Plik fale elektromagnetyczne są to fale poprzeczne, które odpowiadają polom pochodzącym z przyspieszonych ładunków elektrycznych. XIX wiek był wiekiem wielkich postępów w elektryczności i magnetyzmie, ale do pierwszej jego połowy naukowcy wciąż nie byli świadomi związku między tymi dwoma zjawiskami, uważając je za niezależne od siebie..
To szkocki fizyk James Clerk Maxwell (1831-1879) pokazał światu, że elektryczność i magnetyzm to tylko dwie strony tego samego medalu. Oba zjawiska są ze sobą ściśle powiązane.
Indeks artykułów
Maxwell ujednolicił teorię elektryczności i magnetyzmu w 4 eleganckich i zwięzłych równaniach, których przewidywania szybko się potwierdziły:
Jakie dowody miał Maxwell, aby rozwinąć swoją teorię elektromagnetyczną?
Było już faktem, że prądy elektryczne (ładunki w ruchu) wytwarzają pola magnetyczne, az kolei zmienne pole magnetyczne wytwarza prądy elektryczne w obwodach przewodzących, co sugerowałoby, że zmienne pole magnetyczne indukuje pole elektryczne..
Czy możliwe byłoby odwrotne zjawisko? Czy zmienne pola elektryczne byłyby w stanie wytwarzać pola magnetyczne??
Maxwell, uczeń Michaela Faradaya, był przekonany o istnieniu symetrii w przyrodzie. Zarówno zjawiska elektryczne, jak i magnetyczne również musiały podlegać tym zasadom.
Według tego badacza oscylujące pola generowałyby zakłócenia w taki sam sposób, jak kamień wrzucony do stawu generuje fale. Te zaburzenia to nic innego jak oscylujące pola elektryczne i magnetyczne, które Maxwell nazwał precyzyjnie falami elektromagnetycznymi..
Równania Maxwella przewidywały istnienie fal elektromagnetycznych o prędkości propagacji równej prędkości światła. To przewidywanie zostało wkrótce potwierdzone przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza (1857 - 1894), któremu udało się wygenerować te fale w swoim laboratorium za pomocą obwodu LC. Stało się to wkrótce po śmierci Maxwella.
Aby zweryfikować poprawność teorii, Hertz musiał zbudować urządzenie wykrywające, które pozwoliło mu znaleźć długość fali i częstotliwość, dane, na podstawie których był w stanie obliczyć prędkość elektromagnetycznych fal radiowych zbiegających się z prędkością światła..
Praca Maxwella została wówczas przyjęta ze sceptycyzmem przez społeczność naukową. Być może częściowo dlatego, że Maxwell był genialnym matematykiem i przedstawił swojej teorii z całą formalnością sprawy, której wielu nie rozumiało..
Jednak eksperyment Hertza był genialny i fascynujący. Jego wyniki zostały dobrze przyjęte, a wątpliwości co do prawdziwości przewidywań Maxwella zostały rozwiane..
Nurt przemieszczenia jest tworem Maxwella, powstałym w wyniku dogłębnej analizy prawa Ampera, z którego wynika, że:
Dlatego termin po prawej stronie w prawie Ampera, który obejmuje prąd, nie jest zerowy, podobnie jak członek po lewej stronie. Natychmiastowy wniosek: istnieje pole magnetyczne.
Jednak nie ma prądu, który przecina lub przecina zakrzywioną powierzchnię S ', która ma ten sam kontur C, ponieważ ta powierzchnia obejmuje część tego, co znajduje się w przestrzeni między płytami skraplacza, którą możemy założyć, że jest to powietrze lub inna substancja nie przewodzący.
W tym regionie nie ma materiału przewodzącego, przez który przepływa prąd. Należy pamiętać, że aby prąd płynął, obwód musi być zamknięty. Ponieważ prąd wynosi zero, całka po lewej stronie prawa Ampera wynosi 0. Nie ma więc pola magnetycznego, prawda??
Zdecydowanie istnieje sprzeczność. S 'jest również ograniczone krzywą C, a istnienie pola magnetycznego nie może zależeć od powierzchni, do której C sięga..
Maxwell rozwiązał tę sprzeczność, wprowadzając pojęcie prądu przesunięcia ire.
Podczas ładowania kondensatora istnieje zmienne pole elektryczne między płytami, a prąd przepływa przez przewodnik. Gdy kondensator się ładuje, prąd w przewodniku ustaje, a między płytami ustala się stałe pole elektryczne..
Następnie Maxwell wywnioskował, że w połączeniu ze zmiennym polem elektrycznym musi istnieć prąd, który nazwał prądem przemieszczenia ire, prąd, który nie obejmuje ruchu ładunku. Dla powierzchni S 'obowiązuje:
Prąd elektryczny nie jest wektorem, chociaż ma wielkość i znaczenie. Bardziej właściwe jest powiązanie pól z wielkością wektorową: gęstością prądu jot,którego wielkość jest ilorazem prądu i obszaru, przez który przepływa. Jednostki gęstości prądu w układzie międzynarodowym to amper / mdwa.
W odniesieniu do tego wektora gęstość prądu przemieszczenia wynosi:
W ten sposób, gdy prawo Ampera zostanie zastosowane do konturu C, a powierzchnia S zostanie użyta, ido to płynie przez nią prąd. Zamiast tego jado nie przekracza S ', ale ire Jeśli to robi.
Trwa ładowanie kondensatora okrągłego płaskiego równoległego. Promień płyt wynosi 4 cm i w danej chwili prąd przewodzenia ido = 0,520 A. Pomiędzy płytami jest powietrze. Odnaleźć:
a) Gęstość prądu wyporowego Jre 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) To samo pytanie co w c), ale w odległości 1 cm od osi osiowej.
Dla wielkości gęstości prądu Jre obszar płyt jest potrzebny:
Powierzchnia płyty: A = πrdwa = π. (4 x 10-dwa m)dwa = 0,00503 mdwa.
Pole elektryczne jest równomierne między płytami, gęstość prądu jest również, ponieważ są one proporcjonalne. Ponadto ido = jare dla ciągłości, to:
Gęstość prądu Jre = 0,520 A / 0,00503 mdwa = 103,38 A / mdwa.
Szybkość zmian pola elektrycznego wynosi (dE / dt). Aby go znaleźć, potrzebne jest równanie, zaczynając od pierwszych zasad: definicji prądu, definicji pojemności i pojemności dla płaskiego równoległego kondensatora płytowego.
- Z definicji prąd jest pochodną obciążenia względem czasu ido = dq / dt
- Pojemność kondensatora to C = q / v, gdzie q to ładunek, a v to różnica potencjałów.
- Ze swojej strony pojemność płaskiego równoległego kondensatora płytowego wynosi: C = εlubA / d.
Małe litery służą do wskazania prądów i napięć, które zmieniają się w czasie. Łącząc drugie i trzecie równanie, ładunek jest następujący:
q = C. v = (εlubA / d). V = εlubA (v / d) = εlubAE
Tutaj εlub jest przenikalnością próżni, której wartość wynosi 8,85 x 10-12 dodwa/N.mdwa. Dlatego biorąc ten wynik do pierwszego równania, otrzymujemy wyrażenie zawierające szybkość zmian pola elektrycznego:
jado = dq / dt = d (εlubAE) / dt = εlubA (dE / dt)
Rozwiązanie dla dE / dt pozostaje:
(dE / dt) = ido/ (εlubA) = jre/ εlub
Zastępowanie wartości:
dE / dt = (103,38 A / mdwa) / (8,85 x 10-12 dodwa/N.mdwa ) = 1,17 x 1013 (N / C) / s
Wynik to około 1, po którym następuje 13 zer. Zdecydowanie pole elektryczne zmienia się bardzo szybko.
Aby znaleźć wielkość pola magnetycznego, należy zastosować prawo Ampera, wybierając kołową ścieżkę promienia r wewnątrz płyt i koncentrycznie do nich, których promień wynosi R:
Z drugiej strony w całce wektory B i dl są równoległe, więc iloczyn skalarny jest prosty Bdl, gdzie dl jest różnicą po ścieżce nad C. Pole B jest stałe na ścieżce C i leży poza całką:
Oceniając równanie otrzymane w poprzednim rozdziale, dla r = 1 cm = 0,01 m:
Fale elektromagnetyczne to fale poprzeczne, w których pola elektryczne i magnetyczne są do siebie prostopadłe i jednocześnie do kierunku propagacji fali.
Następnie zobaczymy jego najważniejsze cechy.
Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w próżni wynosi do ≈3,00 x108 m / s, niezależnie od długości fali i wartości częstotliwości.
Fale elektromagnetyczne rozchodzą się zarówno w próżni, jak iw pewnym ośrodku materialnym, w przeciwieństwie do fal mechanicznych, które wymagają ośrodka.
Związek między szybkością do, długość fali λ i częstotliwość fa fal elektromagnetycznych w próżni wynosi c = λ.f.
Wielkości pól elektrycznych i magnetycznych są powiązane przez E = cB.
W danym ośrodku można wykazać, że prędkość fal elektromagnetycznych wyraża wyrażenie:
W którym ε i μ są odpowiednio przenikalnością i przepuszczalnością danego ośrodka.
Promieniowanie elektromagnetyczne z energią LUB ma powiązaną ilość ruchu p którego wielkość wynosi: p = LUB/do.
Fale elektromagnetyczne mają bardzo szeroki zakres długości fal i częstotliwości. Są one pogrupowane w tak zwane widmo elektromagnetyczne, które zostało podzielone na regiony, które są wymienione poniżej, zaczynając od najdłuższych długości fal:
Znajdują się na krańcach największej długości fali i najniższej częstotliwości i wahają się od kilku do miliarda herców. Służą do przesyłania sygnału z różnego rodzaju informacjami i są wychwytywane przez anteny. Telewizja, radio, telefony komórkowe, planety, gwiazdy i inne ciała niebieskie nadają je i można je uchwycić.
Znajdują się na ultra wysokich (UHF), super wysokich (SHF) i ekstremalnie wysokich (EHF) częstotliwościach, mieszczą się w zakresie od 1 GHz do 300 GHz. W przeciwieństwie do poprzednich, które mogą mierzyć do mili (1,6 km), mikrofale mają zakres od kilka centymetrów do 33 cm.
Biorąc pod uwagę ich pozycję w widmie, między 100 000 a 400 000 nm, są one wykorzystywane do przesyłania danych na częstotliwościach, na które nie wpływają fale radiowe. Z tego powodu znajdują zastosowanie w technice radarowej, telefonach komórkowych, piekarnikach kuchennych i rozwiązaniach komputerowych..
Jego oscylacja jest produktem urządzenia znanego jako magnetron, który jest rodzajem wnęki rezonansowej, która ma na końcach 2 magnesy-tarcze. Pole elektromagnetyczne jest generowane przez przyspieszenie elektronów katody.
Te fale ciepła są emitowane przez ciała termiczne, niektóre typy laserów i diody elektroluminescencyjne. Chociaż mają tendencję do nakładania się na fale radiowe i mikrofale, ich zakres wynosi od 0,7 do 100 mikrometrów..
Istoty te najczęściej wytwarzają ciepło, które można wykryć za pomocą gogli nocnych i skóry. Często są używane do pilotów i specjalnych systemów komunikacji.
W referencyjnym podziale widma znajdujemy dostrzegalne światło o długości fali od 0,4 do 0,8 mikrometra. Wyróżniamy kolory tęczy, gdzie najniższą częstotliwość charakteryzuje się czerwienią, a najwyższą fiolet..
Jego wartości długości są mierzone w nanometrach i angstremach, reprezentuje bardzo małą część całego widma, a ten zakres obejmuje największą ilość promieniowania emitowanego przez słońce i gwiazdy. Ponadto jest produktem przyspieszenia elektronów w tranzytach energii.
Nasze postrzeganie rzeczy opiera się na widzialnym promieniowaniu, które pada na przedmiot, a następnie na oczy. Następnie mózg interpretuje częstotliwości, które dają początek kolorowi i szczegółom obecnym w przedmiotach.
Te zmarszczki mieszczą się w zakresie od 4 do 400 nm, są generowane przez słońce i inne procesy, które emitują duże ilości ciepła. Długotrwała ekspozycja na te krótkie fale może powodować oparzenia i niektóre rodzaje raka u żywych istot..
Ponieważ powstają w wyniku skoków elektronów w wzbudzonych cząsteczkach i atomach, ich energia bierze udział w reakcjach chemicznych i są wykorzystywane w medycynie do sterylizacji. Odpowiadają za jonosferę, ponieważ warstwa ozonowa zapobiega jej szkodliwemu wpływowi na ziemię.
To oznaczenie wynika z faktu, że są to niewidzialne fale elektromagnetyczne, które mogą przechodzić przez nieprzezroczyste ciała i wytwarzać odbitki fotograficzne. Położone między 10 a 0,01 nm (30 do 30000 PHz), są wynikiem przeskakiwania elektronów z orbit w ciężkich atomach.
Promienie te mogą być emitowane przez koronę słoneczną, pulsary, supernowe i czarne dziury ze względu na ich dużą ilość energii. Ich długotrwała ekspozycja powoduje raka i są wykorzystywane w medycynie do uzyskiwania obrazów struktur kostnych..
Znajdujące się skrajnie po lewej stronie widma są to fale o najwyższej częstotliwości i zwykle występują w czarnych dziurach, supernowych, pulsarach i gwiazdach neutronowych. Mogą być również wynikiem rozszczepienia, wybuchów jądrowych i piorunów.
Ponieważ powstają w wyniku procesów stabilizacji w jądrze atomowym po emisji radioaktywnej, są śmiertelne. Ich długość fali jest subatomowa, co pozwala im przechodzić przez atomy. Jednak są one wchłaniane przez atmosferę ziemską.
Fale elektromagnetyczne mają takie same właściwości odbicia i odbicia jak fale mechaniczne. Wraz z propagowaną energią mogą również przenosić informacje.
Z tego powodu różne rodzaje fal elektromagnetycznych zostały zastosowane do wielu różnych zadań. Następnie zobaczymy niektóre z najczęstszych.
Wkrótce po odkryciu Guglielmo Marconi udowodnił, że mogą być doskonałym narzędziem komunikacji. Od czasu ich odkrycia przez Hertza komunikacja bezprzewodowa z częstotliwościami radiowymi, takimi jak radio AM i FM, telewizja, telefony komórkowe i wiele innych, stała się coraz bardziej rozpowszechniona na całym świecie..
Mogą być używane do podgrzewania jedzenia, ponieważ woda jest cząsteczką dipolową, która jest zdolna do reagowania na oscylujące pola elektryczne. Pożywienie zawiera cząsteczki wody, które po wystawieniu na działanie tych pól zaczynają oscylować i zderzać się ze sobą. Powstały efekt ocieplenia.
Mogą być również wykorzystywane w telekomunikacji, ze względu na ich zdolność do przemieszczania się w atmosferze z mniejszymi zakłóceniami niż inne fale o większej długości fali..
Najbardziej charakterystycznym zastosowaniem podczerwieni są noktowizory. Są również wykorzystywane w komunikacji między urządzeniami oraz w technikach spektroskopowych do badania gwiazd, międzygwiazdowych obłoków gazu i egzoplanet..
Za ich pomocą można również tworzyć mapy temperatury ciała, które służą do identyfikacji niektórych typów guzów, których temperatura jest wyższa niż w otaczających tkankach.
Światło widzialne stanowi dużą część widma emitowanego przez Słońce, na które reaguje siatkówka.
Promienie ultrafioletowe mają wystarczającą energię, aby znacząco oddziaływać z materią, więc ciągła ekspozycja na to promieniowanie powoduje przedwczesne starzenie i zwiększa ryzyko zachorowania na raka skóry..
Promienie rentgenowskie i gamma mają jeszcze więcej energii i dzięki temu są w stanie przeniknąć do tkanek miękkich, stąd niemal od momentu ich odkrycia są wykorzystywane do diagnozowania złamań i badania wnętrza ciała w poszukiwaniu chorób..
Promienie rentgenowskie i promienie gamma są wykorzystywane nie tylko jako narzędzie diagnostyczne, ale także jako narzędzie terapeutyczne do niszczenia guzów..
Jeszcze bez komentarzy