ENERHIYA NG ELECTROMAGNETIC: FORMULA, EQUATION, GAMIT, HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Ang enerhiya ng electromagnetic ay isa na kumakalat sa pamamagitan ng mga electromagnetic waves (EM). Ang mga halimbawa nito ay ang ilaw ng solar na nagliliyab ng init, ang kasalukuyang na nakuha mula sa kuryente at ng X-ray upang makagawa ng X-ray.

Tulad ng mga tunog ng tunog kapag nag-vibrate ang eardrum, ang mga electromagnetic na alon ay may kakayahang maglipat ng enerhiya na maaaring kalaunan ay ma-convert sa init, mga de-koryenteng alon, o iba't ibang mga signal.

Larawan 1. Ang mga antena ay kinakailangan sa telecommunication. Ang mga senyas na kanilang pinagtatrabahuhan ay may elektromagnetikong enerhiya. Pinagmulan: Pixabay.

Ang enerhiya ng electromagnetic ay nagpapalaganap ng pareho sa isang materyal na daluyan at sa isang vacuum, palaging nasa anyo ng isang nakahalang alon at ang paggamit nito ay hindi isang bago. Ang sikat ng araw ay ang pangunahing mapagkukunan ng enerhiya ng electromagnetic at ang pinakaluma na kilala, ngunit ang paggamit ng koryente ay medyo mas bago.

Noong 1891 lamang na inilagay ng Edison Company ang unang pag-install ng elektrikal sa White House sa Washington DC. At iyon bilang isang pandagdag sa mga ilaw na nakabatay sa gas na ginamit sa oras, dahil sa una mayroong maraming pag-aalinlangan tungkol sa kanilang paggamit.

Ang katotohanan ay kahit na sa mga pinaka liblib na lugar at kakulangan ng mga linya ng kuryente, ang elektromagnetikong enerhiya na patuloy na dumating mula sa kalawakan ay patuloy na mapanatili ang dinamika ng tinatawag nating tahanan sa uniberso.

Formula at equation

Ang mga electromagnetic waves ay mga nakahalang alon, kung saan ang electric field E at ang magnetic field B ay sunud-sunod sa bawat isa, at ang direksyon ng pagpapalaganap ng alon ay patayo sa mga bukid.

Ang lahat ng mga alon ay nailalarawan sa kanilang dalas. Ito ay ang malawak na hanay ng mga alon ng EM, na nagbibigay sa kanila ng kakayahang umangkop kapag binabago ang kanilang enerhiya, na proporsyonal sa dalas.

Ipinapakita ng Figure 2 ang isang electromagnetic wave, sa loob nito ang electric field E sa asul na oscillates sa zy plane, ang magnetic field B na pula ay ginagawa ito sa xy plane, habang ang bilis ng alon ay nakadirekta kasama ang axis + y, ayon sa ipinakita ng coordinate system.

Larawan 2. Ang insidente ng electromagnetic wave sa isang ibabaw ay naghahatid ng enerhiya ayon sa Poynting vector. Pinagmulan: F. Zapata.

Kung ang isang ibabaw ay nakakabit sa landas ng parehong mga alon, sabihin ang isang eroplano ng lugar A at kapal na dy, tulad na ito ay patayo sa bilis ng alon, ang pagkilos ng elektromagnetikong enerhiya sa bawat yunit ng yunit, na sinasabing S, ay inilarawan sa pamamagitan ng mula sa Poynting vector:

Madaling suriin na ang mga yunit ng S ay Watt / m ² sa International System.

Marami pa. Ang mga magnitude ng mga patlang E at B ay nauugnay sa bawat isa sa pamamagitan ng bilis ng ilaw c. Sa katunayan, ang mga electromagnetic na alon sa isang vacuum ay kumalat nang mabilis. Ang relasyon na ito ay:

Pagsusulat ng kaugnay na ito sa S makuha namin:

Ang Poynting vector ay nag-iiba sa oras sa isang sinusoidal na paraan, kaya ang expression sa itaas ay ang pinakamataas na halaga nito, dahil ang enerhiya na naihatid ng electromagnetic wave ay nag-oscillate din, tulad ng ginagawa ng mga bukid. Siyempre, ang dalas ng pag-oscillation ay napakalaking, kaya hindi posible na makita ito sa nakikita na ilaw, halimbawa.

Aplikasyon

Kabilang sa maraming mga gamit na nabanggit na namin para sa enerhiya ng electromagnetic, narito binanggit ang dalawa na patuloy na ginagamit sa maraming mga aplikasyon:

Dipole antenna

Ang mga antena ay saanman pinupuno ang puwang na may mga electromagnetic waves. Mayroong mga transmiter, na nagbabago ng mga signal ng elektrikal sa mga alon ng radyo o microwave, halimbawa. At mayroong mga tatanggap, na gumagawa ng reverse work: kinokolekta nila ang mga alon at pinapalitan ang mga ito sa mga de-koryenteng signal.

Tingnan natin kung paano lumikha ng isang electromagnetic signal na kumakalat sa espasyo, mula sa isang electric dipole. Ang dipole ay binubuo ng dalawang mga singil sa kuryente na may pantay na kadahilanan at kabaligtaran na mga palatandaan, na pinaghiwalay ng isang maliit na distansya.

Sa sumusunod na figure ay ang electric field E kapag ang singil + ay nasa itaas (kaliwang figure). E puntos down sa puntong ipinakita.

Larawan 3. Patlang ng kuryente ng isang dipole sa dalawang magkakaibang posisyon. Pinagmulan: Randall Knight Physics para sa mga Siyentipiko at Engineers.

Sa figure 3 kanan, ang dipole ay nagbago ng posisyon at ngayon E ay nagtuturo. Ulitin natin ang pagbabagong ito nang maraming beses at napakabilis, sabihin nang may dalas f. Sa ganitong paraan, ang isang larangan na E variable sa oras ay nilikha, na nagbibigay ng pagtaas sa isang magnetic field B , variable din at kung saan ang hugis ay sinusoidal (tingnan ang figure 4 at halimbawa 1 sa ibaba).

At habang tinitiyak ng batas ng Faraday na ang isang iba't ibang oras na magnetic field B ay tumaas sa isang patlang ng kuryente, lumiliko na sa pamamagitan ng pag-oscillate ng dipole, mayroon na ang isang electromagnetic field na may kakayahang magpalaganap sa medium.

Larawan 4. Ang isang dipole antenna ay bumubuo ng isang senyas na nagdadala ng electromagnetic na enerhiya. Pinagmulan: F. Zapata.

Pansinin na ang mga puntos ng B ay nasa o wala sa screen na halili (ito ay palaging patayo sa E ).

Enerhiya ng patlang ng electric: ang kapasitor

Ang mga capacitor ay may katangian ng pag-iimbak ng singil ng elektrikal at samakatuwid ay de-koryenteng enerhiya. Ang mga ito ay bahagi ng maraming mga aparato: motorsiklo, radyo at radyo ng telebisyon, mga sistema ng pag-iilaw ng kotse, at marami pa.

Ang mga capacitor ay binubuo ng dalawang conductor na pinaghiwalay ng isang maliit na distansya. Ang bawat isa ay binibigyan ng singil ng pantay na magnitude at kabaligtaran na pag-sign, sa gayon ang paglikha ng isang electric field sa puwang sa pagitan ng parehong conductor. Ang geometry ay maaaring magkakaiba-iba, pagiging isang kilalang kilalang pampaparis ng flat-paralel plate.

Ang enerhiya na nakaimbak sa isang kapasitor ay nagmula sa gawaing nagawa upang singilin ito, na nagsilbi upang lumikha ng electric field sa loob nito. Sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang dielectric na materyal sa pagitan ng mga plato, ang kapasidad ng kapasitor ay nagdaragdag at samakatuwid ang enerhiya na maiimbak nito.

Ang isang kapasitor ng kapasidad C at sa una ay pinalabas, na kung saan ay sinisingil ng isang baterya na nagbibigay ng boltahe V, hanggang sa maabot ang isang singil Q, mag-iimbak ng isang enerhiya U na ibinigay ng:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

Larawan 5. Ang isang flat paralel plate capacitor ay nag-iimbak ng elektromagnetikong enerhiya. Pinagmulan: Wikimedia Commons. Geek3.

Mga halimbawa

Halimbawa 1: Intensity ng isang electromagnetic wave

Noong nakaraan, sinabi na ang laki ng Poynting vector ay katumbas ng lakas na ibinibigay ng alon para sa bawat square meter ng ibabaw, at iyon din, dahil ang vector ay umaasa sa oras, ang halaga nito ay oscillated hanggang sa isang maximum ng S = S = ( 1 / μ _o .c) E ² .

Ang average na halaga ng S sa isang siklo ng alon ay madaling masukat at nagpapahiwatig ng enerhiya ng alon. Ang halagang ito ay kilala bilang intensity ng alon at kinakalkula sa ganitong paraan:

Ang isang electromagnetic wave ay kinakatawan ng isang sine function:

Kung saan ang E _o ang malawak ng alon, k ang numero ng alon at ω ang angular frequency. Kaya:

Figure 5. Ang antena ay sumasalamin sa signal sa isang spherical na hugis. Pinagmulan: F. Zapata.

Halimbawa 2: Application sa isang paglilipat ng antenna

Mayroong istasyon ng radyo na nagpapadala ng isang signal ng 10 kW ng lakas at isang dalas ng 100 MHz, na kumakalat sa isang spherical na paraan, tulad ng sa figure sa itaas.

Hanapin: a) ang malawak ng electric at magnetic field sa isang puntong matatagpuan 1 km mula sa antena at b) ang kabuuang enerhiya ng electromagnetic na bumagsak sa isang parisukat na sheet ng gilid 10 cm sa isang panahon ng 5 minuto.

Ang mga data ay:

Solusyon sa

Ang equation na ibinigay sa halimbawa 1 ay ginagamit upang mahanap ang intensity ng electromagnetic wave, ngunit una ang mga halaga ay dapat ipahayag sa International System:

Ang mga halagang ito ay agad na nahalili sa equation para sa intensity, dahil ito ay isang mapagkukunan na naglalabas ng pareho saanman (isotropic source):

Mas maaga ay sinabi na ang mga magnitude ng E at B ay nauugnay sa bilis ng ilaw:

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

Solusyon b

Ang _{ibig sabihin nito} ay ang lakas ng bawat yunit ng yunit at ang lakas naman ay enerhiya sa bawat yunit ng oras. Ang pagpaparami ng _{ibig sabihin ng} S sa lugar ng plato at sa oras ng pagkakalantad, nakuha ang hiniling na resulta:

U = 0.775 x 300 x 0.01 Joules = 2.325 Joules.

Mga Sanggunian

1. Figueroa, D. (2005). Serye: Physics para sa Science at Engineering. Dami 6. Electromagnetism. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (International Committee on Electromagnetic Safety). Mga Elektronikong Enerhiya Katotohanan, at isang Qualitative View. Nakuha mula sa: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017. Physics para sa Siyentipiko at Teknolohiya: isang Diskarte sa Diskarte. Pearson. 893-896.
4. Portland State University. Ang lakas ng enerhiya ng alon ng EM. Nakuha mula sa: pdx.edu
5. Ano ang Electromagnetic Energy at Bakit Mahalaga ito ?. Nabawi mula sa: sciencestruck.com.