Elektromagnetni valovi Maxwellova teorija, vrste, značilnosti

The Elektromagnetni valovi So prečni valovi, ki ustrezajo poljem, ki jih povzročajo pospešeni električni naboji. Devetnajstega stoletja je bilo stoletje velikega napredka v električni energiji in magnetizmu, toda do prve polovice znanstvenikov še vedno niso poznali odnosa med obema pojavom, saj so verjeli.

Škotski fizik James Clerk Maxwell (1831-1879) je pokazal svet, da elektrika in magnetizem nista nič drugega kot dve strani iste valute. Oba pojava sta tesno povezana.

Nevihta. Vir: Pixabay.

[TOC]

Maxwell teorija

Maxwell je poenotil teorijo električne energije in magnetizma v 4 elegantnih in jedrnatih enačbah, katerih napovedi so bile kmalu potrjene:

Kakšne dokaze je Maxwell pripravil na svojo elektromagnetno teorijo?

Dejstvo je bilo že, da električni tokovi (gibljive obremenitve) proizvajajo magnetna polja, zato spremenljivo magnetno polje izvira iz električnih tokov v prevodnih vezjih, kar bi pomenilo, da spremenljivo magnetno polje povzroči električno polje.

Ali bi lahko bil možen obratni pojav? Bi lahko spremenljiva električna polja po vrsti lahko izvirala magnetna polja?

Maxwell, učenec Michaela Faradaya, je bil prepričan v obstoj simetrij v naravi. Tako pojavi, električni in magnetni, so se morali držati tudi teh načel.

Po mnenju tega raziskovalca bi oscilirajoča polja povzročila motnje na enak način, kot jih kamen, vržen v ribnik, ustvari valove. Te motnje niso nič drugega kot nihajoča električna in magnetna polja, ki jih je Maxwell imenoval natančno elektromagnetni valovi.

Maxwell napovedi

Maxwellove enačbe so napovedovale obstoj elektromagnetnih valov s hitrostjo širjenja, ki je enaka hitrosti svetlobe. Napoved je kmalu zatem potrdil nemški fizik Heinrich Hertz (1857 - 1894), ki mu je uspelo ustvariti te valove v svojem laboratoriju prek LC vezja. To se je zgodilo kmalu po Maxwellovi smrti.

Da bi preveril uspeh teorije, je moral Hertz zgraditi napravo za detektor, ki mu je omogočila.

Maxwellova dela je takratna znanstvena skupnost prejela s skepticizmom. Morda je bilo deloma posledica dejstva, da je bil Maxwell briljanten matematik in je svojo teorijo predstavil z vso formalnostjo primera, ki je mnogi niso razumeli.

Vendar je bil Hertzov eksperiment sijajen in prepričljiv. Njegovi rezultati so bili dobro sprejeti in dvomi o resničnosti napovedi Maxwell so bili jasni.

Premik tok

Tok premika je ustvarjanje Maxwella, ki izhaja iz globoke analize zakona o amperih, ki ugotovi, da:

 Kje:Maxwell je analiziral primer nalaganja kondenzatorja: Ko je naložena, površina s, katere kontura je c, zajema tok i_C Kaj gre skozi prevodno žico, kot je razvidno iz spodnje slike:

Baterija naloži kondenzator. Prikazane so površine (neprekinjena črta) in s 'in kontura C za uporabo zakona o amperih. Vir: Modified Pixabay.

Zato izraz desno v zakonu ampere, ki vključuje tok, ni ničen in ni član levice. Takoj zaključek: Obstaja magnetno polje.

Ali obstaja magnetno polje v S '?

Vendar pa ni toka, ki bi prečkal ali prečkal ukrivljeno površino S ', ki ima enako konturo C, saj ta površina obsega del tega, kar je v prostoru med kondenzatorskimi ploščami, za katerega lahko domnevamo, da je zrak ali druga snov ne - vodnik.

V tej regiji ni prevodnega materiala, skozi katerega teče kakršen koli trenutni. Ne pozabite, da je za tok, ki bo krožil, vezje zaprti. Ko je tok ničen, je integral levice v zakonu Ampere 0. Takrat ni magnetnega polja ali da?

Vsekakor obstaja protislovje. S 'je omejen tudi z krivuljo C in obstoj magnetnega polja ne sme biti odvisen od površine, na katero omejuje.

Lahko vam služi: kakšno je ravnovesje delca? (S primeri)

Maxwell je protislovje rešil z uvedbo koncepta premikanega toka i_D.

Premik tok

Medtem ko se kondenzator nalaga, med ploščami in kroži tok s strani gonilnika spremenljivo električno polje. Ko je kondenzator naložen, tok preneha v vozniku in med ploščami se vzpostavi stalno električno polje.

Potem je Maxwell ugotovil, da mora biti povezan s spremenljivo električnim poljem tok, ki se imenuje premik tok I_D, Tok, ki ne vključuje gibanja obremenitve. Za površino S 'velja:

 Kje:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Električni tok ni vektor, čeprav je velikost in pomen. Primerno je, da polja povežete z zneskom, ki je vektor: trenutna gostota J,katerih velikost je količnik med tokom in območjem, skozi katerega prehaja. Trenutne enote gostote v mednarodnem sistemu so AMPS/M².

Glede na ta vektor je gostota toka premika:

Tok premika i_D To je posledica spremembe časa pretoka električnega polja med kondenzatorskimi ploščami. Ko je naložena, je variacija električnega pretoka nič in premični tok izgine.

Na ta način se uporablja, ko se uporablja zakon o amperiju za konturo C in površina S_C Tok, ki ga prečka. Namesto tega i_C Ne gre skozi s ', ampak jaz_D Če je.

Vaja rešena

1-krožni vzporedni kondenzator ravne plošče se naloži. Polmer plošč je 4 cm in v trenutku glede na vozniški tok I_C = 0.520 a. Med ploščami je zrak. Najti:

a) gostota toka premika J_D v prostoru med ploščami.

b) hitrost, s katero se spreminja električno polje med ploščami.

c) inducirano magnetno polje med ploščami na razdalji 2 cm od osne osi.

d) isto vprašanje kot v c), vendar na razdalji 1 cm od osne osi.

Rešitev

Oddelek a

Za velikost tokovne gostote j_D Potrebna je območje plošč:

Območje plošče: a = πr² = π . (4 x 10^-2 m)² = 0.00503 m².

Električno polje je enakomerno med ploščami, tudi gostota toka, saj so sorazmerna. Poleg tega i_C = i_D Za kontinuiteto potem:

Trenutna J gostota_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/m².

Oddelek b

Menjalni tečaj električnega polja je (od/dt). Za iskanje na podlagi prvih načel je potrebna enačba: trenutna definicija, definicija zmogljivosti in zmožnost kondenzatorja plakov.

- Po definiciji je tok derivat obremenitve glede na čas I_C = dq/dt

- Zmogljivost kondenzatorja je C = Q/V, kjer je Q obremenitev in V je potencialna razlika.

- Zmogljivost kondenzatorja vzporedne plošče je: C = ε_tudiA/d.

Spodnje proge se uporabljajo za označevanje tokov in napetosti, ki se skozi čas spreminjajo. Pri združevanju druge in tretje enačbe še vedno ostaja obremenitev:

q = c.V = (ε_tudiA/D).v = ε_tudiA (v/d) = ε_tudiAe

Tukaj ε_tudi To je dodatek vakuuma, katerega vrednost je 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Zato se pri tem, ko ta rezultat prevzamemo v prvo enačbo, dobimo izraz, ki vsebuje menjalni tečaj električnega polja:

Yo_C = dq/dt = d (ε_tudiAe)/dt = ε_tudiA (od/dt)

Čiščenje/dt je:

(od/dt) = i_C/ (ε_tudiA) = j_D/ε_tudi

Zamenjava vrednosti:

od/dt = (103.38 A/m²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.m² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Rezultat je približno 1, ki mu sledi 13 ničla. Električno polje se vsekakor zelo hitro razlikuje.

Oddelek c

Če želite najti velikost magnetnega polja, je treba uporabiti zakon Ampere in izbrati krožno radijsko pot r Znotraj plošč in koncentričnih do njih, katerih polmer je R:

Vam lahko služi: Venera (planet)

Po drugi strani sta v integralu vektorji B in DL vzporedni, tako da je skalarni izdelek preprosto Bdl, kje dl Je razlika na poti na c. Polje B je konstantno vse C in je iz integrala:

Enako obema rezultati:

Čiščenje B imate:

Ocenjevanje za r = 2 cm = 0.02 m:

Oddelek d

Ocenjevanje enačbe, pridobljene v prejšnjem odstavku, za r = 1 cm = 0.01 m:

Značilnosti elektromagnetnih valov

Elektromagnetni valovi so prečni valovi, kjer so električna in magnetna polja pravokotna med seboj v smer širjenja valov.

Elektromagnetni valovi so sestavljeni iz pravokotnih električnih in magnetnih polj. Vir: Pixabay.

Nato bomo videli njegove najpomembnejše lastnosti.

Hitrost širjenja

Hitrost širjenja elektromagnetnih valov v vakuumu je c ≈3,00 x10⁸ m/s, ne glede na to, kakšne vrednosti imajo valovno dolžino in frekvenco.

Mediji, kjer se propagirajo

Elektromagnetni valovi, ki se razprostirajo tako v vakuumu kot na nekaterih materialnih medijih, za razliko od mehanskih valov, ki potrebujejo medij.

Razmerje med hitrostjo, valovno dolžino in frekvenco

Razmerje med hitrostjo c, Valovna dolžina λ in frekvenca F elektromagnetnih valov v vakuumu je c = λ.F.

Razmerje med električnim in magnetnim poljem

Velike električnih in magnetnih polj so povezane E = CB.

Hitrost v danem mediju

V danem okolju je mogoče dokazati, da je hitrost elektromagnetnih valov dana z izrazom:

V katerih sta ε in μ ustrezen dodatek in prepustnost zadevnega okolja.

Količina gibanja

Elektromagnetno sevanje z energijo Ali ima povezano količino gibanja str katerih velikost je: str = Ali/c.

Vrste elektromagnetnih valov

Elektromagnetni valovi imajo zelo širok razpon valovnih dolžin in frekvenc. Razvrščeni so v tisto, kar je znano kot elektromagnetni spekter, ki je bil razdeljen na regije, ki so imenovana spodaj, začenši z najvišjimi valovnimi dolžinami:

Radijski valovi

Nahaja se na koncu najvišje valovne dolžine in nižje frekvence, segajo od nekaj do milijarde hertz. Oni so tisti, ki se uporabljajo za prenos signala z različnimi informacijami in jih zajamejo antene. Televizija, radio, mobilni telefoni, planeti, zvezde in druga nebesna telesa jih predvajajo in jih je mogoče zajeti.

Mikrovalovna pečica

Nahaja se v ultra visokih frekvencah (UHF), Super High (SHF) in izjemno visoki (EHF), segajo med 1 GHz in 300 GHz. Za razliko od prejšnjih, ki lahko merijo do ene milje (1,6 km), mikrovalovne pečice segajo od nekaj centimetrov do 33 cm.

Glede na svoj spekter položaj, med 100.000 in 400.000 nm se uporablja za prenos podatkov na frekvence, ki jih radijski valovi ne motijo. Zaradi tega se uporabljajo v radarski tehnologiji, mobilnih telefonih, kuhinjskih pečicah in računalniških rešitvah.

Njegovo nihanje je produkt naprave, znane kot Magnetron, ki je nekakšna resonančna votlina, ki ima na koncih 2 magneta diska. Elektromagnetno polje nastane s pospeševanjem katodnih elektronov.

Infrardeči žarki

Te toplotne valove oddajajo toplotna telesa, nekatere vrste laserja in diode, ki oddajajo svetlobo. Čeprav se običajno prekrivajo z radijskimi valovi in ​​mikrovalovno pečico, je njihov razpon med 0,7 in 100 mikrometrov.

Entitete najpogosteje proizvajajo toploto, ki jo lahko zaznajo nočni gledalci in koža. Pogosto se uporabljajo za daljinsko upravljanje in posebne komunikacijske sisteme.

Vidna svetloba

V referenčni delitvi spektra najdemo zaznavno svetlobo, ki ima valovno dolžino med 0,4 in 0,8 mikrometra. Razlikujemo barve mavrice, kjer je za najnižjo frekvenco značilna rdeča barva in najvišja s.

Njegove dolžinske vrednosti se merijo v nanometrih in angstromu, predstavlja zelo majhen del celotnega spektra in ta razpon vključuje največjo količino sevanja, ki ga oddajajo sonce in zvezde. Poleg tega je produkt pospeška elektronov v energijskih tranzitih.

Lahko vam služi: povprečni pospešek: kako se izračuna in reši

Naše dojemanje stvari temelji na vidnem sevanju, ki vpliva na predmet in nato na oči. Nato možgani razlagajo frekvence, ki povzročajo barvo in podrobnosti, ki so prisotne v stvareh.

Ultravijolični žarki

Te valovine najdemo v intervalu 4 in 400 nm, ustvarjajo sonce in drugi procesi, ki oddajajo velike količine toplote. Dolgotrajna izpostavljenost tem kratkim valom lahko povzroči opekline in nekatere vrste raka pri živih bitjih.

Ker so produkt elektronskih skokov v vznemirjenih molekulah in atomih, se njihova energija vmeša v kemične reakcije in se v medicini uporablja za sterilizacijo. Odgovorni so za ionosfero, saj se ozonska plast izogne ​​svojim škodljivim učinkom na Zemljo.

Rentgenski žarki

Ta oznaka je zato, ker so nevidni elektromagnetni valovi, ki lahko prečkajo neprozorna telesa in ustvarijo fotografske vtise. Nahaja se med 10 in 0,01 nm (30 do 30.000 phz), so rezultat elektronov, ki skočijo iz orbite v težkih atomih.

Te žarke lahko oddajajo sončna krona, pusare, supernove in črne luknje zaradi velike količine energije. Njegova dolgotrajna izpostavljenost povzroča raka in se na področju zdravil uporablja za pridobivanje slik kostnih struktur.

Gama žarki

Na levem koncu spektra so najpogostejši valovi in ​​se običajno pojavljajo v črnih luknjah, supernove, pulareh in nevtronskih zvezdah. Lahko so tudi posledica cepitve, jedrskih eksplozij in strele.

Ker se ustvarjajo s stabilizacijskimi procesi v atomskem jedru po radioaktivnih emisijah, so smrtonosni. Njegova valovna dolžina je subatomska, kar jim omogoča, da prečkajo atome. Kljub temu jih absorbira zemeljska atmosfera.

Uporaba različnih elektromagnetnih valov

Elektromagnetni valovi imajo enake lastnosti glede na odsev in odsev kot mehanski valovi. In poleg energije, ki jo širijo, lahko prenesejo tudi informacije.

Zaradi tega so bile za veliko število različnih nalog uporabljene različne vrste elektromagnetnih valov. Nato bomo videli nekaj najpogostejših.

Elektromagnetni spekter in nekatere njegove aplikacije. Vir: Tatoute in Phroood [cc by-sa 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0/]]

Radijski valovi

Kmalu po odkritju je Guglielmo Marconi pokazal, da so lahko odlično komunikacijsko orodje. Od njenega odkritja Hertza, brezžične komunikacije z radijskimi frekvencami, kot so AM in FM Radio, Televizija, mobilni telefoni in še veliko več, se širijo vedno več po vsem svetu.

Mikrovalovna pečica

Uporabljajo jih lahko za ogrevanje hrane, saj je voda dipolna molekula, ki se lahko odziva na nihajna električna polja. Živila vsebujejo molekule vode, ki so, ko so izpostavljeni tem poljem, začnejo nihati in trčiti drug z drugim. Nastali učinek je ogrevanje.

Uporabljajo jih lahko tudi v telekomunikacijah zaradi svoje sposobnosti premikanja v ozračju z manj motenj kot drugi valovi dolžine valov.

Infrardeči valovi

Najbolj značilna uporaba infrardečega so naprave za nočni vid. Uporabljajo se tudi v komunikaciji med napravami in spektroskopskimi tehnikami za preučevanje zvezd, medzvezdnih plinskih oblakov in eksoplanetov.

Z njimi lahko ustvarite tudi zemljevide telesne temperature, ki služijo prepoznavanju nekaterih vrst tumorjev, katerih temperatura je večja od temperature okoliških tkiv.

Vidna svetloba

Vidna svetloba tvori velik del spektra, ki ga oddaja sonce, na katerega se odziva mrežnica.

Ultravijolični žarki

Ultravijolični žarki imajo dovolj energije za znatno interakcijo s snov.

X -roji in gama žarki

X -Rays in Gamma žarki imajo še več energije, zato lahko prodrejo v mehka tkiva, zato so skoraj od trenutka njihovega odkritja uporabili za diagnosticiranje zlomov in pregled notranjosti telesa pri iskanju bolezni.

X -roji in gama žarki se ne uporabljajo samo kot diagnostično orodje, ampak kot terapevtsko orodje za uničenje tumorja.

Reference

1. Giancoli, d.  (2006). Fizika: načela z aplikacijami. Šesta izdaja. Dvorana Prentice. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Osnove fizike. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. izdaja. Pearson. 1053 - 1057.