ELEKTROMAGNETNA ENERGIJA: FORMULA, ENAČBE, UPORABE, PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Elektromagnetna energija je tista, ki se širi preko elektromagnetnih valov (EM). Primeri za to so sončna svetloba, ki seva toploto, tok, ki se črpa iz električne vtičnice, in tok rentgenskih žarkov za proizvodnjo rentgenskih žarkov.

Tako kot zvočni valovi, ko vibrirajo ušesno mrežo, tudi elektromagnetni valovi lahko prenesejo energijo, ki jo lahko kasneje pretvorijo v toploto, električne tokove ali različne signale.

Slika 1. Antene so potrebne pri telekomunikacijah. Signali, s katerimi delajo, imajo elektromagnetno energijo. Vir: Pixabay.

Elektromagnetna energija se širi tako v materialnem mediju kot v vakuumu, vedno v obliki prečnega vala in uporaba le-te ni nekaj novega. Sončna svetloba je prvotni vir elektromagnetne energije in najstarejši znani, vendar je uporaba električne energije nekoliko novejša.

Šele leta 1891 je podjetje Edison v pogon postavilo prvo električno napeljavo v Beli hiši v Washingtonu. In to kot dopolnilo lučkam na plin, ki so jih takrat uporabljali, saj je bilo sprva veliko skepse do njihove uporabe.

Resnica je, da tudi v najbolj odročnih krajih in v manjkajočih daljnovodih elektromagnetna energija, ki nenehno prihaja iz vesolja, še naprej ohranja dinamiko tega, čemur v vesolju pravimo svoj dom.

Formula in enačbe

Elektromagnetni valovi so prečni valovi, v katerih sta električno polje E in magnetno polje B pravokotni drug na drugega, smer širjenja vala pa je pravokotna na polja.

Za vse valove je značilna njihova frekvenca. Širok razpon frekvenc EM valovanja jim daje vsestranskost pri pretvorbi njihove energije, ki je sorazmerna s frekvenco.

Slika 2 prikazuje elektromagnetno valovanje, v njem električno polje E v modri barvi niha v ravnini zy, magnetno polje B v rdeči barvi to počne v ravnini xy, medtem ko je hitrost vala usmerjena vzdolž osi + y, glede na prikazani koordinatni sistem.

Slika 2. Elektromagnetni val, ki se pojavi na površini, odda energijo glede na Poyntingov vektor. Vir: F. Zapata.

Če je površina vstavljen v sredino obeh valov, recimo ravnino območja A in debelino dy, tako, da je pravokotna na hitrost vala, tok elektromagnetne energije na enoto površine, označena S, ki je opisana s pomočjo iz Poyntingovega vektorja:

Lahko je preveriti, ali so enote S v W / m ² v mednarodnem sistemu.

Še več jih je. Veličine polj E in B so med seboj povezane s hitrostjo svetlobe c. Pravzaprav se elektromagnetni valovi v vakuumu tako hitro širijo. Ta odnos je:

Z zamenjavo tega razmerja v S dobimo:

Poyntingov vektor se spreminja s časom sinusno, zato je zgornji izraz njegova največja vrednost, saj energija, ki jo odda elektromagnetni val, tudi niha, kot tudi polja. Seveda je frekvenca nihanja zelo velika, zato je ni mogoče zaznati na primer v vidni svetlobi.

Prijave

Med številnimi uporabami, ki smo jih že omenili za elektromagnetno energijo, je tu dve, ki se uporabljata v številnih aplikacijah:

Dipolska antena

Antene povsod zapolnjujejo prostor z elektromagnetnimi valovi. Obstajajo oddajniki, ki na primer pretvorijo električne signale v radijske valove ali mikrovalovne pečice. Obstajajo sprejemniki, ki delajo obratno: zbirajo valove in jih pretvorijo v električne signale.

Poglejmo, kako iz električnega dipola ustvariti elektromagnetni signal, ki se širi v vesolju. Dipol je sestavljen iz dveh električnih nabojev enake velikosti in nasprotnih znakov, ločenih z majhno razdaljo.

Na naslednji sliki je električno polje E, ko je naboj + zgoraj (leva slika). E točke navzdol na prikazani točki.

Slika 3. Električno polje dipola v dveh različnih položajih. Vir: Randall Knight. Fizika za znanstvenike in inženirje.

Na sliki 3 desno je dipol spremenil položaj in zdaj E kaže navzgor. Ponovimo to spremembo večkrat in zelo hitro, recimo s frekvenco f. Tako nastane spremenljivka polja E v času, ki povzroči magnetno polje B , prav tako spremenljivo in katerega oblika je sinusoidna (glej sliko 4 in primer 1 spodaj).

In ker Faradayev zakon zagotavlja, da časovno spreminjajoče se magnetno polje B povzroči električno polje, se izkaže, da z nihanjem dipola že obstaja elektromagnetno polje, ki se lahko širi v mediju.

Slika 4. Dipolna antena generira signal, ki nosi elektromagnetno energijo. Vir: F. Zapata.

Opazite, da B izmenično kaže v zaslon ali zunaj njega (vedno je pravokoten na E ).

Energija električnega polja: kondenzator

Kondenzatorji so vredni shranjevanja električnega naboja in s tem električne energije. So del mnogih naprav: motorjev, radijskih in televizijskih vezij, sistemov za razsvetljavo avtomobilov in še veliko več.

Kondenzatorji so sestavljeni iz dveh vodnikov, ločenih z majhno razdaljo. Vsak ima naboj enake velikosti in nasprotnega znaka in tako ustvari električno polje v prostoru med obema vodnikoma. Geometrija se lahko razlikuje, saj je dobro znana kot ploščatega kondenzatorja plošče.

Energija, shranjena v kondenzatorju, izvira iz dela, ki je bilo opravljeno za njegovo polnjenje, ki je služilo ustvarjanju električnega polja v njem. Z vnosom dielektričnega materiala med plošče se poveča zmogljivost kondenzatorja in s tem tudi energija, ki jo lahko shrani.

Kondenzator kapacitete C in prvotno izpraznjen, ki ga napolni baterija, ki napaja napetost V, dokler ne doseže naboja Q, shrani energijo U, ki jo da:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Slika 5. Ravni vzporedni kondenzator plošče hrani elektromagnetno energijo. Vir: Wikimedia Commons. Geek3.

Primeri

Primer 1: Intenzivnost elektromagnetnega vala

Prej je bilo rečeno, da je jakost Poyntingovega vektorja enakovredna moči, ki jo valovanje odda za vsak kvadratni meter površine, in da je tudi, od vektorja odvisen čas, njegova vrednost nihala do največ S = S = ( 1 / μ _ali .c) E ² .

Povprečno vrednost S v enem ciklu vala je enostavno izmeriti in označiti energijo vala. Ta vrednost je znana kot intenziteta valovanja in se izračuna na ta način:

Elektromagnetno valovanje predstavlja sinusna funkcija:

Kjer je E _o amplituda vala, k število valov in ω kotna frekvenca. Torej:

Slika 5. Antena oddaja signal v sferični obliki. Vir: F. Zapata.

Primer 2: Aplikacija na oddajno anteno

Obstaja radijska postaja, ki oddaja signal z močjo 10 kW in frekvenco 100 MHz, ki se širi sferično, kot je na zgornji sliki.

Poiščite: a) amplitudo električnega in magnetnega polja v točki, ki se nahaja 1 km od antene, in b) skupno elektromagnetno energijo, ki v 5 minutah pade na kvadratni list 10 cm.

Podatki so:

Rešitev za

Enačba iz primera 1 se uporablja za iskanje intenzitete elektromagnetnega vala, vendar morajo biti najprej vrednosti izražene v mednarodnem sistemu:

Te vrednosti se v enačbi takoj nadomestijo za intenzivnost, saj gre za vir, ki povsod oddaja enake (izotropni vir):

Prej je bilo rečeno, da sta velikosti E in B povezana s hitrostjo svetlobe:

B = (0,775 / 300 000 000) T = 2,58 x 10 ^-9 T

Rešitev b

S _pomeni moč na enoto površine, moč pa je energija na enoto časa. Če se pomnoži _povprečje S s površino plošče in s časom osvetlitve, dobimo želeni rezultat:

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

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 6. Elektromagnetizem. Uredil Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Mednarodni odbor za elektromagnetno varnost). Dejstva o elektromagnetni energiji in kvalitativni pogled. Pridobljeno s: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson. 893-896.
4. Univerza Portland State. EM valovi prenašajo energijo. Pridobljeno: pdx.edu
5. Kaj je elektromagnetna energija in zakaj je pomembna ?. Pridobljeno: sciencestruck.com.