विद्युतचुंबकीय तरंग क्या है?
बदलता विद्युत क्षेत्र बदलता चुंबकीय क्षेत्र बनाता है, और बदलता चुंबकीय क्षेत्र बदलता विद्युत क्षेत्र। दोनों मिलकर विद्युतचुंबकीय तरंग के रूप में चलते हैं। यह विचार 1860 के दशक में जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने दिया; 1887 में हाइनरिख हर्ट्ज़ ने पहली बार रेडियो तरंगें बनाईं और पकड़ीं।
EM तरंगें तब बनती हैं जब आवेश त्वरित होते हैं (जैसे एंटीना में ऊपर-नीचे चलते इलेक्ट्रॉन) या परमाणु में इलेक्ट्रॉन एक ऊर्जा स्तर से दूसरे पर कूदते हैं।
सभी EM तरंगों के साझा गुण
- ये अनुप्रस्थ हैं: क्षेत्र चलने की दिशा के लंबवत हिलते हैं।
- इन्हें माध्यम नहीं चाहिए; ये अंतरिक्ष का निर्वात पार करती हैं (इसी से धूप हम तक आती है)।
- निर्वात में सब c = 3 × 10⁸ m/s से चलती हैं (हर सेकंड 3 लाख km)।
- ये स्रोत से अवशोषक तक ऊर्जा ले जाती हैं।
- इनका परावर्तन, अपवर्तन (नए पदार्थ में चाल बदलने पर मुड़ना) और अवशोषण होता है।
सात प्रकार क्रम में
सबसे लंबी तरंगदैर्ध्य (सबसे कम आवृत्ति, सबसे कम ऊर्जा) से सबसे छोटी तरंगदैर्ध्य (सबसे ज़्यादा आवृत्ति, सबसे ज़्यादा ऊर्जा) तक:
- रेडियो तरंगें: λ लगभग 1 mm से कई km तक
- माइक्रोवेव: लगभग 1 mm से 30 cm
- अवरक्त (इन्फ़्रारेड): लगभग 700 nm से 1 mm
- दृश्य प्रकाश: लगभग 400 nm (बैंगनी) से 700 nm (लाल)
- पराबैंगनी (UV): लगभग 10 nm से 400 nm
- एक्स-किरण: लगभग 0.01 nm से 10 nm
- गामा किरण: लगभग 0.01 nm से छोटी
(1 nm = 10⁻⁹ m।) समूह एक-दूसरे में घुले हैं; कोई पक्की सीमा नहीं।
हमारी आँखें सिर्फ़ दृश्य हिस्सा देखती हैं। उसमें लाल की तरंगदैर्ध्य सबसे लंबी और बैंगनी की सबसे छोटी है: लाल, नारंगी, पीला, हरा, नीला, जामुनी, बैंगनी। कोई चीज़ लाल इसलिए दिखती है क्योंकि वह लाल प्रकाश लौटाती है और बाकी रंग सोख लेती है।
तरंग समीकरण: c = fλ
तरंग की चाल = आवृत्ति × तरंगदैर्ध्य, या c = f λ
- c मीटर प्रति सेकंड (m/s) में, f हर्ट्ज़ (Hz = प्रति सेकंड तरंगें) में, λ मीटर (m) में।
- निर्वात में c पक्का है, इसलिए ज़्यादा आवृत्ति मतलब छोटी तरंगदैर्ध्य।
- उलटकर: f = c ÷ λ और λ = c ÷ f।
उपसर्ग याद रखो: kHz = 10³ Hz, MHz = 10⁶ Hz, GHz = 10⁹ Hz।
EM तरंग काँच या पानी में जाए तो धीमी हो जाती है। उसकी आवृत्ति वही रहती है, इसलिए तरंगदैर्ध्य छोटी हो जाती है, और तिरछी जाए तो मुड़ती है (अपवर्तन)।
उपयोग और खतरे
- रेडियो: रेडियो और टीवी प्रसारण, मोबाइल संचार। एंटीना में दोलन करती धारा से बनती हैं; पाने वाले एंटीना में धारा भी पैदा करती हैं। खतरा बहुत कम।
- माइक्रोवेव: उपग्रह संपर्क, वाई-फ़ाई, खाना गरम करना (पानी के अणु इन्हें सोखकर गरम होते हैं)। खतरा: ज़्यादा शक्ति पर शरीर के अंदर ऊतक गरम होना।
- अवरक्त: हीटर, टोस्टर, रिमोट, ताप कैमरा, ऑप्टिकल फ़ाइबर डेटा। खतरा: त्वचा जलना।
- दृश्य: देखना, फ़ोटोग्राफ़ी, ऑप्टिकल फ़ाइबर। बहुत तेज़ प्रकाश (लेज़र, सूरज को देखना) आँखें खराब कर सकता है।
- पराबैंगनी: ऊर्जा-बचत लैंप, पानी कीटाणुरहित करना, नकली नोट पकड़ना, धूप से त्वचा का रंग। खतरा: धूप से जलन, त्वचा का जल्दी बूढ़ा होना, त्वचा कैंसर, आँखों को नुकसान। सनस्क्रीन और धूप का चश्मा लगाओ।
- एक्स-किरण: हड्डियों की तस्वीर (नरम ऊतक से निकल जाती हैं पर हड्डी इन्हें सोख लेती है), हवाई अड्डे की जाँच। खतरा: आयनकारी, कोशिकाओं को नुकसान; कर्मचारी सीसे की स्क्रीन के पीछे रहते हैं।
- गामा: कैंसर कोशिकाएँ नष्ट करना (रेडियोथेरेपी), चिकित्सा औज़ार और भोजन कीटाणुरहित करना। खतरा: आयनकारी, उत्परिवर्तन और कैंसर।
आयनकारी विकिरण में परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन निकालने भर की ऊर्जा होती है। पराबैंगनी (ऊँची ऊर्जा वाला सिरा), एक्स और गामा आयनकारी हैं। खतरा प्रकार, मात्रा (dose) और कितनी देर संपर्क रहा, इस पर निर्भर है।
करके देखो
टीवी रिमोट को फ़ोन कैमरे की ओर करके बटन दबाओ: कैमरा वह अवरक्त चमक देख लेता है जो आँखें नहीं देखतीं। फिर रिमोट के आगे एक कागज़ रखो, फिर स्टील की प्लेट, और देखो कौन सिग्नल रोकता है। फिर 3D में 7 परिवारों से स्लाइडर चलाओ और देखने से पहले अनुमान लगाओ कि हर एक आयनकारी है या नहीं।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- c = f λ
- f = c ÷ λ
- λ = c ÷ f
- c = 3 × 10⁸ m/s (निर्वात में)
- क्रम (लंबी λ → छोटी λ): रेडियो, माइक्रोवेव, अवरक्त, दृश्य, पराबैंगनी, एक्स, गामा
- ज़्यादा f → छोटी λ → ज़्यादा ऊर्जा
हल किए गए उदाहरण
1. एक FM स्टेशन 100 MHz पर प्रसारण करता है। तरंगदैर्ध्य निकालो।
f = 100 MHz = 1 × 10⁸ Hz। λ = c ÷ f = 3 × 10⁸ ÷ 1 × 10⁸ = 3 m।
2. माइक्रोवेव ओवन λ = 0.12 m की तरंगें इस्तेमाल करता है। आवृत्ति निकालो।
f = c ÷ λ = 3 × 10⁸ ÷ 0.12 = 2.5 × 10⁹ Hz = 2.5 GHz।
3. हरे प्रकाश की λ = 500 nm है। आवृत्ति निकालो।
500 nm = 5 × 10⁻⁷ m। f = 3 × 10⁸ ÷ 5 × 10⁻⁷ = 6 × 10¹⁴ Hz।
4. एक AM रेडियो तरंग की f = 600 kHz है। λ निकालो।
f = 6 × 10⁵ Hz। λ = 3 × 10⁸ ÷ 6 × 10⁵ = 500 m।
5. सूरज से धरती तक प्रकाश को लगभग 500 s लगते हैं। दूरी का अनुमान लगाओ।
दूरी = चाल × समय = 3 × 10⁸ × 500 = 1.5 × 10¹¹ m (15 करोड़ km)।
6. निर्वात में किसी तरंग की आवृत्ति दोगुनी कर दी जाए। तरंगदैर्ध्य और चाल का क्या होगा?
चाल 3 × 10⁸ m/s ही रहेगी। c = fλ पक्का है, इसलिए λ आधी हो जाएगी।
आम गलतियाँ
- यह सोचना कि गामा किरणें रेडियो तरंगों से तेज़ चलती हैं। निर्वात में सब EM तरंगों की चाल एक है।
- क्रम उलटा लगाना। रेडियो की तरंगदैर्ध्य सबसे लंबी और आवृत्ति सबसे कम है; गामा की सबसे छोटी और सबसे ज़्यादा।
- c = fλ लगाने से पहले MHz, GHz या nm को बदलना भूल जाना।
- ध्वनि को EM तरंग कहना। ध्वनि अनुदैर्ध्य तरंग है जिसे माध्यम चाहिए।