ELEKTROMAGNETICKÉ VLNY: MAXWELLOVA TEÓRIA, TYPY, CHARAKTERISTIKY - FYZICKÝ - 2026

Tieto elektromagnetické vlny sú priečne vlny, ktoré zodpovedajú polí spôsobených urýchlenými elektrickými nábojmi. Devätnáste storočie bolo storočím veľkého pokroku v oblasti elektriny a magnetizmu, ale vedci si až do prvej polovice obdobia neuvedomovali vzťah medzi oboma javmi a verili im, že sú na sebe nezávislí.

Bol to škótsky fyzik James Clerk Maxwell (1831 - 1879), ktorý dokázal svetu, že elektrina a magnetizmus sú iba dvoma stranami tej istej mince. Oba javy spolu úzko súvisia.

Búrka. Zdroj: Pixabay.

Maxwellova teória

Maxwell zjednotil teóriu elektriny a magnetizmu v 4 elegantných a stručných rovniciach, ktorých predpovede sa čoskoro potvrdili:

Aké dôkazy musel Maxwell vyvinúť pre svoju elektromagnetickú teóriu?

Už bolo faktom, že elektrické prúdy (pohybujúce sa náboje) vytvárajú magnetické pole a následne premenlivé magnetické pole vytvára elektrické prúdy vo vodivých obvodoch, čo by naznačovalo, že premenlivé magnetické pole indukuje elektrické pole.

Mohol by byť možný spätný jav? Boli by variabilné elektrické polia schopné generovať magnetické polia striedavo?

Maxwell, žiak Michaela Faradaya, bol presvedčený o existencii symetrie v prírode. Tieto princípy sa museli riadiť aj elektrickými aj magnetickými javmi.

Podľa tohto výskumníka by kmitajúce polia spôsobovali rušenie rovnakým spôsobom, akým kameň vrhnutý do rybníka vytvára vlny. Tieto poruchy nie sú ničím iným ako kmitaním elektrických a magnetických polí, ktoré Maxwell presne nazýval elektromagnetické vlny.

Predpovede Maxwell

Maxwellove rovnice predpovedali existenciu elektromagnetických vĺn s rýchlosťou šírenia rovnajúcou sa rýchlosti svetla. Predikciu potvrdil krátko potom nemecký fyzik Heinrich Hertz (1857 - 1894), ktorému sa podarilo tieto vlny generovať vo svojom laboratóriu pomocou LC obvodu. Stalo sa to krátko po Maxwellovej smrti.

Na overenie správnosti teórie musel Hertz vybudovať detektor, ktorý mu umožnil nájsť vlnovú dĺžku a frekvenciu, údaje, z ktorých mohol vypočítať rýchlosť elektromagnetických rádiových vĺn, ktoré sa zhodovali s rýchlosťou svetla. ,

Vedecká komunita v tom čase prijímala Maxwellovu prácu skepticky. Možno to bolo čiastočne preto, že Maxwell bol vynikajúci matematik a predstavil svoju teóriu so všetkými formalitami prípadu, ktorým mnohí nerozumeli.

Hertzov experiment však bol vynikajúci a presvedčivý. Ich výsledky boli dobre prijaté a boli odstránené pochybnosti o pravdivosti Maxwellových predpovedí.

Prúd výtlaku

Súčasným vysídlením je vytvorenie Maxwellu, ktoré vyplýva z hĺbkovej analýzy Ampérovho zákona a uvádza, že:

Batéria nabíja kondenzátor. Je ukázané, že povrchy S (plná čiara) a S 'a obrys C aplikujú Ampérov zákon. Zdroj: upravený z Pixabay.

Preto pojem právo v Ampérovom zákone, ktorý sa týka súčasného, ​​nie je neplatný a ani člen vľavo nie je. Okamžitý záver: existuje magnetické pole.

Je v S 'magnetické pole?

Neexistuje však žiadny prúd, ktorý prechádza alebo prechádza zakriveným povrchom S ', ktorý má rovnaký obrys C, pretože tento povrch zahŕňa časť toho, čo je v priestore medzi doskami kondenzátora, čo môžeme predpokladať, že je vzduch alebo iná látka nevodivé.

V tejto oblasti neexistuje vodivý materiál, cez ktorý by prúdil akýkoľvek prúd. Malo by sa pamätať na to, že na to, aby pretekal prúd, musí byť obvod uzavretý. Pretože prúd je nula, integrál vľavo v Ampérovom zákone je 0. Nie je teda žiadne magnetické pole, nie?

Určite existuje rozpor. S 'je tiež obmedzená krivkou C a existencia magnetického poľa nesmie závisieť od povrchu, na ktorý C hraničí.

Maxwell vyriešený rozpor tým, že zavádza pojem posunutie prúdu I _D .

Prúd výtlaku

Kým sa kondenzátor nabíja, medzi doskami existuje premenlivé elektrické pole a prúd vedie cez vodič. Keď sa kondenzátor nabíja, prúd vo vodiči ustane a medzi doskami sa vytvorí konštantné elektrické pole.

Potom Maxwell usúdil, že v spojení s premenlivým elektrickým poľom musí existovať prúd, ktorý nazval posunovacím prúdom i _D , prúd, ktorý nezahŕňa pohyb náboja. Pre povrch S 'platí:

Elektrický prúd nie je vektorom, hoci má veľkosť a význam. Je vhodnejšie spojiť polia s kvantitou, ktorá je vektorom: prúdová hustota J , ktorej veľkosť je kvocient medzi prúdom a oblasťou, cez ktorú prechádza. Jednotky prúdové hustoty v medzinárodnom systéme sú ampérov / m ² .

Pokiaľ ide o tento vektor, hustota výtlačného prúdu je:

Týmto spôsobom, keď sa použije Ampérov zákon na obrys C a použije sa povrch S, i _C je prúd, ktorý ním prechádza. Na druhú stranu, ja _C neprechádza S ', ale _D robí.

Cvičenie bolo vyriešené

Rýchlosť v danom médiu

V danom médiu je možné preukázať, že rýchlosť elektromagnetických vĺn je daná výrazom:

Kde ε a μ sú príslušná permitivita a priepustnosť daného média.

Množstvo pohybu

Elektromagnetické žiarenie s energiou U má pridruženú hybnosť p, ktorej veľkosť je: p = U / c.

Druhy elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny majú veľmi široký rozsah vlnových dĺžok a frekvencií. Sú zoskupené do takzvaného elektromagnetického spektra, ktoré bolo rozdelené do regiónov, ktoré sú pomenované nižšie, počnúc najdlhšími vlnovými dĺžkami:

Rádiové vlny

Nachádza sa na najvyššej vlnovej dĺžke a na najnižšej frekvenčnej hranici, pohybujú sa v rozmedzí od niekoľkých do miliardy Hertzov. Sú to také, ktoré sa používajú na prenos signálu s informáciami rôzneho druhu a sú zachytené anténami. Televízia, rozhlas, mobilné telefóny, planéty, hviezdy a iné nebeské telá ich vysielajú a dajú sa zachytiť.

Mikrovlnka

Nachádza sa na ultravysokých (UHF), super vysokých (SHF) a extrémne vysokých (EHF) frekvenciách, pohybujú sa medzi 1 GHz a 300 GHz. Sú v rozsahu od niekoľkých centimetrov do 33 cm.

Vzhľadom na svoju polohu v spektre medzi 100 000 a 400 000 nm sa používajú na prenos údajov o frekvenciách, ktoré nie sú rušené rádiovými vlnami. Z tohto dôvodu sa používajú v radarovej technológii, mobilných telefónoch, kuchynských peciach a počítačových riešeniach.

Jeho oscilácia je produktom zariadenia známeho ako magnetrón, čo je druh rezonančnej dutiny, ktorá má na svojich koncoch dva kotúčové magnety. Elektromagnetické pole je generované zrýchlením elektrónov z katódy.

Infračervené lúče

Tieto tepelné vlny sú vyžarované tepelnými telesami, niektorými typmi laserov a svetelnými diódami. Aj keď majú tendenciu sa prekrývať s rádiovými vlnami a mikrovlnami, ich dosah je medzi 0,7 a 100 mikrometrov.

Subjekty najčastejšie produkujú teplo, ktoré je možné zistiť nočnými okuliarmi a pokožkou. Často sa používajú pre diaľkové ovládače a špeciálne komunikačné systémy.

Viditeľné svetlo

V referenčnom rozdelení spektra nachádzame viditeľné svetlo, ktoré má vlnovú dĺžku medzi 0,4 a 0,8 mikrometrov. Rozlišujeme farby dúhy, kde najnižšiu frekvenciu charakterizuje červená a najvyššia fialová.

Jeho hodnoty dĺžky sa merajú v nanometroch a Angstrome, predstavuje veľmi malú časť celého spektra a tento rozsah zahŕňa najväčšie množstvo žiarenia vyžarovaného slnkom a hviezdami. Okrem toho je to produkt zrýchlenia elektrónov v energetických tranzitoch.

Naše vnímanie vecí je založené na viditeľnom žiarení, ktoré dopadá na objekt a potom na oči. Mozog potom interpretuje frekvencie, ktoré spôsobujú farbu a detaily prítomné vo veciach.

Ultrafialové lúče

Tieto vlnky sú v rozsahu 4 a 400 nm, sú generované slnkom a inými procesmi, ktoré emitujú veľké množstvo tepla. Dlhodobé vystavenie týmto krátkym vlnám môže spôsobiť popáleniny a určité druhy rakoviny v živých veciach.

Pretože sú produktom skokov elektrónov vo vzrušených molekulách a atómoch, ich energia sa podieľa na chemických reakciách a používa sa v medicíne na sterilizáciu. Sú zodpovedné za ionosféru, pretože ozónová vrstva zabraňuje škodlivým účinkom na Zem.

röntgenové lúče

Toto označenie je spôsobené skutočnosťou, že ide o neviditeľné elektromagnetické vlny schopné prechádzať cez nepriehľadné telá a vytvárať fotografické výtlačky. Nachádza sa medzi 10 a 0,01 nm (30 až 30 000 PHz) a sú výsledkom elektrónov vyskočených z obežných dráh v ťažkých atómoch.

Tieto lúče môžu byť emitované slnečnou korónou, pulzary, supernovy a čiernymi dierami kvôli ich veľkému množstvu energie. Ich dlhodobá expozícia spôsobuje rakovinu a používajú sa v lekárskej oblasti na získanie snímok štruktúr kostí.

Lúče gama

Nachádza sa úplne vľavo od spektra a sú to vlny, ktoré majú najvyššiu frekvenciu a zvyčajne sa vyskytujú v čiernych dierach, supernových, pulzároch a neutrónových hviezdach. Môžu byť tiež výsledkom štiepenia, jadrových výbuchov a bleskov.

Pretože sú generované stabilizačnými procesmi v atómovom jadre po rádioaktívnych emisiách, sú smrtiace. Ich vlnová dĺžka je subatomárna, čo im umožňuje prejsť atómami. Stále ich absorbuje zemská atmosféra.

Aplikácie rôznych elektromagnetických vĺn

Elektromagnetické vlny majú rovnaké odrazové a odrazové vlastnosti ako mechanické vlny. A spolu s energiou, ktorú šíria, môžu prenášať aj informácie.

Z tohto dôvodu boli na veľké množstvo rôznych úloh aplikované rôzne typy elektromagnetických vĺn. Tu uvidíme niektoré z najbežnejších.

Elektromagnetické spektrum a niektoré jeho aplikácie. Zdroj: Tatoute a Phrood

Rádiové vlny

Krátko po objavení Guglielmo Marconi dokázal, že by mohli byť vynikajúcim komunikačným nástrojom. Od svojho objavu spoločnosťou Hertz sa bezdrôtová komunikácia s rádiovými frekvenciami, ako sú AM a FM rádio, televízia, mobilné telefóny a oveľa viac, rozšírila po celom svete.

Mikrovlnka

Môžu byť použité na ohrievanie jedla, pretože voda je dipólová molekula, ktorá je schopná reagovať na kmitajúce elektrické pole. Jedlo obsahuje molekuly vody, ktoré po vystavení týmto poliam začnú kmitať a vzájomne sa zrážať. Výsledným účinkom je otepľovanie.

Môžu byť tiež použité v telekomunikáciách kvôli svojej schopnosti cestovať v atmosfére s menším rušením ako iné vlny s väčšou vlnovou dĺžkou.

Infračervené vlny

Najcharakteristickejšou aplikáciou infračerveného žiarenia sú zariadenia pre nočné videnie. Používajú sa tiež pri komunikácii medzi zariadeniami a v spektroskopických technikách na štúdium hviezd, oblakov medzihviezdnych plynov a exoplanet.

S nimi môžete tiež vytvoriť mapy telesnej teploty, ktoré sa používajú na identifikáciu niektorých typov nádorov, ktorých teplota je vyššia ako teplota okolitých tkanív.

Viditeľné svetlo

Viditeľné svetlo tvorí veľkú časť spektra vyžarovaného Slnkom, na ktoré sietnica reaguje.

Ultrafialové lúče

Ultrafialové lúče majú dostatok energie, aby významne interagovali s látkou, takže nepretržité vystavenie sa tomuto žiareniu spôsobuje predčasné starnutie a zvyšuje riziko vzniku rakoviny kože.

Röntgenové lúče a gama lúče

Röntgenové lúče a gama lúče majú ešte viac energie, a preto sú schopné preniknúť do mäkkých tkanív, a preto sa takmer od okamihu ich objavenia používajú na diagnostikovanie zlomenín a skúmanie vnútra tela pri hľadaní chorôb. ,

Röntgenové lúče a gama lúče sa používajú nielen ako diagnostický nástroj, ale aj ako terapeutický nástroj na ničenie nádorov.

Referencie

1. Giancoli, D. (2006). Fyzika: Princípy s aplikáciami. Šieste vydanie. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Základy fyziky. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Univerzitná fyzika s modernou fyzikou. 14. vydanie. Pearson. 1053-1057.