FALE ELEKTROMAGNETYCZNE: TEORIA MAXWELLA, RODZAJE, CHARAKTERYSTYKI - FIZYCZNY - 2026

Te fale elektromagnetyczne są fale poprzeczne odpowiadające pola spowodowane przyśpieszonym ładunków elektrycznych. XIX wiek był wiekiem wielkich postępów w elektryczności i magnetyzmie, ale aż do pierwszej jego połowy naukowcy wciąż nie byli świadomi związku między tymi dwoma zjawiskami, uważając je za niezależne od siebie.

To szkocki fizyk James Clerk Maxwell (1831-1879) udowodnił światu, że elektryczność i magnetyzm to tylko dwie strony tego samego medalu. Oba zjawiska są ze sobą ściśle powiązane.

Burza. Źródło: Pixabay.

Teoria Maxwella

Maxwell ujednolicił teorię elektryczności i magnetyzmu w 4 eleganckich i zwięzłych równaniach, których przewidywania zostały wkrótce potwierdzone:

Jakie dowody miał Maxwell, aby rozwinąć swoją teorię elektromagnetyczną?

Było już faktem, że prądy elektryczne (ruchome ładunki) wytwarzają pola magnetyczne, az kolei zmienne pole magnetyczne wytwarza prądy elektryczne w obwodach przewodzących, co sugerowałoby, że zmienne pole magnetyczne indukuje pole elektryczne.

Czy możliwe byłoby odwrotne zjawisko? Czy zmienne pola elektryczne byłyby w stanie z kolei wytwarzać pola magnetyczne?

Maxwell, uczeń Michaela Faradaya, był przekonany o istnieniu symetrii w przyrodzie. Zarówno zjawiska elektryczne, jak i magnetyczne również musiały przestrzegać tych zasad.

Według tego badacza oscylujące pola generowałyby zakłócenia w taki sam sposób, jak kamień wrzucony do stawu generuje fale. Te zakłócenia to nic innego jak oscylujące pola elektryczne i magnetyczne, które Maxwell precyzyjnie nazwał falami elektromagnetycznymi.

Prognozy Maxwella

Równania Maxwella przewidywały istnienie fal elektromagnetycznych o prędkości propagacji równej prędkości światła. To przewidywanie zostało wkrótce potwierdzone przez niemieckiego fizyka Heinricha Hertza (1857 - 1894), któremu udało się wygenerować te fale w swoim laboratorium za pomocą obwodu LC. Stało się to wkrótce po śmierci Maxwella.

Aby zweryfikować poprawność teorii, Hertz musiał zbudować urządzenie wykrywające, które pozwoliło mu znaleźć długość fali i częstotliwość, dane, na podstawie których mógł obliczyć prędkość elektromagnetycznych fal radiowych zbiegających się z prędkością światła. .

Praca Maxwella została wówczas przyjęta ze sceptycyzmem przez społeczność naukową. Być może częściowo dlatego, że Maxwell był genialnym matematykiem i przedstawił swojej teorii z całą formalnością sprawy, której wielu nie rozumiało.

Jednak eksperyment Hertza był genialny i fascynujący. Ich wyniki zostały dobrze przyjęte, a wątpliwości co do prawdziwości przewidywań Maxwella zostały rozwiane.

Prąd przemieszczenia

Prąd przemieszczenia jest tworem Maxwella, wynikającym z głębokiej analizy prawa Ampera, które stwierdza, że:

Bateria ładuje kondensator. Powierzchnie S (linia ciągła) i S 'oraz kontur C stosują prawo Ampera. Źródło: zmodyfikowane z Pixabay.

Dlatego termin po prawej stronie w prawie Ampera, obejmujący prąd, nie jest zerowy, podobnie jak członek po lewej stronie. Natychmiastowy wniosek: istnieje pole magnetyczne.

Czy w S 'jest pole magnetyczne?

Jednak nie ma prądu, który przecina lub przecina zakrzywioną powierzchnię S ', która ma ten sam kontur C, ponieważ ta powierzchnia zawiera część tego, co znajduje się w przestrzeni między płytami skraplacza, którą możemy założyć, że jest to powietrze lub inna substancja nie przewodzący.

W tym obszarze nie ma materiału przewodzącego, przez który przepływa prąd. Należy pamiętać, że aby prąd płynął, obwód musi być zamknięty. Ponieważ prąd wynosi zero, całka po lewej stronie prawa Ampera wynosi 0. Nie ma więc pola magnetycznego, prawda?

Zdecydowanie istnieje sprzeczność. S 'jest również ograniczone krzywą C, a istnienie pola magnetycznego nie może zależeć od powierzchni, do której C sięga.

Maxwell rozwiązać sprzeczność przez wprowadzenie pojęcia wypierania prądu I _D .

Prąd przemieszczenia

Podczas ładowania kondensatora istnieje zmienne pole elektryczne między płytami, a prąd przepływa przez przewodnik. Gdy kondensator się ładuje, prąd w przewodniku ustaje, a między płytami powstaje stałe pole elektryczne.

Następnie Maxwell wywnioskował, że w połączeniu ze zmiennym polem elektrycznym musi istnieć prąd, który nazwał prądem przesunięcia i _D , prąd, który nie obejmuje ruchu ładunku. Dla powierzchni S 'obowiązuje:

Prąd elektryczny nie jest wektorem, chociaż ma wielkość i znaczenie. Bardziej właściwe jest odniesienie pól do wielkości będącej wektorem: gęstości prądu J , której wielkość jest ilorazem prądu i obszaru, przez który przepływa. Jednostki gęstości prądu w układzie międzynarodowym to amper / m ² .

W odniesieniu do tego wektora gęstość prądu przemieszczenia wynosi:

W ten sposób, kiedy prawo Ampera jest stosowane do konturu C i powierzchnia S jest używana, i _C jest przepływającym przez nią prądem. Z drugiej strony, i _C nie przechodzi przez S ', ale i _D tak.

Ćwiczenie rozwiązane

Prędkość w danym medium

W danym ośrodku można wykazać, że prędkość fal elektromagnetycznych wyraża wyrażenie:

W którym ε i μ to odpowiednio przenikalność i przepuszczalność danego ośrodka.

Ilość ruchu

Promieniowanie elektromagnetyczne o energii U ma powiązany pęd p, którego wielkość wynosi: p = U / c.

Rodzaje fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne mają bardzo szeroki zakres długości fal i częstotliwości. Są one pogrupowane w tak zwane widmo elektromagnetyczne, które zostało podzielone na regiony nazwane poniżej, zaczynając od najdłuższych długości fal:

Fale radiowe

Znajdujące się na najwyższej długości fali i najniższym końcu częstotliwości, wahają się od kilku do miliarda herców. Są to te, które służą do przesyłania sygnału z różnego rodzaju informacjami i są wychwytywane przez anteny. Telewizja, radio, telefony komórkowe, planety, gwiazdy i inne ciała niebieskie nadają je i można je uchwycić.

Kuchenka mikrofalowa

Znajdują się na ultra wysokich (UHF), super wysokich (SHF) i ekstremalnie wysokich (EHF) częstotliwościach, mieszczą się w zakresie od 1 GHz do 300 GHz. W przeciwieństwie do poprzednich, które mogą mierzyć do mili (1,6 km), mikrofale Wahają się od kilku centymetrów do 33 cm.

Ze względu na ich pozycję w widmie, między 100 000 a 400 000 nm, są one wykorzystywane do przesyłania danych na częstotliwościach, na które nie wpływają fale radiowe. Z tego powodu znajdują zastosowanie w technologii radarowej, telefonach komórkowych, piekarnikach kuchennych, rozwiązaniach komputerowych.

Jego oscylacja jest produktem urządzenia znanego jako magnetron, który jest rodzajem wnęki rezonansowej, która ma na końcach 2 magnesy-tarcze. Pole elektromagnetyczne jest generowane przez przyspieszenie elektronów z katody.

Promienie podczerwone

Te fale cieplne są emitowane przez ciała termiczne, niektóre typy laserów i diody elektroluminescencyjne. Chociaż mają tendencję do nakładania się na fale radiowe i mikrofale, ich zakres wynosi od 0,7 do 100 mikrometrów.

Istoty te najczęściej wytwarzają ciepło, które można wykryć za pomocą gogli nocnych i skóry. Często są używane do pilotów i specjalnych systemów komunikacji.

Widzialne światło

W referencyjnym podziale widma znajdujemy dostrzegalne światło o długości fali od 0,4 do 0,8 mikrometra. Wyróżniamy kolory tęczy, gdzie najniższą częstotliwość charakteryzuje się czerwienią, a najwyższą fiolet.

Jego wartości długości są mierzone w nanometrach i angstremach, reprezentuje bardzo małą część całego widma, a zakres ten obejmuje największą ilość promieniowania emitowanego przez słońce i gwiazdy. Ponadto jest to produkt przyspieszenia elektronów w tranzytach energii.

Nasze postrzeganie rzeczy opiera się na widzialnym promieniowaniu, które pada na przedmiot, a następnie na oczy. Mózg następnie interpretuje częstotliwości, które powodują kolor i szczegóły obecne w przedmiotach.

Promienie ultrafioletowe

Te zmarszczki mieszczą się w zakresie od 4 do 400 nm, są generowane przez słońce i inne procesy, które emitują duże ilości ciepła. Długotrwała ekspozycja na te krótkie fale może powodować oparzenia i niektóre rodzaje raka u żywych istot.

Ponieważ powstają w wyniku skoków elektronów w wzbudzonych cząsteczkach i atomach, ich energia bierze udział w reakcjach chemicznych i są wykorzystywane w medycynie do sterylizacji. Odpowiadają za jonosferę, ponieważ warstwa ozonowa zapobiega jej szkodliwemu wpływowi na ziemię.

Rentgenowskie

To oznaczenie wynika z faktu, że są to niewidzialne fale elektromagnetyczne, które mogą przechodzić przez nieprzezroczyste ciała i wytwarzać odbitki fotograficzne. Położone między 10 a 0,01 nm (30 do 30000 PHz), są wynikiem przeskakiwania elektronów z orbit ciężkich atomów.

Promienie te mogą być emitowane przez koronę słoneczną, pulsary, supernowe i czarne dziury ze względu na ich dużą ilość energii. Ich długotrwała ekspozycja powoduje raka i są wykorzystywane w medycynie do uzyskiwania obrazów struktur kostnych.

Promienie gamma

Znajdują się one po lewej stronie widma i są to fale o najwyższej częstotliwości, które zwykle występują w czarnych dziurach, supernowych, pulsarach i gwiazdach neutronowych. Mogą być również wynikiem rozszczepienia, wybuchów jądrowych i wyładowań atmosferycznych.

Ponieważ powstają w wyniku procesów stabilizacji w jądrze atomowym po emisji radioaktywnej, są śmiertelne. Ich długość fali jest subatomowa, co pozwala im przechodzić przez atomy. Nadal są pochłaniane przez atmosferę ziemską.

Zastosowania różnych fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne mają takie same właściwości odbijania i odbicia jak fale mechaniczne. Wraz z propagowaną energią mogą również przenosić informacje.

Z tego powodu różne rodzaje fal elektromagnetycznych zostały zastosowane do wielu różnych zadań. Tutaj zobaczymy niektóre z najczęstszych.

Widmo elektromagnetyczne i niektóre jego zastosowania. Źródło: Tatoute i Phrood

Fale radiowe

Wkrótce po odkryciu Guglielmo Marconi udowodnił, że mogą być doskonałym narzędziem komunikacji. Od czasu ich odkrycia przez Hertza komunikacja bezprzewodowa z częstotliwościami radiowymi, takimi jak radio AM i FM, telewizja, telefony komórkowe i wiele innych, stała się coraz bardziej rozpowszechniona na całym świecie.

Kuchenka mikrofalowa

Mogą być używane do podgrzewania jedzenia, ponieważ woda jest cząsteczką dipolową zdolną do reagowania na oscylujące pola elektryczne. Jedzenie zawiera cząsteczki wody, które po wystawieniu na działanie tych pól zaczynają oscylować i zderzać się ze sobą. Efektem jest ocieplenie.

Mogą być również wykorzystywane w telekomunikacji, ze względu na ich zdolność do podróżowania w atmosferze z mniejszymi zakłóceniami niż inne fale o większej długości fali.

Fale podczerwone

Najbardziej charakterystycznym zastosowaniem podczerwieni są noktowizory. Są również wykorzystywane w komunikacji między urządzeniami oraz w technikach spektroskopowych do badania gwiazd, międzygwiazdowych obłoków gazu i egzoplanet.

Mogą również tworzyć mapy temperatury ciała, które służą do identyfikacji niektórych typów guzów, których temperatura jest wyższa niż temperatura otaczających tkanek.

Widzialne światło

Światło widzialne stanowi dużą część widma emitowanego przez Słońce, na które reaguje siatkówka.

Promienie ultrafioletowe

Promienie ultrafioletowe mają wystarczającą energię, aby znacząco oddziaływać z materią, więc ciągła ekspozycja na to promieniowanie powoduje przedwczesne starzenie i zwiększa ryzyko zachorowania na raka skóry.

Promienie rentgenowskie i promienie gamma

Promienie rentgenowskie i gamma mają jeszcze więcej energii i dzięki temu są w stanie wnikać w tkanki miękkie, stąd niemal od momentu ich odkrycia są wykorzystywane do diagnozowania złamań i badania wnętrza ciała w poszukiwaniu chorób. .

Promienie rentgenowskie i promienie gamma są wykorzystywane nie tylko jako narzędzie diagnostyczne, ale także jako narzędzie terapeutyczne do niszczenia guzów.

Bibliografia

1. Giancoli, D. (2006). Fizyka: zasady z zastosowaniami. Wydanie szóste. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Podstawy fizyki. Osoba. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. Wydanie 14th. Osoba. 1053-1057.