மின்காந்த அலைகள்

“ஒர் அறிவியல் சுகாப்தம் முடிவுற்று, அடித்த அறிவியல் சுகாப்தம் ஜேம்ஸ் கிளார்க் மேக்ஸ்வெல்லில் இருந்து தொடங்குகிறது” – ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன்

5.1 அறிமுகம்#

அலகு 4 இல் நேரத்தைப் பொறுத்து மாற்றமடையும் காந்தப்புலம், மின்புலத்தை உருவாக்கும் என பயின்றோம் (பாரடேயின் மின்காந்தத் தூண்டல் விதிகள்). இயற்கையானது சமச்சீர் (symmetry) பெற்றிருக்கும் என மேக்ஸ்வெல் உறுதியாக நம்பிக்கை கொண்டு பின்வரும் கேள்வியை முன்வைத்தார். அதாவது “நேரத்தைப்பொறுத்து மாற்றமடையும் காந்தப்புலம் மின்புலத்தை உருவாக்கும்போது, ஏன் நேரத்தைப்பொறுத்து மாற்றமடையும் மின்புலம் காந்தப்புலத்தை உருவாக்காது?”

உண்மையில் இவ்வாறு இருப்பதை பின்னர் அவர் மெய்ப்பித்தார். இது மேக்ஸ்வெல்லின் தூண்டல் விதி என்று சில நேரங்களில் அழைக்கப்படும். மேக்ஸ்வெல் முன்மொழிந்த கருத்தை, 1888 இல் எச். ஹெர்ட்ஸ் ஆய்வு மூலமாக நிரூபித்தார். இது நவீன தொழில் நுட்பக் கண்டுபிடிப்புகளான, முக்கியமாக கம்பியில்லா தொலைத்தொடர்பு, லேசர் (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), ரேடார் [RADAR (Radio Detection And Ranging)] தொழில்நுட்பம் மற்றும் பல கண்டுபிடிப்புகளுக்கு வழிவகுத்தது.

இன்றைய நவீன தொழில்நுட்ப உலகில், நமது அன்றாட வாழ்க்கையில் கைப்பேசியின் தாக்கம் மிகவும் அதிகம் (படம் 5.2 (அ) வில் காட்டப்பட்டுள்ளது). ஓரிடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு செய்திகளை விரைவாகவும், பயனுள்ள வகையிலும் அனுப்புவதற்கு இது ஒரு சிறந்த வழிமுறையாகும். ஒளி ஓர் மின்காந்த அலை என்ற தத்துவத்தின் அடிப்படையில் இது வேலை செய்கிறது. படம் 5.2 (ஆ) வில் காட்டியுள்ளவாறு, X – கதிர்கள் நம் உடலில் எலும்புமுறிவு ஏற்பட்டுள்ள இடத்தினை கண்டுபிடிக்க பயன்படுகிறது. உணவு சமைப்பதற்கு மைக்ரோ அலை சமையற்கலன் (Microwave oven) பயன்படுகிறது. மைக்ரோ அலையும் ஒரு மின்காந்த அலையாகும். பொறியியல், மருத்துவம் (லேசர் அறுவைசிகிச்சை), பாதுகாப்புத்துறை (ரேடார் சைகைகள்) போன்றவை மற்றும் அடிப்படை அறிவியல் ஆராய்ச்சி போன்ற துறைகளில் மின்காந்த அலைகளின் பயன்பாடு எண்ணிலடங்காததாகும். இந்த அலகில் மின்காந்த அலைகள் பற்றிய சில அடிப்படைக் கருத்துக்களை நாம் கற்க உள்ளோம்.

5.1.1 இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் மற்றும் ஆம்பியரின் சுற்று விதியில் மேக்ஸ்வெல் மேற்கொண்ட திருத்தம்#

தூண்டப்பட்ட காந்தப்புலம்

பாரடேயின் மின்காந்தத்தூண்டல் விதியிலிருந்து காந்தப்புலத்தில் ஏற்படும் மாற்றம், மின்புலத்தை உருவாக்குகிறது என்று பயின்றோம். கணித வடிவில் அதனை பின்வருமாறு எழுதலாம்.

இங்கு \( \Phi_B \) என்பது காந்தப்பாயம் மற்றும் \( \frac{d}{dt} \) என்பது நேரத்தைப் பொறுத்து வகைக்கெழு. மின்சுற்றால் மூடப்பட்ட பகுதியில் உள்ள காந்தப்பாயத்தில் \( \Phi_B \) மாற்றம் ஏற்படும்போது, மூடப்பட்ட சுற்றின் வழியே மின்புலம் \( \vec{E} \) தூண்டப்படுகிறது என்பதை சமன்பாடு (5.1) நமக்கு உணர்த்துகிறது.

சமச்சீர் இயல்பின் அடிப்படையில், மின்புலத்தில் ஏற்படும் மாற்றம் காந்தப்புலத்தை உருவாக்கும் என்று ஜேம்ஸ் கிளார்க் மேக்ஸ்வெல் காண்பித்தார். இது பின்வரும் சமன்பாட்டால் தரப்படுகிறது.

இங்கு \( \Phi_E \) என்பது மின்புலப்பாயமாகும். இதற்கு மேக்ஸ்வெல்லின் தூண்டல் விதி என்று பெயர். மின்சுற்றால் மூடப்பட்ட பகுதிக்குள் உள்ள மின்புலப்பாயத்தில் \( \Phi_E \) மாற்றம் ஏற்படும்போது, மூடப்பட்ட சுற்று வழியே காந்தப்புலம் \( \vec{B} \) தூண்டப்படுகிறது என்பதை இது விளக்குகிறது. மேலும் ரேடியோ அலைகள், காமா கதிர்கள், அகச்சிவப்புக் கதிர்கள் போன்ற மின்காந்த அலைகளின் இருப்பை இந்த மின் மற்றும் காந்தப்புலங்களுக்கு இடையேயான சமச்சீர் தன்மை விளக்குகிறது.

இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் – மேக்ஸ்வெல்லின் திருத்தம்

மாறுபடும் மின்புலம் எவ்வாறு காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகின்றது என்பதைப் புரிந்து கொள்ள இணைத்தட்டு மின்தேக்கியின் தகடுகளை மின்னேற்றம் செய்யும் நிகழ்வினைக் கருதுவோம். இணைத்தட்டுகளுக்கு இடையே மின்கடத்தா ஊடகம் உள்ளதாகக் கருதுக.

கம்பியின் வழியே பாயும் நேரத்தைப் பொறுத்து மாறும் மின்னோட்டத்தை கடத்து மின்னோட்டம் \( i_C \) என்க. இந்த கடத்து மின்னோட்டத்தால் மின்தேக்கி மின்னேற்றம் செய்யப்படுகிறது. மின்னோட்டம் தாங்கிய கம்பியைச் சுற்றி உருவாகும் காந்தப்புலத்தைக் கணக்கிட ஆம்பியரின் சுற்று விதியைப் பயன்படுத்தலாம்.

கம்பிக்கு அருகிலும் மின்தேக்கிக்கு வெளியிலுமாக அமைந்துள்ள புள்ளி Pல் காந்தப்புலத்தைக் கணக்கிட, வட்ட வடிவப் பரப்பு \( S_1 \) ஐ மூடியவாறு ஒரு வட்டவடிவ ஆம்பியரின் சுற்று ஒன்றை வரைவோம் (படம் 5.3). இச்சுற்றுக்கு ஆம்பியரின் விதியைப் பயன்படுத்த,

இங்கு, \( \mu_0 \) என்பது வெற்றிடத்தின் உட்புகுதிறனாகும்.

இப்போது அதே சுற்று பலூன் வடிவம் கொண்ட பரப்பு \( S_2 \) வினால் மூடப்பட்டுள்ளது (படம் 5.4). அதாவது \( S_1 \) மற்றும் \( S_2 \) இரண்டு பரப்புகளின் எல்லைகளுமே ஒன்றாக இருந்தாலும், அப்பரப்புகளின் வடிவம் வெவ்வேறாக உள்ளது. ஒரு மூடப்பட்ட சுற்றுக்கு ஆம்பியர் விதியைப் பயன்படுத்தும்போது, அது கொடுக்கும் பரப்பினுடைய வடிவத்தைப் பொறுத்து அமையாது என்பதால் இரு தொகையீடுகளும் ஒரே மதிப்பைத் தர வேண்டும். ஆனால் பரப்பு \( S_2 \) க்கு ஆம்பியரின் சுற்று விதியைப் பயன்படுத்தினால்,

ஏனெனில் கடத்து மின்னோட்டத்தைத் தாங்கும் கம்பியை பரப்பு \( S_2 \) எவ்விடத்திலும் தொடவில்லை; மேலும், மின்தேக்கித் தகடுகளின் இடைவெளியிலும் எந்த மின்னோட்டமும் இல்லை என்பதால், சமன்பாடு (5.4)ன் வலதுகைப் பக்கம் சுழி மதிப்பை அடைகிறது;. எனவே, புள்ளி Pல் காந்தப்புலம் சுழியாகும். ஆகையால், சமன்பாடு (5.3)க்கும் (5.4)க்கும் இடையே முரண்பாடு உள்ளதைக் காணலாம்.

இம்முரண்பாட்டிற்கு மேக்ஸ்வெல் பின்வரும் முறையில் தீர்வு கண்டார். மின்னேற்றம் அடைந்து கொண்டிருக்கும் நேரத்தில் மின்தேக்கியின் தகடுகளுக்கிடையே மாறுபடும் மின்புலம் உருவாகின்றது. இம்மாறுபடும் மின்புலத்தினால் ஒரு மின்னோட்டம் அத்தகடுகளுக்கிடையே பாய வேண்டும். அதாவது நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் மின்புலம் (அல்லது மின்பாயம்) ஒரு மின்னோட்டத்தை உருவாக்குகிறது. மின்தேக்கியின் தகடுகளுக்கிடையே பாயும் இம்மின்னோட்டம் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் (displacement current) என்றழைக்கப்படும் (படம் 5.5)

நிலைமின்னியலின் காஸ் விதியைப் பயன்படுத்த, மின்தேக்கியின் தகடுகளுக்கிடையே மின்பாயமானது,

இங்கு A என்பது மின்தேக்கித் தகடுகளின் பரப்பளவு. மின்பாயத்தின் மாறுபாடு,

இங்கு \( i_d = \frac{dq}{dt} \) என்பது இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் அல்லது மேக்ஸ்வெல்லின் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் என்றழைக்கப்படும்.

குறிப்பிட்ட ஒரு பகுதியில் நேரத்தைப் பொறுத்து மின்புலம் (அல்லது மின்பாயம்) மாற்றமடையும்போது, அதனால் உருவாகும் மின்னோட்டமே இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் என வரையறுக்கப்படுகிறது. அதாவது, எப்போதெல்லாம் மின்புலத்தில் மாற்றம் நிகழ்கிறதோ அங்கு இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் உருவாகின்றது.

ஆம்பியர் விதியை மேக்ஸ்வெல் பின்வரும் வகையில் மாற்றம் செய்தார்:

இங்கு பரப்பினால் சூழப்பட்ட மொத்த மின்னோட்டமானது கடத்து மின்னோட்டம் மற்றும் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் ஆகியவற்றின் கூடுதல் ஆகும். அதாவது, \( i = i_c + i_d \). சமன்பாடு (5.6) ஆம்பியர்-மேக்ஸ்வெல் விதி எனப்படுகிறது. மின்சுற்றில் மின்னோட்டம் மாறாமல் உள்ளபோது, இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் சுழியாகும்.

மின்தேக்கியின் தகடுகளுக்கிடையே கடத்து மின்னோட்டம் சுழியாகவும், இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் சுழியற்றதாகவும் உள்ளது. இந்த இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் அல்லது நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் மின்புலம் ஆனது இத்தகடுகளுக்கு இடையே ஒரு காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகிறது. படம் (5.6)ல் காட்டியுள்ளவாறு இக்காந்தப்புலம் மின்புலத்தின் திசைக்கு செங்குத்தாக அமைந்துள்ளது. இக்காந்தப்புலத்தின் மதிப்பை சமன்பாடு (5.6) ஆல் அறியலாம்.

மேக்ஸ்வெல் திருத்தத்தின் முக்கியத்துவம்:

சூரியனிலிருந்தும் பிற விண்மீன்களிலிருந்தும் கதிர்வீச்சுகளை பூமி பெறுகிறது. மின்துகளோ மின்னோட்டமோ ஏதுமற்ற வெற்றிட வெளியினூடே இக்கதிர்வீச்சுகள் பரவுகின்றன. ஆம்பியர் விதிப்படி, மின்னோட்டத்தினால் மட்டுமே காந்தப்புலத்தை உருவாக்க முடியும். இவ்விதி மட்டுமே மெய்யாக இருக்குமேயானால், எந்தக் கதிர்வீச்சுமே உருவாக இயலாது.

நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் மின்புலம் அல்லது இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டமும் கூட காந்தப்புலத்தை உருவாக்கும் என்பதை ஆம்பியர் விதியில் மேக்ஸ்வெல் செய்த திருத்தமான \( \mu_0 \varepsilon_0 \frac{d\Phi_E}{dt} \) என்ற பதம் உறுதி செய்கிறது. வெற்றிடமாகவுள்ள புறவெளியில் கடத்து மின்னோட்டம் சுழியாக இருப்பினும், இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் இருக்கிறது. எனவே, சமன்பாடு (5.6),

விண்மீன்களிலுள்ள அணுக்களின் வெப்பக் கிளர்வினால், நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் மின்புலம் உருவாகின்றது; இதனால் நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் காந்தப்புலம் உருவாகின்றது. பாரடேயின் விதிப்படி, நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் இக்காந்தப்புலத்தால் நேரத்தைப் பொறுத்து மாறும் மின்புலம் மீண்டும் உருவாக்கப்படுகிறது; (புலங்களை உருவாக்கும்) இந்நிகழ்வுகள் தொடர்ந்து ஏற்படுகின்றன. ஒன்றுக்கொன்று தொடர்புடைய, நேரத்தைப் பொறுத்து மாறுபடும் மின்புலமும் காந்தப்புலமும் வெற்றிட வெளியில் ஒளியின் வேகத்தில் பரவுகின்றன; இதையே மின்காந்த அலை என்பர்.

சமச்சீர் இயல்பின் அடிப்படையில் மட்டுமே மேக்ஸ்வெல் தன் வாதத்தை வைத்துத் தொடங்கினாலும், அண்டத்தின் ஒரு முக்கிய இயல்பான மின்காந்த அலைகளின் இருப்பை ஆம்பியர் சமன்பாட்டில் அவர் அளித்த திருத்த பதம் விளக்குகின்றது.

குறிப்பு

இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம்

மேக்ஸ்வெல் தான் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் என்ற சொல்லைத் தேர்வு செய்தார். ஆனால் உண்மையில் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டத்தில் எந்த மின்துகளும் இடப்பெயர்ச்சி அடைவதில்லை. வரலாற்றுக் காரணங்களுக்காக நாம் அதே பெயரை பயன்படுத்துகிறோம்.

எடுத்துக்காட்டு 5.1

230 V RMS மதிப்பும் 50 Hz அதிர்வெண்ணும் கொண்ட மாறுதிசை மின்னழுத்த மூலத்துடன் இணைத்தட்டு மின்தேக்கி ஒன்று இணைக்கப்பட்டுள்ளது. மின்தேக்கியின் தட்டுகளுக்கு இடையேயான தொலைவு 1 mm மற்றும் அவற்றின் பரப்பளவு 20 cm² எனில் நேரம் t = 1 s –ல் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டத்தின் மதிப்பைக் கணக்கிடுக.

தீர்வு

மின்தேக்கியின் தகடுகளுக்கு இடையே மின்னழுத்த வேறுபாடு,

\( V = V_{max} \sin 2\pi ft \)

\( = 230\sqrt{2} \sin(2\pi \times 50t) \)

\( \therefore V = 325 \sin 100\pi t \)

\( d = 1 \ \mathrm{mm} = 1 \times 10^{-3} \ \mathrm{m} \)

\( A = 20 \ \mathrm{cm^2} = 20 \times 10^{-4} \ \mathrm{m^2} \)

இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம்,

\( \therefore i_d = \varepsilon_0 A \frac{d}{dt} \left( \frac{V}{d} \right) = \frac{\varepsilon_0 A}{d} \frac{dV}{dt} \)

\( = \frac{8.85 \times 10^{-12} \times 20 \times 10^{-4}}{1 \times 10^{-3}} \times 325 \times 100\pi \cos(100\pi \times 1) \)

\( = 1.81 \times 10^{-6} [\cos(100\pi)] = 1.81 \ \mu A \)

\( \because \cos 100\pi = 1 \)

5.1.2 மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகளின் தொகை நுண்கணித வடிவம்#

மின்னியக்கவியலை, மேக்ஸ்வெல்லின் சமன்பாடுகள் என்று அழைக்கப்படும் நான்கு அடிப்படைச் சமன்பாடுகளாக சுருக்கி விடலாம். இவை இயக்கவியலில் உள்ள நியூட்டனின் விதிகளுக்கு இணையாக உள்ளன. மின்துகள்கள், மின்னோட்டங்கள் ஆகியவற்றின் இயல்புகளையும், மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலங்களின் பண்புகளையும் மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகள் முழுமையாக விளக்குகின்றன. இச்சமன்பாடுகளை தொகை நுண்கணித வடிவிலோ அல்லது வகை நுண்கணித வடிவிலோ எழுதலாம். மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகளின் வகை நுண்கணித வடிவம் நமது பாடத்திட்டத்திற்கு அப்பாற்பட்டது. எனவே, நமது கவனத்தை மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகளின் தொகை நுண்கணித வடிவத்தில் மட்டும் இங்கு செலுத்துவோம். அவை பின்வருமாறு:

முதல் சமன்பாடு

முதல் சமன்பாடு மின்னியலின் காஸ் விதி சமன்பாடு ஆகும். இது நிகர மின்புலப்பாயத்தை, மூடப்பட்ட பரப்பிலுள்ள நிகர மின்னூட்டத்தோடு தொடர்பு படுத்துகிறது. கணித சமன்பாட்டின்படி பின்வருமாறு இதனை எழுதலாம்.

இங்கு \( \vec{E} \) என்பது மின்புலம் மற்றும் \( Q \) மூடப்பட்ட என்பது மூடப்பட்ட பரப்பிலுள்ள மின்துகள்களின் நிகர மின்னூட்டமாகும். இச்சமன்பாடு தனித்தனியான (discrete) மின்துகள்கள் மற்றும் மின்துகள்களின் தொடர்பகிர்வு (continuous distribution) ஆகிய இரண்டிற்கும் பொருந்தும்.

மேலும் மின்புலக் கோடுகள் நேர்மின்துகள்களில் தொடங்கி எதிர் மின்துகள்களில் முடிவடைகின்றன என்பதையும் இது நமக்கு விளக்குகிறது. மேலும் மின்புலக் கோடுகள் ஒரு மூடப்பட்ட வளைவுப்பாதையை உருவாக்குவதில்லை என்பதையும் நமக்கு உணர்த்துகிறது. வேறுவகையில் கூறுவோமாயின் தனித்த நேர்மின்துகள் அல்லது எதிர் மின்துகள் இயற்கையில் தோன்றுகின்றன.

இரண்டாவது சமன்பாடு

இது நிலைமின்னியலின் காஸ் விதியை ஒத்துள்ளது. எனவே இவ்விதியை காந்தவியலின் காஸ் விதி என்று அழைக்கலாம். இவ்விதியின்படி, ஒரு மூடப்பட்ட பரப்பிலுள்ள காந்தப்புலத்தின் பரப்பு தொகையீட்டு மதிப்பு சுழியாகும். கணிதவியல் சமன்பாட்டின்படி இங்கு \( \vec{B} \) என்பது காந்தப்புலத்தை குறிக்கிறது.

காந்தவிசைக் கோடுகள் அல்லது காந்தப்புலக் கோடுகள் ஒரு மூடப்பட்ட தொடர்பாதையை உருவாக்கும் என்பதை இவ்விதி நமக்கு உணர்த்துகிறது. வேறுவகையில் கூறுவோமாயின் தனித்த காந்த ஒருமுனை (வடமுனை அல்லது தென்முனை) எப்போதும் இயற்கையில் உருவாகாது என்பதை நமக்கு இது உணர்த்துகிறது.

மூன்றாவது சமன்பாடு

இது பாரடேயின் மின்காந்தத் தூண்டல் விதியாகும். இவ்விதி மாறுபடும் காந்தப்பாயத்துடன் மின்புலத்தைத் தொடர்புபடுத்துகிறது. கணிதவியல் சமன்பாட்டின்படி

இங்கு, \( \vec{E} \) என்பது மின்புலமாகும். ஒரு மூடப்பட்ட பாதையைச் சுற்றியுள்ள மின்புலத்தின் கோட்டுவழித் தொகையீட்டு மதிப்பு, மூடப்பட்ட பாதையால் சூழப்பட்ட பரப்பு வழியே செல்லும் காந்தப்பாயத்தின் நேரத்தைப் பொறுத்த மாற்றத்திற்குச் சமம்.

நமது நவீன தொழில் நுட்பப்புரட்சிக்குக் காரணம் பாரடேயின் மின்காந்தத்தூண்டல் விதிகளாகும்.

நான்காவது சமன்பாடு

இது ஆம்பியர் சுற்றுவிதியின் மாற்றியமைக்கப்பட்ட வடிவமாகும். இதனை ஆம்பியர் – மேக்ஸ்வெல் விதி என்றும் அழைக்கலாம். இவ்விதி ஒரு மூடப்பட்ட பாதையைச் சுற்றியுள்ள காந்தப்புலத்தையும், அம்மூடப்பட்ட பாதையில் பாயும் கடத்து மின்னோட்டம் மற்றும் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டத்தையும் தொடர்பு படுத்துகிறது.

இங்கு \( \vec{B} \) என்பது காந்தப்புலமாகும். இவ்விதி கடத்து மின்னோட்டம் மற்றும் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டம் இரண்டுமே காந்தப்புலத்தை உருவாக்கும் எனக் காட்டுகிறது.

இந்த நான்கு சமன்பாடுகள் மின்னியக்கவியலின் மேக்ஸ்வெல் சமன்பாடுகள் என அழைக்கப்படுகின்றன. இச்சமன்பாடுகள் மின்காந்த அலைகளின் இருப்பை உறுதிசெய்கின்றன. விண்மீன்கள், விண்மீன் தொகுப்புகள், கோள்கள் போன்றவற்றைப்பற்றிய புரிதல், இவ்வான் பொருட்களிலிருந்து வெளியிடப்படும் மின்காந்த அலைகளை ஆய்வு செய்வதாலேயே ஏற்படுகின்றது.

5.2 மின்காந்த அலைகள்#

மின்காந்த அலைகள் என்பவை இயந்திர அலைகளிலிருந்து மாறுபட்ட வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகத்திற்குச் சமமான வேகத்தில் செல்லும் அலைகளாகும். இது ஒரு குறுக்கலையாகும். இப்பகுதியில் நாம் மின்காந்த அலைகளின் உருவாக்கம், அவற்றின் பண்புகள், மின்காந்த அலைகளின் மூலங்கள் மற்றும் மின்காந்த அலைகளின் வகைப்பாடு பற்றி கற்கலாம்.

5.2.1 மின்காந்த அலைகளின் உருவாக்கம் மற்றும் பண்புகள் – ஹெர்ட்ஸ் ஆய்வு#

மேக்ஸ்வெல்லின் கணிப்பு, ஆராய்ச்சி பூர்வமாக 1888 இல் ஹென்ரிக் ரூடால்ஃப் ஹெர்ட்ஸ் என்பாரால் நிரூபிக்கப்பட்டது. ஆய்வு அமைப்பு படம் 5.7 (ஆ) வில் காட்டப்பட்டுள்ளது.

இக்கருவியில் சிறிய உலோகக் கோளங்களால் செய்யப்பட்ட இரண்டு உலோக மின்வாய்கள் அமைக்கப்பட்டுள்ளன. இவை பெரிய கோளங்களுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. மின்வாய்களின் மறுமுனைகள் மிக அதிக சுற்றுகளையுடைய தூண்டுசுருளுடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. இவ்வமைப்பு மிக அதிக மின்னியக்கு விசையை (emf) உருவாக்கும்.

கம்பிச்சுரள் மிக உயர்ந்த மின்னழுத்தத்தைப் பெற்றுள்ளதால் மின்வாய்களுக்கு இடையே உள்ள காற்று அயனியாகி தீப்பொறி ஏற்படுகின்றது (மின்னிறக்கத்தால் தீப்பொறி ஏற்படுகின்றது). மின்வாய்களுக்கிடையே உள்ள சிறிய இடைவெளியிலும் தீப்பொறி ஏற்படுகிறது (மின்வாய் முழுவதும் மூடப்படாமல் வளைய வடிவில் சிறிய இடைவெளியுடன் காணப்படுகின்றன). மின்வாயிலிருந்து ஆற்றல் ஏற்கும் முனைக்கு (வளைய மின்வாய்க்கு) ஆற்றல் அலை வடிவில் கடத்தப்படுகின்றது. இந்த அலையே மின்காந்த அலையாகும்.

ஏற்கும் முனையை 90° சுழற்றினால் ஏற்கும் முனை தீப்பொறி எதையும் பெறாது. இது மேக்ஸ்வெல் கணிப்புப்படி மின்காந்த அலைகள் குறுக்கலைகள்தான் என்பதை உறுதிப்படுத்துகிறது. ஹெர்ட்ஸ் இந்த ஆய்விலிருந்து ரேடியோ அலைகளை உருவாக்கினார். மேலும் இவை ஒளியின் வேகத்திற்கு சமமான வேகத்தில் \( 3 \times 10^8 \ \mathrm{m \ s^{-1}} \) செல்வதை உறுதிப்படுத்தினார்.

குறிப்பு

முறையான அமைப்பைக் கொண்ட LC அமைவியற்றி சுற்று மூலம் ரேடியோ அலையை உருவாக்கலாம். இந்த ரேடியோ அலையின் அதிர்வெண்ணானது LC அமைவியற்றியின் அதிர்வெண்ணுக்கு சமமாக இருக்கும்.$ f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \text{ Hz} $

மின்காந்த அலைகளின் பண்புகள்

1. முடுக்கிவிடப்பட்ட மின்துகள்கள் (accelerated charges) மின்காந்த அலைகளை உருவாக்குகின்றன.

2. மின்காந்த அலைகள் பரவுவதற்கு எவ்விதமான ஊடகமும் தேவையில்லை. எனவே, மின்காந்த அலை இயந்திர அலையல்ல.

4. வெற்றிடத்தில் ஒளி செல்லும் வேகத்திற்கு சமமான வேகத்தில் மின்காந்த அலைகள் செல்கின்றன. $\left[c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}} = 3 \times 10^8 \text{ ms}^{-1}\right]$.

இங்கு $\epsilon_0$ என்பது வெற்றிடத்தின் விடுதிறன் $\mu_0$ என்பது வெற்றிடத்தின் உட்கு his திறனாகும். (விடுதிறன் பற்றி அறிய அலகு 1 மற்றும் உட்கு திறன்பற்றி அறிய அலகு 3 ஐப் பார்க்கவும்)

5. வெற்றிடத்தில் மின்காந்த அலையின் வேகத்தைவிட, மின்புகுதிறன் மற்றும் காந்த உட்புகுதிறன் கொண்ட ஊடகத்தில் மின்காந்த அலையின் வேகம் குறைவாகும். அதாவது \( v < c \); \( n = \frac{c}{v} = \frac{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}{\sqrt{\varepsilon \mu}} \) \( \therefore n = \sqrt{\varepsilon_r \mu_r} \) இங்கு \( \varepsilon_r \) என்பது ஊடகத்தின் ஒப்புமை விருதிறன் (இதனை மின்காப்பு மாறிலி என்றும் அழைக்கலாம்). மேலும் \( \mu_r \) என்பது ஊடகத்தின் ஒப்புமை உட்புகுதிறனாகும்.

6. மின்காந்த அலைகள் மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலத்தால் விலகல் அடையாது.

7. மின்காந்த அலைகள் குறுக்கீட்டு விளைவு, விளிப்பு விளைவு ஆகியவற்றை ஏற்படுத்தும். மேலும் இவை தளவிளைவிற்கும் உட்படும்.

8. பிற அலைகளைப் போன்றே மின்காந்த அலைகளுக்கும் ஆற்றல், நேர்க்கோட்டு உந்தம் மற்றும் கோண உந்தம் ஆகியவை உள்ளன.

9. ஒரு பொருளின் பரப்பின் மீது விழும் மின்காந்த அலை முழுவதும் அப்பரப்பினால் உட்கவரப்பட்டால், செலுத்தப்பட்ட ஆற்றலானது \( U \) பரப்பின்மீது செலுத்திய உந்தம் \( p = \frac{U}{c} \)

10. பரவுகின்ற மின்காந்த அலையின் ஆற்றல் \( U \) முழுவதும் பரப்பினால் எதிரொளிக்கப்பட்டால், பரப்பிற்கு அளிக்கப்பட்ட உந்தம் $ \Delta p = \frac{U}{c} - \left( -\frac{U}{c} \right) = 2\frac{U}{c} \ \text{ஆகும்.} $

உங்களுக்குத் தெரியுமா?

• துகள்களைப் போன்றே மின்காந்த அலைகளுக்கும் நேர்க்கோட்டு உந்தம் மற்றும் கோண உந்தம் ஆகிய பண்புகள் உள்ளன என்பது ஒரு வியப்பான இயல்பாகும். ஒளியியல் இழுவைகளின் (optical tweezers) கண்டுபிடிப்பு மற்றும் உயர் தீவிர ஒளித் துடிப்புகளின் உருவாக்கம் ஆகியவற்றிற்காக 2018 ஆம் ஆண்டு நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

• நுண்ணுயிர்கள் மற்றும் மூலக்கூறுகள் ஆகியவற்றை ஒருஇடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு நகர்த்தப் பயன்படும் ஒரு கருவியே ஒளியியல் இழுவை ஆகும். மருத்துவத் துறையில் இதற்கு பல பயன்பாடுகள் உள்ளன. உடலில் உள்ள திசுக்களிலிருந்து (normal tissues) பாக்டீரியா மற்றும் வைரசுகளைப் பிரித்தெடுப்பதிலும், புற்றுநோய் செல்களிலிருந்து நல்ல நிலையில் உள்ள செல்களை மட்டும் தனியே பிரித்தெடுப்பதிலும் இவை பயன்படுகின்றன. மின்காந்த அலைகளின் நேர்க்கோட்டு உந்தப் பண்பைப் பயன்படுத்தியே ஒளியியல் இழுவைகள் செயல்படுகின்றன.

• அதிகளவிலான நேர்க்கோட்டு உந்தத்தை சூரிய ஒளி அளிப்பதால் ஒரு வால் விண்மீனின் பரும்பொருள் நிறை பின்னோக்கி தள்ளப்படுவதால் தான் அதற்கு வால் போன்ற அமைப்பு உருவாகின்றது.

• மின்காந்த அலைகளின் கோண உந்தப் பண்பை எளிதில் புரிந்து கொள்ளலாம். எதிரெதிர் மின்னூட்டம் தாங்கிய, ஓரச்சில் அமைந்த இரு உள்ளீடற்ற உருளைகளுக்கு இடையில் வரிச்சுருள் ஒன்று வைக்கப்பட்டுள்ள அமைப்பு ஒன்றைக் கருதுக. அவ்வுருளைகளில் பாய்ந்து கொண்டிருக்கும் மாறுதிசை மின்னோட்டம் திடீரென நிறுத்தப்பட்டால், உள் உருளையும் வெளி உருளையும் எதிரெதிர் திசையில் சுழல ஆரம்பிக்கும். மாறுதிசை மின்னோட்டத்தினால் உருவாகும் மின்காந்தப் புலத்தின் கோண உந்தம் இவ்வுருளைகளுக்கு அளிக்கப்படுவதனாலேயே அவை சுழல்கின்றன.

எடுத்துக்காட்டு 5.2

ஊடகம் ஒன்றின் ஒப்புமை காந்த உட்புகுதிறன் 2.5 மற்றும் ஒப்புமை மின் விருதிறன் 2.25 எனில் அவ்வூடகத்தின் ஒளிவிலகல் எண்ணைக் காண்க.

தீர்வு

ஊடகத்தின் மின்காப்பு மாறிலி (ஒப்புமை விருதிறன்) \( \varepsilon_r = 2.25 \)

காந்த உட்புகுதிறன் \( \mu_r = 2.5 \)

ஊடகத்தின் ஒளிவிலகல் எண்,

5.2.2 மின்காந்த அலைகளின் மூலங்கள்#

ஓய்வில் உள்ள எந்த ஒரு மின்துகளும், மின்புலத்தை மட்டுமே உருவாக்கும் (அலகு 1 ஐ பார்க்கவும்). ஆனால் அம்மின்துகள் சீரான திசைவேகத்தில் இயங்கும்போது மாறாத மின்னோட்டத்தை கடத்தியில் உருவாக்கி, மின்துகள் பாயும் கடத்தியைச் சுற்றிலும் காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகிறது (இக்காந்தப்புலம் நேரத்தைச் சார்ந்ததல்ல, வெளியைச் சார்ந்தது). மின்னூட்டப்பட்ட துகள்கள் முடுக்கமடையும் போது, மின்புலத்துடன் கூடுதலாக காந்தப்புலத்தையும் உருவாக்குகிறது. மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலம் இவ்விரண்டு புலங்களும் நேரத்தைப்பொறுத்து மாற்றமடையும் புலங்களாகும். மின்காந்த அலைகள் குறுக்கலைகளாகும். எனவே மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலம் உள்ள தளங்களுக்கு செங்குத்தாக உள்ள திசையில் மின்காந்த அலை பரவும்.

எந்த ஒரு அலைவு இயக்கமும், முடுக்கப்பட்ட இயக்கமாகும். எனவே, படம் 5.9இல் காட்டியுள்ளவாறு ஒரு மின்துகளானது மையப்புள்ளியைப் பொறுத்து அலைவுறும்போது, (அல்லது மூலக்கூறு இருமுனை அலைவுறும்போது) மின்காந்த அலைகளைத் தோற்றுவிக்கும்.

வெற்றிடத்தில் மின்காந்த அலை பரவும் திசை z-அச்சு எனவும், அதன் மின்புல வெக்டரின் திசை x-அச்சு எனவும் கொண்டால் காந்தப்புல வெக்டரின் திசை, அலைபரவும் திசை மற்றும் மின்புல வெக்டரின் திசை இவ்விரண்டு திசைகளுக்கும் செங்குத்தான திசையில் செயல்படும். அதாவது

இங்கு \( E_0 \) மற்றும் \( B_0 \) என்பவை முறையே அலைவுறும் மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலங்களின் வீச்சுகள் (amplitude) ஆகும். k என்பது அலை எண், \( \omega \) என்பது அலையின் கோண அதிர்வெண் மற்றும் \( \hat{k} \) (ஓரலகு வெக்டர். இதற்கு பரவு வெக்டர் என்று பெயர்) மின்காந்த அலை பரவும் திசையினைக் காட்டுகிறது.

மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலம் இரண்டும் ஒரு குறிப்பிட்ட அதிர்வெண்ணில் (மின்காந்த அலையின் அதிர்வெண்) அதிர்வுறுகின்றன. அந்த அதிர்வெண் மின்காந்த அலையின் மூலத்தின் (source of EM wave) அதிர்வெண்ணுக்குச் சமமாகும். (இங்கு அலைவுறும் மின்துகள் மின்காந்த அலைகளைத் தோற்றுவிக்கும் மூலமாகச் செயல்படுகிறது). வெற்றிடத்தில் \( E_0 \) மற்றும் \( B_0 \) இன் விகிதம் மின்காந்த அலையின் வேகத்திற்குச் சமமாகும். அதாவது ஒளியின் வேகத்திற்கு \( c \) சமமாகும்.

எந்த ஒரு ஊடகத்திலும் \( E_0 \) மற்றும் \( B_0 \) இன் விகிதம் அந்த ஊடகத்தில் பரவும் மின்காந்த அலையின் வேகத்திற்கு \( v \) சமமாகும். எனவே,

மேலும் மின்காந்த அலையின் ஆற்றல், அலைவுறும் மின்துகள்களின் இயக்க ஆற்றலிலிருந்து கிடைக்கிறது.

எடுத்துக்காட்டு 5.3

மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலத்தின் வீச்சுகள் முறையே \( 3 \times 10^4 \ \mathrm{N \ C^{-1}} \) மற்றும் \( 2 \times 10^{-4} \ \mathrm{T} \) கொண்ட, ஊடகத்தின் வழியே செல்லும் மின்காந்த அலையின் வேகத்தைக் காண்க.

தீர்வு

மின்புலத்தின் வீச்சு, \( E_0 = 3 \times 10^4 \ \mathrm{N \ C^{-1}} \)

காந்தப்புலத்தின் வீச்சு, \( B_0 = 2 \times 10^{-4} \ \mathrm{T} \)

ஊடகத்தின் வழியே பாயும் மின்காந்த அலையின் வேகம்

5.2.3 மின்காந்த அலை நிறமாலை#

அலைநீளம் அல்லது அதிர்வெண்ணின் அடிப்படையில் வரிசைக்கிரமமாக அமைக்கப்பட்ட மின்காந்த அலைகளின் தொகுப்பே, மின்காந்த நிறமாலை (Electromagnetic spectrum) என்று அழைக்கப்படும். இது படம் 5.10 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

ரேடியோ அலைகள் (Radio waves)

மின்சுற்றில் உள்ள மின்னலை இயற்றிகளினால் ரேடியோ அலைகள் உருவாக்கப்படுகின்றன. இதன் அதிர்வெண் வரம்பு சில Hz முதல் \( 10^9 \ \mathrm{Hz} \) வரை இருக்கும்.

இவ்வகை அலைகள் எதிரொளிப்பு மற்றும் விளிம்பு விளைவிற்கு உட்படுகின்றன.

இது வானொலி மற்றும் தொலைக்காட்சி செய்தித்தொடர்பு அமைப்பில் பயன்படுகிறது. மேலும் மீடியம் அதிர்வெண் படைக்களில் செயல்படும் கைப்பேசிகள் குரல் தகவல் தொடர்பிலும் ரேடியோ அலைகள் பயன்படுகின்றன.

மைக்ரோ அலைகள் (Micro waves)

சிறப்பு வெற்றிடக் குழாய்களான கிளைஸ்ட்ரான், மேக்னட்ரான் மற்றும் கன் டையோடு (gunn diode) ஆகியவற்றால் மைக்ரோ அலைகள் உருவாக்கப்படுகின்றன. இதன் அதிர்வெண் வரம்பு \( 10^9 \ \mathrm{Hz} \) முதல் \( 10^{11} \ \mathrm{Hz} \) வரை இருக்கும். இவ்வகை அலைகள் எதிரொளிப்பு மற்றும் தளவிளைவிற்கு உட்படுகின்றன.

இது ராடார் கருவிகளில் விமானங்களை வழிநடத்தியும், அவற்றின் வேகங்களை கண்டறியவும் பயன்படுகிறது. மைக்ரோ அலை சமையல்களில் பயன்படுகிறது. மேலும் செயற்கைக்கோள் வழியே நடைபெறும் நீண்டதூர கம்பியில்லா செய்தித்தொடர்பிற்கும் இது பயன்படுகிறது.

அகச்சிவப்புக் கதிர்கள் (Infrared rays)

வெப்ப மூலங்களினால் அகச்சிவப்புக் கதிர்வீச்சு உருவாகிறது (இதனை வெப்ப அலைகள் என்றும் அழைக்கலாம்). மேலும் மூலக்கூறுகள் சுழற்சி இயக்கத்தையோ அல்லது அதிர்வு இயக்கத்தையோ மேற்கொள்ளும் போது அகச்சிவப்புக் கதிர்வீச்சு உருவாகிறது. இதன் அதிர்வெண் நெடுக்கம் \( 10^{11} \ \mathrm{Hz} \) முதல் \( 4 \times 10^{14} \ \mathrm{Hz} \) வரை காணப்படும்.

இவை சூரிய மின்கலன் வடிவில் செயற்கைக்கோள்களுக்கு ஆற்றலை அளிக்கிறது. அகச்சிவப்பு கதிர்களைக் கொண்டு பழங்களில் உள்ள நீரினை நீக்கி உலர் பழங்களை உருவாக்குகின்றனர். பசுமை இல்லங்களில் வெப்பக்காப்பாளனாக இவை பயன்படுகின்றன, தசையில் ஏற்படும் வலி மற்றும் சுருக்கத்தை சரிசெய்ய வெப்ப மருத்துவ சிகிச்சை முறையில் இது பயன்படுகிறது. தொலைக்காட்சி பெட்டியில் பயன்படும் தொலைக்கட்டுப்பாட்டு உணர்வியில் (Remote) இது பயன்படுகின்றது. மங்கலான மூடுபனியில் எதிரே வரும் வாகனங்களை பார்ப்பதற்கும், இரவு நேரங்களில் பார்ப்பதற்கும், அகச்சிவப்பு புகைப்படம் எடுக்கவும் அகச்சிவப்புக் கதிர்கள் பயன்படுகிறது.

செயல்பாடு

மைக்ரோ அலை சமையல்கலன் கொண்டு ஒளியின் வேகத்தை அளத்தல்:

தற்காலத்தில் உணவுப்பொருட்களை சூடாக்க மைக்ரோ அலை சமையல்கலன் பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. இந்த வகை சமையல்கலன்களில் 1 mm முதல் 30 cm வரை அலைநீளமுடைய மைக்ரோ அலைகள் உருவாக்கப்படுகின்றன. இந்த அலைகள் மைக்ரோ அலை சமையல்கலனின் உட்புற சுவர்களுக்கிடையே ஓர் நிலைஅலை அமைப்பை (standing wave pattern) உருவாக்குகின்றன. இவ்வமைப்பினைப் பயன்படுத்தி ஒளியின் வேகத்தை பின்வரும் செயல்முறையின் மூலம் அளக்க முடியும்.

நிலை அலைகளைப்பற்றி நாம் +1 வகுப்பு தொகுதி இரண்டு, அலகு 11 - இல் பயின்றோம். நிலை அலைகள் கணுக்கள் மற்றும் எதிர்க்கணுக்களை குறிப்பிட்ட புள்ளிகளில் பெற்றிருக்கும். கணுப்பகுதியில் அலையின் வீச்சு சுழியாகும். எதிர்க்கணுவில் அலையின் வீச்சு பெருமமாகும். வேறுவகையில் கூறுவோமாயின் மைக்ரோ அலையின் பெரும ஆற்றல் எதிர்க்கணுப்பகுதியில் அமைந்துள்ளது. சமையல்கலனின் உட்புறம் உள்ள சுழலும் மேடையை நீக்கிவிட்டு சப்பாத்தி அல்லது சாக்லேட் போன்ற உணவுப்பொருளை வைக்கும்போது எதிர்க்கணுப்பகுதிகள் மற்ற பகுதிகளைவிட அதிகம் சூடாகியிருப்பதைக் காணலாம். இது படம் (இ) மற்றும் (ஈ) யில் காட்டப்பட்டுள்ளது. அதிகம் சூடாகியுள்ள இரண்டு அடுத்தடுத்த பகுதிகளுக்கு இடையேயுள்ள தொலைவு மைக்ரோ அலையின் அரை அலை நீளத்தைக் கொடுக்கும். மைக்ரோ அலையின் அதிர்வெண் சமையல்கலனில் பதிவு செய்யப்பட்டிருக்கும். மைக்ரோ அலையின் அலைநீளம் மற்றும் அதிர்வெண் தெரிந்தால் $v\lambda = c$ என்ற சமன்பாட்டினைப் பயன்படுத்தி ஒளியின் வேகத்தைக் கணக்கிடலாம்.

கண்ணுறு ஒளி (Visible light)

வெந்தழல் நிலையில் உள்ள பொருட்களிலிருந்து கண்ணுறு ஒளி கிடைக்கிறது. மேலும் வாயுக்களில் உள்ள கிளர்ச்சியுற்ற அணுக்களும் கண்ணுறு ஒளியை உமிழ்கின்றன. இதன் அதிர்வெண் நெடுக்கம் \( 4 \times 10^{14} \ \mathrm{Hz} \) முதல் \( 8 \times 10^{14} \ \mathrm{Hz} \) வரை காணப்படும்.

எதிரொளிப்பு, ஒளிவிலகல், குறுக்கீட்டு விளைவு, விளிப்பு விளைவு, தளவிளைவு, ஒளிமின் விளைவு விதிகளுக்கு உட்படுகின்றது. மேலும் புகைப்படம் எடுப்பதிலும் பயன்படுகின்றது. மூலக்கூறு அமைப்பை ஆராயவும், அணுக்களின் வெளிக்கூட்டிலுள்ள எலக்ட்ரான்களின் அமைப்பை அறியவும், கண்களுக்கு பார்வை உணர்வை அளிக்கவும் கண்ணுறு ஒளி பயன்படுகிறது.

புறஊதாக் கதிர்கள் (Ultraviolet rays)

சூரியன், மின்வில் மற்றும் அயனியாக்கப்பட்ட வாயுக்களிலிருந்து புறஊதாக் கதிர்வீச்சு கிடைக்கிறது. இதன் அதிர்வெண் நெடுக்கம் \( 8 \times 10^{14} \ \mathrm{Hz} \) முதல் \( 10^{17} \ \mathrm{Hz} \) வரை காணப்படும்.

இதன் ஊடுருவும் திறன் குறைவு. இப்புற ஊதாக் கதிர்கள் வளிமண்டலத்திலுள்ள ஓசோன் படலத்தால் உட்கவரப்படும். அதே நேரத்தில் இது மனித உடலுக்கு தீமை தரக்கூடியதாகும். பாக்டீரியாக்களைக் கொல்வதற்கும், அறுவை சிகிச்சை கருவிகளிலிருந்து நோய்க்கிருமிகளை நீக்குவதற்கும், திருடர் அறிவிப்பு மணியிலும், மறைந்துள்ள எழுத்துக்களை கண்டுணரவும், விரல் ரேகைகளை கண்டறியவும், மேலும் மூலக்கூறு அமைப்பை அறியவும் பயன்படுகிறது.

X-கதிர்கள் (X-rays)

உயர் அணு எண் கொண்ட தனிமத்தினால் வேகமாகச் செல்லும் எலக்ட்ரானை திடீரென எதிர்முகமுடுக்கமடையச் செய்யும்போது (தடுக்கும்போது) X-கதிர்கள் கிடைக்கின்றன. மேலும் அணுவின் உட்புற சுற்றுப்பாதையில் உள்ள எலக்ட்ரான்களின் மாற்றத்தினாலும் X-கதிர்கள் உருவாகின்றன. இதன் அதிர்வெண் நெடுக்கம் \( 10^{17} \ \mathrm{Hz} \) முதல் \( 10^{19} \ \mathrm{Hz} \) வரை காணப்படும்.

புறஊதாக்கதிர்களைவிட X-கதிர்களின் ஊடுருவுதிறன் அதிகம். அணுவின் உட்புற எலக்ட்ரான் கூடுகளின் அமைப்பை ஆராயவும், படிக அமைப்பை ஆராயவும் X-கதிர்கள் அதிகமாக பயன்படுகின்றன. மேலும் எலும்புமுறிவைக் கண்டறியவும், எலும்புகள் மற்றும் சிறுநீரகக் கற்களின் உருவாக்கத்தை கண்டறியவும், சரிசெய்யப்பட்ட எலும்பின் வளர்ச்சியை கண்டறியவும் இது பயன்படுகிறது. மேலும் உலோக வார்ப்புகளில் உள்ள வெடிப்புகளையும், குறைபாடுகளையும் மற்றும் துளைகளையும் கண்டறிய X-கதிர்கள் பயன்படுகின்றன.

காமா கதிர்கள் (Gamma rays)

அணுக்கருக்களின் மாற்றத்தினாலும், சில அடிப்படைத் துகள்களின் சிதைவினாலும் காமா கதிர்வீச்சு பெறப்படுகிறது. புகைப்படத் தகடுகளில் வேதி வினையை காமா கதிர்கள் ஏற்படுத்துகின்றன. ஒளிர்தல், அயனியாதல், விளிம்பு விளைவு போன்றவற்றை ஏற்படுத்துகிறது. இதன் அதிர்வெண் நெடுக்கம் \( 10^{18} \ \mathrm{Hz} \)க்கு மேலாக இருக்கும்.

X-கதிர் மற்றும் புறஊதாக் கதிர்களைவிட காமா கதிரின் ஊடுருவுதிறன் அதிகம். இக்கதிர்வீச்சில் எவ்வித மின்னூட்டமும் இல்லை. ஆனால் இது மனித உடலுக்கு மிகவும் ஆபத்தானதாகும். அணுக்கருவின் அமைப்பை அறிவதற்கு காமா கதிர் பயன்படுகிறது. புற்றுநோய் சிகிச்சைக்குப் பயன்படும் கதிர்வீச்சு மருத்துவ முறையில் காமா கதிர்வீச்சு பெருமளவு பயன்படுகிறது. உணவுப் பொருட்கள் தயாரிப்பிலும், நோய் உருவாக்கும் நுண்கிருமிகளைக் கொல்வதற்கும் காமாக் கதிர்கள் பயன்படுகிறது.

எடுத்துக்காட்டு 5.4

மைக்ரோ அலை சமையல்கலனில் உள்ள மேக்னட்ரான் ஒன்று \( f = 2450 \ \mathrm{MHz} \) அதிர்வெண் கொண்ட மின்காந்த அலையை உமிழ்கிறது. இந்த அதிர்வெண்ணில் எவ்வளவு காந்தப்புல வலிமைக்கு எலக்ட்ரான்கள் வட்டப்பாதையில் இயக்கத்தை மேற்கொள்ளும்.

தீர்வு

மின்காந்த அலையின் அதிர்வெண் \( f = 2450 \ \mathrm{MHz} \)

இதற்கான கோண அதிர்வெண்

\( \omega = 2\pi f = 2 \times 3.14 \times 2450 \times 10^6 = 15,386 \times 10^6 \ \mathrm{Hz} = 1.54 \times 10^{10} \ \mathrm{s^{-1}} \)

காந்தப்புலம் \( B = \frac{m\omega}{|q|} \)

எலக்ட்ரானின் நிறை, \( m_e = 9.11 \times 10^{-31} \ \mathrm{kg} \)

எலக்ட்ரானின் மின்னூட்டம் \( q = -1.60 \times 10^{-19} \ \mathrm{C} \Rightarrow |q| = 1.60 \times 10^{-19} \ \mathrm{C} \)

\( B = \frac{(9.11 \times 10^{-31})(1.54 \times 10^{10})}{1.60 \times 10^{-19}} \)

\( B = 0.08768 \ \mathrm{T} \)

இந்த காந்தப்புலத்தை ஓர் நிலையான காந்தத்தைக் கொண்டு உருவாக்கலாம். எனவே 2450 MHz அதிர்வெண் கொண்ட மின்காந்த அலைகளைக் கொண்டு உணவுப் பொருட்களை சூடாக்கலாம் மற்றும் சமைக்கலாம். ஏனெனில் இம் மின்காந்த அலைகளை நீர் மூலக்கூறுகள் வலிமையாக உட்கவரும்.

5.3 நிறமாலையின் வகைகள் – வெளியீடு மற்றும் உட்கவர் நிறமாலை – ஃபிரன்ஹோஃபர் வரிகள்#

பொருளொன்று எரியும்போது, வண்ணங்களை உமிழ்கிறது. அதாவது அப்பொருள் மின்காந்த கதிர்வீச்சை உமிழ்கிறது. அது வெப்பநிலையைச் சார்ந்ததாகும். பொருளொன்றை வெப்பப்படுத்தும் போது அப்பொருள் வெப்பமானதும் சிவப்புநிறத்தில் ஒளிரத் தொடங்குகிறது. மேலும் அப்பொருளை தொடர்ந்து வெப்பப்படுத்தும்போது பிரகாசம் கூடிய ஆரஞ்சு நிறத்தில் ஒளிரும். மேலும் வெப்பப்படுத்தும்போது வெண்ணிறத்தில் ஒளிரும். படம் 5.11 இல் காட்டப்பட்டுள்ள நிறமாலை பொருளாக கரும்பொருள் நிறமாலை என்று அழைக்கப்படும் (பதினோராம் வகுப்பு தொகுதி 2 அலகு 8 ஐப் பார்க்கவும்). இது தொடர் அதிர்வெண் (அல்லது அலைநீள) வரைகோலாகும். மேலும் இது பொருளின் வெப்பநிலையைச் சார்ந்ததாகும்.

படம் 5.12 இல் காட்டியுள்ளவாறு வெளிச்சம் ஒன்றை முப்பட்டகம் வழியாக செலுத்தும்போது ஏழு வண்ணங்களாகப் பிரிகை அடையும். திரையில் இதனை தொடர் நிறமாலையாகக் காணலாம். இந்நிகழ்ச்சிக்கு ஒளியின் நிறப்பிரிகை என்று பெயர். நிறப்பிரிகையினால் திரையில் பெறப்பட்ட வண்ணங்களின் தொகுப்பே நிறமாலையாகும். இந்த நிறமாலைகள் இரண்டு மிகப்பெரிய பிரிவுகளாக வகைப்படுத்தப்பட்டுள்ளன.

(அ) வெளியீடு நிறமாலை (Emission spectra)

சுயஒளிர்வு கொண்ட மூலத்திலிருந்து பெறப்படும் நிறமாலை சுய ஒளிர்வு கொண்ட வெளியீடு நிறமாலையாகும். ஒவ்வொரு ஒளிமூலமும் தனிச்சிறப்பான வெளியீடு நிறமாலையை பெற்றுள்ளது. வெளியீடு நிறமாலையை மூன்று வகைகளாகப் பிரிக்கலாம்.

(i) தொடர் வெளியீடு நிறமாலை (Continuous emission spectrum) அல்லது தொடர் நிறமாலை

ஒளிரும் விளக்கு (மின்னிலை மிளக்கு) ஒன்றிலிருந்து வரும் ஒளியை முப்பட்டகத்தின் வழியே செலுத்தும்போது (எளிய நிறமாலைமானி) அது ஏழு வண்ணங்களாகப் பிரிகை அடையும். அதாவது ஊதாவிலிருந்து சிவப்பு வரை உள்ள கண்ணுறு வண்ணங்களின் அலைநீளங்கள் அனைத்தையும் இது பெற்றுள்ளது (படம் 5.13)

எடுத்துக்காட்டுகள் : கார்பன் வில் விளக்கிலிருந்து பெறப்படும் நிறமாலை. ஒளிரும் திட, திரவப் பொருட்கள் போன்றவையும் தொடர் நிறமாலைகளைக் கொடுக்கும்.

(ii) வரி வெளியீடு நிறமாலை (Line emission spectrum) அல்லது வரி நிறமாலை

உயர் வெப்ப நிலையிலுள்ள வாயுவிலிருந்து வெளிவரும் ஒளியை முப்பட்டகத்தின் வழியாக செலுத்தும்போது வரி நிறமாலை பெறப்படுகிறது. இது படம் 5.14 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. வரி நிறமாலையை தொடர்ந்த நிறமாலை என்றும் அழைக்கலாம். வரையறுக்கப்பட்ட அலைநீளங்கள் அல்லது அதிர்வெண்களைக் கொண்ட கூர்மையான வரிகளை இந்நிறமாலை பெற்றிருக்கிறது. இவ்வகை நிறமாலைகளை கிளர்ச்சியுள்ள அணுக்கள் அல்லது அயனிகள் வெளியிடும். ஒவ்வொரு வரியும் தனிமங்களின் தனித்துவமான பண்புகளை பிரதிபலிக்கின்றன. அதாவது வெவ்வேறு தனிமங்களுக்கு வெவ்வேறு வரிகள் கிடைக்கும்.

எடுத்துக்காட்டுகள்: அணுநிலையிலுள்ள ஐதரசன், நியான் விளக்கு போன்றவை.

(iii) பட்டை வெளியீடு நிறமாலை (Band emission spectra) அல்லது பட்டை நிறமாலை

பட்டை நிறமாலையில் அதிக எண்ணிக்கையிலான, மிகவும் நெருக்கமான நிறமாலை வரிகள் ஒன்றின் மீது மற்றொன்று மேற்பொருந்தி குறிப்பிட்ட பட்டைகளை உருவாக்குகிறது. இப்பட்டைகள் கருமையான இடைவெளிகளினால் பிரிக்கப்பட்டுள்ளன. இவ்வகை நிறமாலைகளே பட்டை நிறமாலைகள் ஆகும். இந்நிறமாலையில், பட்டையின் ஒருமுனை கூர்மையாகவும் (அதிக ஒளிச்செறிவு) மறுமுனை மெல்ல மெல்ல மங்கலாகவும் (குறைந்த ஒளிச்செறிவுடன்) காணப்படும். கிளர்ச்சி நிலையிலுள்ள மூலக்கூறுகள் பட்டை நிறமாலைகளை வெளியிடுகின்றன.

மூலக்கூறுகளின் தனித்துவமான பண்புகளை பட்டை நிறமாலைகள் பிரதிபலிக்கின்றன. எனவே, மூலக்கூறுகளின் கட்டமைப்பை பட்டை நிறமாலையைக் கொண்டு அறியலாம்.

எடுத்துக்காட்டுகள்: மின்னிறக்கக் குழாயில் உள்ள ஐதரசன் வாயு, அமோனியா வாயு போன்றவை பட்டை நிறமாலைகளை உமிழ்கின்றன.

(ஆ) உட்கவர் நிறமாலை (Absorption spectra)

ஒரு உட்கவர் பொருள் அல்லது ஊடகத்தின் வழியே ஒளியை செலுத்தி, அதிலிருந்து பெறப்படும் நிறமாலையை உட்கவர் நிறமாலை ஆகும். உட்கவர் பொருளின் பண்புகளை இந்நிறமாலை பெற்றுள்ளது. இவை மூன்று வகைகளாக வகைப்படுத்தப்பட்டுள்ளன.

(i) தொடர் உட்கவர் நிறமாலை (Continuous absorption spectrum)

நீலநிறக் கண்ணாடி வழியே வெள்ளை ஒளியை செலுத்தினால், நீல நிறத்தைத்தவிர மற்ற அனைத்து நிறங்களையும் அக்கண்ணாடி உட்கவர்ந்து கொள்ளும். இது தொடர் உட்கவர் நிறமாலைக்கு ஓர் எடுத்துக்காட்டாகும்.

(ii) வரி உட்கவர் நிறமாலை (Line absorption spectrum)

ஒளிரும் மின்னிலை விளக்கிலிருந்து வரும் ஒளியை, குளிர்நிலையிலுள்ள வாயுவின் வழியே (ஊடகம்) செலுத்தியபின், முப்பட்டகத்தின் நிறப்பிரிகையினால் பெறப்பட்ட நிறமாலை வரி உட்கவர் நிறமாலையாகும். (படம் 5.15 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது) இதேபோன்று, கார்பன் வில் விளக்கிலிருந்து வரும் ஒளியை சோடிய ஆவி வழியே செலுத்திய பின் கிடைக்கும் நிறமாலையில், தொடர் நிறமாலையின் மஞ்சள் வண்ணப்பகுதியில் இரண்டு கருங்கோடுகள் காணப்படும்.

(iii) பட்டை உட்கவர் நிறமாலை (Band absorption spectrum)

வெள்ளை ஒளியை அயோடின் வாயுத்துகள்கள் வழியே செலுத்திய பின் கிடைக்கும் நிறமாலையில், பிரகாசமான தொடர் வெண்மை நிற பின்னணியில் கரும்பட்டைகள் காணப்படும். இக்கரும்பட்டைகள் பட்டை உட்கவர் நிறமாலையாகும். இது போன்றே, வெள்ளை ஒளியை நீர்த்த நிலையிலுள்ள இரத்தம் அல்லது தாவரத்தின் பச்சையம் (chlorophyll) அல்லது சில கனிம அல்லது கரிம கரைசல்களின் வழியே செலுத்தும்போது பட்டை உட்கவர் நிறமாலைகளைப் பெறலாம்.

ஃபிரன்ஹோஃபர் வரிகள்

சூரியனிலிருந்து பெறப்பட்ட நிறமாலையை ஆய்வுசெய்யும்போது, அந்நிறமாலையில் பல கருங்கோடுகள் காணப்படுகின்றன (வரி உட்கவர் நிறமாலை). சூரிய நிறமாலையில் காணப்படும் இக்கருங்கோடுகளுக்கு ஃபிரன்ஹோஃபர் வரிகள் என்று பெயர் (படம் 5.16 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது). பல்வேறு பொருட்களின் உட்கவர் நிறமாலைகளை சூரிய நிறமாலையிலுள்ள ஃபிரன்ஹோஃபர் வரிகளுடன் ஒப்பிட்டு, சூரிய வளிமண்டலத்தில் காணப்படும் தனிமங்களை கண்டறியலாம்.

பாடச்சுருக்கம்#

• நேரத்தைப் பொறுத்து எங்கெல்லாம் மின்புலமும், மின்புலப்பாயமும் மாற்றமடைகிறதோ அங்கெல்லாம் இடம்பெறுகின்ற மின்னோட்டம் இடப்பெயர்ச்சி மின்னோட்டமாகும்.

• மேக்ஸ்வெல்லினால் சீரமைக்கப்பட்ட ஆம்பியரின் விதி

  $$ \oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 i = \mu_0 (i_c + i_d) $$

• முடுக்கப்பட்ட மின்துகள்கள் மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலங்களை இணைத்து மின்காந்த அலைகளை வெளியில் உமிழ்கின்றன. மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புலம் இரண்டும் ஒன்றையொன்று செங்குத்தாகவும் மேலும், மின்காந்த அலை பரவும் திசைக்கு செங்குத்தாகவும் அமைகின்றன.

• மின்காந்த அலைகள் குறுக்கலைகளாகும். அவை இயந்திர அலைகள் அல்ல. எனவே அவை பரவுவதற்கு எவ்விதமான ஊடகமும் அவசியமில்லை.

• மின்காந்த அலையின் மின்புலம் மற்றும் காந்தப்புல வெக்டர்களின் எண்மதிப்பு பின்வருமாறு தொடர்புபடுத்தப்பட்டுள்ளது, $c = E/B$.

• மின்காந்த அலைகள் குறுக்கீட்டு விளைவு, விளிம்பு விளைவு மேலும் தளவிளைவையும் அடைகின்றன.

• மின்காந்த அலைகளானது ஆற்றல் மற்றும் உந்தத்தை மட்டுமல்லாமல் கோண உந்தத்தையும் சுமந்து செல்கிறது.

• வெளியீடு நிறமாலை மற்றும் உட்கவர் நிறமாலை என்று நிறமாலையை இரண்டு வகைகளாகப் பிரிக்கலாம்.

• தானாக ஒளிரும் ஒளி மூலத்திலிருந்து வெளியீடு நிறமாலையைப் பெறலாம். ஒவ்வொரு ஒளி மூலமும் அதற்கென தனித்துவமான வெளியீடு நிறமாலையைப் பெற்றுள்ளன. வெளியீடு நிறமாலையை மூன்று வகைகளாகப் பிரிக்கலாம். தொடர், வரி மற்றும் பட்டை நிறமாலைகள்.

• சூரியனிடமிருந்து கிடைக்கும் நிறமாலையை பகுத்து ஆராயும்போது, அதில் அதிக எண்ணிக்கையில் கருங்கோடுகள் (வரி உட்கவர் நிறமாலை) காணப்படும். சூரிய நிறமாலையில் காணப்படும் இக்கருங்கோடுகளுக்கு ஃபிரான்ஹாஃபர் வரிகள் என்று பெயர்.