து எம்மை வந்தடைகிறது.

சூரியன் – இவரைப் பற்றிக் கூறாமல் மின்காந்த அலைகளைப் பற்றிக் கூறுவதென்பது அவ்வளவு சாத்தியமான விடயமல்ல. ஏனெனில் எமக்கு மிக அருகில் இருக்கும் மிகப்பெரிய மின்காந்தஅலை உருவாக்கி (electromagnetic generator) இவர்தான். சூரியன் ஒளியை மட்டும் வெளிவிடவில்லை, சொல்லபோனால் மின்காந்தஅலையில் இருக்கும் மொத்த நிறமாலை வீச்சிலும் அது சக்தியை வெளிவிடுகிறது. எம்மால் இலகுவாக ஒளியைப் பார்க்கலாம். வெப்பத்தை அகச்சிவப்புக் கதிர்கள் மூலம் உணரலாம். ஆனால் ரேடியோஅலை, நுண்அலை, எக்ஸ்கதிர், புறவூதாக்கதிர், காமாகதிர் போன்ற நம்மால் நேரடியாக உணரமுடியாத பல்வேறுபட்ட நிரமாலைகளில் அது சக்தியை வெளியிட்டுக்கொண்டே இருக்கிறது. அவற்றை உணர்வதற்கென்றே பிரத்தியோகமாக தயாரிக்கப்பட்ட உபகரணங்களைக் கொண்டு ஆய்வாளர்கள் இந்த வேறுபட்ட மின்காந்த அலைகளை ஆய்வுசெய்கின்றனர்.

அதென்ன மின்காந்தஅலைகளில் பல்வேறு வகைகள் என்று நீங்கள் சிந்திக்கலாம். மின்காந்தஅலைகள் எல்லாவற்றுக்கும் பொதுவான பண்புகள் உண்டு ஆனால் அவற்றை வேறுபடுத்துவது எந்தளவு சக்கதியை அவை கடத்துகின்றன என்பதுதான். எல்லா மின்காந்தஅலைகளும் மின்காந்தகதிர்புச் சக்தியையே கடத்துகின்றன, ஆனால் சில அலைகள், குறைந்தளவு சக்தியைக்கடத்துகிறது, ஆனால் சில அலைகள் மிக அதிகமான சக்தியைக் கடத்துகின்றன.

குறித்த மின்காந்த அலையை பின்வரும் அம்சங்கள் கொண்டு வேறுபடுத்தலாம்.

  1. அதிர்வெண் – இலகுவாக கூறவேண்டும் என்றால், அதிர்வெண் என்பது, ஒரு அலை ஒரு செக்கனுக்கு எத்தனை முறை துடிக்கும் என்பதாகும். இதை ஹெர்ட்ஸ் (Hertz – Hz) என்ற அலகில் அழகின்றனர். உதாரணமாக, 5Hz என்றால், அந்த அலை ஒரு செக்கனுக்கு 5 முறை துடிக்கும் என்று அர்த்தம்.
  2. அலைநீளம் – ஒரு அலையின் இரு மீளும் பகுதிகளுக்கு இடையிலான தூரமாகும். அலை அப்படியே வளைந்திருக்கும் அல்லவா? அதில் இரண்டு முடிகளுக்கு அல்லது இரண்டு தாழிகளுக்கு இடையிலான தூரம். (கீழுள்ள படத்தைப் பார்க்க) மின்காந்த அலைகளில், மிகக்குறுகிய அலைநீளம், அணுவைவிடச் சிறியது. அதேபோல மிகப்பெரிய அலைநீளம், பூமியின் விட்டத்தைவிடப் பெரியது!
  3. சக்தியின் அளவு – மின்காந்த அலையின் சக்தியை, இலத்திரன்வோல்ட் (eV) என்ற அலகினால் அளகின்றனர். ஒரு இலத்திரன்வோல்ட் எனப்படுவது, ஒரு இலத்திரனை, ஒரு வோல்ட் அழுத்தம் கொண்ட மின்புலத்தினுள் இயக்கத்தேவையான சக்தியின் அளவு.
    அலைநீளம் குறையக்குறைய அந்த அலைக்கற்றையின் சக்தியின் அளவு அதிகரிக்கும்.
அலை – தாழிகள், முடிகள், அலைநீளம்
அலை – தாழிகள், முடிகள், அலைநீளம்

மேலே குறிப்பிட அதிர்வெண், அலைநீளம் மற்றும் சக்தியின் அளவு ஆகிய மூன்றும் கணிதரீதியாக ஒன்றோடு ஒன்று தொடர்புபட்ட கணிமங்கள், அப்படியாயின், இந்த மூன்று விடயத்தில் எதாவது ஒன்றை அறிந்தால் மற்றைய இரண்டையும் சமன்பாடுகளைப் பயன்படுத்திக் கணிப்பிடமுடியும்.

emsAnatomy_mainContent_wave-energy

மின்காந்த அலைகளின் சக்தி வேறுபாடின் படி குறைந்த சக்திகொண்ட அலையில் இருந்து கூடிய சக்திகொண்ட அலைகளை பின்வருமாறு வகைப்படுத்தலாம்.

  1. ரேடியோஅலை (Radio Waves)
  2. நுண்ணலை (Microwaves)
  3. அகச்சிவப்புக் கதிர் (Infrared Waves)
  4. கட்புலனாகும் ஒளி (Visible Light)
  5. புறவூதாக்கதிர் (Ultraviolet Rays)
  6. எக்ஸ்கதிர் (X-Rays)
  7. காமாக்கதிர் (Gama Rays)

அடுத்த பாகத்தில் இவை ஒவ்வொன்றையும் பற்றி விரிவாகப் பார்க்கலாம்.

இரண்டாம் பாகம்: மின்காந்த அலைகள் 2 : பண்புகள்

படங்கள்: நாசா, இலங்கை கல்வித்திணைக்களம்.