ELEKTROMAGNETISCHE ENERGIE: FORMULE, VERGELIJKINGEN, TOEPASSINGEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2025

De elektromagnetische energie verspreidt zich via elektromagnetische golven (EM). Voorbeelden hiervan zijn het zonlicht dat warmte afgeeft, de stroom die uit het stopcontact wordt gehaald en die van röntgenstraling om röntgenstralen te produceren.

Net als geluidsgolven wanneer ze het trommelvlies trillen, kunnen elektromagnetische golven energie overbrengen die later kan worden omgezet in warmte, elektrische stromen of verschillende signalen.

Figuur 1. Antennes zijn nodig in de telecommunicatie. De signalen waarmee ze werken hebben elektromagnetische energie. Bron: Pixabay.

Elektromagnetische energie plant zich zowel in een materieel medium als in een vacuüm voort, altijd in de vorm van een transversale golf en daar gebruik van maken is niet iets nieuws. Zonlicht is de oerbron van elektromagnetische energie en de oudst bekende, maar het gebruik van elektriciteit is iets recenter.

Pas in 1891 nam de Edison Company de eerste elektrische installatie in het Witte Huis in Washington DC in gebruik. En dat als aanvulling op de op gas gebaseerde lampen die destijds werden gebruikt, want in het begin was er veel scepsis over het gebruik ervan.

De waarheid is dat zelfs op de meest afgelegen plaatsen en bij het ontbreken van elektriciteitsleidingen, de elektromagnetische energie die constant uit de ruimte komt, de dynamiek blijft behouden van wat we ons thuis in het universum noemen.

Formule en vergelijkingen

Elektromagnetische golven zijn transversale golven, waarbij het elektrische veld E en het magnetische veld B loodrecht op elkaar staan ​​en de voortplantingsrichting van de golf loodrecht op de velden staat.

Alle golven worden gekenmerkt door hun frequentie. Het is het brede frequentiebereik van EM-golven, dat ze veelzijdigheid geeft bij het transformeren van hun energie, die evenredig is met de frequentie.

Figuur 2 toont een elektromagnetische golf, daarin oscilleert het elektrische veld E in blauw in het zy-vlak, het magnetische veld B in rood doet dat in het xy-vlak, terwijl de snelheid van de golf langs de as is gericht. + y, volgens het getoonde coördinatensysteem.

Figuur 2. Een elektromagnetische golf die op een oppervlak valt, levert energie volgens de Poynting-vector. Bron: F. Zapata.

Als een oppervlak in het pad van beide golven is geplaatst, bijvoorbeeld een vlak met gebied A en dikte dy, zodanig dat het loodrecht staat op de snelheid van de golf, wordt de flux van elektromagnetische energie per oppervlakte-eenheid, aangeduid met S, beschreven door van de Poynting-vector:

Het is gemakkelijk om te controleren of de eenheden van S Watt / m ^{2 zijn} in het internationale systeem.

Er is nog meer. De grootte van de velden E en B zijn aan elkaar gerelateerd door de lichtsnelheid c. In feite verspreiden elektromagnetische golven in een vacuüm zich zo snel. Deze relatie is:

Als we deze relatie in S vervangen, krijgen we:

De Poynting-vector varieert sinusvormig met de tijd, dus de bovenstaande uitdrukking is de maximale waarde, omdat de energie die door de elektromagnetische golf wordt afgegeven ook oscilleert, net als de velden. De frequentie van de trilling is natuurlijk erg groot, waardoor het bijvoorbeeld niet in zichtbaar licht te detecteren is.

Toepassingen

Onder de vele toepassingen die we al hebben genoemd voor elektromagnetische energie, worden hier twee genoemd die continu in tal van toepassingen worden gebruikt:

Dipool antenne

Antennes vullen overal ruimte met elektromagnetische golven. Er zijn zenders die elektrische signalen omzetten in bijvoorbeeld radiogolven of microgolven. En er zijn ontvangers die het omgekeerde werk doen: ze vangen de golven op en zetten ze om in elektrische signalen.

Laten we eens kijken hoe we een elektromagnetisch signaal kunnen creëren dat zich voortplant in de ruimte, vanuit een elektrische dipool. De dipool bestaat uit twee elektrische ladingen van gelijke grootte en tegengestelde tekens, gescheiden door een kleine afstand.

In de volgende afbeelding is het elektrische veld E wanneer de lading + boven is (linker afbeelding). E wijst naar beneden op het aangegeven punt.

Figuur 3. Elektrisch veld van een dipool in twee verschillende posities. Bron: Randall Knight. Fysica voor wetenschappers en ingenieurs.

In figuur 3 rechts veranderde de dipool van positie en nu wijst E naar boven. Laten we deze verandering vele malen en heel snel herhalen, zeg maar met een frequentie f. Op deze manier wordt een veld E variabele in de tijd gecreëerd, waardoor een magnetisch veld B ontstaat , ook variabel en waarvan de vorm sinusvormig is (zie figuur 4 en voorbeeld 1 hieronder).

En aangezien de wet van Faraday ervoor zorgt dat een in de tijd variërend magnetisch veld B een elektrisch veld opwekt, blijkt dat men door het oscilleren van de dipool al een elektromagnetisch veld heeft dat zich in het medium kan voortplanten.

Figuur 4. Een dipoolantenne wekt een signaal op dat elektromagnetische energie draagt. Bron: F. Zapata.

Merk op dat B afwisselend in of uit het scherm wijst (het staat altijd loodrecht op E ).

Elektrische veldenergie: de condensator

Condensatoren hebben de deugd dat ze elektrische lading en dus elektrische energie opslaan. Ze maken deel uit van veel apparaten: motoren, radio- en televisiecircuits, autoverlichtingssystemen en nog veel meer.

Condensatoren bestaan ​​uit twee geleiders die op een kleine afstand van elkaar zijn gescheiden. Elk krijgt een lading van gelijke grootte en tegengesteld teken, waardoor er een elektrisch veld ontstaat in de ruimte tussen beide geleiders. De geometrie kan variëren, aangezien deze een bekende is die van de plat-parallelle plaatcondensor.

De energie die in een condensator is opgeslagen, is afkomstig van het werk dat is gedaan om deze op te laden, wat heeft gediend om het elektrische veld erin te creëren. Door een diëlektrisch materiaal tussen de platen aan te brengen, neemt de capaciteit van de condensator toe en daarmee de energie die deze kan opslaan.

Een condensator met capaciteit C en aanvankelijk ontladen, die wordt opgeladen door een batterij die een spanning V levert, totdat een lading Q wordt bereikt, slaat een energie U op die wordt gegeven door:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Figuur 5. Een vlakke parallelle plaatcondensator slaat elektromagnetische energie op. Bron: Wikimedia Commons. Geek3.

Voorbeelden

Voorbeeld 1: intensiteit van een elektromagnetische golf

Eerder werd gezegd dat de grootte van de Poynting-vector equivalent is aan het vermogen dat de golf levert voor elke vierkante meter oppervlak, en dat ook, aangezien de vector tijdsafhankelijk is, de waarde ervan oscilleerde tot een maximum van S = S = ( 1 / μ _of .c) E ² .

De gemiddelde waarde van S in één golfcyclus is gemakkelijk te meten en indicatief voor de energie van de golf. Deze waarde staat bekend als golfintensiteit en wordt op deze manier berekend:

Een elektromagnetische golf wordt weergegeven door een sinusfunctie:

Waar E _o de amplitude van de golf is, k het golfgetal en ω de hoekfrequentie. Zo:

Figuur 5. De antenne straalt het signaal bolvormig uit. Bron: F. Zapata.

Voorbeeld 2: toepassing op een zendantenne

Er is een radiostation dat een signaal uitzendt van 10 kW vermogen en een frequentie van 100 MHz, dat zich bolvormig verspreidt, zoals in de figuur hierboven.

Zoek: a) de amplitude van de elektrische en magnetische velden op een punt op 1 km van de antenne en b) de totale elektromagnetische energie die in een periode van 5 minuten op een vierkant vel van 10 cm aan de zijkant valt.

De gegevens zijn:

Oplossing voor

De vergelijking in voorbeeld 1 wordt gebruikt om de intensiteit van de elektromagnetische golf te vinden, maar eerst moeten de waarden worden uitgedrukt in het internationale systeem:

Deze waarden worden onmiddellijk vervangen in de vergelijking voor de intensiteit, aangezien het een bron is die overal hetzelfde uitzendt (isotrope bron):

Eerder werd gezegd dat de grootheden van E en B verband hielden met de lichtsnelheid:

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

Oplossing b

S _betekent vermogen per oppervlakte-eenheid en op zijn beurt is vermogen energie per tijdseenheid. Door _gemiddelde S te vermenigvuldigen met het oppervlak van de plaat en met de belichtingstijd, wordt het gevraagde resultaat verkregen:

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

Referenties

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 6. Elektromagnetisme. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Internationaal Comité voor elektromagnetische veiligheid). Feiten over elektromagnetische energie en een kwalitatief beeld. Opgehaald van: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a strategy approach. Pearson. 893-896.
4. Universiteit van Portland State. EM-golven transporteren energie. Teruggeplaatst van: pdx.edu
5. Wat is elektromagnetische energie en waarom is het belangrijk? Hersteld van: sciencestruck.com.