undele electromagnetice sunt unde transversale care corespund câmpurilor generate de sarcini electrice accelerate. Secolul al XIX-lea a fost secolul marilor progrese în domeniul electricității și magnetismului, dar până în prima jumătate a acestuia, oamenii de știință nu erau încă conștienți de relația dintre ambele fenomene, crezând că sunt independenți unul de celălalt..
Fizicianul scoțian James Clerk Maxwell (1831-1879) a arătat lumii că electricitatea și magnetismul nu sunt decât două fețe ale aceleiași monede. Ambele fenomene sunt strâns legate.
Indice articol
Maxwell a unificat teoria electricității și magnetismului în 4 ecuații elegante și concise, ale căror predicții au fost confirmate în curând:
Ce dovezi a avut Maxwell pentru a-și dezvolta teoria electromagnetică?
Era deja un fapt faptul că curenții electrici (sarcini în mișcare) produc câmpuri magnetice și, la rândul lor, un câmp magnetic variabil generează curenți electrici în circuite conductoare, ceea ce ar implica faptul că un câmp magnetic variabil induce un câmp electric..
Ar putea fi posibil fenomenul invers? Ar fi diferite câmpuri electrice capabile să genereze câmpuri magnetice??
Maxwell, un discipol al lui Michael Faraday, era convins de existența simetriilor în natură. Atât fenomenele electrice, cât și cele magnetice, de asemenea, au trebuit să respecte aceste principii.
Potrivit acestui cercetător, câmpurile oscilante ar genera tulburări în același mod în care o piatră aruncată într-un iaz generează valuri. Aceste perturbații nu sunt altceva decât câmpuri electrice și magnetice oscilante, pe care Maxwell le-a numit precis unde electromagnetice..
Ecuațiile lui Maxwell au prezis existența undelor electromagnetice cu viteză de propagare egală cu viteza luminii. Predicția a fost confirmată la scurt timp de către fizicianul german Heinrich Hertz (1857 - 1894), care a reușit să genereze aceste unde în laboratorul său folosind un circuit LC. Acest lucru a avut loc la scurt timp după moartea lui Maxwell.
Pentru a verifica corectitudinea teoriei, Hertz a trebuit să construiască un dispozitiv detector care să-i permită să găsească lungimea de undă și frecvența, date din care a putut calcula viteza undelor radio electromagnetice, coincizând cu viteza luminii..
Lucrarea lui Maxwell fusese primită cu scepticism de comunitatea științifică de atunci. Poate că a fost parțial pentru că Maxwell era un matematician strălucit și își prezentase teoria cu toată formalitatea cazului, pe care mulți nu au reușit să o înțeleagă..
Cu toate acestea, experimentul lui Hertz a fost genial și convingător. Rezultatele sale au fost bine primite și îndoielile cu privire la veridicitatea previziunilor lui Maxwell au fost eliminate..
Curentul de deplasare este crearea lui Maxwell, apărută ca urmare a unei analize profunde a legii lui Ampere, care stabilește că:
Prin urmare, termenul din dreapta din legea lui Ampere, care implică curentul, nu este nul și nici membrul din stânga. Concluzie imediată: există un câmp magnetic.
Cu toate acestea, nu există curent care traversează sau traversează suprafața curbată S ', care are același contur C, deoarece această suprafață cuprinde o parte din ceea ce se află în spațiul dintre plăcile condensatorului, despre care putem presupune că este aer sau o altă substanță non conductiv.
În acea regiune nu există material conductiv prin care să curgă curent. Trebuie reamintit faptul că, pentru a curge un curent, circuitul trebuie închis. Deoarece curentul este zero, integralul din stânga în legea lui Ampere este 0. Nu există câmp magnetic atunci, nu-i așa??
Cu siguranță există o contradicție. S 'este, de asemenea, limitat de curba C și existența câmpului magnetic nu trebuie să depindă de suprafața la care se limitează C..
Maxwell a rezolvat contradicția introducând conceptul de curent de deplasare iD.
În timp ce condensatorul se încarcă, există un câmp electric diferit între plăci și curentul curge prin conductor. Când condensatorul se încarcă, curentul din conductor încetează și se stabilește un câmp electric constant între plăci..
Apoi Maxwell a dedus că, asociat cu câmpul electric variabil, trebuie să existe un curent pe care l-a numit curent de deplasare iD, un curent care nu implică deplasarea sarcinii. Pentru suprafața S 'este valabil:
Curentul electric nu este un vector, deși are magnitudine și semnificație. Este mai potrivit să se coreleze câmpurile cu o cantitate care este vectorială: densitatea curentului J,a cărei magnitudine este coeficientul dintre curent și zona prin care trece. Unitățile de densitate de curent din sistemul internațional sunt amperi / mDouă.
În ceea ce privește acest vector, densitatea curentului de deplasare este:
În acest fel, când legea lui Ampere se aplică conturului C și se folosește suprafața S, iC este curentul care trece prin el. În schimb iC nu traversează S ', ci iD dacă o face.
1-Se încarcă un condensator circular cu placă paralelă. Raza plăcilor este de 4 cm și la un moment dat curentul de conducere iC = 0,520 A. Există aer între plăci. Găsi:
a) Densitatea curentului de deplasare JD în spațiul dintre plăci.
b) Rata la care se modifică câmpul electric dintre plăci.
c) Câmpul magnetic indus între plăci la o distanță de 2 cm de axa axială.
d) Aceeași întrebare ca la c) dar la o distanță de 1 cm de axa axială.
Pentru magnitudinea densității de curent JD suprafața plăcilor este necesară:
Suprafața plăcii: A = πrDouă = π. (4 x 10-Două m)Două = 0,00503 mDouă.
Câmpul electric este uniform între plăci, densitatea curentului este, de asemenea, deoarece acestea sunt proporționale. În plus iC = iD pentru continuitate, atunci:
Densitatea curentului JD = 0,520 A / 0,00503 mDouă = 103,38 A / mDouă.
Rata de schimbare a câmpului electric este (dE / dt). O ecuație este necesară pentru a o găsi, pornind de la primele principii: definiția curentului, definiția capacității și capacitatea pentru un condensator plat cu placă paralelă.
- Prin definiție, curentul este derivatul sarcinii în raport cu timpul iC = dq / dt
- Capacitatea condensatorului este C = q / v, unde q este sarcina și v este diferența de potențial.
- La rândul său, capacitatea condensatorului cu placă paralelă este: C = εsauAnunț.
Literele mici sunt folosite pentru a indica curenții și tensiunile care variază în timp. Combinând a doua și a treia ecuație, taxa este următoarea:
q = C.v = (εsauA / d) .v = εsauA (v / d) = εsauAE
Aici εsau este permitivitatea vidului a cărei valoare este 8,85 x 10-12 CDouă/N.mDouă. Prin urmare, luând acest rezultat la prima ecuație obținem o expresie care conține rata de schimbare a câmpului electric:
euC = dq / dt = d (εsauAE) / dt = εsauA (dE / dt)
Rezolvarea pentru dE / dt rămâne:
(dE / dt) = iC/ (εsauA) = jD/ εsau
Înlocuirea valorilor:
dE / dt = (103,38 A / mDouă) / (8,85 x 10-12 CDouă/N.mDouă ) = 1,17 x 1013 (N / C) / s
Rezultatul este de aproximativ 1 urmat de 13 zerouri. Cu siguranță câmpul electric variază foarte rapid.
Pentru a găsi magnitudinea câmpului magnetic este necesar să se aplice legea lui Ampere, alegând o cale circulară de rază r în interiorul plăcilor și concentrice pentru ele, a căror rază este R:
Pe de altă parte, în integrală vectorii B și dl sunt paraleli, astfel încât produsul scalar este pur și simplu Bdl, Unde dl este o cale diferențială peste C. Câmpul B este constant pe toată calea C și se află în afara integralei:
Evaluând ecuația obținută în secțiunea anterioară, pentru r = 1 cm = 0,01 m:
Undele electromagnetice sunt unde transversale în care câmpurile electrice și magnetice sunt perpendiculare între ele și în același timp cu direcția de propagare a undei.
În continuare vom vedea cele mai notabile caracteristici ale sale.
Viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este c ≈3,00 x108 m / s, indiferent de lungimea de undă și valorile frecvenței.
Undele electromagnetice se propagă atât în vid, cât și în unele medii materiale, spre deosebire de undele mecanice care necesită un mediu.
Relația dintre viteză c, lungimea de undă λ și frecvența F a undelor electromagnetice în vid este c = λ.f.
Mărimile câmpurilor electrice și magnetice sunt legate de E = cB.
Într-un mediu dat, este posibil să se arate că viteza undelor electromagnetice este dată de expresia:
În care ε și μ sunt permitivitatea și permeabilitatea respectivului mediu în cauză.
O radiație electromagnetică cu energie SAU are o cantitate asociată de mișcare p a cărei magnitudine este: p = SAU/c.
Undele electromagnetice au o gamă foarte largă de lungimi de undă și frecvențe. Acestea sunt grupate în ceea ce este cunoscut sub numele de spectrul electromagnetic, care a fost împărțit în regiuni, care sunt denumite mai jos, începând cu cele mai mari lungimi de undă:
Situate la extremitatea celei mai lungi lungimi de undă și a celei mai mici frecvențe, acestea variază de la câțiva la un miliard de Hz. Acestea sunt utilizate pentru a transmite un semnal cu informații de diferite tipuri și sunt captate de antene. Televiziunea, radioul, telefoanele mobile, planetele, stelele și alte corpuri cerești le transmit și pot fi capturate.
Situate în frecvențele ultra ridicate (UHF), super ridicate (SHF) și extrem de ridicate (EHF), acestea variază între 1 GHz și 300 GHz. Spre deosebire de precedentele care pot măsura până la 1,6 km, microundele variază de la câțiva centimetri până la 33 cm.
Având în vedere poziția lor în spectru, între 100.000 și 400.000 nm, acestea sunt utilizate pentru a transmite date pe frecvențe care nu sunt interferate cu undele radio. Din acest motiv, acestea sunt aplicate în tehnologia radar, telefoanele mobile, cuptoarele de bucătărie și soluțiile informatice..
Oscilația sa este produsul unui dispozitiv cunoscut sub numele de magnetron, care este un fel de cavitate rezonantă care are 2 magneți de disc la capete. Câmpul electromagnetic este generat de accelerația electronilor catodului.
Aceste unde de căldură sunt emise de corpuri termice, unele tipuri de lasere și diode emițătoare de lumină. Deși au tendința de a se suprapune cu undele radio și microundele, intervalul lor este cuprins între 0,7 și 100 micrometri..
Entitățile produc cel mai adesea căldură care poate fi detectată de ochelarii de noapte și de piele. Ele sunt adesea utilizate pentru telecomenzi și sisteme speciale de comunicații.
În diviziunea referențială a spectrului găsim lumina perceptibilă, care are o lungime de undă între 0,4 și 0,8 micrometri. Ceea ce distingem sunt culorile curcubeului, unde cea mai mică frecvență este caracterizată de roșu și cea mai mare de violet..
Valorile lungimii sale sunt măsurate în nanometri și Angstrom, reprezintă o parte foarte mică a întregului spectru și acest interval include cea mai mare cantitate de radiații emise de soare și stele. În plus, este produsul accelerării electronilor în tranzitele de energie.
Percepția noastră asupra lucrurilor se bazează pe radiații vizibile care cad pe un obiect și apoi pe ochi. Apoi creierul interpretează frecvențele care dau naștere culorii și detaliilor prezente în lucruri.
Aceste ondulații sunt cuprinse între 4 și 400 nm, sunt generate de soare și de alte procese care emit cantități mari de căldură. Expunerea prelungită la aceste unde scurte poate provoca arsuri și anumite tipuri de cancer la ființele vii..
Deoarece sunt produsul salturilor de electroni din moleculele și atomii excitați, energia lor este implicată în reacțiile chimice și sunt folosite în medicină pentru sterilizare. Acestea sunt responsabile de ionosferă, deoarece stratul de ozon previne efectele sale dăunătoare asupra pământului.
Această denumire se datorează faptului că sunt unde electromagnetice invizibile capabile să treacă prin corpuri opace și să producă amprente fotografice. Situate între 10 și 0,01 nm (30 până la 30.000 PHz), acestea sunt rezultatul săriturilor de electroni de pe orbite în atomi grei.
Aceste raze pot fi emise de coroana soarelui, pulsari, supernove și găuri negre datorită cantității lor mari de energie. Expunerea lor prelungită provoacă cancer și sunt folosite în domeniul medical pentru a obține imagini ale structurilor osoase..
Situate la stânga extremă a spectrului, acestea sunt undele cu cea mai mare frecvență și apar de obicei în găurile negre, supernove, pulsari și stele de neutroni. Ele pot fi, de asemenea, rezultatul fisiunii, al exploziilor nucleare și al trăsnetului.
Deoarece sunt generate de procese de stabilizare în nucleul atomic după emisiile radioactive, acestea sunt letale. Lungimea lor de undă este subatomică, permițându-le să treacă prin atomi. Cu toate acestea, ele sunt absorbite de atmosfera pământului.
Undele electromagnetice au aceleași proprietăți de reflexie și reflexie ca undele mecanice. Și împreună cu energia pe care o propagă, pot transporta și informații.
Din această cauză, diferite tipuri de unde electromagnetice au fost aplicate unui număr mare de sarcini diferite. În continuare vom vedea unele dintre cele mai comune.
La scurt timp după ce a fost descoperit, Guglielmo Marconi a dovedit că ar putea fi un instrument excelent de comunicare. De la descoperirea lor de către Hertz, comunicațiile fără fir cu frecvențe radio precum radio AM și FM, televiziune, telefoane mobile și multe altele, au devenit din ce în ce mai răspândite în întreaga lume..
Ele pot fi folosite pentru încălzirea alimentelor, deoarece apa este o moleculă dipol care este capabilă să răspundă la câmpuri electrice oscilante. Alimentele conțin molecule de apă, care, atunci când sunt expuse la aceste câmpuri, încep să oscileze și să se ciocnească. Efectul rezultat este încălzirea.
Ele pot fi utilizate și în telecomunicații, datorită capacității lor de a călători în atmosferă cu mai puține interferențe decât alte unde cu lungime de undă mai mare..
Cea mai caracteristică aplicație a infraroșu este dispozitivele de vedere nocturnă. Ele sunt, de asemenea, utilizate în comunicarea între dispozitive și în tehnici spectroscopice pentru studiul stelelor, a norilor de gaze interstelare și a exoplanetelor..
Cu ele puteți crea, de asemenea, hărți ale temperaturii corpului, care sunt utilizate pentru a identifica unele tipuri de tumori a căror temperatură este mai mare decât cea a țesuturilor din jur..
Lumina vizibilă reprezintă o mare parte din spectrul emis de Soare, la care răspunde retina.
Razele ultraviolete au suficientă energie pentru a interacționa semnificativ cu materia, astfel încât expunerea continuă la această radiație provoacă îmbătrânirea prematură și crește riscul de a dezvolta cancer de piele..
Razele X și razele gamma au și mai multă energie și, prin urmare, sunt capabile să pătrundă în țesuturile moi, prin urmare, aproape din momentul descoperirii lor, au fost utilizate pentru diagnosticarea fracturilor și examinarea interiorului corpului în căutarea bolilor..
Razele X și razele gamma sunt utilizate nu numai ca instrument de diagnosticare, ci ca instrument terapeutic pentru distrugerea tumorilor..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.