Gelombang Elektromagnetik Teori, Jenis, Ciri -ciri Maxwell

The Gelombang elektromagnet Mereka adalah gelombang melintang yang sesuai dengan medan yang disebabkan oleh caj elektrik dipercepatkan. Abad kesembilan belas adalah abad kemajuan besar dalam elektrik dan magnet, tetapi sehingga separuh pertama, saintis masih tidak mengetahui hubungan antara kedua -dua fenomena, mempercayai mereka bebas antara satu sama lain.

Ia adalah ahli fizik Scotland James Clerk Maxwell (1831-1879) yang menunjukkan dunia bahawa elektrik dan kemagnetan tidak lain hanyalah kedua-dua belah mata wang yang sama. Kedua -dua fenomena ini berkaitan dengan rapat.

Ribut. Sumber: Pixabay.

[TOC]

Teori Maxwell

Maxwell menyatukan teori elektrik dan magnet dalam 4 persamaan yang elegan dan ringkas, yang ramalannya tidak lama lagi disahkan:

Bukti apa yang disediakan oleh Maxwell untuk teori elektromagnetnya?

Sudah menjadi kenyataan bahawa arus elektrik (beban bergerak) menghasilkan medan magnet, dan seterusnya medan magnet yang berubah -ubah berasal dari arus elektrik dalam litar konduktif, yang akan membayangkan bahawa medan magnet yang berubah -ubah mendorong medan elektrik.

Mungkinkah fenomena songsang dapat? Adakah medan elektrik berubah dapat berasal dari medan magnet?

Maxwell, pengikut Michael Faraday, yakin akan kewujudan simetri. Kedua -dua fenomena, elektrik dan magnet, juga terpaksa berpegang pada prinsip -prinsip ini.

Menurut penyelidik ini, medan berayun akan menghasilkan gangguan dengan cara yang sama bahawa batu yang dibuang ke dalam kolam menghasilkan gelombang. Gangguan ini tidak lain selain medan elektrik dan magnet yang berayun, yang dipanggil Maxwell dengan tepat gelombang elektromagnetik.

Ramalan Maxwell

Persamaan Maxwell meramalkan kewujudan gelombang elektromagnet dengan kelajuan penyebaran sama dengan kelajuan cahaya. Ramalan itu disahkan sejurus selepas ahli fizik Jerman Heinrich Hertz (1857 - 1894), yang berjaya menghasilkan gelombang ini di makmalnya melalui litar LC. Ini berlaku sejurus selepas kematian Maxwell.

Untuk memeriksa kejayaan teori itu, Hertz terpaksa membina peranti pengesan yang membolehkannya.

Karya Maxwell telah diterima dengan keraguan oleh komuniti saintifik pada masa itu. Mungkin sebahagiannya disebabkan oleh fakta bahawa Maxwell adalah seorang ahli matematik yang cemerlang dan telah membentangkan teorinya dengan semua formalitas kes itu, yang banyak gagal difahami.

Walau bagaimanapun, percubaan Hertz adalah cemerlang dan meyakinkan. Hasilnya diterima dengan baik dan keraguan tentang kebenaran ramalan Maxwell jelas.

Arus anjakan

Arus anjakan adalah penciptaan Maxwell, yang timbul dari analisis mendalam tentang undang -undang ampere, yang menetapkan bahawa:

 Di mana:Maxwell menganalisis kes pemuatan kondensor: seperti yang dimuatkan, permukaan s yang konturnya adalah c, merangkumi semasa i_C Apa yang melalui dawai konduktif, seperti yang dapat dilihat dalam gambar di bawah:

Bateri memuatkan pemeluwap. Permukaan (garis berterusan) dan s 'dan kontur c untuk memohon undang -undang ampere ditunjukkan. Sumber: Pixabay yang diubahsuai.

Oleh itu, istilah ke kanan dalam undang -undang ampere, yang melibatkan arus, tidak batal dan bukan ahli di sebelah kiri. Kesimpulan segera: Terdapat medan magnet.

Adakah terdapat medan magnet di s '?

Walau bagaimanapun, tidak ada arus yang melintasi atau melintasi permukaan melengkung s ', yang mempunyai kontur yang sama c, kerana permukaan ini merangkumi sebahagian daripada apa yang ada di dalam ruang antara plat kondensor, yang boleh kita anggap adalah udara atau bahan lain bukan - konduktor.

Di rantau itu tidak ada bahan konduktif di mana aliran semasa. Perlu diingati bahawa untuk arus beredar, litar diperlukan untuk ditutup. Apabila arus adalah batal, integral kiri dalam undang -undang ampere adalah 0. Tidak ada medan magnet, atau ya?

Pasti ada percanggahan. S 'juga terhad oleh lengkung c dan kewujudan medan magnet tidak boleh bergantung pada permukaan yang membatasi.

Ia dapat melayani anda: apakah keseimbangan zarah? (Dengan contoh)

Maxwell menyelesaikan percanggahan dengan memperkenalkan konsep perpindahan semasa i_D.

Semasa pemindahan

Semasa pemeluwap dimuatkan, terdapat medan elektrik yang berubah -ubah di antara plat dan beredar semasa oleh pemandu. Apabila pemeluwap dimuatkan, arus berhenti di dalam pemandu dan medan elektrik yang berterusan ditubuhkan di antara plat.

Kemudian Maxwell menyimpulkan bahawa, yang dikaitkan dengan medan elektrik yang berubah -ubah harus ada arus yang disebut pemindahan semasa i_D, Arus yang tidak melibatkan pergerakan beban. Untuk permukaan s 'sah:

 Di mana:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Arus elektrik bukan vektor, walaupun ia adalah magnitud dan makna. Lebih sesuai untuk mengaitkan medan dengan jumlah yang vektor: ketumpatan semasa J,yang besarnya adalah kuota antara arus dan kawasan yang melaluinya. Unit ketumpatan semasa dalam sistem antarabangsa adalah amp/m².

Dari segi vektor ini, ketumpatan semasa anjakan adalah:

Pusingan semasa i_D Ia disebabkan oleh perubahan pada masa aliran medan elektrik di antara plat pemeluwap semasa memuatkan. Sebaik sahaja ia dimuatkan, variasi aliran elektrik adalah sifar dan arus anjakan hilang.

Dengan cara ini, apabila undang -undang ampere digunakan pada kontur c dan permukaan s digunakan, i_C Ia adalah arus yang melintasinya. Sebaliknya saya_C Ia tidak melalui s ', tetapi saya_D Sekiranya ia berlaku.

Latihan diselesaikan

1-kondenser plat rata selari bulat sedang dimuatkan. Jejari plat adalah 4 cm dan dalam sekejap diberikan semasa memandu i_C = 0.520 a. Ada udara di antara pinggan. Cari:

a) Ketumpatan semasa anjakan j_D di ruang antara pinggan.

b) kadar di mana medan elektrik antara plat berubah.

c) medan magnet yang diinduksi di antara plat pada jarak 2 cm dari paksi paksi.

d) isu yang sama seperti dalam c) tetapi pada jarak 1 cm dari paksi paksi.

Penyelesaian

Bahagian a

Untuk magnitud ketumpatan semasa j_D Kawasan plat diperlukan:

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

Medan elektrik seragam di antara plat, ketumpatan semasa juga, kerana ia berkadar. Di samping itu i_C = i_D Untuk kesinambungan, maka:

Ketumpatan semasa J_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 a/m².

Bahagian b

Kadar pertukaran medan elektrik adalah (OF/dt). Persamaan diperlukan untuk mencarinya, berdasarkan prinsip pertama: definisi semasa, definisi kapasiti dan keupayaan untuk kapasitor plak.

- Dengan definisi arus adalah terbitan beban berkenaan dengan masa i_C = DQ/DT

- Kapasiti kapasitor adalah c = q/v, di mana q adalah beban dan v adalah perbezaan potensial.

- Bagi bahagiannya, kapasiti kapasitor plak rata selari adalah: c = ε_{Sama ada}A/d.

Lowercases digunakan untuk menunjukkan arus dan voltan yang berbeza -beza dari masa ke masa. Apabila menggabungkan persamaan kedua dan ketiga, beban kekal:

Q = c.V = (ε_{Sama ada}A/d).V = ε_{Sama ada}A (V/D) = ε_{Sama ada}Ae

Di sini ε_{Sama ada} Ia adalah elaun vakum yang nilainya adalah 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Oleh itu, apabila mengambil keputusan ini kepada persamaan pertama, ungkapan diperolehi yang mengandungi kadar pertukaran medan elektrik:

Yo_C = dq/dt = d (ε_{Sama ada}Ae)/dt = ε_{Sama ada}A (dari/dt)

Penjelasan/dt adalah:

(of/dt) = i_C/ (ε_{Sama ada}A) = j_D/ε_{Sama ada}

Mengganti Nilai:

OF/DT = (103.38 a/m²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.m² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Hasilnya adalah kira -kira 1 diikuti oleh 13 sifar. Medan elektrik pasti berbeza -beza dengan cepat.

Bahagian c

Untuk mencari magnitud medan magnet, perlu memohon undang -undang ampere, memilih jalan radio bulat r Di dalam plat dan sepusat kepada mereka, jejarinya adalah r:

Boleh melayani anda: Venus (planet)

Sebaliknya, vektor b dan dl selari, sehingga produk skalar hanya Bdl, di mana dl Ia adalah perbezaan dalam perjalanan di c. Field B adalah malar semua c dan keluar dari integral:

Sama dengan kedua -dua keputusan:

Membersihkan b yang anda ada:

Menilai R = 2 cm = 0.02 m:

Bahagian d

Menilai persamaan yang diperolehi dalam perenggan sebelumnya, untuk r = 1 cm = 0.01 m:

Ciri -ciri gelombang elektromagnet

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang melintang di mana medan elektrik dan magnet berserenjang antara satu sama lain ke arah penyebaran gelombang.

Gelombang elektromagnetik terdiri daripada medan elektrik dan magnet tegak lurus. Sumber: Pixabay.

Seterusnya kita akan melihat ciri -cirinya yang paling ketara.

Kelajuan penyebaran

Kelajuan penyebaran gelombang elektromagnet dalam vakum adalah c ≈3.00 x10⁸ m/s, tidak kira apa nilai mempunyai panjang gelombang dan kekerapan.

Media di mana mereka menyebarkan

Gelombang elektromagnet tersebar di dalam vakum dan dalam beberapa medium material, tidak seperti gelombang mekanikal yang memerlukan medium.

Nisbah antara kelajuan, panjang gelombang dan kekerapan

Hubungan antara kelajuan c, Panjang gelombang λ dan kekerapan F gelombang elektromagnet dalam vakum adalah c = λ.F.

Hubungan antara medan elektrik dan magnet

Magnitud medan elektrik dan magnet berkaitan melalui E = cb.

Kelajuan dalam medium tertentu

Dalam persekitaran yang diberikan, adalah mungkin untuk menunjukkan bahawa kelajuan gelombang elektromagnet diberikan oleh ungkapan:

Di mana ε dan μ adalah elaun dan kebolehtelapan persekitaran masing -masing.

Jumlah pergerakan

Sinaran elektromagnetik dengan tenaga Atau mempunyai jumlah pergerakan yang berkaitan p yang besarnya: p = Atau/c.

Jenis gelombang elektromagnet

Gelombang elektromagnetik mempunyai pelbagai panjang gelombang dan frekuensi yang sangat luas. Mereka dikelompokkan ke dalam apa yang dikenali sebagai spektrum elektromagnet, yang telah dibahagikan kepada kawasan, yang dilantik di bawah, bermula dengan panjang gelombang tertinggi:

Gelombang radio

Terletak di hujung panjang gelombang tertinggi dan kekerapan yang lebih rendah, mereka berkisar dari beberapa hingga satu bilion hertz. Mereka adalah yang digunakan untuk menghantar isyarat dengan maklumat pelbagai jenis dan ditangkap oleh antena. Televisyen, radio, telefon bimbit, planet, bintang dan badan angkasa lain menyiarkannya dan boleh ditangkap.

Microwave

Terletak di Ultra High Frekuensi (UHF), Super High (SHF) dan sangat tinggi (EHF), berkisar antara 1 GHz dan 300 GHz. Tidak seperti yang sebelumnya yang dapat mengukur sehingga satu batu (1.6 km), gelombang mikro berkisar dari beberapa sentimeter hingga 33 cm.

Memandangkan kedudukan spektrumnya, antara 100.000 dan 400.000 nm, digunakan untuk menghantar data mengenai frekuensi yang tidak diganggu oleh gelombang radio. Atas sebab ini, mereka digunakan dalam teknologi radar, telefon bimbit, ketuhar dapur dan penyelesaian komputer.

Ayunannya adalah produk peranti yang dikenali sebagai magnetron, yang merupakan sejenis rongga resonan yang mempunyai 2 magnet cakera di hujungnya. Medan elektromagnet dihasilkan oleh pecutan elektron katod.

Sinar inframerah

Gelombang haba ini dipancarkan oleh badan terma, beberapa jenis laser dan diod yang memancarkan cahaya. Walaupun mereka biasanya bertindih dengan gelombang radio dan microwave, julatnya antara 0.7 dan 100 mikrometer.

Entiti paling kerap menghasilkan haba yang dapat dikesan oleh penonton dan kulit malam. Mereka sering digunakan untuk kawalan jauh dan sistem komunikasi khas.

Cahaya yang kelihatan

Dalam bahagian rujukan spektrum kita dapati cahaya yang dapat dilihat, yang mempunyai panjang gelombang antara 0.4 dan 0.8 mikrometer. Apa yang kita membezakan adalah warna pelangi, di mana kekerapan terendah dicirikan oleh warna merah dan yang tertinggi oleh violet.

Nilai panjangnya diukur dalam nanometer dan angstrom, mewakili sebahagian kecil daripada keseluruhan spektrum dan julat ini termasuk jumlah radiasi terbesar yang dipancarkan oleh matahari dan bintang. Di samping itu, ia adalah hasil dari percepatan elektron dalam transit tenaga.

Ia dapat melayani anda: pecutan purata: bagaimana ia dikira dan diselesaikan

Persepsi kita tentang perkara adalah berdasarkan sinaran yang kelihatan yang mempengaruhi objek dan kemudian di mata. Kemudian otak menafsirkan frekuensi yang menimbulkan warna dan butiran yang terdapat dalam perkara.

Sinar ultraviolet

Undulation ini dijumpai dalam selang 4 dan 400 nm, dihasilkan oleh matahari dan proses lain yang memancarkan sejumlah besar haba. Pendedahan berpanjangan kepada gelombang pendek ini boleh menyebabkan luka bakar dan jenis kanser tertentu dalam makhluk hidup.

Oleh kerana mereka adalah produk lompatan elektron dalam molekul dan atom yang teruja, tenaga mereka campur tangan dalam tindak balas kimia dan digunakan dalam ubat untuk mensteril. Mereka bertanggungjawab terhadap ionosfera kerana lapisan ozon mengelakkan kesan berbahaya di bumi.

X-ray

Jawatan ini adalah kerana mereka adalah gelombang elektromagnetik yang tidak dapat dilihat untuk menyeberangi badan -badan legap dan menghasilkan kesan fotografi. Terletak antara 10 dan 0.01 nm (30 hingga 30.000 phz), adalah hasil daripada elektron yang melompat dari orbit dalam atom berat.

Sinaran ini dapat dipancarkan oleh mahkota matahari, pulsares, supernovas dan lubang hitam kerana jumlah tenaga yang besar. Pendedahannya yang berpanjangan menyebabkan kanser dan digunakan dalam bidang perubatan untuk mendapatkan imej struktur tulang.

Sinar Gamma

Terletak di hujung kiri spektrum, mereka adalah gelombang kekerapan yang paling dan biasanya berlaku di lubang hitam, supernova, pulsar dan bintang neutron. Mereka juga boleh menjadi akibat pembelahan, letupan nuklear dan kilat.

Oleh kerana ia dihasilkan oleh proses penstabilan dalam nukleus atom selepas pelepasan radioaktif, mereka maut. Panjang gelombangnya subatomik, yang membolehkan mereka melintasi atom. Walaupun mereka diserap oleh atmosfera bumi.

Aplikasi gelombang elektromagnetik yang berbeza

Gelombang elektromagnet mempunyai sifat yang sama dari segi refleksi dan refleksi sebagai gelombang mekanikal. Dan di sebelah tenaga yang mereka bungkus, mereka juga boleh membawa maklumat.

Oleh sebab itu, pelbagai jenis gelombang elektromagnet telah digunakan untuk sebilangan besar tugas yang berbeza. Seterusnya kita akan melihat beberapa yang paling biasa.

Spektrum elektromagnet dan beberapa aplikasinya. Sumber: Tatoute dan Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0/]]

Gelombang radio

Tidak lama selepas ditemui, Guglielmo Marconi menunjukkan bahawa mereka boleh menjadi alat komunikasi yang sangat baik. Sejak penemuannya oleh Hertz, komunikasi tanpa wayar dengan frekuensi radio seperti radio AM dan FM, televisyen, telefon bimbit dan banyak lagi, mereka telah semakin banyak di seluruh dunia.

Microwave

Mereka boleh digunakan untuk memanaskan makanan, kerana air adalah molekul dipole yang mampu bertindak balas terhadap medan elektrik berayun. Makanan mengandungi molekul air, yang apabila terdedah kepada bidang ini, mula berayun dan bertembung antara satu sama lain. Kesan yang terhasil adalah pemanasan.

Mereka juga boleh digunakan dalam telekomunikasi, kerana keupayaan mereka bergerak di atmosfera dengan gangguan yang kurang daripada gelombang panjang gelombang lain.

Gelombang inframerah

Aplikasi paling ciri inframerah adalah peranti penglihatan malam. Mereka juga digunakan dalam komunikasi antara peranti dan teknik spektroskopi untuk kajian bintang, awan gas antara bintang dan exoplanet.

Dengan mereka, anda juga boleh membuat peta suhu badan, yang berfungsi untuk mengenal pasti beberapa jenis tumor yang suhunya lebih besar daripada tisu sekitarnya.

Cahaya yang kelihatan

Cahaya yang kelihatan membentuk banyak spektrum yang dipancarkan oleh matahari, yang mana retina bertindak balas.

Sinar ultraviolet

Sinaran ultraviolet mempunyai tenaga yang cukup untuk berinteraksi dengan bahan dengan ketara, jadi pendedahan berterusan terhadap radiasi ini menyebabkan penuaan pramatang dan meningkatkan risiko mengembangkan kanser kulit.

X -Rays dan sinar gamma

X -Rays dan sinar gamma mempunyai lebih banyak tenaga dan oleh itu mereka dapat menembusi tisu lembut, oleh itu hampir dari saat penemuan mereka mereka telah digunakan untuk mendiagnosis patah tulang dan meneliti bahagian dalam badan dalam mencari penyakit.

X -Rays dan sinar gamma digunakan bukan sahaja sebagai alat diagnostik, tetapi sebagai alat terapeutik untuk pemusnahan tumor.

Rujukan

1. Giancoli, d.  (2006). Fizik: Prinsip dengan aplikasi. Edisi keenam. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Asas Fizik. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Fizik universiti dengan fizik moden. Edisi ke -14. Pearson. 1053 - 1057.