- Formula dan persamaan
- Permohonan
- Antena dipol
- Tenaga medan elektrik: kapasitor
- Contoh
- Contoh 1: Keamatan gelombang elektromagnetik
- Contoh 2: Aplikasi ke antena pemancar
- Penyelesaian untuk
- Penyelesaian b
- Rujukan
The tenaga elektromagnet adalah salah satu yang spread melalui gelombang elektromagnetik (EM). Contohnya ialah cahaya matahari yang memancarkan haba, arus yang diekstrak dari saluran elektrik dan sinar-X untuk menghasilkan sinar-X.
Seperti gelombang bunyi ketika mereka menggetarkan gendang telinga, gelombang elektromagnetik mampu memindahkan tenaga yang kemudiannya dapat diubah menjadi panas, arus elektrik, atau pelbagai isyarat.
Gambar 1. Antena diperlukan dalam telekomunikasi. Isyarat yang mereka gunakan mempunyai tenaga elektromagnetik. Sumber: Pixabay.
Tenaga elektromagnetik menyebar baik dalam medium material dan dalam ruang hampa, selalu dalam bentuk gelombang melintang dan menggunakannya bukan sesuatu yang baru. Cahaya matahari adalah sumber utama tenaga elektromagnetik dan yang paling lama diketahui, tetapi penggunaan elektrik agak baru.
Baru pada tahun 1891 Syarikat Edison menjalankan pemasangan elektrik pertama di White House di Washington DC. Dan itu sebagai pelengkap lampu berasaskan gas yang digunakan pada waktu itu, kerana pada awalnya ada banyak keraguan tentang penggunaannya.
Yang benar adalah bahawa walaupun di tempat yang paling terpencil dan kekurangan saluran kuasa, tenaga elektromagnetik yang terus-menerus datang dari angkasa terus mengekalkan dinamika dari apa yang kita panggil rumah kita di alam semesta.
Formula dan persamaan
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang melintang, di mana medan elektrik E dan medan magnet B adalah tegak lurus antara satu sama lain, dan arah perambatan gelombang adalah tegak lurus dengan medan.
Semua gelombang dicirikan oleh kekerapannya. Ini adalah rangkaian frekuensi gelombang EM yang luas, yang memberi mereka fleksibiliti ketika mengubah tenaga mereka, yang sebanding dengan frekuensi.
Rajah 2 menunjukkan gelombang elektromagnetik, di dalamnya medan elektrik E dalam ayunan biru di satah zy, medan magnet B berwarna merah melakukannya di satah xy, sementara kelajuan gelombang diarahkan sepanjang paksi + y, mengikut sistem koordinat yang ditunjukkan.
Rajah 2. Kejadian gelombang elektromagnetik di permukaan memberikan tenaga mengikut vektor Poynting. Sumber: F. Zapata.
Sekiranya permukaan terhenti di jalur kedua gelombang, katakan bidang kawasan A dan ketebalan dy, sehingga tegak lurus dengan kelajuan gelombang, aliran tenaga elektromagnetik per unit kawasan, dilambangkan S, dijelaskan melalui dari vektor Poynting:
Sangat mudah untuk memeriksa bahawa unit S adalah Watt / m 2 dalam Sistem Antarabangsa.
Masih ada lagi. Besarnya medan E dan B saling berkaitan antara satu sama lain dengan kelajuan cahaya c. Sebenarnya, gelombang elektromagnetik dalam vakum menyebar dengan pantas. Hubungan ini adalah:
Mengganti hubungan ini di S kita memperoleh:
Vektor Poynting berubah mengikut masa dengan cara sinusoidal, jadi ungkapan sebelumnya adalah nilai maksimumnya, kerana tenaga yang dihantar oleh gelombang elektromagnetik juga berayun, sama seperti medan. Sudah tentu, frekuensi ayunan sangat besar, jadi tidak mungkin untuk mengesannya dalam cahaya yang dapat dilihat, misalnya.
Permohonan
Di antara banyak kegunaan yang telah kita sebutkan untuk tenaga elektromagnetik, berikut disebut dua yang digunakan secara berterusan dalam banyak aplikasi:
Antena dipol
Antena di mana-mana memenuhi ruang dengan gelombang elektromagnetik. Terdapat pemancar, yang mengubah isyarat elektrik menjadi gelombang radio atau gelombang mikro, misalnya. Dan ada penerima, yang melakukan kerja terbalik: mereka mengumpulkan gelombang dan mengubahnya menjadi isyarat elektrik.
Mari lihat bagaimana membuat isyarat elektromagnetik yang merambat di angkasa, dari dipol elektrik. Dipol terdiri daripada dua cas elektrik dengan magnitud yang sama dan tanda bertentangan, dipisahkan dengan jarak yang kecil.
Dalam rajah berikut adalah medan elektrik E apabila cas + berada di atas (rajah kiri). E menunjuk ke bawah pada titik yang ditunjukkan.
Rajah 3. Medan elektrik dipol dalam dua kedudukan yang berbeza. Sumber: Randall Knight. Fizik untuk Saintis dan Jurutera.
Pada rajah 3 kanan, dipol berubah kedudukan dan sekarang E menunjuk ke atas. Mari ulangi perubahan ini berkali-kali dan sangat cepat, katakan dengan kekerapan f. Dengan cara ini, pemboleh ubah medan E dalam masa dibuat, menimbulkan medan magnet B , juga berubah-ubah dan yang bentuknya sinusoidal (lihat gambar 4 dan contoh 1 di bawah).
Dan sebagai undang-undang Faraday memastikan bahawa medan magnet B yang berubah-ubah waktu menimbulkan medan elektrik, ternyata dengan mengayunkan dipol, seseorang sudah memiliki medan elektromagnetik yang mampu menyebarkan di medium.
Rajah 4. Antena dipol menghasilkan isyarat yang membawa tenaga elektromagnetik. Sumber: F. Zapata.
Perhatikan bahawa B menunjuk masuk atau keluar dari skrin secara bergantian (selalu tegak lurus dengan E ).
Tenaga medan elektrik: kapasitor
Kapasitor mempunyai kelebihan menyimpan cas elektrik dan oleh itu tenaga elektrik. Mereka adalah sebahagian daripada banyak peranti: motor, litar radio dan televisyen, sistem lampu kereta, dan banyak lagi.
Kapasitor terdiri daripada dua konduktor yang dipisahkan dengan jarak yang kecil. Masing-masing diberi muatan sama besar dan tanda bertentangan, sehingga mewujudkan medan elektrik di ruang antara kedua-dua konduktor. Geometri boleh berbeza-beza, yang terkenal dengan pemeluwap plat selari rata.
Tenaga yang tersimpan dalam kapasitor berasal dari kerja yang dilakukan untuk mengecasnya, yang berfungsi untuk mewujudkan medan elektrik di dalamnya. Dengan memperkenalkan bahan dielektrik di antara plat, kapasiti kapasitor meningkat dan oleh itu tenaga yang dapat disimpannya.
Kapasitor kapasiti C dan mula-mula habis, yang dicas oleh bateri yang membekalkan voltan V, sehingga mencapai cas Q, menyimpan tenaga U yang diberikan oleh:
U = ½ (Q 2 / C) = ½ QV = ½ CV 2
Rajah 5. Kapasitor plat selari rata menyimpan tenaga elektromagnetik. Sumber: Wikimedia Commons. Geek3.
Contoh
Contoh 1: Keamatan gelombang elektromagnetik
Sebelum ini, dikatakan bahawa besarnya vektor Poynting setara dengan kekuatan yang diberikan gelombang untuk setiap meter persegi permukaan, dan itu juga, kerana vektor bergantung pada masa, nilainya berayun hingga maksimum S = S = ( 1 / μ atau .c) E 2 .
Nilai purata S dalam satu kitaran gelombang mudah diukur dan menunjukkan tenaga gelombang. Nilai ini dikenali sebagai intensiti gelombang dan dikira dengan cara ini:
Gelombang elektromagnetik diwakili oleh fungsi sinus:
Di mana E o ialah amplitud gelombang, k nombor gelombang dan ω frekuensi sudut. Jadi:
Rajah 5. Antena memancarkan isyarat dalam bentuk sfera. Sumber: F. Zapata.
Contoh 2: Aplikasi ke antena pemancar
Terdapat stesen radio yang menghantar isyarat kuasa 10 kW dan frekuensi 100 MHz, yang menyebar dengan cara sfera, seperti pada gambar di atas.
Cari: a) amplitud medan elektrik dan magnet pada titik yang terletak 1 km dari antena dan b) jumlah tenaga elektromagnetik yang jatuh pada kepingan persegi sisi 10 cm dalam jangka masa 5 minit.
Data adalah:
Penyelesaian untuk
Persamaan yang diberikan dalam contoh 1 digunakan untuk mencari intensiti gelombang elektromagnetik, tetapi pertama-tama nilainya mesti dinyatakan dalam Sistem Antarabangsa:
Nilai-nilai ini segera diganti dalam persamaan untuk intensiti, kerana ia adalah sumber yang memancarkan sama di mana-mana sahaja (sumber isotropik):
Sebelumnya dikatakan bahawa magnitud E dan B berkaitan dengan kelajuan cahaya:
B = (0.775 /300.000.000) T = 2.58 x 10 -9 T
Penyelesaian b
S bermaksud daya setiap unit kawasan dan seterusnya kuasa adalah tenaga per unit masa. Mengalikan min S dengan luas pinggan dan mengikut masa pendedahan, hasil yang diminta diperoleh:
U = 0,775 x 300 x 0,01 Joules = 2,325 Joule.
Rujukan
- Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 6. Elektromagnetisme. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB). 307-314.
- ICES (Jawatankuasa Antarabangsa mengenai Keselamatan Elektromagnetik). Fakta Tenaga Elektromagnetik, dan Pandangan Kualitatif. Diperolehi dari: ices-emfsafety.org.
- Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson. 893-896.
- Universiti Negeri Portland. Gelombang EM mengangkut tenaga. Diperolehi dari: pdx.edu
- Apakah Tenaga Elektromagnetik dan Mengapa Penting? Dipulihkan dari: sciencestruck.com.