Elektromagnetiske bølger Maxwells teori, typer, egenskaper

De elektromagnetiske bølger De er tverrbølger som tilsvarer felt forårsaket av akselererte elektriske ladninger. Det nittende århundre var århundret med store fremskritt innen elektrisitet og magnetisme, men inntil første halvdel av det visste forskere fortsatt ikke forholdet mellom begge fenomenene, og trodde dem uavhengige av hverandre.

Det var den skotske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) som viste verden at strøm og magnetisme ikke var annet enn de to sidene av samme valuta. Begge fenomenene er intimt beslektede.

En storm. Kilde: Pixabay.

[TOC]

Maxwell Theory

Maxwell forenet teorien om elektrisitet og magnetisme i 4 elegante og konsise ligninger, hvis spådommer snart ble bekreftet:

Hvilke bevis forberedte Maxwell seg til hans elektromagnetiske teori?

Det var allerede et faktum at elektriske strømmer (bevegelige belastninger) produserer magnetfelt, og i sin tur et variabelt magnetfelt stammer elektriske strømmer i ledende kretsløp, noe som ville innebære at et variabelt magnetfelt induserer elektrisk felt.

Kan det omvendte fenomenet være mulig? Ville variable elektriske felt kunne stamme magnetfelt etter tur etter tur?

Maxwell, en disippel av Michael Faraday, var overbevist om eksistensen av symmetrier i naturen. Både fenomener, elektrisk og magnetisk, måtte også holde seg til disse prinsippene.

I følge denne forskeren ville de svingende feltene generere forstyrrelser på samme måte som en stein som kastes i et tjern genererer bølger. Disse forstyrrelsene er ikke noe annet enn å svinge elektriske og magnetiske felt, som Maxwell kalte nøyaktig elektromagnetiske bølger.

Maxwell spådommer

Maxwells ligninger spådde eksistensen av elektromagnetiske bølger med forplantningshastighet lik lysets hastighet. Forutsigelsen ble bekreftet kort tid etter av den tyske fysikeren Heinrich Hertz (1857 - 1894), som klarte å generere disse bølgene i laboratoriet hans gjennom en LC -krets. Dette skjedde kort tid etter Maxwells død.

For å sjekke suksessen med teorien, måtte Hertz bygge en detektorapparat som tillot ham.

Maxwells verk hadde blitt mottatt med skepsis av datidens vitenskapelige samfunn. Kanskje skyldtes det delvis at Maxwell var en strålende matematiker og hadde presentert sin teori med all formaliteten i saken, som mange ikke klarte å forstå.

Imidlertid var Hertzs ​​eksperiment strålende og overbevisende. Resultatene hans ble godt mottatt og tvil om sannheten i Maxwells spådommer var klare.

Forskyvningsstrømmen

Forskyvningsstrømmen er opprettelsen av Maxwell, som stammer fra en dyp analyse av ampere -loven, som slår fast at:

 Hvor:Maxwell analyserte tilfellet med lasting av en kondensator: Når den er lastet, omfatter overflaten S hvis kontur er c, omfatter strømmen i_C Det som går gjennom den ledende ledningen, som det kan sees på figuren nedenfor:

Et batteri laster en kondensator. Overflater (kontinuerlig linje) og S 'og konturen for å anvende ampere -loven vises. Kilde: Modified Pixabay.

Derfor er begrepet til høyre i ampere -loven, som involverer strømmen, ikke null og er ikke medlemmet til venstre. Umiddelbar konklusjon: Det er et magnetfelt.

Er det magnetfelt i S '?

Imidlertid er det ingen strøm som krysser eller krysser den buede overflaten S ', som har den samme konturen C, siden denne overflaten omfatter en del av det som er i rommet mellom kondensatorplatene, som vi kan anta er luft eller annet stoff som ikke er - dirigent.

I den regionen er det ikke noe ledende materiale som noen strøm strømmer. Det må huskes at for en strøm å sirkulere, må kretsen være stengt. Når strømmen er null, er integralen til venstre i ampere -loven 0. Det er ikke noe magnetfelt da, eller ja?

Det er definitivt en motsetning. S 'er også begrenset av kurve C, og eksistensen av magnetfeltet skal ikke avhenge av overflaten som det begrenser.

Det kan tjene deg: Hva er balansen i partikkelen? (Med eksempler)

Maxwell løste motsetningen ved å introdusere begrepet forskyvningsstrøm I_D.

Forskyvningsstrøm

Mens kondensatoren lastes inn, er det et variabelt elektrisk felt mellom platene og sirkulerer strøm av føreren. Når kondensatoren er lastet, opphører strømmen i føreren og et konstant elektrisk felt mellom platene.

Da trukket Maxwell at det, assosiert med det variable elektriske feltet, skal være en strøm som kalte forskyvningsstrøm I_D, En strøm som ikke involverer belastningsbevegelse. For overflaten S 'er gyldig:

 Hvor:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Elektrisk strøm er ikke en vektor, selv om det er størrelse og mening. Det er mer passende å relatere feltene til en mengde som er vektor: strømtettheten J,hvis størrelse er kvotienten mellom strømmen og området den passerer. Gjeldende tetthetsenheter i det internasjonale systemet er forsterkere/m².

Når det gjelder denne vektoren, er forskyvningsstrømtettheten:

Forskyvningsstrømmen I_D Det skyldes endringen i tidspunktet for den elektriske feltstrømmen mellom kondensatorplatene mens den lastes. Når den er lastet, er variasjonen av den elektriske strømmen null og forskyvningsstrømmen forsvinner.

På denne måten, når ampere -loven blir brukt på konturen C og overflaten S brukes, i_C Det er strømmen som krysser den. I stedet jeg_C Det går ikke gjennom S ', men jeg_D Hvis det gjør det.

Trening løst

1-En sirkulær parallell flatplate kondensator lastes. Platens radius er 4 cm og på et øyeblikk gitt kjørestrømmen jeg_C = 0.520 a. Det er luft mellom platene. Finne:

a) Forskyvningsstrømtettheten j_D i rommet mellom platene.

b) hastigheten som det elektriske feltet mellom platene endrer.

C) Det induserte magnetfeltet mellom platene i en avstand på 2 cm fra aksialaksen.

d) samme problem som i c), men i en avstand på 1 cm fra aksialaksen.

Løsning

Avsnitt a

For størrelsen på strømtettheten J_D Området til platene er nødvendig:

Plateareal: A = πr² = π . (4 x 10^-2 m)² = 0.00503 m².

Det elektriske feltet er ensartet mellom platene, den nåværende tettheten, siden de er proporsjonale. I tillegg i_C = jeg_D For kontinuitet, da:

Strøm J -tetthet_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Avsnitt b

Valutakursen for det elektriske feltet er (av/dt). En ligning er nødvendig for å finne den, basert på de første prinsippene: den nåværende definisjonen, definisjonen av kapasitet og kapasitet for en plakkkondensator.

- Per definisjon er strømmen derivatet av belastningen med hensyn til tid I_C = dq/dt

- Kondensatorens kapasitet er C = Q/V, der Q er belastningen og V er potensialforskjellen.

- For sin del er kapasiteten til den parallelle flate plakkkondensatoren: C = ε_entenA/d.

Nedrecases brukes til å indikere strømmer og spenning som er varierende over tid. Når du kombinerer den andre og tredje ligningen, gjenstår belastningen:

q = c.V = (ε_entenA/d).v = ε_entenA (v/d) = ε_entenAe

Her ε_enten Det er godtgjørelsen til vakuumet hvis verdi er 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Når man tar dette resultatet til den første ligningen, oppnås derfor et uttrykk som inneholder valutakursen for det elektriske feltet:

Yo_C = dq/dt = d (ε_entenAe)/dt = ε_entenA (fra/dt)

Rydding av/dt er:

(av/dt) = i_C/ (ε_entenA) = j_D/ε_enten

Erstatte verdier:

av/dt = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.m² ) = 1.17 x 10^{1. 3} (N/C)/S

Resultatet er omtrent 1 etterfulgt av 13 nuller. Det elektriske feltet varierer definitivt veldig raskt.

Avsnitt C

For å finne størrelsen på magnetfeltet er det nødvendig å anvende ampere -loven, velge en sirkulær radiostei r Inne i platene og konsentriske for dem, hvis radius er r:

Kan tjene deg: Venus (planet)

På den annen side i integralen er vektorene B og DL parallelle, slik at skalarproduktet enkelt er Bdl, hvor dl Det er en differensial på vei på C. Felt B er konstant all C og er utenfor integralen:

Lik begge resultatene:

Rydde b du har:

Evaluering for r = 2 cm = 0.02 M:

Avsnitt d

Evaluering av ligningen oppnådd i forrige avsnitt, for r = 1 cm = 0.01 M:

Kjennetegn på elektromagnetiske bølger

Elektromagnetiske bølger er tverrbølger der elektriske og magnetiske felt er vinkelrett på hverandre i retning av bølgeutbredelse.

Elektromagnetiske bølger består av vinkelrett elektriske og magnetiske felt. Kilde: Pixabay.

Neste vil vi se de mest bemerkelsesverdige egenskapene.

Forplantningshastigheten

Forplantningshastigheten til elektromagnetiske bølger i et vakuum er c ≈3.00 x10⁸ M/s, uavhengig av hvilke verdier som har bølgelengden og frekvensen.

Media der de formerer seg

Elektromagnetiske bølger spredte seg både i vakuum og i et materielt medium, i motsetning til mekaniske bølger som krever et medium.

Forholdet mellom hastighet, bølgelengde og frekvens

Forholdet mellom hastighet c, Bølgelengden λ og frekvens F av elektromagnetiske bølger i vakuum er c = λ.F.

Forholdet mellom elektrisk og magnetfelt

Størrelsene på de elektriske og magnetiske felt er relatert til E = CB.

Hastighet i et gitt medium

I et gitt miljø er det mulig å demonstrere at hastigheten på elektromagnetiske bølger er gitt av uttrykket:

Der ε og μ er den respektive godtgjørelsen og permeabiliteten til det aktuelle miljøet.

Mengde bevegelse

En elektromagnetisk stråling med energi ELLER har en mengde bevegelse assosiert p hvis størrelse er: p = ELLER/c.

Typer elektromagnetiske bølger

Elektromagnetiske bølger har et veldig bredt spekter av bølgelengder og frekvenser. De er gruppert i det som er kjent som det elektromagnetiske spekteret, som har blitt delt inn i regioner, som er utnevnt nedenfor, og starter med de høyeste bølgelengdene:

Radiobølger

Ligger på slutten av høyeste bølgelengde og lavere frekvens, varierer de fra noen til en milliard hertz. Det er de som brukes til å overføre et signal med informasjon av forskjellige slag og blir fanget av antennene. TV, radio, mobiler, planeter, stjerner og andre himmellegemer som sendes dem og kan fanges.

Mikrobølgeovn

Ligger i Ultra High Frequences (UHF), Super High (SHF) og Extreme High (EHF), varierer mellom 1 GHz og 300 GHz. I motsetning til de tidligere som kan måle opptil en kilometer (1,6 km), varierer mikrobølger fra noen få centimeter til 33 cm.

Gitt spektrumposisjonen, mellom 100.000 og 400.000 nm, brukes til å overføre data om frekvenser som ikke forstyrres ved radiobølger. Av denne grunn brukes de i radarteknologi, mobiltelefoner, kjøkkenovner og datamaskinløsninger.

Oscillasjonen er produktet av en enhet kjent som magnetron, som er et slags resonanshulrom som har 2 skivemagneter i endene. Det elektromagnetiske feltet genereres ved akselerasjonen av katodeelektroner.

Infrarøde stråler

Disse hetebølgene sendes ut av termiske kropper, noen typer laser og dioder som avgir lys. Selv om de vanligvis overlapper hverandre med radiobølger og mikrobølgeovn, er rekkevidden mellom 0,7 og 100 mikrometer.

Enheter produserer hyppigst varme som kan oppdages av natt seere og hud. De brukes ofte til fjernkontroller og spesielle kommunikasjonssystemer.

Synlig lys

I referansedelingen av spekteret finner vi det merkbare lyset, som har en bølgelengde mellom 0,4 og 0,8 mikrometer. Det vi skiller er regnbuens farger, der den laveste frekvensen er preget av den røde fargen og den høyeste av den fiolette.

Lengdeverdiene måles i nanometer og angstrom, representerer en veldig liten del av hele spekteret, og dette området inkluderer den største mengden stråling som sendes ut av solen og stjernene. I tillegg er det produktet av akselerasjonen av elektroner i energioverganger.

Det kan tjene deg: Gjennomsnittlig akselerasjon: Hvordan den beregnes og løses

Vår oppfatning av ting er basert på en synlig stråling som påvirker et objekt og deretter på øynene. Da tolker hjernen frekvensene som gir opphav til fargen og detaljene som er til stede i ting.

Ultrafiolette stråler

Disse bølgene finnes i intervallet 4 og 400 nm, genereres av solen og andre prosesser som avgir store mengder varme. Langvarig eksponering for disse korte bølgene kan forårsake brannskader og visse typer kreft hos levende vesener.

Siden de er produktet av elektronhopp i eksiterte molekyler og atomer, griper energien deres inn i kjemiske reaksjoner og brukes i medisin for å sterilisere. De er ansvarlige for ionosfæren siden ozonlaget unngår skadelige effekter på jorden.

Røntgenbilder

Denne betegnelsen skyldes at de er usynlige elektromagnetiske bølger som er i stand til å krysse ugjennomsiktige kropper og produsere fotografiske inntrykk. Ligger mellom 10 og 0,01 nm (30 til 30.000 phz), er resultatet av elektroner som hopper fra baner i tunge atomer.

Disse strålene kan sendes ut av solens krone, pulsares, supernovaer og sorte hull på grunn av dens store mengde energi. Den langvarige eksponeringen forårsaker kreft og brukes i medisinfeltet for å få bilder av beinstrukturer.

Gamma -stråler

Ligger i venstre ende av spekteret, er de de mest frekvensbølgene og forekommer vanligvis i sorte hull, supernovaer, pulsares og nøytronstjerner. De kan også være en konsekvens av fisjon, atomeksplosjoner og lyn.

Siden de genereres ved stabiliseringsprosesser i atomkjernen etter radioaktive utslipp, er de dødelige. Bølgelengden er subatomisk, som lar dem krysse atomer. Likevel blir de absorbert av jordens atmosfære.

Bruksområder av de forskjellige elektromagnetiske bølgene

Elektromagnetiske bølger har de samme egenskapene når det gjelder refleksjon og refleksjon som mekaniske bølger. Og ved siden av energien de formerer seg, kan de også bære informasjon.

På grunn av dette har de forskjellige typene elektromagnetiske bølger blitt brukt på et stort antall forskjellige oppgaver. Neste ser vi noen av de vanligste.

Elektromagnetisk spekter og noen av bruksområdene. Kilde: Tatoute og Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0/]]

Radiobølger

Kort tid etter å ha blitt oppdaget, viste Guglielmo Marconi at de kunne være et utmerket kommunikasjonsverktøy. Siden oppdagelsen av Hertz, trådløs kommunikasjon med radiofrekvenser som AM og FM -radio, TV, mobiltelefoner og mye mer, har de utvidet mer og mer over hele verden.

Mikrobølgeovn

De kan brukes til å varme opp mat, fordi vann er et dipolmolekyl som er i stand til å svare på svingende elektriske felt. Mat som inneholder vannmolekyler, som når de blir utsatt for disse feltene, begynner å svinge og kollidere med hverandre. Den resulterende effekten er oppvarming.

De kan også brukes i telekommunikasjon, på grunn av deres evne til å bevege seg i atmosfæren med mindre forstyrrelser enn andre bølgelengdebølger.

Infrarøde bølger

Den mest karakteristiske anvendelsen av infrarøde er nattsynsenheter. De brukes også i kommunikasjon mellom enheter og spektroskopiske teknikker for studiet av stjerner, interstellare gassskyer og eksoplaneter.

Med dem kan du også lage karostertemperaturkart, som tjener til å identifisere noen typer svulster hvis temperatur er større enn for det omkringliggende vevet.

Synlig lys

Det synlige lyset danner mye av spekteret som sendes ut av solen, som netthinnen reagerer.

Ultrafiolette stråler

Ultrafiolette stråler har nok energi til å samhandle med materie betydelig, så kontinuerlig eksponering for denne strålingen forårsaker for tidlig aldring og øker risikoen for å utvikle hudkreft.

X -stråler og gammastråler

X -stråler og gammastråler har enda mer energi, og derfor er de i stand til å trenge gjennom mykt vev, derav nesten helt fra det øyeblikk av oppdagelsen har de blitt brukt til å diagnostisere brudd og granske det indre av kroppen i jakten på sykdom.

X -stråler og gammastråler brukes ikke bare som et diagnostisk verktøy, men som et terapeutisk verktøy for ødeleggelse av tumor.

Referanser

1. Giancoli, d.  (2006). Fysikk: Prinsipper med applikasjoner. Sjette utgave. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Fundamentals of Physics. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. utgave. Pearson. 1053 - 1057.