전자기파 : MAXWELL의 이론, 유형, 특성 - 물리적 인 - 2025

전자파 횡파이다 가속 전하에 의한 필드에 대응. 19 세기는 전기와 자기가 크게 발전한 세기 였지만, 상반기까지 과학자들은 두 현상의 관계를 인식하지 못하고 서로 독립적이라고 믿었습니다.

스코틀랜드의 물리학자인 James Clerk Maxwell (1831-1879)은 전기와 자기가 동전의 양면에 불과하다는 것을 세상에 증명했습니다. 두 현상 모두 밀접한 관련이 있습니다.

뇌우. 출처 : Pixabay.

맥스웰 이론

Maxwell은 전기와 자기 이론을 4 개의 우아하고 간결한 방정식으로 통합했으며, 이에 대한 예측은 곧 확인되었습니다.

Maxwell이 전자기 이론을 발전시키기 위해 어떤 증거가 있었습니까?

전류 (이동 전하)가 자기장을 생성하고, 가변 자기장이 전도성 회로에서 전류를 생성한다는 사실은 이미 사실이었습니다. 이는 가변 자기장이 전기장을 유도한다는 것을 의미합니다.

역 현상이 가능할까요? 가변 전기장이 차례로 자기장을 생성 할 수 있습니까?

Michael Faraday의 제자 인 Maxwell은 자연에 대칭이 존재한다고 확신했습니다. 전기적 및 자기 적 현상 모두 이러한 원칙을 준수해야했습니다.

이 연구원에 따르면 진동하는 장은 연못에 던진 돌이 파도를 생성하는 것과 같은 방식으로 교란을 일으킬 것입니다. 이러한 교란은 진동하는 전기장과 자기장에 지나지 않으며 Maxwell은이를 전자기파라고 정확하게 불렀습니다.

Maxwell 예측

Maxwell의 방정식은 전파 속도가 빛의 속도와 동일한 전자기파의 존재를 예측했습니다. 이 예측은 독일의 물리학 자 Heinrich Hertz (1857-1894)에 의해 확인되었으며, 그는 LC 회로를 사용하여 그의 실험실에서 이러한 파동을 생성했습니다. 이것은 Maxwell이 죽은 직후에 발생했습니다.

이론의 정확성을 확인하기 위해 Hertz는 파장과 주파수를 찾을 수있는 검출기 장치를 구축해야했습니다.이 데이터에서 빛의 속도와 일치하는 전자기 전파의 속도를 계산할 수있었습니다. .

맥스웰의 연구는 당시 과학계에 회의적으로 받아 들여졌습니다. 아마도 Maxwell이 뛰어난 수학자 였고 많은 사람들이 이해하지 못한 사건의 모든 형식을 그의 이론을 제시했기 때문일 것입니다.

그러나 Hertz의 실험은 훌륭하고 설득력이있었습니다. 그들의 결과는 호평을 받았으며 Maxwell의 예측의 진실성에 대한 의심은 해소되었습니다.

변위 전류

변위의 흐름은 다음과 같은 암페어의 법칙에 대한 심층 분석에서 비롯된 Maxwell의 생성입니다.

배터리는 커패시터를 충전합니다. 표면 S (실선) 및 S '및 윤곽 C는 암페어의 법칙을 적용하는 것으로 표시됩니다. 출처 : Pixabay에서 수정 됨.

따라서 전류를 포함하는 Ampere의 법칙에서 오른쪽의 용어는 null이 아니며 왼쪽의 구성원도 아닙니다. 즉각적인 결론 : 자기장이 있습니다.

S '에 자기장이 있습니까?

그러나 동일한 윤곽선 C를 갖는 곡면 S '를 가로 지르거나 가로 지르는 전류는 없습니다.이 표면은 응축기의 판 사이 공간에있는 부분을 포함하기 때문에 공기 또는 다른 물질이라고 가정 할 수 있습니다. 비전 도성.

이 영역에는 전류가 흐르는 전도성 물질이 없습니다. 전류가 흐르기 위해서는 회로를 닫아야한다는 것을 기억해야합니다. 전류가 0이기 때문에 암페어의 법칙에서 왼쪽의 적분은 0입니다. 그렇다면 자기장은 없습니까?

분명히 모순이 있습니다. S '는 또한 곡선 C에 의해 제한되며 자기장의 존재는 C가 제한하는 표면에 의존해서는 안됩니다.

맥스웰의 모순을 해소 하여 변위 전류 (I)의 개념 도입 _D를 .

변위 전류

커패시터가 충전되는 동안 플레이트 사이에 가변 전기장이 존재하고 전류가 도체를 통해 흐릅니다. 커패시터가 충전되면 도체의 전류가 중단되고 플레이트 사이에 일정한 전기장이 형성됩니다.

그런 다음 Maxwell은 가변 전기장과 관련하여 전하의 이동을 수반하지 않는 전류 인 변위 전류 i _D 라고 부르는 전류가 있어야한다고 추론했습니다 . 표면 S '의 경우 유효합니다.

전류는 크기와 의미가 있지만 벡터는 아닙니다. 벡터 인 양에 필드를 연결하는 것이 더 적절합니다. 전류 밀도 J , 그 크기는 전류와 통과하는 영역 사이의 몫입니다. 국제 단위계에 전류 밀도의 단위는 A / m이다 ² .

이 벡터와 관련하여 변위 전류 밀도는 다음과 같습니다.

이런 식으로 윤곽 C에 암페어의 법칙이 적용되고 표면 S가 사용되면 i _C 는 그것을 통과하는 전류입니다. 반면에 i _C 는 S '를 통과하지 않지만 i _D 는 통과합니다 .

운동이 해결됨

주어진 매체의 속도

주어진 매체에서 전자파의 속도가 다음 식으로 주어짐을 보여줄 수 있습니다.

여기서 ε 및 μ는 해당 매체의 유전율 및 투과율입니다.

이동량

에너지 U를 갖는 전자기 복사는 그 크기가 p = U / c 인 연관된 운동량 p를 갖습니다.

전자파의 종류

전자기파는 매우 넓은 범위의 파장과 주파수를 가지고 있습니다. 그들은 전자기 스펙트럼으로 알려진 것으로 그룹화되어 있으며, 가장 긴 파장부터 시작하여 아래에 명명 된 영역으로 나뉩니다.

전파

가장 높은 파장과 가장 낮은 주파수 끝에 위치하며 수십억 헤르츠에서 수십억 헤르츠 범위입니다. 다양한 종류의 정보로 신호를 전송하는 데 사용되며 안테나에 캡처됩니다. 텔레비전, 라디오, 모바일, 행성, 별 및 기타 천체가이를 방송하고 캡처 할 수 있습니다.

전자 레인지

초고 (UHF), 초고 (SHF) 및 초고 (EHF) 주파수에 위치하며 범위는 1GHz ~ 300GHz입니다. 최대 1.6km까지 측정 할 수있는 이전 주파수와 달리 마이크로파는 그들은 몇 센티미터에서 33cm까지 다양합니다.

100,000에서 400,000 nm 사이의 스펙트럼에서 위치가 주어지면 전파에 의해 간섭되지 않는 주파수에서 데이터를 전송하는 데 사용됩니다. 이러한 이유로 레이더 기술, 휴대폰, 주방 오븐 및 컴퓨터 솔루션에 적용됩니다.

그 진동은 마그네트론으로 알려진 장치의 산물로, 끝에 2 개의 디스크 자석이있는 일종의 공진 공동입니다. 전자기장은 음극에서 전자의 가속에 의해 생성됩니다.

적외선

이러한 열파는 열체, 일부 유형의 레이저 및 발광 다이오드에 의해 방출됩니다. 전파 및 마이크로파와 겹치는 경향이 있지만 범위는 0.7 ~ 100 마이크로 미터입니다.

독립 체는 주로 야간 고글과 피부에서 감지 할 수있는 열을 생성합니다. 그들은 종종 원격 제어 및 특수 통신 시스템에 사용됩니다.

가시 광선

스펙트럼의 참조 분할에서 우리는 0.4에서 0.8 마이크로 미터 사이의 파장을 가진 지각 가능한 빛을 찾습니다. 우리가 구별하는 것은 무지개의 색으로, 가장 낮은 주파수는 빨간색으로, 가장 높은 주파수는 보라색으로 표시됩니다.

길이 값은 나노 미터와 옹스트롬 단위로 측정되며 전체 스펙트럼의 매우 작은 부분을 나타내며이 범위에는 태양과 별이 방출하는 가장 많은 양의 방사선이 포함됩니다. 또한, 에너지 전달에서 전자 가속의 산물입니다.

사물에 대한 우리의 인식은 물체와 눈에 떨어지는 가시 광선을 기반으로합니다. 그런 다음 뇌는 사물에 존재하는 색상과 세부 사항을 발생시키는 주파수를 해석합니다.

자외선

이 잔물결은 4 ~ 400nm 범위에 있으며, 태양 및 다량의 열을 방출하는 기타 프로세스에 의해 생성됩니다. 이러한 단파에 장기간 노출되면 생명체에 화상과 특정 유형의 암을 유발할 수 있습니다.

그들은 여기 된 분자와 원자에서 전자의 점프의 산물이기 때문에 그들의 에너지는 화학 반응에 관여하며 살균을 위해 의학에서 사용됩니다. 오존층이 지구에 미치는 피해를 방지하기 때문에 그들은 전리층을 담당합니다.

엑스레이

이 지정은 불투명체를 통과하여 사진 인쇄물을 생성 할 수있는 보이지 않는 전자기파이기 때문입니다. 10 ~ 0.01nm (30 ~ 30,000PHz) 사이에 위치하며, 전자가 중원 자의 궤도에서 점프 한 결과입니다.

이 광선은 많은 양의 에너지로 인해 태양의 코로나, 펄서, 초신성 및 블랙홀에서 방출 될 수 있습니다. 장기간 노출되면 암이 발생하고 의료 분야에서 뼈 구조의 이미지를 얻는 데 사용됩니다.

감마선

스펙트럼의 가장 왼쪽에 위치한 파동은 가장 높은 주파수를 가지며 일반적으로 블랙홀, 초신성, 펄서 및 중성자 별에서 발생합니다. 핵분열, 핵폭발 및 번개의 결과 일 수도 있습니다.

방사성 방출 후 원자핵의 안정화 과정에서 생성되기 때문에 치명적입니다. 그들의 파장은 아 원자이므로 원자를 통과 할 수 있습니다. 그들은 여전히 ​​지구 대기에 흡수되어 있습니다.

다른 전자파의 응용

전자기파는 기계 파와 동일한 반사 및 반사 특성을 갖습니다. 그리고 그들이 전파하는 에너지와 함께 정보를 전달할 수도 있습니다.

이로 인해 다양한 유형의 전자파가 다양한 작업에 적용되었습니다. 여기서 우리는 가장 일반적인 몇 가지를 볼 것입니다.

전자기 스펙트럼 및 일부 응용 분야. 출처 : Tatoute 및 Phrood

전파

발견 된 직후, Guglielmo Marconi는 그들이 훌륭한 커뮤니케이션 도구가 될 수 있음을 증명했습니다. Hertz가 발견 한 이래로 AM 및 FM 라디오, 텔레비전, 휴대폰 등과 같은 무선 주파수를 사용하는 무선 통신이 전 세계적으로 널리 보급되고 있습니다.

전자 레인지

물은 진동하는 전기장에 반응 할 수있는 쌍극자 분자이기 때문에 음식을 데울 때 사용할 수 있습니다. 음식에는 물 분자가 포함되어 있으며, 이러한 필드에 노출되면 서로 진동하고 충돌하기 시작합니다. 결과적인 효과는 온난화입니다.

또한 더 큰 파장의 다른 파동보다 간섭이 적은 대기를 이동할 수 있기 때문에 통신에서도 사용할 수 있습니다.

적외선 파

적외선의 가장 특징적인 용도는 야간 투시 장치입니다. 그들은 또한 별, 성간 가스 구름 및 외계 행성 연구를위한 장치 간의 통신 및 분광 기술에 사용됩니다.

또한 체온지도를 생성하여 주변 조직의 온도보다 높은 일부 유형의 종양을 식별하는 데 사용됩니다.

가시 광선

가시 광선은 망막이 반응하는 태양에서 방출되는 스펙트럼의 상당 부분을 구성합니다.

자외선

자외선은 물질과 크게 상호 작용할 수있는 충분한 에너지를 가지고 있으므로이 방사선에 지속적으로 노출되면 조기 노화가 발생하고 피부암 발병 위험이 높아집니다.

X 선 및 감마선

X 선과 감마선은 훨씬 더 많은 에너지를 가지고있어 연조직을 통과 할 수 있으므로 발견 된 순간부터 거의 골절을 진단하고 질병을 찾기 위해 신체 내부를 검사하는 데 사용되었습니다. .

엑스레이와 감마선은 진단 도구뿐만 아니라 종양 파괴를위한 치료 도구로도 사용됩니다.

참고 문헌

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