ELEKTROMAGNETICKÁ ENERGIE: VZOREC, ROVNICE, POUŽITÍ, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Elektromagnetická energie je ten, který se šíří elektromagnetických vln (EM). Příkladem toho je sluneční světlo, které vyzařuje teplo, proud, který je extrahován z elektrické zásuvky a proud rentgenových paprsků k produkci rentgenových paprsků.

Podobně jako zvukové vlny, když vibrace ušního bubnu vibrují, mohou elektromagnetické vlny přenášet energii, kterou lze později přeměnit na teplo, elektrické proudy nebo různé signály.

Obrázek 1. Antény jsou nezbytné v telekomunikacích. Signály, se kterými pracují, mají elektromagnetickou energii. Zdroj: Pixabay.

Elektromagnetická energie se šíří jak v materiálním médiu, tak ve vakuu, vždy ve formě příčné vlny a její využití není nic nového. Sluneční světlo je prvotním zdrojem elektromagnetické energie a nejstarším známým, ale používání elektřiny je poněkud novější.

Teprve v roce 1891 společnost Edison uvedla do provozu první elektrickou instalaci v Bílém domě ve Washingtonu DC. A to jako doplněk k plynovým světlům, která byla v té době používána, protože zpočátku bylo o jejich použití hodně skepticismu.

Pravda je taková, že i na nejodlehlejších místech a chybějících vedeních si elektromagnetická energie, která neustále přichází z vesmíru, udržuje dynamiku toho, čemu říkáme náš domov ve vesmíru.

Vzorec a rovnice

Elektromagnetické vlny jsou příčné vlny, ve kterých elektrické pole E a magnetické pole B jsou vzájemně kolmé a směr šíření vlny je kolmý na pole.

Všechny vlny jsou charakterizovány jejich frekvencí. Je to široká škála frekvencí EM vln, která jim dává univerzálnost při transformaci jejich energie, která je úměrná frekvenci.

Obrázek 2 ukazuje elektromagnetickou vlnu, v níž elektrické pole E v modré osciluje v rovině zy, magnetické pole B v červeném směru to dělá v rovině xy, zatímco rychlost vlny je směrována podél osy + y, podle zobrazeného souřadného systému.

Obrázek 2. Elektromagnetická vlna dopadající na povrch dodává energii podle Poyntingova vektoru. Zdroj: F. Zapata.

Pokud je povrch vložen do cesty obou vln, řekněme rovinu plochy A a tloušťky dy, takže je kolmá na rychlost vlny , je popisován tok elektromagnetické energie na jednotku plochy označený S. z vektoru Poynting:

Je snadné zkontrolovat, zda jsou jednotky S v mezinárodním systému Watt / m ².

Je toho ještě víc. Velikost polí E a B je ve vzájemném vztahu rychlostí světla c. Ve skutečnosti se elektromagnetické vlny ve vakuu šíří tak rychle. Tento vztah je:

Nahrazením tohoto vztahu v S získáme:

Poyntingový vektor se časem mění sinusovým způsobem, takže výše uvedená exprese je její maximální hodnota, protože energie dodávaná elektromagnetickou vlnou také osciluje, stejně jako pole. Frekvence oscilace je samozřejmě velmi velká, takže ji například nelze detekovat například ve viditelném světle.

Aplikace

Mezi mnoha způsoby použití, které jsme již zmínili o elektromagnetické energii, jsou zde uvedena dvě, která se používají nepřetržitě v mnoha aplikacích:

Dipólová anténa

Antény všude vyplňují prostor elektromagnetickými vlnami. Existují například vysílače, které transformují elektrické signály na rádiové vlny nebo mikrovlnnou troubu. A existují přijímače, které pracují opačně: shromažďují vlny a převádějí je na elektrické signály.

Podívejme se, jak vytvořit elektromagnetický signál, který se šíří v prostoru, z elektrického dipólu. Dipól se skládá ze dvou elektrických nábojů stejné velikosti a protilehlých znaků, oddělených malou vzdáleností.

Na následujícím obrázku je elektrické pole E, když je náboj + nad (levý obrázek). E ukazuje dolů na zobrazený bod.

Obrázek 3. Elektrické pole dipólu ve dvou různých polohách. Zdroj: Randall Knight. Fyzika pro vědce a inženýry.

Na obrázku 3 vpravo dipól změnil polohu a nyní E směřuje nahoru. Zopakujme tuto změnu mnohokrát a velmi rychle, řekněme s frekvencí f. Takto se vytvoří proměnné pole E v čase, což vede k magnetickému poli B, které je také proměnné a jehož tvar je sinusový (viz obrázek 4 a příklad 1 níže).

A protože Faradayův zákon zajišťuje, že časově proměnné magnetické pole B způsobuje vznik elektrického pole, ukázalo se, že oscilací dipólu již existuje elektromagnetické pole schopné šíření v médiu.

Obrázek 4. Dipólová anténa generuje signál, který přenáší elektromagnetickou energii. Zdroj: F. Zapata.

Všimněte si, že B střídavě směřuje dovnitř nebo ven z obrazovky (je vždy kolmá k E).

Energie elektrického pole: kondenzátor

Kondenzátory mají tu výhodu, že ukládají elektrický náboj a tím i elektrickou energii. Jsou součástí mnoha zařízení: motory, rozhlasové a televizní obvody, systémy osvětlení automobilů a mnoho dalšího.

Kondenzátory se skládají ze dvou vodičů oddělených malou vzdáleností. Každý z nich dostane náboj stejné velikosti a opačného znaménka, čímž vytvoří elektrické pole v prostoru mezi oběma vodiči. Geometrie se může lišit, protože je dobře známá jako geometrie plochého paralelního deskového kondenzátoru.

Energie uložená v kondenzátoru pochází z práce, která byla provedena, aby se nabila, což sloužilo k vytvoření elektrického pole uvnitř. Zavedením dielektrického materiálu mezi desky se zvyšuje kapacita kondenzátoru, a tím i energie, kterou může uchovávat.

Kondenzátor o kapacitě C a zpočátku vybitý, který je nabíjen baterií, která dodává napětí V, dokud nedosáhne náboje Q, ukládá energii U danou:

U = 1/2 (Q ² / C) = 1 QV = 1 CV ²

Obrázek 5. Plochý kondenzátor s paralelní deskou ukládá elektromagnetickou energii. Zdroj: Wikimedia Commons. Geek3.

Příklady

Příklad 1: Intenzita elektromagnetické vlny

Dříve bylo řečeno, že velikost Poyntingova vektoru je ekvivalentní výkonu, který vlna dodává pro každý čtvereční metr povrchu, a že také, když je vektor časově závislý, jeho hodnota osciluje až na maximum S = S = (1 / μ _nebo.c) E ².

Průměrná hodnota S v jednom cyklu vlny se snadno měří a ukazuje na energii vlny. Tato hodnota se nazývá intenzita vlny a vypočítává se tímto způsobem:

Elektromagnetická vlna je reprezentována sinusovou funkcí:

Kde E _o je amplituda vlny, k číslo vlny a ω úhlová frekvence. Tak:

Obrázek 5. Anténa vyzařuje signál ve sférickém tvaru. Zdroj: F. Zapata.

Příklad 2: Aplikace na vysílací anténu

Existuje rozhlasová stanice, která vysílá signál o výkonu 10 kW a frekvenci 100 MHz, který se šíří sférickým způsobem, jako na obrázku výše.

Najděte: a) amplitudu elektrických a magnetických polí v bodě vzdáleném 1 km od antény a b) celkovou elektromagnetickou energii, která dopadá na čtvercový list strany 10 cm v období 5 minut.

Údaje jsou:

Řešení

Rovnice uvedená v příkladu 1 se používá k nalezení intenzity elektromagnetické vlny, ale nejprve musí být hodnoty vyjádřeny v mezinárodním systému:

Tyto hodnoty jsou v rovnici okamžitě nahrazeny intenzitou, protože je to zdroj, který všude emituje stejný (izotropní zdroj):

Dříve bylo řečeno, že velikosti E a B souvisely s rychlostí světla:

B = (0,775 / 300 000 000) T = 2,58 x ^10-9 T

B. Řešení

S _znamená energii na jednotku plochy a zase sílu na energii na jednotku času. Vynásobením _průměrné S plochou plochy destičky a dobou expozice se získá požadovaný výsledek:

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

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 6. Elektromagnetismus. Editoval Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. Mezinárodní výbor pro elektromagnetickou bezpečnost. Fakta o elektromagnetické energii a kvalitativní pohled. Citováno z: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson. 893-896.
4. Portlandská státní univerzita. EM vlny transportní energie. Citováno z: pdx.edu
5. Co je elektromagnetická energie a proč je důležitá? Obnoveno z: sciencestruck.com.