ELEKTROMAGNETISKA VÅGOR: MAXWELLS TEORI, TYPER, EGENSKAPER - FYSISK - 2025

De elektromagnetiska vågorna är tvärgående vågor som motsvarar fält orsakade av accelererade elektriska laddningar. 1800-talet var århundradet av stora framsteg inom elektricitet och magnetism, men fram till första hälften av det var forskare fortfarande omedvetna om förhållandet mellan de två fenomenen och trodde dem oberoende av varandra.

Det var den skotska fysikern James Clerk Maxwell (1831-1879) som bevisade för världen att elektricitet och magnetism bara var två sidor av samma mynt. Båda fenomenen är nära besläktade.

Ett åskoväder. Källa: Pixabay.

Maxwell teori

Maxwell förenade teorin om elektricitet och magnetism i fyra eleganta och kortfattade ekvationer, vars förutsägelser snart bekräftades:

Vilka bevis hade Maxwell för att utveckla sin elektromagnetiska teori?

Det var redan ett faktum att elektriska strömmar (rörliga laddningar) producerar magnetfält, och i sin tur kommer ett variabelt magnetfält från elektriska strömmar i ledande kretsar, vilket skulle innebära att ett variabelt magnetfält inducerar ett elektriskt fält.

Kan det omvända fenomenet vara möjligt? Skulle variabla elektriska fält kunna generera magnetfält i sin tur?

Maxwell, en lärjunge till Michael Faraday, var övertygad om att det finns symmetrier i naturen. Både elektriska och magnetiska fenomen måste också följa dessa principer.

Enligt denna forskare skulle oscillerande fält generera störningar på samma sätt som en sten som kastas i ett damm genererar vågor. Dessa störningar är inget annat än svängande elektriska och magnetiska fält, som Maxwell exakt kallade elektromagnetiska vågor.

Maxwell förutsägelser

Maxwells ekvationer förutspådde förekomsten av elektromagnetiska vågor med utbredningshastighet lika med ljusets hastighet. Förutsägelsen bekräftades kort efter av den tyska fysikern Heinrich Hertz (1857 - 1894), som lyckades generera dessa vågor i sitt laboratorium med hjälp av en LC-krets. Detta inträffade strax efter Maxwells död.

För att verifiera teoriens korrekthet måste Hertz bygga en detektoranordning som gjorde det möjligt för honom att hitta våglängden och frekvensen, data från vilken han kunde beräkna hastigheten för elektromagnetiska radiovågor, sammanfaller med ljusets hastighet. .

Maxwells arbete hade tagits emot med skepsis av det vetenskapliga samhället då. Kanske berodde det delvis på att Maxwell var en lysande matematiker och hade presenterat sin teori med all formalitet i fallet, vilket många inte lyckades förstå.

Hertzs ​​experiment var emellertid lysande och övertygande. Deras resultat mottogs väl och tvivel om sanningen i Maxwells förutsägelser rensades.

Förskjutningsström

Förflyttningsströmmen är skapandet av Maxwell som härrör från en djup analys av Amperes lag, som säger att:

Ett batteri laddar en kondensator. Ytorna S (hel linje) och S 'och konturen C visas att tillämpa Amperes lag. Källa: modifierad från Pixabay.

Därför är termen till höger i Amperes lag, som involverar strömmen, inte ogiltig och inte heller medlemmen till vänster. Omedelbar slutsats: det finns ett magnetfält.

Finns det ett magnetfält vid S '?

Det finns emellertid ingen ström som korsar eller korsar den krökta ytan S ', som har samma kontur C, eftersom denna yta omfattar en del av det som finns i utrymmet mellan kondensorns plattor, vilket vi kan anta är luft eller annat ämne icke ledande.

I det området finns inget ledande material genom vilket någon ström flyter. Det bör komma ihåg att kretsen måste vara stängd för att en ström ska flöda. Eftersom strömmen är noll är integralen till vänster i Amperes lag 0. Det finns inget magnetfält då, finns det?

Det finns definitivt en motsägelse. S 'begränsas också av kurva C och magnetfältets existens får inte bero på ytan till vilken C begränsar.

Maxwell löst motsättningen genom att införa begreppet förskjutningsströmmen i _D .

Förskjutningsström

Medan kondensatorn laddas finns ett variabelt elektriskt fält mellan plattorna och strömmen flyter genom ledaren. När kondensatorn laddas upphör strömmen i ledaren och ett konstant elektriskt fält upprättas mellan plattorna.

Sedan drog Maxwell slutsatsen att det i samband med det variabla elektriska fältet måste finnas en ström som han kallade en förskjutningsström i _D , en ström som inte involverar laddningsrörelse. För ytan S 'är det giltigt:

Elektrisk ström är inte en vektor, även om den har storlek och betydelse. Det är mer lämpligt att relatera fälten till en kvantitet som är vektor: strömtätheten J , vars storlek är kvoten mellan strömmen och området genom vilken den passerar. Enheterna för strömtäthet i det internationella systemet är ampere / m ² .

I termer av denna vektor är förskjutningsströmtätheten:

På detta sätt, när Amperes lag tillämpas på konturen C och ytan S används, är i _C strömmen genom den. Å andra sidan, i _C passerar inte genom S', men jag _D gör.

Träningen löst

Hastighet i ett visst medium

I ett givet medium är det möjligt att visa att hastigheten för elektromagnetiska vågor ges av uttrycket:

I vilka ε och μ är respektive permittivitet och permeabilitet för det aktuella mediet.

Rörelsemängd

En elektromagnetisk strålning med energi U har ett tillhörande momentum p vars storlek är: p = U / c.

Typer av elektromagnetiska vågor

Elektromagnetiska vågor har ett mycket stort antal våglängder och frekvenser. De är grupperade i vad som kallas det elektromagnetiska spektrumet, som har delats in i regioner, som nämns nedan, med början med de längsta våglängderna:

Radiovågor

Ligger vid den högsta våglängden och den lägsta frekvensänden, de sträcker sig från några till en miljard Hertz. Det är de som används för att sända en signal med information av olika slag och fångas av antennerna. TV, radio, mobiler, planeter, stjärnor och andra himmelorgan sänder dem och de kan fångas.

Mikrovågsugn

De ligger i de ultrahöga (UHF), superhöga (SHF) och extremt höga (EHF) frekvenserna, och sträcker sig mellan 1 GHz och 300 GHz. Till skillnad från de tidigare som kan mäta upp till 1,6 km, mikrovågor De sträcker sig från några centimeter till 33 cm.

Med tanke på deras position i spektrumet, mellan 100 000 och 400 000 nm, används de för att överföra data om frekvenser som inte störs av radiovågor. Av den anledningen används de inom radarteknologi, mobiltelefoner, köksugnar och datorlösningar.

Dess svängning är produkten från en anordning känd som en magnetron, som är en typ av resonanshålighet som har två skivmagneter i ändarna. Det elektromagnetiska fältet genereras genom accelerationen av elektronerna från katoden.

Infraröda strålar

Dessa värmevågor släpps ut av termiska kroppar, vissa typer av lasrar och ljusemitterande dioder. Även om de tenderar att överlappa varandra med radiovågor och mikrovågor är deras intervall mellan 0,7 och 100 mikrometer.

Enheterna producerar ofta värme som kan upptäckas av nattglasögon och huden. De används ofta för fjärrkontroller och speciella kommunikationssystem.

Synligt ljus

I referensdelningen av spektrumet finner vi synligt ljus, som har en våglängd mellan 0,4 och 0,8 mikrometer. Det vi skiljer är regnbågens färger, där den lägsta frekvensen kännetecknas av röd och den högsta av violet.

Dess längdvärden mäts i nanometer och Angström, det representerar en mycket liten del av hela spektrumet och detta område inkluderar den största mängden strålning som utsänds av solen och stjärnorna. Dessutom är det produkten av accelerationen av elektroner i energitransiter.

Vår uppfattning av saker är baserad på synlig strålning som faller på ett objekt och sedan på ögonen. Hjärnan tolkar sedan frekvenserna som ger upphov till färgen och detaljerna som finns i saker.

Ultravioletta strålar

Dessa krusningar är i intervallet 4 och 400 nm, de genereras av solen och andra processer som avger stora mängder värme. Långvarig exponering för dessa korta vågor kan orsaka brännskador och vissa typer av cancer i levande saker.

Eftersom de är en produkt av hopp av elektroner i upphetsade molekyler och atomer, är deras energi involverad i kemiska reaktioner och de används i medicin för att sterilisera. De är ansvariga för jonosfären eftersom ozonskiktet förhindrar dess skadliga effekter på jorden.

Röntgenstrålar

Denna beteckning beror på det faktum att det är osynliga elektromagnetiska vågor som kan passera genom ogenomskinliga kroppar och producera fotografiska tryck. De ligger mellan 10 och 0,01 nm (30 till 30 000 PHz) och är resultatet av elektroner som hoppar från banor i tunga atomer.

Dessa strålar kan släppas ut av solens korona, pulsars, supernovaer och svarta hål på grund av deras stora mängd energi. Deras långvariga exponering orsakar cancer och de används inom det medicinska området för att få bilder av benstrukturer.

Gamma-strålar

Beläget längst till vänster om spektrumet är de vågorna som har den högsta frekvensen och förekommer vanligtvis i svarta hål, supernovaer, pulsars och neutronstjärnor. De kan också vara ett resultat av klyvning, kärnkraftsexplosioner och blixtnedslag.

Eftersom de genereras av stabiliseringsprocesser i atomkärnan efter radioaktiva utsläpp är de dödliga. Deras våglängd är subatomisk, vilket gör att de kan passera genom atomer. De absorberas fortfarande av jordens atmosfär.

Tillämpningar av de olika elektromagnetiska vågorna

Elektromagnetiska vågor har samma reflektions- och reflektionsegenskaper som mekaniska vågor. Och tillsammans med den energi de sprider kan de också bära information.

På grund av detta har olika typer av elektromagnetiska vågor applicerats på ett stort antal olika uppgifter. Här kommer vi att se några av de vanligaste.

Elektromagnetiskt spektrum och några av dess tillämpningar. Källa: Tatoute och Phrood

Radiovågor

Strax efter att ha upptäckts bevisade Guglielmo Marconi att de kunde vara ett utmärkt kommunikationsverktyg. Sedan Hertz upptäckte har trådlös kommunikation med radiofrekvenser som AM- och FM-radio, TV, mobiltelefoner och mycket mer blivit allt mer utbredd över hela världen.

Mikrovågsugn

De kan användas för att värma mat, eftersom vatten är en dipolmolekyl som kan svara på svängande elektriska fält. Mat innehåller vattenmolekyler, som när de utsätts för dessa fält börjar svänga och kollidera med varandra. Den resulterande effekten är uppvärmningen.

De kan också användas i telekommunikation på grund av deras förmåga att resa i atmosfären med mindre störningar än andra vågor med större våglängd.

Infraröda vågor

Den mest karakteristiska tillämpningen av infraröd är nattsynenheter. De används också i kommunikation mellan enheter och i spektroskopiska tekniker för studier av stjärnor, interstellära gasmoln och exoplaneter.

De kan också skapa kroppstemperaturskartor, som används för att identifiera vissa typer av tumörer vars temperatur är högre än den omgivande vävnaderna.

Synligt ljus

Synligt ljus utgör en stor del av det spektrum som avges av solen, på vilket näthinnan svarar.

Ultravioletta strålar

Ultravioletta strålar har tillräckligt med energi för att interagera med materien betydligt, så kontinuerlig exponering för denna strålning orsakar för tidigt åldrande och ökar risken för hudcancer.

Röntgenstrålar och gammastrålar

Röntgenstrålar och gammastrålar har ännu mer energi och är därför kapabla att tränga in i mjuka vävnader, varför de nästan från det att de upptäckts har använts för att diagnostisera sprickor och undersöka kroppens inre på jakt efter sjukdomar. .

Röntgenstrålar och gammastrålar används inte bara som ett diagnostiskt verktyg, utan som ett terapeutiskt verktyg för att förstöra tumörer.

referenser

1. Giancoli, D. (2006). Fysik: principer med tillämpningar. Sjätte upplagan. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fundamentals of Physics. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Universitetsfysik med modern fysik. 14: e upplagan. Pearson. 1053-1057.