ELEKTROMAGNETISK ENERGI: FORMEL, EKVATIONER, ANVÄNDNING, EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den elektromagnetiska energin är en som sprids via elektromagnetiska vågor (EM). Exempel på detta är solskenet som strålar ut värme, strömmen som utvinns från eluttaget och röntgenstrålarna för att producera röntgenstrålar.

Precis som ljudvågor när de vibrerar trumhinnan, kan elektromagnetiska vågor överföra energi som senare kan omvandlas till värme, elektriska strömmar eller olika signaler.

Figur 1. Antenner är nödvändiga för telekommunikation. Signalerna som de arbetar med har elektromagnetisk energi. Källa: Pixabay.

Elektromagnetisk energi sprider sig både i ett materiellt medium och i ett vakuum, alltid i form av en tvärgående våg och att använda det är inte något nytt. Solljus är den ursprungliga källan till elektromagnetisk energi och den äldsta kända, men att använda elektricitet är något nyare.

Det var först 1891 som Edison Company startade den första elektriska installationen i Vita huset i Washington DC. Och det som ett komplement till de gasbaserade lamporna som användes vid den tiden, eftersom det till en början fanns mycket skepsis kring deras användning.

Sanningen är att även på de mest avlägsna platserna och saknar kraftledningar fortsätter den elektromagnetiska energin som ständigt anländer från rymden att bibehålla dynamiken i det vi kallar vårt hem i universum.

Formel och ekvationer

Elektromagnetiska vågor är tvärgående vågor, i vilka det elektriska fältet E och magnetfältet B är vinkelräta mot varandra, och vågens utbredningsriktning är vinkelrätt mot fälten.

Alla vågor kännetecknas av deras frekvens. Det är det breda frekvensområdet för EM-vågor, som ger dem mångsidighet när de transformerar sin energi, som är proportionell mot frekvensen.

Figur 2 visar en elektromagnetisk våg, i det det elektriska fältet E i blått oscillerar i zy-planet, magnetfältet B i rött gör det i xy-planet, medan vågens hastighet riktas längs axeln + y, enligt det visade koordinatsystemet.

Figur 2. En elektromagnetisk våghändelse på en yta levererar energi enligt Poynting-vektorn. Källa: F. Zapata.

Om en yta är placerad i banan för båda vågorna, säg ett plan med område A och tjocklek dy, så att det är vinkelrätt mot vågens hastighet , beskrivs flödet av elektromagnetisk energi per enhetsområde, betecknat S, genom från Poynting-vektorn:

Det är lätt att kontrollera att enheterna i S är Watt / m ² i det internationella systemet.

Det finns fortfarande mer. Storleken på E- och B- fälten är relaterade till varandra med ljusets hastighet c. Faktum är att elektromagnetiska vågor i vakuum fortplantar sig så snabbt. Detta förhållande är:

Att ersätta denna relation i S får vi:

Poynting-vektorn varierar med tiden på ett sinusformat sätt, så ovanstående uttryck är dess maximala värde, eftersom energin som levereras av den elektromagnetiska vågen också oscillerar, liksom fälten. Självklart är svängningsfrekvensen mycket stor, så det är inte möjligt att upptäcka det i synligt ljus, till exempel.

tillämpningar

Bland de många användningsområden som vi redan har nämnt för elektromagnetisk energi nämns här två som används kontinuerligt i många tillämpningar:

Dipolantenn

Antenner fyller överallt utrymme med elektromagnetiska vågor. Det finns sändare som till exempel transformerar elektriska signaler till radiovågor eller mikrovågsugn. Och det finns mottagare som gör det omvända arbetet: de samlar vågorna och omvandlar dem till elektriska signaler.

Låt oss se hur man skapar en elektromagnetisk signal som sprider sig i rymden från en elektrisk dipol. Dipolen består av två elektriska laddningar med samma storlek och motsatta tecken, åtskilda med ett litet avstånd.

I följande figur är det elektriska fältet E när laddningen + är över (vänster figur). E pekar nedåt på den visade punkten.

Figur 3. Elektriskt fält för en dipol i två olika positioner. Källa: Randall Knight. Fysik för forskare och ingenjörer.

I figur 3 till höger ändrade dipolen position och nu pekar E uppåt. Låt oss upprepa denna förändring många gånger och mycket snabbt, säg med en frekvens f. På detta sätt skapas en fält E- variabel i tid, vilket ger upphov till ett magnetfält B , också variabelt och vars form är sinusformad (se figur 4 och exempel 1 nedan).

Och eftersom Faradays lag säkerställer att ett tidsvarierande magnetfält B ger upphov till ett elektriskt fält, visar det sig att man genom att svänga dipolen redan har ett elektromagnetiskt fält som kan spridas i mediet.

Bild 4. En dipolantenn genererar en signal som bär elektromagnetisk energi. Källa: F. Zapata.

Lägg märke till att B pekar in eller ut från skärmen växelvis (det är alltid vinkelrätt mot E ).

Elektriskt fältenergi: kondensatorn

Kondensatorer har fördelen att lagra elektrisk laddning och därför elektrisk energi. De är en del av många enheter: motorer, radio- och TV-kretsar, bilbelysningssystem och mycket mer.

Kondensatorer består av två ledare separerade med ett litet avstånd. Var och en får en laddning av samma storlek och motsatt tecken, vilket skapar ett elektriskt fält i utrymmet mellan båda ledarna. Geometrien kan variera, eftersom den är en välkänd den för den platt-parallella plattkondensorn.

Energin lagrad i en kondensator kommer från det arbete som gjordes för att ladda den, vilket tjänade till att skapa det elektriska fältet inuti det. Genom att införa ett dielektriskt material mellan plattorna ökar kondensatorns kapacitet och därför den energi den kan lagra.

En kondensator med kapacitet C och urladdas initialt, som laddas av ett batteri som levererar en spänning V, tills den når en laddning Q, lagrar en energi U som ges av:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Bild 5. En platt kondensator med parallellplatta lagrar elektromagnetisk energi. Källa: Wikimedia Commons. Geek3.

exempel

Exempel 1: Intensitet hos en elektromagnetisk våg

Tidigare sades det att storleken på Poynting-vektorn är ekvivalent med kraften som vågen levererar för varje kvadratmeter yta, och att också, eftersom vektorn är tidsberoende, dess värde oscillerade upp till maximalt S = S = ( 1 / μ _eller .c) E ² .

Medelvärdet för S i en vågcykel är lätt att mäta och indikerar vågens energi. Detta värde kallas vågintensitet och beräknas på detta sätt:

En elektromagnetisk våg representeras av en sinusfunktion:

Där E _o är amplituden av vågen, k vågtalet och co vinkelfrekvensen. Så:

Bild 5. Antennen strålar signalen i en sfärisk form. Källa: F. Zapata.

Exempel 2: Applicering på en sändande antenn

Det finns en radiostation som överför en signal med 10 kW effekt och en frekvens på 100 MHz, som sprids på ett sfäriskt sätt, som i figuren ovan.

Hitta: a) amplituden hos de elektriska och magnetiska fälten vid en punkt belägen 1 km från antennen och b) den totala elektromagnetiska energin som faller på ett kvadratiskt ark av sidan 10 cm under en period av 5 minuter.

Uppgifterna är:

Lösning till

Ekvationen som ges i exempel 1 används för att hitta intensiteten hos den elektromagnetiska vågen, men först måste värdena uttryckas i det internationella systemet:

Dessa värden ersätts omedelbart i ekvationen för intensiteten, eftersom det är en källa som avger densamma överallt (isotropisk källa):

Tidigare sades att storleken på E och B var relaterade av ljusets hastighet:

B = (0,775 / 300.000.000) T = 2,58 x ^10-9 T

Lösning b

S _betyder kraft per enhetsarea och i sin tur är energi energi per tidsenhet. Genom _att multiplicera _medelvärdet S med plattans område och med exponeringstiden erhålls det önskade resultatet:

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

referenser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 6. Elektromagnetism. Redigerad av Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Internationella kommittén för elektromagnetisk säkerhet). Fakta om elektromagnetisk energi och en kvalitativ vy. Hämtad från: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fysik för forskare och teknik: en strategi-strategi. Pearson. 893-896.
4. Portland State University. EM-vågor transporterar energi. Hämtad från: pdx.edu
5. Vad är elektromagnetisk energi och varför är det viktigt? Återställd från: sciencestruck.com.