Onde elettromagnetiche teoria, tipi, caratteristiche di Maxwell

IL onde elettromagnetiche Sono onde trasversali che corrispondono ai campi causati da cariche elettriche accelerate. Il diciannovesimo secolo fu il secolo di grandi progressi nell'elettricità e nel magnetismo, ma fino alla prima metà di esso, gli scienziati non conoscevano ancora la relazione tra i due fenomeni, credendo loro indipendenti l'uno dall'altro.

Fu il fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) a mostrare al mondo che l'elettricità e il magnetismo non erano altro che i due lati della stessa valuta. Entrambi i fenomeni sono intimamente correlati.

Una tempesta. Fonte: Pixabay.

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Teoria di Maxwell

Maxwell unificato la teoria dell'elettricità e del magnetismo in 4 equazioni eleganti e concise, le cui previsioni furono presto confermate:

Quali prove si preparava Maxwell per la sua teoria elettromagnetica?

Era già un dato di fatto che le correnti elettriche (carichi in movimento) producono campi magnetici e, a sua volta, un campo magnetico variabile ha origine correnti elettriche nei circuiti conduttivi, il che implica che un campo magnetico variabile induce un campo elettrico.

Potrebbe essere possibile il fenomeno inverso? I campi elettrici variabili sarebbero in grado di originare i campi magnetici a turno?

Maxwell, discepolo di Michael Faraday, era convinto dell'esistenza di simmetrie in natura. Entrambi i fenomeni, elettrici e magnetici, dovevano anche attenersi a questi principi.

Secondo questo ricercatore, i campi oscillanti genererebbero disturbi allo stesso modo in cui una pietra gettata in uno stagno genera onde. Questi disturbi non sono altro che campi elettrici e magnetici oscillanti, che Maxwell chiamavano onde elettromagnetiche precisamente.

Previsioni di Maxwell

Le equazioni di Maxwell prevedevano l'esistenza di onde elettromagnetiche con velocità di propagazione pari alla velocità della luce. La previsione fu confermata poco dopo dal fisico tedesco Heinrich Hertz (1857-1894), che riuscì a generare queste onde nel suo laboratorio attraverso un circuito LC. Questo è successo poco dopo la morte di Maxwell.

Per controllare il successo della teoria, Hertz ha dovuto costruire un dispositivo di rivelatore che gli ha permesso.

Le opere di Maxwell erano state ricevute con scetticismo dalla comunità scientifica dell'epoca. Forse era in parte dovuto al fatto che Maxwell era un brillante matematico e aveva presentato la sua teoria con tutta la formalità del caso, che molti non riuscivano a capire.

Tuttavia, l'esperimento di Hertz è stato brillante e convincente. I suoi risultati furono ben accolti e i dubbi sulla veridicità delle previsioni di Maxwell erano chiari.

La corrente di spostamento

La corrente di spostamento è la creazione di Maxwell, derivante da una profonda analisi della legge di Ampere, che lo stabilisce:

 Dove:Maxwell ha analizzato il caso del caricamento di un condensatore: come viene caricato, la superficie s il cui contorno è C, comprende la corrente i_C Ciò che passa attraverso il filo conduttivo, come si può vedere nella figura seguente:

Una batteria carica un condensatore. Sono mostrate superfici (linea continua) e s 'e il contorno C per applicare la legge di ampere. Fonte: Pixabay modificato.

Pertanto, il termine a destra nella legge di Ampere, che coinvolge la corrente, non è nullo e non è il membro a sinistra. Conclusione immediata: esiste un campo magnetico.

C'è un campo magnetico in s '?

Tuttavia, non esiste una corrente che attraversa o attraversino la superficie curva S ', che ha lo stesso contorno C, poiché questa superficie comprende parte di ciò che è nello spazio tra le piastre del condensatore, che possiamo supporre sia aria o altra sostanza non - conduttore.

In quella regione non c'è materiale conduttivo attraverso il quale fluisce qualsiasi corrente. Va ricordato che per far circolare una corrente, è necessario chiudere il circuito. Quando la corrente è null, l'integrale della sinistra nella legge di Ampere è 0. Non c'è campo magnetico allora, o sì?

C'è sicuramente una contraddizione. S 'è anche limitato dalla curva C e l'esistenza del campo magnetico non dovrebbe dipendere dalla superficie a cui limita.

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Maxwell ha risolto la contraddizione introducendo il concetto di spostamento corrente i_D.

Corrente di spostamento

Mentre il condensatore si sta caricando, esiste un campo elettrico variabile tra le piastre e fa circolare la corrente dal driver. Quando viene caricato il condensatore, la corrente cessa nel conducente e viene stabilito un campo elettrico costante tra le piastre.

Quindi Maxwell ha dedotto che, associato al campo elettrico variabile, dovrebbe esserci una corrente che chiamata corrente di spostamento i_D, Una corrente che non comporta il movimento del carico. Per la superficie s 'è valido:

 Dove:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

La corrente elettrica non è un vettore, sebbene sia grandezza e significato. È più appropriato mettere in relazione i campi con una quantità che è vettore: la densità corrente J,la cui grandezza è il quoziente tra la corrente e l'area attraverso la quale passa. Le attuali unità di densità nel sistema internazionale sono AMP/M².

In termini di questo vettore, la densità della corrente di spostamento è:

La corrente di spostamento i_D È dovuto alla variazione del tempo del flusso di campo elettrico tra le piastre del condensatore mentre si carica. Una volta caricato, la variazione del flusso elettrico è zero e la corrente di spostamento scompare.

In questo modo, quando viene applicata la legge di ampere al contorno C e la superficie s viene utilizzata, i_C È la corrente che lo attraversa. Io invece_C Non passa attraverso s ', ma io_D se lo fa.

Esercizio risolto

1-un condensatore a piastra piatta parallela circolare viene caricato. Il raggio delle piastre è di 4 cm e in un istante data la corrente di guida i_C = 0.520 a. C'è aria tra le piastre. Trovare:

a) La densità di corrente di spostamento j_D nello spazio tra le piastre.

b) la velocità con cui sta cambiando il campo elettrico tra le piastre.

c) Il campo magnetico indotto tra le piastre a una distanza di 2 cm dall'asse assiale.

d) lo stesso problema di c) ma a una distanza di 1 cm dall'asse assiale.

Soluzione

Sezione a

Per l'entità della densità di corrente j_D È necessaria l'area delle piastre:

Area piastra: a = πr² = π . (4 x 10^-2 M)² = 0.00503 m².

Il campo elettrico è uniforme tra le piastre, anche la densità di corrente, poiché sono proporzionali. Inoltre i_C = i_D Per continuità, quindi:

Densità J corrente_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Sezione b

Il tasso di cambio del campo elettrico è (di/dt). È necessaria un'equazione per trovarla, in base ai primi principi: la definizione corrente, la definizione di capacità e la capacità di un condensatore di placca.

- Per definizione la corrente è il derivato del carico rispetto al tempo i_C = dq/dt

- La capacità del condensatore è C = Q/V, dove Q è il carico e V è la differenza potenziale.

- Da parte sua, la capacità del condensatore a placca piatta parallela è: c = ε_OAnno Domini.

Le cavie minuscole vengono utilizzate per indicare le correnti e le tensioni che variano nel tempo. Quando si combina la seconda e la terza equazione, il carico rimane:

Q = c.V = (ε_OANNO DOMINI).v = ε_OA (v/d) = ε_OAe

Qui ε_O È l'indennità del vuoto il cui valore è 8.85 x 10^-12 C²/N.M². Pertanto, quando si ottiene questo risultato alla prima equazione si ottiene un'espressione che contiene il tasso di cambio del campo elettrico:

Yo_C = dq/dt = d (ε_OAe)/dt = ε_OA (da/dt)

La cancellazione di/dt è:

(di/dt) = i_C/ (ε_OA) = j_D/ε_O

Sostituzione dei valori:

di/dt = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.M² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Il risultato è circa 1 seguito da 13 zeri. Il campo elettrico sta decisamente variando molto rapidamente.

Sezione c

Per trovare l'entità del campo magnetico è necessario applicare la legge di Ampere, scegliendo un percorso radio circolare R All'interno delle piastre e concentrici a loro, il cui raggio è R:

Può servirti: Venere (pianeta)

D'altra parte nell'integrale i vettori B e DL sono paralleli, in modo che il prodotto scalare sia semplicemente Bdl, Dove dl È un differenziale sulla strada su C. Il campo B è costante tutto il C ed è fuori dall'integrale:

Uguale ad entrambi i risultati:

Clearing B che hai:

Valutazione per r = 2 cm = 0.02 m:

Sezione d

Valutazione dell'equazione ottenuta nel paragrafo precedente, per r = 1 cm = 0.01 m:

Caratteristiche delle onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali in cui i campi elettrici e magnetici sono perpendicolari l'uno all'altro alla direzione della propagazione delle onde.

Le onde elettromagnetiche sono costituite da campi elettrici e magnetici perpendicolari. Fonte: Pixabay.

Successivamente vedremo le sue caratteristiche più notevoli.

Velocità di propagazione

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto è C ≈3,00 x10⁸ m/s, indipendentemente da quali valori abbiano la lunghezza d'onda e la frequenza.

Media dove si propagano

Le onde elettromagnetiche si diffondono sia nel vuoto che in un mezzo di materiale, a differenza delle onde meccaniche che richiedono un mezzo.

Rapporto tra velocità, lunghezza d'onda e frequenza

La relazione tra velocità C, La lunghezza d'onda λ e la frequenza F di onde elettromagnetiche nel vuoto è c = λ.F.

Relazione tra campo elettrico e magnetico

Le magnitudini dei campi elettrici e magnetici sono correlate attraverso E = Cb.

Velocità in un determinato mezzo

In un determinato ambiente, è possibile dimostrare che la velocità delle onde elettromagnetiche è data dall'espressione:

In cui ε e μ sono le rispettive indennità e permeabilità dell'ambiente in questione.

Quantità di movimento

Una radiazione elettromagnetica con energia O ha una quantità di movimento associata P la cui grandezza è: P = O/C.

Tipi di onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche hanno una gamma molto ampia di lunghezze d'onda e frequenze. Sono raggruppati in quello che è noto come lo spettro elettromagnetico, che è stato diviso in regioni, che sono nominate di seguito, a partire dalle lunghezze d'onda più alte:

Onde radio

Situati alla fine della lunghezza d'onda più alta e della frequenza più bassa, vanno da qualche miliardo di Hertz. Sono quelli usati per trasmettere un segnale con informazioni di vari tipi e vengono catturati dalle antenne. Televisione, radio, cellulari, pianeti, stelle e altri corpi celesti li trasmettono e possono essere catturati.

Microonde

Situato nelle frequenze ultra alte (UHF), super alte (SHF) ed estremamente alto (EHF), vanno tra 1 GHz e 300 GHz. A differenza di quelli precedenti che possono misurare fino a un miglio (1,6 km), le microonde vanno da pochi centimetri a 33 cm.

Data la sua posizione di spettro, tra 100.000 e 400.000 nm, vengono utilizzati per trasmettere dati sulle frequenze che non sono interferite dalle onde radio. Per questo motivo, vengono applicati in tecnologia radar, telefoni cellulari, forni da cucina e soluzioni per computer.

La sua oscillazione è il prodotto di un dispositivo noto come Magnetron, che è una sorta di cavità risonante che ha 2 magneti a disco alle estremità. Il campo elettromagnetico è generato dall'accelerazione degli elettroni catodici.

Raggi infrarossi

Queste onde di calore sono emesse da corpi termici, alcuni tipi di laser e diodi che emettono luce. Sebbene di solito si sovrappongono con onde radio e microonde, la loro gamma è compresa tra 0,7 e 100 micrometri.

Le entità più frequentemente producono calore che possono essere rilevati da spettatori e pelle. Sono spesso utilizzati per telecomandi e sistemi di comunicazione speciali.

Luce visibile

Nella divisione referenziale dello spettro troviamo la luce percepibile, che ha una lunghezza d'onda tra 0,4 e 0,8 micrometri. Ciò che distinguiamo sono i colori dell'arcobaleno, dove la frequenza più bassa è caratterizzata dal colore rosso e la più alta dal viola.

I suoi valori di lunghezza sono misurati in nanometri e Angstrom, rappresenta una parte molto piccola dell'intero spettro e questo intervallo include la più grande quantità di radiazioni emesse dal sole e dalle stelle. Inoltre, è il prodotto dell'accelerazione di elettroni nei transiti di energia.

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La nostra percezione delle cose si basa su una radiazione visibile che colpisce un oggetto e poi sugli occhi. Quindi il cervello interpreta le frequenze che danno origine al colore e ai dettagli presenti nelle cose.

Raggi ultravioletti

Queste ondulazioni si trovano nell'intervallo di 4 e 400 nm, sono generate dal sole e altri processi che emettono grandi quantità di calore. L'esposizione prolungata a queste onde corte può causare ustioni e alcuni tipi di cancro negli esseri viventi.

Dal momento che sono il prodotto dei salti di elettroni in molecole e atomi eccitati, la loro energia interviene nelle reazioni chimiche e sono usate in medicina per sterilizzare. Sono responsabili della ionosfera poiché lo strato di ozono evita i suoi effetti dannosi sulla terra.

Raggi X

Questa designazione è perché sono onde elettromagnetiche invisibili in grado di attraversare i corpi opachi e produrre impressioni fotografiche. Situato tra 10 e 0,01 nm (da 30 a 30.000 phz), sono il risultato di elettroni che saltano dalle orbite in atomi pesanti.

Questi raggi possono essere emessi dalla corona del sole, pulsare, supernova e buchi neri a causa della sua grande quantità di energia. La sua esposizione prolungata provoca il cancro e sono utilizzate nel campo della medicina per ottenere immagini di strutture ossee.

Raggi gamma

Situati sull'estremità sinistra dello spettro, sono le onde più in frequenza e di solito si verificano in buchi neri, supernovae, pulsare e stelle di neutroni. Possono anche essere una conseguenza di fissione, esplosioni nucleari e fulmini.

Poiché sono generati dai processi di stabilizzazione nel nucleo atomico dopo le emissioni radioattive, sono letali. La sua lunghezza d'onda è subatomica, che consente loro di attraversare gli atomi. Anche così sono assorbiti dall'atmosfera terrestre.

Applicazioni delle diverse onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche hanno le stesse proprietà in termini di riflessione e riflessione delle onde meccaniche. E accanto all'energia che propagano, possono anche trasportare informazioni.

Per questo motivo, i diversi tipi di onde elettromagnetiche sono stati applicati a un gran numero di attività diverse. Successivamente vedremo alcuni dei più comuni.

Spettro elettromagnetico e alcune delle sue applicazioni. Fonte: Tatoute e Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

Onde radio

Poco dopo essere stato scoperto, Guglielmo Marconi ha dimostrato che potrebbero essere un eccellente strumento di comunicazione. Dalla sua scoperta di Hertz, comunicazioni wireless con frequenze radio come AM e FM Radio, televisione, telefoni cellulari e molto altro, si sono estesi sempre di più in tutto il mondo.

Microonde

Possono essere usati per riscaldare il cibo, perché l'acqua è una molecola di dipolo in grado di rispondere ai campi elettrici oscillanti. Gli alimenti contengono molecole d'acqua, che se esposte a questi campi iniziano a oscillare e si scontrano tra loro. L'effetto risultante è il riscaldamento.

Possono anche essere utilizzati nelle telecomunicazioni, grazie alla loro capacità di muoversi nell'atmosfera con meno interferenze rispetto ad altre onde di lunghezza delle onde.

Onde a infrarossi

L'applicazione più caratteristica dell'infrarosso sono i dispositivi di visione notturna. Sono anche usati nella comunicazione tra dispositivi e tecniche spettroscopiche per lo studio di stelle, nuvole di gas interstellare ed esopianeti.

Con loro puoi anche creare mappe di temperatura corporea, che servono a identificare alcuni tipi di tumori la cui temperatura è maggiore di quella dei tessuti circostanti.

Luce visibile

La luce visibile forma gran parte dello spettro emesso dal sole, a cui la retina risponde.

Raggi ultravioletti

I raggi ultravioletti hanno abbastanza energia per interagire in modo significativo con la materia, quindi l'esposizione continua a questa radiazione provoca un invecchiamento prematuro e aumenta il rischio di sviluppare il cancro della pelle.

Raggi X -raggi e gamma

I raggi X -raggi e gamma hanno ancora più energia e quindi sono in grado di penetrare nei tessuti molli, quindi quasi dal momento della loro scoperta sono stati usati per diagnosticare le fratture e esaminare l'interno del corpo nella ricerca della malattia.

I raggi X -raggi e gamma sono usati non solo come strumento diagnostico, ma come strumento terapeutico per la distruzione del tumore.

Riferimenti

1. Giancoli, d.  (2006). Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Fondamenti di fisica. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Fisica universitaria con fisica moderna. 14 ° edizione. Pearson. 1053 - 1057.