ELEKTROMANYETIK ENERJI: FORMÜL, DENKLEMLER, KULLANIMLAR, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2024

Elektromanyetik enerji biri elektromanyetik dalgaların (EM) ile yayılır. Bunun örnekleri, ısıyı yayan güneş ışığı, elektrik prizinden çekilen akım ve X ışınları üretmek için X ışınlarınınki.

Kulak zarını titrettikleri zamanki ses dalgaları gibi, elektromanyetik dalgalar daha sonra ısıya, elektrik akımlarına veya çeşitli sinyallere dönüştürülebilen enerjiyi aktarabilir.

Şekil 1. Telekomünikasyonda antenler gereklidir. Çalıştıkları sinyaller elektromanyetik enerjiye sahiptir. Kaynak: Pixabay.

Elektromanyetik enerji hem maddi ortamda hem de boşlukta, her zaman enine dalga şeklinde yayılır ve ondan yararlanmak yeni bir şey değildir. Güneş ışığı elektromanyetik enerjinin ilkel kaynağıdır ve bilinen en eskisidir, ancak elektrik kullanımı biraz daha yenidir.

Washington DC'deki Beyaz Saray'da Edison Company ilk elektrik tesisatını ancak 1891'de faaliyete geçirdi. Ve bu, o sırada kullanılan gaz bazlı ışıkların bir tamamlayıcısı olarak, çünkü ilk başta kullanımları hakkında çok fazla şüphe vardı.

Gerçek şu ki, en ücra yerlerde ve eksik güç hatlarında bile, uzaydan sürekli gelen elektromanyetik enerji, evrendeki evimiz dediğimiz şeyin dinamiklerini korumaya devam ediyor.

Formül ve denklemler

Elektromanyetik dalgalar, elektrik alanı E ve manyetik alan B'nin birbirine dik olduğu ve dalganın yayılma yönünün alanlara dik olduğu enine dalgalardır.

Tüm dalgalar frekanslarıyla karakterizedir. Frekansla orantılı olan enerjilerini dönüştürürken onlara çok yönlülük sağlayan EM dalgalarının geniş frekans aralığıdır.

Şekil 2, elektromanyetik bir dalgayı gösterir, içinde mavi elektrik alanı E zy düzleminde salınır , kırmızı manyetik alan B bunu xy düzleminde yapar, dalganın hızı eksen boyunca yönlendirilir. + y, gösterilen koordinat sistemine göre.

Şekil 2. Bir yüzeydeki elektromanyetik dalga olayı, Poynting vektörüne göre enerji verir. Kaynak: F. Zapata.

Bir yüzey, her iki dalga yolu yerleştirilir, bu dalganın hızı dik olacağı şekilde, A alanının bir uçak ve kalınlık dy ki, belirtilen, birim alan başına, elektromanyetik enerji akışı, S yoluyla tarif edilmektedir Poynting vektöründen:

Uluslararası Sistemde S birimlerinin Watt / m ² olduğunu kontrol etmek kolaydır .

Hala daha fazlası var. E ve B alanlarının büyüklükleri , ışık hızıyla c birbirleriyle ilişkilidir. Aslında, bir boşluktaki elektromanyetik dalgalar bu kadar hızlı yayılır. Bu ilişki:

Bu ilişkiyi S'de değiştirerek şunu elde ederiz:

Poynting vektörü zamanla sinüzoidal bir şekilde değişir, bu nedenle yukarıdaki ifade maksimum değeridir, çünkü elektromanyetik dalganın ilettiği enerji de alanlar gibi salınır. Tabii ki, salınımın frekansı çok büyüktür, bu nedenle örneğin görünür ışıkta onu tespit etmek mümkün değildir.

Uygulamalar

Elektromanyetik enerji için daha önce bahsettiğimiz birçok kullanım arasında, çok sayıda uygulamada sürekli olarak kullanılan iki tanesinden bahsedilmektedir:

Dipol anten

Antenler her yerde elektromanyetik dalgalarla boşluğu dolduruyor. Örneğin, elektrik sinyallerini radyo dalgalarına veya mikrodalgaya dönüştüren vericiler vardır. Ve tersini yapan alıcılar da var: dalgaları toplar ve onları elektrik sinyallerine dönüştürürler.

Bir elektrik dipolden uzayda yayılan bir elektromanyetik sinyalin nasıl oluşturulacağını görelim. Dipol, küçük bir mesafeyle ayrılmış, eşit büyüklükte ve zıt işaretlerde iki elektrik yükünden oluşur.

Aşağıdaki şekilde, yük + yukarıda olduğunda elektrik alanı E'dir (soldaki şekil). E gösterilen noktayı gösterir.

Şekil 3. İki farklı pozisyonda bir çift kutupun elektrik alanı. Kaynak: Randall Knight. Bilim Adamları ve Mühendisler için Fizik.

Sağdaki şekil 3'te, çift kutup pozisyon değiştirdi ve şimdi E yukarıyı gösteriyor. Bu değişikliği defalarca ve çok hızlı bir şekilde tekrarlayalım, diyelim ki f frekansı ile. Bu şekilde, zaman içinde bir E alanı değişkeni yaratılır, bu da değişken olan ve şekli sinüzoidal olan bir B manyetik alanına yol açar (aşağıdaki şekil 4 ve örnek 1'e bakınız).

Ve Faraday yasası, zamanla değişen bir B manyetik alanının bir elektrik alanına yol açmasını sağladığından, çift kutup salınımıyla, bir kişinin zaten ortamda yayılabilen bir elektromanyetik alana sahip olduğu ortaya çıkıyor.

Şekil 4. Bir çift kutuplu anten, elektromanyetik enerji taşıyan bir sinyal üretir. Kaynak: F. Zapata.

B'nin dönüşümlü olarak ekranın içini veya dışını gösterdiğine dikkat edin (her zaman E'ye diktir ).

Elektrik alan enerjisi: kapasitör

Kondansatörler, elektrik yükünü ve dolayısıyla elektrik enerjisini depolama erdemine sahiptir. Pek çok aygıtın parçasıdırlar: motorlar, radyo ve televizyon devreleri, araba aydınlatma sistemleri ve çok daha fazlası.

Kapasitörler, küçük bir mesafeyle ayrılmış iki iletkenden oluşur. Her birine eşit büyüklükte ve zıt işaretli bir yük verilir, böylece her iki iletken arasındaki boşlukta bir elektrik alanı oluşturur. Geometri, düz-paralel plakalı kondansatörün iyi bilinen bir şekli olarak değişebilir.

Bir kapasitörde depolanan enerji, onu şarj etmek için yapılan işten gelir ve içindeki elektrik alanını yaratmaya hizmet eder. Plakalar arasına bir dielektrik malzeme sokarak kapasitörün kapasitesi ve dolayısıyla depolayabileceği enerji artar.

C kapasitesine sahip ve başlangıçta boşalmış olan, bir Q yüküne ulaşana kadar bir V voltajı sağlayan bir pil tarafından şarj edilen bir kapasitör, aşağıdakiler tarafından verilen bir U enerjisini depolar:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Şekil 5. Düz paralel plakalı kapasitör, elektromanyetik enerjiyi depolar. Kaynak: Wikimedia Commons. Geek3.

Örnekler

Örnek 1: Bir elektromanyetik dalganın yoğunluğu

Daha önce, Poynting vektörünün büyüklüğünün, dalganın her bir metrekarelik yüzey için sağladığı güce eşdeğer olduğu ve ayrıca vektörün zamana bağlı olduğu için değerinin maksimum S = S = ( 1 / μ _veya. C) E ² .

Dalganın bir döngüsündeki ortalama S değerinin ölçülmesi kolaydır ve dalganın enerjisinin göstergesidir. Bu değer, dalga yoğunluğu olarak bilinir ve şu şekilde hesaplanır:

Bir elektromanyetik dalga, bir sinüs fonksiyonu ile temsil edilir:

E _o dalganın genliği olduğunda, k dalga sayısı ve ω açısal frekans. Yani:

Şekil 5. Anten, sinyali küresel bir şekilde yayar. Kaynak: F. Zapata.

Örnek 2: Bir verici antene uygulama

Yukarıdaki şekilde olduğu gibi küresel bir şekilde yayılan 10 kW gücünde bir sinyal ve 100 MHz frekansta bir sinyal ileten bir radyo istasyonu var.

Aşağıdakileri bulun: a) antenden 1 km uzaklıkta bulunan bir noktadaki elektrik ve manyetik alanların genliği ve b) 5 dakikalık bir süre içinde 10 cm'lik bir kare levha üzerine düşen toplam elektromanyetik enerji.

Veriler:

Çözüm

Örnek 1'de verilen denklem elektromanyetik dalganın yoğunluğunu bulmak için kullanılır, ancak önce değerler Uluslararası Sistemde ifade edilmelidir:

Bu değerler, her yerde aynı şeyi yayan bir kaynak olduğundan (izotropik kaynak), yoğunluk denkleminde hemen ikame edilir:

Daha önce E ve B'nin büyüklüklerinin ışık hızıyla ilişkili olduğu söylenmişti :

B = (0.775 / 300.000.000) T = 2.58 x ^10-9 T

Çözüm b

S , birim alan başına güç _{anlamına gelir} ve buna karşılık güç, birim zaman başına enerjidir. _Ortalama S'yi plakanın alanı ve maruz kalma süresi ile çarparak istenen sonuç elde edilir:

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

Referanslar

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 6. Elektromanyetizma. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi. 307-314.
2. ICES (Uluslararası Elektromanyetik Güvenlik Komitesi). Elektromanyetik Enerji Gerçekleri ve Niteliksel Bir Bakış. Alındı: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson. 893-896.
4. Portland Eyalet Üniversitesi. EM dalgaları enerjiyi taşır. Alındığı kaynak: pdx.edu
5. Elektromanyetik Enerji Nedir ve Neden Önemlidir? Kurtarıldı: sciencestruck.com.