전자기 에너지 하나임 전자파 (EM)를 통하여 스프레드. 예를 들어 열을 방출하는 태양 광, 콘센트에서 추출되는 전류, X 선을 생성하는 X 선 등이 있습니다.
고막을 진동시킬 때 음파와 마찬가지로 전자기파는 에너지를 전달하여 나중에 열, 전류 또는 다양한 신호로 변환 할 수 있습니다.
그림 1. 안테나는 통신에 필요합니다. 그들이 사용하는 신호에는 전자기 에너지가 있습니다. 출처 : Pixabay.
전자기 에너지는 물질 매체와 진공 상태에서 항상 횡파의 형태로 전파되며이를 활용하는 것은 새로운 것이 아닙니다. 햇빛은 전자기 에너지의 원천이며 가장 오래된 것으로 알려져 있지만 전기를 사용하는 것은 다소 최근입니다.
Edison Company가 워싱턴 DC의 백악관에서 최초의 전기 설비를 운영 한 것은 1891 년이었습니다. 그리고 그것은 그 당시 사용되었던 가스 기반 조명을 보완하기위한 것입니다. 처음에는 그 사용에 대해 많은 회의가 있었기 때문입니다.
진실은 가장 먼 곳과 전력선이 부족한 곳에서도 우주에서 끊임없이 도착하는 전자기 에너지가 우리가 우주에서 우리 집이라고 부르는 역학을 계속 유지한다는 것입니다.
공식 및 방정식
전자기파는 횡파로, 전기장 E 와 자기장 B 가 서로 직각을 이루고 파동의 전파 방향이 자기장에 수직입니다.
모든 파동은 주파수가 특징입니다. 그것은 EM 파의 넓은 주파수 범위로, 주파수에 비례하는 에너지를 변환 할 때 다양성을 제공합니다.
그림 2는 전자기파를 보여줍니다. 파란색의 전기장 E 는 zy 평면에서 진동 하고 빨간색 의 자기장 B 는 xy 평면에서 진동하는 반면 파동의 속도는 축을 따라 향합니다 + y, 표시된 좌표계에 따라.
그림 2. 표면에 입사 된 전자기파는 Poynting 벡터에 따라 에너지를 전달합니다. 출처 : F. Zapata.
표면이 두 파동의 경로 (예를 들어 영역 A 및 두께 dy의 평면)에 개재되어 파동의 속도에 수직 인 경우 단위 면적당 전자기 에너지의 플럭스 ( S 로 표시 ) 는 다음을 통해 설명됩니다. Poynting 벡터에서 :
이 S의 단위 와트 / m임을 확인하기 쉬운 2 국제 시스템이다.
아직 더 있습니다. E 및 B 필드의 크기는 빛의 속도 c에 의해 서로 관련됩니다. 사실, 진공 상태의 전자파는 그렇게 빠르게 전파됩니다. 이 관계는 다음과 같습니다.
이 관계를 S로 대체하면 다음을 얻을 수 있습니다.
Poynting 벡터는 정현파 방식으로 시간에 따라 달라 지므로 전자기파에 의해 전달되는 에너지도 필드처럼 진동하기 때문에 위의 표현은 최대 값입니다. 물론 진동의 주파수는 매우 크기 때문에 가시 광선에서는 감지 할 수 없습니다.
응용
전자기 에너지에 대해 이미 언급 한 많은 용도 중 다음과 같이 다양한 응용 분야에서 지속적으로 사용되는 두 가지를 언급합니다.
다이폴 안테나
안테나는 전자기파로 공간을 채우는 곳입니다. 예를 들어 전기 신호를 전파 또는 마이크로파로 변환하는 송신기가 있습니다. 그리고 그 반대의 일을하는 수신기가 있습니다. 그들은 파동을 모아 전기 신호로 변환합니다.
전기 쌍극자에서 우주로 전파되는 전자기 신호를 생성하는 방법을 살펴 보겠습니다. 쌍극자는 작은 거리로 분리 된 동일한 크기와 반대 부호의 두 전하로 구성됩니다.
다음 그림은 전하 +가 위에있을 때의 전기장 E 입니다 (왼쪽 그림). E 는 표시된 지점에서 아래쪽을 가리 킵니다.
그림 3. 두 개의 다른 위치에서 쌍극자의 전기장. 출처 : Randall Knight. 과학자 및 엔지니어를위한 물리학.
오른쪽 그림 3에서 쌍극자는 위치를 변경했으며 이제 E가 위를 향하고 있습니다. 주파수 f를 사용하여이 변경을 여러 번 그리고 매우 빠르게 반복합시다. 이러한 방식으로 시간에 따른 필드 E 변수가 생성되어 자기장 B 가 생성되며, 그 모양도 사인 곡선입니다 (아래 그림 4 및 예제 1 참조).
그리고 패러데이의 법칙이 시간에 따라 변하는 자기장 B 가 전기장 을 발생시키는 것을 보장 함에 따라 쌍극자를 진동시킴으로써 이미 매체에서 전파 할 수있는 전자기장을 가지고 있다는 것이 밝혀졌습니다.
그림 4. 다이폴 안테나는 전자기 에너지를 전달하는 신호를 생성합니다. 출처 : F. Zapata.
그 통지 B의 또는 교대 화면의 종료 지점 (이 항상 수직 인 E ).
전기장 에너지 : 커패시터
커패시터는 전하를 저장하므로 전기 에너지를 저장할 수 있습니다. 모터, 라디오 및 텔레비전 회로, 자동차 조명 시스템 등 많은 장치의 일부입니다.
커패시터는 작은 거리로 분리 된 두 개의 도체로 구성됩니다. 각각에 동일한 크기와 반대 부호의 전하가 주어져 두 도체 사이의 공간에 전기장을 생성합니다. 형상은 다양 할 수 있으며, 평판 형 평행 판 콘덴서의 형상으로 잘 알려져 있습니다.
커패시터에 저장된 에너지는 충전을 위해 수행 된 작업에서 비롯되며, 이는 내부에 전기장을 생성하는 역할을합니다. 플레이트 사이에 유전체 물질을 도입하면 커패시터의 용량이 증가하여 저장할 수있는 에너지가 증가합니다.
용량 C의 커패시터와 초기 방전은 전압 V를 공급하는 배터리로 충전되어 충전 Q에 도달 할 때까지 다음과 같이 주어진 에너지 U를 저장합니다.
U = ½ (Q 2 / C) = ½ QV = ½ CV 2
그림 5. 평평한 평행 판 커패시터는 전자기 에너지를 저장합니다. 출처 : Wikimedia Commons. Geek3.
예
예 1 : 전자파의 강도
이전에는 Poynting 벡터의 크기가 표면의 각 평방 미터에 대해 파동이 전달하는 전력과 동일하며 벡터가 시간에 따라 달라 지므로 값이 최대 S = S = ( 1 / μ 또는 .c) E 2 .
파동의 한 사이클에서 S의 평균값은 측정하기 쉽고 파동의 에너지를 나타냅니다. 이 값을 파동 강도라고하며 다음과 같이 계산됩니다.
전자기파는 사인 함수로 표시됩니다.
여기서 E o 는 파동의 진폭, k는 파수, ω는 각 주파수입니다. 그래서:
그림 5. 안테나는 구형으로 신호를 방출합니다. 출처 : F. Zapata.
예 2 : 송신 안테나에 적용
위의 그림과 같이 구형으로 퍼지는 10kW의 전력과 100MHz의 주파수 신호를 전송하는 라디오 방송국이 있습니다.
a) 안테나에서 1km 떨어진 지점에서 전기장 및 자기장의 진폭 및 b) 5 분 동안 10cm의 정사각형 시트에 떨어지는 총 전자기 에너지.
데이터는 다음과 같습니다.
솔루션
예 1에 주어진 방정식은 전자기파의 강도를 찾는 데 사용되지만 먼저 값이 국제 시스템으로 표현되어야합니다.
이 값은 모든 곳에서 동일한 것을 방출하는 소스 (등방성 소스)이기 때문에 강도 방정식에서 즉시 대체됩니다.
이전에는 E 와 B 의 크기 가 빛의 속도와 관련 이 있다고 말했습니다 .
B = (0.775 /300.000.000) T = 2.58 × 10 -3 T
솔루션 b
S 는 단위 면적당 전력을 의미 하고 전력은 단위 시간당 에너지를 의미합니다. 평균 S 에 플레이트 면적과 노출 시간을 곱하면 요청 된 결과가 얻어집니다.
U = 0.775 x 300 x 0.01 줄 = 2.325 줄.
참고 문헌
- Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. 볼륨 6. 전자기학. Douglas Figueroa (USB) 편집. 307-314.
- ICES (국제 전자기 안전위원회). 전자기 에너지 사실 및 정 성적 관점. 검색 출처 : ices-emfsafety.org.
- Knight, R. 2017. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근. 피어슨. 893-896.
- 포틀랜드 주립 대학. EM 파는 에너지를 전달합니다. 출처 : pdx.edu
- 전자기 에너지는 무엇이며 왜 중요합니까? 출처 : sciencestruck.com.