ЕЛЕКТРОМАГНИТНА ЕНЕРГИЯ: ФОРМУЛА, УРАВНЕНИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На електромагнитната енергия е тази, която се разпространява чрез електромагнитни вълни (EM). Примери за това са слънчевата светлина, която излъчва топлина, токът, който се извлича от електрическия контакт и този на рентгеновите лъчи за производство на рентгенови лъчи.

Подобно на звуковите вълни, когато вибрират тъпанчето, електромагнитните вълни са способни да предават енергия, която по-късно може да се преобразува в топлина, електрически ток или различни сигнали.

Фигура 1. Антените са необходими в телекомуникациите. Сигналите, с които работят, имат електромагнитна енергия. Източник: Pixabay

Електромагнитната енергия се разпространява както в материална среда, така и във вакуум, винаги под формата на напречна вълна и използването на нея не е нещо ново. Слънчевата светлина е първичният източник на електромагнитна енергия и най-старият известен, но използването на електричество е малко по-ново.

Едва през 1891 г. компанията Едисън пуска в експлоатация първата електрическа инсталация в Белия дом във Вашингтон. И това като допълнение към светлините на газ, които се използваха навремето, защото в началото имаше много скептицизъм относно използването им.

Истината е, че дори и в най-отдалечените места и липсващи електропроводи, електромагнитната енергия, която постоянно пристига от космоса, продължава да поддържа динамиката на това, което наричаме нашия дом във Вселената.

Формула и уравнения

Електромагнитните вълни са напречни вълни, при които електрическото поле Е и магнитното поле В са перпендикулярни една на друга, а посоката на разпространение на вълната е перпендикулярна на полетата.

Всички вълни се характеризират със своята честота. Именно широкият диапазон на честотите на ЕМ вълни, който им дава гъвкавост при преобразуване на тяхната енергия, пропорционален на честотата.

Фигура 2 показва електромагнитна вълна, в нея електрическото поле E в синьо колебае в zy равнина, магнитното поле B в червено прави това в равнината xy, докато скоростта на вълната е насочена по оста + y, според показаната координатна система.

Фигура 2. Електромагнитна вълна, падаща върху повърхността, доставя енергия според вектора на Поантинг. Източник: Ф. Сапата.

Ако повърхността е разположена по пътя на двете вълни, да речем равнина с площ А и дебелина dy, така че да е перпендикулярна на скоростта на вълната, потокът от електромагнитна енергия на единица площ, обозначен S, е описан чрез от вектора на Поантинг:

Лесно е да се провери дали единиците на S са Watt / m ² в Международната система.

Има още. Величините на полетата E и B са свързани помежду си със скоростта на светлината c. Всъщност електромагнитните вълни във вакуум се разпространяват толкова бързо. Тази връзка е:

Замествайки тази връзка в S, получаваме:

Векторът на Поантинг варира с времето по синусоидален начин, така че горният израз е неговата максимална стойност, тъй като енергията, доставена от електромагнитната вълна, също се колебае, както и полетата. Разбира се, честотата на трептенията е много голяма, така че не е възможно да се открие например на видима светлина.

Приложения

Сред многобройните приложения, които вече споменахме за електромагнитната енергия, тук са посочени две, които се използват непрекъснато в множество приложения:

Диполна антена

Антените навсякъде запълват пространството с електромагнитни вълни. Има предаватели, които преобразуват електрически сигнали например в радиовълни или микровълнова печка. И има приемници, които вършат обратната работа: събират вълните и ги преобразуват в електрически сигнали.

Нека да видим как да създадем електромагнитен сигнал, който се разпространява в космоса, от електрически дипол. Диполът се състои от два електрически заряда с еднаква величина и противоположни знаци, разделени от малко разстояние.

На следващата фигура е електрическото поле E, когато зарядът + е над (лявата цифра). E точки надолу в показаната точка.

Фигура 3. Електрическо поле на дипол в две различни позиции. Източник: Рандал Найт. Физика за учени и инженери.

На фигура 3 вдясно диполът промени позицията и сега Е сочи нагоре. Нека повторим тази промяна много пъти и много бързо, да речем с честота f. По този начин се създава поле Е променлива във времето, което поражда магнитно поле В, също променливо и чиято форма е синусоидална (вижте фигура 4 и пример 1 по-долу).

И тъй като законът на Фарадей гарантира, че променящото се във времето магнитно поле В поражда електрическо поле, се оказва, че чрез колебание на дипола човек вече има електромагнитно поле, способно да се разпространява в средата.

Фигура 4. Диполна антена генерира сигнал, който носи електромагнитна енергия. Източник: Ф. Сапата.

Забележете, че B сочи в или извън екрана последователно (винаги е перпендикулярно на E).

Енергия на електрическото поле: кондензаторът

Кондензаторите имат силата да съхраняват електрически заряд и следователно електрическа енергия. Те са част от много устройства: двигатели, радио и телевизионни вериги, системи за осветление на автомобили и много други.

Кондензаторите се състоят от два проводника, разделени на малко разстояние. Всеки от тях получава заряд с еднаква величина и противоположен знак, като по този начин създава електрическо поле в пространството между двата проводника. Геометрията може да варира, като е добре позната тази на плоско-паралелния кондензатор на плоскостите.

Енергията, съхранявана в кондензатор, идва от работата, извършена за зареждането му, която послужи за създаването на електрическото поле вътре в него. С въвеждането на диелектричен материал между плочите, капацитетът на кондензатора се увеличава и следователно енергията, която той може да съхранява.

Кондензатор с капацитет C и първоначално разреден, който се зарежда от батерия, която захранва напрежение V, докато достигне заряд Q, съхранява енергия U, дадена от:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Фигура 5. Плосък успореден плосък кондензатор съхранява електромагнитна енергия. Източник: Wikimedia Commons. Geek3.

Примери

Пример 1: Интензитет на електромагнитна вълна

По-рано беше казано, че величината на вектора на Пойнтинг е еквивалентна на силата, която вълната издава за всеки квадратен метър повърхност и че също така, тъй като векторът зависи от времето, стойността му се колебае до максимум S = S = (1 / μ _или.c) E ².

Средната стойност на S в един цикъл на вълната е лесна за измерване и е показателна за енергията на вълната. Тази стойност е известна като интензитет на вълната и се изчислява по следния начин:

Електромагнитната вълна е представена от синусна функция:

Където E _o е амплитудата на вълната, k числото на вълната и ω ъгловата честота. Така:

Фигура 5. Антената излъчва сигнала в сферична форма. Източник: Ф. Сапата.

Пример 2: Приложение към предаваща антена

Има радиостанция, която предава сигнал с мощност 10 kW и честота 100 MHz, която се разпространява сферично, както е на фигурата по-горе.

Намерете: а) амплитудата на електрическите и магнитните полета в точка, разположена на 1 км от антената, и б) общата електромагнитна енергия, която пада на квадратен лист отстрани 10 см в период от 5 минути.

Данните са:

Решение за

Уравнението, дадено в пример 1, се използва за намиране на интензивността на електромагнитната вълна, но първо стойностите трябва да бъдат изразени в Международната система:

Тези стойности незабавно се заместват в уравнението за интензитета, тъй като това е източник, който излъчва една и съща навсякъде (изотропен източник):

По-рано беше казано, че величините на Е и В са свързани със скоростта на светлината:

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

Решение b

S _{означава} мощността на единица площ, а от своя страна мощността е енергия за единица време. Умножавайки _{средното} S по площта на плочата и по времето на експозиция, се получава исканият резултат:

U = 0,775 х 300 х 0,01 джоула = 2,325 джаула.

Препратки

1. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 6. Електромагнетизъм. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB). 307-314.
2. ICES (Международен комитет по електромагнитна безопасност). Факти за електромагнитна енергия и качествен изглед. Получено от: ices-emfsafety.org.
3. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън. 893-896.
4. Държавен университет в Портланд. EM вълните транспортират енергия. Извлечено от: pdx.edu
5. Какво е електромагнитна енергия и защо е важно ?. Възстановено от: sciencestruck.com.