SÄHKÖMAGNEETTISET AALLOT: MAXWELLIN TEORIA, TYYPIT, OMINAISUUDET - FYYSINEN - 2026

Sähkömagneettiset aallot ovat poikittaisia aaltoja, jotka vastaavat kentät aiheuttama kiihtynyt sähkövarauksia. 1800-luku oli vuosisadan suuri edistysaskel sähkössä ja magnetismissa, mutta vuoden ensimmäiseen puoliskoon saakka tutkijat eivät vielä olleet tietoisia kahden ilmiön välisestä suhteesta uskoen niiden olevan toisistaan ​​riippumattomia.

Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell (1831-1879) todisti maailmalle, että sähkö ja magnetismi olivat vain saman kolikon kaksi puolta. Molemmat ilmiöt liittyvät läheisesti toisiinsa.

Ukkosta. Lähde: Pixabay.

Maxwellin teoria

Maxwell yhdisti sähkön ja magneettisuuden teorian 4 eleganttiin ja tiiviin yhtälöön, joiden ennusteet pian vahvistettiin:

Mitä todisteita Maxwellillä oli kehittääkseen sähkömagneettista teoriaansa?

Oli jo tosiasia, että sähkövirrat (liikkuvat varaukset) tuottavat magneettikenttiä, ja puolestaan ​​muuttuva magneettikenttä johtaa sähkövirtoihin johtavissa piireissä, mikä tarkoittaisi, että muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökentän.

Voisiko käänteinen ilmiö olla mahdollista? Pystyisivätkö muuttuvat sähkökentät tuottamaan vuorostaan ​​magneettikenttiä?

Michael Faradayn opetuslapsi Maxwell oli vakuuttunut symmetrioiden olemassaolosta luonnossa. Sekä sähköisten että magneettisten ilmiöiden oli myös noudatettava näitä periaatteita.

Tämän tutkijan mukaan värähtelevät kentät aiheuttavat häiriöitä samalla tavalla kuin lampilaan heitetty kivi aiheuttaa aaltoja. Nämä häiriöt ovat vain värähteleviä sähkö- ja magneettikenttiä, joita Maxwell tarkalleen kutsui sähkömagneettisiksi aaltoiksi.

Maxwellin ennusteet

Maxwellin yhtälöt ennustivat sellaisten sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon, joiden etenemisnopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus. Ennusteen vahvisti pian sen jälkeen, kun saksalainen fyysikko Heinrich Hertz (1857 - 1894) onnistui tuottamaan nämä aallot laboratoriossaan LC-piirin avulla. Tämä tapahtui pian Maxwellin kuoleman jälkeen.

Teorian oikeellisuuden tarkistamiseksi Hertzin oli rakennettava ilmaisinlaite, jonka avulla hän löysi aallonpituuden ja taajuuden, tiedoista, joista hän pystyi laskemaan sähkömagneettisten radioaaltojen nopeuden, samaan aikaan valon nopeuden kanssa..

Tuolloin tiedeyhteisö oli vastaanottanut Maxwellin työn skeptisesti. Ehkä se johtui osittain siitä, että Maxwell oli loistava matemaatikko ja oli esittänyt teoriaansa kaikilla tapauksen muodollisuuksilla, joita monet eivät ymmärtäneet.

Hertzin kokeilu oli kuitenkin loistava ja vakuuttava. Heidän tuloksensa otettiin hyvin vastaan ​​ja epäilykset Maxwellin ennusteiden todenmukaisuudesta poistuivat.

Siirtymävirta

Siirtymävirta on Maxwellin luominen, joka johtuu Amperen lain perusteellisesta analyysista, jonka mukaan:

Akku lataa kondensaattorin. Pintojen S (kiinteä viiva) ja S 'ja muodon C on esitetty noudattavan Amperen lakia. Lähde: muokattu Pixabayltä.

Siksi Amperen laissa oikealla oleva termi, joka kattaa virran, ei ole tyhjä eikä myöskään vasemmalle kuuluva jäsen. Välitön johtopäätös: on magneettikenttä.

Onko S ': ssä magneettikenttä?

Ei kuitenkaan ole virtaa, joka ylittää tai ylittää kaarevan pinnan S ', jolla on sama muoto C, koska tämä pinta sisältää osan siitä, mikä on lauhduttimen levyjen välisessä tilassa, jonka voidaan olettaa olevan ilma tai muu aine johtamaton.

Tällä alueella ei ole johtavaa materiaalia, jonka läpi virta virtaa. On muistettava, että virran virtaamiseksi piirin on oltava suljettu. Koska virta on nolla, vasemmanpuoleinen integraali Amperen laissa on 0. Ei ole silloin magneettikenttää, onko olemassa?

Siinä on ehdottomasti ristiriita. S ': tä rajoittaa myös käyrä C, ja magneettikentän olemassaolo ei saa riippua pinnasta, jolle C rajoittaa.

Maxwell ratkaista ristiriita, jonka käyttöön käsite siirtymävirta i _D.

Siirtymävirta

Kun kondensaattori latautuu, levyjen välillä on muuttuva sähkökenttä ja virta virtaa johtimen läpi. Kun kondensaattori latautuu, johtimessa oleva virta lakkaa ja levyjen väliin muodostuu vakio sähkökenttä.

Sitten Maxwell päätteli, että muuttuvaan sähkökenttään liitettäessä on oltava virta, jota hän kutsui siirtovirraksi _iD, virta, johon ei liity varauksen liikettä. Pinnalle S 'se on voimassa:

Sähkövirta ei ole vektori, vaikka sillä on suuruus ja merkitys. On tarkoituksenmukaisempaa suhtautua kentät vektorimäärään: virrantiheys J, jonka suuruus on virran ja sen läpi kulkevan alueen välinen osamäärä. Kansainvälisen järjestelmän virrantiheyden yksiköt ovat ampeereja / m ².

Tämän vektorin suhteen siirtymävirran tiheys on:

Tällä tavalla, kun Amperen lakia sovelletaan muotoon C ja käytetään pintaa S, i _C on sen läpi kulkeva virta. Toisaalta, i _C ei läpäise S', mutta i _D ei.

Harjoitus ratkaistu

Nopeus tietyssä väliaineessa

Tietyssä väliaineessa on mahdollista osoittaa, että sähkömagneettisten aaltojen nopeus annetaan lausekkeella:

Missä ε ja μ ovat kyseisen väliaineen vastaava sallimiskyky ja läpäisevyys.

Liikkeen määrä

Sähkömagneettisella säteilyllä, jolla on energiaa U, liittyy siihen liittyvä momentti p, jonka suuruus on: p = U / c.

Sähkömagneettisten aaltojen tyypit

Sähkömagneettisilla aalloilla on erittäin laaja aallonpituus- ja taajuusalue. Ne on ryhmitelty niin kutsuttuun sähkömagneettiseen spektriin, joka on jaettu seuraaviin nimitettyihin alueisiin, alkaen pisimmistä aallonpituuksista:

Radioaallot

Suurimmalla aallonpituudella ja alimmalla taajuuden päässä sijaitsevat, ne vaihtelevat muutamasta miljardiin hertsiin. Ne ovat niitä, joita käytetään signaalin lähettämiseen erityyppisillä tiedoilla ja jotka antennit vangitsevat. Televisio, radio, matkapuhelimet, planeetat, tähdet ja muut taivaankappaleet lähettävät niitä ja ne voidaan vangita.

Mikroaaltouuni

Äärimmäisen korkeilla (UHF), erittäin korkeilla (SHF) ja erittäin korkeilla (EHF) taajuuksilla ne vaihtelevat välillä 1 GHz - 300 GHz. Toisin kuin aikaisemmat, jotka voivat mitata mailiin (1,6 km), mikroaaltouunit Ne vaihtelevat muutamasta senttimetristä 33 cm: iin.

Ottaen huomioon niiden sijainti spektrissä, välillä 100 000 - 400 000 nm, niitä käytetään siirtämään dataa taajuuksilla, joita radioaallot eivät häiritse. Tästä syystä niitä käytetään tutkatekniikassa, matkapuhelimissa, keittiön uuneissa ja tietokoneratkaisuissa.

Sen värähtely on magnetroniksi kutsuttu laitteen tuote, joka on eräänlainen resonoiva onkalo, jonka päissä on 2 levymagneettia. Sähkömagneettinen kenttä syntyy elektronien kiihtyessä katodista.

Infrapunasäteet

Lämpökappaleet, tietyt laserit ja valoa säteilevät diodit lähettävät näitä lämpöaaltoja. Vaikka niillä on taipumus päällekkäin radioaaltojen ja mikroaaltojen kanssa, niiden etäisyys on välillä 0,7–100 mikrometriä.

Yksiköt tuottavat useimmiten lämpöä, joka voidaan havaita yölasilla ja iholla. Niitä käytetään usein kaukosäätimissä ja erityisissä viestintäjärjestelmissä.

Näkyvä valo

Spektrin referenssijakaumasta löytyy havaittava valo, jonka aallonpituus on välillä 0,4 - 0,8 mikrometriä. Erotamme sateenkaaren värit, joissa alimmalle taajuudelle on ominaista punainen ja korkeimmalle violetti.

Sen pituusarvot mitataan nanometreinä ja Angstrom -arvoina, se edustaa hyvin pientä osaa koko spektristä ja tämä alue sisältää suurimman määrän aurinkoa ja tähtiä. Lisäksi se on elektronien kiihtymisen tuote energiansiirtoissa.

Meidän käsitys asioista perustuu näkyvään säteilyyn, joka putoaa esineeseen ja sitten silmiin. Aivot tulkitsevat sitten taajuudet, jotka aiheuttavat asioissa esiintyvän värin ja yksityiskohdat.

Ultraviolettisäteilyltä

Nämä aallot ovat alueella 4 - 400 nm, ne syntyy auringosta ja muista prosesseista, jotka lähettävät suuria määriä lämpöä. Pitkäaikainen altistuminen näille lyhyille aalloille voi aiheuttaa palovammoja ja tietyntyyppisiä syöpää elävissä asioissa.

Koska ne ovat elektronien hyppyjen tuotetta viritetyissä molekyyleissä ja atomeissa, niiden energia osallistuu kemiallisiin reaktioihin ja niitä käytetään lääketieteessä sterilointiin. Ne ovat vastuussa ionosfääristä, koska otsonikerros estää sen vahingolliset vaikutukset maan päällä.

Röntgenkuvat

Tämä nimitys johtuu siitä, että ne ovat näkymättömiä sähkömagneettisia aaltoja, jotka voivat kulkea läpinäkymättömien kappaleiden läpi ja tuottaa valokuvavedoksia. Ne sijaitsevat välillä 10 - 0,01 nm (30 - 30 000 PHz), ne ovat seurausta elektronista, jotka hyppivät raskaiden atomien kiertoradalta.

Nämä säteet voivat säteillä auringon koronasta, pulsaareista, supernoovista ja mustista reikistä johtuen niiden suuresta energiamäärästä. Niiden pitkäaikainen altistuminen aiheuttaa syöpää, ja niitä käytetään lääketieteen alalla luun rakenteiden kuvien saamiseen.

Gammasäteet

Spektrin vasemmalla puolella sijaitsevat aallot ovat korkeimmalla taajuudella ja esiintyvät yleensä mustissa reikissä, supernoovissa, pulsaareissa ja neutronitähteissä. Ne voivat olla myös fission, ydinräjähdysten ja salaman seurausta.

Koska ne syntyvät atomin ytimen stabilointiprosessien avulla radioaktiivisten päästöjen jälkeen, ne ovat tappavia. Heidän aallonpituus on subatominen, jolloin ne pääsevät atomien läpi. Maan ilmapiiri imee ne edelleen.

Eri sähkömagneettisten aaltojen sovellukset

Sähkömagneettisilla aalloilla on samat heijastus- ja heijastusominaisuudet kuin mekaanisilla aalloilla. Ja leviävän energian ohella ne voivat myös kuljettaa tietoa.

Tämän vuoksi erityyppisiä sähkömagneettisia aaltoja on sovellettu suureen määrään erilaisia ​​tehtäviä. Täällä näemme joitain yleisimmistä.

Sähkömagneettinen spektri ja jotkut sen sovelluksista. Lähde: Tatoute ja Phrood

Radioaallot

Pian löytönsä jälkeen Guglielmo Marconi todisti, että he voivat olla erinomainen viestintäväline. Hertzin löytöistä lähtien langaton viestintä radiotaajuuksilla, kuten AM- ja FM-radio, televisio, matkapuhelimet ja paljon muuta, on yleistynyt kaikkialla maailmassa.

Mikroaaltouuni

Niitä voidaan käyttää ruuan lämmittämiseen, koska vesi on dipolimolekyyli, joka kykenee vastaamaan värähtelevään sähkökenttään. Ruoka sisältää vesimolekyylejä, jotka altistuessaan näille kentille alkavat värähtää ja törmäävät keskenään. Tuloksena oleva vaikutus on lämpenemistä.

Niitä voidaan käyttää myös tietoliikenteessä, koska ne kykenevät matkustamaan ilmakehässä vähemmän häiriöiden kanssa kuin muut, suuremman aallonpituuden aallot.

Infrapuna-aallot

Infrapuna-alueen tyypillisimpiä sovelluksia ovat yönäkölaitteet. Niitä käytetään myös laitteiden välisessä viestinnässä ja spektroskooppisissa tekniikoissa tähtijen, tähtien välisten kaasupilvien ja eksoplaneettojen tutkimiseksi.

Ne voivat myös luoda kehon lämpötilakarttoja, joita käytetään tunnistamaan tietyt tuumorityypit, joiden lämpötila on korkeampi kuin ympäröivien kudosten lämpötila.

Näkyvä valo

Näkyvä valo muodostaa suuren osan Auringon lähettämästä spektristä, johon verkkokalvo reagoi.

Ultraviolettisäteilyltä

Ultraviolettisäteillä on tarpeeksi energiaa vuorovaikutukseen aineen kanssa merkittävästi, joten jatkuva altistuminen tälle säteilylle aiheuttaa ennenaikaista ikääntymistä ja lisää ihosyövän riskiä.

Röntgen- ja gammasäteet

Röntgen- ja gammasäteillä on vielä enemmän energiaa ja ne kykenevät siten tunkeutumaan pehmytkudoksiin, joten niitä on melkein havaitsemishetkestään käytetty murtumien diagnosointiin ja kehon sisäpinnan tutkimiseen sairauksia etsiessään..

Röntgen- ja gammasäteitä ei käytetä paitsi diagnostisena välineenä myös terapeuttisena välineenä tuumorien tuhoamisessa.

Viitteet

1. Giancoli, D. (2006). Fysiikka: Periaatteet sovellusten kanssa. Kuudes painos. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fysiikan perusteet. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14. painos. Pearson. 1053-1057.