ENERGIA ELECTROMAGNETICĂ: FORMULĂ, ECUAȚII, UTILIZĂRI, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Energia electromagnetică este cea care se răspândește prin unde electromagnetice (EM). Exemple în acest sens sunt lumina solară care radiază căldură, curentul care este extras din priza electrică și cel al razelor X pentru a produce raze X.

La fel ca undele sonore când vibrează timpanul, undele electromagnetice sunt capabile să transfere energie care poate fi transformată ulterior în căldură, curenți electrici sau diverse semnale.

Figura 1. Antenele sunt necesare în telecomunicații. Semnalele cu care lucrează au energie electromagnetică. Sursa: Pixabay.

Energia electromagnetică se propagă atât într-un mediu material, cât și într-un vid, întotdeauna sub formă de undă transversală și utilizarea acesteia nu este ceva nou. Lumina soarelui este sursa primordială de energie electromagnetică și cea mai veche cunoscută, însă utilizarea energiei electrice este ceva mai recentă.

Abia în 1891, Edison Company a pus în funcțiune prima instalație electrică la Casa Albă din Washington DC. Și asta ca o completare a luminilor pe bază de gaz care erau folosite la vremea respectivă, pentru că la început a existat mult scepticism în ceea ce privește utilizarea lor.

Adevărul este că, chiar și în cele mai îndepărtate locuri și lipsite de linii electrice, energia electromagnetică care ajunge în mod constant din spațiu continuă să mențină dinamica a ceea ce numim casa noastră în univers.

Formula și ecuațiile

Undele electromagnetice sunt unde transversale, în care câmpul electric E și câmpul magnetic B sunt perpendiculare între ele, iar direcția de propagare a undei este perpendiculară pe câmpuri.

Toate undele sunt caracterizate de frecvența lor. Este gama largă de frecvențe ale undelor EM, ceea ce le conferă versatilitate la transformarea energiei lor, care este proporțională cu frecvența.

Figura 2 prezintă o undă electromagnetică, în ea câmpul electric E în albastru oscilează în planul zy, câmpul magnetic B în roșu face acest lucru în planul xy, în timp ce viteza undei este direcționată de-a lungul axei + y, conform sistemului de coordonate prezentat.

Figura 2. Un incident de unde electromagnetice pe o suprafață furnizează energie conform vectorului Poynting. Sursa: F. Zapata.

Dacă o suprafață este interpusă pe calea ambelor valuri, să zicem un plan al zonei A și al grosimii dy, astfel încât să fie perpendicular pe viteza undei, fluxul de energie electromagnetică pe unitatea de suprafață, notat S, este descris prin din vectorul Poynting:

Este ușor să verificați dacă unitățile S sunt Watt / m ² în Sistemul Internațional.

Încă mai sunt. Mărimile câmpurilor E și B sunt legate între ele de viteza luminii c. De fapt, undele electromagnetice în vid se propagă atât de repede. Această relație este:

Substituind această relație în S obținem:

Vectorul Poynting variază cu timpul într-un mod sinusoidal, deci expresia de mai sus este valoarea maximă, deoarece energia livrată de unda electromagnetică oscilează și ea, la fel ca și câmpurile. Desigur, frecvența oscilației este foarte mare, astfel încât nu este posibilă detectarea acesteia în lumină vizibilă, de exemplu.

Aplicații

Printre numeroasele utilizări pe care le-am menționat deja pentru energia electromagnetică, sunt menționate două care sunt utilizate în mod continuu în numeroase aplicații:

Antena dipol

Antenele umplu peste tot spațiul cu unde electromagnetice. Există emițătoare, care transformă semnalele electrice în unde radio sau în microunde, de exemplu. Și există receptoare, care fac funcția inversă: colectează undele și le transformă în semnale electrice.

Să vedem cum se creează un semnal electromagnetic care se propagă în spațiu, dintr-un dipol electric. Dipolul este format din două sarcini electrice de mărime egală și semne opuse, separate de o distanță mică.

În figura următoare este câmpul electric E atunci când sarcina + este deasupra (figura stângă). E indică în jos punctul indicat.

Figura 3. Câmpul electric al unui dipol în două poziții diferite. Sursa: Randall Knight. Fizică pentru oamenii de știință și ingineri.

În figura 3 dreapta, dipolul s-a schimbat în poziție, iar acum E se îndreaptă în sus. Să repetăm ​​această schimbare de multe ori și foarte repede, să zicem cu o frecvență f. Astfel, se creează un câmp E variabil în timp, dând naștere unui câmp magnetic B , de asemenea variabil și a cărui formă este sinusoidală (vezi figura 4 și exemplul 1 de mai jos).

Și cum legea lui Faraday asigură că un câmp magnetic B variabil în timp dă naștere unui câmp electric, se dovedește că, prin oscilarea dipolului, unul are deja un câmp electromagnetic capabil să se propage în mediu.

Figura 4. O antenă dipolă generează un semnal care transportă energie electromagnetică. Sursa: F. Zapata.

Observați că B indică sau iese ecranul alternativ (este întotdeauna perpendicular pe E ).

Energia câmpului electric: condensatorul

Condensatoarele au virtutea de a stoca sarcina electrică și, prin urmare, energia electrică. Acestea fac parte din numeroase dispozitive: motoare, circuite radio și televiziune, sisteme de iluminat auto și multe altele.

Condensatoarele constau din doi conductori separați la o distanță mică. Fiecăruia i se acordă o sarcină de mărime egală și semn opus, creând astfel un câmp electric în spațiul dintre ambii conductori. Geometria poate varia, fiind una binecunoscută a condensatorului cu placă paralelă.

Energia stocată într-un condensator provine din munca care a fost făcută pentru încărcarea acestuia, care a servit la crearea câmpului electric în interiorul său. Prin introducerea unui material dielectric între plăci, capacitatea condensatorului crește și, prin urmare, energia pe care o poate depozita.

Un condensator de capacitate C și descărcat inițial, care este încărcat de o baterie care furnizează o tensiune V, până la atingerea unei încărcări Q, stochează o energie U dată de:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Figura 5. Un condensator plat cu placă paralelă stochează energie electromagnetică. Sursa: Wikimedia Commons. Geek3.

Exemple

Exemplul 1: Intensitatea unei unde electromagnetice

Anterior, se spunea că magnitudinea vectorului Poynting este echivalentă cu puterea pe care unda o livrează pentru fiecare metru pătrat de suprafață și că, de asemenea, deoarece vectorul depinde de timp, valoarea sa a oscilat până la un maxim de S = S = ( 1 / μ _sau .c) E ² .

Valoarea medie a lui S într-un ciclu al undei este ușor de măsurat și indică energia energiei undei. Această valoare este cunoscută sub denumirea de intensitate a undei și este calculată astfel:

O undă electromagnetică este reprezentată de o funcție sinusoidală:

Unde E _o este amplitudinea undei, k numărul undei și ω frecvența unghiulară. Asa de:

Figura 5. Antena radiază semnalul într-o formă sferică. Sursa: F. Zapata.

Exemplu 2: Aplicație la o antenă de transmisie

Există o stație radio care transmite un semnal de 10 kW de putere și o frecvență de 100 MHz, care se răspândește într-un mod sferic, ca în figura de mai sus.

Găsiți: a) amplitudinea câmpurilor electrice și magnetice într-un punct situat la 1 km de antenă și b) energia electromagnetică totală care se încadrează pe o foaie pătrată de laterală de 10 cm într-o perioadă de 5 minute.

Datele sunt:

Solutie la

Ecuația din exemplul 1 este utilizată pentru a găsi intensitatea undei electromagnetice, dar mai întâi valorile trebuie exprimate în sistemul internațional:

Aceste valori sunt imediat substituite în ecuație pentru intensitate, deoarece este o sursă care emite aceeași peste tot (sursă izotropă):

Mai devreme se spunea că mărimile E și B erau legate de viteza luminii:

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

Soluție b

S _înseamnă puterea pe unitate de unitate și, la rândul său, puterea este energie pe unitate de timp. Înmulțind _media S cu aria plăcii și cu timpul de expunere, se obține rezultatul solicitat:

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

Referințe

1. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 6. Electromagnetism. Editat de Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Comitetul internațional pentru siguranța electromagnetică). Date despre energia electromagnetică și o vedere calitativă. Preluat de pe: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson. 893-896.
4. Universitatea de Stat Portland Undele EM transportă energie. Preluat de la: pdx.edu
5. Ce este energia electromagnetică și de ce este importantă ?. Recuperat de la: șticestruck.com.