ELEKTROMAGNETISKE BØLGER: MAXWELLS TEORI, TYPER, EGENSKAPER - FYSISK - 2026

De elektromagnetiske bølgene er tverrbølger som tilsvarer felt forårsaket av akselererte elektriske ladninger. 1800-tallet var et århundre med store fremskritt innen elektrisitet og magnetisme, men inntil første halvdel av det var forskere fortsatt uvitende om forholdet mellom de to fenomenene, og trodde dem uavhengige av hverandre.

Det var den skotske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) som beviste for verden at elektrisitet og magnetisme bare var to sider av den samme mynten. Begge fenomener er nært beslektede.

Et tordenvær. Kilde: Pixabay.

Maxwell teori

Maxwell forente teorien om elektrisitet og magnetisme i 4 elegante og konsise ligninger, hvis spådommer snart ble bekreftet:

Hvilke bevis hadde Maxwell for å utvikle sin elektromagnetiske teori?

Det var allerede et faktum at elektriske strømmer (bevegelige ladninger) produserer magnetiske felt, og i sin tur har et variabelt magnetfelt opphav til elektriske strømmer i ledende kretsløp, noe som ville innebære at et variabelt magnetfelt induserer et elektrisk felt.

Kan det omvendte fenomenet være mulig? Ville variable elektriske felt kunne generere magnetiske felt etter tur?

Maxwell, en disippel av Michael Faraday, var overbevist om eksistensen av symmetrier i naturen. Både elektriske og magnetiske fenomener måtte også overholde disse prinsippene.

I følge denne forskeren ville svingende felt generere forstyrrelser på samme måte som en stein som kastes i et tjern genererer bølger. Disse forstyrrelsene er ikke annet enn svingende elektriske og magnetiske felt, som Maxwell nettopp kalte elektromagnetiske bølger.

Maxwell spådommer

Maxwells ligninger forutså eksistensen av elektromagnetiske bølger med utbredelseshastighet lik lysets hastighet. Prediksjonen ble bekreftet kort tid etter av den tyske fysikeren Heinrich Hertz (1857 - 1894), som klarte å generere disse bølgene i laboratoriet ved hjelp av en LC-krets. Dette skjedde kort tid etter Maxwells død.

For å verifisere teoriens korrekthet, måtte Hertz bygge en detektorenhet som tillot ham å finne bølgelengden og frekvensen, data som han kunne beregne hastigheten til elektromagnetiske radiobølger, sammenfallende med lysets hastighet. .

Maxwells arbeid hadde blitt mottatt med skepsis av det vitenskapelige samfunnet på den tiden. Kanskje var det delvis fordi Maxwell var en strålende matematiker og hadde presentert teorien sin med all formaliteten i saken, som mange ikke klarte å forstå.

Hertzs ​​eksperiment var imidlertid strålende og overbevisende. Resultatene ble godt mottatt, og tvil om sannheten i Maxwells spådommer ble fjernet.

Forskyvningsstrøm

Forskyvningsstrømmen er opprettelsen av Maxwell, som stammer fra en dyp analyse av Amperes lov, som sier at:

Et batteri lader en kondensator. Overflatene S (heldekkende linje) og S 'og konturen C er vist å anvende Amperes lov. Kilde: endret fra Pixabay.

Derfor er uttrykket til høyre i Amperes lov, som involverer strømmen, ikke null, og heller ikke medlemmet til venstre. Umiddelbar konklusjon: det er et magnetfelt.

Er det et magnetfelt ved S '?

Imidlertid er det ingen strøm som krysser eller krysser den buede overflaten S ', som har samme kontur C, siden denne overflaten omfatter en del av det som er i rommet mellom platene på kondensatoren, som vi kan anta er luft eller et annet stoff ikke-ledende.

I det området er det ikke noe ledende materiale som strømmen strømmer gjennom. Det må huskes at for at en strøm skal strømme, må kretsen være lukket. Siden strømmen er null, er integralen til venstre i Amperes lov 0. Det er ikke noe magnetfelt, er det da?

Det er definitivt en selvmotsigelse. S 'er også begrenset av kurve C, og eksistensen av magnetfeltet må ikke avhenge av overflaten som C begrenser.

Maxwell løst motsetningen ved å innføre begrepet forskyvningsstrøm i _D .

Forskyvningsstrøm

Mens kondensatoren lader, eksisterer et variabelt elektrisk felt mellom platene og strøm strømmer gjennom lederen. Når kondensatoren lades, opphører strømmen i lederen og det opprettes et konstant elektrisk felt mellom platene.

Så utledet Maxwell at det, knyttet til det variable elektriske feltet, må være en strøm som han kalte en forskyvningsstrøm i _D , en strøm som ikke innebærer bevegelse av ladning. For overflaten S 'er det gyldig:

Elektrisk strøm er ikke en vektor, selv om den har størrelse og betydning. Det er mer hensiktsmessig å relatere feltene til en mengde som er vektor: strømtettheten J , hvis størrelse er kvotienten mellom strømmen og området som den passerer gjennom. Enhetene for strømtetthet i det internasjonale systemet er ampere / m ² .

Når det gjelder denne vektoren, er forskyvningsstrømtettheten:

På denne måten, når Amperes lov blir brukt på konturen C og overflaten S blir brukt, er i _C strømmen gjennom den. På den annen side, i _C ikke passerer gjennom S', men jeg _D gjør.

Trening løst

Hastighet i et gitt medium

I et gitt medium er det mulig å vise at hastigheten til elektromagnetiske bølger er gitt av uttrykket:

I hvilke ε og μ er det respektive permittivitet og permeabilitet for det aktuelle mediet.

Bevegelsesmengde

En elektromagnetisk stråling med energi U har et tilknyttet momentum p hvis størrelse er: p = U / c.

Typer elektromagnetiske bølger

Elektromagnetiske bølger har et veldig bredt utvalg av bølgelengder og frekvenser. De er gruppert i det som er kjent som det elektromagnetiske spekteret, som har blitt delt inn i regioner, som er navngitt nedenfor, og begynner med de lengste bølgelengdene:

Radiobølger

Ligger ved den høyeste bølgelengden og den laveste frekvensenden, varierer de fra noen få til en milliard Hertz. De er de som brukes til å overføre et signal med informasjon av forskjellige slag og blir fanget av antennene. TV, radio, mobiler, planeter, stjerner og andre himmellegemer kringkaster dem og kan fanges.

Mikrobølgeovn

De ligger i ultrahøye (UHF), superhøye (SHF) og ekstremt høye (EHF) frekvenser, og varierer mellom 1 GHz og 300 GHz. I motsetning til de tidligere frekvensene som kan måle seg opp til 1,6 km, mikrobølger De varierer fra noen få centimeter til 33 cm.

Gitt sin plassering i spekteret, mellom 100 000 og 400 000 nm, brukes de til å overføre data om frekvenser som ikke blir forstyrret av radiobølger. Av denne grunn brukes de i radarteknologi, mobiltelefoner, kjøkkenovner og datamaskinløsninger.

Dens svingning er produktet av en enhet kjent som en magnetron, som er et slags resonanshulrom som har 2 diskmagneter i endene. Det elektromagnetiske feltet genereres av akselerasjonen av elektronene fra katoden.

Infrarøde stråler

Disse hetebølgene blir avgitt av termiske legemer, noen typer lasere og lysemitterende dioder. Selv om de har en tendens til å overlappe hverandre med radiobølger og mikrobølger, er rekkevidden mellom 0,7 og 100 mikrometer.

Enhetene produserer ofte varme som kan oppdages av nattbriller og huden. De brukes ofte til fjernkontroller og spesielle kommunikasjonssystemer.

Synlig lys

I referansedelingen av spekteret finner vi synlig lys, som har en bølgelengde mellom 0,4 og 0,8 mikrometer. Det vi skiller er regnbuens farger, der den laveste frekvensen er preget av rød og den høyeste av fiolett.

Lengdeverdiene er målt i nanometer og Angstrøm, det representerer en veldig liten del av hele spekteret, og dette området inkluderer den største mengden stråling som sendes ut av solen og stjernene. I tillegg er det produktet av akselerasjonen av elektroner i energitransitter.

Oppfatningen vår av ting er basert på synlig stråling som faller på et objekt og deretter på øynene. Hjernen tolker deretter frekvensene som gir opphav til fargen og detaljene som er tilstede i tingene.

Ultrafiolette stråler

Disse krusningene er i området 4 og 400 nm, de genereres av solen og andre prosesser som avgir store mengder varme. Langvarig eksponering for disse korte bølgene kan forårsake forbrenninger og visse typer kreft i levende ting.

Siden de er et produkt av elektronhopp i eksiterte molekyler og atomer, er energien deres involvert i kjemiske reaksjoner, og de brukes i medisin for å sterilisere. De er ansvarlige for ionosfæren siden ozonlaget forhindrer dets skadelige effekter på jorden.

Røntgenbilder

Denne betegnelsen skyldes det faktum at de er usynlige elektromagnetiske bølger som kan passere gjennom ugjennomsiktige legemer og produsere fotografiske trykk. Ligger mellom 10 og 0,01 nm (30 til 30 000 PHz), er de resultatet av elektroner som hopper fra baner i tunge atomer.

Disse strålene kan sendes ut av solens korona, pulsarer, supernovaer og sorte hull på grunn av deres store mengde energi. Deres langvarige eksponering forårsaker kreft, og de brukes i det medisinske feltet for å få bilder av beinstrukturer.

Gamma-stråler

Ligger ytterst til venstre i spekteret, er det bølgene som har den høyeste frekvensen og forekommer vanligvis i sorte hull, supernovaer, pulsarer og nøytronstjerner. De kan også være et resultat av fisjon, atomeksplosjoner og lyn.

Siden de genereres av stabiliseringsprosesser i atomkjernen etter radioaktive utslipp, er de dødelige. Deres bølgelengde er subatomisk, slik at de kan passere gjennom atomer. De blir fremdeles absorbert av jordas atmosfære.

Bruksområder for de forskjellige elektromagnetiske bølgene

Elektromagnetiske bølger har de samme refleksjons- og refleksjonsegenskapene som mekaniske bølger. Og sammen med energien de forplanter, kan de også bære informasjon.

På grunn av dette har forskjellige typer elektromagnetiske bølger blitt brukt på et stort antall forskjellige oppgaver. Her vil vi se noe av det vanligste.

Elektromagnetisk spektrum og noen av applikasjonene. Kilde: Tatoute og Phrood

Radiobølger

Like etter å ha blitt oppdaget, beviste Guglielmo Marconi at de kunne være et utmerket kommunikasjonsverktøy. Siden oppdagelsen av Hertz, har trådløs kommunikasjon med radiofrekvenser som AM- og FM-radio, TV, mobiltelefoner og mye mer blitt stadig mer utbredt over hele verden.

Mikrobølgeovn

De kan brukes til å varme opp mat, fordi vann er et dipolmolekyl som er i stand til å svare på svingende elektriske felt. Mat inneholder vannmolekyler, som når de blir utsatt for disse feltene, begynner å svinge og kollidere med hverandre. Den resulterende effekten er oppvarming.

De kan også brukes i telekommunikasjon, på grunn av deres evne til å ferdes i atmosfæren med mindre interferens enn andre bølger med større bølgelengde.

Infrarøde bølger

Den mest karakteristiske bruken av infrarød er nattsynsenheter. De brukes også i kommunikasjon mellom enheter og i spektroskopiske teknikker for studier av stjerner, interstellare gassskyer og eksoplaneter.

De kan også lage kroppstemperaturkart, som brukes til å identifisere noen typer svulster som har høyere temperatur enn temperaturen i de omkringliggende vevene.

Synlig lys

Synlig lys utgjør en stor del av spekteret som solen slipper ut, som netthinnen reagerer på.

Ultrafiolette stråler

Ultrafiolette stråler har nok energi til å samhandle med materien betydelig, så kontinuerlig eksponering for denne strålingen forårsaker for tidlig aldring og øker risikoen for å utvikle hudkreft.

Røntgenstråler og gammastråler

Røntgenstråler og gammastråler har enda mer energi og er derfor i stand til å trenge gjennom mykt vev, og derfor har de nesten fra øyeblikket de ble oppdaget blitt brukt til å diagnostisere brudd og undersøke kroppens indre på leting etter sykdommer. .

Røntgenstråler og gammastråler brukes ikke bare som et diagnostisk verktøy, men som et terapeutisk verktøy for ødeleggelse av svulster.

referanser

1. Giancoli, D. (2006). Fysikk: Prinsipper med applikasjoner. Sjette utgave. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Grunnleggende om fysikk. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. utgave. Pearson. 1053-1057.