Fale elektromagnetyczne: teoria Maxwella, typy, charakterystyki, zastosowania

Fale elektromagnetyczne to fale poprzeczne, które odpowiadają polom spowodowanym przez przyspieszone ładunki elektryczne. Wiek XIX był wiekiem wielkich postępów w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu, ale do pierwszej połowy naukowcy nadal nie znali związku między tymi dwoma zjawiskami, wierząc, że są od siebie niezależni.

To szkocki fizyk James Clerk Maxwell (1831-1879) pokazał światu, że elektryczność i magnetyzm są tylko dwiema stronami tej samej monety. Oba zjawiska są ze sobą ściśle powiązane.

Prąd elektryczny nie jest wektorem, chociaż ma wielkość i kierunek. Bardziej właściwe jest powiązanie pól z ilością, która jest wektorem: gęstością prądu J , której wielkość jest ilorazem między prądem a obszarem, przez który przechodzi. Jednostkami gęstości prądu w systemie międzynarodowym są wzmacniacze / m2.

Pod względem tego wektora gęstość prądu przemieszczenia wynosi:

W ten sposób, gdy prawo Ampera zostanie zastosowane do konturu C i zostanie użyta powierzchnia S, i _C jest prądem, który przez nią przechodzi. Z drugiej strony _C nie przechodzi przez S ', ale robi to _D.

Zdecydowane ćwiczenie

Ładowany jest kondensator 1-A kołowych równoległych płyt płaskich. Promień płyt wynosi 4 cm, aw danej chwili prąd przewodzenia i _C = 0, 520 A. Pomiędzy płytami jest powietrze. Znajdź:

a) Gęstość prądu przemieszczenia J _D w przestrzeni między płytami.

b) Szybkość, z jaką zmienia się pole elektryczne między płytami.

c) Pole magnetyczne indukowane między płytami w odległości 2 cm od osi osiowej.

d) Ten sam problem, co w c), ale w odległości 1 cm od osiowej.

Rozwiązanie

Sekcja a

Dla wielkości gęstości prądu J _D potrzebny jest obszar płytek:

Powierzchnia płytek: A = πr2 = π. (4 x 10-2 m) 2 = 0, 00503 m2.

Pole elektryczne jest jednolite między płytami, gęstość prądu również, ponieważ są proporcjonalne. Również i _C = i _D przez ciągłość, a następnie:

Gęstość prądu J _D = 0, 520 A / 0, 00503 m2 = 103, 38 A / m2.

Sekcja b

Szybkość zmiany pola elektrycznego wynosi (dE / dt). Potrzebne jest równanie, aby je znaleźć, zaczynając od pierwszych zasad: definicji prądu, definicji pojemności i pojemności kondensatora równoległych płaskich płyt.

- Z definicji prąd jest pochodną obciążenia względem czasu i _C = dq / dt

- Pojemność kondensatora to C = q / v, gdzie q to ładunek, a v to różnica potencjałów.

- Z drugiej strony pojemność równoległego kondensatora płaskiej płyty wynosi: C = ε _lub A / d.

Małe litery służą do wskazywania prądów i napięć zmieniających się w czasie. Podczas łączenia drugiego i trzeciego równania obciążenie pozostaje jako:

q = Cv = (ε _lub A / d) .v = ε _lub A (v / d) = ε _lub AE

Tutaj ε _o jest przenikalnością próżni, której wartość wynosi 8, 85 x 10-12 C2 / N.m2. Dlatego, biorąc ten wynik do pierwszego równania, otrzymujesz wyrażenie, które zawiera szybkość zmiany pola elektrycznego:

i _C = dq / dt = d (ε _lub AE) / dt = ε _lub A (dE / dt)

Pozostaje rozliczenie dE / dt:

(dE / dt) = i _C / (ε _lub A) = j _D / ε _lub

Zastępujące wartości:

dE / dt = (103, 38 A / m2) / (8, 85 x 10-12 C2 / N.m2) = 1, 17 x 1013 (N / C) / s

Wynik wynosi około 1, a następnie 13 zer. Zdecydowanie pole elektryczne zmienia się bardzo szybko.

Sekcja c

Aby znaleźć wielkość pola magnetycznego, konieczne jest zastosowanie prawa Ampere'a, wybierając kołową ścieżkę o promieniu r wewnątrz płyt i koncentryczną względem nich, której promieniem jest R:

Ze swej strony w całce wektory B i dl są równoległe, tak że iloczyn skalarny jest po prostu Bdl, gdzie dl jest różnicą drogi nad C. Pole B jest stałe w całej drodze C i znajduje się poza całką :

Oceniając równanie uzyskane 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 i jednocześnie do kierunku propagacji fali.

Następnie zobaczymy jego najbardziej niezwykłe cechy.

Prędkość propagacji

Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni wynosi c ≈ 3, 00 x 108 m / s, niezależnie od tego, jakie wartości mają długość fali i częstotliwość.

Oznacza, gdzie są propagowane

Fale elektromagnetyczne propagują się zarówno w próżni, jak i w pewnym materialnym medium, w przeciwieństwie do fal mechanicznych, które wymagają medium.

Związek między prędkością, długością fali i częstotliwością

Relacja między prędkością c, długością fali λ a częstotliwością f fal elektromagnetycznych w próżni wynosi c = λ.f.

Związek między polem elektrycznym i magnetycznym

Wielkości pól elektrycznych i magnetycznych są powiązane przez E = cB.

Prędkość w danym medium

W danym medium możliwe jest wykazanie, że prędkość fal elektromagnetycznych jest wyrażona przez:

W których ε i μ to odpowiednia przenikalność i przepuszczalność danego medium.

Ilość ruchu

Promieniowanie elektromagnetyczne o energii U ma powiązaną wielkość ruchu p, którego wielkość wynosi: p = U / c .

Rodzaje fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne mają bardzo szeroki zakres długości fal i częstotliwości. Są one zgrupowane w tak zwanym widmie elektromagnetycznym, które zostało podzielone na regiony, które są wymienione poniżej, zaczynając od najdłuższych długości fal:

Fale radiowe

Znajdują się na końcu najdłuższej długości fali i najniższej częstotliwości, a ich zakres waha się od kilku do miliarda herców. Są one używane do przesyłania sygnału z różnego rodzaju informacjami i są przechwytywane przez anteny. Telewizja, radio, telefony komórkowe, planety, gwiazdy i inne ciała niebieskie emitują je i mogą zostać przechwycone.

Kuchenka mikrofalowa

Znajdują się w ultrawysokich częstotliwościach (UHF), super wysokich (SHF) i bardzo wysokich (EHF), a ich zakres waha się od 1 GHz do 300 GHz W przeciwieństwie do poprzednich częstotliwości, które mogą mierzyć do jednej mili (1, 6 km), mikrofal Wahają się od kilku centymetrów do 33 cm.

Biorąc pod uwagę ich pozycję w widmie, od 100 000 do 400 000 nm, są one wykorzystywane do przesyłania danych na częstotliwościach, które nie są zakłócane przez fale radiowe. Z tego powodu są one stosowane w technologii radarowej, telefonach komórkowych, piekarnikach kuchennych i rozwiązaniach komputerowych.

Jego oscylacja jest produktem urządzenia zwanego magnetronem, który jest rodzajem wnęki rezonansowej, która ma 2 magnesy tarczowe na końcach. Pole elektromagnetyczne jest generowane przez przyspieszenie elektronów katody.

Promienie podczerwone

Te fale ciepła są emitowane przez ciała termiczne, niektóre rodzaje laserów i diody emitujące światło. Chociaż często pokrywają się z falami radiowymi i mikrofalami, ich zasięg wynosi od 0, 7 do 100 mikrometrów.

Jednostki najczęściej wytwarzają ciepło, które można wykryć przez widzenie w nocy i skórę. Są one często używane do zdalnego sterowania i specjalnych systemów komunikacyjnych.

Widoczne światło

W referencyjnym podziale widma znajdujemy odczuwalne światło o długości fali od 0, 4 do 0, 8 mikrometra. Wyróżniamy kolory tęczy, gdzie najniższa częstotliwość charakteryzuje się czerwonym kolorem, a najwyższa fioletem.

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

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

Promienie ultrafioletowe

Te falowania są w zakresie 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 nowotworów u żywych istot.

Ponieważ są one produktem skoków elektronów w wzbudzonych cząsteczkach i atomach, ich energia interweniuje w reakcjach chemicznych i jest stosowana w medycynie do sterylizacji. Są odpowiedzialne za jonosferę, ponieważ warstwa ozonowa unika jej szkodliwego wpływu na ziemię.

Promienie X

To oznaczenie polega na tym, że są one niewidzialnymi falami elektromagnetycznymi zdolnymi do przemierzania nieprzezroczystych ciał i generowania wrażeń fotograficznych. Znajdują się między 10 a 0, 01 nm (30 do 30 000 PHz), są one wynikiem skakania elektronów z orbit w ciężkich atomach.

Promienie te mogą być emitowane przez koronę słońca, pulsary, supernowe i czarne dziury z powodu ich dużej ilości energii. Jego długotrwała ekspozycja powoduje raka i jest stosowana w dziedzinie medycyny do uzyskiwania obrazów struktur kostnych.

Promienie gamma

Znajdują się w skrajnej lewej części widma, są to fale, które są najczęstsze i zwykle występują w czarnych dziurach, supernowych, pulsarach i gwiazdach neutronowych. Mogą być również konsekwencją rozszczepienia, wybuchów jądrowych i błyskawic.

Ponieważ są one generowane przez procesy stabilizacji w jądrze atomowym po emisjach radioaktywnych, są śmiertelne. Ich długość fali jest subatomowa, co pozwala im przemierzać atomy. Mimo to są pochłaniane przez atmosferę Ziemi.

Zastosowania różnych fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne mają takie same właściwości pod względem odbicia i odbicia jak fale mechaniczne. Wraz z energią, którą propagują, mogą również przenosić informacje.

Z tego powodu różne typy fal elektromagnetycznych zostały zastosowane do wielu różnych zadań. Następnie zobaczymy niektóre z najczęstszych.

Fale radiowe

Wkrótce po odkryciu Guglielmo Marconi pokazał, że mogą być doskonałym narzędziem komunikacji. Od czasu odkrycia przez Hertza, łączność bezprzewodowa z częstotliwościami radiowymi, takimi jak radio AM i FM, telewizja, telefony komórkowe i wiele innych, rozprzestrzenia się coraz bardziej na całym świecie.

Kuchenka mikrofalowa

Mogą być używane do podgrzewania żywności, ponieważ woda jest cząsteczką dipolarną zdolną do reagowania na oscylujące pola elektryczne. Pokarm zawiera cząsteczki wody, które po wystawieniu na działanie tych pól zaczynają oscylować i zderzać się ze sobą. Efektem tego jest ogrzewanie.

Mogą być również wykorzystywane w telekomunikacji, ze względu na ich zdolność do poruszania się w atmosferze z mniejszymi zakłóceniami niż inne długości fal o większej długości fali.

Fale podczerwone

Najbardziej charakterystycznym zastosowaniem podczerwieni są urządzenia noktowizyjne. Są one również wykorzystywane w komunikacji między urządzeniami oraz w technikach spektroskopowych do badania gwiazd, międzygwiezdnych chmur gazu i egzoplanet.

Dzięki nim możesz również tworzyć mapy temperatury ciała, które służą do identyfikacji niektórych typów guzów, których temperatura jest wyższa niż otaczających tkanek.

Widoczne światło

Światło widzialne stanowi dużą część widma emitowanego przez Słońce, na które reaguje siatkówka.

Promienie ultrafioletowe

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

Promienie rentgenowskie i gamma

Promienie rentgenowskie i gamma mają jeszcze więcej energii i dlatego są w stanie przenikać do tkanek miękkich, stąd prawie od momentu ich odkrycia były wykorzystywane do diagnozowania złamań i analizowania wnętrza ciała w poszukiwaniu chorób,

Promienie rentgenowskie i gamma są wykorzystywane nie tylko jako narzędzie diagnostyczne, ale jako narzędzie terapeutyczne do niszczenia guzów.