ELEKTROMAGNETISCHE GOLVEN: MAXWELL'S THEORIE, TYPEN, KENMERKEN - FYSIEK - 2024

De elektromagnetische golven zijn transversale golven die overeenkomen met velden die worden veroorzaakt door versnelde elektrische ladingen. De negentiende eeuw was de eeuw van grote vooruitgang op het gebied van elektriciteit en magnetisme, maar tot de eerste helft ervan waren wetenschappers zich nog steeds niet bewust van de relatie tussen beide verschijnselen, omdat ze dachten dat ze onafhankelijk van elkaar waren.

Het was de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell (1831-1879) die de wereld bewees dat elektriciteit en magnetisme slechts twee kanten van dezelfde medaille waren. Beide verschijnselen zijn nauw verwant.

Onweer. Bron: Pixabay.

Maxwell theorie

Maxwell verenigde de theorie van elektriciteit en magnetisme in 4 elegante en beknopte vergelijkingen, waarvan de voorspellingen snel werden bevestigd:

Welk bewijs had Maxwell om zijn elektromagnetische theorie te ontwikkelen?

Het was al een feit dat elektrische stromen (bewegende ladingen) magnetische velden produceren, en op zijn beurt veroorzaakt een variabel magnetisch veld elektrische stromen in geleidende circuits, wat zou impliceren dat een variabel magnetisch veld een elektrisch veld induceert.

Is het omgekeerde fenomeen mogelijk? Zouden variabele elektrische velden op hun beurt magnetische velden kunnen genereren?

Maxwell, een leerling van Michael Faraday, was overtuigd van het bestaan ​​van symmetrieën in de natuur. Zowel elektrische als magnetische verschijnselen moesten ook aan deze principes voldoen.

Volgens deze onderzoeker zouden oscillerende velden verstoringen veroorzaken op dezelfde manier als een steen die in een vijver wordt gegooid, golven genereert. Deze storingen zijn niets meer dan oscillerende elektrische en magnetische velden, die Maxwell precies elektromagnetische golven noemde.

Maxwell voorspellingen

Maxwell's vergelijkingen voorspelden het bestaan ​​van elektromagnetische golven met een voortplantingssnelheid gelijk aan de lichtsnelheid. De voorspelling werd kort daarna bevestigd door de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz (1857 - 1894), die deze golven in zijn laboratorium wist te genereren met behulp van een LC-circuit. Dit gebeurde kort na de dood van Maxwell.

Om de juistheid van de theorie te verifiëren, moest Hertz een detectorapparaat bouwen waarmee hij de golflengte en frequentie kon vinden, gegevens waaruit hij de snelheid van elektromagnetische radiogolven kon berekenen, die samenviel met de snelheid van het licht. .

Maxwells werk werd destijds met scepsis ontvangen door de wetenschappelijke gemeenschap. Misschien kwam dat gedeeltelijk doordat Maxwell een briljant wiskundige was en zijn theorie had gepresenteerd met alle formaliteit van de zaak, die velen niet begrepen.

Het experiment van Hertz was echter briljant en overtuigend. Hun resultaten werden goed ontvangen en twijfels over de juistheid van Maxwells voorspellingen werden weggenomen.

Verplaatsingsstroom

De stroom van verplaatsing is de oprichting van Maxwell, die voortkomt uit een grondige analyse van de wet van Ampere, die stelt dat:

Een batterij laadt een condensator op. De oppervlakken S (getrokken lijn) en S 'en de omtrek C passen de wet van Ampère toe. Bron: gewijzigd van Pixabay.

Daarom is de term rechts in de wet van Ampere, die betrekking heeft op de stroom, niet nul en evenmin het lid aan de linkerkant. Onmiddellijke conclusie: er is een magnetisch veld.

Is er een magnetisch veld bij S '?

Er is echter geen stroom die het gebogen oppervlak S 'kruist of kruist, dat dezelfde contour C heeft, aangezien dit oppervlak een deel omvat van wat zich in de ruimte tussen de platen van de condensor bevindt, waarvan we kunnen aannemen dat het lucht of een andere substantie is nietgeleidend.

In dat gebied is er geen geleidend materiaal waardoor stroom vloeit. Houd er rekening mee dat het circuit gesloten moet zijn om stroom te laten stromen. Omdat de stroom nul is, is de integraal aan de linkerkant in de wet van Ampère 0. Er is dan toch geen magnetisch veld?

Er is beslist een tegenstrijdigheid. S 'wordt ook beperkt door curve C en het bestaan ​​van het magnetische veld mag niet afhangen van het oppervlak waartoe C beperkt is.

Maxwell opgelost tegenstrijdigheid door invoering van het begrip verplaatsingsstroom i _D .

Verplaatsingsstroom

Terwijl de condensator wordt opgeladen, bestaat er een variabel elektrisch veld tussen de platen en stroomt er stroom door de geleider. Wanneer de condensator oplaadt, stopt de stroom in de geleider en wordt er een constant elektrisch veld tussen de platen tot stand gebracht.

Vervolgens concludeerde Maxwell dat, in verband met het variabele elektrische veld, er een stroom moet zijn die hij een verplaatsingsstroom i _D noemde , een stroom die geen beweging van lading inhoudt. Voor de oppervlakte S 'geldt:

Elektrische stroom is geen vector, hoewel het omvang en betekenis heeft. Het is beter om de velden te relateren aan een grootheid die vector is: de stroomdichtheid J , waarvan de grootte het quotiënt is tussen de stroom en het gebied waardoor deze passeert. De eenheden van stroomdichtheid in het internationale systeem zijn ampère / m ² .

In termen van deze vector is de verplaatsingsstroomdichtheid:

Op deze manier, wanneer de wet van Ampère wordt toegepast op de contour C en het oppervlak S wordt gebruikt, is i _C de stroom erdoorheen. Aan de andere kant gaat i _C niet door S ', maar i _D wel.

Oefening opgelost

Snelheid in een bepaald medium

In een bepaald medium is het mogelijk om aan te tonen dat de snelheid van elektromagnetische golven wordt gegeven door de uitdrukking:

Waarin ε en μ de respectievelijke permittiviteit en permeabiliteit van het betreffende medium zijn.

Hoeveelheid beweging

Een elektromagnetische straling met energie U heeft een bijbehorend momentum p waarvan de grootte is: p = U / c.

Soorten elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven hebben een zeer breed bereik aan golflengten en frequenties. Ze zijn gegroepeerd in wat bekend staat als het elektromagnetische spectrum, dat is onderverdeeld in gebieden, die hieronder worden genoemd, te beginnen met de langste golflengten:

Radio golven

Ze bevinden zich op de hoogste golflengte en de laagste frequentie en variëren van enkele tot een miljard Hertz. Dit zijn degenen die worden gebruikt om een ​​signaal met verschillende soorten informatie te verzenden en worden opgevangen door de antennes. Televisie, radio, mobiele telefoons, planeten, sterren en andere hemellichamen zenden ze uit en ze kunnen worden vastgelegd.

Magnetron

Ze bevinden zich in de ultrahoge (UHF), superhoge (SHF) en extreem hoge (EHF) frequenties, en variëren tussen 1 GHz en 300 GHz. In tegenstelling tot de vorige, die tot 1,6 km kunnen meten, Ze variëren van enkele centimeters tot 33 cm.

Gezien hun positie in het spectrum, tussen 100.000 en 400.000 nm, worden ze gebruikt om gegevens te verzenden op frequenties die niet worden gestoord door radiogolven. Om deze reden worden ze toegepast in radartechnologie, mobiele telefoons, keukenovens en computeroplossingen.

De oscillatie is het product van een apparaat dat bekend staat als een magnetron, een soort resonantieholte met aan de uiteinden 2 schijfmagneten. Het elektromagnetische veld wordt gegenereerd door de versnelling van de elektronen van de kathode.

Infraroodstralen

Deze hittegolven worden uitgezonden door thermische lichamen, sommige soorten lasers en lichtgevende diodes. Hoewel ze de neiging hebben om radiogolven en microgolven te overlappen, ligt hun bereik tussen 0,7 en 100 micrometer.

De entiteiten produceren meestal warmte die kan worden gedetecteerd door een nachtbril en de huid. Ze worden vaak gebruikt voor afstandsbedieningen en speciale communicatiesystemen.

Zichtbaar licht

In de referentiële verdeling van het spectrum vinden we waarneembaar licht, dat een golflengte heeft tussen 0,4 en 0,8 micrometer. Wat we onderscheiden zijn de kleuren van de regenboog, waarbij de laagste frequentie wordt gekenmerkt door rood en de hoogste door violet.

De lengtewaarden worden gemeten in nanometers en Angstrom, het vertegenwoordigt een heel klein deel van het hele spectrum en dit bereik omvat de grootste hoeveelheid straling die door de zon en sterren wordt uitgezonden. Bovendien is het het product van de versnelling van elektronen in energiedoorgangen.

Onze waarneming van dingen is gebaseerd op zichtbare straling die op een object valt en vervolgens op de ogen. De hersenen interpreteren dan de frequenties die aanleiding geven tot de kleur en details die in dingen aanwezig zijn.

UV straling

Deze rimpelingen liggen in het bereik van 4 en 400 nm, ze worden gegenereerd door de zon en andere processen die grote hoeveelheden warmte afgeven. Langdurige blootstelling aan deze korte golven kan brandwonden en bepaalde soorten kanker in levende wezens veroorzaken.

Omdat ze het product zijn van sprongen van elektronen in aangeslagen moleculen en atomen, is hun energie betrokken bij chemische reacties en worden ze in de geneeskunde gebruikt om te steriliseren. Ze zijn verantwoordelijk voor de ionosfeer, aangezien de ozonlaag de schadelijke effecten op de aarde voorkomt.

röntgenstralen

Deze aanduiding is te wijten aan het feit dat het onzichtbare elektromagnetische golven zijn die door ondoorzichtige lichamen kunnen gaan en fotografische afdrukken kunnen produceren. Ze bevinden zich tussen 10 en 0,01 nm (30 tot 30.000 PHz) en zijn het resultaat van elektronen die in zware atomen uit banen springen.

Deze stralen kunnen worden uitgezonden door de corona, pulsars, supernovae en zwarte gaten van de zon vanwege hun grote hoeveelheid energie. Hun langdurige blootstelling veroorzaakt kanker en ze worden op medisch gebied gebruikt om afbeeldingen van botstructuren te verkrijgen.

Gamma stralen

Ze bevinden zich helemaal links van het spectrum en zijn de golven met de hoogste frequentie en komen meestal voor in zwarte gaten, supernovae, pulsars en neutronensterren. Ze kunnen ook het gevolg zijn van splijting, nucleaire explosies en bliksem.

Omdat ze worden gegenereerd door stabilisatieprocessen in de atoomkern na radioactieve emissies, zijn ze dodelijk. Hun golflengte is subatomair, waardoor ze door atomen kunnen gaan. Ze worden nog steeds opgenomen door de atmosfeer van de aarde.

Toepassingen van de verschillende elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven hebben dezelfde reflectie- en reflectie-eigenschappen als mechanische golven. En naast de energie die ze verspreiden, kunnen ze ook informatie dragen.

Hierdoor zijn verschillende soorten elektromagnetische golven toegepast op een groot aantal verschillende taken. Hier zullen we enkele van de meest voorkomende zien.

Elektromagnetisch spectrum en enkele van zijn toepassingen. Bron: Tatoute en Phrood

Radio golven

Kort nadat ze ontdekt waren, bewees Guglielmo Marconi dat ze een uitstekend communicatiemiddel konden zijn. Sinds de ontdekking door Hertz is draadloze communicatie met radiofrequenties zoals AM- en FM-radio, televisie, mobiele telefoons en nog veel meer wereldwijd steeds wijdverbreider geworden.

Magnetron

Ze kunnen worden gebruikt om voedsel te verwarmen, omdat water een dipoolmolecuul is dat kan reageren op oscillerende elektrische velden. Voedsel bevat watermoleculen die bij blootstelling aan deze velden beginnen te oscilleren en met elkaar in botsing komen. Het resulterende effect is opwarming.

Ze kunnen ook worden gebruikt in de telecommunicatie, omdat ze in de atmosfeer kunnen reizen met minder interferentie dan andere golven met een grotere golflengte.

Infrarood golven

De meest kenmerkende toepassing van infrarood zijn nachtkijkers. Ze worden ook gebruikt bij communicatie tussen apparaten en in spectroscopische technieken voor de studie van sterren, interstellaire gaswolken en exoplaneten.

Ze kunnen ook lichaamstemperatuurkaarten maken, die worden gebruikt om bepaalde soorten tumoren te identificeren waarvan de temperatuur hoger is dan die van de omliggende weefsels.

Zichtbaar licht

Zichtbaar licht vormt een groot deel van het spectrum van de zon, waarop het netvlies reageert.

UV straling

Ultraviolette stralen hebben voldoende energie om een ​​significante interactie met materie te hebben, dus voortdurende blootstelling aan deze straling veroorzaakt vroegtijdige veroudering en verhoogt het risico op het ontwikkelen van huidkanker.

Röntgenstralen en gammastralen

Röntgenstralen en gammastralen hebben zelfs nog meer energie en zijn daarom in staat om zachte weefsels binnen te dringen. Daarom worden ze bijna vanaf het moment van ontdekking gebruikt om breuken te diagnosticeren en het inwendige van het lichaam te onderzoeken op zoek naar ziekten. .

Röntgen- en gammastralen worden niet alleen gebruikt als diagnostisch hulpmiddel, maar ook als therapeutisch hulpmiddel voor de vernietiging van tumoren.

Referenties

1. Giancoli, D. (2006). Fysica: principes met toepassingen. Zesde editie. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fundamentals of Physics. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14e editie. Pearson. 1053-1057.