SÄHKÖMAGNEETTINEN ENERGIA: KAAVA, YHTÄLÖT, KÄYTTÖ, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Sähkömagneettinen energia on sellainen, joka leviää kautta sähkömagneettisten aaltojen (EM). Esimerkkejä tästä ovat aurinkovalo, joka säteilee lämpöä, virta, joka poistetaan pistorasiasta, ja röntgenkuvat röntgenkuvien tuottamiseksi.

Sähkömagneettiset aallot, kuten ääniaallot, kun ne värähtelevät korvasantoa, kykenevät siirtämään energiaa, joka voidaan myöhemmin muuntaa lämmöksi, sähkövirroiksi tai erilaisiksi signaaleiksi.

Kuva 1. Antennit ovat tarpeen tietoliikenteessä. Signaaleissa, joiden kanssa he työskentelevät, on sähkömagneettista energiaa. Lähde: Pixabay.

Sähkömagneettinen energia etenee sekä aineellisessa väliaineessa että tyhjiössä, aina poikittaisaaltoa muodossa, eikä sen hyödyntäminen ole jotain uutta. Auringonvalo on ensisijainen sähkömagneettisen energian lähde ja vanhin tunnettu, mutta sähkön käyttö on jonkin verran uudempaa.

Vasta vuonna 1891 Edison Company otti käyttöön ensimmäisen sähköasennuksen Valkoisessa talossa Washington DC: ssä. Ja se täydentää tuolloin käytettyjä kaasupohjaisia ​​valoja, koska niiden käyttöön liittyi aluksi paljon skeptisyyttä.

Totuus on, että jopa kaikkein syrjäisimmissä paikoissa ja puuttuvilla voimalinjoilla avaruudesta jatkuvasti saapuva sähkömagneettinen energia ylläpitää dynamiikkaa sille, mitä kutsumme kotiimme maailmankaikkeudessa.

Kaava ja yhtälöt

Sähkömagneettiset aallot ovat poikittaisiaaltoja, joissa sähkökenttä E ja magneettikenttä B ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden ja aallon etenemissuunta on kohtisuora kenttiin nähden.

Kaikille aalloille on ominaista niiden taajuus. Se on EM-aaltojen laaja taajuusalue, joka antaa heille monipuolisuuden muunettaessa energiaansa, joka on verrannollinen taajuuteen.

Kuvio 2 esittää sähkömagneettista aaltoa, jossa sinisen sähkökenttä E värähtelee zy-tasolla, punaisella magneettikenttä B tekee sen xy-tasolla, kun taas aallon nopeus on suunnattu akselia pitkin + y, esitetyn koordinaattijärjestelmän mukaisesti.

Kuva 2. Pinnalla tapahtuva sähkömagneettinen aalto toimittaa energiaa Poynting-vektorin mukaan. Lähde: F. Zapata.

Jos pinta on sijoitettu molempien aaltojen tielle, sanotaan esimerkiksi alueen A ja paksuuden dy tasolle siten, että se on kohtisuorassa aallon nopeuteen, sähkömagneettisen energian vuoto pinta-alayksikköä kohti, merkitty S, kuvataan Poynting-vektorista:

On helppo tarkistaa, että S-yksiköt ovat Watt / m ² kansainvälisessä järjestelmässä.

Siellä on vielä enemmän. E- ja B- kenttien suuruudet ovat suhteessa toisiinsa valon nopeudella c. Itse asiassa tyhjiössä olevat sähkömagneettiset aallot leviävät niin nopeasti. Tämä suhde on:

Korvaamalla tämä suhde S: ssä saadaan:

Poynting-vektori vaihtelee ajan myötä sinimuotoisella tavalla, joten yllä oleva lauseke on sen maksimiarvo, koska myös sähkömagneettisen aallon toimittama energia värähtelee, kuten kentätkin. Tietysti värähtelytaajuus on erittäin suuri, joten sitä ei ole mahdollista havaita esimerkiksi näkyvässä valossa.

Sovellukset

Niiden monien käyttötapojen joukosta, joista olemme jo sanoneet, sähkömagneettisella energialla on tässä kaksi, joita käytetään jatkuvasti lukuisissa sovelluksissa:

Dipoliantenni

Antennit täyttävät tilaa kaikkialla sähkömagneettisilla aalloilla. On lähettimiä, jotka muuntavat sähköiset signaalit esimerkiksi radioaaltoiksi tai mikroaaltouuteiksi. Ja on vastaanottimia, jotka tekevät päinvastaista työtä: ne keräävät aallot ja muuntavat ne sähköisiksi signaaleiksi.

Katsotaanpa, kuinka luodaan sähkömagneettinen signaali, joka leviää avaruudessa, sähköisestä dipolista. Dipoli koostuu kahdesta samansuuruisesta sähkövarauksesta ja vastakkaisista merkeistä, joita erottaa pieni etäisyys.

Seuraavassa kuvassa on sähkökenttä E, kun varaus + on yli (vasen kuva). E osoittaa alas osoitetussa pisteessä.

Kuva 3. Dipolin sähkökenttä kahdessa eri asennossa. Lähde: Randall Knight. Fysiikka tutkijoille ja insinööreille.

Kuvassa 3 oikealla, dipoli muutti sijaintia ja nyt E osoittaa ylöspäin. Toistetaan tämä muutos monta kertaa ja hyvin nopeasti, sanotaan taajuudella f. Tällä tavoin luodaan ajallisesti muuttuva kenttä E, joka aiheuttaa magneettikentän B, joka on myös muuttuva ja jonka muoto on sinimuotoinen (katso kuva 4 ja esimerkki 1 alla).

Ja kun Faradayn laki varmistaa, että ajallisesti muuttuva magneettikenttä B aiheuttaa sähkökentän, osoittautuu, että dipolilla värähtelemällä jollain jo on sähkömagneettinen kenttä, joka pystyy etenemään väliaineessa.

Kuva 4. Dipoliantenni tuottaa signaalin, joka kuljettaa sähkömagneettista energiaa. Lähde: F. Zapata.

Huomaa, että B osoittaa näytössä tai sen ulkopuolella vuorotellen (se on aina kohtisuorassa E: n kanssa).

Sähkökentän energia: kondensaattori

Kondensaattoreilla on hyve varata sähkövaraus ja siten sähköenergia. Ne ovat osa monia laitteita: moottoreita, radio- ja televisiopiirejä, auton valaistusjärjestelmiä ja paljon muuta.

Kondensaattorit koostuvat kahdesta johtimesta, jotka on erotettu pienellä etäisyydellä. Jokaiselle annetaan samansuuruinen varaus ja vastakkainen merkki, mikä luo sähkökentän molempien johtimien väliseen tilaan. Geometria voi vaihdella, koska se on hyvin tunnettu tasaisen rinnakkaisen levyjäähdyttimen geometriasta.

Kondensaattoriin varastoitu energia tulee työstä, joka tehtiin sen lataamiseksi, jonka tarkoituksena oli luoda sähkökenttä sen sisälle. Viemällä dielektrinen materiaali levyjen väliin kondensaattorin kapasiteetti kasvaa ja siten sen varastoitava energia.

Kapasiteetin C ja alun perin purkautuneen kondensaattorin, jonka varaa akku, joka syöttää jännitettä V, kunnes varaus Q saavutetaan, energia U säilyy:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Kuva 5. Litteä rinnakkaislevykondensaattori tallentaa sähkömagneettista energiaa. Lähde: Wikimedia Commons. Geek3.

esimerkit

Esimerkki 1: Sähkömagneettisen aallon voimakkuus

Aikaisemmin sanottiin, että Poynting-vektorin suuruus on yhtä suuri kuin teho, jonka aalto tuottaa jokaiselle pinta-neliömetrille, ja koska myös vektori on ajasta riippuvainen, sen arvo heilahtelee maksimiarvoon S = S = (1 / μ _tai.c) E ².

S: n keskimääräinen arvo yhdessä aallon jaksossa on helppo mitata ja osoittaa aallon energiaa. Tätä arvoa kutsutaan aallon voimakkuudeksi ja se lasketaan tällä tavalla:

Sähkömagneettista aaltoa edustaa sini-toiminto:

Missä E _o on aallon amplitudi, k aallon numero ja ω kulmataajuus. Niin:

Kuva 5. Antenni säteilee signaalia pallomaisessa muodossa. Lähde: F. Zapata.

Esimerkki 2: Sovellus lähettävälle antennille

On radioasema, joka lähettää 10 kW tehon ja 100 MHz: n taajuuden signaalin, joka leviää pallomaisella tavalla, kuten yllä olevassa kuvassa.

Löydä: a) sähkö- ja magneettikenttien amplitudi kohdasta, joka sijaitsee 1 km päässä antennista, ja b) kokonais sähkömagneettisen energian, joka putoaa 10 cm: n sivuiselle neliölevylle 5 minuutin aikana.

Tiedot ovat:

Ratkaisu

Esimerkissä 1 annettua yhtälöä käytetään löytämään sähkömagneettisen aallon voimakkuus, mutta ensin arvot on ilmaistava kansainvälisessä järjestelmässä:

Nämä arvot korvataan välittömästi intensiteetin yhtälössä, koska se on lähde, joka säteilee samaa kaikkialla (isotrooppinen lähde):

Aikaisemmin sanottiin, että E: n ja B: n voimakkuudet olivat riippuvaisia ​​valon nopeudesta:

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

Ratkaisu b

S _tarkoittaa tehoa pinta-alayksikköä kohti ja puolestaan ​​teho on energiaa yksikköä kohti. Kertomalla _keskiarvo S levyn pinta-alalla ja valotusajalla saadaan vaadittu tulos:

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

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Volume 6. Sähkömagneettisuus. Toimittanut Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (kansainvälinen sähkömagneettisen turvallisuuden komitea). Sähkömagneettiset tosiasiat ja laadullinen näkymä. Haettu osoitteesta ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson. 893-896.
4. Portlandin osavaltion yliopisto. EM-aallot kuljettavat energiaa. Haettu osoitteesta pdx.edu
5. Mikä on sähkömagneettinen energia ja miksi se on tärkeää? Palautettu osoitteesta: sciencestruck.com.