ELEKTROMÁGNESES ENERGIA: KÉPLET, EGYENLETEK, FELHASZNÁLÁSOK, PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

Az elektromágneses energia olyan, amely az elektromágneses hullámokon (EM) terjed. Erre példa a hőt sugárzó napfény, az áramellátás, amelyet az elektromos aljzatból kihúznak, és a röntgen sugarainak röntgen sugarainak előállítása.

Az elektromágneses hullámok, akár a hanghullámok, amikor rezzennek a dobhártyán, képesek energiát átadni, amely később hővé, elektromos áramokká vagy különféle jelekké alakítható.

1. ábra: Az antennák szükségesek a telekommunikációban. A jelek, amelyekkel dolgoznak, elektromágneses energiával rendelkeznek. Forrás: Pixabay.

Az elektromágneses energia terjed mind anyagi közegben, akár vákuumban, mindig keresztirányú hullám formájában, és ennek felhasználása nem valami új. A napfény az elektromágneses energia elsődleges forrása és a legrégebbi ismert, de az elektromos áram felhasználása valamivel újabb.

Csak 1891-ben az Edison Company üzembe helyezte az első villamos berendezést a washingtoni Fehér Házban. És ez kiegészíti az akkoriban használt gáz-alapú lámpákat, mert kezdetben nagyon szkeptikus volt a használatuk.

Az igazság az, hogy még a legtávolabbi helyeken és hiányzó tápvezetékek esetén az űrből folyamatosan érkező elektromágneses energia továbbra is fenntartja annak dinamikáját, amit mi otthonunknak nevezünk az univerzumban.

Képlet és egyenletek

Az elektromágneses hullámok keresztirányú hullámok, amelyekben az E elektromos mező és a B mágneses mező merőleges egymással, és a hullám terjedési iránya merőleges a mezőkre.

Minden hullámot frekvencia jellemez. Az EM hullámok széles frekvenciatartománya biztosítja számukra sokoldalúságot az energiaátalakítás során, amely arányos a frekvenciával.

A 2. ábra egy elektromágneses hullámot mutat, amelyben a kék kék E elektromos mező a zy síkban oszcillál, a piros mágneses mező B pedig a xy síkban, míg a hullám sebessége a tengely mentén irányul. + y, a bemutatott koordinátarendszer szerint.

2. ábra: A felületen fellépő elektromágneses hullám energiát szolgáltat a Poynting vektor szerint. Forrás: F. Zapata.

Ha a felület van iktatva az utat mindkét hullámok, mondjuk egy sík terület A és vastagsága dy, úgy, hogy merőleges legyen a sebesség a hullám, a fluxus az elektromágneses energia egységnyi területen, jelöljük S, van leírva keresztül a Poynting vektorból:

Könnyű ellenőrizni, hogy az S egységek Watt / m ² -ben vannak-e a nemzetközi rendszerben.

Még mindig van. Az E és a B mezők nagysága összefügg egymással a c fénysebességgel. Valójában az elektromágneses hullámok egy vákuumban gyorsan terjednek. Ez a kapcsolat:

Ezt az összefüggést helyettesítve S-ben kapjuk:

A Poynting vektor az idő függvényében szinuszos módon változik, tehát a fenti kifejezés a maximális értéke, mivel az elektromágneses hullám által leadott energia ugyanúgy oszcillál, mint a mezők. Természetesen az oszcilláció gyakorisága nagyon nagy, így például látható fényben nem lehet észlelni.

Alkalmazások

A sok, az elektromágneses energiára már említett felhasználás közül itt említik a kettőt, amelyeket számos alkalmazásban folyamatosan használnak:

Dipólantenna

Az antennák mindenütt feltöltik a helyet elektromágneses hullámokkal. Vannak olyan adók, amelyek például az elektromos jeleket rádióhullákká vagy mikrohullámúvá alakítják. Vannak olyan vevők is, amelyek fordított munkát végeznek: összegyűjtik a hullámokat és elektromos jelekké alakítják őket.

Lássuk, hogyan lehet az űrben terjedő elektromágneses jelet létrehozni egy elektromos dipólusból. A dipólus két azonos nagyságrendű és ellentétes jelű elektromos töltésből áll, amelyeket kis távolság választ el egymástól.

A következő ábrán az E elektromos mező látható, ha a + töltés meghaladja a bal oldali ábrát. E mutat a leírt ponton.

3. ábra: A dipólus elektromos mezője két különböző helyzetben. Forrás: Randall Knight. Fizika a tudósok és mérnökök számára.

A jobb oldali 3. ábrán a dipól helyzetét megváltoztatta, és most E felfelé mutat. Ismételjük meg ezt a változást sokszor és nagyon gyorsan, mondjuk f frekvenciával. Ily módon létrejön az időben változó E mező, amely B mágneses mezőt eredményez, amely szintén változó, és amelynek alakja szinuszos (lásd a 4. ábrát és az 1. példát).

És mivel Faraday törvénye biztosítja, hogy az időben változó B mágneses mező elektromos mezőt idézzen elő, kiderül, hogy a dipólus lengésével az elektromágneses mezőnek már megvan a képessége a közegben.

4. ábra: A dipólantenna elektromágneses energiát hordozó jelet generál. Forrás: F. Zapata.

Vegye figyelembe, hogy B felváltva mutat a képernyőn vagy a képernyőn (mindig merőleges az E-re).

Elektromos mező energia: a kondenzátor

A kondenzátoroknak az az ereje, hogy az elektromos töltést és ezáltal az elektromos energiát tárolják. Sok eszköz részét képezik: motorok, rádió- és televíziós áramkörök, autóvilágító rendszerek és még sok más.

A kondenzátorok két vezetőből állnak, amelyeket kis távolság választ el egymástól. Mindegyik azonos méretű és ellentétes jelű töltéssel rendelkezik, így elektromos mezőt hoz létre a két vezető közötti térben. A geometria változhat, jóllehet a lapos-párhuzamos lemezkondenzátor geometriája.

A kondenzátorban tárolt energia abból a munkából származik, amelyet annak töltésére végeztek, amelynek célja az elektromos mező létrehozása a benne. Ha dielektromos anyagot vezet be a lemezek közé, növekszik a kondenzátor kapacitása, és ennélfogva az energiája, amelyet tárolhat.

Egy C kapacitású és kezdetben kisütött kondenzátor, amelyet egy V feszültséget szolgáltató akkumulátor tölt, a Q töltés eléréséig az U energiát tárolja:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

5. ábra: Egy lapos párhuzamos lemezkondenzátor tárolja az elektromágneses energiát. Forrás: Wikimedia Commons. Geek3.

Példák

1. példa: Az elektromágneses hullám intenzitása

Korábban azt mondták, hogy a Poynting vektor nagysága egyenértékű azzal a teljesítménnyel, amelyet a hullám ad a felület minden négyzetméterére, és mivel a vektor időtől függ, annak értéke maximálisan S = S = () 1 / μ _vagy.c) E ².

Az S átlagos értékét a hullám egy ciklusában könnyen meg lehet mérni, és ez jelzi a hullám energiáját. Ezt az értéket hullámintenzitásnak nevezzük, és így számoljuk:

Az elektromágneses hullámot szinuszos függvény képviseli:

Ahol E _o a hullám amplitúdója, k a hullám száma és ω a szögfrekvencia. Így:

5. ábra. Az antenna gömb alakú sugárzza a jelet. Forrás: F. Zapata.

2. példa: Alkalmazás adó adó antennára

Van egy rádióállomás, amely 10 kW teljesítmény és 100 MHz frekvencia jelet továbbít, amely gömb alakban terjed, mint a fenti ábra.

Keresse meg: a) az elektromos és a mágneses mező amplitúdóját az antennától 1 km-re elhelyezkedő ponton és b) az összes elektromágneses energiát, amely egy 10 cm-es oldallapra esik 5 perc alatt.

Az adatok a következők:

Megoldás

Az 1. példában megadott egyenletet használjuk az elektromágneses hullám intenzitásának meghatározására, de az értékeket először a nemzetközi rendszerben kell kifejezni:

Ezeket az értékeket azonnal helyettesítik az intenzitás egyenletében, mivel egy olyan forrás, amely mindenütt ugyanazt bocsátja ki (izotropikus forrás):

Korábban azt mondták, hogy az E és B nagyságát a fénysebesség függvényezi:

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

B. Megoldás

S _jelentése egységnyi területre eső teljesítmény, viszont az energia egységnyi idő alatt. Szorozzuk meg _az S _átlagát a lemez területével és az expozíciós idővel, és így kapjuk meg a kért eredményt:

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

Irodalom

1. Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 6. kötet. Elektromágnesesség. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Nemzetközi Elektromágneses Biztonsági Bizottság). Elektromágneses energia tények és egy kvalitatív nézet. A lap eredeti címe: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson. 893-896.
4. Portland Állami Egyetem. Az EM hullámok szállítják az energiát. Vissza a következőhöz: pdx.edu
5. Mi az elektromágneses energia és miért fontos? Helyreállítva: sciencestruck.com.