Fale elektromagnetyczne teoria, typy, charakterystyka Maxwella

fale elektromagnetyczne Są to fale poprzeczne, które odpowiadają pól spowodowane przyspieszonymi ładunkami elektrycznymi. Dziewiętnaste wiek był stuleciem wielkich postępów w energii elektrycznej i magnetyzmu, ale do pierwszej połowy naukowcy nadal nie znali związku między obiema zjawiskami, wierząc od siebie niezależnie od siebie.

To szkocki fizyk James Clerk Maxwell (1831–1879) pokazał światu, że elektryczność i magnetyzm były niczym innym jak dwiema stronami tej samej waluty. Oba zjawiska są ściśle powiązane.

Sztorm. Źródło: Pixabay.

[TOC]

Teoria Maxwella

Maxwell zjednoczył teorię energii elektrycznej i magnetyzmu w 4 eleganckich i zwięzłych równań, których prognozy wkrótce zostały potwierdzone:

Jakie dowody przygotował Maxwell do swojej teorii elektromagnetycznej?

Było już faktem, że prądy elektryczne (ruchome obciążenia) wytwarzają pola magnetyczne, a z kolei zmienne pole magnetyczne pochodzi z prądów elektrycznych w obwodach przewodzących, co oznaczałoby, że zmienne pole magnetyczne indukuje pole elektryczne.

Czy zjawisko odwrotne może być możliwe? Czy zmienne pola elektryczne byłyby w stanie z kolei powstrzymać pola magnetyczne?

Maxwell, uczeń Michaela Faradaya, był przekonany o istnieniu symetrii w naturze. Zarówno zjawiska, elektryczne i magnetyczne, również musiały trzymać się tych zasad.

Według tego badacza pola oscylacyjne generowałyby zakłócenia w taki sam sposób, jak kamień wrzucony do stawu generuje fale. Zaburzenia te są niczym innym jak oscylacją pól elektrycznych i magnetycznych, które Maxwell nazwał dokładnie falami elektromagnetycznymi.

Prognozy Maxwella

Równania Maxwella przewidywały istnienie fal elektromagnetycznych o prędkości propagacji równej prędkości światła. Prognozy została potwierdzona wkrótce po niemieckim fizyku Heinricha Hertz (1857–1894), którym udało się wygenerować te fale w swoim laboratorium przez obwód LC. Stało się to wkrótce po śmierci Maxwella.

Aby sprawdzić sukces teorii, Hertz musiał zbudować urządzenie detektorowe, które mu pozwoliło.

Prace Maxwella zostały przyjęte ze sceptycyzmem przez społeczność naukową tam. Być może było to częściowo spowodowane faktem, że Maxwell był genialnym matematykiem i przedstawił swoją teorię całą formalnością sprawy, której wielu nie zrozumiało.

Jednak eksperyment Hertza był genialny i przekonujący. Jego wyniki zostały dobrze przyjęte, a wątpliwości co do prawdziwości prognoz Maxwella były jasne.

Prąd przemieszczenia

Prąd przesiedlenia jest tworzeniem Maxwella, wynikającego z głębokiej analizy prawa amperowego, która stwierdza, że:

 Gdzie:Maxwell przeanalizował przypadek obciążenia skraplacza: Gdy jest ładowany, powierzchnia, której kontur to C, obejmuje prąd i_C Co przechodzi przez przewód przewodzący, jak widać na poniższym rysunku:

Bateria ładuje kondensator. Pokazane są powierzchnie (linia ciągła) i s 'i kontur c w celu zastosowania prawa ampere. Źródło: Zmodyfikowany pixabay.

Dlatego termin po prawej stronie prawa amperowego, który obejmuje obecny, nie jest zerowy i nie jest członkiem po lewej stronie. Natychmiastowy wniosek: istnieje pole magnetyczne.

Czy istnieje pole magnetyczne w s '?

Jednak nie ma prądu, który przekracza lub przekraczając zakrzywioną powierzchnię S ', która ma ten sam kontur C, ponieważ powierzchnia ta obejmuje część tego, co znajduje się w przestrzeni między płytkami skraplaczowymi, co możemy założyć, że jest powietrze lub inna substancja non - konduktor.

W tym regionie nie ma materiału przewodzącego, przez który przepływa jakikolwiek prąd. Należy pamiętać, że aby prąd krążył, obwód musi zostać zamknięty. Kiedy prąd jest zerowy, całka lewicy w prawie amper. Nie ma wtedy pola magnetycznego lub tak?

Zdecydowanie jest sprzeczność. S 'jest również ograniczone krzywą C, a istnienie pola magnetycznego nie powinno zależeć od powierzchni, na którą ogranicza.

Może ci służyć: jaka jest równowaga cząstki? (Z przykładami)

Maxwell rozwiązał sprzeczność, wprowadzając pojęcie prądu przemieszczenia I_D.

Prąd przemieszczenia

Podczas ładowania kondensatora istnieje zmienne pole elektryczne między płytkami i krąży prąd przez kierowcę. Gdy skraplacz jest ładowany, prąd ustaje w sterowniku i między płytkami ustala się stałe pole elektryczne.

Następnie Maxwell wydedukował, że powiązany ze zmiennym polem elektrycznym powinien istnieć prąd, który nazywał prąd przemieszczenia I_D, Prąd, który nie obejmuje ruchu obciążenia. Dla powierzchni s 'jest ważne:

 Gdzie:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.mama

Prąd elektryczny nie jest wektorem, chociaż ma wielkość i znaczenie. Bardziej odpowiednie jest powiązanie pola z ilością, która jest wektorem: gęstość prądu J,którego wielkość jest ilorazem między prądem a obszarem, przez który przechodzi. Obecne jednostki gęstości w systemie międzynarodowym to wzmacniacze/m².

Pod względem tego wektora gęstość prądu przemieszczenia wynosi:

Prąd przemieszczenia i_D Wynika to ze zmiany w czasie przepływu pola elektrycznego między płytkami skraplacza podczas ładowania. Po załadowaniu zmienność przepływu elektrycznego wynosi zero, a prąd przemieszczenia znika.

W ten sposób, gdy prawo ampere jest stosowane do konturu C i stosuje się powierzchnię, i_C To prąd to przecina. Zamiast tego ja_C Nie przechodzi przez s ', ale ja_D Jeśli to robi.

Ćwiczenie rozwiązane

Ładuje się 1-aniralny równolegle z płaską płytą. Promień płyt wynosi 4 cm, a w jednej chwili, biorąc pod uwagę prąd napędowy i_C = 0.520 a. Między płytami jest powietrze. Znajdować:

a) Gęstość prądu przemieszczenia j_D w przestrzeni między płytami.

b) szybkość, z jaką zmienia się pole elektryczne między płytkami.

c) indukowane pole magnetyczne między płytkami w odległości 2 cm od osi osiowej.

d) Ten sam problem jak w C), ale w odległości 1 cm od osi osiowej.

Rozwiązanie

Sekcja A

Dla wielkości gęstości prądu j_D Potrzebny jest obszar płyt:

Obszar płytki: a = πr² = π . (4 x 10^-2 M)² = 0.00503 m².

Pole elektryczne jest jednolite między płytami, a także gęstość prądu, ponieważ są proporcjonalne. Ponadto i_C = i_D W przypadku ciągłości:

Obecna gęstość J_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Sekcja b

Kurs wymiany pola elektrycznego wynosi (/dt). Potrzebne jest równanie, aby je znaleźć, na podstawie pierwszych zasad: bieżącej definicji, definicji pojemności i pojemności kondensatora płytki.

- Z definicji prąd jest pochodną obciążenia w odniesieniu do czasu i_C = dq/dt

- Pojemność kondensatora wynosi c = q/v, gdzie q jest obciążeniem, a v jest różnicą potencjału.

- Ze swojej części pojemność równoległego kondensatora płaskiej płytki wynosi: C = ε_alboOgłoszenie.

Dolne kompozycje są używane do wskazania prądów i napięć, które zmieniają się w czasie. Podczas łączenia drugiego i trzeciego równania obciążenie pozostaje:

Q = c.V = (ε_alboOGŁOSZENIE).v = ε_alboA (v/d) = ε_alboAe

Tutaj ε_albo Jest to zasiłek próżni, którego wartość wynosi 8.85 x 10^-12 C²/N.M². Dlatego przy przenoszeniu tego wyniku do pierwszego równania uzyskuje się wyrażenie, które zawiera kurs wymiany pola elektrycznego:

Siema_C = dq/dt = d (ε_alboAe)/dt = ε_alboA (od/dt)

Oczyszczanie/dt to:

(of/dt) = i_C/ (ε_alboA) = j_D/ε_albo

Wymiana wartości:

of/dt = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.M² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Wynik to około 1, a następnie 13 zer. Pole elektryczne zdecydowanie różni się bardzo szybko.

Sekcja c

Aby znaleźć wielkość pola magnetycznego, konieczne jest zastosowanie prawa amperów, wybierając okrągłą ścieżkę radiową R Wewnątrz płyt i koncentryczne dla nich, których promieniem jest r:

Może ci służyć: Venus (planeta)

Z drugiej strony w całkach wektory B i DL są równoległe, więc produkt skalarny jest po prostu Bdl, Gdzie dl Jest to różnica w drodze na c. Pole B jest stałe całe C i jest poza całką:

Równe obu wynikom:

Oczyszczanie B masz:

Ocena dla r = 2 cm = 0.02 M:

Sekcja D

Ocena równania uzyskanego w poprzednim akapicie, dla r = 1 cm = 0.01 M:

Charakterystyka fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, w których pola elektryczne i magnetyczne są prostopadłe do siebie do kierunku propagacji fali.

Fale elektromagnetyczne składają się z prostopadłych pól elektrycznych i magnetycznych. Źródło: Pixabay.

Następnie zobaczymy jego najbardziej znaczące cechy.

Prędkość propagacji

Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni wynosi C ≈3,00 x10⁸ m/s, niezależnie od wartości długości fali i częstotliwości.

Media, w których propagują

Fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się zarówno w próżni, jak i w pewnym pożywce materialnym, w przeciwieństwie do fal mechanicznych, które wymagają pożywki.

Stosunek między prędkością, długością fali i częstotliwości

Związek między prędkością C, Długość fali λ i częstotliwość F fal elektromagnetycznych w próżni wynosi c = λ.F.

Zależność między polem elektrycznym i magnetycznym

Wielkości pól elektrycznych i magnetycznych są powiązane E = CB.

Prędkość w danym medium

W danym środowisku możliwe jest wykazanie, że prędkość fal elektromagnetycznych wyraża wyrażenie:

W którym ε i μ są odpowiednią dodatkową i przepuszczalnością danego środowiska.

Ilość ruchu

Promieniowanie elektromagnetyczne z energią LUB ma powiązaną ilość ruchu P którego wielkość jest: P = LUB/C.

Rodzaje fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne mają bardzo szeroki zakres długości fal i częstotliwości. Są one pogrupowane w tak zwane spektrum elektromagnetyczne, które zostało podzielone na regiony, które są wyznaczone poniżej, zaczynając od najwyższych długości fali:

Fale radiowe

Znajdują się na końcu najwyższej długości fali i niższej częstotliwości, wahają się od kilku do miliarda Hertz. Są one używane do przekazywania sygnału z różnymi informacjami i są przechwytywane przez anteny. Telewizja, radio, telefony komórkowe, planety, gwiazdy i inne ciała niebiańskie nadawane i można je uchwycić.

kuchenka mikrofalowa

Położone na ultra wysokich częstotliwościach (UHF), super wysokie (SHF) i wyjątkowo wysokie (EHF), wahają się od 1 GHz do 300 GHz. W przeciwieństwie do poprzednich, które mogą mierzyć do jednej mili (1,6 km), mikrofale wahają się od kilku centymetrów do 33 cm.

Biorąc pod uwagę jego pozycję spektrum, między 100.000 i 400.000 nm są używane do przesyłania danych na temat częstotliwości, które nie są zakłócane przez fale radiowe. Z tego powodu są stosowane w technologii radarowej, telefonach komórkowych, piekarnikach kuchennych i rozwiązaniach komputerowych.

Jego oscylacja jest iloczynem urządzenia znanego jako magnetron, które jest rodzajem rezonansowej wnęki, która ma 2 magnesy dysk. Pole elektromagnetyczne jest generowane przez przyspieszenie elektronów katodowych.

Promienie podczerwone

Te fale cieplne są emitowane przez ciała termiczne, niektóre rodzaje lasera i diod, które emitują światło. Chociaż zwykle pokrywają się z falami radiowymi i mikrofalami, ich zakres wynosi od 0,7 do 100 mikrometrów.

Podmioty najczęściej wytwarzają ciepło, które można wykryć przez nocnych widzów i skóry. Często są używane do zdalnego sterowania i specjalnych systemów komunikacyjnych.

Widzialne światło

W podziale referencyjnym widma znajdujemy światło dostrzegalne, które ma długość fali od 0,4 do 0,8 mikrometrów. To, co rozróżniamy, to kolory tęczy, w których najniższa częstotliwość charakteryzuje się czerwonym kolorem i najwyższym przez fiolet.

Jego wartości długości są mierzone w nanometrach i angstrom, reprezentuje bardzo małą część całego spektrum, a zakres ten obejmuje największą ilość promieniowania emitowanego przez słońce i gwiazdy. Ponadto jest produktem przyspieszenia elektronów w tranzytach energii.

Może ci służyć: średnie przyspieszenie: jak jest obliczane i rozwiązane

Nasze postrzeganie rzeczy opiera się na widzialnym promieniowaniu, które wpływa na obiekt, a następnie na oczy. Następnie mózg interpretuje częstotliwości, które powodują kolor i szczegóły obecne w rzeczach.

Promienie ultrafioletowe

Te oblasy występują w odstępie 4 i 400 nm, są generowane przez słońce i inne procesy, które emitują duże ilości ciepła. Długotrwałe narażenie na te krótkie fale może powodować oparzenia i niektóre rodzaje raka w żywych istotach.

Ponieważ są one produktem skoków elektronowych w wzbudzonych cząsteczkach i atomach, ich energia łączy się w reakcjach chemicznych i są stosowane w medycynie do sterylizacji. Są odpowiedzialne za jonosferę, ponieważ warstwa ozonowa pozwala uniknąć szkodliwego wpływu na ziemię.

Promieniowanie rentgenowskie

To oznaczenie wynika, że ​​są niewidzialnymi falami elektromagnetycznymi zdolnymi do przekraczania nieprzezroczystych ciał i wytwarzania wrażeń fotograficznych. Znajdujący się między 10 a 0,01 nm (30 do 30.000 pHz), są wynikiem elektronów, które skakają z orbit w ciężkich atomach.

Promienie te mogą być emitowane przez Koronę Słońca, pulsarów, supernowa i czarne dziury ze względu na dużą ilość energii. Jego przedłużająca się ekspozycja powoduje raka i jest stosowana w dziedzinie medycyny w celu uzyskania obrazów struktur kostnych.

Promienie gamma

Znajdują się na lewym końcu spektrum, są to najczęściej fale częstotliwości i zwykle występują w czarnych otworach, supernowych, pulsarach i gwiazdach neutronowych. Mogą być również konsekwencją rozszczepienia, eksplozji nuklearnych i błyskawicy.

Ponieważ są one generowane przez procesy stabilizacji w jądrze atomowym po emisji radioaktywnej, są one śmiertelne. Jego długość fali jest subatomowa, co pozwala im przekraczać atomy. Mimo to są wchłaniane przez atmosferę Ziemi.

Zastosowania różnych fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne mają takie same właściwości pod względem odbicia i odbicia jak fale mechaniczne. A obok energii, którą propagują, mogą również nosić informacje.

Z tego powodu zastosowano różne typy fal elektromagnetycznych. Następnie zobaczymy jedne z najczęstszych.

Spektrum elektromagnetyczne i niektóre z jego zastosowań. Źródło: Tatoute i Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0/]]

Fale radiowe

Krótko po odkryciu Guglielmo Marconi pokazał, że mogą być doskonałym narzędziem komunikacji. Od czasu odkrycia przez Hertz, komunikacja bezprzewodowa z częstotliwościami radiowymi, takimi jak AM i FM Radio, telewizja, telefony komórkowe i wiele więcej, rozciągają się coraz więcej na całym świecie.

kuchenka mikrofalowa

Można je używać do ogrzewania pokarmu, ponieważ woda jest cząsteczką dipolową, która jest zdolna do reagowania na oscylacyjne pola elektryczne. Pokarmy zawierają cząsteczki wody, które po wystawieniu na te pola zaczynają oscylować i zderzać się ze sobą. Powstały efekt jest ogrzewanie.

Mogą być również stosowane w telekomunikacji, ze względu.

Fale podczerwieni

Najbardziej charakterystycznym zastosowaniem podczerwieni są urządzenia noktowizyjne. Są również stosowane w komunikacji między urządzeniami i technikami spektroskopowymi do badania gwiazd, chmur gazowych i egzoplanet.

Z nimi możesz również tworzyć mapy temperatury ciała, które służą do identyfikacji niektórych rodzajów guzów, których temperatura jest większa niż w otaczających tkankach.

Widzialne światło

Widzialne światło tworzy znaczną część spektrum emitowanego przez słońce, na które reaguje siatkówka.

Promienie ultrafioletowe

Promienie ultrafioletowe mają wystarczającą energię, aby znacząco oddziaływać z materią, więc ciągłe narażenie na to promieniowanie powoduje przedwczesne starzenie się i zwiększa ryzyko rozwoju raka skóry.

X -Kraje i promienie gamma

X -Kraje i promienie gamma mają jeszcze więcej energii, dlatego są w stanie penetrować tkanki miękkie, stąd prawie od momentu ich odkrycia, że ​​zostali użyte do diagnozowania pęknięć i analizy wnętrza ciała w poszukiwaniu choroby choroby.

Promienie X i promienie gamma są używane nie tylko jako narzędzie diagnostyczne, ale jako narzędzie terapeutyczne do zniszczenia guza.

Bibliografia

1. Giancoli, zm.  (2006). Fizyka: zasady z aplikacjami. Szósta edycja. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Podstawy fizyki. osoba. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Fizyka uniwersytecka z nowoczesną fizyką. 14. edycja. osoba. 1053 - 1057.