Elektromagnetische Wellen: Maxwells Theorie, Typen, Eigenschaften, Anwendungen
Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, die Feldern entsprechen, die durch beschleunigte elektrische Ladungen verursacht werden. Das neunzehnte Jahrhundert war das Jahrhundert großer Fortschritte bei Elektrizität und Magnetismus, aber bis zur ersten Hälfte kannten die Wissenschaftler die Beziehung zwischen den beiden Phänomenen noch nicht und glaubten, sie seien voneinander unabhängig.
Es war der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879), der der Welt zeigte, dass Elektrizität und Magnetismus nur zwei Seiten derselben Medaille sind. Beide Phänomene sind eng miteinander verbunden.
Elektrischer Strom ist kein Vektor, obwohl er Größe und Richtung hat. Es ist zweckmäßiger, die Felder auf eine Größe zu beziehen, die ein Vektor ist: die Stromdichte J , deren Größe der Quotient zwischen dem Strom und der Fläche ist, durch die er fließt. Die Einheiten der Stromdichte im Internationalen System sind Ampere / m2.
In Bezug auf diesen Vektor ist die Verschiebungsstromdichte:
Auf diese Weise ist, wenn das Ampere-Gesetz auf die Kontur C angewendet wird und die Oberfläche S verwendet wird, i der Strom, der durch sie fließt. Andererseits kreuzt C nicht S ', sondern ID.
Entschlossene Übung
1-Ein Kondensator aus kreisförmig parallelen ebenen Platten wird geladen. Der Radius der Platten beträgt 4 cm und zu einem gegebenen Zeitpunkt ist der Leitungsstrom i C = 0, 520 A. Zwischen den Platten befindet sich Luft. Finden Sie:
a) Die Verschiebungsstromdichte J D im Raum zwischen den Platten.
b) Die Geschwindigkeit, mit der sich das elektrische Feld zwischen den Platten ändert.
c) Das zwischen den Platten in einem Abstand von 2 cm von der Axialachse induzierte Magnetfeld.
d) Das gleiche Problem wie in c), jedoch in einem Abstand von 1 cm von der Axialachse.
Lösung
Abschnitt a
Für die Größe der Stromdichte J D wird die Fläche der Platten benötigt:
Fläche der Platten: A = πr2 = π. (4 × 10 –2 m) 2 = 0, 00503 m 2.
Das elektrische Feld ist zwischen den Platten gleichmäßig, die Stromdichte auch, da sie proportional sind. Auch i C = i D durch Kontinuität, dann:
Stromdichte J D = 0, 520 A / 0, 00503 m 2 = 103, 38 A / m 2.
Abschnitt b
Die Änderungsrate des elektrischen Feldes beträgt (dE / dt). Ausgehend von den ersten Prinzipien wird eine Gleichung benötigt: die Definition des Stroms, die Definition der Kapazität und die Kapazität eines Kondensators aus parallelen flachen Platten.
- Definitionsgemäß ist der Strom die Ableitung der Last in Bezug auf die Zeit i C = dq / dt
- Die Kapazität des Kondensators beträgt C = q / v, wobei q die Ladung und v die Potentialdifferenz ist.
- Andererseits ist die Kapazität des parallelen Flachplattenkondensators: C = ε oder A / d.
Kleinbuchstaben kennzeichnen zeitlich veränderliche Ströme und Spannungen. Beim Kombinieren der zweiten und dritten Gleichung bleibt die Last wie folgt:
q = Cv = (& epsi; oder A / d) .v = & epsi; oder A (v / d) = & epsi; oder AE
Hier ist & epsi; o die Permittivität des Vakuums, dessen Wert 8, 85 · 10 & supmin; ² / Nm² beträgt. Wenn Sie dieses Ergebnis auf die erste Gleichung übertragen, erhalten Sie einen Ausdruck, der die Änderungsrate des elektrischen Feldes enthält:
i C = dq / dt = d (ε oder AE) / dt = ε oder A (dE / dt)
Clearing von dE / dt bleibt:
(dE / dt) = i C / (& epsi; oder A) = j D / & epsi; oder
Werte ersetzen:
dE / dt = (103, 38 A / m²) / (8, 85 · 10 & supmin; ² / N m²) = 1, 17 · 10¹³ (N / C) / s
Das Ergebnis ist ungefähr 1, gefolgt von 13 Nullen. Auf jeden Fall ändert sich das elektrische Feld sehr schnell.
Abschnitt c
Um die Stärke des Magnetfelds zu bestimmen, muss das Ampere-Gesetz angewendet werden, indem ein kreisförmiger Pfad mit dem Radius r innerhalb der Platten und konzentrisch zu diesen gewählt wird, dessen Radius R ist:
Für seinen Teil im Integral sind die Vektoren B und d1 parallel, so dass das Skalarprodukt einfach Bd1 ist, wobei d1 ein Differential der Straße über C ist. Das Feld B ist auf dem gesamten Weg C konstant und liegt außerhalb des Integrals :
Auswertung der im vorigen Absatz erhaltenen Gleichung für r = 1 cm = 0, 01 m:
Eigenschaften elektromagnetischer Wellen
Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, bei denen das elektrische und das magnetische Feld senkrecht zueinander und gleichzeitig zur Ausbreitungsrichtung der Welle stehen.
Als nächstes werden wir seine bemerkenswertesten Eigenschaften sehen.
Ausbreitungsgeschwindigkeit
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum beträgt c ≈ 3, 00 x 108 m / s, unabhängig davon, welche Werte die Wellenlänge und Frequenz haben.
Bedeutet, wo sie vermehrt werden
Elektromagnetische Wellen breiten sich sowohl im Vakuum als auch in einem Materialmedium aus, im Gegensatz zu mechanischen Wellen, die ein Medium erfordern.
Beziehung zwischen Geschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz
Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit c, der Wellenlänge λ und der Frequenz f der elektromagnetischen Wellen im Vakuum ist c = λ.f.
Zusammenhang zwischen elektrischem und magnetischem Feld
Die Größen der elektrischen und magnetischen Felder sind durch E = cB verbunden.
Geschwindigkeit in einem bestimmten Medium
In einem gegebenen Medium kann gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen durch den Ausdruck gegeben ist:
Worin ε und μ die jeweilige Permittivität und Permeabilität des jeweiligen Mediums sind.
Bewegungsumfang
Einer elektromagnetischen Strahlung mit Energie U ist eine Bewegungsgröße p zugeordnet, deren Größe ist: p = U / c .
Arten von elektromagnetischen Wellen
Elektromagnetische Wellen haben einen sehr großen Wellenlängen- und Frequenzbereich. Sie sind in das sogenannte elektromagnetische Spektrum eingeteilt, das ausgehend von den längsten Wellenlängen in die nachfolgend genannten Bereiche unterteilt ist:
Radiowellen
Sie liegen am Ende der längsten Wellenlänge und der niedrigsten Frequenz und reichen von wenigen bis zu einer Milliarde Hertz. Sie dienen zum Senden eines Signals mit Informationen verschiedener Art und werden von den Antennen erfasst. Fernsehen, Radio, Mobiltelefone, Planeten, Sterne und andere Himmelskörper senden sie aus und können eingefangen werden.
Mikrowelle
Sie liegen in Ultrahochfrequenzen (UHF), Superhochfrequenzen (SHF) und Extremhochfrequenzen (EHF) zwischen 1 GHz und 300 GHz Sie reichen von wenigen Zentimetern bis 33 cm.
Aufgrund ihrer Position im Spektrum zwischen 100.000 und 400.000 nm werden sie zur Übertragung von Daten mit Frequenzen verwendet, die nicht durch Funkwellen gestört werden. Aus diesem Grund werden sie in der Radartechnik, in Handys, in Küchenöfen und in Computerlösungen eingesetzt.
Seine Oszillation ist das Produkt eines Magnetrons, einer Art Resonanzhohlraum mit zwei Scheibenmagneten an den Enden. Das elektromagnetische Feld wird durch die Beschleunigung der Kathodenelektronen erzeugt.
Infrarotstrahlen
Diese Wärmewellen werden von thermischen Körpern, einigen Arten von Lasern und Dioden emittiert, die Licht emittieren. Obwohl sie sich häufig mit Radiowellen und Mikrowellen überlappen, liegt ihre Reichweite zwischen 0, 7 und 100 Mikrometern.
Die Entitäten produzieren am häufigsten Wärme, die durch Nachtsicht und Haut erkannt werden kann. Sie werden häufig für Fernbedienungen und spezielle Kommunikationssysteme verwendet.
Sichtbares Licht
In der referentiellen Aufteilung des Spektrums finden wir das wahrnehmbare Licht, das eine Wellenlänge zwischen 0, 4 und 0, 8 Mikrometern hat. Was wir unterscheiden, sind die Farben des Regenbogens, wobei die niedrigste Frequenz durch die rote Farbe und die höchste durch das Violett gekennzeichnet ist.
Seine Längenwerte werden in Nanometern und Angström gemessen und stellen einen sehr kleinen Teil des gesamten Spektrums dar. Dieser Bereich umfasst die größte Menge an Strahlung, die von Sonne und Sternen emittiert wird. Darüber hinaus ist es ein Produkt der Beschleunigung von Elektronen in Energietransits.
Unsere Wahrnehmung der Dinge basiert auf sichtbarer Strahlung, die auf ein Objekt und dann auf die Augen trifft. Dann interpretiert das Gehirn die Frequenzen, die zu Farbe führen, und die Details, die in Dingen vorhanden sind.
Ultraviolette Strahlen
Diese Welligkeiten liegen im Bereich von 4 bis 400 nm, werden von der Sonne und anderen Prozessen erzeugt, die große Wärmemengen abgeben. Eine längere Exposition gegenüber diesen kurzen Wellen kann bei Lebewesen zu Verbrennungen und bestimmten Arten von Krebs führen.
Da sie das Produkt von Elektronensprüngen in angeregten Molekülen und Atomen sind, greift ihre Energie in chemische Reaktionen ein und wird in der Medizin zur Sterilisation verwendet. Sie sind für die Ionosphäre verantwortlich, da die Ozonschicht ihre schädlichen Auswirkungen auf die Erde vermeidet.
Röntgenstrahlen
Diese Bezeichnung ist darauf zurückzuführen, dass es sich um unsichtbare elektromagnetische Wellen handelt, die lichtundurchlässige Körper durchdringen und fotografische Eindrücke erzeugen können. Sie liegen zwischen 10 und 0, 01 nm (30 bis 30.000 PHz) und sind das Ergebnis von Elektronen, die aus Bahnen schwerer Atome springen.
Diese Strahlen können aufgrund ihrer großen Energiemenge von der Korona der Sonne, von Pulsaren, Supernovas und Schwarzen Löchern emittiert werden. Seine längere Exposition verursacht Krebs und wird in der Medizin eingesetzt, um Bilder knöcherner Strukturen zu erhalten.
Gammastrahlen
Sie befinden sich ganz links im Spektrum und sind die häufigsten Wellen, die normalerweise in Schwarzen Löchern, Supernovas, Pulsaren und Neutronensternen auftreten. Sie können auch eine Folge von Spaltung, nuklearen Explosionen und Blitzen sein.
Da sie nach radioaktiven Emissionen durch Stabilisierungsprozesse im Atomkern entstehen, sind sie tödlich. Ihre Wellenlänge ist subatomar, wodurch sie Atome durchqueren können. Trotzdem werden sie von der Erdatmosphäre absorbiert.
Anwendungen der verschiedenen elektromagnetischen Wellen
Elektromagnetische Wellen haben hinsichtlich Reflexion und Reflexion die gleichen Eigenschaften wie mechanische Wellen. Und zusammen mit der Energie, die sie verbreiten, können sie auch Informationen transportieren.
Aus diesem Grund wurden die verschiedenen Arten von elektromagnetischen Wellen auf eine große Anzahl unterschiedlicher Aufgaben angewendet. Als nächstes werden wir einige der häufigsten sehen.
Radiowellen
Guglielmo Marconi zeigte kurz nach seiner Entdeckung, dass sie ein hervorragendes Kommunikationsmittel sein können. Seit seiner Entdeckung durch Hertz hat sich die drahtlose Kommunikation mit Radiofrequenzen wie AM- und FM-Radio, Fernsehen, Mobiltelefonen und vielem mehr auf der ganzen Welt verbreitet.
Mikrowelle
Sie können zum Erhitzen von Lebensmitteln verwendet werden, da Wasser ein dipolares Molekül ist, das auf oszillierende elektrische Felder reagieren kann. Die Nahrung enthält Wassermoleküle, die bei Kontakt mit diesen Feldern zu schwingen beginnen und miteinander kollidieren. Der resultierende Effekt ist die Erwärmung.
Sie können auch in der Telekommunikation eingesetzt werden, da sie sich in der Atmosphäre mit weniger Interferenzen bewegen können als andere Wellenlängen mit größerer Wellenlänge.
Infrarotwellen
Die charakteristischste Anwendung von Infrarot sind Nachtsichtgeräte. Sie werden auch in der Kommunikation zwischen Geräten und in spektroskopischen Techniken zur Untersuchung von Sternen, interstellaren Gaswolken und Exoplaneten verwendet.
Mit ihnen können Sie auch Karten der Körpertemperatur erstellen, mit denen bestimmte Arten von Tumoren identifiziert werden, deren Temperatur höher ist als die des umgebenden Gewebes.
Sichtbares Licht
Sichtbares Licht bildet einen großen Teil des von der Sonne ausgesandten Spektrums, auf das die Netzhaut reagiert.
Ultraviolette Strahlen
Ultraviolette Strahlen haben genug Energie, um mit der Materie in erheblichem Maße zu interagieren. Daher führt eine kontinuierliche Exposition gegenüber dieser Strahlung zu vorzeitigem Altern und erhöht das Risiko, Hautkrebs zu entwickeln.
Röntgen- und Gammastrahlen
Röntgen- und Gammastrahlen haben noch mehr Energie und können daher das Weichgewebe durchdringen. Daher wurden sie fast seit ihrer Entdeckung zur Diagnose von Frakturen und zur Untersuchung des Körperinneren auf der Suche nach Krankheiten eingesetzt .
Röntgen- und Gammastrahlen werden nicht nur als diagnostisches Instrument, sondern auch als therapeutisches Instrument zur Zerstörung von Tumoren eingesetzt.
