Elektromagnetiska vågor Maxwells teori, typer, egenskaper

De elektromagnetiska vågor De är tvärgående vågor som motsvarar fält orsakade av accelererade elektriska laddningar. Det nittonde århundradet var århundradet med stora framsteg inom el och magnetism, men fram till första hälften av det visste forskare fortfarande inte förhållandet mellan båda fenomenen och trodde dem oberoende av varandra.

Det var den skotska fysikern James Clerk Maxwell (1831-1879) som visade världen att elektricitet och magnetism inte var annat än de två sidorna av samma valuta. Båda fenomenen är intimt relaterade.

En storm. Källa: Pixabay.

[TOC]

Maxwell teori

Maxwell förenade teorin om elektricitet och magnetism i fyra eleganta och kortfattade ekvationer, vars förutsägelser snart bekräftades:

Vilka bevis förberedde Maxwell för hans elektromagnetiska teori?

Det var redan ett faktum att elektriska strömmar (rörliga belastningar) producerar magnetfält, och i sin tur har ett variabelt magnetfält härstammar elektriska strömmar i ledande kretsar, vilket skulle innebära att ett variabelt magnetfält inducerar elektriskt fält.

Kan det omvända fenomenet vara möjligt? Skulle variabla elektriska fält kunna komma från magnetfält i sin tur?

Maxwell, en lärjunge till Michael Faraday, var övertygad om förekomsten av symmetrier i naturen. Både fenomen, elektriska och magnetiska, var också tvungna att hålla sig till dessa principer.

Enligt denna forskare skulle de oscillerande fälten generera störningar på samma sätt som en sten som kastas in i ett damm genererar vågor. Dessa störningar är inget annat än att svänga elektriska och magnetiska fält, som Maxwell kallade exakt elektromagnetiska vågor.

Maxwell förutsägelser

Maxwells ekvationer förutspådde förekomsten av elektromagnetiska vågor med förökningshastighet lika med ljusets hastighet. Förutsägelsen bekräftades kort efter av den tyska fysikern Heinrich Hertz (1857 - 1894), som lyckades generera dessa vågor i sitt laboratorium genom en LC -krets. Detta hände strax efter Maxwells död.

För att kontrollera framgången för teorin var Hertz tvungen att bygga en detektoranordning som tillät honom.

Maxwells verk hade mottagits med skepsis av tidens vetenskapliga samhälle. Kanske berodde det delvis på det faktum att Maxwell var en lysande matematiker och hade presenterat sin teori med all formalitet i fallet, som många inte lyckades förstå.

Hertzs ​​experiment var dock lysande och övertygande. Hans resultat mottogs väl och tvivel om sanningen i Maxwells förutsägelser var tydliga.

Förskjutningsströmmen

Förskjutningsströmmen är skapandet av Maxwell, som härrör från en djup analys av Ampere -lagen, som konstaterar att:

 Var:Maxwell analyserade fallet med belastning av en kondensor: När den laddas omfattar ytan vars kontur är C_C Vad som passerar genom den ledande tråden, som kan ses i figuren nedan:

Ett batteri laddar en kondensor. Ytor (kontinuerlig linje) och S 'och konturen C för att tillämpa Ampere -lagen visas. Källa: Modifierad Pixabay.

Därför är termen till höger i Ampere -lagen, som involverar nuvarande, inte noll och är inte medlem till vänster. Omedelbar slutsats: Det finns ett magnetfält.

Finns det magnetfält i S '?

Det finns emellertid ingen ström som korsar eller korsar den böjda ytan S ', som har samma kontur C, eftersom denna yta omfattar en del av vad som finns i utrymmet mellan kondensorplattorna, som vi kan anta är luft eller annat ämne som inte är - dirigent.

I den regionen finns det inget ledande material genom vilket några nuvarande flöden. Det måste komma ihåg att för en ström att cirkulera måste kretsen vara stängd. När strömmen är noll är integralen i vänster i Ampere -lagen 0. Det finns inget magnetfält då, eller ja?

Det finns definitivt en motsägelse. S 'är också begränsad av kurva C och magnetfältets förekomst bör inte bero på ytan som den begränsar.

Det kan tjäna dig: vad är partikelns balans? (Med exempel)

Maxwell löste motsägelsen genom att införa begreppet förskjutningsström i_D.

Förskjutningsström

Medan kondensorn laddas, finns det ett variabelt elektriskt fält mellan plattorna och cirkulerar strömmen av föraren. När kondensorn laddas upphör de nuvarande i föraren och ett konstant elektriskt fält etableras mellan plattorna.

Då drog Maxwell att det, associerat med det variabla elektriska fältet, det skulle finnas en ström som kallas förskjutningsström i_D, En ström som inte involverar laströrelse. För ytan är giltig:

 Var:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Elektrisk ström är inte en vektor, även om det är storlek och mening. Det är mer lämpligt att relatera fälten till ett belopp som är vektor: den aktuella densiteten J,vars storlek är kvoten mellan strömmen och det område genom vilket det passerar. De aktuella densitetsenheterna i det internationella systemet är AMPS/M².

När det gäller denna vektor är förskjutningsströmtätheten:

Förskjutningsströmmen i_D Det beror på förändringen i tiden för det elektriska fältflödet mellan kondensorplattorna medan det laddas. När den har laddats är variationen i det elektriska flödet noll och förskjutningsströmmen försvinner.

På detta sätt, när Ampere -lagen tillämpas på konturen C och ytan S används, jag_C Det är den nuvarande som korsar den. Istället jag_C Det går inte igenom S ', men jag_D Om det gör det.

Träning löst

1-en cirkulär parallell plattplatta kondensor laddas. Plattans radie är 4 cm och på ett ögonblick med tanke på den körströmmen i_C = 0.520 a. Det finns luft mellan plattorna. Hitta:

a) Förskjutningsströmdensiteten j_D i rymden mellan plattorna.

b) Den hastighet med vilken det elektriska fältet mellan plattorna förändras.

c) Det inducerade magnetfältet mellan plattorna på ett avstånd av 2 cm från axiell axel.

d) samma problem som i c) men på ett avstånd av 1 cm från den axiella axeln.

Lösning

Sektion A

För storleken på strömtätheten j_D Plattorna behövs:

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

Det elektriska fältet är enhetligt mellan plattorna, den aktuella densiteten också, eftersom de är proportionella. Dessutom i_C = jag_D För kontinuitet, då:

Aktuell j -densitet_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 a/m².

Avsnitt B

Valutakursen för det elektriska fältet är (av/dt). En ekvation behövs för att hitta den, baserad på de första principerna: den nuvarande definitionen, definitionen av kapacitet och kapacitet för en plackkondensator.

- Per definition är strömmen derivatet av lasten med avseende på tid i_C = DQ/DT

- Kondensatorns kapacitet är C = Q/V, där Q är belastningen och V är den potentiella skillnaden.

- För sin del är kapaciteten för den parallella platta plackkondensatorn: C = ε_antingenA/d.

Underväskor används för att indikera de strömmar och spänningar som varierar med tiden. När du kombinerar den andra och tredje ekvationen kvarstår lasten:

q = c.V = (ε_antingenA/d).v = ε_antingenA (v/d) = ε_antingenAe

Här ε_antingen Det är tillägget av vakuumet vars värde är 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Därför erhålls ett uttryck när man tar detta resultat till den första ekvationen som innehåller växelkursen för det elektriska fältet:

Yo_C = dq/dt = d (ε_antingenAe)/dt = ε_antingenA (från/dt)

Clearing av/dt är:

(av/dt) = i_C/ (ε_antingenA) = j_D/ε_antingen

Ersätta värden:

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

Resultatet är ungefär 1 följt av 13 nollor. Det elektriska fältet varierar definitivt mycket snabbt.

Avsnitt C

För att hitta magnetfältets storlek är det nödvändigt att tillämpa Ampere -lagen och välja en cirkulär radioväg r Inuti plattorna och koncentriska till dem, vars radie är R:

Kan tjäna dig: Venus (planet)

Å andra sidan i integralen är vektorerna B och DL parallella, så att skalprodukten helt enkelt är Bdl, var dl Det är en skillnad på vägen på c. Fält B är konstant alla C och är utanför integralen:

Lika med båda resultaten:

Clearing B Du har:

Utvärdering för r = 2 cm = 0.02 M:

Avsnitt D

Utvärdera den ekvation som erhållits i föregående stycke, för r = 1 cm = 0.01 M:

Egenskaper hos elektromagnetiska vågor

Elektromagnetiska vågor är tvärgående vågor där elektriska och magnetfält är vinkelräta mot varandra till vågutbredningsriktningen.

Elektromagnetiska vågor består av vinkelräta elektriska och magnetfält. Källa: Pixabay.

Därefter kommer vi att se dess mest anmärkningsvärda egenskaper.

Utbredningshastighet

Förökningshastigheten för elektromagnetiska vågor i ett vakuum är c ≈3,00 x10⁸ m/s, oavsett vilka värden som har våglängden och frekvensen.

Media där de sprider sig

Elektromagnetiska vågor sprids både i ett vakuum och i något materiellt medium, till skillnad från mekaniska vågor som kräver ett medium.

Förhållandet mellan hastighet, våglängd och frekvens

Förhållandet mellan hastighet c, Våglängden λ och frekvens F av elektromagnetiska vågor i vakuum är c ​​= λ.F.

Förhållandet mellan elektriskt och magnetfält

Storleken på de elektriska och magnetiska fälten är relaterade till E = CB.

Hastighet i ett givet medium

I en given miljö är det möjligt att visa att hastigheten på elektromagnetiska vågor ges av uttrycket:

Där ε och μ är respektive ersättning och permeabilitet för miljön i fråga.

Rörelse

En elektromagnetisk strålning med energi ELLER har en mängd rörelse associerad p vars storlek är: p = ELLER/c.

Typer av elektromagnetiska vågor

Elektromagnetiska vågor har ett mycket brett utbud av våglängder och frekvenser. De grupperas i det som kallas det elektromagnetiska spektrumet, som har delats upp i regioner, som utses nedan, börjar med de högsta våglängderna:

Radiovågor

Beläget i slutet av den högsta våglängden och lägre frekvens, sträcker de sig från några till en miljard Hertz. Det är de som används för att överföra en signal med information av olika slag och fångas av antennerna. TV, radio, mobiler, planeter, stjärnor och andra himmelkroppar sänder dem och kan fångas.

Mikrovågsugn

Beläget i Ultra High Frequences (UHF), Super High (SHF) och extremt hög (EHF), varierar mellan 1 GHz och 300 GHz. Till skillnad från de tidigare som kan mäta upp till en mil (1,6 km) varierar mikrovågor från några centimeter till 33 cm.

Med tanke på dess spektrumposition mellan 100.000 och 400.000 nm används för att överföra data om frekvenser som inte störs av radiovågor. Av denna anledning tillämpas de i radarteknologi, mobiltelefoner, köksugnar och datorlösningar.

Dess svängning är produkten från en enhet som kallas magnetron, som är en slags resonanshålrum som har 2 skivmagneter i ändarna. Det elektromagnetiska fältet genereras av accelerationen av katodelektroner.

Infraröda strålar

Dessa värmevågor släpps ut av termiska kroppar, vissa typer av laser och dioder som avger ljus. Även om de vanligtvis överlappar med radiovågor och mikrovågsugn, är deras sortiment mellan 0,7 och 100 mikrometer.

Enheter producerar oftast värme som kan upptäckas av natt tittare och hud. De används ofta för fjärrkontroller och speciella kommunikationssystem.

Synligt ljus

I referensdelningen av spektrumet hittar vi det märkbara ljuset, som har en våglängd mellan 0,4 och 0,8 mikrometer. Vad vi skiljer är färgerna på regnbågen, där den lägsta frekvensen kännetecknas av den röda färgen och den högsta av Violet.

Dess längdvärden mäts i nanometrar och angström, representerar en mycket liten del av hela spektrumet och detta intervall inkluderar den största strålningsmängden som släpps ut och stjärnorna. Dessutom är det produkten från accelerationen av elektroner i energitransiterna.

Det kan tjäna dig: genomsnittlig acceleration: hur det beräknas och löses

Vår uppfattning om saker är baserad på en synlig strålning som påverkar ett föremål och sedan på ögonen. Sedan tolkar hjärnan de frekvenser som ger upphov till färgen och detaljerna som finns i saker.

Ultravioletta strålar

Dessa vågor finns i intervallet 4 och 400 nm, genereras av solen och andra processer som avger stora mängder värme. Långvarig exponering för dessa korta vågor kan orsaka brännskador och vissa typer av cancer i levande varelser.

Eftersom de är produkten av elektronhopp i upphetsade molekyler och atomer, ingriper deras energi i kemiska reaktioner och används i medicin för att sterilisera. De är ansvariga för jonosfären eftersom ozonskiktet undviker dess skadliga effekter på jorden.

Röntgenstrålar

Denna beteckning beror på att de är osynliga elektromagnetiska vågor som kan korsa ogenomskinliga kroppar och producera fotografiska intryck. Beläget mellan 10 och 0,01 nm (30 till 30.000 phz), är resultatet av elektroner som hoppar från banor i tunga atomer.

Dessa strålar kan släppas ut av solens krona, pulsarer, supernovor och svarta hål på grund av dess stora mängd energi. Dess långvariga exponering orsakar cancer och används inom medicinområdet för att få bilder av benstrukturer.

Gammastrålar

Beläget på den vänstra änden av spektrumet är de de mest frekvensvågorna och förekommer vanligtvis i svarta hål, supernovae, pulsares och neutronstjärnor. De kan också vara en följd av klyvning, kärnkraftsexplosioner och blixtar.

Eftersom de genereras genom stabiliseringsprocesser i atomkärnan efter radioaktiva utsläpp, är de dödliga. Dess våglängd är subatomisk, vilket gör att de kan korsa atomer. Ändå absorberas de av jordens atmosfär.

Tillämpningar av de olika elektromagnetiska vågorna

Elektromagnetiska vågor har samma egenskaper när det gäller reflektion och reflektion som mekaniska vågor. Och bredvid den energi de förökar kan de också bära information.

På grund av detta har de olika typerna av elektromagnetiska vågor applicerats på ett stort antal olika uppgifter. Nästa kommer vi att se några av de vanligaste.

Elektromagnetiskt spektrum och några av dess tillämpningar. Källa: Tatoute och Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // Creativecommons.Org/licenser/BY-SA/3.0/]]

Radiovågor

Strax efter att ha upptäckts visade Guglielmo Marconi att de kunde vara ett utmärkt kommunikationsverktyg. Sedan upptäckten av Hertz, trådlös kommunikation med radiofrekvenser som AM och FM -radio, tv, mobiltelefoner och mycket mer, har de utökat mer och mer över hela världen.

Mikrovågsugn

De kan användas för att värma mat, eftersom vatten är en dipolmolekyl som kan svara på oscillerande elektriska fält. Livsmedel innehåller vattenmolekyler, som när de utsätts för dessa fält börjar svänga och kollidera med varandra. Den resulterande effekten är uppvärmning.

De kan också användas i telekommunikation på grund av deras förmåga att röra sig i atmosfären med mindre störningar än andra våglängdvågor.

Infraröda vågor

Den mest karakteristiska tillämpningen av infraröd är nattvisionsanordningar. De används också i kommunikation mellan enheter och spektroskopiska tekniker för studier av stjärnor, interstellära gasmoln och exoplaneter.

Med dem kan du också skapa kroppstemperaturkartor, som tjänar till att identifiera vissa typer av tumörer vars temperatur är större än de omgivande vävnaderna.

Synligt ljus

Det synliga ljuset bildar mycket av det spektrum som släpps ut av solen, till vilken näthinnan svarar.

Ultravioletta strålar

Ultravioletta strålar har tillräckligt med energi för att interagera med materien betydligt, så kontinuerlig exponering för denna strålning orsakar för tidigt åldrande och ökar risken för att utveckla hudcancer.

X -Rays och Gamma Rays

X -Says och Gamma -strålar har ännu mer energi och därför kan de penetrera mjuka vävnader, och därmed nästan från deras upptäckt som de har använts för att diagnostisera sprickor och granska kroppens inre i sökandet efter sjukdomar.

X -Rays och Gamma -strålar används inte bara som ett diagnostiskt verktyg, utan som ett terapeutiskt verktyg för tumörförstörelse.

Referenser

1. Giancoli, D.  (2006). Fysik: Principer med applikationer. Sjätte upplagan. Prentice hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Fysikens grunder. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Universitetsfysik med modern fysik. 14: e upplagan. Pearson. 1053 - 1057.