ENERGIA ELEKTROMAGNETYCZNA: WZÓR, RÓWNANIA, ZASTOSOWANIA, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Energia elektromagnetyczna to taka, która rozprzestrzenia się za pośrednictwem fal elektromagnetycznych (EM). Przykładami tego są światło słoneczne, które emituje ciepło, prąd pobierany z gniazdka elektrycznego oraz promieniowanie rentgenowskie wytwarzające promieniowanie rentgenowskie.

Podobnie jak fale dźwiękowe, które wibrują błony bębenkowej, fale elektromagnetyczne są w stanie przenosić energię, która może być później przekształcona w ciepło, prądy elektryczne lub różne sygnały.

Rysunek 1. Anteny są niezbędne w telekomunikacji. Sygnały, z którymi pracują, mają energię elektromagnetyczną. Źródło: Pixabay.

Energia elektromagnetyczna rozchodzi się zarówno w ośrodku materialnym, jak iw próżni, zawsze w postaci fali poprzecznej i jej wykorzystanie nie jest niczym nowym. Światło słoneczne jest pierwotnym źródłem energii elektromagnetycznej i najstarszym znanym, ale używanie energii elektrycznej jest nieco nowsze.

Dopiero w 1891 roku Edison Company uruchomiła pierwszą instalację elektryczną w Białym Domu w Waszyngtonie. I to jako uzupełnienie stosowanych wówczas lamp gazowych, ponieważ na początku było dużo sceptycyzmu co do ich użycia.

Prawda jest taka, że ​​nawet w najbardziej odległych miejscach i pozbawionych linii energetycznych energia elektromagnetyczna, która nieustannie przybywa z kosmosu, nadal utrzymuje dynamikę tego, co nazywamy naszym domem we wszechświecie.

Formuła i równania

Fale elektromagnetyczne to fale poprzeczne, w których pole elektryczne E i pole magnetyczne B są do siebie prostopadłe, a kierunek propagacji fali jest prostopadły do ​​pól.

Wszystkie fale charakteryzują się częstotliwością. To właśnie szeroki zakres częstotliwości fal EM daje im wszechstronność przy przekształcaniu ich energii, która jest proporcjonalna do częstotliwości.

Rysunek 2 przedstawia falę elektromagnetyczną, w której pole elektryczne E na niebiesko oscyluje w płaszczyźnie zy, pole magnetyczne B na czerwono w płaszczyźnie xy, podczas gdy prędkość fali jest skierowana wzdłuż osi + y, zgodnie z pokazanym układem współrzędnych.

Rysunek 2. Fala elektromagnetyczna padająca na powierzchnię dostarcza energię zgodnie z wektorem Poyntinga. Źródło: F. Zapata.

Jeśli powierzchnia jest wstawiona na ścieżkę obu fal, powiedzmy płaszczyzną obszaru A i grubości dy, tak że jest prostopadła do prędkości fali, strumień energii elektromagnetycznej na jednostkę powierzchni, oznaczony jako S, jest opisany poprzez z wektora Poyntinga:

Łatwo jest sprawdzić, czy jednostki S to Waty / m ² w systemie międzynarodowym.

Jest jeszcze więcej. Wielkości pól E i B są powiązane ze sobą prędkością światła c. W rzeczywistości fale elektromagnetyczne w próżni rozchodzą się tak szybko. Ten związek to:

Podstawiając tę ​​zależność w S otrzymujemy:

Wektor Poyntinga zmienia się w czasie w sposób sinusoidalny, więc powyższe wyrażenie jest jego wartością maksymalną, ponieważ energia dostarczana przez falę elektromagnetyczną również oscyluje, tak jak robią to pola. Oczywiście częstotliwość oscylacji jest bardzo duża, więc nie da się jej wykryć np. W świetle widzialnym.

Aplikacje

Wśród wielu zastosowań energii elektromagnetycznej, o których już wspomnieliśmy, wymieniono tutaj dwa, które są używane w sposób ciągły w wielu zastosowaniach:

Antena dipolowa

Anteny są wszędzie, wypełniając przestrzeń falami elektromagnetycznymi. Istnieją nadajniki, które na przykład przekształcają sygnały elektryczne w fale radiowe lub mikrofale. Są też odbiorniki, które działają odwrotnie: zbierają fale i przekształcają je w sygnały elektryczne.

Zobaczmy, jak stworzyć sygnał elektromagnetyczny, który rozchodzi się w przestrzeni z dipola elektrycznego. Dipol składa się z dwóch ładunków elektrycznych o równej wielkości i przeciwnych znakach, oddzielonych niewielką odległością.

Na poniższym rysunku pokazano pole elektryczne E, gdy ładunek + jest powyżej (lewy rysunek). E wskazuje na pokazany punkt.

Rysunek 3. Pole elektryczne dipola w dwóch różnych położeniach. Źródło: Randall Knight. Fizyka dla naukowców i inżynierów.

Na rysunku 3 po prawej dipol zmienił pozycję i teraz E jest skierowany w górę. Powtórzmy tę zmianę wiele razy i bardzo szybko, powiedzmy z częstotliwością f. W ten sposób powstaje zmienne w czasie pole E , dające początek polu magnetycznemu B , również zmiennemu i którego kształt jest sinusoidalny (patrz rysunek 4 i przykład 1 poniżej).

A ponieważ prawo Faradaya zapewnia, że zmienne w czasie pole magnetyczne B powoduje powstanie pola elektrycznego, okazuje się, że oscylując dipolem, mamy już pole elektromagnetyczne zdolne do propagacji w ośrodku.

Rysunek 4. Antena dipolowa generuje sygnał przenoszący energię elektromagnetyczną. Źródło: F. Zapata.

Zwróć uwagę, że B wskazuje naprzemiennie ekran na zewnątrz lub na zewnątrz (zawsze jest prostopadły do E ).

Energia pola elektrycznego: kondensator

Kondensatory mają tę zaletę, że magazynują ładunek elektryczny, a tym samym energię elektryczną. Są częścią wielu urządzeń: silników, obwodów radiowych i telewizyjnych, systemów oświetlenia samochodowego i wielu innych.

Kondensatory składają się z dwóch przewodników oddzielonych niewielką odległością. Każdy z nich otrzymuje ładunek równej wielkości i przeciwny znak, tworząc w ten sposób pole elektryczne w przestrzeni między obydwoma przewodnikami. Geometria może się zmieniać i jest dobrze znana w przypadku skraplacza z płasko-równoległą płytą.

Energia zmagazynowana w kondensatorze pochodzi z pracy wykonanej w celu jego naładowania, która posłużyła do wytworzenia w nim pola elektrycznego. Poprzez wprowadzenie materiału dielektrycznego pomiędzy płyty zwiększa się pojemność kondensatora, a tym samym ilość energii, którą może on magazynować.

Kondensator o pojemności C i początkowo rozładowany, który jest ładowany przez akumulator dostarczający napięcie V, aż do osiągnięcia ładunku Q, przechowuje energię U podaną przez:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Rysunek 5. Płaski, równoległy kondensator płytkowy przechowuje energię elektromagnetyczną. Źródło: Wikimedia Commons. Geek3.

Przykłady

Przykład 1: Intensywność fali elektromagnetycznej

Wcześniej mówiono, że wielkość wektora Poyntinga jest równoważna mocy, którą fala dostarcza na każdy metr kwadratowy powierzchni, a także, ponieważ wektor jest zależny od czasu, jego wartość oscylowała do maksimum S = S = ( 1 / μ _{lub. C} ) E ² .

Średnia wartość S w jednym cyklu fali jest łatwa do zmierzenia i wskazuje na energię fali. Ta wartość nazywana jest intensywnością fali i jest obliczana w następujący sposób:

Fala elektromagnetyczna jest reprezentowana przez funkcję sinus:

Gdzie E _o to amplituda fali, k to liczba fal, a ω częstotliwość kątowa. Więc:

Rysunek 5. Antena emituje sygnał w kształcie kuli. Źródło: F. Zapata.

Przykład 2: Zastosowanie do anteny nadawczej

Jest stacja radiowa, która nadaje sygnał o mocy 10 kW i częstotliwości 100 MHz, który rozchodzi się sferycznie, jak na powyższym rysunku.

Znajdź: a) amplitudę pól elektrycznych i magnetycznych w punkcie położonym 1 km od anteny oraz b) całkowitą energię elektromagnetyczną, która pada na kwadratowy arkusz o boku 10 cm w okresie 5 minut.

Dane to:

Rozwiązanie

Równanie podane w przykładzie 1 służy do wyznaczenia natężenia fali elektromagnetycznej, ale najpierw wartości należy wyrazić w systemie międzynarodowym:

Wartości te są natychmiast podstawiane w równaniu na natężenie, ponieważ jest to źródło, które emituje wszędzie to samo (źródło izotropowe):

Wcześniej mówiono, że wielkości E i B są powiązane z prędkością światła:

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

Rozwiązanie b

S _oznacza moc na jednostkę powierzchni, a moc to energia na jednostkę czasu. Mnożąc _średnią S przez powierzchnię płytki i czas ekspozycji, otrzymujemy żądany wynik:

U = 0,775 x 300 x 0,01 dżuli = 2,325 dżuli.

Bibliografia

1. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 6. Elektromagnetyzm. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Międzynarodowy Komitet ds. Bezpieczeństwa Elektromagnetycznego). Fakty dotyczące energii elektromagnetycznej i pogląd jakościowy. Pobrane z: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba. 893-896.
4. Uniwersytet Stanowy w Portland. Fale EM transportują energię. Źródło: pdx.edu
5. Co to jest energia elektromagnetyczna i dlaczego jest ważna? Odzyskany z: sciencestruck.com.