Elektromagnetische Wellen Maxwells Theorie, Typen, Eigenschaften

Der Elektromagnetische Wellen Es handelt sich um Querwellen, die Feldern entsprechen, die durch beschleunigte elektrische Ladungen verursacht werden. Das 19. Jahrhundert war das Jahrhundert großer Fortschritte in Bezug auf Elektrizität und Magnetismus, aber bis zur ersten Hälfte kennen Wissenschaftler die Beziehung zwischen beiden Phänomenen immer noch nicht und glaubten sie unabhängig voneinander.

Es war der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879), der der Welt zeigte, dass Strom und Magnetismus nichts anderes als die beiden Seiten derselben Währung waren. Beide Phänomene sind eng miteinander verbunden.

Ein Sturm. Quelle: Pixabay.

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Maxwell -Theorie

Maxwell vereinte die Theorie von Elektrizität und Magnetismus in 4 eleganten und prägnanten Gleichungen, deren Vorhersagen bald bestätigt wurden:

Welche Beweise haben sich Maxwell auf seine elektromagnetische Theorie vorbereitet?

Es war bereits eine Tatsache, dass elektrische Ströme (bewegliche Belastungen) Magnetfelder erzeugen, und im Gegenzug ein variables Magnetfeld entsteht in leitenden Schaltungen, was implizieren würde, dass ein variables Magnetfeld elektrisches Feld induziert.

Könnte das inverse Phänomen möglich sein? Würden variable elektrische Felder in der Lage sein, Magnetfelder nacheinander zu sterben?

Maxwell, ein Schüler von Michael Faraday, war von der Existenz von Symmetrien in der Natur überzeugt. Sowohl elektrische als auch magnetische Phänomene mussten sich an diese Prinzipien halten.

Nach diesem Forscher würden die oszillierenden Felder störungen auf die gleiche Weise erzeugen, wie ein in einen Teich geworfener Stein Wellen erzeugt. Diese Störungen sind nichts anderes als oszillierende elektrische und magnetische Felder, die Maxwell als präzise elektromagnetische Wellen bezeichnete.

Maxwell -Vorhersagen

Die Gleichungen von Maxwell prognostizierten die Existenz elektromagnetischer Wellen mit Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit. Die Vorhersage wurde kurz darauf vom deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857 - 1894) bestätigt, der es geschafft hat, diese Wellen in seinem Labor über einen LC -Schaltkreis zu erzeugen. Dies geschah kurz nach Maxwells Tod.

Um den Erfolg der Theorie zu überprüfen, musste Hertz ein Detektorgerät bauen, das es ihm erlaubte.

Maxwells Werke wurden von der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Zeit mit Skepsis empfangen. Vielleicht lag es teilweise daran, dass Maxwell ein brillanter Mathematiker war und seine Theorie mit all der Formalität des Falls präsentiert hatte, was viele nicht verstanden hatten.

Hertz 'Experiment war jedoch brillant und überzeugend. Seine Ergebnisse waren gut aufgenommen und Zweifel an der Richtigkeit von Maxwells Vorhersagen waren klar.

Der Verschiebungsstrom

Der Verschiebungsstrom ist die Schaffung von Maxwell, die sich aus einer tiefen Analyse des Amperegesetzes ergibt, was feststellt, dass:

 Wo:Maxwell analysierte den Fall der Belastung eines Kondensators_C Was durch den leitenden Draht fließt, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist:

Eine Batterie lädt einen Kondensator. Oberflächen (kontinuierliche Linie) und S 'und die Kontur C, um das Ampere -Gesetz anzuwenden, werden gezeigt. Quelle: Modifiziert Pixabay.

Daher ist der Begriff rechts im Amperegesetz, das den Strom betrifft, nicht null und nicht das Mitglied links. Sofortige Schlussfolgerung: Es gibt ein Magnetfeld.

Gibt es Magnetfeld in S '?

Es gibt jedoch keinen Strom, der die gekrümmte Oberfläche selbe Kontur C überschreitet oder überquert, da diese Oberfläche einen Teil dessen umfasst, was sich im Raum zwischen den Kondensatorplatten befindet, von denen wir annehmen können, dass es Luft oder andere Substanz ist - nicht - Dirigent.

In dieser Region gibt es kein leitendes Material, durch das Strom fließt. Es muss daran erinnert werden, dass der Stromkreis für einen Strom geschlossen werden muss. Wenn der Strom null ist, beträgt das Integral der Linken im Ampere -Gesetz 0. Dann gibt es kein Magnetfeld oder ja?

Es gibt definitiv einen Widerspruch. S 'ist auch durch Kurve C begrenzt und die Existenz des Magnetfelds sollte nicht von der Oberfläche abhängen, auf die es begrenzt ist.

Es kann Ihnen dienen: Was ist das Gleichgewicht des Teilchens? (Mit Beispielen)

Maxwell löste den Widerspruch, indem er das Konzept des Verschiebungsstroms einführte i_D.

Verschiebungsstrom

Während der Kondensator lädt, gibt es ein variables elektrisches Feld zwischen den Platten und zirkuliert den Strom vom Fahrer. Wenn der Kondensator geladen ist, hört der Strom im Treiber auf und zwischen den Platten wird ein konstantes elektrisches Feld festgelegt.

Dann hat Maxwell abgeleitet, dass es mit dem variablen elektrischen Feld einen Strom geben sollte, der als Verschiebungsstrom i bezeichnet wird_D, Ein Strom, der keine Lastbewegung beinhaltet. Für Surface S 'ist S' gültig:

 Wo:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Elektrischer Strom ist kein Vektor, obwohl er Größe und Bedeutung ist. Es ist angemessener, die Felder auf einen Betrag zu beziehen, der Vektor ist: die aktuelle Dichte J,deren Größe ist der Quotient zwischen dem Strom und dem Bereich, durch den er passt. Die aktuellen Dichteeinheiten im internationalen System sind AMPs/m².

In Bezug auf diesen Vektor lautet die Verschiebungsstromdichte:

Der Verschiebungsstrom i_D Dies liegt an der Änderung der Zeit des elektrischen Feldflusses zwischen den Kondensatorplatten während des Ladens. Sobald es geladen wurde, ist die Variation des elektrischen Flusses Null und der Verschiebungsstrom verschwindet.

Auf diese Weise, wenn das Ampere -Gesetz auf die Kontur C angewendet wird und die Oberfläche S verwendet wird, wird ich verwendet_C Es ist der Strom, der ihn überschreitet. Stattdessen ich_C Es geht nicht durch S ', sondern ich_D Wenn es so ist.

Übung gelöst

1-ein kreisförmiger paralleler Flachplattenkondensator wird beladen. Der Radius der Platten beträgt 4 cm und in einem Augenblick angesichts des Antriebsstroms i_C = 0.520 a. Es gibt Luft zwischen den Tellern. Finden:

a) die Verschiebungsstromdichte j_D im Raum zwischen den Tellern.

b) die Geschwindigkeit, mit der sich das elektrische Feld zwischen den Platten ändert.

c) das induzierte Magnetfeld zwischen den Platten in einem Abstand von 2 cm von der Axialachse.

d) das gleiche Problem wie in C), aber in einem Abstand von 1 cm von der Axialachse.

Lösung

Abschnitt a

Für die Größe der Stromdichte j J_D Der Bereich der Teller ist erforderlich:

Plattenbereich: a = πr² = π . (4 x 10^-2 M)² = 0.00503 m².

Das elektrische Feld ist zwischen den Platten gleichmäßig, die Stromdichte, da sie proportional sind. Außerdem i_C = i_D Für Kontinuität dann:

Aktuelle j Dichte_D = 0.520 a/0.00503 m² = 103.38 a/m².

Abschnitt b

Der Wechselkurs des elektrischen Feldes ist (von/dt). Eine Gleichung ist erforderlich, um sie auf der Grundlage der ersten Prinzipien zu finden: die aktuelle Definition, die Definition der Kapazität und die Kapazität für einen Plaque -Kondensator.

- Per Definition ist der Strom die Ableitung der Last in Bezug auf die Zeit i_C = DQ/DT

- Die Kapazitätskapazität des Kondensators ist c = q/v, wobei Q die Last ist und V die Potentialdifferenz ist.

- Für seinen Teil ist die Kapazität des parallelen flachen Plaqueskondensators: c = ε_entwederAnzeige.

Niedrigere Verschlüsse werden verwendet, um die Ströme und Spannungen anzugeben, die sich im Laufe der Zeit variieren. Bei der Kombination der zweiten und dritten Gleichung bleibt die Last:

q = c.V = (ε_entwederANZEIGE).v = ε_entwederA (v/d) = ε_entwederAe

Hier ε_entweder Es ist die Zulage des Vakuums, dessen Wert 8 beträgt.85 x 10^-12 C²/N.M². Daher wird ein Ausdruck erhalten, der den Wechselkurs des elektrischen Feldes enthält:

Yo_C = dq/dt = d (ε_entwederAe)/dt = ε_entwederA (von/dt)

Löschen von/dt ist:

(von/dt) = i_C/ (ε_entwederA) = j_D/ε_entweder

Werte ersetzen:

von/dt = (103.38 a/m²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.M² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Das Ergebnis ist ungefähr 1, gefolgt von 13 Nullen. Das elektrische Feld variiert definitiv sehr schnell.

Abschnitt c

Um die Größe des Magnetfeldes zu finden R In den Tellern und konzentrisch für sie, deren Radius r:

Kann Ihnen dienen: Venus (Planet)

Andererseits sind im Integral die Vektoren B und DL parallel, so dass das Skalarprodukt einfach ist Bdl, Wo dl Es ist ein Differential auf dem Weg auf C. Feld B ist konstant alle C und ist nicht integriert:

Gleiche Ergebnisse:

Löschen B Sie haben:

Bewertung für r = 2 cm = 0.02 m:

Abschnitt d

Bewertung der im vorherigen Absatz erhaltenen Gleichung für r = 1 cm = 0.01 m:

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen sind Querwellen, bei denen elektrische und magnetische Felder senkrecht zur Wellenrichtung zueinander sind.

Elektromagnetische Wellen bestehen aus senkrechten elektrischen und magnetischen Feldern. Quelle: Pixabay.

Als nächstes werden wir seine bemerkenswertesten Eigenschaften sehen.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in einem Vakuum ist C ≈3,00 x 10⁸ M/s, unabhängig davon, welche Werte die Wellenlänge und Frequenz haben.

Medien, in denen sie sich ausbreiten

Elektromagnetische Wellen verbreiten sich sowohl im Vakuum als auch in einem Materialmedium, im Gegensatz zu mechanischen Wellen, die ein Medium benötigen.

Verhältnis zwischen Geschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz

Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit C, Die Wellenlänge λ und Frequenz F von elektromagnetischen Wellen im Vakuum ist c = λ.F.

Beziehung zwischen elektrischem und Magnetfeld

Die Größen der elektrischen und magnetischen Felder sind durch E = cb.

Geschwindigkeit in einem bestimmten Medium

In einer bestimmten Umgebung ist es möglich zu demonstrieren, dass die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen durch den Ausdruck gegeben ist:

In denen ε und μ die jeweilige Zulage und Durchlässigkeit der betreffenden Umgebung sind.

Bewegung

Eine elektromagnetische Strahlung mit Energie ODER hat eine Menge an Bewegungen verbunden P deren Größe ist: P = ODER/C.

Arten von elektromagnetischen Wellen

Elektromagnetische Wellen haben einen sehr weiten Bereich von Wellenlängen und Frequenzen. Sie sind in das sogenannte elektromagnetische Spektrum eingeteilt, das in Regionen unterteilt wurde, die unten mit den höchsten Wellenlängen ernannt wurden:

Radiowellen

Sie befindet sich am Ende der höchsten Wellenlänge und der niedrigeren Frequenz und reichen von einigen bis zu einer Milliarde Hertz. Sie werden verwendet, um ein Signal mit Informationen verschiedener Art zu übertragen und von den Antennen erfasst werden. Fernsehen, Radio, Handys, Planeten, Sterne und andere Himmelsbehörden übertragen sie und können gefangen genommen werden.

Mikrowelle

Befindet. Im Gegensatz zu den vorherigen, die bis zu 1,6 km messen können, reichen die Mikrowellen von wenigen Zentimetern bis 33 cm.

Angesichts seiner Spektrumsposition zwischen 100.000 und 400.000 nm, werden verwendet, um Daten zu Frequenzen zu übertragen, die nicht durch Funkwellen gestört werden. Aus diesem Grund werden sie in Radartechnologie, Handys, Küchenöfen und Computerlösungen angewendet.

Die Schwingung ist das Produkt eines Geräts, das als Magnetron bezeichnet wird und eine Art Resonanzhöhle ist, der 2 Scheibenmagnete an den Enden hat. Das elektromagnetische Feld wird durch die Beschleunigung von Kathodenelektronen erzeugt.

Infrarotstrahlen

Diese Wärmewellen werden von thermischen Körpern, einigen Arten von Laser und Dioden emittiert, die Licht emittieren. Obwohl sie sich normalerweise mit Funkwellen und Mikrowellen überlappen, liegt ihr Bereich zwischen 0,7 und 100 Mikrometer.

Entitäten erzeugen am häufigsten Wärme, die von Nachtzuschauern und Haut erkannt werden kann. Sie werden häufig für Fernbedienungen und spezielle Kommunikationssysteme verwendet.

Sichtbares Licht

In der referenziellen Teilung des Spektrums finden wir das wahrnehmbare Licht, das eine Wellenlänge zwischen 0,4 und 0,8 Mikrometern aufweist. Was wir unterscheiden, sind die Farben des Regenbogen.

Die Längenwerte werden in Nanometern und Angstrom gemessen, stellt einen sehr kleinen Teil des gesamten Spektrums dar und dieser Bereich umfasst die größte Menge an Strahlung, die von Sonne und Sternen emittiert wird. Darüber hinaus ist es das Produkt der Beschleunigung von Elektronen in Energietransistaten.

Es kann Ihnen dienen: Durchschnittliche Beschleunigung: Wie es berechnet und gelöst wird

Unsere Wahrnehmung der Dinge basiert auf einer sichtbaren Strahlung, die ein Objekt und dann auf die Augen beeinflusst. Dann interpretiert das Gehirn die Frequenzen, die die Farbe und die Details in den Dingen entstehen.

Ultraviolette Strahlung

Diese Wellen werden im Intervall von 4 und 400 nm gefunden, werden von der Sonne und anderen Prozessen erzeugt, die große Mengen an Wärme abgeben. Eine längere Exposition gegenüber diesen kurzen Wellen kann in Lebewesen Verbrennungen und bestimmte Krebsarten verursachen.

Da sie das Produkt von Elektronensprüngen in angeregten Molekülen und Atomen sind, interveniert ihre Energie in chemischen Reaktionen und werden in der Medizin zum Sterilisieren verwendet. Sie sind für die Ionosphäre verantwortlich, da die Ozonschicht ihre schädlichen Auswirkungen auf die Erde vermeidet.

Röntgenaufnahmen

Diese Bezeichnung liegt daran, dass sie unsichtbare elektromagnetische Wellen sind. Befindet sich zwischen 10 und 0,01 nm (30 bis 30.000 pHZ) sind das Ergebnis von Elektronen, die in schweren Atomen aus Umlaufbahnen springen.

Diese Strahlen können durch die Krone der Sonne, Pulse, Supernovas und schwarze Löcher aufgrund ihrer großen Energiemenge emittiert werden. Die längere Exposition verursacht Krebs und wird im Medikamentsfeld verwendet, um Bilder von Knochenstrukturen zu erhalten.

Gamma Strahlen

Sie befinden sich am linken Ende des Spektrums. Sie sind die meisten Frequenzwellen und treten normalerweise in schwarzen Löchern, Supernovae, Pulsars und Neutronenstern auf. Sie können auch eine Folge von Spaltung, nuklearen Explosionen und Blitz sein.

Da sie nach radioaktiven Emissionen durch Stabilisierungsprozesse im Atomkern erzeugt werden, sind sie tödlich. Seine Wellenlänge ist subatomar, wodurch sie Atome überqueren können. Trotzdem werden sie von der Erdatmosphäre absorbiert.

Anwendungen der verschiedenen elektromagnetischen Wellen

Elektromagnetische Wellen haben die gleichen Eigenschaften in Bezug auf Reflexion und Reflexion wie mechanische Wellen. Und neben der Energie, die sie sich ausbreiten, können sie auch Informationen tragen.

Aus diesem Grund wurden die verschiedenen Arten von elektromagnetischen Wellen auf eine große Anzahl verschiedener Aufgaben angewendet. Als nächstes werden wir einige der häufigsten sehen.

Elektromagnetisches Spektrum und einige seiner Anwendungen. Quelle: Tatoute und Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0/]]

Radiowellen

Kurz nach der Entdeckung zeigte Guglielmo Marconi, dass sie ein ausgezeichnetes Kommunikationsinstrument sein könnten. Seit seiner Entdeckung durch Hertz, drahtlose Kommunikation mit Funkfrequenzen wie AM- und FM -Radio, Fernsehen, Handys und vielem mehr haben sie sich auf der ganzen Welt immer mehr ausgeweitet.

Mikrowelle

Sie können zum Erhitzen von Nahrung verwendet werden, da Wasser ein Dipolmolekül ist, das auf oszillierende elektrische Felder reagieren kann. Lebensmittel enthalten Wassermoleküle, die, wenn sie diesen Feldern ausgesetzt sind, zu schwingen und miteinander zu kollidieren. Der daraus resultierende Effekt ist das Erhitzen.

Sie können auch in der Telekommunikation verwendet werden, da sie in der Atmosphäre mit weniger Interferenzen bewegen können.

Infrarotwellen

Die charakteristischste Anwendung von Infrarot sind Nachtsichtgeräte. Sie werden auch in der Kommunikation zwischen Geräten und spektroskopischen Techniken zur Untersuchung von Sternen, interstellaren Gaswolken und Exoplaneten verwendet.

Mit ihnen können Sie auch Körpertemperaturkarten erzeugen, die dazu dienen, einige Arten von Tumoren zu identifizieren, deren Temperatur größer ist als die der umgebenden Gewebe.

Sichtbares Licht

Das sichtbare Licht bildet einen Großteil des von der Sonne emittierten Spektrums, auf das die Netzhaut reagiert.

Ultraviolette Strahlung

Ultraviolette Strahlen haben genügend Energie, um signifikant mit Materie zu interagieren, so.

X -Strahlen und Gammastrahlen

X -Strahlen und Gammastrahlen haben noch mehr Energie und daher können sie in Weichgewebe eindringen, daher wurden sie fast ab dem Moment ihrer Entdeckung verwendet.

X -Strahlen und Gammastrahlen werden nicht nur als diagnostisches Werkzeug, sondern auch als therapeutisches Instrument für die Tumorzerstörung verwendet.

Verweise

1. Giancoli, d.  (2006). Physik: Prinzipien mit Anwendungen. Sechste Ausgabe. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Grundlagen der Physik. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Universitätsphysik mit moderner Physik. 14. Ausgabe. Pearson. 1053 - 1057.