UNDELE ELECTROMAGNETICE: TEORIA, TIPURILE, CARACTERISTICILE LUI MAXWELL - FIZIC - 2025

Cele mai undele electromagnetice sunt unde transversale care corespund câmpurilor cauzate de sarcini electrice accelerate. Secolul al XIX-lea a fost secolul marilor progrese în electricitate și magnetism, dar până în prima jumătate a acestuia, oamenii de știință încă nu au știut relația dintre cele două fenomene, crezându-le independente unele de altele.

Fizicianul scoțian James Clerk Maxwell (1831-1879) a dovedit lumii că energia electrică și magnetismul nu erau decât două fețe ale aceleiași monede. Ambele fenomene sunt strâns legate.

O furtună. Sursa: Pixabay.

Teoria lui Maxwell

Maxwell a unit teoria electricității și a magnetismului în 4 ecuații elegante și concise, ale căror predicții au fost curând confirmate:

Ce dovezi a avut Maxwell pentru a-și dezvolta teoria electromagnetică?

Era deja un fapt că curenții electrici (sarcini mobile) produc câmpuri magnetice, iar la rândul său, un câmp magnetic variabil produce curenți electrici în circuite conductoare, ceea ce ar presupune că un câmp magnetic variabil induce un câmp electric.

Ar putea fi posibil fenomenul invers? Câmpurile electrice variabile ar fi capabile să genereze câmpuri magnetice pe rând?

Maxwell, un discipol al lui Michael Faraday, era convins de existența simetriilor în natură. Atât fenomenele electrice cât și cele magnetice au trebuit să respecte și aceste principii.

Potrivit acestui cercetător, câmpurile oscilante ar genera tulburări în același mod în care o piatră aruncată într-un iaz generează valuri. Aceste tulburări nu sunt decât niște câmpuri electrice și magnetice oscilante, pe care Maxwell le-a numit precis unde electromagnetice.

Predictii Maxwell

Ecuațiile lui Maxwell au prezis existența undelor electromagnetice cu viteza de propagare egală cu viteza luminii. Prezicerea a fost confirmată la scurt timp de către fizicianul german Heinrich Hertz (1857 - 1894), care a reușit să genereze aceste unde în laboratorul său folosind un circuit LC. Aceasta s-a produs la scurt timp după moartea lui Maxwell.

Pentru a verifica corectitudinea teoriei, Hertz a trebuit să construiască un dispozitiv de detectare care să-i permită să găsească lungimea de undă și frecvența, date din care să poată calcula viteza undelor radio electromagnetice, coincidând cu viteza luminii. .

Lucrarea lui Maxwell fusese primită cu scepticism de comunitatea științifică la acea vreme. Poate că se datora în parte faptului că Maxwell era un matematician genial și își prezentase teoria cu toată formalitatea cazului, pe care mulți nu reușeau să o înțeleagă.

Cu toate acestea, experimentul lui Hertz a fost genial și convingător. Rezultatele lor au fost bine primite și au fost șterse îndoieli cu privire la veridicitatea predicțiilor lui Maxwell.

Curent de deplasare

Curentul deplasării este crearea lui Maxwell, care rezultă dintr-o analiză profundă a legii lui Ampere, care afirmă că:

O baterie încarcă un condensator. Suprafețele S (linia solidă) și S 'și conturul C sunt arătate pentru a aplica legea lui Ampere. Sursa: modificat de la Pixabay.

Prin urmare, termenul din dreapta în legea lui Ampere, care implică curentul, nu este nul și nici membrul din stânga nu este. Concluzie imediată: există un câmp magnetic.

Există un câmp magnetic la S '?

Cu toate acestea, nu există un curent care să traverseze sau să traverseze suprafața curbă S ', care are același contur C, deoarece această suprafață cuprinde o parte din ceea ce se află în spațiul dintre plăcile condensatorului, pe care putem presupune că este aer sau o altă substanță non conductiv.

În această regiune nu există nici un material conductor prin care circulă curent. Trebuie amintit că pentru ca un curent să curgă, circuitul trebuie închis. Deoarece curentul este zero, integralul din stânga în legea lui Ampere este 0. Nu există câmp magnetic atunci, nu?

Există cu siguranță o contradicție. S 'este, de asemenea, limitată de curba C, iar existența câmpului magnetic nu trebuie să depindă de suprafața la care se limitează C.

Maxwell rezolvat contradicția prin introducerea conceptului de deplasare i curent _D .

Curent de deplasare

În timp ce condensatorul se încarcă, există un câmp electric variabil între plăci și fluxurile de curent prin conductor. Când condensatorul se încarcă, curentul conductorului încetează și un câmp electric constant este stabilit între plăci.

Atunci Maxwell a dedus că, asociat cu câmpul electric variabil, trebuie să existe un curent pe care l-a numit curent de deplasare i _D , un curent care nu implică deplasarea sarcinii. Pentru suprafața S 'este valabil:

Curentul electric nu este un vector, deși are magnitudine și semnificație. Este mai indicat să relaționăm câmpurile cu o cantitate care este vector: densitatea curentului J , a cărei magnitudine este coeficientul dintre curent și zona prin care trece. Unitățile de densitate a curentului din Sistemul internațional sunt ampere / m ² .

În ceea ce privește acest vector, densitatea curentului de deplasare este:

În acest fel, când legea lui Ampere este aplicată conturului C și se folosește suprafața S, i _C este curentul prin ea. Pe de altă parte, eu _C nu trece prin S“, dar eu _D nu.

Exercițiu rezolvat

Viteza într-un mediu dat

Într-un mediu dat, este posibil să se arate că viteza undelor electromagnetice este dată de expresia:

În care ε și μ sunt permisivitatea și permeabilitatea respectivă a mediului în cauză.

Cantitatea de mișcare

O radiație electromagnetică cu energie U are un moment asociat p a cărui magnitudine este: p = U / c.

Tipuri de unde electromagnetice

Undele electromagnetice au o gamă foarte largă de lungimi de undă și frecvențe. Acestea sunt grupate în ceea ce este cunoscut sub numele de spectru electromagnetic, care a fost împărțit în regiuni, care sunt denumite mai jos, începând cu lungimile de undă cele mai lungi:

Unde radio

Situate la cea mai mare lungime de undă și la cea mai joasă frecvență, acestea variază de la câțiva la un miliard de Hertz. Sunt cele care sunt folosite pentru a transmite un semnal cu informații de diferite tipuri și sunt capturate de antene. Televiziunea, radioul, mobilele, planetele, stelele și alte corpuri cerești le transmit și pot fi capturate.

Cuptor cu microunde

Situate în frecvențele ultra-înalte (UHF), super-înalte (SHF) și extrem de înalte (EHF), acestea sunt cuprinse între 1 GHz și 300 GHz. Spre deosebire de cele anterioare care pot măsura până la o milă (1,6 km), microundele Acestea variază de la câțiva centimetri până la 33 cm.

Având în vedere poziția lor în spectru, între 100.000 și 400.000 nm, acestea sunt folosite pentru a transmite date pe frecvențe care nu sunt afectate de undele radio. Din acest motiv, acestea sunt aplicate în tehnologia radar, telefoane mobile, cuptoare de bucătărie și soluții computerizate.

Oscilarea sa este produsul unui dispozitiv cunoscut sub numele de magnetron, care este un fel de cavitate rezonantă care are 2 magneți de disc la capete. Câmpul electromagnetic este generat de accelerația electronilor din catod.

Razele infraroșii

Aceste unde de căldură sunt emise de corpuri termice, unele tipuri de lasere și diode care emit lumină. Deși tind să se suprapună cu undele radio și cu microundele, gama lor este cuprinsă între 0,7 și 100 micrometri.

Entitățile produc cel mai adesea căldură care poate fi detectată de ochelarii de noapte și pielea. Ele sunt adesea folosite pentru telecomenzi și sisteme speciale de comunicații.

Lumina vizibila

În diviziunea referențială a spectrului găsim lumina perceptibilă, care are o lungime de undă cuprinsă între 0,4 și 0,8 micrometri. Ceea ce distingem sunt culorile curcubeului, unde frecvența cea mai joasă este caracterizată de roșu și cea mai mare de violet.

Valorile lungimii sale sunt măsurate în nanometre și Angstrom, reprezintă o parte foarte mică a întregului spectru și acest interval include cea mai mare cantitate de radiații emise de soare și stele. În plus, este produsul accelerației electronilor în tranzitele de energie.

Percepția noastră asupra lucrurilor se bazează pe radiații vizibile care cad pe un obiect și apoi pe ochi. Creierul interpretează apoi frecvențele care dau naștere culorii și detaliilor prezente în lucruri.

Raze ultraviolete

Aceste ondulări sunt cuprinse între 4 și 400 nm, sunt generate de soare și de alte procese care emit cantități mari de căldură. Expunerea pe termen lung la aceste unde scurte poate provoca arsuri și anumite tipuri de cancer în ființele vii.

Deoarece sunt produsul salturilor de electroni din molecule și atomi excitați, energia lor este implicată în reacții chimice și sunt utilizate în medicină pentru sterilizare. Sunt responsabili pentru ionosferă, deoarece stratul de ozon împiedică efectele nocive asupra pământului.

Razele X

Această desemnare se datorează faptului că sunt unde electromagnetice invizibile capabile să treacă prin corpuri opace și să producă printuri fotografice. Situate între 10 și 0,01 nm (30 până la 30 000 PHz), ele sunt rezultatul electronilor care sar de pe orbite în atomi grei.

Aceste raze pot fi emise de corona soarelui, pulsars, supernove și găuri negre datorită cantității lor mari de energie. Expunerea lor prelungită provoacă cancer și sunt utilizate în domeniul medical pentru a obține imagini cu structuri osoase.

Raze gamma

Situate la stânga extremă a spectrului, ele sunt undele care au cea mai mare frecvență și apar de obicei în găuri negre, supernove, pulsars și stele neutronice. Ele pot fi, de asemenea, rezultatul fisiunii, exploziilor nucleare și fulgerelor.

Deoarece sunt generate de procese de stabilizare în nucleul atomic după emisiile radioactive, acestea sunt letale. Lungimea lor de undă este subatomică, permițându-le să treacă prin atomi. Ele sunt încă absorbite de atmosfera Pământului.

Aplicații ale diferitelor unde electromagnetice

Undele electromagnetice au aceleași proprietăți de reflectare și reflexie ca undele mecanice. Și, împreună cu energia pe care o propagă, pot transporta și informații.

Din această cauză, diferite tipuri de unde electromagnetice au fost aplicate unui număr mare de sarcini diferite. Aici vom vedea unele dintre cele mai comune.

Spectrul electromagnetic și unele dintre aplicațiile sale. Sursa: Tatoute și Phrood

Unde radio

La scurt timp după ce a fost descoperit, Guglielmo Marconi a dovedit că ar putea fi un instrument excelent de comunicare. De la descoperirea lor de către Hertz, comunicațiile wireless cu frecvențe radio, cum ar fi radio AM și FM, televiziune, telefoane mobile și multe altele, au devenit tot mai răspândite în întreaga lume.

Cuptor cu microunde

Ele pot fi utilizate pentru încălzirea alimentelor, deoarece apa este o moleculă dipolă care este capabilă să răspundă la câmpurile electrice oscilante. Alimentele conțin molecule de apă, care atunci când sunt expuse la aceste câmpuri, încep să oscileze și să se ciocnească între ele. Efectul rezultat este încălzirea.

De asemenea, pot fi utilizate în telecomunicații, datorită capacității lor de a călători în atmosferă cu o interferență mai mică decât alte valuri de lungime de undă mai mare.

Valuri infraroșii

Cea mai caracteristică aplicație a infraroșilor sunt dispozitivele de vedere nocturnă. De asemenea, sunt utilizate în comunicarea între dispozitive și în tehnici spectroscopice pentru studiul stelelor, norilor de gaz interstelar și exoplanetelor.

De asemenea, pot crea hărți ale temperaturii corpului, care sunt utilizate pentru a identifica unele tipuri de tumori a căror temperatură este mai mare decât cea a țesuturilor din jur.

Lumina vizibila

Lumina vizibilă constituie o mare parte din spectrul emis de Soare, la care răspunde retina.

Raze ultraviolete

Razele ultraviolete au suficientă energie pentru a interacționa semnificativ cu materia, astfel încât expunerea continuă la această radiație determină îmbătrânirea prematură și crește riscul de a dezvolta cancer de piele.

Raze X și raze gamma

Razele X și razele gamma au și mai multă energie și, prin urmare, sunt capabile să pătrundă în țesuturile moi, prin urmare, aproape din momentul descoperirii lor, au fost folosite pentru a diagnostica fracturile și a examina interiorul corpului în căutarea bolilor. .

Razele X și razele gamma sunt utilizate nu numai ca instrument de diagnostic, ci și ca instrument terapeutic pentru distrugerea tumorilor.

Referințe

1. Giancoli, D. (2006). Fizică: Principii cu aplicații. Ediția a șasea. Sala Prentice. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fundamentele fizicii. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Universitatea de fizică cu fizică modernă. Ediția a 14-a. Pearson. 1053-1057.