ELEKTROMAGNETSKI VALOVI: MAXWELL-OVA TEORIJA, VRSTE, KARAKTERISTIKE - FIZIČKA - 2024

The elektromagnetski valovi su poprečnih valova koji odgovaraju područjima uzrokovane ubrzanim električnih naboja. 19. stoljeće bilo je stoljeće velikog napretka u elektricitetu i magnetizmu, ali sve do prve polovice znanstvenici još uvijek nisu bili svjesni odnosa dvaju fenomena, vjerujući da su međusobno neovisni.

Bio je škotski fizičar James Clerk Maxwell (1831-1879) koji je svijetu dokazao da su struja i magnetizam samo dvije strane iste kovanice. Obje pojave su usko povezane.

Grmljavina. Izvor: Pixabay.

Maxwell teorija

Maxwell je objedinio teoriju električne energije i magnetizma u 4 elegantne i sažetu jednadžbu, čija su predviđanja ubrzo potvrđena:

Koje je dokaze imao Maxwell da bi razvio svoju elektromagnetsku teoriju?

Već je bila činjenica da električne struje (pomični naboji) stvaraju magnetska polja, a zauzvrat varijabilno magnetsko polje stvara električne struje u provodljivim krugovima, što bi podrazumijevalo da promjenjivo magnetsko polje inducira električno polje.

Je li moguća obrnuta pojava? Bi li promjenjiva električna polja mogla zauzvrat generirati magnetska polja?

Maxwell, učenik Michaela Faradaya, bio je uvjeren u postojanje simetrija u prirodi. I električni i magnetski fenomeni također su se morali pridržavati tih načela.

Prema ovom istraživaču, oscilirajuća polja stvarala bi poremećaje na isti način kao što kamen bačen u ribnjak stvara valove. Ovi poremećaji nisu ništa drugo do oscilirajuća električna i magnetska polja, koja je Maxwell precizno nazvao elektromagnetskim valovima.

Maxwell predviđanja

Maxwellove jednadžbe predviđale su postojanje elektromagnetskih valova sa brzinom širenja jednakom brzini svjetlosti. Predviđanje je ubrzo nakon toga potvrdio i njemački fizičar Heinrich Hertz (1857. - 1894.) koji je uspio stvoriti te valove u svom laboratoriju pomoću LC kruga. To se dogodilo ubrzo nakon Maxwellove smrti.

Da bi potvrdio ispravnost teorije, Hertz je morao izgraditi detektorski uređaj koji mu je omogućio pronalaženje valne duljine i frekvencije, podatke iz kojih je mogao izračunati brzinu elektromagnetskih radio valova, podudarajući se sa brzinom svjetlosti.,

Maxwellovo djelo tada je znanstvena zajednica prihvaćena sa skepticizmom. Možda je to dijelom bilo zato što je Maxwell bio sjajan matematičar i iznio je svoju teoriju svu formalnost slučaja, koju mnogi nisu uspjeli razumjeti.

Međutim, Hertzov je eksperiment bio sjajan i uvjerljiv. Njihovi su rezultati dobro primljeni i uklonjene sumnje u istinitost Maxwellovih predviđanja.

Pomična struja

Struja raseljavanja je stvaranje Maxwella, proizišla iz duboke analize Amperovog zakona, koja kaže da:

Baterija puni kondenzator. Pokazalo se da površine S (puna linija) i S 'i kontura C primjenjuju Amperov zakon. Izvor: modificirano iz Pixabaya.

Stoga izraz na desnoj strani Ampereovog zakona, koji uključuje struju, nije ništav i niti je član s lijeve strane. Neposredni zaključak: postoji magnetsko polje.

Postoji li magnetsko polje na S '?

Međutim, ne postoji struja koja prelazi ili prelazi zakrivljenu površinu S ', koja ima istu konturu C, budući da ta površina obuhvaća dio onoga što se nalazi u prostoru između ploča kondenzatora, za koji možemo pretpostaviti da je zrak ili druga tvar ne-vodljiv.

U toj regiji nema vodljivog materijala kroz koji teče bilo koja struja. Treba imati na umu da za struju koja teče, krug mora biti zatvoren. Budući da je struja jednaka nuli, integral na lijevoj strani Ampereovog zakona iznosi 0. Nema magnetskog polja, zar ne?

Definitivno postoji kontradikcija. S 'je također ograničen krivuljom C i postojanje magnetskog polja ne smije ovisiti o površini na koju je C ograničena.

Maxwell riješen suprotnost od uvođenja koncepta pomaka struje I _D.

Pomična struja

Dok se kondenzator puni, postoji promjenjivo električno polje između ploča i struje teče kroz vodič. Kad se kondenzator napuni, nestaje struja u vodiču i između ploča se uspostavlja konstantno električno polje.

Tada je Maxwell zaključio da, povezana s promjenjivim električnim poljem, mora postojati struja koju je nazvao pomičnom strujom i _D, strujom koja ne uključuje kretanje naboja. Za površinu S 'vrijedi:

Električna struja nije vektor, iako ima veličinu i značenje. Prikladnije je povezati polja s količinom koja je vektorska: gustoća struje J, čija je veličina kvocijent između struje i područja kroz koje prolazi. Jedinice gustoće struje u Međunarodnom sustavu su ampere / m ².

U smislu ovog vektora gustoća struje pomaka je:

Na taj način, kada se Amperov zakon primijeni na konturu C i upotrebljava se površina S, i _C je struja kroz nju. S druge strane, i _C ne prolazi kroz S ', ali i _D ne.

Vježba riješena

Brzina u određenom mediju

U datom mediju moguće je pokazati da je brzina elektromagnetskih valova izražena:

Gdje su ε i μ odgovarajuća propusnost i propusnost medija o kojem je riječ.

Količina pokreta

Elektromagnetsko zračenje s energijom U ima pridruženi zamah p čija je veličina: p = U / c.

Vrste elektromagnetskih valova

Elektromagnetski valovi imaju vrlo širok raspon valnih duljina i frekvencija. Oni su grupirani u ono što je poznato kao elektromagnetski spektar, koji je podijeljen u područja koja su dolje nazvana, počevši od najdužih valnih duljina:

Radio valovi

Smješteni na kraju najveće valne duljine i najniže frekvencije, oni se kreću od nekoliko do milijardu Hertza. Oni su koji se koriste za prijenos signala s raznim informacijama i snimaju ih antene. Televizija, radio, mobiteli, planete, zvijezde i druga nebeska tijela emitiraju ih i mogu biti zarobljeni.

Mikrovalna pećnica

Smješteni u ultra visokim (UHF), super visokim (SHF) i ekstremno visokim (EHF) frekvencijama, oni se kreću između 1 GHz i 300 GHz. Za razliku od prethodnih koji mogu mjeriti do milje (1,6 km), mikrotalasi Raste od nekoliko centimetara do 33 cm.

S obzirom na njihov položaj u spektru, između 100 000 i 400 000 nm, oni se koriste za prijenos podataka o frekvencijama koje ne ometaju radio valovi. Iz tog razloga primjenjuju se u radarskoj tehnologiji, mobitelima, kuhinjskim pećnicama i računalnim rješenjima.

Njegova oscilacija je proizvod uređaja poznatog kao magnetron, koji je svojevrsna rezonantna šupljina koja na krajevima ima 2 magneta na disku. Elektromagnetsko polje nastaje ubrzavanjem elektrona iz katode.

Infracrvene zrake

Te toplotne valove emitiraju toplinska tijela, neke vrste lasera i diode koje emitiraju svjetlost. Iako se imaju tendenciju preklapanja s radio valovima i mikrovalnim pećnicama, njihov je raspon između 0,7 i 100 mikrometara.

Entiteti najčešće proizvode toplinu koja se može otkriti noćnim naočarima i kožom. Često se koriste za daljinsko upravljanje i posebne komunikacijske sustave.

Vidljivo svjetlo

U referentnoj podjeli spektra nalazimo vidljivo svjetlo koje ima valnu duljinu između 0,4 i 0,8 mikrometara. Ono što razlikujemo su boje duge, gdje je najniža frekvencija karakterizirana crvenom, a najviša ljubičasta.

Vrijednosti njegove duljine mjere se u nanometarima i Angstromu, predstavlja vrlo mali dio cijelog spektra i taj raspon uključuje najveću količinu zračenja sunca i zvijezda. Uz to je produkt ubrzanja elektrona u energetskim tranzitima.

Naša percepcija stvari temelji se na vidljivom zračenju koje pada na objekt, a zatim na oči. Mozak tada interpretira frekvencije koje daju boju i detalje prisutne u stvarima.

Ultraljubičaste zrake

Te se raspele nalaze u rasponu od 4 do 400 nm, generiraju ih sunce i drugi procesi koji emitiraju velike količine topline. Dugotrajno izlaganje tim kratkim valovima može izazvati opekline i određene vrste raka u živim bićima.

Budući da su produkti skokova elektrona u pobuđenim molekulama i atomima, njihova energija sudjeluje u kemijskim reakcijama i oni se koriste u medicini za sterilizaciju. Odgovorni su za ionosferu jer ozonski omotač sprječava štetne učinke na zemlji.

Rendgenski zraci

Ovo imenovanje je zbog činjenice da su nevidljivi elektromagnetski valovi sposobni proći kroz neprozirna tijela i stvarati fotografske otiske. Smješteni između 10 i 0,01 nm (30 do 30 000 PHz), oni su rezultat skoka elektrona s orbite u teškim atomima.

Ove zrake mogu emitirati sunčeva korona, pulsari, supernove i crne rupe zbog velike količine energije. Njihova produljena izloženost uzrokuje rak i oni se koriste u medicini kako bi dobili slike koštanih struktura.

Gama zrake

Smješteni na krajnjoj lijevoj strani spektra, to su valovi koji imaju najveću frekvenciju i obično se javljaju u crnim rupama, supernovama, pulsarima i neutronskim zvijezdama. Također mogu biti posljedica fisije, nuklearnih eksplozija i munje.

Budući da nastaju procesima stabilizacije u atomskom jezgru nakon radioaktivne emisije, oni su letalni. Njihova valna duljina je subatomska, omogućujući im prolazak kroz atome. Još uvijek su apsorbirani od Zemljine atmosfere.

Primjene različitih elektromagnetskih valova

Elektromagnetski valovi imaju ista svojstva refleksije i refleksije kao i mehanički valovi. Uz energiju koju šire, mogu i nositi informacije.

Zbog toga su različite vrste elektromagnetskih valova primijenjene na velik broj različitih zadataka. Ovdje ćemo vidjeti neke od najčešćih.

Elektromagnetski spektar i neke od njegovih primjena. Izvor: Tatoute i Phrood

Radio valovi

Ubrzo nakon što su otkriveni, Guglielmo Marconi dokazao je da bi oni mogli biti izvrsno komunikacijsko sredstvo. Otkako je Hertz otkrio, bežična komunikacija s radio frekvencijama kao što su AM i FM radio, televizija, mobiteli i još mnogo toga, postala je sve raširenija širom svijeta.

Mikrovalna pećnica

Mogu se koristiti za zagrijavanje hrane, jer voda je dipolna molekula koja je sposobna reagirati na oscilirajuća električna polja. Hrana sadrži molekule vode, koje kada su izložene tim poljima, počinju oscilirati i sudarati se jedna s drugom. Rezultirajući učinak je zagrijavanje.

Također se mogu koristiti u telekomunikacijama zbog svoje sposobnosti putovanja u atmosferi s manje smetnji od ostalih valova veće valne duljine.

Infracrveni valovi

Najkarakterističnija primjena infracrvenih uređaja su uređaji za noćno gledanje. Također se koriste u komunikaciji između uređaja i u spektroskopskim tehnikama za proučavanje zvijezda, međuzvjezdanih plinskih oblaka i egzoplaneta.

Također mogu stvoriti karte tjelesne temperature koje se koriste za prepoznavanje nekih vrsta tumora čija je temperatura viša od temperature okolnih tkiva.

Vidljivo svjetlo

Vidljiva svjetlost čini veliki dio spektra koji emitira Sunce na koji mrežnica reagira.

Ultraljubičaste zrake

Ultraljubičaste zrake imaju dovoljno energije za značajnu interakciju s materijom, tako da kontinuirano izlaganje ovom zračenju uzrokuje prerano starenje i povećava rizik od razvoja raka kože.

X-zrake i gama zrake

X-zrake i gama zrake imaju još više energije i stoga su sposobni prodrijeti u meka tkiva, pa su se, gotovo od trenutka otkrića, koristili za dijagnosticiranje prijeloma i ispitivanje unutrašnjosti tijela u potrazi za bolestima., X-zrake i gama zrake koriste se ne samo kao dijagnostički alat, već i kao terapeutski alat za uništavanje tumora.

Reference

1. Giancoli, D. (2006). Fizika: Načela s primjenama. Šesto izdanje. Dvorana Prentice. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Osnove fizike. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14. izdanje. Pearson. 1053-1057.