ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ЕНЕРГІЯ: ФОРМУЛА, РІВНЯННЯ, ВИКОРИСТАННЯ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Електромагнітна енергія є той , який поширюється через електромагнітні хвилі (ЕМ). Прикладами цього є сонячне світло, яке випромінює тепло, струм, який витягується з електричної розетки, і випромінювання рентгенівських променів для отримання рентгенівських променів.

Як і звукові хвилі, коли вони вібрують барабанну перетинку, електромагнітні хвилі здатні передавати енергію, яка згодом може бути перетворена в тепло, електричні струми або різні сигнали.

Малюнок 1. Антени необхідні в телекомунікаціях. Сигнали, з якими вони працюють, мають електромагнітну енергію. Джерело: Pixabay.

Електромагнітна енергія поширюється як у матеріальному середовищі, так і у вакуумі, завжди у формі поперечної хвилі та використання її не є чимось новим. Сонячне світло є первинним джерелом електромагнітної енергії і найдавнішим з відомих, але використання електрики дещо свіжіше.

Лише у 1891 р. Компанія Едісон ввела в експлуатацію першу електричну установку в Білому домі у Вашингтоні. І це як доповнення до газових вогнів, які використовувались у той час, адже спочатку було багато скептицизму щодо їх використання.

Правда полягає в тому, що навіть у найвіддаленіших місцях і не вистачає ліній електропередач, електромагнітна енергія, яка постійно надходить з космосу, продовжує підтримувати динаміку того, що ми називаємо своїм домом у Всесвіті.

Формула та рівняння

Електромагнітні хвилі - це поперечні хвилі, в яких електричне поле Е і магнітне поле В перпендикулярні один одному, а напрям поширення хвилі перпендикулярний полям.

Всі хвилі характеризуються своєю частотою. Саме широкий діапазон частот ЕМ-хвиль надає їм універсальності при перетворенні їх енергії, пропорційній частоті.

На малюнку 2 зображено електромагнітну хвилю, в ній електричне поле E синім кольором коливається в площині zy, магнітне поле B червоним кольором робить це в площині xy, тоді як швидкість хвилі спрямована вздовж осі + y, відповідно до наведеної системи координат.

Малюнок 2. Електромагнітна хвиля, що падає на поверхню, доставляє енергію відповідно до вектора Пойнтінга. Джерело: Ф. Сапата.

Якщо поверхня розміщена на шляху обох хвиль, скажімо, площини A та товщини dy, така, що вона перпендикулярна швидкості хвилі, потік електромагнітної енергії на одиницю площі, позначений S, описується через з вектора Пойнтінга:

Неважко перевірити, що одиниці S дорівнює Вт / м ² в Міжнародній системі.

Є ще більше. Величини полів E і B пов'язані між собою швидкістю світла c. Насправді електромагнітні хвилі у вакуумі поширюються так швидко. Ці відносини:

Підставляючи це відношення в S, отримуємо:

Вектор Пойнтінга змінюється з часом синусоїдальним способом, тому вищенаведений вираз є його максимальним значенням, оскільки енергія, подана електромагнітною хвилею, також коливається, як і поля. Звичайно, частота коливань дуже велика, тому виявити її у видимому світлі неможливо, наприклад.

Програми

Серед багатьох застосувань, про які ми вже говорили, є електромагнітна енергія, тут згадуються два, які постійно використовуються у численних сферах застосування:

Дипольна антена

Антени скрізь заповнюють простір електромагнітними хвилями. Є передавачі, які перетворюють електричні сигнали, наприклад, в радіохвилі або мікрохвильову піч. І є приймачі, які роблять зворотну роботу: вони збирають хвилі і перетворюють їх в електричні сигнали.

Подивимося, як створити електромагнітний сигнал, який поширюється в просторі, з електричного диполя. Диполь складається з двох електричних зарядів однакової величини та протилежних знаків, розділених невеликою відстані.

На наступному малюнку електричне поле Е, коли заряд + вище (ліва цифра). E точки вниз у вказаній точці.

Малюнок 3. Електричне поле диполя у двох різних положеннях. Джерело: Randall Knight. Фізика для вчених та інженерів.

На малюнку 3 праворуч диполь змінив положення і тепер E спрямований вгору. Повторимо цю зміну багато разів і дуже швидко, скажімо з частотою f. Таким чином створюється поле E змінної за часом, породжуючи магнітне поле B , також змінне і форма якого є синусоїдальною (див. Рисунок 4 та приклад 1 нижче).

І оскільки закон Фарадея гарантує, що магнітне поле В, що змінюється за часом, породжує електричне поле, виходить, що коливаючи диполь, у нього вже є електромагнітне поле, здатне поширюватися в середовищі.

Малюнок 4. Дипольна антена генерує сигнал, який здійснює електромагнітну енергію. Джерело: Ф. Сапата.

Зауважте, що B вказує на або поза екраном поперемінно (він завжди перпендикулярний E ).

Енергія електричного поля: конденсатор

Конденсатори мають силу зберігати електричний заряд і, отже, електричну енергію. Вони входять до складу багатьох пристроїв: двигунів, радіо- і телевізійних схем, систем освітлення автомобілів та багато іншого.

Конденсатори складаються з двох провідників, розділених невеликою відстані. Кожному дається заряд, рівний за величиною і протилежним знаком, створюючи таким чином електричне поле в просторі між обома провідниками. Геометрія може змінюватись, будучи добре відомою такою, як плоский паралельний пластинчастий конденсатор.

Енергія, що зберігається в конденсаторі, походить від роботи, яка робилася для її зарядки, яка служила для створення електричного поля всередині нього. Вводячи діелектричний матеріал між пластинами, ємність конденсатора збільшується, а отже, і енергія, яку він може накопичувати.

Конденсатор ємністю С і спочатку розряджений, який заряджається акумулятором, що подає напругу V, до досягнення заряду Q, зберігає енергію U, що дається:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Малюнок 5. Плоский паралельний пластинковий конденсатор зберігає електромагнітну енергію. Джерело: Wikimedia Commons. Geek3.

Приклади

Приклад 1: Інтенсивність електромагнітної хвилі

Раніше говорилося, що величина вектора Пойнтінга еквівалентна потужності, яку хвиля подає на кожен квадратний метр поверхні, а також, оскільки вектор залежить від часу, його значення коливається до максимуму S = S = ( 1 / мк _або .c) E ² .

Середнє значення S за один цикл хвилі легко виміряти і вказує на енергію хвилі. Це значення відоме як інтенсивність хвилі і розраховується таким чином:

Електромагнітна хвиля представлена ​​синусоїдою:

Де E _o - амплітуда хвилі, k число хвилі і ω кутова частота. Так:

Малюнок 5. Антена випромінює сигнал у сферичній формі. Джерело: Ф. Сапата.

Приклад 2: Застосування до передавальної антени

Є радіостанція, яка передає сигнал потужністю 10 кВт і частотою 100 МГц, який поширюється сферичним способом, як на малюнку вище.

Знайдіть: а) амплітуду електричного та магнітного полів у точці, розташованій за 1 км від антени, і б) загальну електромагнітну енергію, яка падає на квадратний аркуш сторони 10 см протягом 5 хвилин.

Дані:

Рішення для

Рівняння, наведене в прикладі 1, використовується для пошуку інтенсивності електромагнітної хвилі, але спочатку значення повинні бути виражені в Міжнародній системі:

Ці значення негайно заміщуються в рівнянні по інтенсивності, оскільки це джерело, яке випромінює всюди те саме (ізотропне джерело):

Раніше говорилося, що величини E і B були пов'язані зі швидкістю світла:

В = (0,775 / 300 000 000) Т = 2,58 х 10 ^-9 Т

Рішення b

S _{означає} потужність на одиницю площі, а в свою чергу потужність - це енергія за одиницю часу. Помноживши _{середнє значення} S на площу тарілки та час експозиції, отримується запитуваний результат:

U = 0,775 х 300 х 0,01 джоулів = 2,325 джоулів.

Список літератури

1. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 6. Електромагнетизм. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB). 307-314.
2. ICES (Міжнародний комітет з електромагнітної безпеки). Факти електромагнітної енергії та якісний вигляд. Отримано з: ices-emfsafety.org.
3. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон. 893-896.
4. Портлендський державний університет. ЕМ хвилі транспортують енергію. Отримано з: pdx.edu
5. Що таке електромагнітна енергія і чому це важливо ?. Відновлено з: sciencestruck.com.