ELEKTROMAGNETICKÉ VLNY: MAXWELLOVA TEORIE, TYPY, VLASTNOSTI - FYZICKÝ - 2025

Tyto elektromagnetické vlny jsou příčné vlny, které odpovídají polí způsobených urychlenými elektrickými náboji. Devatenácté století bylo století velkých pokroků v elektřině a magnetismu, ale až do první poloviny toho vědci nevěděli o vztahu mezi oběma jevy a věřili jim, že jsou na sobě nezávislí.

Byl to skotský fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879), který světu dokázal, že elektřina a magnetismus jsou pouze dvě strany téže mince. Oba jevy spolu úzce souvisejí.

Bouřka. Zdroj: Pixabay.

Maxwellova teorie

Maxwell sjednotil teorii elektřiny a magnetismu ve 4 elegantních a stručných rovnicích, jejichž předpovědi byly brzy potvrzeny:

Jaké důkazy musel Maxwell vyvinout svou elektromagnetickou teorii?

Už to byla skutečnost, že elektrické proudy (pohybující se náboje) vytvářejí magnetická pole a proměnné magnetické pole zase vytváří elektrické proudy ve vodivých obvodech, což by znamenalo, že proměnné magnetické pole indukuje elektrické pole.

Mohl by být možný obrácený jev? Byly proměnná elektrická pole schopna generovat magnetická pole postupně?

Maxwell, žák Michaela Faradaye, byl přesvědčen o existenci symetrie v přírodě. Tyto zásady musely dodržovat jak elektrické, tak magnetické jevy.

Podle tohoto vědce by oscilační pole způsobovala rušení stejným způsobem, jakým kámen vržený do rybníka generuje vlny. Tato narušení nejsou ničím jiným než kmitajícími elektrickými a magnetickými poli, které Maxwell přesně nazýval elektromagnetickými vlnami.

Předpovědi Maxwell

Maxwellovy rovnice předpovídaly existenci elektromagnetických vln s rychlostí šíření rovnající se rychlosti světla. Predikci potvrdil krátce poté německý fyzik Heinrich Hertz (1857 - 1894), kterému se podařilo tyto vlny generovat ve své laboratoři pomocí LC obvodu. K tomu došlo krátce po Maxwellově smrti.

Aby ověřil správnost teorie, musel Hertz postavit detekční zařízení, které mu umožnilo najít vlnovou délku a frekvenci, data, z nichž mohl vypočítat rychlost elektromagnetických rádiových vln, která se časově shodovala s rychlostí světla..

V té době byla Maxwellova práce přijata skepticismem vědeckou komunitou. Možná to bylo částečně proto, že Maxwell byl skvělý matematik a prezentoval svou teorii se všemi formalitami případu, které mnozí nerozuměli.

Avšak Hertzův experiment byl skvělý a přesvědčivý. Jejich výsledky byly dobře přijaty a pochybnosti o pravdivosti Maxwellových předpovědí byly odstraněny.

Proud posuvu

Proud vysídlení je vytvoření Maxwellu, vyplývající z hluboké analýzy Ampérova zákona, která uvádí, že:

Baterie se nabíjí kondenzátorem. Povrchy S (plná čára) a S 'a obrys C jsou znázorněny pro použití Ampérova zákona. Zdroj: upraveno z Pixabay.

Proto termín pro právo v Ampérově právu, zahrnující současný, není nulový a není ani členem vlevo. Okamžitý závěr: existuje magnetické pole.

Je v S 'magnetické pole?

Neexistuje však žádný proud, který protíná nebo protíná zakřivenou plochu S ', která má stejný obrys C, protože tento povrch zahrnuje část toho, co je v prostoru mezi deskami kondenzátoru, což můžeme předpokládat, že je vzduch nebo jiná látka nevodivé.

V této oblasti neexistuje vodivý materiál, kterým by proudil jakýkoli proud. Mělo by se pamatovat na to, že aby mohl proud protékat, musí být obvod uzavřen. Protože proud je nula, integrál nalevo v Ampérově zákonu je 0. Není tedy žádné magnetické pole, že?

Určitě existuje rozpor. S 'je také omezena křivkou C a existence magnetického pole nesmí záviset na povrchu, na který C omezuje.

Maxwell vyřešen rozpor tím, že zavádí pojem posunutí proudu I _D.

Proud posuvu

Zatímco se kondenzátor nabíjí, mezi deskami je proměnné elektrické pole a proud protéká vodičem. Když se kondenzátor nabíjí, proud ve vodiči ustane a mezi deskami se vytvoří konstantní elektrické pole.

Poté Maxwell usoudil, že v souvislosti s proměnným elektrickým polem musí existovat proud, který nazýval proudem posuvu i _D, proud, který nezahrnuje pohyb náboje. Pro povrch S 'platí:

Elektrický proud není vektor, i když má velikost a význam. Je vhodnější spojit pole s kvantitou, která je vektorem: proudová hustota J, jejíž velikost je kvocient mezi proudem a oblastí, kterou prochází. Jednotky proudové hustoty v mezinárodním systému jsou ampéry / m ².

Z hlediska tohoto vektoru je hustota proudového proudu:

Tímto způsobem, když je Ampérův zákon aplikován na obrys C a je použita plocha S, i _C je proud skrz něj. Na druhé straně i _C neprochází S ', ale i _D ano.

Cvičení vyřešeno

Rychlost v daném médiu

V daném médiu je možné ukázat, že rychlost elektromagnetických vln je dána výrazem:

Ve kterých ε a μ jsou příslušná permitivita a permeabilita daného média.

Velikost pohybu

Elektromagnetické záření s energií U má přidruženou hybnost p, jejíž velikost je: p = U / c.

Druhy elektromagnetických vln

Elektromagnetické vlny mají velmi široký rozsah vlnových délek a frekvencí. Jsou seskupeny do takzvaného elektromagnetického spektra, které bylo rozděleno na níže uvedené oblasti, počínaje nejdelšími vlnovými délkami:

Rádiové vlny

Nachází se na nejvyšší vlnové délce a na nejnižší frekvenci, pohybují se v rozmezí od několika do miliard Hertzů. Jsou to ty, které se používají k přenosu signálu s informacemi různého druhu a jsou zachyceny anténami. Televize, rádio, mobily, planety, hvězdy a další nebeská těla je vysílají a mohou být zajata.

Mikrovlnná trouba

Nachází se v ultra vysokém (UHF), super vysokém (SHF) a extrémně vysokém (EHF) kmitočtu, pohybují se mezi 1 GHz a 300 GHz. Na rozdíl od předchozích, které mohou měřit až do míle (1,6 km) Pohybují se od několika centimetrů do 33 cm.

Vzhledem ke své poloze ve spektru mezi 100 000 a 400 000 nm se používají k přenosu dat na frekvencích, které nejsou rušeny rádiovými vlnami. Z tohoto důvodu se používají v radarové technologii, mobilních telefonech, kuchyňských pecích a počítačových řešeních.

Jeho oscilace je produktem zařízení známého jako magnetron, což je druh rezonanční dutiny, která má na koncích 2 kotoučové magnety. Elektromagnetické pole je generováno zrychlením elektronů z katody.

Infračervené paprsky

Tyto tepelné vlny jsou emitovány tepelnými tělesy, některými typy laserů a světelnými diodami. Přestože mají tendenci se překrývat s rádiovými vlnami a mikrovlnami, jejich rozsah je mezi 0,7 a 100 mikrometry.

Subjekty nejčastěji produkují teplo, které lze detekovat nočními brýlemi a pokožkou. Často se používají pro dálkové ovládání a speciální komunikační systémy.

Viditelné světlo

V referenčním dělení spektra najdeme vnímatelné světlo, které má vlnovou délku mezi 0,4 a 0,8 mikrometrů. Rozlišujeme barvy duhy, kde nejnižší frekvenci charakterizuje červená a nejvyšší fialová.

Jeho hodnoty délky jsou měřeny v nanometrech a Angstromu, představují velmi malou část celého spektra a tento rozsah zahrnuje největší množství záření emitovaného sluncem a hvězdami. Navíc je to produkt zrychlení elektronů v energetických tranzitech.

Naše vnímání věcí je založeno na viditelném záření, které dopadá na objekt a poté na oči. Mozek pak interpretuje frekvence, které dávají vzniknout barvě a detailům přítomným ve věcech.

Ultrafialové paprsky

Tyto vlnky jsou v rozsahu 4 a 400 nm, jsou vytvářeny sluncem a dalšími procesy, které emitují velké množství tepla. Dlouhodobé vystavení těmto krátkým vlnám může způsobit popáleniny a určité druhy rakoviny v živých věcech.

Protože jsou produktem skoků elektronů ve vzrušených molekulách a atomech, jejich energie se podílí na chemických reakcích a v medicíně se používají ke sterilizaci. Jsou odpovědné za ionosféru, protože ozonová vrstva zabraňuje jejím škodlivým účinkům na Zemi.

Rentgenové paprsky

Toto označení je způsobeno tím, že se jedná o neviditelné elektromagnetické vlny schopné procházet neprůhlednými těly a vytvářet fotografické tisky. Jsou umístěny mezi 10 a 0,01 nm (30 až 30 000 PHz) a jsou výsledkem elektronů skákajících z drah v těžkých atomech.

Tyto paprsky mohou být emitovány sluneční koronou, pulsary, supernovy a černými dírami kvůli jejich velkému množství energie. Jejich dlouhodobá expozice způsobuje rakovinu a používají se v lékařské oblasti k získání snímků kostních struktur.

Gama paprsky

Nachází se na krajní levé straně spektra, jsou to vlny, které mají nejvyšší frekvenci a obvykle se vyskytují v černých dírách, supernovových, pulsarech a neutronových hvězdách. Mohou být také výsledkem štěpení, jaderných výbuchů a blesků.

Protože jsou generovány stabilizačními procesy v atomovém jádru po radioaktivních emisích, jsou smrtelné. Jejich vlnová délka je subatomická, což jim umožňuje procházet atomy. Stále jsou pohlceny zemskou atmosférou.

Aplikace různých elektromagnetických vln

Elektromagnetické vlny mají stejné odrazové a odrazové vlastnosti jako mechanické vlny. A spolu s energií, kterou propagují, mohou nést také informace.

Z tohoto důvodu byly na velké množství různých úkolů aplikovány různé typy elektromagnetických vln. Zde uvidíme některé z nejběžnějších.

Elektromagnetické spektrum a některé jeho aplikace. Zdroj: Tatoute a Phrood

Rádiové vlny

Krátce poté, co byl objeven, Guglielmo Marconi dokázal, že by mohli být vynikajícím komunikačním nástrojem. Od svého objevu společností Hertz se bezdrátová komunikace s rádiovými frekvencemi, jako jsou AM a FM rádio, televize, mobilní telefony, a mnohem více rozšířila po celém světě.

Mikrovlnná trouba

Mohou být použity k ohřevu jídla, protože voda je dipólová molekula, která je schopna reagovat na kmitající elektrická pole. Jídlo obsahuje molekuly vody, které, když jsou vystaveny těmto polím, začnou kmitat a vzájemně se srážet. Výsledný efekt je oteplování.

Mohou být také použity v telekomunikacích, kvůli jejich schopnosti cestovat v atmosféře s menším rušením než jiné vlny s větší vlnovou délkou.

Infračervené vlny

Nejcharakterističtější aplikací infračerveného záření jsou zařízení pro noční vidění. Používají se také při komunikaci mezi zařízeními a ve spektroskopických technikách pro studium hvězd, mraků mezihvězdných plynů a exoplanet.

Mohou také vytvářet mapy tělesné teploty, které se používají k identifikaci některých typů nádorů, jejichž teplota je vyšší než teplota okolních tkání.

Viditelné světlo

Viditelné světlo tvoří velkou část spektra vyzařovaného Sluncem, na které sítnice reaguje.

Ultrafialové paprsky

Ultrafialové paprsky mají dostatek energie k tomu, aby významně interagovaly s hmotou, takže trvalé vystavení tomuto záření způsobuje předčasné stárnutí a zvyšuje riziko vzniku rakoviny kůže.

Rentgenové a gama záření

Rentgenové paprsky a gama paprsky mají ještě více energie, a proto jsou schopné proniknout do měkkých tkání, a proto se téměř od okamžiku svého objevu používají k diagnostice zlomenin a zkoumání vnitřku těla při hledání nemocí..

Rentgenové a gama paprsky se používají nejen jako diagnostický nástroj, ale také jako terapeutický nástroj pro ničení nádorů.

Reference

1. Giancoli, D. (2006). Fyzika: Principy s aplikacemi. Šesté vydání. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Základy fyziky. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Univerzitní fyzika s moderní fyzikou. 14. vydání. Pearson. 1053-1057.