ELEKTROMAGNETISK ENERGI: FORMEL, LIGNINGER, ANVENDELSER, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den elektromagnetiske energi er en, der spreder sig via elektromagnetiske bølger (EM). Eksempler på dette er sollyset, der udstråler varme, strømmen, der udvindes fra stikkontakten og strøm fra røntgenstråler til frembringelse af røntgenstråler.

Ligesom lydbølger, når de vibrerer trommehinden, er elektromagnetiske bølger i stand til at overføre energi, der senere kan omdannes til varme, elektriske strømme eller forskellige signaler.

Figur 1. Antenner er nødvendige i telekommunikation. De signaler, de arbejder med, har elektromagnetisk energi. Kilde: Pixabay.

Elektromagnetisk energi forplantes både i et materielt medium og i et vakuum, altid i form af en tværgående bølge, og at gøre brug af den er ikke noget nyt. Sollys er den primære kilde til elektromagnetisk energi og den ældste kendte, men brugen af ​​elektricitet er noget nyere.

Det var først i 1891, at Edison Company startede den første elektriske installation i Det Hvide Hus i Washington DC. Og det som et supplement til de gasbaserede lys, der blev brugt på det tidspunkt, fordi der til at begynde med var meget skepsis til brugen af ​​dem.

Sandheden er, at selv på de fjerneste steder og manglende strømledninger fortsætter den elektromagnetiske energi, der konstant ankommer fra rummet, ved at bevare dynamikken i det, vi kalder vores hjem i universet.

Formel og ligninger

Elektromagnetiske bølger er tværgående bølger, hvor det elektriske felt E og magnetfeltet B er vinkelret på hinanden, og bølgens udbredelsesretning er vinkelret på felterne.

Alle bølger er kendetegnet ved deres frekvens. Det er den brede række frekvenser af EM-bølger, der giver dem alsidighed, når de transformerer deres energi, der er proportional med frekvensen.

Figur 2 viser en elektromagnetisk bølge, i det det elektriske felt E i blåt oscillerer i zy-planet, magnetfeltet B i rødt gør det i xy-planet, mens bølgens hastighed er rettet langs aksen + y i henhold til det viste koordinatsystem.

Figur 2. En elektromagnetisk bølgefall på en overflade leverer energi i henhold til Poynting-vektoren. Kilde: F. Zapata.

Hvis en overflade er anbragt i banen for begge bølger, siger et plan med område A og tykkelse dy, således at det er vinkelret på bølgens hastighed, beskrives fluxen af ​​elektromagnetisk energi pr. Enhedsareal, betegnet S, gennem fra Poynting-vektoren:

Det er let at kontrollere, at enhederne til S er Watt / m ² i det internationale system.

Der er stadig mere. Størrelserne på E- og B- felterne er forbundet med hinanden ved lysets hastighed c. Faktisk forplantes elektromagnetiske bølger i et vakuum så hurtigt. Dette forhold er:

Ved at udskifte denne relation i S opnår vi:

Poynting-vektoren varierer med tiden på en sinusformet måde, så ovennævnte udtryk er dens maksimale værdi, fordi energien, der leveres af den elektromagnetiske bølge, oscillerer også, ligesom felterne gør. Selvfølgelig er svingningsfrekvensen meget stor, så det er ikke muligt at registrere det i synligt lys, f.eks.

Applikationer

Blandt de mange anvendelser, som vi allerede har nævnt til elektromagnetisk energi, nævnes her to, der bruges kontinuerligt i adskillige applikationer:

Dipolantenne

Antenner fylder overalt plads med elektromagnetiske bølger. Der er transmittere, der for eksempel transformerer elektriske signaler til radiobølger eller mikrobølgeovn. Og der er modtagere, der udfører det modsatte arbejde: De samler bølgerne og konverterer dem til elektriske signaler.

Lad os se, hvordan man opretter et elektromagnetisk signal, der forplantes i rummet, fra en elektrisk dipol. Dipolen består af to elektriske ladninger med samme størrelse og modsatte tegn adskilt med en lille afstand.

I den følgende figur er det elektriske felt E, når ladningen + er over (venstre figur). E peger ned på det viste punkt.

Figur 3. Elektrisk felt af en dipol i to forskellige positioner. Kilde: Randall Knight. Fysik for forskere og ingeniører.

I figur 3 til højre ændrede dipolen position, og nu peger E op. Lad os gentage denne ændring mange gange og meget hurtigt, siger med en frekvens f. På denne måde oprettes en felt E- variabel i tid, der giver anledning til et magnetisk felt B, også variabelt, og hvis form er sinusformet (se figur 4 og eksempel 1 nedenfor).

Og da Faradays lov sikrer, at et tidsvarierende magnetfelt B giver anledning til et elektrisk felt, viser det sig, at man ved at svinge dipolen allerede har et elektromagnetisk felt, der er i stand til at udbrede sig i mediet.

Figur 4. En dipolantenne genererer et signal, der bærer elektromagnetisk energi. Kilde: F. Zapata.

Bemærk, at B skifter ind eller ud af skærmen skiftevis (altid vinkelret på E).

Elektrisk feltenergi: kondensatoren

Kondensatorer har dyden ved at opbevare elektrisk ladning og derfor elektrisk energi. De er en del af mange enheder: motorer, radio- og tv-kredsløb, bilbelysningssystemer og meget mere.

Kondensatorer består af to ledere adskilt med en lille afstand. Hver enkelt får en ladning med samme størrelse og modsat tegn, hvilket skaber et elektrisk felt i rummet mellem begge ledere. Geometrien kan variere, idet den er en velkendt den for den flad-parallelle pladekondensator.

Energien, der er lagret i en kondensator, stammer fra det arbejde, der blev gjort for at oplade den, som tjente til at skabe det elektriske felt inde i det. Ved at indføre et dielektrisk materiale mellem pladerne øges kondensatorens kapacitet og derfor den energi, den kan lagre.

En kondensator med kapacitet C og oprindeligt afladet, som oplades af et batteri, der leverer en spænding V, indtil den når en ladning Q, lagrer en energi U, der er givet af:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Figur 5. En flad parallel pladekondensator gemmer elektromagnetisk energi. Kilde: Wikimedia Commons. Geek3.

eksempler

Eksempel 1: Intensitet af en elektromagnetisk bølge

Tidligere blev det sagt, at størrelsen af ​​Poynting-vektoren er ækvivalent med den effekt, som bølgen leverer for hver kvadratmeter overflade, og at også, da vektoren er tidsafhængig, svinges dens værdi op til et maksimum af S = S = (1 / μ _eller.c) E ².

Den gennemsnitlige værdi af S i en bølgecyklus er let at måle og indikerer bølgenes energi. Denne værdi kaldes bølgeintensitet og beregnes på denne måde:

En elektromagnetisk bølge er repræsenteret af en sinusfunktion:

Hvor E _o er bølgens amplitude, k bølgetallet og ω vinkelfrekvensen. Så:

Figur 5. Antennen udstråler signalet i en sfærisk form. Kilde: F. Zapata.

Eksempel 2: Anvendelse til en senderantenne

Der er en radiostation, der sender et signal på 10 kW strøm og en frekvens på 100 MHz, som spreder sig på en sfærisk måde, som i figuren ovenfor.

Find: a) amplituden af ​​de elektriske og magnetiske felter på et punkt, der er placeret 1 km fra antennen og b) den samlede elektromagnetiske energi, der falder på et kvadratisk ark på siden 10 cm i en periode på 5 minutter.

Dataene er:

Løsning på

Ligningen givet i eksempel 1 bruges til at finde intensiteten af ​​den elektromagnetiske bølge, men først skal værdierne udtrykkes i det internationale system:

Disse værdier erstattes straks i ligningen med intensiteten, da det er en kilde, der udsender den samme overalt (isotropisk kilde):

Tidligere blev det sagt, at størrelserne på E og B var relateret til lysets hastighed:

B = (0,775 / 300.000.000) T = 2,58 x ^10-9 T

Løsning b

S _betyder strøm pr. Enhedsareal og til gengæld er energi per enheds tid. Ved at multiplicere _{middelværdien} med pladens område og med eksponeringstiden opnås det ønskede resultat:

U = 0,775 x 300 x 0,01 Joules = 2,325 Joules.

Referencer

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Bind 6. Elektromagnetisme. Redigeret af Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Det Internationale Udvalg for Elektromagnetisk Sikkerhed). Fakta om elektromagnetisk energi og en kvalitativ oversigt. Hentet fra: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson. 893-896.
4. Portland State University. EM-bølger transporterer energi. Hentet fra: pdx.edu
5. Hvad er elektromagnetisk energi, og hvorfor er det vigtigt? Gendannes fra: sciencestruck.com.