Elektromagnetické vlny Maxwellova teória, typy, charakteristiky

Ten elektromagnetické vlny Sú to priečne vlny, ktoré zodpovedajú poliam spôsobeným zrýchlenými elektrickými nábojmi. Devätnáste storočie bolo storočím veľkého pokroku v elektrine a magnetizme, ale až do prvej polovice z nich vedci stále nepoznali vzťah medzi oboma javmi a verili im, že sú nezávisle od seba nezávisle.

Bol to škótsky fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879), ktorý ukázal svetu, že elektrina a magnetizmus neboli ničím iným ako dve strany tej istej meny. Oba javy sú dôverne príbuzné.

Búrka. Zdroj: Pixabay.

[TOC]

Maxwell teória

Maxwell zjednotil teóriu elektriny a magnetizmu v 4 elegantných a stručných rovniciach, ktorých predpovede sa čoskoro potvrdili:

Aké dôkazy sa Maxwell pripravil na svoju elektromagnetickú teóriu?

Už bolo skutočnosťou, že elektrické prúdy (pohyblivé zaťaženie) vyrábajú magnetické polia a variabilné magnetické pole pochádza z elektrických prúdov vo vodivých obvodoch, čo by znamenalo, že variabilné magnetické pole indukuje elektrické pole.

Mohol by byť možný inverzný jav? By variabilné elektrické polia boli schopné vzniknúť na druhej strane magnetické polia?

Maxwell, učeník Michaela Faradaya, bol presvedčený o existencii symetrie v prírode. Oba javy, elektrické aj magnetické, sa tiež museli držať týchto princípov.

Podľa tohto výskumného pracovníka by oscilačné polia spôsobili poruchy rovnakým spôsobom, ako kameň hodený do rybníka generuje vlny. Tieto poruchy nie sú nič iné ako oscilujúce elektrické a magnetické polia, ktoré Maxwell nazýval presne elektromagnetické vlny.

Maxwell predpovede

Maxwellove rovnice predpovedali existenciu elektromagnetických vĺn s rýchlosťou šírenia rovnajúce sa rýchlosti svetla. Predpoveď potvrdil krátko nato nemecký fyzik Heinrich Hertz (1857 - 1894), ktorý podarilo vyvolať tieto vlny vo svojom laboratóriu prostredníctvom LC obvodu. Stalo sa to krátko po Maxwellovej smrti.

Na kontrolu úspechu teórie musel Hertz zostaviť detektorové zariadenie, ktoré mu umožnilo.

Maxwellove diela boli prijaté so skepticizmom vedeckou komunitou tej doby. Možno to bolo čiastočne kvôli skutočnosti, že Maxwell bol vynikajúci matematik a predstavil svoju teóriu so všetkou formalitou prípadu, ktorej mnohí nedokázali pochopiť.

Hertzov experiment však bol vynikajúci a presvedčivý. Jeho výsledky boli dobre prijaté a pochybnosti o pravdivosti Maxwellových predpovedí boli jasné.

Posuvný prúd

Vysídlenie je vytvorenie Maxwella, ktoré vyplýva z hlbokej analýzy ampérskeho zákona, ktorá to ustanovuje:

 Kde:Maxwell analyzoval prípad zaťaženia kondenzátora: pri načítaní, povrch S, ktorého obrys je C, zahŕňa prúd i_C Čo prechádza vodivým drôtom, ako je vidieť na obrázku nižšie:

Batéria načíta kondenzátor. Povrchy (kontinuálna čiara) a S 'a obrys C, ktoré sa uplatňujú zákona o ampérii. Zdroj: Upravené pixabay.

Preto termín napravo v zákone Ampere, ktorý zahŕňa súčasný, nie je nula a nie je členom ľavej strany. Okamžitý záver: Existuje magnetické pole.

Existuje magnetické pole v s '?

Neexistuje však žiadny prúd, ktorý prechádza alebo prekrížením zakriveného povrchu S ', ktorý má rovnaký obr. dirigent.

V tejto oblasti neexistuje žiadny vodivý materiál, prostredníctvom ktorého prúdenie prúdu tečie. Je potrebné si uvedomiť, že na cirkuláciu prúdu je potrebné uzavrieť obvod. Ak je prúd nula, integrál ľavice v ampérskom zákone je 0. Potom neexistuje žiadne magnetické pole, alebo áno?

Určite existuje rozpor. S 'je tiež obmedzená krivkou C a existencia magnetického poľa by nemala závisieť od povrchu, na ktorý sa obmedzuje.

Môže vám slúžiť: Aká je rovnováha častíc? (S príkladmi)

Maxwell vyriešil rozpor zavedením koncepcie vysídlenia prúdu i_D.

Posunutie

Kým sa kondenzátor nakladá, medzi doskami je variabilné elektrické pole a cirkuluje prúd vodičom. Keď je kondenzátor naložený, prúd prestane v vodičovi a medzi doskami sa vytvorí konštantné elektrické pole.

Potom Maxwell to odvodil, čo je spojené s premenlivým elektrickým poľom, mal by existovať prúd, ktorý sa nazýva posuvný prúd i_D, Prúd, ktorý nezahŕňa pohyb zaťaženia. Pre povrch S 'je platné:

 Kde:

 μ_{O = 4π .10^-7}   Tón.m/a

Elektrický prúd nie je vektor, hoci je to veľkosť a význam. Je vhodnejšie prepojiť polia so sumou, ktorá je vektor: prúdová hustota J,ktorého veľkosť je kvocient medzi prúdom a oblasťou, cez ktorú prechádza. Súčasné hustotné jednotky v medzinárodnom systéme sú AMPS/M².

Pokiaľ ide o tento vektor, hustota prúdu posunu je:

Prúd posunu i_D Je to kvôli zmene času prietoku elektrického poľa medzi kondenzačnými doskami, keď sa nakladajú. Po jeho zaťažení je variácia elektrického toku nula a vytesnenie prúdu zmizne.

Týmto spôsobom, keď sa ampérový zákon aplikuje na obrys C a použije sa povrch S, i_C Je to prúd, ktorý ho prechádza. Namiesto toho_C Nejde to S ', ale ja_D Ak sa tak stane.

Cvičenie

1-kruhový paralelný kondenzátor plochej dosky sa nakladá. Polomer dosiek je 4 cm av okamihu vzhľadom na hnací prúd i_C = 0.520 a. Medzi doskami je vzduch. Nájsť:

a) hustota prúdu j. j_D vo priestore medzi doskami.

b) Sadzba, pri ktorej sa mení elektrické pole medzi doskami.

c) indukované magnetické pole medzi doskami vo vzdialenosti 2 cm od axiálnej osi.

d) Rovnaký problém ako v c), ale vo vzdialenosti 1 cm od axiálnej osi.

Riešenie

Oddiel a

Pre veľkosť prúdovej hustoty j_D Potrebná je oblasť dosiek:

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

Elektrické pole je rovnomerné medzi doskami, aj hustota prúdu, pretože je proporcionálna. Okrem toho ja_C = i_D Pre kontinuitu, potom:

Hustota_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Oddiel B

Výmenný kurz elektrického poľa je (z/dt). Na nájdenie je potrebná rovnica na základe prvých zásad: súčasnej definície, definície kapacity a kapacity pre kondenzátor z plakov.

- Podľa definície je prúd derivátom záťaže vzhľadom na čas i_C = dq/dt

- Kapacita kondenzátora je C = Q/V, kde Q je zaťaženie a V je potenciálny rozdiel.

- Pokiaľ ide o svoju časť, kapacita paralelného kondenzátora plochého plaku je: C = ε_aniA/d.

Nižšie kasy sa používajú na označenie prúdov a napätia, ktoré sa časom líšia. Pri kombinácii druhej a tretej rovnice zostáva zaťaženie:

Q = C.V = (ε_aniA/d).v = ε_aniA (v/d) = ε_aniAe

Tu ε_ani Je to príspevok vákua, ktorého hodnota je 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Preto pri posudzovaní tohto výsledku na prvú rovnicu sa získa výraz, ktorý obsahuje výmenný kurz elektrického poľa:

Jo_C = dq/dt = d (ε_aniAe)/dt = ε_aniA (od/dt)

Vymazanie/DT je:

(z/dt) = i_C/ (ε_aniA) = j_D/ε_ani

Výmena hodnôt:

z/dt = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.m² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Výsledkom je približne 1, po ktorom nasleduje 13 nulov. Elektrické pole sa určite veľmi rýchlo líši.

Oddiel C

Ak chcete nájsť veľkosť magnetického poľa r Vo vnútri tanierov a sústredne pre nich, ktorých polomer je R:

Môže vám slúžiť: Venuša (planéta)

Na druhej strane v integráli vektory B a DL sú rovnobežné, takže skalárny produkt je jednoducho Bdl, kde DL Je to rozdiel na ceste na c. Pole B je konštantné všetky C a je mimo integrálu:

Rovná sa obom výsledkom:

Vymazanie B máte:

Hodnotenie R = 2 cm = 0.02 m:

Oddiel D

Vyhodnotenie rovnice získanej v predchádzajúcom odseku pre r = 1 cm = 0.01 m:

Charakteristiky elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny sú priečne vlny, kde sú elektrické a magnetické polia kolmé na seba do smeru šírenia vlny.

Elektromagnetické vlny pozostávajú z kolmých elektrických a magnetických polí. Zdroj: Pixabay.

Ďalej uvidíme jeho najvýznamnejšie vlastnosti.

Rýchlosť šírenia

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je c ≈3,00 x10⁸ m/s, bez ohľadu na to, aké hodnoty majú vlnovú dĺžku a frekvenciu.

Médiá, kde sa šíria

Elektromagnetické vlny sa šíria vo vákuu aj v niektorom materiálovom médiu, na rozdiel od mechanických vĺn, ktoré vyžadujú médium.

Pomer medzi rýchlosťou, vlnovou dĺžkou a frekvenciou

Vzťah medzi rýchlosťou c, Vlnová dĺžka λ a frekvencia F elektromagnetických vĺn vo vákuu je c = λ.F.

Vzťah medzi elektrickým a magnetickým poľom

Veľkosť elektrických a magnetických polí je prostredníctvom E = CB.

Rýchlosť v danom médiu

V danom prostredí je možné preukázať, že rýchlosť elektromagnetických vĺn je daná výrazom:

V ktorom ε a μ sú príslušným príspevkom a priepustnosťou príslušného prostredia.

Pohyb

Elektromagnetické žiarenie energiou Alebo má spojené množstvo pohybu p ktorého veľkosť je: p = Alebo/c.

Typy elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny majú veľmi široký rozsah vlnových dĺžok a frekvencií. Sú zoskupené do toho, čo je známe ako elektromagnetické spektrum, ktoré bolo rozdelené do oblastí, ktoré sú vymenované nižšie, počnúc najvyššími vlnovými dĺžkami:

Rádiové vlny

Nachádza sa na konci najvyššej vlnovej dĺžky a nižšej frekvencie, pohybujú sa od niekoľkých do jednej miliardy hertzov. Sú to tí, ktorí sa používajú na prenos signálu s informáciami rôznych druhov a sú zachytené anténami. Televízia, rozhlas, mobilné telefóny, planéty, hviezdy a ďalšie nebeské telá ich vysielajú a môžu byť zachytené.

Mikrovlnná rúra

Nachádza sa v ultra vysokých frekvenciách (UHF), super vysoké (SHF) a extrémne vysoké (EHF), v rozmedzí 1 GHz a 300 GHz. Na rozdiel od predchádzajúcich, ktoré dokážu merať až jednu míľu (1,6 km), mikrovlnné rúry sa pohybujú od niekoľkých centimetrov do 33 cm.

Vzhľadom na jeho polohu spektra, medzi 100.000 a 400.000 nm sa používa na prenos údajov o frekvenciách, ktoré nie sú interferované rádiovými vlnami. Z tohto dôvodu sa používajú v radarovej technológii, mobilných telefónoch, kuchynských pecách a počítačových riešeniach.

Jeho oscilácia je produktom zariadenia známeho ako magnetrón, ktorý je druh rezonančnej dutiny, ktorá má na koncoch 2 magnety diskov. Elektromagnetické pole je generované zrýchlením katódových elektrónov.

Infračervené lúče

Tieto tepelné vlny sú emitované tepelnými telami, niektorými typmi laseru a diódami, ktoré emitujú svetlo. Aj keď sa zvyčajne prekrývajú s rádiovými vlnami a mikrovlnnou rúrou, ich rozsah je medzi 0,7 a 100 mikrometrov.

Entity najčastejšie produkujú teplo, ktoré môžu detegovať noční diváci a pokožka. Často sa používajú pre diaľkové ovládacie prvky a špeciálne komunikačné systémy.

Viditeľné svetlo

V referenčnom delení spektra nachádzame vnímateľné svetlo, ktoré má vlnovú dĺžku medzi 0,4 a 0,8 mikrometrov. To, čo rozlišujeme, sú farby dúhy, kde je najnižšia frekvencia charakterizovaná červenou farbou a najvyššia fialovou farbou.

Jeho dĺžkové hodnoty sa merajú v nanometroch a angstrom, predstavuje veľmi malú časť celého spektra a tento rozsah obsahuje najväčšie množstvo žiarenia emitovaného slnkom a hviezdami. Okrem toho je to produkt zrýchlenia elektrónov pri energetických tranzitoch.

Môže vám slúžiť: Priemerné zrýchlenie: Ako sa vypočítava a vyrieši

Naše vnímanie vecí je založené na viditeľnom žiarení, ktoré ovplyvňuje objekt a potom na očiach. Potom mozog interpretuje frekvencie, ktoré vedú k farbe a detailom prítomných vo veciach.

Ultrafialové lúče

Tieto zvlnenia sa nachádzajú v intervale 4 a 400 nm, generujú sa slnko a ďalšie procesy, ktoré emitujú veľké množstvo tepla. Predĺžené vystavenie týmto krátkym vlnám môže spôsobiť popáleniny a určité typy rakoviny u živých bytostí.

Pretože sú produktom elektrónových skokov v excitovaných molekulách a atómoch, ich energia zasahuje do chemických reakcií a používa sa v medicíne na sterilizáciu. Sú zodpovední za ionosféru, pretože ozónová vrstva sa vyhýba jej škodlivým účinkom na zem.

Röntgenové lúče

Toto označenie je preto, že ide o neviditeľné elektromagnetické vlny schopné prekročiť nepriehľadné telá a vytvárať fotografické dojmy. Umiestnené medzi 10 a 0,01 nm (30 až 30.000 phz), je výsledkom elektrónov, ktoré skočia z obežných dráh v ťažkých atómoch.

Tieto lúče môžu byť emitované korunou slnka, pulsares, supernov a čiernych dier kvôli jej veľkému množstvu energie. Jeho predĺžená expozícia spôsobuje rakovinu a používa sa v oblasti liekov na získanie obrazov kostných štruktúr.

Gama lúče

Nachádza sa na ľavom konci spektra a sú najfrekvenčnejšími vlnami a zvyčajne sa vyskytujú v čiernych otvoroch, supernovách, pulsare a neutrónových hviezdách. Môžu byť tiež dôsledkom štiepenia, jadrových výbuchov a blesku.

Pretože sú generované stabilizačnými procesmi v atómovom jadre po rádioaktívnych emisiách, sú smrtiace. Jeho vlnová dĺžka je subatomická, čo im umožňuje krížiť atómy. Napriek tomu sú absorbované zemskou atmosférou.

Aplikácie rôznych elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny majú rovnaké vlastnosti, pokiaľ ide o odraz a odraz ako mechanické vlny. A vedľa energie, ktorú šíria, môžu tiež nosiť informácie.

Z tohto dôvodu sa na veľké množstvo rôznych úloh aplikovali rôzne typy elektromagnetických vĺn. Ďalej uvidíme niektoré z najbežnejších.

Elektromagnetické spektrum a niektoré z jeho aplikácií. Zdroj: Tatoute a Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0/]]

Rádiové vlny

Krátko po objavení Guglielmo Marconi ukázal, že by mohol byť vynikajúcim komunikačným nástrojom. Od svojho objavenia Hertza, bezdrôtovej komunikácie s rádiovými frekvenciami, ako sú rádio AM a FM, televízia, mobilné telefóny a oveľa viac, sa stále viac rozširujú na celom svete.

Mikrovlnná rúra

Môžu byť použité na zahrievanie potravín, pretože voda je dipólová molekula, ktorá je schopná reagovať na oscilujúce elektrické polia. Potraviny obsahujú molekuly vody, ktoré pri vystavení týmto poliam začínajú kmitať a zrážať sa navzájom. Výsledným účinkom je zahrievanie.

Môžu sa tiež použiť v telekomunikáciách, kvôli ich schopnosti pohybovať sa v atmosfére s menším rušením ako iné vlny dĺžky vlny.

Infračervené vlny

Najvýraznejšou aplikáciou infračervených zariadení sú zariadenia Night Vision. Používajú sa tiež v komunikácii medzi zariadeniami a spektroskopickými technikami na štúdium hviezd, medzihviezdnych plynových mrakov a exoplanet.

S nimi môžete tiež vytvoriť mapy telesnej teploty, ktoré slúžia na identifikáciu niektorých typov nádorov, ktorých teplota je vyššia ako teplota okolitých tkanív.

Viditeľné svetlo

Viditeľné svetlo tvorí väčšinu spektra emitovaného slnkom, na ktoré retina sietnice reaguje.

Ultrafialové lúče

Ultrafialové lúče majú dostatok energie na významnú interakciu s hmotou, takže nepretržitá expozícia tomuto žiareniu spôsobuje predčasné starnutie a zvyšuje riziko vzniku rakoviny kože.

X -Rays a Gamma Rays

X -Rays a Gamma Rays majú ešte viac energie, a preto sú schopní preniknúť z mäkkých tkanív, a preto takmer od okamihu ich objavu, ktoré boli použité na diagnostikovanie zlomenín a na preskúmanie interiéru tela pri hľadaní chorôb.

X -Rays a gama lúče sa používajú nielen ako diagnostický nástroj, ale aj ako terapeutický nástroj na ničenie nádoru.

Odkazy

1. Giancoli, D.  (2006). Fyzika: Princípy s aplikáciami. Šieste vydanie. Sála. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Základy fyziky. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Fyzika univerzity s modernou fyzikou. 14. vydanie. Pearson. 1053 - 1057.