ELEKTROMAGNETINĖ ENERGIJA: FORMULĖ, LYGTYS, PANAUDOJIMAS, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Elektromagnetinė energija yra vienas, kad plinta per elektromagnetinių bangų (EM). To pavyzdžiai yra saulės šviesa, spinduliuojanti šilumą, srovė, kuri ištraukiama iš elektros lizdo, ir rentgeno spinduliai, kad būtų galima gauti rentgeno spindulius.

Elektromagnetinės bangos, kaip ir garso bangos, vibruodamos auskarą, gali perduoti energiją, kuri vėliau gali virsti šiluma, elektros srove ar įvairiais signalais.

1 pav. Antenos yra būtinos telekomunikacijose. Signalai, su kuriais jie dirba, turi elektromagnetinę energiją. Šaltinis: „Pixabay“.

Elektromagnetinė energija sklinda tiek medžiagoje, tiek vakuume, visada skersinės bangos pavidalu, ir ja naudotis nėra kažkas naujo. Saulės šviesa yra svarbiausias ir seniausias žinomas elektromagnetinės energijos šaltinis, tačiau elektra naudojama šiek tiek naujesnė priemonė.

Tik 1891 m. „Edison“ kompanija pradėjo eksploatuoti pirmąją elektros instaliaciją Baltuosiuose rūmuose Vašingtone. Ir tai kaip papildymas tuo metu naudojamoms dujomis naudojamoms lemputėms, nes iš pradžių buvo daug skepticizmo dėl jų naudojimo.

Tiesa ta, kad net ir atokiausiose vietose, kur trūksta elektros linijų, iš kosmoso nuolat sklindanti elektromagnetinė energija ir toliau palaiko to, ką mes vadiname savo namais Visatoje, dinamiką.

Formulė ir lygtys

Elektromagnetinės bangos yra skersinės bangos, kuriose elektrinis laukas E ir magnetinis laukas B yra statmeni vienas kitam, o bangos sklidimo kryptis yra statmena laukams.

Visoms bangoms būdingas jų dažnis. Tai platus EM bangų dažnių diapazonas, kuris suteikia jiems universalumo keičiant energiją, proporcingą dažniui.

2 paveikslas rodo elektromagnetinės bangos, į jį elektrinio lauko E mėlyna vibruoja į ZY plokštumoje, magnetinis laukas B raudonai daro XY plokštumoje, o bangos greitis yra nukreiptas išilgai ašies + y, pagal parodytą koordinačių sistemą.

2 pav. Paviršiuje esanti elektromagnetinė banga tiekia energiją pagal Poinčio vektorių. Šaltinis: F. Zapata.

Jei paviršius yra abiejų bangų kelyje, tarkime, A srities ir storio dy plokštuma, statmena bangos greičiui, elektromagnetinės energijos srautas ploto vienete, žymimas S, aprašomas per iš „Poynting“ vektoriaus:

Nesunku patikrinti, ar S vienetai yra vatai / m ² tarptautinėje sistemoje.

Dar yra daugiau. E ir B laukų didumai yra susiję vienas su kitu šviesos greičiu c. Tiesą sakant, vakuume esančios elektromagnetinės bangos plinta taip greitai. Šie santykiai yra:

Pakeitę šį ryšį S, gauname:

Pointingo vektorius kinta priklausomai nuo laiko sinusoidiškai, todėl aukščiau išraiška yra didžiausia jo reikšmė, nes elektromagnetinės bangos tiekiama energija taip pat svyruoja, kaip ir laukai. Žinoma, virpesių dažnis yra labai didelis, todėl, pavyzdžiui, neįmanoma jų aptikti matomoje šviesoje.

Programos

Tarp daugelio elektromagnetinės energijos naudojimo būdų, kuriuos jau minėjome, čia paminėti du, kurie nuolat naudojami daugelyje programų:

Dipolio antena

Antenos visur užpildo erdvę elektromagnetinėmis bangomis. Yra siųstuvai, kurie, pavyzdžiui, elektrinius signalus paverčia radijo bangomis arba mikrobangomis. Yra imtuvų, kurie atlieka atvirkštinį darbą: surenka bangas ir paverčia jas elektriniais signalais.

Pažiūrėkime, kaip iš elektrinio dipolio sukurti elektromagnetinį signalą, kuris sklinda erdvėje. Dipolį sudaro du vienodo didumo ir priešingi ženklai, atskirti nedideliu atstumu.

Toliau pateiktame paveikslėlyje yra elektrinis laukas E, kai įkrova + yra aukščiau (paveikslėlis kairėje). E nukreipta žemyn rodomame taške.

3 pav. Dipolio elektrinis laukas dviejose skirtingose ​​padėtyse. Šaltinis: „Randall Knight“. Fizika mokslininkams ir inžinieriams.

3 paveiksle dešinėje dipolis pakeitė padėtį ir dabar E yra nukreipta į viršų. Pakartokime šį pakeitimą daug kartų ir labai greitai, sakykime dažniu f. Tokiu būdu sukuriamas laiko kintamasis E , sukuriantis magnetinį lauką B , kuris taip pat kintamas ir kurio forma sinusoidinė (žr. 4 paveikslą ir 1 pavyzdį žemiau).

Kadangi Faradėjaus įstatymas užtikrina, kad kintantis magnetinis laukas B sukelia elektrinį lauką, paaiškėja, kad svyruodamas dipolis jau turi elektromagnetinį lauką, galintį plisti terpėje.

4 pav. Dvipolė antena sukuria elektromagnetinę energiją skleidžiantį signalą. Šaltinis: F. Zapata.

Atkreipkite dėmesį, kad B pakaitomis rodo į ekraną arba iš jo (jis visada statmenas E ).

Elektrinio lauko energija: kondensatorius

Kondensatoriai turi galią kaupti elektros krūvį, taigi ir elektros energiją. Jie yra daugelio prietaisų dalis: varikliai, radijo ir televizijos grandinės, automobilių apšvietimo sistemos ir dar daugiau.

Kondensatorius sudaro du laidininkai, atskirti mažu atstumu. Kiekvienam iš jų suteikiamas vienodo dydžio ir priešingo ženklo krūvis, taip sukuriant elektrinį lauką erdvėje tarp abiejų laidininkų. Geometrija gali skirtis, nes plačiai žinomas plokščiojo lygiagrečiojo kondensatoriaus geometrija.

Kondensatoriuje kaupiama energija gaunama iš darbo, kuris buvo atliktas jam įkrauti, kuris padėjo sukurti elektrinį lauką jo viduje. Įdėjus dielektrinę medžiagą tarp plokštelių, padidėja kondensatoriaus talpa, taigi ir energija, kurią jis gali kaupti.

Iš pradžių iškrautas C talpos kondensatorius, kurį krauna akumuliatorius, tiekiantis įtampą V, kol pasiekia įkrovą Q, kaupia energiją U, gautą:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

5 pav. Plokščias lygiagretus plokštelinis kondensatorius kaupia elektromagnetinę energiją. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Geek3.

Pavyzdžiai

1 pavyzdys: Elektromagnetinės bangos intensyvumas

Anksčiau buvo sakoma, kad Pointingo vektoriaus dydis yra lygus galiai, kurią banga suteikia kiekvienam paviršiaus kvadratiniam metrui, be to, kadangi vektorius priklauso nuo laiko, jo vertė svyruoja iki maksimumo S = S = ( 1 / μ _arba .c) E ² .

Vidutinę S vertę viename bangos cikle nesunku išmatuoti ir tai rodo bangos energiją. Ši vertė yra žinoma kaip bangos intensyvumas ir apskaičiuojama tokiu būdu:

Elektromagnetinę bangą apibūdina sinuso funkcija:

Kur E _o yra bangos amplitudė, k bangos skaičius ir ω kampinis dažnis. Taigi:

5 pav. Antena spinduliuoja signalą rutulio formos. Šaltinis: F. Zapata.

2 pavyzdys: Taikymas perduodančiai antenai

Yra radijo stotis, perduodama 10 kW galios ir 100 MHz dažnio signalą, kuris plinta sferiniu būdu, kaip parodyta aukščiau.

Raskite: a) elektrinio ir magnetinio lauko amplitudę taške, esančiame 1 km atstumu nuo antenos, ir b) bendrą elektromagnetinę energiją, kuri per 5 minutes nukrinta ant kvadratinio lapo, kurio kraštinė yra 10 cm.

Duomenys yra šie:

Sprendimas

Elektromagnetinės bangos intensyvumui nustatyti naudojama 1 pavyzdyje pateikta lygtis, tačiau pirmiausia reikšmės turi būti išreikštos tarptautine sistema:

Šios vertės nedelsiant pakeičiamos intensyvumo lygtyje, nes tai yra šaltinis, kuris visur skleidžia tą patį poveikį (izotropinis šaltinis):

Anksčiau buvo sakoma, kad E ir B dydžiai buvo susieti su šviesos greičiu:

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

B sprendimas

S _reiškia - galia ploto vienetui, o savo ruožtu - energija per laiko vienetą. Padauginus _vidurkį S iš plokštės ploto ir ekspozicijos laiką, gaunamas reikalaujamas rezultatas:

U = 0,775 x 300 x 0,01 džaulų = 2,325 džaulių.

Nuorodos

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 6 tomas. Elektromagnetizmas. Redagavo Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Tarptautinis elektromagnetinės saugos komitetas). Faktai apie elektromagnetinę energiją ir kokybinis vaizdas. Gauta iš: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas. 893-896.
4. Portlando valstybinis universitetas. EM bangos transportuoja energiją. Gauta iš: pdx.edu
5. Kas yra elektromagnetinė energija ir kodėl ji svarbi? Atkurta iš: sciencestruck.com.