ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN: MAXWELLSCHE THEORIE, TYPEN, EIGENSCHAFTEN - KÖRPERLICH - 2025

Die elektromagnetischen Wellen sind Transversalwellen, die Feldern entsprechen, die durch beschleunigte elektrische Ladungen verursacht werden. Das 19. Jahrhundert war das Jahrhundert großer Fortschritte in Elektrizität und Magnetismus, aber bis zur ersten Hälfte waren sich die Wissenschaftler der Beziehung zwischen den beiden Phänomenen noch nicht bewusst und glaubten, dass sie unabhängig voneinander waren.

Es war der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879), der der Welt bewies, dass Elektrizität und Magnetismus nur zwei Seiten derselben Medaille waren. Beide Phänomene sind eng miteinander verbunden.

Ein Gewitter. Quelle: Pixabay.

Maxwell-Theorie

Maxwell vereinheitlichte die Theorie von Elektrizität und Magnetismus in 4 eleganten und prägnanten Gleichungen, deren Vorhersagen bald bestätigt wurden:

Welche Beweise hatte Maxwell, um seine elektromagnetische Theorie zu entwickeln?

Es war bereits eine Tatsache, dass elektrische Ströme (bewegte Ladungen) Magnetfelder erzeugen und ein variables Magnetfeld wiederum elektrische Ströme in leitenden Schaltkreisen erzeugt, was bedeuten würde, dass ein variables Magnetfeld ein elektrisches Feld induziert.

Könnte das umgekehrte Phänomen möglich sein? Würden variable elektrische Felder wiederum Magnetfelder erzeugen können?

Maxwell, ein Schüler von Michael Faraday, war von der Existenz von Symmetrien in der Natur überzeugt. Auch elektrische und magnetische Phänomene mussten sich an diese Prinzipien halten.

Laut diesem Forscher würden oszillierende Felder Störungen auf die gleiche Weise erzeugen, wie ein in einen Teich geworfener Stein Wellen erzeugt. Diese Störungen sind nichts anderes als oszillierende elektrische und magnetische Felder, die Maxwell genau als elektromagnetische Wellen bezeichnet.

Maxwell-Vorhersagen

Maxwells Gleichungen sagten die Existenz elektromagnetischer Wellen mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit voraus, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Vorhersage wurde kurz darauf vom deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857 - 1894) bestätigt, der es in seinem Labor mit einem LC-Schaltkreis schaffte, diese Wellen zu erzeugen. Dies geschah kurz nach Maxwells Tod.

Um die Richtigkeit der Theorie zu überprüfen, musste Hertz ein Detektorgerät bauen, mit dem er die Wellenlänge und Frequenz ermitteln konnte, Daten, aus denen er die Geschwindigkeit elektromagnetischer Radiowellen berechnen konnte, die mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmen. .

Maxwells Arbeit war zu dieser Zeit von der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit Skepsis aufgenommen worden. Vielleicht lag es teilweise daran, dass Maxwell ein brillanter Mathematiker war und seine Theorie mit der ganzen Formalität des Falles präsentiert hatte, die viele nicht verstanden hatten.

Hertz 'Experiment war jedoch brillant und überzeugend. Ihre Ergebnisse wurden gut aufgenommen und Zweifel an der Richtigkeit von Maxwells Vorhersagen wurden ausgeräumt.

Verschiebungsstrom

Der Verschiebungsstrom ist die Schöpfung von Maxwell, die sich aus einer eingehenden Analyse des Ampere-Gesetzes ergibt, in der es heißt:

Eine Batterie lädt einen Kondensator auf. Es wird gezeigt, dass die Flächen S (durchgezogene Linie) und S 'und die Kontur C das Ampere-Gesetz anwenden. Quelle: geändert von Pixabay.

Daher ist der Begriff rechts im Ampere-Gesetz, der den Strom betrifft, nicht null und das Mitglied links auch nicht. Sofortige Schlussfolgerung: Es liegt ein Magnetfeld vor.

Gibt es ein Magnetfeld bei S '?

Es gibt jedoch keinen Strom, der die gekrümmte Oberfläche S 'kreuzt oder kreuzt, die dieselbe Kontur C aufweist, da diese Oberfläche einen Teil dessen umfasst, was sich im Raum zwischen den Platten des Kondensators befindet, von dem wir annehmen können, dass es sich um Luft oder eine andere Substanz handelt nicht leitend.

In diesem Bereich gibt es kein leitendes Material, durch das Strom fließt. Es ist zu beachten, dass der Stromkreis geschlossen sein muss, damit Strom fließt. Da der Strom Null ist, ist das Integral links im Ampere-Gesetz 0. Es gibt dann kein Magnetfeld, oder?

Es gibt definitiv einen Widerspruch. S 'ist auch durch die Kurve C begrenzt und die Existenz des Magnetfeldes darf nicht von der Oberfläche abhängen, auf die C begrenzt.

Maxwell beschlossen , den Widerspruch durch das Konzept des Verschiebungsstrom i Einführung _D .

Verschiebungsstrom

Während der Kondensator aufgeladen wird, besteht ein variables elektrisches Feld zwischen den Platten und Strom fließt durch den Leiter. Wenn sich der Kondensator auflädt, hört der Strom im Leiter auf und es entsteht ein konstantes elektrisches Feld zwischen den Platten.

Dann folgerte Maxwell, dass in Verbindung mit dem variablen elektrischen Feld ein Strom existieren muss, den er als Verschiebungsstrom i _{D bezeichnet} , einen Strom, der keine Ladungsbewegung beinhaltet. Für die Oberfläche S 'gilt:

Elektrischer Strom ist kein Vektor, obwohl er Größe und Bedeutung hat. Es ist angemessener, die Felder auf eine Größe zu beziehen, die ein Vektor ist: die Stromdichte J , deren Größe der Quotient zwischen dem Strom und der Fläche ist, durch die er fließt. Die Einheiten der Stromdichte im internationalen System sind Ampere / m ² .

In Bezug auf diesen Vektor beträgt die Verschiebungsstromdichte:

Auf diese Weise ist, wenn das Ampere-Gesetz auf die Kontur C angewendet wird und die Oberfläche S verwendet wird, i _C der Strom durch sie. Auf der anderen Seite, ich _C nicht durch S‘, aber ich _D tun.

Übung gelöst

Geschwindigkeit in einem bestimmten Medium

In einem gegebenen Medium kann gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen durch den Ausdruck gegeben ist:

Dabei sind ε und μ die jeweilige Permittivität und Permeabilität des betreffenden Mediums.

Bewegungsumfang

Einer elektromagnetischen Strahlung mit der Energie U ist ein Impuls p zugeordnet, dessen Größe ist: p = U / c.

Arten von elektromagnetischen Wellen

Elektromagnetische Wellen haben einen sehr großen Bereich von Wellenlängen und Frequenzen. Sie sind in das sogenannte elektromagnetische Spektrum eingeteilt, das in Regionen unterteilt wurde, die nachstehend benannt sind, beginnend mit den längsten Wellenlängen:

Radiowellen

Sie befinden sich am Ende der höchsten Wellenlänge und der niedrigsten Frequenz und reichen von einigen bis zu einer Milliarde Hertz. Sie sind solche, die zur Übertragung eines Signals mit Informationen verschiedener Art verwendet werden und von den Antennen erfasst werden. Fernsehen, Radio, Handys, Planeten, Sterne und andere Himmelskörper senden sie und sie können gefangen genommen werden.

Mikrowelle

Sie befinden sich in den Frequenzen Ultrahoch (UHF), Superhoch (SHF) und Extremhoch (EHF) und liegen zwischen 1 GHz und 300 GHz. Im Gegensatz zu den vorherigen Frequenzen, die bis zu 1,6 km (Mikrowellen) messen können Sie reichen von wenigen Zentimetern bis 33 cm.

Aufgrund ihrer Position im Spektrum zwischen 100.000 und 400.000 nm werden sie zur Übertragung von Daten auf Frequenzen verwendet, die nicht durch Funkwellen gestört werden. Aus diesem Grund werden sie in Radartechnologie, Mobiltelefonen, Küchenöfen und Computerlösungen eingesetzt.

Seine Schwingung ist das Produkt einer Vorrichtung, die als Magnetron bekannt ist. Dabei handelt es sich um eine Art Resonanzhohlraum mit 2 Scheibenmagneten an den Enden. Das elektromagnetische Feld wird durch die Beschleunigung der Elektronen von der Kathode erzeugt.

Infrarotstrahlen

Diese Hitzewellen werden von Wärmekörpern, einigen Lasertypen und Leuchtdioden emittiert. Obwohl sie dazu neigen, sich mit Radiowellen und Mikrowellen zu überlappen, liegt ihr Bereich zwischen 0,7 und 100 Mikrometern.

Die Entitäten produzieren am häufigsten Wärme, die von Nachtbrillen und der Haut erfasst werden kann. Sie werden häufig für Fernbedienungen und spezielle Kommunikationssysteme verwendet.

Sichtbares Licht

In der referenziellen Aufteilung des Spektrums finden wir wahrnehmbares Licht mit einer Wellenlänge zwischen 0,4 und 0,8 Mikrometern. Was wir unterscheiden, sind die Farben des Regenbogens, wobei die niedrigste Frequenz durch Rot und die höchste durch Violett gekennzeichnet ist.

Seine Längenwerte werden in Nanometern und Angström gemessen, es stellt einen sehr kleinen Teil des gesamten Spektrums dar und dieser Bereich umfasst die größte Menge an Strahlung, die von Sonne und Sternen emittiert wird. Darüber hinaus ist es das Produkt der Beschleunigung von Elektronen in Energietransiten.

Unsere Wahrnehmung von Dingen basiert auf sichtbarer Strahlung, die auf ein Objekt und dann auf die Augen fällt. Das Gehirn interpretiert dann die Frequenzen, die die Farbe und Details der Dinge hervorrufen.

Ultraviolette Strahlung

Diese Wellen liegen im Bereich von 4 bis 400 nm, sie werden von der Sonne und anderen Prozessen erzeugt, die große Wärmemengen abgeben. Langfristige Exposition gegenüber diesen kurzen Wellen kann bei Lebewesen Verbrennungen und bestimmte Arten von Krebs verursachen.

Da sie das Produkt von Elektronensprüngen in angeregten Molekülen und Atomen sind, ist ihre Energie an chemischen Reaktionen beteiligt und wird in der Medizin zur Sterilisation verwendet. Sie sind für die Ionosphäre verantwortlich, da die Ozonschicht ihre schädlichen Auswirkungen auf die Erde verhindert.

Röntgenstrahlen

Diese Bezeichnung beruht auf der Tatsache, dass es sich um unsichtbare elektromagnetische Wellen handelt, die durch undurchsichtige Körper hindurchtreten und Fotodrucke erzeugen können. Sie befinden sich zwischen 10 und 0,01 nm (30 bis 30.000 PHz) und sind das Ergebnis von Elektronen, die in schweren Atomen aus Umlaufbahnen springen.

Diese Strahlen können aufgrund ihrer großen Energiemenge von der Korona, den Pulsaren, den Supernovae und den Schwarzen Löchern der Sonne emittiert werden. Ihre längere Exposition verursacht Krebs und sie werden im medizinischen Bereich verwendet, um Bilder von Knochenstrukturen zu erhalten.

Gamma Strahlen

Ganz links im Spektrum befinden sich die Wellen mit der höchsten Frequenz, die normalerweise in Schwarzen Löchern, Supernovae, Pulsaren und Neutronensternen auftreten. Sie können auch das Ergebnis von Spaltung, nuklearen Explosionen und Blitzen sein.

Da sie durch Stabilisierungsprozesse im Atomkern nach radioaktiven Emissionen erzeugt werden, sind sie tödlich. Ihre Wellenlänge ist subatomar und ermöglicht es ihnen, durch Atome zu gelangen. Sie werden immer noch von der Erdatmosphäre absorbiert.

Anwendungen der verschiedenen elektromagnetischen Wellen

Elektromagnetische Wellen haben die gleichen Reflexions- und Reflexionseigenschaften wie mechanische Wellen. Und neben der Energie, die sie verbreiten, können sie auch Informationen transportieren.

Aus diesem Grund wurden verschiedene Arten von elektromagnetischen Wellen auf eine große Anzahl verschiedener Aufgaben angewendet. Hier werden wir einige der häufigsten sehen.

Elektromagnetisches Spektrum und einige seiner Anwendungen. Quelle: Tatoute und Phrood

Radiowellen

Kurz nach seiner Entdeckung hat Guglielmo Marconi bewiesen, dass sie ein hervorragendes Kommunikationsmittel sein können. Seit ihrer Entdeckung durch Hertz hat sich die drahtlose Kommunikation mit Radiofrequenzen wie AM- und FM-Radio, Fernsehen, Mobiltelefonen und vielem mehr weltweit verbreitet.

Mikrowelle

Sie können zum Erhitzen von Lebensmitteln verwendet werden, da Wasser ein Dipolmolekül ist, das auf oszillierende elektrische Felder reagieren kann. Lebensmittel enthalten Wassermoleküle, die, wenn sie diesen Feldern ausgesetzt werden, zu schwingen beginnen und miteinander kollidieren. Der resultierende Effekt ist Erwärmung.

Sie können auch in der Telekommunikation eingesetzt werden, da sie sich mit weniger Interferenzen in der Atmosphäre bewegen können als andere Wellen mit größerer Wellenlänge.

Infrarotwellen

Die charakteristischste Anwendung von Infrarot sind Nachtsichtgeräte. Sie werden auch in der Kommunikation zwischen Geräten und in spektroskopischen Techniken zur Untersuchung von Sternen, interstellaren Gaswolken und Exoplaneten verwendet.

Sie können auch Körpertemperaturkarten erstellen, mit denen einige Arten von Tumoren identifiziert werden, deren Temperatur höher ist als die des umgebenden Gewebes.

Sichtbares Licht

Sichtbares Licht macht einen großen Teil des von der Sonne emittierten Spektrums aus, auf das die Netzhaut reagiert.

Ultraviolette Strahlung

Ultraviolette Strahlen haben genug Energie, um signifikant mit Materie zu interagieren. Eine kontinuierliche Exposition gegenüber dieser Strahlung führt zu vorzeitigem Altern und erhöht das Risiko, an Hautkrebs zu erkranken.

Röntgen- und Gammastrahlen

Röntgen- und Gammastrahlen haben noch mehr Energie und können daher Weichteile durchdringen. Daher wurden sie fast vom Moment ihrer Entdeckung an zur Diagnose von Frakturen und zur Untersuchung des Körperinneren auf der Suche nach Krankheiten verwendet. .

Röntgen- und Gammastrahlen werden nicht nur als diagnostisches Instrument, sondern auch als therapeutisches Instrument zur Zerstörung von Tumoren eingesetzt.

Verweise

1. Giancoli, D. (2006). Physik: Prinzipien mit Anwendungen. Sechste Ausgabe. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Grundlagen der Physik. Pearson. 503-512.
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