Elektromagnetische golven Maxwell's theorie, typen, kenmerken

De elektromagnetische golven Het zijn transversale golven die overeenkomen met velden veroorzaakt door versnelde elektrische ladingen. De negentiende eeuw was de eeuw van grote vooruitgang in elektriciteit en magnetisme, maar tot de eerste helft ervan wisten wetenschappers nog steeds de relatie tussen beide fenomenen niet, geloofden ze dat ze onafhankelijk van elkaar zijn.

Het was de Schotse fysicus James Clerk Maxwell (1831-1879) die de wereld liet zien dat elektriciteit en magnetisme niets anders waren dan de twee zijden van dezelfde valuta. Beide fenomenen zijn nauw verwant.

Een storm. Bron: Pixabay.

[TOC]

Maxwell -theorie

Maxwell verenigde de theorie van elektriciteit en magnetisme in 4 elegante en beknopte vergelijkingen, waarvan de voorspellingen al snel werden bevestigd:

Welk bewijs heeft Maxwell zich voorbereid op zijn elektromagnetische theorie?

Het was al een feit dat elektrische stromen (bewegende belastingen) magnetische velden produceren, en op zijn beurt een variabel magnetisch veld ontstaat elektrische stromen in geleidende circuits, wat zou impliceren dat een variabel magnetisch veld elektrisch veld induceert.

Zou het omgekeerde fenomeen mogelijk kunnen zijn? Zou variabele elektrische velden op hun beurt magnetische velden kunnen ontstaan?

Maxwell, een discipel van Michael Faraday, was overtuigd van het bestaan ​​van symmetrieën in de natuur. Beide fenomenen, elektrisch en magnetisch, moesten zich ook aan deze principes houden.

Volgens deze onderzoeker zouden de oscillerende velden verstoringen genereren op dezelfde manier als een steen die in een vijver wordt gegooid golven genereert. Deze verstoringen zijn niets anders dan oscillerende elektrische en magnetische velden, die Maxwell precies elektromagnetische golven noemde.

Maxwell -voorspellingen

De vergelijkingen van Maxwell voorspelden het bestaan ​​van elektromagnetische golven met propagatiesnelheid gelijk aan de snelheid van het licht. De voorspelling werd kort daarna bevestigd door de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz (1857 - 1894), die erin slaagde deze golven in zijn laboratorium te genereren via een LC -circuit. Dit gebeurde kort na de dood van Maxwell.

Om het succes van de theorie te controleren, moest Hertz een detectorapparaat bouwen dat hem toestond.

De werken van Maxwell waren door de wetenschappelijke gemeenschap van die tijd met scepsis ontvangen. Misschien was het gedeeltelijk te wijten aan het feit dat Maxwell een briljante wiskundige was en zijn theorie had gepresenteerd met alle formaliteit van de zaak, die velen niet begrepen.

Het experiment van Hertz was echter briljant en overtuigend. Zijn resultaten werden goed ontvangen en twijfels over de waarheidsgetrouwheid van de voorspellingen van Maxwell waren duidelijk.

De verplaatsingsstroom

De verplaatsingsstroom is het creëren van Maxwell, voortkomend uit een diepe analyse van de ampere wet, die dat vaststelt:

 Waar:Maxwell analyseerde het geval van het laden van een condensor: zoals deze wordt geladen, de oppervlakte waarvan de contour C is, omvat de stroom i_C Wat door de geleidende draad gaat, zoals te zien is in de onderstaande figuur:

Een batterij laadt een condensor. Oppervlakken (continue lijn) en s 'en de contour c om de ampere wet toe te passen worden getoond. Bron: Modified Pixabay.

Daarom is de term aan de rechterkant in de ampere wet, waarbij de huidige betrokken is, niet nul en is niet het lid van links. Onmiddellijke conclusie: er is een magnetisch veld.

Is er een magnetisch veld in s '?

Er is echter geen stroom die het gebogen oppervlak skruist of kruist, dat dezelfde contour C heeft, omdat dit oppervlak een deel van wat er in de ruimte tussen de condensorplaten is, waarvan we kunnen aannemen dat het lucht of andere stof niet is - geleider.

In die regio is er geen geleidend materiaal waardoor er stroom stroomt. Er moet aan worden herinnerd dat het circuit moet worden gesloten dat het circuit moet worden gesloten om te circuleren. Wanneer de stroom nietig is, is de integraal van links in de ampere wet 0. Er is dan geen magnetisch veld, of ja?

Er is absoluut een tegenstelling. S 'wordt ook beperkt door curve c en het bestaan ​​van het magnetische veld moet niet afhangen van het oppervlak waartoe het beperkt.

Het kan u van dienst zijn: wat is de balans van het deeltje? (Met voorbeelden)

Maxwell loste de tegenstelling op door het concept van verplaatsing te introduceren Current I_D.

Verplaatsingsstroom

Terwijl de condensor laadt, is er een variabel elektrisch veld tussen de platen en circuleert stroom door de bestuurder. Wanneer de condensor wordt geladen, stopt de stroom in de bestuurder en wordt een constant elektrisch veld tussen de platen vastgesteld.

Vervolgens heeft Maxwell afgeleid dat, geassocieerd met het variabele elektrische veld, er een stroom zou moeten zijn die verplaatsingsstroom wordt genoemd_D, Een stroom die geen belastingbeweging inhoudt. Voor Surface S 'is geldig:

 Waar:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Elektrische stroom is geen vector, hoewel het magnitude en betekenis is. Het is meer geschikt om de velden te relateren aan een bedrag dat vector is: de huidige dichtheid J,wiens omvang het quotiënt is tussen de stroom en het gebied waardoor het voorbij is. De huidige dichtheidseenheden in het internationale systeem zijn versterkers/m².

In termen van deze vector is de dichtheid van de verplaatsingsstroom:

De verplaatsingsstroom i_D Het is te wijten aan de verandering in de tijd van de elektrische veldstroom tussen de condensorplaten terwijl deze wordt geladen. Zodra het is geladen, is de variatie van de elektrische stroom nul en verdwijnt de verplaatsingsstroom.

Op deze manier, wanneer de ampere wet wordt toegepast op de contour C en de oppervlakte wordt gebruikt, i, i_C Het is de stroom die het kruist. In plaats daarvan ik_C Het gaat niet door S ', maar ik_D zo ja.

Oefening opgelost

1-een cirkelvormige parallelle platte plaatcondensor wordt geladen. De straal van de platen is 4 cm en in een oogwenk gezien de rijstroom I_C = 0.520 a. Er is lucht tussen de platen. Vinden:

a) de verplaatsingsstroomdichtheid j_D In de ruimte tussen de platen.

b) de snelheid waarmee het elektrische veld tussen de platen verandert.

c) Het geïnduceerde magnetische veld tussen de platen op een afstand van 2 cm van de axiale as.

d) Hetzelfde probleem als in c) maar op een afstand van 1 cm van de axiale as.

Oplossing

Sectie A

Voor de omvang van de huidige dichtheid j_D Het gebied van de platen is nodig:

Plaatgebied: a = πr² = π . (4 x 10^-2 M)² = 0.00503 m².

Het elektrische veld is uniform tussen de platen, ook de stroomdichtheid, omdat ze evenredig zijn. Bovendien ik_C = I_D Voor continuïteit, dan:

Huidige J -dichtheid_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Sectie B

De wisselkoers van het elektrische veld is (van/dt). Een vergelijking is nodig om het te vinden, gebaseerd op de eerste principes: de huidige definitie, de definitie van capaciteit en de capaciteit voor een plaque -condensator.

- Per definitie is de stroom de afgeleide van de belasting ten opzichte van tijd I_C = DQ/DT

- De capaciteit van de condensator is C = Q/V, waarbij Q de belasting is en V het potentiaalverschil is.

- Van zijn kant is de capaciteit van de parallelle platte plaque -condensator: C = ε_ofAdvertentie.

Lowercases worden gebruikt om de stromen en spanningen aan te geven die in de loop van de tijd variëren. Bij het combineren van de tweede en derde vergelijking blijft de belasting:

Q = C.V = (ε_ofADVERTENTIE).v = ε_ofA (v/d) = ε_ofAE

Hier ε_of Het is de toelage van het vacuüm waarvan de waarde 8 is.85 x 10^-12 C²/N.M². Daarom wordt bij het nemen van dit resultaat naar de eerste vergelijking een uitdrukking verkregen die de wisselkoers van het elektrische veld bevat:

Je_C = dq/dt = d (ε_ofAe)/dt = ε_ofA (van/dt)

Opruimen van/dt is:

(van/dt) = i_C/ (ε_ofA) = j_D/ε_of

Waarden vervangen:

van/dt = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.M² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Het resultaat is ongeveer 1 gevolgd door 13 nullen. Het elektrische veld varieert absoluut snel.

Sectie C

Om de grootte van het magnetische veld te vinden, is het noodzakelijk om de ampere wet toe te passen en een cirkelvormig radiopad te kiezen R Binnen de platen en concentrisch voor hen, wiens straal r is:

Kan je dienen: Venus (planeet)

Aan de andere kant zijn in de integraal de vectoren B en DL parallel, zodat het scalaire product eenvoudig is BDL, waar DL Het is een verschil onderweg op C. Veld B is constant alle C en is buiten de integraal:

Gelijk aan beide resultaten:

Clearing B Je hebt:

Evalueren voor r = 2 cm = 0.02 m:

Sectie D

Evaluatie van de vergelijking verkregen in de vorige paragraaf, voor r = 1 cm = 0.01 m:

Kenmerken van elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven zijn transversale golven waarbij elektrische en magnetische velden loodrecht op elkaar staan ​​in de richting van golfvoortplanting.

Elektromagnetische golven bestaan ​​uit loodrechte elektrische en magnetische velden. Bron: Pixabay.

Vervolgens zullen we de meest opvallende kenmerken zien.

Propagatiesnelheid

De voortplantingssnelheid van elektromagnetische golven in een vacuüm is C ≈3,00 x10⁸ m/s, ongeacht welke waarden de golflengte en frequentie hebben.

Media waar ze zich verspreiden

Elektromagnetische golven verspreiden zich zowel in een vacuüm als in sommige materiaalmedium, in tegenstelling tot mechanische golven die een medium vereisen.

Verhouding tussen snelheid, golflengte en frequentie

De relatie tussen snelheid C, De golflengte λ en frequentie F van elektromagnetische golven in vacuüm is C = λ.F.

Relatie tussen elektrisch en magnetisch veld

De magnitudes van de elektrische en magnetische velden zijn door elkaar gerelateerd E = CB.

Snelheid in een bepaald medium

In een bepaalde omgeving is het mogelijk om aan te tonen dat de snelheid van elektromagnetische golven door de uitdrukking wordt gegeven:

Waarin ε en μ de respectieve toelage en permeabiliteit van de omgeving in kwestie zijn.

Hoeveelheid beweging

Een elektromagnetische straling met energie OF Heeft een hoeveelheid beweging gekoppeld P wiens omvang is: P = OF/C.

Soorten elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven hebben een zeer breed scala aan golflengten en frequenties. Ze zijn gegroepeerd in wat bekend staat als het elektromagnetische spectrum, dat is verdeeld in regio's, die hieronder worden benoemd, beginnend met de hoogste golflengten:

Radio golven

Gelegen aan het einde van de hoogste golflengte en lagere frequentie, variëren ze van een paar tot één miljard hertz. Zij zijn degenen die worden gebruikt om een ​​signaal te verzenden met verschillende soorten informatie en worden vastgelegd door de antennes. Televisie, radio, mobiele telefoons, planeten, sterren en andere hemellichamen die ze uitzenden en kunnen worden gevangen.

Magnetron

Gelegen in de ultrahoge frequenties (UHF), superhoog (SHF) en extreem hoog (EHF), variëren tussen 1 GHz en 300 GHz. In tegenstelling tot de vorige die tot een mijl (1,6 km) kunnen meten, variëren de magnetrons van een paar centimeter tot 33 cm.

Gezien de spectrumpositie, tussen 100.000 en 400.000 nm, worden gebruikt om gegevens te verzenden over frequenties die niet worden verstoord door radiogolven. Om deze reden worden ze toegepast in radartechnologie, mobiele telefoons, keukenovens en computeroplossingen.

De oscillatie is het product van een apparaat dat bekend staat als Magnetron, dat een soort resonerende holte is die 2 schijfmagneten aan de uiteinden heeft. Het elektromagnetische veld wordt gegenereerd door de versnelling van kathode -elektronen.

Infraroodstralen

Deze warmtegolven worden uitgestoten door thermische lichamen, sommige soorten laser en diodes die licht uitzenden. Hoewel ze meestal overlappen met radiogolven en magnetron, ligt hun bereik tussen 0,7 en 100 micrometer.

Entiteiten produceren het meest warmte die kan worden gedetecteerd door nachtkijkers en huid. Ze worden vaak gebruikt voor afstandsbedieningen en speciale communicatiesystemen.

Zichtbaar licht

In de referentiële verdeling van het spectrum vinden we het waarneembare licht, dat een golflengte heeft tussen 0,4 en 0,8 micrometer. Wat we onderscheiden zijn de kleuren van de regenboog, waar de laagste frequentie wordt gekenmerkt door de rode kleur en de hoogste door het violet.

De lengtewaarden worden gemeten in nanometers en angstrom, vertegenwoordigt een zeer klein deel van het gehele spectrum en dit bereik omvat de grootste hoeveelheid straling die door de zon en de sterren wordt uitgezonden. Bovendien is het het product van de versnelling van elektronen in energievervoer.

Het kan u van dienst zijn: gemiddelde versnelling: hoe het wordt berekend en opgelost

Onze perceptie van dingen is gebaseerd op een zichtbare straling die een object beïnvloedt en vervolgens op de ogen. Dan interpreteert de hersenen de frequenties die aanleiding geven tot de kleur en details die in dingen aanwezig zijn.

UV straling

Deze golvingen worden gevonden in het interval van 4 en 400 nm, worden gegenereerd door de zon en andere processen die grote hoeveelheden warmte uitzenden. Langdurige blootstelling aan deze korte golven kan brandwonden veroorzaken en bepaalde soorten kanker in levende wezens.

Omdat ze het product zijn van elektronensprongen in geëxciteerde moleculen en atomen, komt hun energie tussenbeide in chemische reacties en worden ze in de geneeskunde gebruikt om te steriliseren. Ze zijn verantwoordelijk voor de ionosfeer omdat de ozonlaag zijn schadelijke effecten op aarde vermijdt.

röntgenstralen

Deze aanduiding is omdat ze onzichtbare elektromagnetische golven zijn die ondoorzichtige lichamen kunnen oversteken en fotografische indrukken kunnen produceren. Gelegen tussen 10 en 0,01 nm (30 tot 30.000 pHz), zijn het resultaat van elektronen die uit banen springen in zware atomen.

Deze stralen kunnen worden uitgestoten door de kroon van de zon, pulsares, supernova's en zwarte gaten vanwege de grote hoeveelheid energie. De langdurige blootstelling veroorzaakt kanker en wordt op het gebied van geneeskunde gebruikt om beelden van botstructuren te verkrijgen.

Gamma stralen

Gelegen aan de linkerkant van het spectrum, zijn ze de meest frequentiegolven en komen meestal voor in zwarte gaten, supernovae, pulsares en neutronensterren. Ze kunnen ook een gevolg zijn van splijting, nucleaire explosies en bliksem.

Omdat ze worden gegenereerd door stabilisatieprocessen in de atomaire kern na radioactieve emissies, zijn ze dodelijk. De golflengte is subatomair, waardoor ze atomen kunnen oversteken. Toch worden ze geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde.

Toepassingen van de verschillende elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven hebben dezelfde eigenschappen in termen van reflectie en reflectie als mechanische golven. En naast de energie die ze zich verspreiden, kunnen ze ook informatie dragen.

Daarom zijn de verschillende soorten elektromagnetische golven toegepast op een groot aantal verschillende taken. Vervolgens zullen we enkele van de meest voorkomende zien.

Elektromagnetisch spectrum en sommige van zijn toepassingen. Bron: Tatoute en Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0/]]

Radio golven

Kort nadat hij was ontdekt, toonde Guglielmo Marconi aan dat ze een uitstekende communicatie -tool konden zijn. Sinds de ontdekking door Hertz, draadloze communicatie met radiofrequenties zoals AM en FM -radio, televisie, mobiele telefoons en nog veel meer, hebben ze zich meer en meer over de hele wereld uitgebreid.

Magnetron

Ze kunnen worden gebruikt om voedsel te verwarmen, omdat water een dipoolmolecuul is dat in staat is te reageren op oscillerende elektrische velden. Voedingsmiddelen bevatten watermoleculen, die bij blootstelling aan deze velden beginnen te oscilleren en met elkaar botsen. Het resulterende effect is verwarmen.

Ze kunnen ook worden gebruikt in telecommunicatie, vanwege hun vermogen om in de atmosfeer te bewegen met minder interferentie dan andere golvengolven.

Infraroodgolven

De meest karakteristieke toepassing van infrarood zijn nachtzichtapparaten. Ze worden ook gebruikt in communicatie tussen apparaten en spectroscopische technieken voor de studie van sterren, interstellaire gaswolken en exoplanetten.

Met hen kunt u ook kaarten voor lichaamstemperatuur maken, die dienen om sommige soorten tumoren te identificeren waarvan de temperatuur groter is dan die van de omliggende weefsels.

Zichtbaar licht

Het zichtbare licht vormt een groot deel van het spectrum dat door de zon wordt uitgezonden, waarop het netvlies reageert.

UV straling

Ultraviolette stralen hebben voldoende energie om aanzienlijk te interageren met materie, dus continue blootstelling aan deze straling veroorzaakt vroegtijdig veroudering en verhoogt het risico op het ontwikkelen van huidkanker.

X -reeks en gammastralen

X -reeks en gammastralen hebben nog meer energie en daarom zijn ze in staat om zachte weefsels door te dringen, vandaar dat ze bijna vanaf het moment van hun ontdekking zijn gebruikt om fracturen te diagnosticeren en het interieur van het lichaam te onderzoeken bij het zoeken naar ziekte.

X -reeks en gammastralen worden niet alleen gebruikt als een diagnostisch hulpmiddel, maar als een therapeutisch hulpmiddel voor tumorvernietiging.

Referenties

1. Giancoli, D.  (2006). Fysica: principes met toepassingen. Zesde editie. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Fundamentals of Physics. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14e editie. Pearson. 1053 - 1057.