ELEKTROMAGNETISK ENERGI: FORMEL, LIGNINGER, BRUK, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den elektromagnetiske energien er en som sprer seg via elektromagnetiske bølger (EM). Eksempler på dette er sollyset som stråler varme, strømmen som trekkes ut fra stikkontakten og strøm fra røntgenstråler for å produsere røntgenstråler.

Som lydbølger når de vibrerer trommehinnen, er elektromagnetiske bølger i stand til å overføre energi som senere kan konverteres til varme, elektriske strømmer eller forskjellige signaler.

Figur 1. Antenner er nødvendige i telekommunikasjon. Signalene de jobber med har elektromagnetisk energi. Kilde: Pixabay.

Elektromagnetisk energi forplanter seg både i et materielt medium og i et vakuum, alltid i form av en tverrbølge, og å gjøre bruk av den er ikke noe nytt. Sollys er den primære kilden til elektromagnetisk energi og den eldste som er kjent, men å bruke strøm er noe nyere.

Det var først i 1891 at Edison Company satte i drift den første elektriske installasjonen i Det hvite hus i Washington DC. Og det som et supplement til de gassbaserte lysene som ble brukt den gangen, fordi det til å begynne med var mye skepsis rundt bruken av dem.

Sannheten er at selv på de fjerneste steder og manglende kraftledninger fortsetter den elektromagnetiske energien som stadig kommer fra verdensrommet, å opprettholde dynamikken i det vi kaller vårt hjem i universet.

Formler og ligninger

Elektromagnetiske bølger er tverrbølger, der det elektriske feltet E og magnetfeltet B er vinkelrett på hverandre, og bølgens forplantningsretning er vinkelrett på feltene.

Alle bølger er preget av deres frekvens. Det er det brede spekteret av frekvenser av EM-bølger, som gir dem allsidighet når de transformerer energien deres, som er proporsjonal med frekvensen.

Figur 2 viser en elektromagnetisk bølge, i det det elektriske feltet E i blått oscillerer i zy-planet, magnetfeltet B i rødt gjør det i xy-planet, mens bølgens hastighet er rettet langs aksen + y, i henhold til det viste koordinatsystemet.

Figur 2. En elektromagnetisk bølgefall på en overflate leverer energi i henhold til Poynting-vektoren. Kilde: F. Zapata.

Hvis en overflate er anordnet i banen til begge bølger, si et plan med område A og tykkelse dy, slik at det er vinkelrett på bølgens hastighet, blir strømmen av elektromagnetisk energi per enhetsområde, betegnet S, beskrevet gjennom fra Poynting-vektoren:

Det er enkelt å sjekke at enhetene til S er Watt / m ² i det internasjonale systemet.

Det er fortsatt mer. Størrelsene på E- og B- feltene er relatert til hverandre av lysets hastighet c. Faktisk forplantes elektromagnetiske bølger i et vakuum så raskt. Dette forholdet er:

Ved å erstatte dette forholdet i S oppnår vi:

Poynting-vektoren varierer med tiden på en sinusformet måte, så det forrige uttrykket er dets maksimale verdi, fordi energien som leveres av den elektromagnetiske bølgen også svinger, akkurat som feltene gjør. Selvfølgelig er frekvensen av svingningen veldig stor, så det er ikke mulig å oppdage den i synlig lys, for eksempel.

applikasjoner

Blant de mange bruksområdene vi allerede har nevnt for elektromagnetisk energi, er her nevnt to som brukes kontinuerlig i en rekke bruksområder:

Dipolantenne

Antenner fyller overalt plass med elektromagnetiske bølger. Det er sendere, som for eksempel transformerer elektriske signaler til radiobølger eller mikrobølgeovn. Og det er mottakere, som gjør det motsatte arbeidet: De samler bølgene og konverterer dem til elektriske signaler.

La oss se hvordan du lager et elektromagnetisk signal som forplanter seg i verdensrommet, fra en elektrisk dipol. Dipolen består av to elektriske ladninger med lik størrelse og motsatte tegn, atskilt med en liten avstand.

I den følgende figuren er det elektriske feltet E når ladningen + er over (venstre figur). E peker ned på det viste punktet.

Figur 3. Elektrisk felt av en dipol i to forskjellige posisjoner. Kilde: Randall Knight. Fysikk for forskere og ingeniører.

I figur 3 til høyre endret dipolen posisjon, og nå peker E opp. La oss gjenta denne endringen mange ganger og veldig raskt, si med en frekvens f. På denne måten opprettes en felt E- variabel i tid som gir opphav til et magnetfelt B , også variabelt og hvis form er sinusformet (se figur 4 og eksempel 1 nedenfor).

Og ettersom Faradays lov sikrer at et tidsvarierende magnetfelt B gir opphav til et elektrisk felt, viser det seg at ved å svinge dipolen, har man allerede et elektromagnetisk felt som er i stand til å forplante seg i mediet.

Figur 4. En dipolantenne genererer et signal som bærer elektromagnetisk energi. Kilde: F. Zapata.

Legg merke til at B peker inn eller ut av skjermen vekselvis (det er alltid vinkelrett på E ).

Elektrisk feltenergi: kondensatoren

Kondensatorer har fordelen av å lagre elektrisk ladning og derfor elektrisk energi. De er en del av mange enheter: motorer, radio- og tv-kretser, bilbelysningssystemer og mye mer.

Kondensatorer består av to ledere atskilt med liten avstand. Hver og en får en ladning med lik størrelse og motsatt tegn, og skaper således et elektrisk felt i rommet mellom begge lederne. Geometrien kan variere, og være en velkjent den for flat-parallelle platekondensatoren.

Energien lagret i en kondensator kommer fra arbeidet som ble gjort for å lade den, som tjente til å skape det elektriske feltet inne i det. Ved å introdusere et dielektrisk materiale mellom platene øker kapasiteten til kondensatoren og dermed energien den kan lagre.

En kondensator med kapasitet C og opprinnelig utladet, som lades av et batteri som forsyner en spenning V, inntil den når en ladning Q, lagrer en energi U gitt av:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Figur 5. En flat parallellplatekondensator lagrer elektromagnetisk energi. Kilde: Wikimedia Commons. Geek3.

eksempler

Eksempel 1: Intensitet til en elektromagnetisk bølge

Tidligere ble det sagt at størrelsen på Poynting-vektoren tilsvarer kraften som bølgen leverer for hver kvadratmeter overflate, og at også, som vektoren er tidsavhengig, vil dens verdi svinge opp til maksimalt S = S = ( 1 / μ _eller .c) E ² .

Gjennomsnittsverdien av S i en syklus av bølgen er lett å måle og indikerer bølgenes energi. Denne verdien kalles bølgeintensitet og beregnes på denne måten:

En elektromagnetisk bølge er representert av en sinusfunksjon:

Hvor E _o er amplituden av bølgen, k bølgetallet og co vinkelfrekvensen. Så:

Figur 5. Antennen stråler signalet i en sfærisk form. Kilde: F. Zapata.

Eksempel 2: Bruk til en antenne som sender

Det er en radiostasjon som overfører et signal på 10 kW strøm og en frekvens på 100 MHz, som sprer seg på en sfærisk måte, som på figuren over.

Finn: a) amplituden til de elektriske og magnetiske feltene på et punkt som ligger 1 km fra antennen og b) den totale elektromagnetiske energien som faller på et firkantet ark med en side på 10 cm i løpet av 5 minutter.

Dataene er:

Løsning på

Ligningen gitt i eksempel 1 brukes til å finne intensiteten til den elektromagnetiske bølgen, men først må verdiene uttrykkes i det internasjonale systemet:

Disse verdiene erstattes umiddelbart i ligningen med intensiteten, siden det er en kilde som avgir den samme overalt (isotropisk kilde):

Tidligere ble det sagt at størrelsene på E og B var relatert av lysets hastighet:

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

Løsning b

S _betyr strøm per enhet og i sin tur er energi per enhet enhet. Multipliser _{middelverdien} med platen og eksponeringstiden, oppnås ønsket resultat:

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

referanser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 6. Elektromagnetisme. Redigert av Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (International Committee on Electromagnetic Safety). Fakta om elektromagnetisk energi og et kvalitativt syn. Hentet fra: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson. 893-896.
4. Portland State University. EM-bølger transporterer energi. Hentet fra: pdx.edu
5. Hva er elektromagnetisk energi, og hvorfor er det viktig? Gjenopprettet fra: sciencestruck.com.