ЕЛЕКТРОМАГНИТНИ ВЪЛНИ: ТЕОРИЯ, ВИДОВЕ, ХАРАКТЕРИСТИКИ НА МАКСУЕЛ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На електромагнитните вълни са напречни вълни, които отговарят на полета, причинени от ускорени електрически заряди. ХІХ век е векът на голям напредък в електроенергията и магнетизма, но до първата половина от него учените все още не са били наясно за връзката между двете явления, вярвайки, че са независими един от друг.

Шотландският физик Джеймс Клерк Максуел (1831-1879) доказа на света, че електричеството и магнетизмът са само две страни на една и съща монета. И двете явления са тясно свързани.

Гръмотевична буря. Източник: Pixabay

Теория на Максуел

Максуел обедини теорията за електричеството и магнетизма в 4 елегантни и сбити уравнения, прогнозите за които скоро бяха потвърдени:

Какви доказателства трябваше Максуел да развие своята електромагнитна теория?

Вече беше факт, че електрически токове (движещи се заряди) произвеждат магнитни полета, а от своя страна променливо магнитно поле създава електрически токове в проводими вериги, което означава, че променливо магнитно поле индуцира електрическо поле.

Възможно ли е обратното явление? Дали променливите електрически полета биха могли да генерират магнитни полета от своя страна?

Максуел, ученик на Майкъл Фарадей, беше убеден в съществуването на симетрии в природата. Както електрическите, така и магнитните явления също трябваше да се придържат към тези принципи.

Според този изследовател осцилиращите полета биха породили смущения по същия начин, по който камък, хвърлен в езерце, генерира вълни. Тези смущения не са нищо повече от осцилиращи електрически и магнитни полета, които Максуел точно нарече електромагнитни вълни.

Максуел прогнози

Уравненията на Максуел предсказват съществуването на електромагнитни вълни със скорост на разпространение, равна на скоростта на светлината. Прогнозата е потвърдена малко след това от немския физик Хайнрих Херц (1857 - 1894), който успява да генерира тези вълни в своята лаборатория, използвайки LC верига. Това се случи малко след смъртта на Максуел.

За да провери правилността на теорията, Херц е трябвало да изгради детекторно устройство, което му позволява да намери дължината на вълната и честотата, данни, от които може да изчисли скоростта на електромагнитните радиовълни, съвпадащи със скоростта на светлината.,

Работата на Максуел беше приета със скептицизъм от научната общност по това време. Може би отчасти защото Максуел беше блестящ математик и бе представил теорията си с цялата формалност на случая, която мнозина не успяха да разберат.

Експериментът на Херц обаче беше блестящ и завладяващ. Резултатите от тях бяха добре приети и съмненията относно истинността на прогнозите на Максуел бяха премахнати.

Ток на изместване

Течението на разселването е създаването на Максуел, произтичащо от задълбочен анализ на закона на Ампер, който гласи, че:

Батерията зарежда кондензатор. Показано е, че повърхностите S (плътна линия) и S 'и контурът C прилагат закона на Ампер. Източник: модифициран от Pixabay.

Следователно терминът вдясно в закона на Ампер, включващ тока, не е нулев и нито членът вляво. Незабавен извод: има магнитно поле.

Има ли магнитно поле при S '?

Въпреки това, няма ток, който пресича или пресича извитата повърхност S ', която има същия контур С, тъй като тази повърхност обхваща част от това, което е в пространството между плочите на кондензатора, което можем да предположим, че е въздух или друго вещество непроводим.

В този регион няма проводим материал, през който протича ток. Трябва да се помни, че за да тече ток, веригата трябва да бъде затворена. Тъй като токът е нула, интегралът вляво в закона на Ампер е 0. Няма магнитно поле, нали?

Определено има противоречие. S 'също е ограничен от крива С и съществуването на магнитното поле не трябва да зависи от повърхността, до която С ограничава.

Максуел решава противоречието чрез въвеждане на концепцията за изместване ток и _D.

Ток на изместване

Докато кондензаторът се зарежда, променливо електрическо поле съществува между плочите и токът тече през проводника. Когато кондензаторът се зарежда, токът в проводника спира и между плочите се установява постоянно електрическо поле.

Тогава Максуел заключи, че във връзка с променливото електрическо поле трябва да има ток, който той нарече изместващ ток i _D, ток, който не включва движение на заряд. За повърхността S 'важи:

Електрическият ток не е вектор, въпреки че има величина и значение. По-подходящо е да се свържат полетата с величина, която е векторна: плътността на тока J, чиято величина е коефициентът между тока и площта, през която преминават. Единиците на плътност на тока в Международната система са ампери / m ².

По отношение на този вектор плътността на тока на преместване е:

По този начин, когато законът на Ампер се прилага към контура С и повърхността S се използва, i _C е токът през него. От друга страна, i _C не преминава през S ', но i _{D го} прави.

Упражнението е разрешено

Скорост в дадена среда

В дадена среда е възможно да се покаже, че скоростта на електромагнитните вълни се дава чрез израза:

В които ε и μ са съответната пропускливост и пропускливост на въпросната среда.

Количество на движение

Електромагнитното излъчване с енергия U има свързан импулс p, чиято величина е: p = U / c.

Видове електромагнитни вълни

Електромагнитните вълни имат много широк диапазон от дължини и честоти на вълните. Те са групирани в това, което е известно като електромагнитен спектър, който е разделен на региони, които са посочени по-долу, започвайки с най-дългите дължини на вълната:

Радио вълни

Разположени в най-високата дължина на вълната и най-ниската честота, те варират от няколко до милиард херца. Те са тези, които се използват за предаване на сигнал с информация от различни видове и се улавят от антените. Телевизия, радио, мобилни телефони, планети, звезди и други небесни тела ги излъчват и те могат да бъдат заснети.

Микровълнова печка

Разположени в свръхвисоките (UHF), свръхвисоките (SHF) и изключително високите (EHF) честоти, те варират между 1 GHz и 300 GHz.За разлика от предишните, които могат да измерват до миля (1.6 km), микровълните Те варират от няколко сантиметра до 33 cm.

Като се има предвид положението им в спектъра, между 100 000 и 400 000 nm, те се използват за предаване на данни за честоти, които не се намесват от радиовълни. Поради тази причина те се прилагат в радарната технология, мобилните телефони, кухненските фурни и компютърните решения.

Неговото колебание е продукт на устройство, известно като магнетрон, което е вид резонансна кухина, която има 2 дискови магнита в краищата. Електромагнитното поле се генерира от ускорението на електроните от катода.

Инфрачервени лъчи

Тези топлинни вълни се излъчват от топлинни тела, някои видове лазери и светодиоди. Въпреки че са склонни да се припокриват с радиовълни и микровълни, обхватът им е между 0,7 и 100 микрометра.

Субектите най-често произвеждат топлина, която може да се открие по нощните очила и кожата. Те често се използват за дистанционно управление и специални комуникационни системи.

Видима светлина

В референтното разделение на спектъра откриваме проницаема светлина, която има дължина на вълната между 0,4 и 0,8 микрометра. Това, което различаваме, са цветовете на дъгата, където най-ниската честота се характеризира с червено, а най-високата - виолетова.

Стойностите на дължината му се измерват в нанометри и Angstrom, той представлява много малка част от целия спектър и този обхват включва най-голямото количество радиация, излъчвана от слънцето и звездите. В допълнение, той е продукт на ускорението на електроните при енергийни транзити.

Нашето възприемане на нещата се основава на видимо лъчение, което пада върху обект и след това върху очите. След това мозъкът интерпретира честотите, които пораждат цвета и детайлите, присъстващи в нещата.

Ултравиолетови лъчи

Тези пулсации са в диапазона от 4 и 400 nm, те се генерират от слънцето и други процеси, които отделят големи количества топлина. Дългосрочното излагане на тези къси вълни може да причини изгаряния и някои видове рак при живите същества.

Тъй като те са продукт на скокове на електрони във възбудени молекули и атоми, тяхната енергия участва в химични реакции и те се използват в медицината за стерилизация. Те са отговорни за йоносферата, тъй като озоновият слой предотвратява вредното му въздействие върху земята.

Рентгенови лъчи

Това обозначение се дължи на факта, че те са невидими електромагнитни вълни, способни да преминават през непрозрачни тела и да произвеждат фотографски отпечатъци. Разположени между 10 и 0,01 nm (30 до 30 000 PHz), те са резултат от скокове на електрони от орбитите в тежки атоми.

Тези лъчи могат да се излъчват от слънчевата корона, пулсарите, свръхновите и черните дупки поради голямото им количество енергия. Продължителното им излагане причинява рак и те се използват в медицинската област за получаване на изображения на костни структури.

Гама лъчи

Разположени в крайната лява част на спектъра, те са вълните с най-висока честота и обикновено се срещат в черни дупки, свръхнови, пулсари и неутронови звезди. Те също могат да бъдат резултат от делене, ядрени експлозии и мълнии.

Тъй като се генерират от стабилизиращи процеси в атомното ядро ​​след радиоактивни емисии, те са смъртоносни. Дължината на вълната им е субатомна, което им позволява да преминават през атоми. Те все още се поглъщат от земната атмосфера.

Приложения на различните електромагнитни вълни

Електромагнитните вълни имат същите свойства на отражение и отражение като механичните вълни. А заедно с енергията, която разпространяват, те могат да носят и информация.

Поради това към голям брой различни задачи са приложени различни видове електромагнитни вълни. Тук ще видим някои от най-често срещаните.

Електромагнитен спектър и някои от приложенията му. Източник: Tatoute and Phrood

Радио вълни

Малко след като бе открит, Гуглиелмо Маркони доказа, че те могат да бъдат отлично средство за комуникация. След откриването им от Hertz, безжичните комуникации с радиочестоти като AM и FM радио, телевизия, мобилни телефони и много други, стават все по-широко разпространени в целия свят.

Микровълнова печка

Те могат да се използват за загряване на храна, тъй като водата е диполна молекула, която е способна да реагира на колебателни електрически полета. Храната съдържа водни молекули, които, когато са изложени на тези полета, започват да се колебаят и да се сблъскват помежду си. Полученият ефект е затопляне.

Те могат да се използват и в телекомуникациите, поради способността им да пътуват в атмосферата с по-малко смущения в сравнение с други вълни с по-голяма дължина на вълната.

Инфрачервени вълни

Най-характерното приложение на инфрачервените лъчи са устройствата за нощно виждане. Те се използват и при комуникация между устройства и в спектроскопични техники за изследване на звезди, междузвездни газови облаци и екзопланети.

Те могат също така да създават карти на телесната температура, които се използват за идентифициране на някои видове тумори, чиято температура е по-висока от тази на околните тъкани.

Видима светлина

Видимата светлина представлява голяма част от спектъра, излъчван от Слънцето, на който ретината реагира.

Ултравиолетови лъчи

Ултравиолетовите лъчи имат достатъчно енергия, за да взаимодействат значително с материята, така че непрекъснатото излагане на тази радиация причинява преждевременно стареене и увеличава риска от развитие на рак на кожата.

Рентгенови и гама лъчи

Рентгеновите и гама лъчи имат още повече енергия и поради това са способни да проникнат в меките тъкани, следователно, почти от момента на откриването им, те са били използвани за диагностициране на фрактури и изследване на вътрешността на тялото в търсене на заболявания., Рентгеновите и гама лъчи се използват не само като диагностичен инструмент, но и като терапевтично средство за унищожаване на тумори.

Препратки

1. Giancoli, D. (2006). Физика: Принципи с приложения. Шесто издание. Prentice Hall. 628-637.
2. Рекс, А. (2011). Основи на физиката. Пиърсън. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Университетска физика със съвременна физика. 14-то издание. Пиърсън. 1053-1057.