ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK: MAXWELL ELMÉLETE, TÍPUSAI, JELLEMZŐI - FIZIKAI - 2026

Az elektromágneses hullámok olyan keresztirányú hullámok, amelyek megfelelnek a gyorsított elektromos töltések által okozott mezőknek. A 19. század volt a nagy előrelépés az elektromosság és a mágnesesség területén, ám első feléig a tudósok még mindig nem voltak tudatában a két jelenség kapcsolatának, és úgy vélték, hogy egymástól függetlenek.

James Clerk Maxwell (1831-1879) skót fizikus bizonyította a világnak, hogy az elektromosság és a mágnesesség ugyanazon érme két oldala. Mindkét jelenség szorosan összefügg.

Vihar. Forrás: Pixabay.

Maxwell elmélet

Maxwell 4 elegáns és tömör egyenlettel egyesítette az elektromosság és a mágnesesség elméletét, amelyek előrejelzéseit hamarosan megerősítették:

Milyen bizonyítékok voltak Maxwellnek az elektromágneses elmélet kifejlesztésére?

Már az a tény volt, hogy az elektromos áramok (mozgó töltések) mágneses tereket generálnak, és egy változó mágneses mező elektromos áramot képez a vezető áramkörökben, ami azt sugallja, hogy a változó mágneses mező elektromos mezőt indukál.

Lehetséges-e a fordított jelenség? Képesek-e a változó elektromos mezők mágneses mezőket generálni egymás után?

Maxwell, Michael Faraday tanítványa meg volt győződve arról, hogy a természetben szimmetriák léteznek. Mind az elektromos, mind a mágneses jelenségeknek be kell tartaniuk ezeket az elveket.

E kutató szerint az oszcilláló mezők ugyanolyan zavarokat okoznának, mintha egy tóba dobott kő hullámokat generálna. Ezek a zavarok nem más, mint az oszcilláló elektromos és mágneses mezők, amelyeket Maxwell pontosan elektromágneses hullámnak nevez.

Maxwell jóslatok

Maxwell egyenletei előre jelezték az elektromágneses hullámok létezését, amelyek terjedési sebessége megegyezik a fénysebességgel. Az előrejelzést röviddel azután, hogy Heinrich Hertz (1857 - 1894) német fizikus megerősítette, aki LC-áramkör segítségével sikerült ezeket a hullámokat laboratóriumában generálni. Ez röviddel Maxwell halála után történt.

Az elmélet helyességének igazolására Hertznek detektorkészüléket kellett felépítenie, amely lehetővé tette számukra a hullámhossz és a frekvencia megtalálását, az adatok alapján kiszámolhatja az elektromágneses rádióhullámok sebességét, egybeesik a fény sebességével..

Az akkori tudományos közösség szkeptikusan fogadta Maxwell munkáját. Lehet, hogy részben azért volt, mert Maxwell ragyogó matematikus volt, és elméletét bemutatta az eset minden formálissága mellett, amelyet sokan nem tudtak megérteni.

Hertz kísérlete azonban ragyogó és lenyűgöző volt. Eredményeiket jól fogadták, és Maxwell előrejelzéseinek valódiságával kapcsolatos kétségek megszűntek.

Elmozdulási áram

Az elmozdulás jelenlegi pontja Maxwell teremtése, amely az Ampere-törvény mély elemzéséből származik, amely kimondja:

Az akkumulátor feltölti a kondenzátort. Az S (folytonos vonal) és S 'felületek, valamint a C kontúr az Ampere törvényét alkalmazzák. Forrás: módosítva a Pixabay-től.

Ezért az Ampere törvényében a jobbra utaló kifejezés, amely magában foglalja az áramot, nem semmis, sem a baloldal tagja. Azonnali következtetés: van egy mágneses mező.

Van-e mágneses mező az S '-nél?

Ugyanakkor nincs olyan áram, amely keresztezi vagy keresztezi az S 'íves felületet, amelynek ugyanaz a C kontúrja van, mivel ez a felület egy részét lefedi a kondenzátor tányérai közötti térben, amelyről feltételezhetjük, hogy levegő vagy más anyag nem vezető.

Ebben a régióban nincs olyan vezető anyag, amelyen keresztül áram áramlik. Ne feledje, hogy az áram áramlásához az áramkört le kell zárni. Mivel az áram nulla, Ampere törvényében a bal oldali integrál nulla. Akkor nincs mágneses mező, van?

Minden bizonnyal ellentmondás van. Az S '-et szintén korlátozza a C görbe, és a mágneses mező megléte nem függhet attól a felülettől, amelyre a C határérték vonatkozik.

Maxwell megoldódott az ellentmondás által bevezetésével az eltolódási áram fogalma i _D.

Elmozdulási áram

Amíg a kondenzátor töltődik, változó elektromos mező létezik a lemezek között, és az áram átvezet a vezetőn. Amikor a kondenzátor töltődik, a vezetőben levő áram megszűnik, és a lemezek között állandó elektromos mező jön létre.

Ezután Maxwell következtetni, hogy társított változó elektromos mező, ott kell lennie a jelenlegi, hogy ő hívott egy elmozdulás a jelenlegi i _D, egy áram, amely nem jár mozgása ellenében. Az S 'felületre érvényes:

Az elektromos áram nem vektor, bár ennek nagysága és jelentése van. Helyénvalóbb a mezőket egy olyan mennyiséghez viszonyítani, amely vektor: a J áramsűrűség, amelynek nagysága az áram és az áthaladó terület közötti hányados. A nemzetközi sűrűségben az áramsűrűség amper / m ².

E vektor szempontjából az elmozdulási áram sűrűsége:

Ilyen módon, amikor Ampere törvényét alkalmazzák a C kontúrra, és az S felületet használják, i _C a rajta átmenő áram. Másrészt, azt _{a C} nem halad át az S”, de _D nem.

A feladat megoldódott

Sebesség egy adott közegben

Egy adott közegben meg lehet mutatni, hogy az elektromágneses hullámok sebességét a következő kifejezés adja:

Melyikben ε és μ jelentik a szóban forgó közeg megfelelő megengedhetőségét és permeabilitását.

A mozgás mennyisége

Az U energiával járó elektromágneses sugárzásnak p hozzá tartozó impulzusa van, amelynek nagysága: p = U / c.

Az elektromágneses hullámok típusai

Az elektromágneses hullámok nagyon széles hullámhossz- és frekvenciatartományban vannak. Az elektromágneses spektrum néven vannak csoportosítva, amelyet az alábbiakban megnevezett régiókra osztunk, a leghosszabb hullámhosszokkal kezdve:

Rádióhullámok

A legmagasabb hullámhosszon és a legalacsonyabb frekvencia végén helyezkednek el, néhány-egymilliárd Hz-ig terjedve. Ezek olyan jelek, amelyeket különféle információs jelek továbbítására használnak, és amelyeket az antennák rögzítenek. Televízió, rádió, mobiltelefonok, bolygók, csillagok és más égitestek sugározzák őket, és elfoghatók.

Mikrohullámú sütő

Az ultra magas (UHF), a szuper magas (SHF) és a rendkívül magas (EHF) frekvenciákban 1 GHz és 300 GHz között vannak, ellentétben az előzőekkel, amelyek mérföldre (1,6 km) mérhetnek, a mikrohullámok Néhány centimétertől 33 cm-ig terjedhetnek.

Tekintettel a spektrumban elfoglalt helyzetükre (100 000–400 000 nm), ezeket olyan frekvenciákon továbbítják, amelyeket a rádióhullámok nem zavarnak. Ezért alkalmazzák őket radartechnikában, mobiltelefonokban, konyhai sütőkben és számítógépes megoldásokban.

Rezgése egy magnetron néven ismert termék eredménye, amely egyfajta rezonáns üreg, amelynek végén 2 tárcsamágnes található. Az elektromágneses teret a katód elektronjainak gyorsulása okozza.

Infravörös sugarak

Ezeket a hőhullámokat hőtestek, bizonyos típusú lézerek és fénykibocsátó diódák bocsátják ki. Noha átfedésben vannak a rádióhullámokkal és a mikrohullámú hullámokkal, tartományuk 0,7 és 100 mikrométer között van.

Az entitások leggyakrabban olyan hőt termelnek, amelyet az éjszaka védőszemüveg és a bőr érzékelhet. Gyakran használják távirányítókhoz és speciális kommunikációs rendszerekhez.

Látható fény

A spektrum referenciális eloszlásában érzékelhető fényt találunk, amelynek hullámhossza 0,4 és 0,8 mikrométer között van. Megkülönböztetjük a szivárvány színét, ahol a legalacsonyabb frekvenciát a vörös, a legmagasabbt az ibolya jellemzi.

Hosszúságát nanométerben és Angstrom-ban mérik, ez a teljes spektrum nagyon kis részét képviseli, és ez a tartomány magában foglalja a nap és a csillagok által kibocsátott legnagyobb sugárzási mennyiséget. Ezenkívül ez az elektronok gyorsulásának az energiaáthaladás során.

A dolgok felfogása a látható sugárzáson alapul, amely egy tárgyra, majd a szemre esik. Az agy ezután értelmezi azokat a frekvenciákat, amelyek a dolgok színét és részleteit idézik elő.

Ultraibolya sugarak

Ezek a hullámok 4 és 400 nm közötti tartományban vannak, ezeket a nap és más folyamatok generálják, amelyek nagy mennyiségű hőt bocsátanak ki. Ezeknek a rövid hullámoknak a hosszú távú kitettsége égési sérüléseket és bizonyos típusú rákot okozhat az élőlényekben.

Mivel ezek az izgatott molekulákban és atomokban levő elektronok ugrásának a termékei, energiájuk részt vesz a kémiai reakciókban és az orvostudományban használják a sterilizáláshoz. Ők felelősek az ionoszféraért, mivel az ózonréteg megakadályozza annak káros hatásait a Földön.

Röntgensugarak

Ez a megnevezés annak a ténynek köszönhető, hogy láthatatlan elektromágneses hullámok, amelyek átlátszatlan testekön képesek átjutni és fényképnyomtatványokat készíteni. 10 és 0,01 nm (30–30 000 PHz) között helyezkednek el, és az elektronok nehéz atomok pályáján ugráló elektronok eredményei.

Ezeket a sugarakat nagy energiamennyiségük miatt a nap koronája, pulzátorok, szupernóvák és fekete lyukak bocsáthatják ki. Hosszabb ideig tartó expozíciójuk rákot okoz, és az orvosi területen használják a csontszerkezetek képeinek elkészítésére.

Gamma sugarak

A spektrum bal szélén található hullámok a legmagasabb frekvenciájúak, és általában fekete lyukakban, szupernóvákban, pulzárokban és neutroncsillagokban fordulnak elő. Ezek a hasadás, nukleáris robbanások és villámlás következményei is.

Mivel radioaktív emissziókat követően az atommagban stabilizációs folyamatok során keletkeznek, halálosak. Hullámhosszuk szubatomikus, lehetővé téve számukra az atomokon történő áthaladást. A Föld légköre még mindig abszorbeálja őket.

A különböző elektromágneses hullámok alkalmazása

Az elektromágneses hullámok ugyanolyan visszaverődés és visszaverődés-tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a mechanikus hullámok. És az általuk termelt energia mellett információt is hordozhatnak.

Emiatt különféle típusú elektromágneses hullámokat alkalmaztak sokféle feladatra. Itt látjuk a leggyakoribbokat.

Elektromágneses spektrum és néhány alkalmazás. Forrás: Tatoute és Phrood

Rádióhullámok

Röviddel a felfedezés után Guglielmo Marconi bebizonyította, hogy kiváló kommunikációs eszközek lehetnek. A Hertz általi felfedezésük óta a vezeték nélküli kommunikáció olyan rádiófrekvenciákkal, mint AM és FM rádió, televízió, mobiltelefonok és még sok más egyre elterjedtebb az egész világon.

Mikrohullámú sütő

Használhatók élelmiszerek melegítésére, mivel a víz egy olyan dipól-molekula, amely képes reagálni az oszcilláló elektromos mezőkre. Az élelmiszer vízmolekulákat tartalmaz, amelyek ezeknek a mezőknek való kitettség esetén oszcillálnak és összeütköznek egymással. A kapott hatás melegítő.

Használhatók telekommunikációban is, mivel képesek a légkörben kevésbé zavaró módon mozogni, mint más nagyobb hullámhosszú hullámok.

Infravörös hullámok

Az infravörös karakterisztika leginkább az éjjellátó készülékek. Használják őket az eszközök közötti kommunikációban és a csillagok, csillagközi gázfelhők és exoplanetek tanulmányozására szolgáló spektroszkópiai technikákban is.

Készíthetnek testhőmérsékleti térképeket is, amelyek felhasználhatók bizonyos típusú daganatok azonosítására, amelyek hőmérséklete magasabb, mint a környező szövetek hőmérséklete.

Látható fény

A látható fény képezi a Nap által kibocsátott spektrum nagy részét, amelyre a retina reagál.

Ultraibolya sugarak

Az ultraibolya sugaraknak elegendő energiája van ahhoz, hogy jelentős mértékben kölcsönhatásba lépjenek az anyaggal, így ennek a sugárzásnak a folyamatos expozíciója idő előtti öregedést okoz, és növeli a bőrrák kialakulásának kockázatát.

Röntgen és gamma sugarak

A röntgen- és gamma-sugarak még több energiával rendelkeznek, és ezért képesek áthatolni a lágy szövetekbe, ezért szinte felfedezésük pillanatától kezdve a törések diagnosztizálására és a test belsejének megvizsgálására szolgálnak, a betegségek keresése céljából..

A röntgen- és gamma-sugarat nemcsak diagnosztikai eszközként, hanem gyógyászati ​​eszközként is használják a daganatok megsemmisítésére.

Irodalom

1. Giancoli, D. (2006). Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. Hatodik kiadás. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). A fizika alapjai. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Egyetemi fizika modern fizikával. 14. kiadás. Pearson. 1053-1057.