Elektromagnetinės bangos: Maxwello teorija, tipai, charakteristikos, taikymas

Elektromagnetinės bangos yra skersinės bangos, kurios atitinka laukus, kuriuos sukelia pagreitinti elektros krūviai. XIX a. Buvo didelės elektros ir magnetizmo pažangos amžius, tačiau iki pirmojo pusmečio mokslininkai vis dar nežinojo šių dviejų reiškinių santykio, tikėdami, kad jie yra nepriklausomi vienas nuo kito.

Škotijos fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas (1831–1879) parodė pasauliui, kad elektra ir magnetizmas buvo tik dvi tos pačios monetos pusės. Abu reiškiniai yra glaudžiai susiję.

Elektros srovė nėra vektorius, nors jis turi didelį dydį ir kryptį. Labiau tikslinga susieti laukus su kiekiu, kuris yra vektorius: srovės tankis J , kurio dydis yra santykis tarp srovės ir srities, per kurią jis eina. Srovės tankio vienetai tarptautinėje sistemoje yra amperai / m2.

Pagal šį vektorių poslinkio srovės tankis yra:

Tokiu būdu, kai Ampere įstatymas taikomas kontūrai C ir paviršius S, i _C yra srovė, kuri eina per ją. Kita vertus, _C nepereina S ', bet i _D.

Nustatytas pratimas

Įkraunamas 1-A apvalių lygiagrečių plokščių plokščių kondensatorius. Plokštelių spindulys yra 4 cm, o akimirksniu laidumo srovė i _C = 0, 520 A. Tarp plokštelių yra oro. Rasti:

a) Slinkties srovės tankis J _D tarp plokštelių.

b) greitis, kuriuo keičiasi elektrinis laukas tarp plokštelių.

c) Magnetinis laukas, sukeltas tarp plokštelių 2 cm atstumu nuo ašinės ašies.

d) tas pats klausimas kaip ir c), bet 1 cm atstumu nuo ašinės ašies.

Sprendimas

A skirsnis

Srovės tankio J _D dydžiui reikia plokščių ploto:

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

Elektrinis laukas yra vienodas tarp plokščių, taip pat srovės tankis, nes jie yra proporcingi. Taip pat i _C = i _D pagal tęstinumą, tada:

Srovės tankis J _D = 0, 520 A / 0, 00503 m2 = 103, 38 A / m2.

B skirsnis

Elektros lauko keitimo greitis yra (dE / dt). Jai rasti reikia lygties, pradedant nuo pirmųjų principų: srovės apibrėžimo, pajėgumo apibrėžimo ir lygiagrečių plokščių plokščių kondensatoriaus talpos.

- Pagal apibrėžimą srovė yra apkrovos išvestis, atsižvelgiant į laiką i _C = dq / dt

- Kondensatoriaus talpa yra C = q / v, kur q yra įkrova ir v yra galimas skirtumas.

- Kita vertus, lygiagrečiojo plokščiojo plokščiojo kondensatoriaus talpa yra: C = ε _arba A / d.

Mažosiomis raidėmis nurodomos srovės ir įtampos, kurios skiriasi laiku. Derinant antrą ir trečią lygtis, apkrova lieka tokia:

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

Čia ε _o yra vakuumo pralaidumas, kurio vertė yra 8, 85 x 10-12 C2 / N.m2. Todėl, atlikus šį rezultatą į pirmąją lygtį, gausite išraišką, kurioje yra elektros lauko keitimo greitis:

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

Kliringo dE / dt lieka:

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

Pakaitinės vertės:

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

Rezultatas yra maždaug 1, po to - 13 nulių. Tikrai elektros laukas labai greitai keičiasi.

C skirsnis

Norint rasti magnetinio lauko dydį, būtina taikyti Ampere įstatymus, pasirinkus apskritimo kelią, kurio spindulys yra r plokštelių viduje, ir koncentrinis jiems, kurio spindulys yra R:

Savo integralinėje dalyje vektoriai B ir dl yra lygiagrečiai, kad skaliarinis produktas yra tiesiog Bdl, kur dl yra kelio per C skirtumas. Laukas B yra pastovus visame C ir yra už integruoto :

Vertinant ankstesniame punkte gautą lygtį, r = 1 cm = 0, 01 m:

Elektromagnetinių bangų charakteristikos

Elektromagnetinės bangos yra skersinės bangos, kuriose elektriniai ir magnetiniai laukai yra statmeni vienas kitam ir tuo pačiu metu į bangos plitimo kryptį.

Toliau matysime pačias svarbiausias jo savybes.

Dauginimo greitis

Elektromagnetinių bangų plitimo greitis vakuume yra c ≈ 3, 00 x 108 m / s, nepriklausomai nuo to, kokios vertės turi bangų ilgį ir dažnį.

Priemonės, kuriose jos dauginamos

Elektromagnetinės bangos sklinda tiek vakuume, tiek tam tikroje materialinėje terpėje, skirtingai nei mechaninės bangos, kurioms reikalinga terpė.

Greičio, bangos ilgio ir dažnio ryšys

Santykis tarp greičio c, bangos ilgio λ ir elektromagnetinių bangų dažnio f vakuume yra c = λ.f.

Elektros ir magnetinio lauko ryšys

Elektrinių ir magnetinių laukų dydžiai yra susiję su E = cB.

Greitis tam tikroje terpėje

Tam tikroje terpėje galima įrodyti, kad elektromagnetinių bangų greitis pateikiamas išraiška:

Kuriuose ε ir μ yra atitinkamos terpės atitinkamas pralaidumas ir pralaidumas.

Judėjimo suma

Elektromagnetinė spinduliuotė su energija U turi susijusį judėjimo p kiekį, kurio dydis yra: p = U / c .

Elektromagnetinių bangų tipai

Elektromagnetinės bangos turi labai platų bangų ilgių ir dažnių spektrą. Jie yra suskirstyti į vadinamąjį elektromagnetinį spektrą, kuris buvo suskirstytas į žemiau išvardytus regionus, pradedant nuo ilgiausių bangų ilgių:

Radijo bangos

Įsikūręs ilgiausio bangos ilgio ir žemiausio dažnio pabaigoje, jie svyruoja nuo kelių iki milijardo hercų. Jie yra tie, kurie perduodami signalui su įvairių rūšių informacija ir yra užfiksuoti antenos. Televizija, radijas, mobilieji telefonai, planetos, žvaigždės ir kiti dangaus kūnai juos skleidžia ir gali būti sugauti.

Mikrobangų krosnelė

Jie yra itin aukštuose dažniuose (UHF), itin aukštuose (SHF) ir itin aukštuose (EHF), jie svyruoja nuo 1 GHz iki 300 GHz, skirtingai nuo ankstesnių dažnių, galinčių matuoti iki 1, 6 km, mikrobangų krosnelės Jos svyruoja nuo kelių centimetrų iki 33 cm.

Atsižvelgiant į jų padėtį spektre, nuo 100 000 iki 400 000 nm, jie naudojami duomenims perduoti dažniais, kurie nėra trukdyti radijo bangoms. Dėl šios priežasties jie naudojami radarų technologijose, mobiliuosiuose telefonuose, virtuvės krosnyse ir kompiuterių sprendimuose.

Jo virpesiai yra prietaiso, vadinamo magnetronu, produktas, kuris yra tam tikras rezonansinis ertmė, turintis 2 diskų magnetus galuose. Elektromagnetinį lauką generuoja katodo elektronų pagreitis.

Infraraudonieji spinduliai

Šias karščio bangas skleidžia šiluminiai kūnai, kai kurie lazerių ir diodų tipai, skleidžiantys šviesą. Nors jie dažnai sutampa su radijo bangomis ir mikrobangomis, jų diapazonas yra nuo 0, 7 iki 100 mikrometrų.

Ūkio subjektai dažniausiai gamina šilumą, kurį gali aptikti naktinis matymas ir oda. Jie dažnai naudojami nuotolinio valdymo ir specialiosioms ryšių sistemoms.

Matoma šviesa

Referenciniame spektro pasiskirstyme randame pastebimą šviesą, kurios bangos ilgis yra nuo 0, 4 iki 0, 8 mikrometro. Tai, ką skiriame, yra vaivorykštės spalvos, kur mažiausias dažnis pasižymi raudona spalva ir didžiausia violetine spalva.

Jo ilgio reikšmės matuojamos nanometrais ir „Angstrom“ - tai labai maža viso spektro dalis ir šis diapazonas apima didžiausią saulės ir žvaigždžių spinduliuotės kiekį. Be to, tai yra elektronų paspartinimo energijoje tranzito produktas.

Mūsų suvokimas apie daiktus yra pagrįstas matoma spinduliuote, kuri patenka į objektą ir tada akis. Tada smegenys interpretuoja dažnius, kurie sukelia spalvą, ir daiktus.

Ultravioletiniai spinduliai

Šios bangos yra nuo 4 iki 400 nm, jas generuoja saulė ir kiti procesai, kurie išskiria daug šilumos. Ilgalaikis šių trumpų bangų poveikis gali sukelti nudegimus ir tam tikrų rūšių vėžį gyvose būtybėse.

Kadangi jie yra elektronų šuoliai, kilę dėl sužadintų molekulių ir atomų, jų energija įsikiša į chemines reakcijas ir yra naudojama medicinoje sterilizuoti. Jie yra atsakingi už jonosferą, nes ozono sluoksnis apsaugo nuo žalingo jo poveikio žemei.

X spinduliai

Tai yra todėl, kad jie yra nematomi elektromagnetiniai bangos, galinčios važiuoti nepermatomas korpusas ir sukurti fotografijos įspūdžius. Jie yra tarp 10 ir 0, 01 nm (nuo 30 iki 30 000 PHz), jie yra elektronų, kilusių iš orbitų į sunkius atomus, rezultatas.

Šiuos spindulius gali išskirti saulės korona, pulsarai, supernovai ir juodosios skylės dėl didelio energijos kiekio. Jo ilgalaikis poveikis sukelia vėžį ir yra naudojamas medicinos srityje siekiant gauti kaulinių struktūrų vaizdus.

Gama spinduliai

Jie yra kraštutiniame kairiajame spektro kampe, jie yra dažniausiai pasitaikančios ir paprastai juodose skylėse, supernovas, pulsarai ir neutronų žvaigždės. Jie taip pat gali būti dalijimosi, branduolinio sprogimo ir žaibo padariniai.

Kadangi juos generuoja atominės branduolio stabilizavimo procesai po radioaktyviųjų išmetimų, jie yra mirtini. Jų bangos ilgis yra subatominis, kuris leidžia jiems judėti atomai. Nepaisant to, jie sugeria Žemės atmosferą.

Skirtingų elektromagnetinių bangų taikymas

Elektromagnetinės bangos turi tokias pačias savybes, kaip atspindys ir atspindžiai, kaip mechaninės bangos. Ir kartu su energija, kurią jie propaguoja, jie taip pat gali turėti informaciją.

Dėl šios priežasties įvairių rūšių elektromagnetinės bangos buvo taikomos daugeliui skirtingų užduočių. Toliau matysime dažniausiai pasitaikančius.

Radijo bangos

Netrukus po to, kai buvo atrasta, Guglielmo Marconi parodė, kad jie gali būti puiki komunikacijos priemonė. Nuo pat „Hertz“ atradimo, bevielis ryšys su radijo dažniais, tokiais kaip AM ir FM radijas, televizija, mobilieji telefonai ir daug daugiau, vis labiau plinta visame pasaulyje.

Mikrobangų krosnelė

Jie gali būti naudojami maistui šildyti, nes vanduo yra dipolinė molekulė, galinti reaguoti į vibruojančius elektrinius laukus. Maisto sudėtyje yra vandens molekulių, kurios, veikiant šiems laukams, pradeda virpėti ir susiduria tarpusavyje. Gautas poveikis yra šildymas.

Jie taip pat gali būti naudojami telekomunikacijose dėl jų gebėjimo judėti atmosferoje mažiau trukdžių nei kiti bangos ilgiai.

Infraraudonųjų spindulių bangos

Labiausiai būdinga infraraudonųjų spindulių įranga yra naktinio matymo įtaisai. Jie taip pat naudojami ryšiams tarp prietaisų ir spektroskopiniais metodais, skirtais žvaigždžių, tarpžvaigždinių dujų debesų ir eksoplanetų tyrimui.

Su jais taip pat galite sukurti kūno temperatūros žemėlapius, kurie padeda nustatyti kai kuriuos auglių tipus, kurių temperatūra yra aukštesnė nei aplinkinių audinių.

Matoma šviesa

Matoma šviesa sudaro didelę Saulės spindulių spektro dalį, į kurią atsako tinklainė.

Ultravioletiniai spinduliai

Ultravioletiniai spinduliai turi pakankamai energijos, kad galėtų reikšmingai bendrauti su medžiaga, todėl nuolatinis šios spinduliuotės veikimas sukelia priešlaikinį senėjimą ir padidina odos vėžio atsiradimo riziką.

Rentgeno spinduliai ir gama spinduliai

Rentgeno spinduliai ir gama spinduliai turi dar daugiau energijos ir todėl gali prasiskverbti į minkštuosius audinius, todėl beveik nuo pat atradimo momento buvo naudojami diagnozuoti lūžiai ir ištirti kūno vidų ieškant ligų.,

Rentgeno spinduliai ir gama spinduliai naudojami ne tik kaip diagnostikos priemonė, bet ir kaip terapinė priemonė navikams naikinti.