ELEKTROMAGNETISKE BØLGER: MAXWELLS TEORI, TYPER, EGENSKABER - FYSISK - 2025

De elektromagnetiske bølger er tværgående bølger, der svarer til felter forårsaget af accelererede elektriske ladninger. Det 19. århundrede var århundrede med store fremskridt inden for elektricitet og magnetisme, men indtil første halvdel af det var videnskabsmænd stadig uvidende om forholdet mellem de to fænomener og troede dem uafhængige af hinanden.

Det var den skotske fysiker James Clerk Maxwell (1831-1879), der beviste for verden, at elektricitet og magnetisme kun var to sider af den samme mønt. Begge fænomener er tæt beslægtede.

En tordenvejr. Kilde: Pixabay.

Maxwell teori

Maxwell forenede teorien om elektricitet og magnetisme i 4 elegante og kortfattede ligninger, hvis forudsigelser snart blev bekræftet:

Hvilke beviser havde Maxwell for at udvikle sin elektromagnetiske teori?

Det var allerede et faktum, at elektriske strømme (bevægelige ladninger) producerer magnetiske felter, og til gengæld opretter et variabelt magnetfelt elektriske strømme i ledende kredsløb, hvilket ville betyde, at et variabelt magnetfelt inducerer et elektrisk felt.

Kunne det omvendte fænomen være muligt? Ville variable elektriske felter være i stand til at generere magnetiske felter efter tur?

Maxwell, en discipel af Michael Faraday, var overbevist om eksistensen af ​​symmetrier i naturen. Både elektriske og magnetiske fænomener måtte også overholde disse principper.

Ifølge denne forsker ville svingende felter generere forstyrrelser på samme måde som en sten, der kastes i en dam, genererer bølger. Disse forstyrrelser er ikke andet end oscillerende elektriske og magnetiske felter, som Maxwell netop kaldte elektromagnetiske bølger.

Maxwell forudsigelser

Maxwells ligninger forudsagede eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger med forplantningshastighed lig med lysets hastighed. Forudsigelsen blev bekræftet kort efter af den tyske fysiker Heinrich Hertz (1857 - 1894), der formåede at generere disse bølger i sit laboratorium ved hjælp af et LC-kredsløb. Dette skete kort efter Maxwells død.

For at verificere teoriens rigtighed var Hertz nødt til at bygge en detektorenhed, der gjorde det muligt for ham at finde bølgelængden og frekvensen, data, hvorfra han kunne beregne hastigheden for elektromagnetiske radiobølger, der faldt sammen med lysets hastighed..

Maxwells arbejde var blevet modtaget med skepsis fra det videnskabelige samfund på det tidspunkt. Måske var det delvist fordi Maxwell var en strålende matematiker og havde præsenteret sin teori med al formaliteten af ​​sagen, som mange ikke kunne forstå.

Hertz's eksperiment var imidlertid strålende og overbevisende. Deres resultater blev godt modtaget, og tvivl om ægtheden af ​​Maxwells forudsigelser blev fjernet.

Forskydningsstrøm

Fortrængningsstrømmen er oprettelsen af ​​Maxwell, der stammer fra en dyb analyse af Amperes lov, der siger, at:

Et batteri oplader en kondensator. Overfladerne S (hellinie) og S 'og konturen C viser sig at anvende Ampere's lov. Kilde: ændret fra Pixabay.

Derfor er udtrykket til højre i Ampere's lov, der involverer strømmen, ikke ugyldigt, og heller ikke medlemmet til venstre. Øjeblikkelig konklusion: der er et magnetfelt.

Er der et magnetfelt ved S '?

Der er imidlertid ingen strøm, der krydser eller krydser den buede overflade S ', som har den samme kontur C, da denne overflade omfatter en del af det, der er i rummet mellem kondensatorens plader, som vi kan antage er luft eller et andet stof ikke-ledende.

I dette område er der ikke noget ledende materiale, gennem hvilket nogen strøm strømmer. Det skal huskes, at for en strøm, der skal strømme, skal kredsløbet være lukket. Da strømmen er nul, er integralet til venstre i Ampere-loven 0. Der er ikke noget magnetfelt, er der?

Der er bestemt en modsigelse. S 'er også begrænset af kurve C, og eksistensen af ​​magnetfeltet må ikke afhænge af den overflade, som C begrænser til.

Maxwell løst modsætningen ved at indføre begrebet forskydning strømmen i _D.

Forskydningsstrøm

Mens kondensatoren oplades, findes der et variabelt elektrisk felt mellem pladerne, og strømmen strømmer gennem lederen. Når kondensatoren oplades, ophører strømmen i lederen, og der konstateres et konstant elektrisk felt mellem pladerne.

Derefter udledte Maxwell, at der i forbindelse med det variable elektriske felt skal være en strøm, som han kaldte en forskydningsstrøm i _D, en strøm, der ikke involverer ladningsbevægelse. For overfladen S 'er det gyldigt:

Elektrisk strøm er ikke en vektor, selvom den har størrelse og betydning. Det er mere hensigtsmæssigt at relatere felterne til en mængde, der er vektor: strømtætheden J, hvis størrelse er kvotienten mellem strømmen og det område, gennem hvilken den passerer. Enhederne med strømtæthed i det internationale system er ampere / m ².

Med hensyn til denne vektor er forskydningsstrømtætheden:

På denne måde, når Ampere's lov anvendes på konturen C og overfladen S bruges, er i _C strømmen igennem den. På den anden side, i _C ikke passerer gennem S', men jeg _D gør.

Træning løst

Hastighed i et givet medium

I et givet medium er det muligt at vise, at hastigheden for elektromagnetiske bølger er givet ved udtrykket:

Hvor ε og μ er det pågældende medias respektive permittivitet og permeabilitet.

Bevægelsesmængde

En elektromagnetisk stråling med energi U har en tilknyttet momentum p, hvis størrelse er: p = U / c.

Typer af elektromagnetiske bølger

Elektromagnetiske bølger har en meget bred vifte af bølgelængder og frekvenser. De er samlet i det, der er kendt som det elektromagnetiske spektrum, der er blevet opdelt i regioner, der er navngivet nedenfor, startende med de længste bølgelængder:

Radiobølger

Placeret ved den højeste bølgelængde og den laveste frekvens ende varierer de fra nogle få til en milliard Hertz. Det er dem, der bruges til at transmittere et signal med information af forskellige slags og er fanget af antennerne. Fjernsyn, radio, mobiler, planeter, stjerner og andre himmellegemer udsender dem, og de kan fanges.

Mikrobølgeovn

Placeret i de ultrahøje (UHF), superhøje (SHF) og ekstremt høje (EHF) frekvenser, spænder de mellem 1 GHz og 300 GHz. I modsætning til de tidligere frekvenser, der kan måle sig op til 1,6 km, mikrobølger De spænder fra et par centimeter til 33 cm.

I betragtning af deres placering i spektret, mellem 100.000 og 400.000 nm, bruges de til at transmittere data om frekvenser, som ikke forstyrres af radiobølger. Af denne grund anvendes de i radarteknologi, mobiltelefoner, køkkenovne og computerløsninger.

Dens svingning er produktet af en enhed kendt som en magnetron, som er en slags resonanshulrum, der har 2 diskmagneter i enderne. Det elektromagnetiske felt genereres af accelerationen af ​​elektronerne fra katoden.

Infrarøde stråler

Disse varmebølger udsendes af termiske legemer, nogle typer lasere og lysemitterende dioder. Selvom de har en tendens til at overlappe hinanden med radiobølger og mikrobølger, er deres rækkevidde mellem 0,7 og 100 mikrometer.

Enhederne producerer ofte varme, der kan opdages ved natbriller og huden. De bruges ofte til fjernbetjeninger og specielle kommunikationssystemer.

Synligt lys

I referenceafdelingen af ​​spektret finder vi synligt lys, der har en bølgelængde mellem 0,4 og 0,8 mikrometer. Det, vi adskiller, er regnbuens farver, hvor den laveste frekvens er kendetegnet ved rød og den højeste af violet.

Dets længdeværdier måles i nanometer og Angstrom, det repræsenterer en meget lille del af hele spektret, og dette interval inkluderer den største mængde stråling, der udsendes af solen og stjernerne. Derudover er det produktet af accelerationen af ​​elektroner i energitransitter.

Vores opfattelse af ting er baseret på synlig stråling, der falder på et objekt og derefter på øjnene. Hjernen fortolker derefter de frekvenser, der giver anledning til farve og detaljer, der er til stede i tingene.

Ultraviolette stråler

Disse krusninger er i området 4 og 400 nm, de genereres af solen og andre processer, der udsender store mængder varme. Langvarig eksponering for disse korte bølger kan forårsage forbrændinger og visse typer kræft i levende ting.

Da de er produktet af elektronspring i ophidsede molekyler og atomer, er deres energi involveret i kemiske reaktioner, og de bruges i medicin til sterilisering. De er ansvarlige for ionosfæren, da ozonlaget forhindrer dets skadelige virkninger på jorden.

Røntgenstråler

Denne betegnelse skyldes det faktum, at det er usynlige elektromagnetiske bølger, der kan passere gennem uigennemsigtige kropper og fremstille fotografiske tryk. Beliggende mellem 10 og 0,01 nm (30 til 30.000 PHz) er de resultatet af elektroner, der hopper fra kredsløb i tunge atomer.

Disse stråler kan udsendes af solens korona, pulsarer, supernovaer og sorte huller på grund af deres store mængde energi. Deres langvarige eksponering forårsager kræft, og de bruges inden for det medicinske område til at få billeder af knoglestrukturer.

Gamma-stråler

Beliggende yderst til venstre for spektret er det bølgerne, der har den højeste frekvens og forekommer normalt i sorte huller, supernovaer, pulsarer og neutronstjerner. De kan også være et resultat af fission, atomeksplosioner og lyn.

Da de genereres af stabiliseringsprocesser i atomkernen efter radioaktive emissioner, er de dødbringende. Deres bølgelængde er subatomisk, så de kan passere gennem atomer. De absorberes stadig af jordens atmosfære.

Anvendelse af de forskellige elektromagnetiske bølger

Elektromagnetiske bølger har de samme reflektions- og reflektionsegenskaber som mekaniske bølger. Og sammen med den energi, de formerer, kan de også bære information.

På grund af dette er forskellige typer elektromagnetiske bølger blevet anvendt til et stort antal forskellige opgaver. Her vil vi se nogle af de mest almindelige.

Elektromagnetisk spektrum og nogle af dets applikationer. Kilde: Tatoute og Phrood

Radiobølger

Kort efter at de blev opdaget, beviste Guglielmo Marconi, at de kunne være et fremragende kommunikationsværktøj. Siden deres opdagelse af Hertz er trådløs kommunikation med radiofrekvenser som AM- og FM-radio, tv, mobiltelefoner og meget mere blevet mere og mere udbredt over hele verden.

Mikrobølgeovn

De kan bruges til at varme mad, fordi vand er et dipolmolekyle, der er i stand til at reagere på svingende elektriske felter. Fødevarer indeholder vandmolekyler, som når de udsættes for disse felter, begynder at svinge og kollidere med hinanden. Den resulterende effekt er opvarmning.

De kan også bruges i telekommunikation på grund af deres evne til at rejse i atmosfæren med mindre interferens end andre bølger med større bølgelængde.

Infrarøde bølger

Den mest karakteristiske anvendelse af infrarød er nattsynsenheder. De bruges også til kommunikation mellem enheder og i spektroskopiske teknikker til undersøgelse af stjerner, interstellare gasskyer og exoplaneter.

De kan også oprette kort over kropstemperaturer, der bruges til at identificere nogle typer af tumorer, hvis temperatur er højere end den omkringliggende væv.

Synligt lys

Synligt lys udgør en stor del af det spektrum, der udsendes af solen, som nethinden reagerer på.

Ultraviolette stråler

Ultraviolette stråler har nok energi til at interagere med stof betydeligt, så kontinuerlig eksponering for denne stråling forårsager for tidlig aldring og øger risikoen for at udvikle hudkræft.

Røntgenstråler og gammastråler

Røntgenstråler og gammastråler har endnu mere energi og er derfor i stand til at trænge ind i blødt væv, hvorfor de næsten fra det øjeblik, de blev fundet, blev brugt til at diagnosticere brud og undersøge det indre af kroppen på jagt efter sygdomme..

Røntgenstråler og gammastråler bruges ikke kun som et diagnostisk værktøj, men som et terapeutisk værktøj til ødelæggelse af tumorer.

Referencer

1. Giancoli, D. (2006). Fysik: Principper med applikationer. Sjette udgave. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fundamentals of Physics. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Universitetsfysik med moderne fysik. 14. udgave. Pearson. 1053-1057.