ELEKTROMAGNETNI VALOVI: MAXWELL-OVA TEORIJA, VRSTE, ZNAČILNOSTI - FIZIČNO - 2026

So elektromagnetni valovi so prečne valovi, ki se ujemajo s področij, ki jih pospešeno električnimi naboji povzročajo. 19. stoletje je bilo stoletje velikega napredka električne energije in magnetizma, vendar se znanstveniki do prve polovice še vedno niso zavedali razmerja med obema pojavoma, saj so verjeli, da sta neodvisna drug od drugega.

Škotski fizik James Clerk Maxwell (1831-1879) je svetu dokazal, da sta elektrika in magnetizem le dve strani istega kovanca. Oba pojava sta tesno povezana.

Nevihta. Vir: Pixabay.

Maxwell-ova teorija

Maxwell je teorijo elektrike in magnetizma poenotil v štiri elegantne in jedrnate enačbe, katerih napovedi so bile kmalu potrjene:

Katere dokaze je imel Maxwell, da je razvil svojo elektromagnetno teorijo?

Dejstvo je bilo, da električni tokovi (gibajoči se naboji) proizvajajo magnetna polja, spremenljivo magnetno polje pa v prevodnih tokokrogih sproži električne tokove, kar pomeni, da spremenljivo magnetno polje povzroča električno polje.

Ali je mogoč obratni pojav? Ali bi spremenljiva električna polja lahko ustvarjala magnetna polja po vrsti?

Maxwell, učenec Michaela Faradaya, je bil prepričan o obstoju simetrij v naravi. Tudi električni in magnetni pojavi so se morali držati teh načel.

Po navedbah tega raziskovalca bi nihajna polja povzročila motnje na enak način, kot kamen, vržen v ribnik, ustvarja valove. Te motnje niso nič drugega kot nihajna električna in magnetna polja, ki jih je Maxwell natančno imenoval elektromagnetna valovanja.

Maxwell napovedi

Maxwellove enačbe so napovedovale obstoj elektromagnetnih valov s hitrostjo širjenja, enako hitrosti svetlobe. Napoved je kmalu zatem potrdil nemški fizik Heinrich Hertz (1857 - 1894), ki mu je s pomočjo vezja LC ustvaril te valove v svojem laboratoriju. To se je zgodilo kmalu po Maxwellovi smrti.

Za preverjanje pravilnosti teorije je moral Hertz sestaviti detektorje, ki mu je omogočil, da je našel valovno dolžino in frekvenco, podatke, iz katerih je lahko izračunal hitrost elektromagnetnih radijskih valov, ki sovpada s hitrostjo svetlobe. .

Maxwellovo delo je takrat znanstvena skupnost sprejela s skepticizmom. Morda delno zato, ker je bil Maxwell briljanten matematik in je svoji teoriji predstavil vso formalnost primera, ki je mnogi niso razumeli.

Vendar je Hertzov poskus bil sijajen in prepričljiv. Njihovi rezultati so bili dobro sprejeti in dvomili o resničnosti Maxwellovih napovedi so bili odpravljeni.

Premični tok

Tok razseljevanja je ustvarjanje Maxwella, ki izhaja iz poglobljene analize Amperovega zakona, ki pravi, da:

Baterija polni kondenzator. Pokaže se, da površine S (trdna črta) in S 'ter kontura C uporabljajo Amperov zakon. Vir: spremenjeno iz Pixabaja.

Zato izraz na desni v Amperovem zakonu, ki vključuje sedanjost, ni ničen in niti član ni na levi strani. Takojšnji zaključek: obstaja magnetno polje.

Ali obstaja magnetno polje pri S '?

Vendar ni nobenega toka, ki prečka ali prečka ukrivljeno površino S ', ki ima isti obris C, saj ta površina obsega del tistega, kar je v prostoru med ploščami kondenzatorja, za kar lahko domnevamo, da je zrak ali druga snov neprevodni.

V tej regiji ni prevodnega materiala, skozi katerega teče katerikoli tok. Ne smemo pozabiti, da mora biti tok zaprt. Ker je tok nič, je integralec na levi strani Amperovega zakona 0. Ni magnetnega polja, kajne?

Definitivno obstaja protislovje. S 'je omejena tudi z krivuljo C in obstoj magnetnega polja ne sme biti odvisen od površine, na katero omejuje C.

Maxwell rešiti nasprotje s predstavitvijo koncepta izpodrivanja trenutnega i _D .

Premični tok

Medtem ko se kondenzator polni, med ploščami obstaja tok spremenljivega električnega polja in tok skozi tok. Ko se kondenzator napolni, tok v prevodniku preneha in med ploščami se vzpostavi konstantno električno polje.

Nato je Maxwell ugotovil, da mora biti v povezavi s spremenljivim električnim poljem tok, ki ga je imenoval premični tok i _D , tok, ki ne vključuje gibanja naboja. Za površino S 'velja:

Električni tok ni vektor, čeprav ima velikost in pomen. Primerneje je polja povezati s količino, ki je vektorska: gostota toka J , katere velikost je količnik med tokom in območjem, skozi katerega prehaja. Enote gostote toka v mednarodnem sistemu so ampere / m ² .

Glede na ta vektor je gostota premičnega toka:

Na ta način, ko se Amperov zakon uporabi na konturo C in se uporabi površina S, je _C tok skozi njo. Po drugi strani pa _C ne skozi S ", vendar sem _D ne.

Vaja rešena

Hitrost v danem mediju

V danem mediju je mogoče pokazati, da je hitrost elektromagnetnih valov podana z izrazom:

Pri čemer sta ε in μ ustrezna dovoljenost in prepustnost zadevnega medija.

Količina gibanja

Elektromagnetno sevanje z energijo U ima pripadajoči zagon p, katerega moč je: p = U / c.

Vrste elektromagnetnih valov

Elektromagnetni valovi imajo zelo širok razpon valovnih dolžin in frekvenc. Združeni so v tako imenovanem elektromagnetnem spektru, ki je bil razdeljen na področja, ki so navedena spodaj, začenši z najdaljšimi valovnimi dolžinami:

Radijski valovi

Nahajajo se na koncu največje valovne dolžine in najnižje frekvence, ki segajo od nekaj do milijarde hercev. So tisti, ki se uporabljajo za oddajanje signala z informacijami različnih vrst in jih zajamejo antene. Televizija, radio, mobilni telefoni, planeti, zvezde in druga nebesna telesa jih oddajajo in jih je mogoče zajeti.

Mikrovalovna pečica

Nahajajo se v ultra visokih (UHF), super visokih (SHF) in izredno visokih (EHF) frekvencah med 1 GHz in 300 GHz. Za razliko od prejšnjih, ki lahko merijo do miljo (1,6 km), mikrovalovne pečice Te se gibljejo od nekaj centimetrov do 33 cm.

Glede na njihov položaj v spektru med 100.000 in 400.000 nm se uporabljajo za prenos podatkov o frekvencah, na katere radijski valovi ne motijo. Zaradi tega se uporabljajo v radarski tehnologiji, mobitelih, kuhinjskih pečicah in računalniških rešitvah.

Njeno nihanje je produkt naprave, znane kot magnetron, ki je nekakšna resonančna votlina, ki ima na koncu 2 magnetna diska. Elektromagnetno polje nastane s pospeševanjem elektronov s katode.

Infrardeči žarki

Te toplotne valove oddajajo toplotna telesa, nekateri tipi laserjev in svetleče diode. Čeprav se ponavadi prekrivajo z radijskimi valovi in ​​mikrovalovi, je njihov razpon med 0,7 in 100 mikrometrov.

Subjekti najpogosteje proizvajajo toploto, ki jo lahko zaznajo nočna očala in koža. Pogosto se uporabljajo za daljinsko upravljanje in posebne komunikacijske sisteme.

Vidna luč

V referenčni delitvi spektra najdemo zaznavno svetlobo, ki ima valovno dolžino med 0,4 in 0,8 mikrometrov. Razlikujemo po barvah mavrice, kjer je najnižja frekvenca značilna rdeča, najvišja pa vijolična.

Njene dolžinske vrednosti so izmerjene v nanometrih in Angstromu, predstavlja zelo majhen del celotnega spektra in ta obseg vključuje največjo količino sevanja, ki ga oddajajo sonce in zvezde. Poleg tega je produkt pospeševanja elektronov pri energijskih prehodih.

Naše dojemanje stvari temelji na vidnem sevanju, ki pade na predmet in nato na oči. Možgani nato razlagajo frekvence, ki povzročajo barvo in podrobnosti, ki so prisotne v stvareh.

Ultravijolični žarki

Te valovanja so v območju od 4 do 400 nm, ustvarjajo jih sonce in drugi procesi, ki oddajajo velike količine toplote. Dolgotrajna izpostavljenost tem kratkim valovom lahko pri živih stvareh povzroči opekline in nekatere vrste raka.

Ker so produkt skokov elektronov v vznemirjenih molekulah in atomih, njihova energija sodeluje v kemičnih reakcijah in jih v medicini uporabljajo za sterilizacijo. Odgovorni so za ionosfero, saj ozonska plast preprečuje njene škodljive učinke na zemlji.

X-žarki

Ta oznaka je posledica dejstva, da gre za nevidne elektromagnetne valove, ki lahko prehajajo skozi neprozorna telesa in proizvajajo fotografske odtise. Nahajajo se med 10 in 0,01 nm (30 do 30 000 PHz), ki so posledica skoka elektronov z orbitov v težkih atomih.

Te žarke lahko zaradi velike količine energije oddajajo sončna korona, pulsarji, supernove in črne luknje. Njihova dolgotrajna izpostavljenost povzroča raka in uporabljajo jih na medicinskem področju za pridobivanje slik kostnih struktur.

Gama žarki

Nahajajo se na skrajni levi strani spektra, to so valovi, ki imajo najvišjo frekvenco in se običajno pojavljajo v črnih luknjah, supernovah, pulsarjih in nevtronskih zvezdah. Lahko so tudi posledica cepitve, jedrskih eksplozij in strele.

Ker nastajajo s stabilizacijskimi procesi v atomskem jedru po radioaktivnih emisijah, so smrtonosni. Njihova valovna dolžina je subatomska, kar jim omogoča, da prehajajo skozi atome. Še vedno jih absorbira Zemljina atmosfera.

Uporaba različnih elektromagnetnih valov

Elektromagnetni valovi imajo enake lastnosti odboja in odboja kot mehanski valovi. In skupaj z energijo, ki jo širijo, lahko nosijo tudi informacije.

Zaradi tega so pri številnih različnih nalogah uporabljene različne vrste elektromagnetnih valov. Tu bomo videli nekaj najpogostejših.

Elektromagnetni spekter in nekatere njegove uporabe. Vir: Tatoute in Phrood

Radijski valovi

Guglielmo Marconi je kmalu po odkritju dokazal, da so lahko odlično komunikacijsko orodje. Odkar jih je Hertz odkril, so brezžične komunikacije z radijskimi frekvencami, kot so AM in FM radio, televizija, mobilni telefoni in še veliko več, postale vse bolj razširjene po vsem svetu.

Mikrovalovna pečica

Uporabljamo jih lahko za segrevanje hrane, saj je voda dipolna molekula, ki se lahko odzove na nihajna električna polja. Hrana vsebuje molekule vode, ki ob izpostavitvi teh poljih začnejo nihati in trčiti med seboj. Nastali učinek je segrevanje.

Uporabljajo se lahko tudi v telekomunikacijah zaradi svoje sposobnosti potovanja v ozračju z manj motnjami kot drugi valovi večje valovne dolžine.

Infrardeči valovi

Najbolj značilna uporaba infrardeče povezave so naprave za nočni vid. Uporabljajo se tudi pri komunikaciji med napravami in v spektroskopskih tehnikah za proučevanje zvezd, medzvezdnih plinskih oblakov in eksoplanetov.

Prav tako lahko ustvarijo karte telesne temperature, s katerimi prepoznajo nekatere vrste tumorjev, katerih temperatura je višja od temperature okoliških tkiv.

Vidna luč

Vidna svetloba tvori velik del spektra, ki ga oddaja Sonce, na katerega se mrežnica odziva.

Ultravijolični žarki

Ultravijolični žarki imajo dovolj energije za bistveno interakcijo s snovjo, zato nenehna izpostavljenost temu sevanju povzroči prezgodnje staranje in poveča tveganje za nastanek kožnega raka.

X-žarki in gama žarki

X-žarki in gama žarki imajo še več energije in so zato sposobni prodirati v mehka tkiva, zato so jih že od trenutka odkritja uporabili za diagnosticiranje zlomov in preiskavo notranjosti telesa v iskanju bolezni. .

X-žarki in gama žarki se uporabljajo ne le kot diagnostično orodje, ampak kot terapevtsko orodje za uničenje tumorjev.

Reference

1. Giancoli, D. (2006). Fizika: Načela uporabe. Šesta izdaja. Dvorana Prentice. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Osnove fizike. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. izdaja Pearson. 1053-1057.