- Formula i jednadžbe
- Prijave
- Dipolska antena
- Energija električnog polja: kondenzator
- Primjeri
- Primjer 1: Intenzitet elektromagnetskog vala
- Primjer 2: Primjena na odašiljačku antenu
- Rješenje za
- Rješenje b
- Reference
Elektromagnetska energija je ona koja se širi putem elektromagnetskih valova (EM). Primjeri za to su sunčevo svjetlo koje zrači toplinu, struja koja se izvlači iz električne utičnice i struja X-zraka za proizvodnju X-zraka.
Poput zvučnih valova kada vibriraju bubnjić, elektromagnetski valovi su sposobni prenijeti energiju koja se kasnije može pretvoriti u toplinu, električne struje ili različite signale.
Slika 1. Antene su potrebne u telekomunikacijama. Signali s kojima rade imaju elektromagnetsku energiju. Izvor: Pixabay.
Elektromagnetska energija se širi i u materijalnom medijumu i u vakuumu, uvijek u obliku poprečnog vala, pa njegovo korištenje nije nešto novo. Sunčeva svjetlost je iskonski izvor elektromagnetske energije i najstariji je poznati, ali korištenje električne energije nešto je novije.
Tek je 1891. godine tvrtka Edison pustila u pogon prvu električnu instalaciju u Bijeloj kući u Washingtonu. I to kao nadopuna svjetlima na plinu koja su se tada koristila, jer je u početku bilo puno skepse prema njihovoj uporabi.
Istina je da čak i na najudaljenijim mjestima i kojima nedostaju dalekovodi, elektromagnetska energija koja stalno stiže iz svemira i dalje održava dinamiku onoga što u svom svemiru nazivamo domom.
Formula i jednadžbe
Elektromagnetski valovi su poprečni valovi u kojima su električno polje E i magnetsko polje B okomito jedni na druge, a smjer širenja vala okomit je na polja.
Svi su valovi karakteristični po svojoj frekvenciji. To je široki raspon frekvencija EM valova, koji im daje svestranost pri transformiranju njihove energije, proporcionalan frekvenciji.
Na slici 2 prikazan je elektromagnetski val, a električno polje E plavo oscilira u zy ravnini, magnetsko polje B crveno to čini u xy ravnini, dok je brzina vala usmjerena duž osi + y, prema prikazanom koordinatnom sustavu.
Slika 2. Elektromagnetski val koji pada na površinu daje energiju prema Poyntingevom vektoru. Izvor: F. Zapata.
Ako je neka površina umetnuta u putanju oba talasa, recimo ravnina područja A i debljine dy, tako da je okomita na brzinu vala, protok elektromagnetske energije po jedinici površine, označen sa S, opisan je kroz iz Poyntingova vektora:
Lako je provjeriti jesu li jedinice S u W / m 2 u Međunarodnom sustavu.
Ima ih još. Veličine polja E i B povezane su međusobno brzinom svjetlosti c. U stvari, elektromagnetski valovi u vakuumu šire se tako brzo. Ova veza je:
Zamjenom ovog odnosa u S dobivamo:
Poyntingov vektor varira s vremenom na sinusoidni način, tako da je prethodni izraz njegova maksimalna vrijednost, jer energija koju dovodi elektromagnetski val također oscilira, baš kao što to čine i polja. Naravno, frekvencija oscilacija je vrlo velika, pa je, primjerice, nije moguće otkriti na vidljivom svjetlu.
Prijave
Među brojnim uporabama koje smo već spomenuli za elektromagnetsku energiju, ovdje se spominju dvije koje se neprekidno koriste u brojnim primjenama:
Dipolska antena
Antene svugdje ispunjavaju prostor elektromagnetskim valovima. Postoje predajnici, koji, na primjer, pretvaraju električne signale u radio valove ili mikrovalne. A tu su i prijemnici, koji rade obrnuto: sakupljaju valove i pretvaraju ih u električne signale.
Pogledajmo kako iz električnog dipola stvoriti elektromagnetski signal koji se širi u svemiru. Dipol se sastoji od dva električna naboja jednake veličine i suprotnih znakova, odijeljenih malom udaljenošću.
Na sljedećoj slici je električno polje E kada je naboj + iznad (lijeva slika). E točke dolje na prikazanoj točki.
Slika 3. Električno polje dipola u dva različita položaja. Izvor: Randall Knight. Fizika za znanstvenike i inženjere.
Na slici 3 desno, dipol je promijenio položaj i sada je E usmjeren prema gore. Ponovimo ovu promjenu mnogo puta i to vrlo brzo, recimo s frekvencijom f. Na taj način stvara se varijabla polja E u vremenu, koja stvara magnetsko polje B, također promjenjivo i čiji je oblik sinusoidan (vidi sliku 4 i primjer 1 dolje).
A kako Faradayev zakon osigurava da vremenski promjenjivo magnetsko polje B stvara električno polje, ispada da osciliranjem dipola već postoji elektromagnetsko polje sposobno širiti se u mediju.
Slika 4. Dipolna antena generira signal koji nosi elektromagnetsku energiju. Izvor: F. Zapata.
Primijetite da B naizmjence ulazi ili ulazi izvan zaslona (uvijek je okomito na E).
Energija električnog polja: kondenzator
Kondenzatori imaju običaj pohranjivanja električnog naboja, a samim tim i električne energije. Dio su mnogih uređaja: motori, radijski i televizijski sklopovi, sustavi rasvjete automobila i još mnogo toga.
Kondenzatori se sastoje od dva vodiča odvojena malom udaljenošću. Svakom se daje naboj jednake veličine i suprotnog znaka, stvarajući tako električno polje u prostoru između oba vodiča. Geometrija može varirati, dobro poznata ona kondenzatora ploče s paralelnim pločama.
Energija pohranjena u kondenzatoru dolazi od rada koji je obavljen za njegovo punjenje, a koji je služio za stvaranje električnog polja unutar njega. Uvođenjem dielektričnog materijala između ploča povećava se kapacitet kondenzatora, a samim tim i energija koju on može pohraniti.
Kondenzator kapaciteta C i prvotno ispražnjen koji napuni baterija koja napaja napon V, sve dok ne postigne naboj Q, pohranjuje energiju U koju daje:
U = ½ (Q 2 / C) = ½ QV = ½ CV 2
Slika 5. Ravni paralelni kondenzator ploče pohranjuje elektromagnetsku energiju. Izvor: Wikimedia Commons. Geek3.
Primjeri
Primjer 1: Intenzitet elektromagnetskog vala
Prije toga, rečeno je da je veličina Poyntingova vektora jednaka snazi koju val daje za svaki kvadratni metar površine, a da je, s obzirom na to da je vektor vremenski ovisan, njegova vrijednost oscilirala do maksimuma S = S = (1 / µ ili.c) E 2.
Prosječna vrijednost S u jednom ciklusu vala je lako izmjeriti i ukazuje na energiju vala. Ova vrijednost je poznata kao intenzitet vala i izračunava se na ovaj način:
Elektromagnetski val predstavljen je sinusnom funkcijom:
Gdje je E o amplituda vala, k valni broj i ω kutna frekvencija. Tako:
Slika 5. Antena zrači signal u sferičnom obliku. Izvor: F. Zapata.
Primjer 2: Primjena na odašiljačku antenu
Postoji radio stanica koja odašilje signal snage 10 kW i frekvencije 100 MHz koji se širi sferično, kao na gornjoj slici.
Nađite: a) amplitudu električnog i magnetskog polja u točki koja se nalazi 1 km od antene i b) ukupnu elektromagnetsku energiju koja pada na kvadratni list stranice 10 cm u razdoblju od 5 minuta.
Podaci su:
Rješenje za
Jednadžba dana u primjeru 1 koristi se za pronalaženje intenziteta elektromagnetskog vala, ali najprije se vrijednosti moraju izraziti u Međunarodnom sustavu:
Te se vrijednosti odmah zamjenjuju u jednadžbi intenziteta, jer je izvor koji svugdje emitira iste (izotropni izvor):
Ranije je rečeno da su veličine E i B povezane brzinom svjetlosti:
B = (0,775 / 300 000 000) T = 2,58 x 10 -9 T
Rješenje b
S znači snaga po jedinici površine, a zauzvrat snaga je energija po jedinici vremena. Pomnoživši sredinu S s površinom ploče i vremenom izlaganja, dobiva se traženi rezultat:
U = 0.775 x 300 x 0.01 Joules = 2.325 Joules.
Reference
- Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 6. Elektromagnetizam. Uredio Douglas Figueroa (USB). 307-314.
- ICES (Međunarodni odbor za elektromagnetsku sigurnost). Činjenice o elektromagnetskoj energiji i kvalitativni prikaz. Preuzeto sa: ices-emfsafety.org.
- Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson. 893-896.
- Sveučilište Portland. EM valovi prenose energiju. Preuzeto s: pdx.edu
- Što je elektromagnetska energija i zašto je važna? Oporavilo od: sciencestruck.com.