Sähkömagneettiset aallot Maxwellin teoria, tyypit, ominaisuudet

Se elektromagneettiset aallot Ne ovat poikittaisia ​​aaltoja, jotka vastaavat kiihtyneiden sähkömaksujen aiheuttamia kenttiä. Yhdeksännentoista vuosisadan ajan oli vuosisata suuren sähkön ja magneettisuuden edistymisen vuosisata, mutta sen ensimmäiseen puoliskoon saakka tutkijat eivät vieläkään tienneet molempien ilmiöiden välistä suhdetta, uskoen heidän olevan riippumattomia toisistaan.

Se oli skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell (1831-1879), joka osoitti maailmalle, että sähkö ja magnetismi olivat vain saman valuutan molemmat puolet. Molemmat ilmiöt liittyvät läheisesti toisiinsa.

Myrsky. Lähde: Pixabay.

[TOC]

Maxwell -teoria

Maxwell yhdisti sähkön ja magnetismin teorian neljässä tyylikkäässä ja tiivis yhtälössä, joiden ennusteet pian vahvistettiin:

Mitä todisteita Maxwell valmistautui sähkömagneettiseen teoriaan?

Se oli jo tosiasia, että sähkövirrat (liikkuvat kuormat) tuottavat magneettikenttiä, ja vuorostaan ​​muuttuva magneettikenttä on peräisin johtavien piirien sähkövirroista, mikä tarkoittaisi, että muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökenttää.

Voisiko käänteinen ilmiö olla mahdollinen? Voisiko muuttuva sähkökentä?

Michael Faradayn opetuslapsi Maxwell oli vakuuttunut luonnon symmetrioiden olemassaolosta. Molemmat ilmiöt, sähköiset että magneettiset, piti myös pysyä näissä periaatteissa.

Tämän tutkijan mukaan värähtelevät kentät aiheuttaisivat häiriöitä samalla tavalla kuin lampiin heitetty kivi tuottaa aaltoja. Nämä häiriöt eivät ole muuta kuin värähteleviä sähkö- ja magneettikenttiä, joita Maxwell kutsui tarkasti sähkömagneettisia aaltoja.

Maxwell -ennusteet

Maxwellin yhtälöt ennustivat sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon etenemisnopeudella, joka on yhtä suuri kuin valon nopeus. Ennusteen vahvisti pian sen jälkeen saksalainen fyysikko Heinrich Hertz (1857 - 1894), joka onnistui tuottamaan nämä aallot laboratoriossaan LC -piirin kautta. Tämä tapahtui pian Maxwellin kuoleman jälkeen.

Teorian menestyksen tarkistamiseksi Hertzin oli rakennettava ilmaisintalaite, joka salli hänet.

Maxwellin teokset olivat saaneet skeptisyyden ajan tiedeyhteisölle. Ehkä se johtui osittain siitä, että Maxwell oli loistava matemaatikko ja hän oli esittänyt hänen teoriansa kaikella tapauksen muodollisuudella, jota monet eivät ymmärtäneet.

Hertzin kokeilu oli kuitenkin loistava ja vakuuttava. Hänen tuloksensa otettiin hyvin vastaan ​​ja epäilykset Maxwellin ennusteiden todenmukaisuudesta olivat selkeät.

Siirtymävirta

Siirtymävirta on Maxwellin luominen, joka johtuu ampeerilain syvästä analyysistä, joka osoittaa, että:

 Missä:Maxwell analysoi lauhduttimen kuormituksen tapausta: Kun se ladataan, pinta, jonka muoto on C, kattaa virran I_C Mikä kulkee johtavan langan läpi, kuten alla olevasta kuvasta voidaan nähdä:

Akku lataa lauhduttimen. Pinnat (jatkuva viiva) ja s 'ja muoto C: n soveltamiseksi. Lähde: Muokattu Pixabay.

Siksi termi oikealla puolella ampeerilaissa, johon sisältyy virta, ei ole nolla eikä ole jäsen vasemmalle. Välitön johtopäätös: Magneettikenttä on.

Onko s ': ssä magneettikenttää?

Kuitenkin ei ole virtaa, joka ylittää tai ylittää kaarevan pinnan, jolla on sama muoto C, koska tämä pinta kattaa osan lauhduttimen levyjen välisessä tilassa, jonka voimme olettaa olevan ilma tai muu aine ei - ei - kapellimestari.

Tällä alueella ei ole johtavaa materiaalia, jonka kautta virran virtaukset. On muistettava, että virtauksen tarve on suljettava virran kiertämiseksi. Kun virta on tyhjä, vasemmistolainen ampeerilakiin on 0. Silloin ei ole magneettikenttää, tai kyllä?

On ehdottomasti ristiriita. S ': tä rajoittaa myös käyrä C, ja magneettikentän olemassaolon ei pitäisi riippua pinnasta, johon se rajoittaa.

Se voi palvella sinua: mikä on hiukkasen tasapaino? (Esimerkkejä)

Maxwell ratkaisi ristiriidan ottamalla käyttöön siirtymäkäsite virta i I_{D -d}.

Siirtymävirta

Kun lauhduttelija latautuu, levyjen välillä on muuttuva sähkökenttä ja kuljettajan verenkierrossa. Kun lauhdutin ladataan, virta lakkaa kuljettajasta ja levyjen väliin perustetaan vakio sähkökenttä.

Sitten Maxwell päätteli, että muuttuvaan sähkökenttään liittyy virta, jota kutsutaan siirtymävirta I_{D -d}, Virta, joka ei sisällä kuormanliikettä. Pinnan S 'on kelvollinen:

 Missä:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Sähkövirta ei ole vektori, vaikka se on suuruus ja merkitys. On tarkoituksenmukaisempaa liittää kentät määrään, joka on vektori: virrantiheys J -,jonka suuruus on merkintä virran ja alueen välillä, jonka kautta se kulkee. Kansainvälisen järjestelmän nykyiset tiheysyksiköt ovat vahvistimia/m².

Tämän vektorin kannalta siirtymävirtatiheys on:

Siirtymävirta i_{D -d} Se johtuu lauhduttimen levyjen välisen sähkökenttävirtauksen muutoksesta, kun se ladataan. Kun se on ladattu, sähkövirtauksen vaihtelu on nolla ja siirtymävirta katoaa.

Tällä tavalla, kun ampeerilakia sovelletaan muotoon C ja pintaa S käytetään, i_C Se on virta, joka ylittää sen. Sen sijaan minä_C Se ei käy läpi S ', mutta minä_{D -d} Jos se tapahtuu.

Liikuntaa

1-An-pyöreä yhdensuuntainen litteä lautasenlaulus on ladattu. Levyjen säde on 4 cm ja heti ajovirran I_C = 0.520 a. Levyjen välillä on ilmaa. Löytö:

a) siirtymävirtatiheys j_{D -d} levyjen välissä.

b) nopeus, jolla levyjen välinen sähkökenttä muuttuu.

c) Levyjen välinen indusoitu magneettikenttä 2 cm: n etäisyydellä aksiaaliakselista.

d) Sama ongelma kuin c), mutta 1 cm: n etäisyydellä aksiaalista akselista.

Ratkaisu

Osa A

Virtatiheyden J: n suuruudelle_{D -d} Levyjen alue tarvitaan:

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

Sähkökenttä on tasainen levyjen välillä, myös virrantiheys, koska ne ovat verrannollisia. Lisäksi I_C = i_{D -d} Jatkuvuuden vuoksi: sitten:

Nykyinen J -tiheys_{D -d} = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Osa B

Sähkökentän valuuttakurssi on (/dt). Sen löytämiseksi tarvitaan yhtälö ensimmäisten periaatteiden perusteella: nykyinen määritelmä, kapasiteetin määritelmä ja plakkikondensaattorin kapasiteetti.

- Määritelmän mukaan virta on kuorman johdannainen suhteessa i_C = DQ/DT

- Kondensaattorin kapasiteetti on C = Q/V, missä Q on kuorma ja V on potentiaaliero.

- Puolestaan ​​rinnakkaisen litteän plakkikondensaattorin kapasiteetti on: c = ε_jompikumpiIlmoitus.

Alemmat kankaat käytetään osoittamaan virrat ja jännitteet, jotka vaihtelevat ajan myötä. Kun yhdistät toisen ja kolmannen yhtälön, kuorma pysyy:

q = c.V = (ε_jompikumpiILMOITUS).v = ε_jompikumpiA (v/d) = ε_jompikumpiAe

Täällä ε_jompikumpi Se on tyhjiön korvaus, jonka arvo on 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Siksi, kun otetaan tämä tulos ensimmäiseen yhtälöön, saadaan lauseke, joka sisältää sähkökentän valuuttakurssin:

Yllyttää_C = dq/dt = d (ε_jompikumpiAe)/dt = ε_jompikumpiA (from/dt)

/DT: n puhdistus on:

(/dt) = i_C/ (ε_jompikumpiA) = J_{D -d}/ε_jompikumpi

Arvojen korvaaminen:

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

Tulos on noin yksi, jota seuraa 13 nollaa. Sähkökenttä vaihtelee ehdottomasti nopeasti.

Kohta C

Magneettikentän suuruuden löytämiseksi on tarpeen soveltaa ampeerilakia, pyöreän radiopolun valitseminen r - Levyjen sisällä ja samankeskiset heille, joiden säde on r:

Voi palvella sinua: Venus (planeetta)

Toisaalta integraalissa vektorit B ja DL ovat yhdensuuntaisia, joten skalaarituote on yksinkertaisesti Bdl, missä DL Se on ero matkalla c. Kenttä B on vakiona kaikki C ja on pois olennaisesta:

Yhtä suuri kuin molemmat tulokset:

Selvä b Sinulla on:

R = 2 cm = 0 arviointi.02 m:

D -osa

Edellisessä kappaleessa saadun yhtälön arviointi r = 1 cm = 0.01 m:

Sähkömagneettisten aaltojen ominaisuudet

Sähkömagneettiset aallot ovat poikittaisia ​​aaltoja, joissa sähkö- ja magneettikentät ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden aallon etenemissuuntaan.

Sähkömagneettiset aallot koostuvat kohtisuorasta sähkö- ja magneettikentästä. Lähde: Pixabay.

Seuraavaksi näemme sen merkittävimmät ominaisuudet.

Etenemisnopeus

Sähkömagneettisten aaltojen etenemisnopeus tyhjiössä on c ≈3,00 x10⁸ M/s, riippumatta siitä, mitkä arvot ovat aallonpituudet ja taajuus.

Tiedotusvälineet, joissa he etenevät

Sähkömagneettiset aallot leviävät sekä tyhjiöön että joihinkin materiaalien väliaineisiin, toisin kuin mekaaniset aallot, jotka vaativat väliaineen.

Suhde nopeuden, aallonpituuden ja taajuuden välillä

Nopeuden välinen suhde c, Aallonpituus λ ja taajuus F Sähkömagneettisten aaltojen tyhjössä on c = λ.F.

Sähkö- ja magneettikentän välinen suhde

Sähkö- ja magneettikenttien suuruudet liittyvät läpi E = cb.

Nopeus tietyssä väliaineessa

Tietyssä ympäristössä on mahdollista osoittaa, että ekspressio antaa sähkömagneettisten aaltojen nopeuden:

Jossa ε ja μ ovat kyseisen ympäristön vastaava korvaus ja läpäisevyys.

Liikkeen määrä

Sähkömagneettinen säteily energialla TAI on määrä liittyvää liikettä p Kenen suuruus on: p = TAI-c.

Sähkömagneettisten aaltojen tyypit

Sähkömagneettisilla aaltoilla on erittäin laaja valikoima aallonpituuksia ja taajuuksia. Ne on ryhmitelty niin kutsuttuun sähkömagneettiseen spektriin, joka on jaettu alueille, jotka on nimitetty alla, alkaen korkeimmista aallonpituuksista:

Radioaallot

Korkeimman aallonpituuden ja matalamman taajuuden lopussa ne vaihtelevat muutamasta miljardiin Hertziin. Niitä käytetään lähettämään signaalin erityyppisillä tiedoilla, ja antennit vangitsevat ne. Televisio, radio, matkapuhelin, planeetat, tähdet ja muut taivaalliset elimet lähettävät ne ja voidaan vangita.

Mikroaaltouuni

Sijaitsee erittäin korkeilla taajuuksilla (UHF), erittäin korkealla (SHF) ja erittäin korkealla (EHF), välillä 1 GHz - 300 GHz. Toisin kuin aikaisemmat, jotka voivat mitata jopa yhden mailin (1,6 km), mikroaallot vaihtelevat muutamasta senttimetristä 33 cm: iin.

Ottaen huomioon sen spektrin sijainti, välillä 100.000 ja 400.000 nm, käytetään tietojen lähettämiseen taajuuksista, joita radioaallot eivät häiritse. Tästä syystä niitä sovelletaan tutkatekniikassa, matkapuhelimissa, keittiön uuneissa ja tietokonelatkaisuissa.

Sen värähtely on magnetronina tunnetun laitteen tuote, joka on eräänlainen resonanssihalu, jonka päissä on 2 levymagneettia. Sähkömagneettinen kenttä syntyy katodielektronien kiihtyvyyden avulla.

Infrapunasäteet

Nämä lämpöaallot säteilevät lämpökappaleet, tietyntyyppiset laser- ja diodit, jotka säteilevät valoa. Vaikka ne yleensä ovat päällekkäisiä radioaaltojen ja mikroaaltouunin kanssa, niiden alue on välillä 0,7 - 100 mikrometriä.

Yleisimmillä entiteetit tuottavat yleisimmin yötä ja ihoa voidaan havaita yöllä. Niitä käytetään usein kaukosäätimiin ja erityisiin viestintäjärjestelmiin.

Näkyvä valo

Spektrin referenssiosastossa löydämme havaittavan valon, jonka aallonpituus on välillä 0,4 - 0,8 mikrometriä. Erotamme ovat sateenkaaren värit, joissa alhaisimmalle taajuudelle on ominaista punainen väri ja korkein violetti.

Sen pituusarvot mitataan nanometreissä ja angstromissa, edustaa hyvin pientä osaa koko spektristä ja tämä alue sisältää suurimman määrän säteilyä, jonka aurinko ja tähdet säteilevät. Lisäksi elektronien kiihtyvyyden tuote energiakuljetuksissa.

Se voi palvella sinua: keskimääräinen kiihtyvyys: miten se lasketaan ja ratkaistaan

Käsityksemme asioista perustuu näkyvään säteilyyn, joka vaikuttaa esineeseen ja sitten silmiin. Sitten aivot tulkitsevat taajuudet, jotka aiheuttavat asioissa esiintyviä värejä ja yksityiskohtia.

Ultraviolettisäteilyltä

Nämä aaltoilut löytyvät 4 ja 400 nm: n välein, syntyy aurinko ja muut prosessit, jotka lähettävät suuria määriä lämpöä. Pitkäaikainen altistuminen näille lyhyille aaltoille voi aiheuttaa palovammoja ja tietyntyyppisiä syöpää elävissä olennoissa.

Koska ne ovat elektronihyppyjen tuote viritetyissä molekyyleissä ja atomeissa, niiden energia puuttuu kemiallisiin reaktioihin ja niitä käytetään lääketieteessä steriloida. Ne ovat vastuussa ionosfääristä, koska otsonikerros välttää sen haitalliset vaikutukset maan päällä.

Röntgenkuva

Tämä nimitys johtuu siitä, että ne ovat näkymättömiä sähkömagneettisia aaltoja, jotka kykenevät ylittämään läpinäkymättömät rungot ja tuottamaan valokuvien vaikutelmia. Sijaitsee välillä 10 - 0,01 nm (30 - 30.000 PHZ) ovat tulosta elektroneista, jotka hyppäävät kiertoradaista raskaissa atomeissa.

Näitä säteitä voidaan vapauttaa auringon kruunu, pulsares, supernovat ja mustat reiät sen suuren määrän energian vuoksi. Sen pitkäaikainen altistuminen aiheuttaa syöpää ja sitä käytetään lääketieteen kentällä kuvien saamiseksi luurakenteista.

Gammasäteet

Spektrin vasemmassa päässä sijaitsevat ne ovat eniten esiintyviä aaltoja, ja niitä esiintyy yleensä mustissa reikissä, supernovaissa, pulsarissa ja neutronitähteissä. Ne voivat myös olla seurausta fissiosta, ydinräjähdyksistä ja salamasta.

Koska ne syntyvät stabilointiprosesseilla atomi -ytimessä radioaktiivisten päästöjen jälkeen, ne ovat tappavia. Sen aallonpituus on subatominen, mikä antaa heille mahdollisuuden ylittää atomit. Silti maan ilmapiiri imeytyy ne.

Eri sähkömagneettisten aaltojen sovellukset

Sähkömagneettisilla aaltoilla on samat ominaisuudet heijastuksen ja heijastuksen suhteen kuin mekaaniset aallot. Ja heidän levittämänsä energian vieressä he voivat myös kuljettaa tietoja.

Tämän vuoksi erityyppisiä sähkömagneettisia aaltoja on sovellettu suureen määrään erilaisia ​​tehtäviä. Seuraavaksi näemme joitain yleisimpiä.

Sähkömagneettinen spektri ja jotkut sen sovelluksista. Lähde: Tatoute ja Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0/]]

Radioaallot

Pian löytämisen jälkeen Guglielmo Marconi osoitti, että ne voisivat olla erinomainen viestintätyökalu. Sen jälkeen kun Hertz on löytänyt, langaton viestintä radiotaajuuksien, kuten AM: n ja FM -radion, television, matkapuhelimien ja paljon muun kanssa, ne ovat ulottuneet yhä enemmän kaikkialla maailmassa.

Mikroaaltouuni

Niitä voidaan käyttää ruoan lämmittämiseen, koska vesi on dipolimolekyyli, joka pystyy reagoimaan värähteleviin sähkökenttiin. Ruoat sisältävät vesimolekyylejä, jotka altistuessaan näille kentille alkavat värähdellä ja törmäävät toisiinsa. Tuloksena oleva vaikutus on lämmitys.

Niitä voidaan käyttää myös televiestinnässä johtuen niiden kyvystä liikkua ilmakehässä vähemmän häiriöillä kuin muut aallonpituudet aallot.

Infrapunaalto

Infrapuna on tyypillisin sovellus ovat Night Vision -laitteet. Niitä käytetään myös laitteiden ja spektroskooppisten tekniikoiden välisessä viestinnässä tähtien, tähtienvälisten kaasupilvien ja eksoplanettien tutkimiseksi.

Niiden kanssa voit myös luoda kehon lämpötilakarttoja, jotka tunnistavat jonkin tyyppisiä kasvaimia, joiden lämpötila on suurempi kuin ympäröivien kudosten lämpötila.

Näkyvä valo

Näkyvä valo muodostaa suuren osan auringon lähettämästä spektristä, johon verkkokalvo reagoi.

Ultraviolettisäteilyltä

Ultraviolettisäteillä on tarpeeksi energiaa vuorovaikutukseen aineen kanssa merkittävästi, joten jatkuva altistuminen tälle säteilylle aiheuttaa ennenaikaisen ikääntymisen ja lisää ihosyövän kehittymisen riskiä.

X -sateet ja gammasäteet

X -sateilla ja gammasäteillä on vielä enemmän energiaa, ja siksi ne kykenevät tunkeutumaan pehmytkudoksiin, joten melkein heidän löytönsä hetkestä lähtien niitä on käytetty murtumien diagnosointiin ja kehon sisätilojen tarkistamiseen taudin etsinnässä.

X -sateita ja gammasäteitä käytetään paitsi diagnostisena työkaluna, myös terapeuttisena työkaluna tuumorin tuhoamiseen.

Viitteet

1. Giancoli, D.  (2006). Fysiikka: sovellusten periaatteet. Kuudes painos. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Fysiikan perusteet. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Yliopiston fysiikka, jolla on moderni fysiikka. 14. painos. Pearson. 1053 - 1057.