ELEKTROMANYETIK DALGALAR: MAXWELL TEORISI, TÜRLERI, ÖZELLIKLERI - FIZIKSEL - 2025

Elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır hızlandırılmış elektrik ücretleri neden alanlara tekabül söyledi. On dokuzuncu yüzyıl, elektrik ve manyetizmada büyük ilerlemelerin yüzyılıydı, ancak ilk yarısına kadar, bilim adamları hala iki fenomen arasındaki ilişkinin farkında değillerdi ve onların birbirinden bağımsız olduğuna inanıyorlardı.

Elektrik ve manyetizmanın aynı madalyonun iki yüzü olduğunu dünyaya kanıtlayan İskoç fizikçi James Clerk Maxwell'di (1831-1879). Her iki fenomen de yakından ilişkilidir.

Gök gürültülü fırtına. Kaynak: Pixabay.

Maxwell teorisi

Maxwell, elektrik ve manyetizma teorisini 4 zarif ve özlü denklemde birleştirdi ve tahminleri yakında onaylandı:

Maxwell'in elektromanyetik teorisini geliştirmek için hangi kanıtı vardı?

Elektrik akımlarının (hareketli yükler) manyetik alanlar ürettiği ve buna karşılık değişken bir manyetik alanın iletken devrelerdeki elektrik akımlarını oluşturduğu, değişken bir manyetik alanın bir elektrik alanını indüklediği anlamına geldiği zaten bir gerçekti.

Tersi fenomen mümkün olabilir mi? Değişken elektrik alanları sırayla manyetik alanlar oluşturabilir mi?

Michael Faraday'ın bir öğrencisi olan Maxwell, doğada simetrilerin varlığına ikna olmuştu. Hem elektriksel hem de manyetik olayların da bu ilkelere uyması gerekiyordu.

Bu araştırmacıya göre, salınımlı alanlar, bir gölete atılan bir taşın dalgalar oluşturması gibi rahatsızlıklar yaratacaktır. Bu bozukluklar, Maxwell'in kesin olarak elektromanyetik dalgalar olarak adlandırdığı salınımlı elektrik ve manyetik alanlardan başka bir şey değildir.

Maxwell tahminleri

Maxwell denklemleri, ışık hızına eşit yayılma hızına sahip elektromanyetik dalgaların varlığını öngördü. Tahmin, kısa bir süre sonra, laboratuvarında LC devresi kullanarak bu dalgaları oluşturmayı başaran Alman fizikçi Heinrich Hertz (1857 - 1894) tarafından doğrulandı. Bu, Maxwell'in ölümünden kısa bir süre sonra meydana geldi.

Teorinin doğruluğunu doğrulamak için Hertz, dalga boyunu ve frekansı bulmasına izin veren, elektromanyetik radyo dalgalarının hızını, ışık hızıyla çakışan verileri bulmasına izin veren bir dedektör cihazı inşa etmek zorunda kaldı. .

Maxwell'in çalışması o dönemde bilim camiası tarafından şüpheyle karşılanmıştı. Belki de bunun nedeni kısmen Maxwell'in parlak bir matematikçi olması ve teorisini vakanın bütün formalitesiyle sunmuş olmasıydı, ki çoğu bunu anlayamadı.

Bununla birlikte, Hertz'in deneyi parlak ve zorlayıcıydı. Sonuçları iyi karşılandı ve Maxwell'in öngörülerinin doğruluğu hakkındaki şüpheler giderildi.

Deplasman akımı

Yer değiştirme akımı, Ampere yasasının derin bir analizinden doğan Maxwell'in yaratılmasıdır ve şunu belirtir:

Bir pil, bir kapasitör şarj eder. S (düz çizgi) ve S 'yüzeyleri ve C konturunun Ampere yasasını uyguladığı gösterilmiştir. Kaynak: Pixabay'dan değiştirildi.

Bu nedenle, Ampere yasasında akımı içeren sağdaki terim boş değildir ve soldaki üye de değildir. Hemen sonuç: bir manyetik alan var.

S 'de manyetik alan var mı?

Bununla birlikte, aynı C konturuna sahip S 'kavisli yüzeyini geçen veya geçen hiçbir akım yoktur, çünkü bu yüzey, hava veya başka bir madde olduğunu varsayabileceğimiz, kondansatörün plakaları arasındaki boşluğun bir kısmını kapsar. iletken olmayan.

Bu bölgede, içinden herhangi bir akımın geçtiği iletken bir malzeme yoktur. Bir akımın akması için devrenin kapatılması gerektiği unutulmamalıdır. Akım sıfır olduğundan, Ampere yasasında soldaki integral 0'dır. O halde manyetik alan yok, değil mi?

Kesinlikle bir çelişki var. S 'ayrıca C eğrisi ile sınırlıdır ve manyetik alanın varlığı, C'nin sınırladığı yüzeye bağlı olmamalıdır.

Maxwell çelişkiyi çözüme tarafından değiştirme akım i kavramını tanıtan _D .

Deplasman akımı

Kondansatör şarj olurken, plakalar arasında değişken bir elektrik alanı vardır ve akım iletkenden geçer. Kondansatör şarj olduğunda, iletkendeki akım kesilir ve plakalar arasında sabit bir elektrik alanı oluşur.

Sonra Maxwell, değişken elektrik alanıyla ilişkili olarak, yükün hareketini içermeyen bir akım olan yer değiştirme akımı i _D olarak adlandırdığı bir akım olması gerektiğini çıkardı . S 'yüzeyi için geçerlidir:

Elektrik akımı, büyüklüğü ve anlamı olmasına rağmen bir vektör değildir. Alanları vektör olan bir miktarla ilişkilendirmek daha uygundur: büyüklüğü akım ile geçtiği alan arasındaki bölüm olan akım yoğunluğu J. Uluslararası Sistemde akım yoğunluğu birimleri amper / m olan ² .

Bu vektör açısından, yer değiştirme akımı yoğunluğu:

Bu şekilde, Ampere yasası C konturuna uygulandığında ve yüzey S kullanıldığında, i _C içinden geçen akımdır. Öte yandan, i _C S 'den geçmez, ama i _{D geçer} .

Egzersiz çözüldü

Belirli bir ortamda hız

Belirli bir ortamda, elektromanyetik dalgaların hızının şu ifade ile verildiğini göstermek mümkündür:

Hangi ve μ, söz konusu ortamın ilgili geçirgenliği ve geçirgenliğidir.

Hareket miktarı

U enerjisine sahip bir elektromanyetik radyasyon, büyüklüğü p = U / c olan ilişkili bir momentuma sahiptir.

Elektromanyetik dalga türleri

Elektromanyetik dalgaların çok geniş dalga boyları ve frekansları vardır. En uzun dalga boylarından başlayarak aşağıda belirtilen bölgelere bölünmüş elektromanyetik spektrum olarak bilinen şekilde gruplandırılırlar:

Radyo dalgaları

En yüksek dalga boyunda ve en düşük frekans ucunda bulunurlar, birkaç ila bir milyar Hertz arasında değişir. Çeşitli bilgiler içeren bir sinyali iletmek için kullanılan ve antenler tarafından yakalananlardır. Televizyon, radyo, cep telefonları, gezegenler, yıldızlar ve diğer gök cisimleri bunları yayınlar ve yakalanabilirler.

Mikrodalga fırın

Ultra yüksek (UHF), süper yüksek (SHF) ve son derece yüksek (EHF) frekanslarda bulunurlar, 1 GHz ile 300 GHz arasında değişir. Bir mil (1,6 km) kadar ölçüm yapabilen öncekilerin aksine, mikrodalgalar Birkaç santimetreden 33 cm'ye kadar değişir.

Spektrumdaki 100.000 ila 400.000 nm arasındaki konumları göz önüne alındığında, radyo dalgaları tarafından engellenmeyen frekanslarda veri iletmek için kullanılırlar. Bu sebeple radar teknolojisi, cep telefonları, mutfak fırınları ve bilgisayar çözümlerinde uygulanmaktadır.

Salınımı, uçlarında 2 disk mıknatıs bulunan bir tür rezonant boşluk olan magnetron olarak bilinen bir cihazın ürünüdür. Elektromanyetik alan, elektronların katottan ivmelenmesiyle oluşur.

Kızılötesi ışınlar

Bu ısı dalgaları, termal cisimler, bazı lazer türleri ve ışık yayan diyotlar tarafından yayılır. Radyo dalgaları ve mikrodalgalarla örtüşme eğiliminde olmalarına rağmen, aralıkları 0,7 ila 100 mikrometre arasındadır.

Varlıklar çoğunlukla gece gözlükleri ve cilt tarafından tespit edilebilen ısı üretir. Genellikle uzaktan kumandalar ve özel iletişim sistemleri için kullanılırlar.

Görülebilir ışık

Spektrumun referans bölümünde, 0,4 ila 0,8 mikrometre arasında bir dalga boyuna sahip algılanabilir ışık buluyoruz. Ayırt ettiğimiz şey, en düşük frekansın kırmızı ve en yüksek menekşe ile nitelendirildiği gökkuşağının renkleridir.

Uzunluk değerleri nanometre ve Angstrom cinsinden ölçülür, tüm spektrumun çok küçük bir bölümünü temsil eder ve bu aralık, güneş ve yıldızlar tarafından yayılan en büyük miktarda radyasyonu içerir. Ayrıca enerji geçişlerinde elektronların ivmelenmesinin ürünüdür.

Bizim şeyler hakkındaki algımız, bir nesneye ve sonra gözlere düşen görünür radyasyona dayanır. Beyin daha sonra nesnelerde bulunan renk ve ayrıntıları ortaya çıkaran frekansları yorumlar.

Ultraviyole ışınlar

Bu dalgalanmalar 4 ila 400 nm aralığındadır, güneş ve büyük miktarda ısı yayan diğer süreçler tarafından üretilirler. Bu kısa dalgalara uzun süre maruz kalmak, canlılarda yanıklara ve belirli kanser türlerine neden olabilir.

Uyarılmış molekül ve atomlardaki elektron sıçramalarının ürünü olduklarından, enerjileri kimyasal reaksiyonlarda yer alır ve tıpta sterilize etmek için kullanılır. Ozon tabakası yeryüzüne zarar vermesini engellediği için iyonosferden sorumludurlar.

X ışınları

Bu tanımlama, opak cisimlerden geçebilen ve fotoğraf baskıları üretebilen görünmez elektromanyetik dalgalar olmasından kaynaklanmaktadır. 10 ila 0.01 nm (30 ila 30.000 PHz) arasında bulunurlar, ağır atomlardaki yörüngelerden atlayan elektronların sonucudur.

Bu ışınlar, büyük miktardaki enerjileri nedeniyle güneşin korona, pulsarları, süpernovaları ve kara deliklerden yayılabilir. Uzun süre maruz kalmaları kansere neden olur ve tıbbi alanda kemik yapılarının görüntülerini elde etmek için kullanılırlar.

Gama ışınları

Spektrumun en solunda yer alan, en yüksek frekansa sahip olan ve genellikle kara delikler, süpernovalar, pulsarlar ve nötron yıldızlarında meydana gelen dalgalardır. Ayrıca fisyon, nükleer patlamalar ve yıldırımın sonucu da olabilirler.

Radyoaktif emisyonlardan sonra atom çekirdeğinde stabilizasyon süreçleri ile üretildikleri için öldürücüdürler. Dalga boyları atom altıdır ve atomlardan geçmelerine izin verir. Hala Dünya'nın atmosferi tarafından emiliyorlar.

Farklı elektromanyetik dalgaların uygulamaları

Elektromanyetik dalgalar, mekanik dalgalarla aynı yansıma ve yansıma özelliklerine sahiptir. Ve yaydıkları enerjinin yanı sıra bilgi de taşıyabilirler.

Bu nedenle, çok sayıda farklı göreve farklı elektromanyetik dalgalar uygulanmıştır. Burada en yaygın olanlardan bazılarını göreceğiz.

Elektromanyetik spektrum ve bazı uygulamaları. Kaynak: Tatoute and Phrood

Radyo dalgaları

Guglielmo Marconi keşfedildikten kısa bir süre sonra mükemmel bir iletişim aracı olabileceklerini kanıtladı. Hertz tarafından keşfedilmelerinden bu yana, AM ve FM radyo, televizyon, cep telefonları ve çok daha fazlası gibi radyo frekanslarıyla kablosuz iletişim dünya çapında giderek yaygınlaştı.

Mikrodalga fırın

Yiyecekleri ısıtmak için kullanılabilirler, çünkü su, salınan elektrik alanlarına tepki verebilen bir çift kutuplu moleküldür. Yiyecekler, bu alanlara maruz kaldıklarında sallanmaya ve birbirleriyle çarpışmaya başlayan su molekülleri içerir. Ortaya çıkan etki ısınmadır.

Atmosferde daha büyük dalga boyuna sahip diğer dalgalara göre daha az parazitle seyahat etme kabiliyetleri nedeniyle telekomünikasyonda da kullanılabilirler.

Kızılötesi dalgalar

Kızılötesinin en karakteristik uygulaması gece görüş cihazlarıdır. Ayrıca cihazlar arasındaki iletişimde ve yıldızlar, yıldızlararası gaz bulutları ve dış gezegenlerin incelenmesi için spektroskopik tekniklerde kullanılırlar.

Ayrıca, sıcaklığı çevreleyen dokulardan daha yüksek olan bazı tümör türlerini tanımlamak için kullanılan vücut sıcaklığı haritaları oluşturabilirler.

Görülebilir ışık

Görünür ışık, retinanın tepki verdiği Güneş tarafından yayılan spektrumun büyük bir bölümünü oluşturur.

Ultraviyole ışınlar

Ultraviyole ışınları madde ile önemli ölçüde etkileşime girecek kadar yeterli enerjiye sahiptir, bu nedenle bu radyasyona sürekli maruz kalmak erken yaşlanmaya neden olur ve cilt kanseri gelişme riskini artırır.

X ışınları ve gama ışınları

X ışınları ve gama ışınları daha da fazla enerjiye sahiptir ve bu nedenle yumuşak dokulara nüfuz edebilirler, bu nedenle neredeyse keşfedildikleri andan itibaren kırıkların teşhisi ve hastalık arayışında vücudun içini incelemek için kullanılmıştır. .

X ışınları ve gama ışınları yalnızca teşhis aracı olarak değil, aynı zamanda tümörlerin yok edilmesi için tedavi edici bir araç olarak da kullanılır.

Referanslar

1. Giancoli, D. (2006). Fizik: Uygulamalı Prensipler. Altıncı Baskı. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fiziğin Temelleri. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Modern Fizikle Üniversite Fiziği. 14. Baskı. Pearson. 1053-1057.