ЕЛЕКТРОМАГНЕТНА ЕНЕРГИЈА: ФОРМУЛА, ЈЕДНАЧИНЕ, УПОТРЕБЕ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Електромагнетна енергија је онај који се шири путем електромагнетних таласа (ЕМ). Примери за то су соларна светлост која зрачи топлоту, струја која се извлачи из електричне утичнице и струја Кс-зрака за производњу Кс-зрака.

Попут звучних таласа када вибрирају бубне шаре, електромагнетни таласи су способни да пренесу енергију која се касније може претворити у топлоту, електричне струје или различите сигнале.

Слика 1. Антене су неопходне у телекомуникацијама. Сигнали са којима раде имају електромагнетну енергију. Извор: Пикабаи.

Електромагнетна енергија се шири и у материјалном медијуму и у вакууму, увек у облику попречног таласа и коришћење истих није нешто ново. Сунчева светлост је првобитни извор електромагнетне енергије и најстарији је познати, али коришћење електричне енергије је нешто новије.

Тек 1891. године компанија Едисон је пустила у рад прву електричну инсталацију у Белој кући у Вашингтону. И то као допуну гасним светлима која су се користила у то време, јер је у почетку било доста скепсе у њиховој употреби.

Истина је да и на најудаљенијим местима и којима недостају далеководи, електромагнетна енергија која стално стиже из свемира и даље одржава динамику онога што у универзуму називамо својим домом.

Формула и једначине

Електромагнетни таласи су попречни таласи у којима су електрично поље Е и магнетно поље Б окомито једни на друге, а правац ширења таласа је окомит на поља.

Сви таласи су карактеристични по својој фреквенцији. Широк распон фреквенција ЕМ таласа, који им даје свестраност при трансформисању њихове енергије, пропорционалан је фреквенцији.

На слици 2 приказан је електромагнетни талас, у њему електрично поље Е плаво осцилира у зи равнини, магнетно поље Б црвено то чини у ки равнини, док је брзина таласа усмерена дуж осе + и, према приказаном координатном систему.

Слика 2. Електромагнетни талас који пада на површину испоручује енергију према Поинтингевом вектору. Извор: Ф. Запата.

Ако је површина смештена у путањи оба таласа, рецимо на равнину А и дебљину ди, тако да је окомита на брзину таласа, проток електромагнетне енергије по јединици површине, означен са С, је описан кроз из Поинтинг вектора:

Лако је проверити да су јединице С ват / м ² у Међународном систему.

Има их још. Величине поља Е и Б повезане су једна са другом брзином светлости ц. У ствари, електромагнетни таласи у вакууму шире се тако брзо. Ова веза је:

Замјеном овог односа у С добијамо:

Поинтингов вектор варира с временом на синусоидни начин, тако да је горњи израз његова максимална вредност, јер енергија коју емитује електромагнетни талас такође осцилира, као и поља. Наравно, фреквенција осцилација је веома велика, па је, на пример, немогуће открити на видљивом светлу.

Апликације

Међу бројним употребама које смо већ навели за електромагнетну енергију, овде су две које се непрекидно користе у бројним применама:

Диполска антена

Антене свуда испуњавају простор електромагнетним таласима. Постоје предајници, који, на пример, трансформишу електричне сигнале у радио таласе или микроталасне. А ту су и пријемници, који раде обрнуто: сакупљају таласе и претварају их у електричне сигнале.

Да видимо како да направимо електромагнетни сигнал који се шири у свемиру, из електричног дипола. Дипол се састоји од два електрична набоја једнаке величине и супротних знакова, одвојених малом растојању.

На следећој слици је електрично поље Е када је набој + изнад (лева слика). Е тачке доле на приказаној тачки.

Слика 3. Електрично поље дипола у два различита положаја. Извор: Рандалл Книгхт. Физика за научнике и инжењере.

На слици 3 десно, дипол је променио положај и сада је Е окренут према горе. Поновимо ову промену много пута и то врло брзо, рецимо са фреквенцијом ф. На овај начин ствара се променљива у времену Е , стварајући магнетно поље Б , такође променљиво и чији је облик синусоидан (видети слику 4 и пример 1 доле).

А како Фарадаиев закон осигурава да временски променљиво магнетно поље Б ствара електрично поље, испоставило се да осцилирањем дипола већ постоји електромагнетно поље способно за ширење у медијуму.

Слика 4. Диполна антена генерише сигнал који преноси електромагнетну енергију. Извор: Ф. Запата.

Примјетите да Б наизменично улази или излази из екрана (увек је окомито на Е ).

Енергија електричног поља: кондензатор

Кондензатори имају предност складиштења електричног набоја, а самим тим и електричне енергије. Они су део многих уређаја: мотора, радио и телевизијских кола, система осветљења аутомобила и још много тога.

Кондензатори се састоје од два проводника раздвојена малом раздаљином. Сваком се даје набој једнаке величине и супротног знака, стварајући тако електрично поље у простору између оба проводника. Геометрија може да варира, добро позната као кондензатор плоснатих паралелних плоча.

Енергија ускладиштена у кондензатору долази од дела који је обављен да би се напунила, а која је служила за стварање електричног поља у њему. Увођењем диелектричног материјала између плоча повећава се капацитет кондензатора, а самим тим и енергија коју он може да складишти.

Кондензатор капацитета Ц и првобитно пражњен који напуни батерија која напаја напон В, све док не постигне наелектрисање К, чува енергију У коју даје:

У = ½ (К ² / Ц) = ½ КВ = ½ ЦВ ²

Слика 5. Равни паралелни кондензатор плоче складишти електромагнетну енергију. Извор: Викимедиа Цоммонс. Геек3.

Примери

Пример 1: Интензитет електромагнетног таласа

Раније је речено да је величина Поинтинговог вектора једнака снази коју талас даје за сваки квадратни метар површине, и да је, такође, јер вектор зависи од времена, његова вредност осцилирала до максимума С = С = ( 1 / µ _или .ц) Е ² .

Просечну вредност С у једном циклусу таласа је лако измерити и указати на енергију таласа. Ова вредност је позната као интензитет таласа и израчунава се на овај начин:

Електромагнетни талас представљен је синусном функцијом:

Где је Е _о амплитуда таласа, к таласни број и ω угаона фреквенција. Тако:

Слика 5. Антена зрачи сигнал у сферичном облику. Извор: Ф. Запата.

Пример 2: Примена на одашиљачку антену

Постоји радио станица која одашиље сигнал снаге 10 кВ и фреквенције 100 МХз, који се шири сферично, као на горњој слици.

Нађите: а) амплитуду електричног и магнетног поља у тачки која се налази 1 км од антене и б) укупну електромагнетну енергију која пада на квадратни лист странице 10 цм у периоду од 5 минута.

Подаци су:

Решење за

Једнаџба дата у примеру 1 користи се за проналажење интензитета електромагнетног таласа, али најпре вредности морају бити изражене у Међународном систему:

Те вредности се затим замјењују у једнаџби за интензитет, јер је извор који свугдје емитира исте (изотропни извор):

Раније је речено да су величине Е и Б повезане брзином светлости:

Б = (0.775 / 300.000.000) Т = 2,58 к 10 ^-9 Т

Решење б

С _значи снага по јединици површине, а заузврат снага је енергија по јединици времена. Помноживши _{средњу вредност} С с површином плоче и временом излагања, добија се тражени резултат:

У = 0,775 к 300 к 0,01 Јоулес = 2,325 Јоулес.

Референце

1. Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 6. Електромагнетизам. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ). 307-314.
2. ИЦЕС (Међународни комитет за електромагнетну сигурност). Чињенице о електромагнетној енергији и квалитативни приказ. Преузето са: ицес-емфсафети.орг.
3. Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон. 893-896.
4. Портланд Стате Университи. ЕМ таласи преносе енергију. Преузето са: пдк.еду
5. Шта је електромагнетна енергија и зашто је важна? Опоравило од: сциенцеструцк.цом.