ELEKTROMAGNETINĖS BANGOS: MAKSVELO TEORIJA, TIPAI, CHARAKTERISTIKOS - FIZINIS - 2025

Kad elektromagnetinių bangų yra skersinės bangos, kurios atitinka, kurias sukelia pagreitintų elektros mokesčių srityse. XIX amžius buvo didelių elektros ir magnetizmo pažangų šimtmetis, tačiau iki pirmosios jo pusės mokslininkai vis dar nežinojo apie šių dviejų reiškinių ryšį, tikėdami, kad jie nepriklauso vienas nuo kito.

Tai buvo škotų fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas (1831–1879), kuris pasauliui įrodė, kad elektra ir magnetizmas yra tik tos pačios monetos pusės. Abu reiškiniai yra glaudžiai susiję.

Perkūnija. Šaltinis: „Pixabay“.

Maksvelo teorija

Maksvelas sujungė elektros ir magnetizmo teoriją į 4 elegantiškas ir glaustas lygtis, kurių prognozės netrukus buvo patvirtintos:

Kokius įrodymus Maksvelas turėjo plėtoti savo elektromagnetinę teoriją?

Taip jau buvo, kad elektrinės srovės (judantys krūviai) sukuria magnetinius laukus, o savo ruožtu kintamasis magnetinis laukas sukuria elektros sroves laidžiose grandinėse, o tai reikštų, kad kintamasis magnetinis laukas indukuoja elektrinį lauką.

Ar gali būti atvirkštinis reiškinys? Ar kintamieji elektriniai laukai savo ruožtu galėtų generuoti magnetinius laukus?

Michaelas Faradėjaus mokinys Maxwellas buvo įsitikinęs, kad gamtoje egzistuoja simetrijos. Šių principų taip pat turėjo laikytis tiek elektriniai, tiek magnetiniai reiškiniai.

Pasak šio tyrėjo, svyruojantys laukai sukels trikdžius taip pat, kaip į tvenkinį įmestas akmuo sukelia bangas. Šie trikdžiai yra ne kas kita, kaip svyruojantys elektriniai ir magnetiniai laukai, kuriuos Maksvelas tiksliai pavadino elektromagnetinėmis bangomis.

Maksvelo prognozės

Maksvelo lygtys numatė elektromagnetinių bangų, kurių sklidimo greitis yra lygus šviesos greičiui, egzistavimą. Prognozę netrukus patvirtino vokiečių fizikas Heinrichas Hertzas (1857 - 1894), kuriam pavyko generuoti šias bangas savo laboratorijoje naudojant LC grandinę. Tai įvyko netrukus po Maksvelo mirties.

Norėdami patikrinti teorijos teisingumą, Hertzas turėjo sukurti detektorinį įtaisą, kuris leido jam rasti bangos ilgį ir dažnį, duomenis, iš kurių jis galėtų apskaičiuoti elektromagnetinių radijo bangų greitį, sutampančią su šviesos greičiu. .

Tuo metu mokslinė bendruomenė Maxwello darbus vertino skeptiškai. Galbūt iš dalies dėl to, kad Maksvelas buvo puikus matematikas ir pateikė savo teoriją su visais bylos formalumais, kurių daugelis nesugebėjo suprasti.

Tačiau Hertzo eksperimentas buvo puikus ir įtikinamas. Jų rezultatai buvo gerai priimti ir abejonės dėl Maksvelo prognozių teisingumo buvo pašalintos.

Poslinkio srovė

Poslinkio srovė yra Maksvelo kūrimas, atsiradęs atlikus gilią Ampere'io įstatymo analizę, kurioje teigiama:

Akumuliatorius įkrauna kondensatorių. Parodyta, kad paviršiai S (vientisa linija) ir S 'bei kontūras C atitinka Ampero dėsnį. Šaltinis: modifikuotas iš „Pixabay“.

Todėl terminas „dešinė“ Ampero įstatyme, apimantis srovę, nėra niekinis ir nėra narys kairėje. Nedelsiant padaryta išvada: yra magnetinis laukas.

Ar yra magnetinis laukas ties S '?

Tačiau nėra srovės, kertančios ar kertančios išlenktą paviršių S ', turintį tą patį kontūrą C, nes šis paviršius apima dalį to, kas yra erdvėje tarp kondensatoriaus plokščių, kuri, mūsų manymu, yra oras ar kita medžiaga nelaidus.

Tame regione nėra laidžios medžiagos, per kurią tekėtų srovė. Reikėtų prisiminti, kad norint tekėti srovei, grandinė turi būti uždaryta. Kadangi srovė lygi nuliui, Ampero dėsnio kairėje esantis integralas yra 0. Nėra tada magnetinio lauko, ar yra?

Neabejotinai yra prieštaravimų. S 'taip pat riboja kreivė C, o magnetinio lauko buvimas neturi priklausyti nuo paviršiaus, kuriam C ribojasi.

Maxwell išspręstas prieštaravimą pagal įvedant poslinkio srovė I koncepciją _D .

Poslinkio srovė

Kol kondensatorius įkraunamas, tarp plokščių yra kintamas elektrinis laukas, o srovė teka per laidininką. Kai kondensatorius įkraunamas, srovė laidininkeje nutrūksta ir tarp plokščių sukuriamas pastovus elektrinis laukas.

Tada Maksvelas padarė išvadą, kad, siejant su kintamuoju elektriniu lauku, turi būti srovė, kurią jis pavadino poslinkio srove i _D , srovė, kuri neapima krūvio judėjimo. Paviršiui S 'galioja:

Elektros srovė nėra vektorius, nors ji turi dydį ir prasmę. Tinkamiau laukus susieti su dydžiu, kuris yra vektorius: srovės tankis J , kurio dydis yra srovės ir ploto, per kurį jis praeina, koeficientas. Srovės tankio vienetai tarptautinėje sistemoje yra amperai / m ² .

Kalbant apie šį vektorių, poslinkio srovės tankis yra:

Tokiu būdu, kai A kontrasto dėsnis taikomas kontūrui C ir naudojamas paviršius S, i _C yra srovė per jį. Kita vertus, aš _C neišsiskiria per S ", bet aš _D daro.

Pratimas išspręstas

Greitis tam tikroje terpėje

Tam tikroje terpėje galima parodyti, kad elektromagnetinių bangų greitį apibūdina:

Kur ε ir μ yra atitinkamos terpės atitinkamas pralaidumas ir pralaidumas.

Judėjimo suma

Elektromagnetinė radiacija su energija U turi susijusį impulsą p, kurio dydis yra: p = U / c.

Elektromagnetinių bangų tipai

Elektromagnetinės bangos turi labai platų bangų ilgių ir dažnių diapazoną. Jie yra sugrupuoti į vadinamąjį elektromagnetinį spektrą, suskirstytą į toliau nurodytus regionus, pradedant nuo ilgiausių bangų ilgių:

Radio bangos

Jie yra didžiausio bangos ilgio ir žemiausio dažnio gale. Jie svyruoja nuo kelių iki milijardo hercų. Tai yra tie, kurie naudojami signalui perduoti su įvairia informacija ir yra užfiksuoti antenų. Televizija, radijas, mobilieji telefonai, planetos, žvaigždės ir kiti dangaus kūnai juos transliuoja ir jie gali būti užfiksuoti.

Mikrobangų krosnelė

Ypač aukšto (UHF), ypač aukšto (SHF) ir ypač aukšto (EHF) dažnių diapazonas yra nuo 1 GHz iki 300 GHz. Skirtingai nuo ankstesnių, kurie gali matuoti iki mylios (1,6 km), mikrobangos Jie svyruoja nuo kelių centimetrų iki 33 cm.

Atsižvelgiant į jų padėtį spektre, nuo 100 000 iki 400 000 nm, jie naudojami duomenims perduoti dažniu, kuriam netrukdo radijo bangos. Dėl šios priežasties jie naudojami radiolokacinėse technologijose, mobiliuosiuose telefonuose, virtuvės krosnelėse ir kompiuteriniuose sprendimuose.

Jo virpesiai yra prietaiso, vadinamo magnetronu, produktas. Tai rezonansinė ertmė, kurios galuose yra 2 diskiniai magnetai. Elektromagnetinis laukas sukuriamas greitinant elektronus iš katodo.

Infraraudonieji spinduliai

Šias šilumos bangas skleidžia šiluminiai kūnai, kai kurių rūšių lazeriai ir šviesos diodai. Nors jie paprastai sutampa su radijo bangomis ir mikrobangomis, jų diapazonas yra nuo 0,7 iki 100 mikrometrų.

Daiktai dažniausiai gamina šilumą, kurią gali aptikti naktiniai akiniai ir oda. Jie dažnai naudojami nuotolinio valdymo pultams ir specialioms ryšių sistemoms.

Matoma šviesa

Referenciniame spektro pasiskirstyme randame juntamą šviesą, kurios bangos ilgis yra nuo 0,4 iki 0,8 mikrometrų. Išskiriame vaivorykštės spalvas, kuriose žemiausias dažnis yra raudonas, o aukščiausias - violetinė.

Jo ilgio vertės matuojamos nanometrais ir Angstrom, jis sudaro labai mažą viso spektro dalį ir šis diapazonas apima didžiausią saulės ir žvaigždžių skleidžiamos radiacijos kiekį. Be to, tai yra elektronų pagreičio pereinant energiją produktas.

Mūsų suvokimas apie daiktus remiasi matoma radiacija, kuri krenta ant objekto, o paskui į akis. Tada smegenys aiškina dažnius, kurie lemia daiktų spalvą ir detales.

Ultravioletiniai spinduliai

Šie bangeliai yra 4–400 nm diapazone, juos sukuria saulė ir kiti procesai, skleidžiantys daug šilumos. Ilgalaikis šių trumpųjų bangų poveikis gali sukelti nudegimus ir tam tikrų rūšių vėžį gyvuose daiktuose.

Kadangi jie yra sužadintų molekulių ir atomų elektronų šuolių produktas, jų energija dalyvauja cheminėse reakcijose ir yra naudojama medicinoje sterilizacijai. Jie yra atsakingi už jonosferą, nes ozono sluoksnis apsaugo nuo žalingo jo poveikio žemėje.

Rentgeno spinduliai

Šis žymėjimas priklauso nuo to, kad tai yra nematomos elektromagnetinės bangos, galinčios praeiti pro nepermatomus kūnus ir gaminti fotografinius atspaudus. Jie yra tarp 10 ir 0,01 nm (nuo 30 iki 30 000 PHz). Jie yra elektronų, šokinėjančių iš sunkiųjų atomų orbitų, rezultatas.

Šiuos spindulius dėl didelio energijos kiekio gali skleisti saulės vainikėlis, pulsarai, supernovos ir juodosios skylės. Dėl ilgo jų veikimo atsiranda vėžys, jie naudojami medicinos srityje, norint gauti kaulų struktūrų vaizdus.

Gama spinduliai

Įsikūrusios kraštinėje kairiajame spektro diapazone, jos yra bangos, kurių dažnis yra didžiausias, ir dažniausiai atsiranda juodosiose skylėse, supernovose, pulsaruose ir neutroninėse žvaigždėse. Jie taip pat gali būti dalijimosi, branduolinių sprogimų ir žaibo padariniai.

Po radioaktyviųjų išmetimų jie susidaro stabilizuojant atominį branduolį, jie yra mirtini. Jų bangos ilgis yra subatominis, leidžiantis jiems praeiti per atomus. Jie vis dar yra absorbuojami Žemės atmosferos.

Skirtingų elektromagnetinių bangų pritaikymas

Elektromagnetinės bangos turi tas pačias atspindžio ir atspindžio savybes kaip ir mechaninės bangos. Kartu su skleidžiama energija jie gali nešiotis ir informaciją.

Dėl šios priežasties daugybei skirtingų užduočių buvo pritaikytos skirtingos elektromagnetinių bangų rūšys. Čia pamatysime keletą labiausiai paplitusių.

Elektromagnetinis spektras ir kai kurie jo taikymo būdai. Šaltinis: Tatoute ir Phrood

Radio bangos

Netrukus po atradimo, Guglielmo Marconi įrodė, kad jie gali būti puiki komunikacijos priemonė. Nuo tada, kai „Hertz“ juos atrado, bevielis ryšys su radijo dažniais, tokiais kaip AM ir FM radijas, televizija, mobilieji telefonai ir dar daugiau, tapo vis labiau paplitęs visame pasaulyje.

Mikrobangų krosnelė

Jie gali būti naudojami maistui šildyti, nes vanduo yra dipolio molekulė, galinti reaguoti į svyruojančius elektrinius laukus. Maiste yra vandens molekulių, kurios, veikiamos šiuose laukuose, pradeda virpėti ir susidurti viena su kita. Gautas poveikis yra atšilimas.

Jie taip pat gali būti naudojami telekomunikacijose, nes jie gali keliauti atmosferoje mažiau trikdžių nei kitos didesnio bangos ilgio bangos.

Infraraudonųjų spindulių bangos

Labiausiai būdingas infraraudonųjų spindulių taikymas yra naktinio matymo prietaisai. Jie taip pat naudojami ryšiams tarp prietaisų ir spektroskopijos metodams tyrinėti žvaigždes, tarpžvaigždinius dujų debesis ir egzoplanetas.

Jie taip pat gali sudaryti kūno temperatūros žemėlapius, kurie naudojami norint nustatyti kai kuriuos navikų tipus, kurių temperatūra yra aukštesnė nei aplinkinių audinių.

Matoma šviesa

Matoma šviesa sudaro didelę Saulės skleidžiamo spektro dalį, į kurią reaguoja tinklainė.

Ultravioletiniai spinduliai

Ultravioletiniai spinduliai turi pakankamai energijos, kad reikšmingai sąveikautų su medžiaga, todėl nuolatinis šios radiacijos poveikis sukelia priešlaikinį senėjimą ir padidina odos vėžio išsivystymo riziką.

Rentgeno ir gama spinduliai

Rentgeno ir gama spinduliai turi dar daugiau energijos, todėl yra pajėgūs prasiskverbti į minkštuosius audinius, todėl beveik nuo atradimo momento jie buvo naudojami diagnozuoti lūžius ir apžiūrėti kūno vidų ieškant ligų. .

Rentgeno ir gama spinduliai naudojami ne tik kaip diagnostikos priemonė, bet ir kaip terapinė priemonė navikams naikinti.

Nuorodos

1. Giancoli, D. (2006). Fizika: principai ir taikymas. Šeštasis leidimas. Prentice salė. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fizikos pagrindai. Pearsonas. 503–512.
3. Sears, F. (2015). Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-asis leidimas. Pearsonas. 1053-1057.