ELEKTROMAGNĒTISKIE VIĻŅI: MAKSVELA TEORIJA, VEIDI, RAKSTURLIELUMI - FIZISKĀ - 2025

Par elektromagnētiskie viļņi ir šķērsvirziena viļņi, kas atbilst laukiem, ko izraisa paātrinātu elektrisko lādiņu. 19. gadsimts bija gadsimta lieliem sasniegumiem elektrības un magnētisma jomā, taču līdz tā pirmajai pusei zinātnieki joprojām nezināja par abu parādību attiecībām, uzskatot tos par neatkarīgiem viens no otra.

Tas bija skotu fiziķis Džeimss Klerks Maksvels (1831-1879), kurš pasaulei pierādīja, ka elektrība un magnētisms ir tikai vienas monētas divas puses. Abas parādības ir cieši saistītas.

Pērkona negaiss. Avots: Pixabay.

Maksvela teorija

Maksvels apvienoja elektrības un magnētisma teoriju četros elegantos un kodolīgos vienādojumos, kuru prognozes drīz tika apstiprinātas:

Kādi pierādījumi Maksvelam bija, lai attīstītu savu elektromagnētisko teoriju?

Tas jau bija fakts, ka elektriskās strāvas (kustīgie lādiņi) rada magnētiskos laukus, un savukārt mainīgs magnētiskais lauks rada elektriskās strāvas vadošās ķēdēs, kas nozīmētu, ka mainīgs magnētiskais lauks rada elektrisko lauku.

Vai varētu būt iespējama pretēja parādība? Vai mainīgie elektriskie lauki būtu spējīgi ģenerēt magnētiskos laukus pēc kārtas?

Maikls, Maikla Faradija māceklis, bija pārliecināts par simetriju esamību dabā. Šiem principiem bija jāievēro arī elektriskās un magnētiskās parādības.

Pēc šī pētnieka domām, svārstīgi lauki radītu traucējumus tādā pašā veidā, kā dīķī izmests akmens rada viļņus. Šie traucējumi nav nekas cits kā svārstīgi elektriskie un magnētiskie lauki, kurus Maksvels precīzi sauca par elektromagnētiskajiem viļņiem.

Maksvela prognozes

Maksvela vienādojumi paredzēja elektromagnētisko viļņu esamību ar izplatīšanās ātrumu, kas vienāds ar gaismas ātrumu. Prognozi neilgi pēc tam apstiprināja vācu fiziķis Heinrihs Hercs (1857 - 1894), kuram izdevās ģenerēt šos viļņus savā laboratorijā, izmantojot LC shēmu. Tas notika neilgi pēc Maksvela nāves.

Lai pārbaudītu teorijas pareizību, Hērdam bija jāizveido detektora ierīce, kas ļāva viņam atrast viļņa garumu un frekvenci, datus, no kuriem viņš varēja aprēķināt elektromagnētisko radioviļņu ātrumu, kas sakrīt ar gaismas ātrumu. .

Tajā laikā zinātnieku aprindās Maksvela darbs tika uztverts ar skepsi. Varbūt tas daļēji bija tāpēc, ka Maksvels bija izcils matemātiķis un bija iesniedzis savu teoriju ar visām lietas formalitātēm, kuras daudziem neizdevās saprast.

Tomēr Herca eksperiments bija izcils un pārliecinošs. Viņu rezultāti tika labi uzņemti, un šaubas par Maksvela prognožu patiesumu tika kliedētas.

Nobīdes strāva

Pārvietošanas strāva ir Maksvela radīšana, kas izriet no dziļas Amperes likuma analīzes, kurā teikts:

Akumulators uzlādē kondensatoru. Ir parādīts, ka virsmas S (viengabalaina līnija) un S 'un kontūra C piemēro Ampere likumu. Avots: pārveidots no Pixabay.

Tāpēc Amperes likumos pareizais termins, kas attiecas uz strāvu, nav nulle, un kreisais nav arī loceklis. Tūlītējs secinājums: ir magnētiskais lauks.

Vai pie S 'ir magnētiskais lauks?

Tomēr nav strāvas, kas šķērso vai šķērso izliekto virsmu S ', kurai ir tāda pati kontūra C, jo šī virsma aptver daļu no tā, kas atrodas telpā starp kondensatora plāksnēm, par kuru mēs varam uzskatīt, ka tas ir gaiss vai cita viela nevadošs.

Šajā reģionā nav vadoša materiāla, caur kuru plūst jebkura strāva. Jāatceras, ka strāvai plūstot, ķēdei jābūt aizvērtai. Tā kā strāva ir nulle, Amperes likumā kreisajā pusē esošais integrālis ir 0. Tad nav magnētiskā lauka, vai ir?

Noteikti ir pretruna. S 'ierobežo arī līkne C, un magnētiskā lauka esamība nedrīkst būt atkarīga no virsmas, kurai C robeža.

Maxwell atrisināt pretrunu ar ieviešot jēdzienu nobīdes strāva i _D .

Nobīdes strāva

Kamēr kondensators uzlādējas, starp plāksnēm pastāv mainīgs elektriskais lauks, un caur vadītāju plūst strāva. Kad kondensators uzlādējas, strāva vadītājā tiek pārtraukta, un starp plāksnēm tiek izveidots pastāvīgs elektriskais lauks.

Tad Maksvels secināja, ka saistībā ar mainīgo elektrisko lauku jābūt strāvai, kuru viņš sauca par pārvietošanas strāvu i _D , strāvai, kas neietver lādiņa kustību. S 'virsmai tas ir derīgs:

Elektriskā strāva nav vektors, lai gan tai ir lielums un nozīme. Labāk ir attiecināt laukus uz daudzumu, kas ir vektors: strāvas blīvums J , kura lielums ir koeficients starp strāvu un apgabalu, caur kuru tas iet. Strāvas blīvuma vienības Starptautiskajā sistēmā ir ampēri / m ² .

Šajā vektorā pārvietošanas strāvas blīvums ir:

Tādā veidā, kad A kontūra likums tiek piemērots kontūrai C un tiek izmantota virsma S, i _C ir caur to plūstošā strāva. No otras puses, es _C nešķērso S ", bet es _D dara.

Vingrinājums atrisināts

Ātrums dotajā vidē

Dotajā vidē var parādīt, ka elektromagnētisko viļņu ātrumu nosaka ar izteiksmi:

Kur ε un μ ir attiecīgā barotnes attiecīgā caurlaidība un caurlaidība.

Kustības daudzums

Elektromagnētiskajam starojumam ar enerģiju U ir saistīts impulss p, kura lielums ir: p = U / c.

Elektromagnētisko viļņu veidi

Elektromagnētiskajiem viļņiem ir ļoti plašs viļņu garumu un frekvenču diapazons. Tie ir sagrupēti tā sauktajā elektromagnētiskajā spektrā, kas ir sadalīts reģionos, kuri nosaukti turpmāk, sākot ar visgarākajiem viļņu garumiem:

Radioviļņi

Atrodas visaugstākajā viļņu garumā un zemākajā frekvences galā, to diapazons ir no dažiem līdz miljardam hercu. Tie ir signāli, kas tiek pārraidīti ar dažāda veida informāciju, un tos uztver antenas. Televīzija, radio, mobilie tālruņi, planētas, zvaigznes un citi debess ķermeņi tos pārraida, un tos var notvert.

Mikroviļņu krāsns

Atrodas īpaši augstās (UHF), īpaši augstās (SHF) un īpaši augstās (EHF) frekvencēs, to diapazons ir no 1 GHz līdz 300 GHz. Atšķirībā no iepriekšējiem, kas var mērīt līdz jūdzei (1,6 km), mikroviļņu krāsnis Tie svārstās no dažiem centimetriem līdz 33 cm.

Ņemot vērā to stāvokli spektrā no 100 000 līdz 400 000 nm, tos izmanto, lai pārraidītu datus frekvencēs, kuras neiejauc radioviļņi. Šī iemesla dēļ tos izmanto radaru tehnoloģijās, mobilajos tālruņos, virtuves krāsnīs un datoru risinājumos.

Tās svārstības ir ierīces, kas pazīstamas kā magnetrons, produkts, kas ir sava veida rezonanses dobums, kura galos ir 2 disku magnēti. Elektromagnētisko lauku rada elektronu paātrinājums no katoda.

Infrasarkanie stari

Šos karstuma viļņus izstaro termiskie ķermeņi, dažu veidu lāzeri un gaismas diodes. Lai arī tie mēdz pārklāties ar radioviļņiem un mikroviļņiem, to diapazons ir no 0,7 līdz 100 mikrometriem.

Visbiežāk vienības rada siltumu, ko var noteikt ar nakts brillēm un ādu. Tos bieži izmanto tālvadības pultīm un īpašām sakaru sistēmām.

Redzamā gaisma

Spektra atsauces dalījumā mēs atrodam uztveramu gaismu, kuras viļņa garums ir no 0,4 līdz 0,8 mikrometriem. Mēs atšķiram varavīksnes krāsas, kurās zemāko frekvenci raksturo sarkans un augstāko - violets.

Tā garuma vērtības mēra nanometros un Angstromā, tas pārstāv ļoti nelielu visa spektra daļu, un šajā diapazonā ir lielākais saules un zvaigžņu izstarotā starojuma daudzums. Turklāt tas ir elektronu paātrinājuma produkts enerģijas tranzītā.

Mūsu uztvere par lietām balstās uz redzamu starojumu, kas nokrīt uz objektu un pēc tam uz acīm. Pēc tam smadzenes interpretē frekvences, kas rada lietām raksturīgo krāsu un detaļas.

Ultravioletie stari

Šie ripples ir diapazonā no 4 līdz 400 nm, tos rada saule un citi procesi, kas izstaro lielu daudzumu siltuma. Ilgstoša šo īso viļņu iedarbība dzīvās lietās var izraisīt apdegumus un noteiktus vēža veidus.

Tā kā tie ir elektronu lēciena produkts satrauktajās molekulās un atomos, to enerģija ir iesaistīta ķīmiskās reakcijās un tos izmanto medicīnā sterilizēšanai. Viņi ir atbildīgi par jonosfēru, jo ozona slānis novērš tā kaitīgo iedarbību uz zemi.

Rentgenstari

Šis apzīmējums ir saistīts ar faktu, ka tie ir neredzami elektromagnētiski viļņi, kas spēj iziet cauri necaurspīdīgiem ķermeņiem un radīt fotogrāfijas. Tie atrodas diapazonā no 10 līdz 0,01 nm (no 30 līdz 30 000 PHz), un tie rodas elektronu rezultātā, lecot no smago atomu orbītām.

Šos starus lielā enerģijas daudzuma dēļ var izstarot saules korona, pulsāri, supernovas un melnie caurumi. To ilgstošā iedarbība izraisa vēzi, un tos izmanto medicīnas jomā, lai iegūtu kaulu struktūru attēlus.

Gamma stari

Atrodas spektra galējā kreisajā pusē, tie ir viļņi, kuriem ir visaugstākā frekvence un parasti rodas melnajos caurumos, supernovās, pulsāros un neitronu zvaigznēs. Tās var būt arī skaldīšanas, kodolsprādzienu un zibens rezultāts.

Tā kā tos pēc radioaktīvajām emisijām rada stabilizācijas procesi atomu kodolā, tie ir letāli. Viņu viļņa garums ir subatomisks, ļaujot tiem iziet caur atomiem. Viņus joprojām absorbē Zemes atmosfēra.

Dažādu elektromagnētisko viļņu pielietojums

Elektromagnētiskajiem viļņiem ir tādas pašas atstarošanas un atstarošanas īpašības kā mehāniskiem viļņiem. Līdztekus enerģijas izplatīšanai viņi var arī nest informāciju.

Tādēļ daudziem elektromagnētisko viļņu veidi ir piemēroti ļoti daudziem dažādiem uzdevumiem. Šeit mēs redzēsim dažus no visbiežāk sastopamajiem.

Elektromagnētiskais spektrs un daži tā pielietojumi. Avots: Tatoute un Phrood

Radioviļņi

Neilgi pēc atklāšanas Guglielmo Marconi pierādīja, ka tie varētu būt lielisks saziņas līdzeklis. Kopš Hertz atklājuma, bezvadu sakari ar tādām radiofrekvencēm kā AM un FM radio, televīzija, mobilie tālruņi un vēl daudz vairāk ir kļuvuši arvien izplatītāki visā pasaulē.

Mikroviļņu krāsns

Tos var izmantot, lai sildītu pārtiku, jo ūdens ir dipola molekula, kas spēj reaģēt uz svārstīgiem elektriskajiem laukiem. Pārtika satur ūdens molekulas, kuras, nonākot saskarē ar šiem laukiem, sāk svārstīties un sabrukt savā starpā. Iegūtais efekts sasilda.

Tos var izmantot arī telekomunikācijās, pateicoties spējai ceļot atmosfērā ar mazākiem traucējumiem nekā citiem viļņiem ar lielāku viļņa garumu.

Infrasarkanie viļņi

Raksturīgākais infrasarkano staru lietojums ir nakts redzamības ierīces. Tos izmanto arī saziņā starp ierīcēm un spektroskopiskās metodēs zvaigžņu, starpzvaigžņu gāzes mākoņu un eksoplanētu izpētei.

Viņi var arī izveidot ķermeņa temperatūras kartes, kuras izmanto, lai identificētu dažus audzēju veidus, kuru temperatūra ir augstāka nekā apkārtējo audu temperatūra.

Redzamā gaisma

Redzamā gaisma veido lielu Saules izstarotā spektra daļu, uz kuru tīklene reaģē.

Ultravioletie stari

Ultravioletajiem stariem ir pietiekami daudz enerģijas, lai ievērojami mijiedarbotos ar matēriju, tāpēc pastāvīga šī starojuma iedarbība izraisa priekšlaicīgu novecošanos un palielina ādas vēža attīstības risku.

Rentgena un gamma stari

Rentgena un gamma stariem ir vēl vairāk enerģijas, un tāpēc tie spēj iekļūt mīkstos audos, tāpēc gandrīz no atklāšanas brīža tie ir izmantoti lūzumu diagnosticēšanai un ķermeņa iekšpuses pārbaudei, meklējot slimības. .

Rentgena un gamma stari tiek izmantoti ne tikai kā diagnostikas līdzeklis, bet arī kā terapeitisks līdzeklis audzēju iznīcināšanai.

Atsauces

1. Giancoli, D. (2006). Fizika: principi un pielietojumi. Sestais izdevums. Prentice zāle. 628-637.
2. Rekss, A. (2011). Fizikas pamati. Pīrsons. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14. izdevums. Pīrsons. 1053-1057.