ELEKTROMAGNETICKÁ ENERGIA: VZOREC, ROVNICE, POUŽITIE, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Elektromagnetická energia je ten, ktorý sa šíri elektromagnetických vĺn (EM). Príkladom je slnečné svetlo, ktoré vyžaruje teplo, prúd, ktorý sa extrahuje z elektrickej zásuvky a röntgenový lúč na výrobu röntgenového žiarenia.

Podobne ako zvukové vlny, keď vibrujú ušným bubnom, elektromagnetické vlny sú schopné prenášať energiu, ktorá sa neskôr môže premeniť na teplo, elektrické prúdy alebo rôzne signály.

Obrázok 1. Antény sú potrebné v telekomunikáciách. Signály, s ktorými pracujú, majú elektromagnetickú energiu. Zdroj: Pixabay.

Elektromagnetická energia sa šíri tak v materiálnom médiu, ako aj vo vákuu, vždy vo forme priečnej vlny a jej využitie nie je ničím novým. Slnečné svetlo je prvotný zdroj elektromagnetickej energie a najstarší známy, ale používanie elektriny je o niečo novšie.

Až v roku 1891 spoločnosť Edison uviedla do prevádzky prvú elektrickú inštaláciu v Bielom dome vo Washingtone DC. A to ako doplnok k plynovým svetlám, ktoré sa používali v tom čase, pretože spočiatku existovalo veľa skepticizmu o ich používaní.

Pravda je taká, že elektromagnetická energia, ktorá neustále prichádza z vesmíru, si zachováva dynamiku toho, čo vo vesmíre nazývame náš domov, a to aj na najodľahlejších miestach a bez elektrického vedenia.

Vzorec a rovnice

Elektromagnetické vlny sú priečne vlny, v ktorých elektrické pole E a magnetické pole B sú navzájom kolmé a smer šírenia vlny je kolmý na polia.

Všetky vlny sa vyznačujú frekvenciou. Je to široká škála frekvencií EM vĺn, ktorá im dáva univerzálnosť pri transformácii ich energie, ktorá je úmerná frekvencii.

Obrázok 2 zobrazuje elektromagnetickú vlnu, v ktorej elektrické pole E v modrej osciluje v rovine zy, magnetické pole B v červenej farbe to robí v rovine xy, zatiaľ čo rýchlosť vlny je nasmerovaná pozdĺž osi + y, podľa zobrazeného súradnicového systému.

Obrázok 2. Elektromagnetická vlna dopadajúca na povrch dodáva energiu podľa Poyntingovho vektora. Zdroj: F. Zapata.

Ak je povrch zasunutý do dráhy obidvoch vĺn, povedzme rovinu plochy A a hrúbky dy, takže je kolmá na rýchlosť vlny , je opísaný tok elektromagnetickej energie na jednotku plochy označený S. z vektora Poynting:

Je ľahké skontrolovať, či sú jednotky S v medzinárodnom systéme Watt / m ² .

Je toho ešte viac. Rozsahy polí E a B sú navzájom prepojené rýchlosťou svetla c. V skutočnosti sa elektromagnetické vlny vo vákuu šíria tak rýchlo. Tento vzťah je:

Nahradením tohto vzťahu v S získame:

Poyntingový vektor sa s časom mení sínusovým spôsobom, takže vyššie uvedená expresia je jeho maximálna hodnota, pretože energia dodávaná elektromagnetickou vlnou osciluje rovnako ako polia. Frekvencia kmitania je samozrejme veľmi veľká, takže ju napríklad nie je možné detegovať napríklad vo viditeľnom svetle.

aplikácia

Spomedzi mnohých použití, ktoré sme už spomínali pre elektromagnetickú energiu, sú uvedené dve, ktoré sa používajú nepretržite v mnohých aplikáciách:

Dipólová anténa

Antény všade zapĺňajú priestor elektromagnetickými vlnami. Existujú napríklad vysielače, ktoré transformujú elektrické signály na rádiové vlny alebo mikrovlnné žiarenie. Existujú aj prijímače, ktoré pracujú opačne: zhromažďujú vlny a prevádzajú ich na elektrické signály.

Pozrime sa, ako vytvoriť elektromagnetický signál, ktorý sa šíri v priestore z elektrického dipólu. Dipól pozostáva z dvoch elektrických nábojov rovnakej veľkosti a protiľahlých znakov, oddelených malou vzdialenosťou.

Na nasledujúcom obrázku je elektrické pole E, keď je náboj + nad (ľavý obrázok). E ukazuje dole v zobrazenom bode.

Obrázok 3. Elektrické pole dipólu v dvoch rôznych polohách. Zdroj: Randall Knight. Fyzika pre vedcov a technikov.

Na obrázku 3 vpravo dipól zmenil polohu a teraz E smeruje nahor. Zopakujme túto zmenu mnohokrát a veľmi rýchlo, napríklad s frekvenciou f. Takto sa vytvorí pole E premenná v čase, čo vedie k vzniku magnetického poľa B , ktoré je tiež variabilné a ktorého tvar je sínusoidný (pozri obrázok 4 a príklad 1 nižšie).

A keďže Faradayov zákon zaručuje, že magnetické pole B s premenlivým časom vedie k vzniku elektrického poľa, ukázalo sa, že osciláciou dipólu už človek má elektromagnetické pole schopné šírenia sa v médiu.

Obrázok 4. Dipólová anténa generuje signál, ktorý prenáša elektromagnetickú energiu. Zdroj: F. Zapata.

Všimnite si, že B ukazuje striedavo na obrazovku alebo z nej (je vždy kolmá na E ).

Energia elektrického poľa: kondenzátor

Kondenzátory majú tú výhodu, že ukladajú elektrický náboj, a teda aj elektrickú energiu. Sú súčasťou mnohých zariadení: motory, rozhlasové a televízne obvody, systémy osvetlenia automobilov a mnoho ďalšieho.

Kondenzátory sa skladajú z dvoch vodičov oddelených malou vzdialenosťou. Každý z nich dostane poplatok rovnakej veľkosti a opačného znamienka, čím sa vytvorí elektrické pole v priestore medzi oboma vodičmi. Geometria sa môže meniť, pretože je dobre známa ako geometria plochého paralelného doskového kondenzátora.

Energia uložená v kondenzátore pochádza z práce, ktorá sa vykonala na jej nabitie, ktorá slúžila na vytvorenie elektrického poľa vo vnútri. Zavedením dielektrického materiálu medzi doskami sa zvyšuje kapacita kondenzátora, a teda aj energia, ktorú môže uchovávať.

Kondenzátor s kapacitou C a pôvodne vybitý, ktorý je nabitý batériou, ktorá dodáva napätie V, až do dosiahnutia náboja Q, ukladá energiu U danú:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = pol CV ²

Obrázok 5. Plochý kondenzátor s paralelnou platňou ukladá elektromagnetickú energiu. Zdroj: Wikimedia Commons. Geek3.

Príklady

Príklad 1: Intenzita elektromagnetickej vlny

Predtým sa hovorilo, že veľkosť Poyntingovho vektora je ekvivalentná s výkonom, ktorý vlna dodáva pre každý štvorcový meter povrchu, a že tiež, keď je vektor časovo závislý, jeho hodnota osciluje až do maxima S = S = ( 1 / μ _alebo .c) E ² .

Priemerná hodnota S v jednom cykle vlny sa ľahko meria a indikuje energiu vlny. Táto hodnota sa nazýva intenzita vĺn a vypočíta sa týmto spôsobom:

Elektromagnetická vlna je predstavovaná sínusovou funkciou:

Kde E _o je amplitúda vlny, k je číslo vlny a ω uhlová frekvencia. takže:

Obrázok 5. Anténa vyžaruje signál v guľovom tvare. Zdroj: F. Zapata.

Príklad 2: Aplikácia na vysielaciu anténu

Existuje rádiová stanica, ktorá vysiela signál s výkonom 10 kW a frekvenciou 100 MHz, ktorý sa šíri sférickým spôsobom, ako na obrázku vyššie.

Nájdite: a) amplitúdu elektrických a magnetických polí v bode vzdialenom 1 km od antény a b) celkovú elektromagnetickú energiu, ktorá dopadne na štvorcový list strany 10 cm v priebehu 5 minút.

Údaje sú:

Riešenie

Rovnica uvedená v príklade 1 sa používa na nájdenie intenzity elektromagnetickej vlny, ale najprv musia byť hodnoty vyjadrené v medzinárodnom systéme:

Tieto hodnoty sa v rovnici okamžite nahradia intenzitou, pretože je to zdroj, ktorý vysiela všade to isté (izotropný zdroj):

Skôr sa hovorilo, že hodnoty E a B súvisia s rýchlosťou svetla:

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

Riešenie b

S _znamená energiu na jednotku plochy a zase je energia na jednotku času. Vynásobením _priemeru S plochou dosky a časom expozície sa získa požadovaný výsledok:

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

Referencie

1. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 6. Elektromagnetizmus. Editoval Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. Medzinárodný výbor pre elektromagnetickú bezpečnosť. Fakty o elektromagnetickej energii a kvalitatívny pohľad. Zdroj: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson. 893-896.
4. Štátna univerzita v Portlande. Transportná energia EM. Zdroj: pdx.edu
5. Čo je elektromagnetická energia a prečo je dôležitá? Obnovené z: sciencestruck.com.