ELEKTROMAGNĒTISKĀ ENERĢIJA: FORMULA, VIENĀDOJUMI, LIETOJUMI, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Elektromagnētiskā enerģija ir viens, kas izplatās caur elektromagnētiskajiem viļņiem (EM). To piemēri ir saules gaisma, kas izstaro siltumu, strāva, kas tiek izvadīta no elektrības kontaktligzdas, un rentgenstari, lai iegūtu rentgena starus.

Tāpat kā skaņas viļņi, kad tie vibrē bungādiņu, arī elektromagnētiskie viļņi spēj pārnest enerģiju, kuru vēlāk var pārveidot siltumā, elektriskās strāvās vai dažādos signālos.

1. attēls. Antenas ir nepieciešamas telekomunikācijās. Signāliem, ar kuriem viņi strādā, ir elektromagnētiskā enerģija. Avots: Pixabay.

Elektromagnētiskā enerģija izplatās gan materiālā vidē, gan vakuumā, vienmēr šķērsvirziena veidā, un tā izmantošana nav kaut kas jauns. Saules gaisma ir galvenais elektromagnētiskās enerģijas avots un senākais zināmais, taču elektrības izmantošana ir nedaudz jaunāka.

Tikai 1891. gadā Edisona kompānija nodeva ekspluatācijā pirmo elektrisko instalāciju Baltajā namā Vašingtonā. Un tas ir kā papildinājums tajā laikā izmantotajiem uz gāzēm balstītajiem lukturiem, jo ​​sākumā par to izmantošanu bija daudz skepsi.

Patiesība ir tāda, ka pat visattālākajās vietās un trūkst elektropārvades līniju elektromagnētiskā enerģija, kas pastāvīgi nāk no kosmosa, turpina saglabāt to, ko mēs saucam par mūsu mājām Visumā, dinamiku.

Formula un vienādojumi

Elektromagnētiskie viļņi ir šķērsviļņi, kuros elektriskais lauks E un magnētiskais lauks B ir perpendikulāri viens otram, un viļņa izplatīšanās virziens ir perpendikulārs laukiem.

Visus viļņus raksturo to frekvence. Tas ir plašais EM viļņu frekvenču diapazons, kas tiem piešķir daudzpusību, pārveidojot enerģiju, kas ir proporcionāla frekvencei.

2. attēlā parādīts elektromagnētiskais vilnis, kurā zilajā elektriskajā laukā E svārstās zy plakne, bet sarkanā krāsā magnētiskais lauks B notiek xy plaknē, bet viļņa ātrums tiek virzīts pa asi. + y, atbilstoši parādītajai koordinātu sistēmai.

2. attēls. Elektromagnētisko viļņu iedarbība uz virsmu piegādā enerģiju saskaņā ar Pointinga vektoru. Avots: F. Zapata.

Ja virsma ir ievietota abu viļņu ceļā, teiksim, ar laukuma A plakni un ar biezumu dy tā, lai tā būtu perpendikulāra viļņa ātrumam, elektromagnētiskās enerģijas plūsma uz laukuma vienību, apzīmēta ar S, tiek aprakstīta caur no Pointinga vektora:

Ir viegli pārbaudīt, vai S vienības ir vatos / m ² Starptautiskajā sistēmā.

Joprojām ir vairāk. E un B lauka lielumi ir savstarpēji saistīti ar gaismas ātrumu c. Faktiski elektromagnētiskie viļņi vakuumā izplatās tik ātri. Šīs attiecības ir:

Aizstājot šo sakarību ar S, iegūstam:

Pointinga vektors sinusoidālā veidā mainās ar laiku, tāpēc iepriekšminētā izteiksme ir tā maksimālā vērtība, jo arī elektromagnētiskā viļņa piegādātā enerģija svārstās, tāpat kā lauki. Protams, svārstību frekvence ir ļoti liela, tāpēc, piemēram, to nav iespējams atklāt redzamā gaismā.

Lietojumprogrammas

Starp daudzajiem elektromagnētiskās enerģijas izmantošanas veidiem, kas jau minēti, šeit minēti divi, kurus nepārtraukti izmanto daudzos pielietojumos:

Dipola antena

Antenas visur aizpilda vietu ar elektromagnētiskiem viļņiem. Ir raidītāji, kas, piemēram, pārveido elektriskos signālus radioviļņos vai mikroviļņu krāsnī. Un ir uztvērēji, kas veic apgriezto darbu: savāc viļņus un pārveido tos elektriskos signālos.

Redzēsim, kā no elektriskā dipola radīt elektromagnētisko signālu, kas izplatās telpā. Dipolu veido divi vienāda lieluma un pretējas zīmes elektriski lādiņi, atdalīti ar nelielu attālumu.

Nākamajā attēlā ir elektriskais lauks E, kad lādiņš + ir virs (attēls kreisajā pusē). E norāda uz leju parādītajā vietā.

3. attēls. Dipola elektriskais lauks divās dažādās pozīcijās. Avots: Randall Knight. Fizika zinātniekiem un inženieriem.

3. attēlā pa labi dipols mainīja pozīciju un tagad E ir uz augšu. Atkārtosim šīs izmaiņas daudzas reizes un ļoti ātri, teiksim ar frekvenci f. Tādā veidā tiek izveidots laika mainīgs lauks E , kas rada magnētisko lauku B , kas ir arī mainīgs un kura forma ir sinusoidāla (skatīt 4. attēlu un 1. piemēru zemāk).

Un tā kā Faradeja likums nodrošina, ka laikā mainīgais magnētiskais lauks B rada elektrisko lauku, izrādās, ka, svārstot dipolu, cilvēkam jau ir elektromagnētiskais lauks, kas spēj izplatīties vidē.

4. attēls. Dipola antena ģenerē signālu, kas nes elektromagnētisko enerģiju. Avots: F. Zapata.

Ievērojiet, ka B pārmaiņus norāda uz ekrānu vai ārpus tā (tas vienmēr ir perpendikulārs E ).

Elektriskā lauka enerģija: kondensators

Kondensatoriem ir tāda priekšrocība, ka tie var uzglabāt elektrisko lādiņu un tādējādi arī elektrisko enerģiju. Tie ir daļa no daudzām ierīcēm: motoriem, radio un televīzijas ķēdēm, automašīnu apgaismojuma sistēmām un vēl daudz vairāk.

Kondensatori sastāv no diviem vadītājiem, kurus atdala neliels attālums. Katram no tiem tiek piešķirta vienāda lieluma un pretējas zīmes lādiņš, tādējādi izveidojot elektrisko lauku telpā starp abiem vadītājiem. Ģeometrija var atšķirties, jo tā ir plaši pazīstama plakana-paralēla plātnes kondensatora ģeometrija.

Kondensatorā uzkrātā enerģija nāk no darba, kas tika veikts, lai to uzlādētu, kas kalpoja, lai radītu elektrisko lauku tā iekšpusē. Ieviešot dielektrisku materiālu starp plāksnēm, palielinās kondensatora kapacitāte un līdz ar to enerģija, ko tā var uzglabāt.

Kondensators ar ietilpību C un sākotnēji izlādējies, ko uzlādē akumulators, kas baro spriegumu V, līdz sasniedz lādiņu Q, saglabā U enerģiju, ko piešķir:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

5. attēls. Plakanas paralēlas plāksnes kondensators uzkrāj elektromagnētisko enerģiju. Avots: Wikimedia Commons. Geek3.

Piemēri

1. piemērs: elektromagnētiskā viļņa intensitāte

Iepriekš tika teikts, ka Pointinga vektora lielums ir ekvivalents jaudai, ko vilnis piegādā katram virsmas kvadrātmetram, un, tā kā vektors ir atkarīgs no laika, tā vērtība svārstās maksimāli līdz S = S = ( 1 / μ _vai .c) E ² .

S vidējo vērtību vienā viļņa ciklā ir viegli izmērīt un tā norāda uz viļņa enerģiju. Šo vērtību sauc par viļņu intensitāti, un to aprēķina šādi:

Elektromagnētisko vilni attēlo sinusa funkcija:

Kur E _o ir viļņa amplitūda, k viļņa numurs un ω leņķa frekvence. Tātad:

5. attēls. Antena izstaro signālu lodveida formā. Avots: F. Zapata.

2. piemērs: piemērošana raidošajai antenai

Ir radiostacija, kas pārraida signālu ar 10 kW jaudu un 100 MHz frekvenci, kas izplatās sfēriski, kā parādīts iepriekš redzamajā attēlā.

Atrodiet: a) elektriskā un magnētiskā lauka amplitūdu vietā, kas atrodas 1 km attālumā no antenas, un b) kopējo elektromagnētisko enerģiju, kas 5 minūšu laikā nokrīt uz kvadrātveida loksnes, kuras mala ir 10 cm.

Dati ir šādi:

Risinājums

Vienādojums, kas dots 1. piemērā, tiek izmantots, lai atrastu elektromagnētiskā viļņa intensitāti, bet vispirms vērtības jāizsaka starptautiskajā sistēmā:

Šīs vērtības tiek nekavējoties aizvietotas intensitātes vienādojumā, jo tas ir avots, kas visur izstaro vienādi (izotropais avots):

Iepriekš tika teikts, ka E un B lielumi ir saistīti ar gaismas ātrumu:

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

Risinājums b

S _līdzeklis ir spēks uz vienu laukuma vienību, un, savukārt jauda ir enerģija laika vienībā. Reizinot _vidējo S ar plāksnes laukumu un ekspozīcijas laiku, iegūst pieprasīto rezultātu:

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

Atsauces

1. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. Sējums 6. Elektromagnētisms. Rediģēja Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Starptautiskā elektromagnētiskās drošības komiteja). Fakti par elektromagnētisko enerģiju un kvalitatīvais skats. Saturs iegūts no: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons. 893-896.
4. Portlendas Valsts universitāte. EM viļņi transportē enerģiju. Saturs iegūts no: pdx.edu
5. Kas ir elektromagnētiskā enerģija un kāpēc tā ir svarīga? Atgūts no: sciencestruck.com.