גלים אלקטרומגנטיים: התיאוריה של מקסוול, סוגים, מאפיינים - גוּפָנִי - 2025

הגלים אלקטרומגנטיים הם גלים רוחביים שמתאים שדות הנגרמים על ידי זרמים חשמליים מואצים. המאה התשע-עשרה הייתה מאה ההתקדמות הגדולה בחשמל ובמגנטיות, אך עד למחצית הראשונה, המדענים עדיין לא היו מודעים לקשר בין שתי התופעות, והאמינו כי הם אינם תלויים זה בזה.

זה היה הפיזיקאי הסקוטי ג'יימס קלקר מקסוול (1831-1879) שהוכיח לעולם שחשמל ומגנטיות הם אך שני צדדים של אותו מטבע. שתי התופעות קשורות זו לזו.

סופת ברקים. מקור: Pixabay.

תיאוריית מקסוול

מקסוול איחד את תורת החשמל והמגנטיות בארבע משוואות אלגנטיות ותמציתיות, שתחזיותיה אושרו במהרה:

אילו ראיות היה למקסוול כדי לפתח את התיאוריה האלקטרומגנטית שלו?

זו כבר הייתה עובדה שזרמים חשמליים (מטענים נעים) מייצרים שדות מגנטיים, ובתורם שדה מגנטי משתנה מקורו בזרמים חשמליים במעגלים מוליכים, מה שרומז ששדה מגנטי משתנה ישרה שדה חשמלי.

האם ייתכן שהתופעה ההפוכה יכולה להיות אפשרית? האם שדות חשמליים משתנים יוכלו ליצור שדות מגנטיים בתורם?

מקסוול, תלמידו של מייקל פאראדיי, היה משוכנע בקיומם של סימטריות בטבע. גם התופעות החשמליות והמגנטיות היו חייבות לדבוק בעקרונות אלה.

לטענת חוקר זה, שדות מתנודדים יפיקו הפרעות באותה דרך בה אבן שנזרקה לבריכה מחוללת גלים. הפרעות אלה אינן אלא תנודות שדות חשמליים ומגנטיים מתנדנדים, שמקסוול מכנה במדויק גלים אלקטרומגנטיים.

תחזיות מקסוול

המשוואות של מקסוול חזו את קיומן של גלים אלקטרומגנטיים במהירות ההפצה השווה למהירות האור. התחזית אושרה זמן קצר לאחר מכן על ידי הפיזיקאי הגרמני היינריך הרץ (1857 - 1894), שהצליח לייצר גלים אלה במעבדתו באמצעות מעגל LC. זה קרה זמן קצר לאחר מותו של מקסוול.

כדי לאמת את נכונות התיאוריה, הרץ נאלץ לבנות מכשיר גלאי שאפשר לו למצוא את אורך הגל והתדר, נתונים מהם יוכל לחשב את מהירות גלי הרדיו האלקטרומגנטיים, במקביל למהירות האור. .

עבודתו של מקסוול התקבלה בספקנות מצד הקהילה המדעית באותה תקופה. אולי זה היה גם בגלל שמקסוול היה מתמטיקאי מבריק והגיש לתיאוריה שלו את כל פורמליות המקרה, שרבים לא הצליחו להבין.

עם זאת, הניסוי של הרץ היה מבריק ומשכנע. התוצאות שלהם התקבלו היטב והוספקו הספקות לגבי אמיתות התחזיות של מקסוול.

זרם תזוזה

זרם העקירה הוא יצירת מקסוול, הנובעת מניתוח מעמיק של החוק של אמפר, הקובע כי:

מצבר טעון קבל. המשטחים S (קו מוצק) ו- S 'וקווי המתאר C מראים כי הם חלים על החוק של אמפר. מקור: שונה מ- Pixabay.

לכן המונח מימין בחוק אמפר, הכולל את הזרם, אינו בטל ואינו החבר משמאל. מסקנה מיידית: יש שדה מגנטי.

האם יש שדה מגנטי ב- S '?

עם זאת, אין זרם שחוצה או חוצה את פני השטח המעוקלים S ', שיש לו קו מתאר זהה C, מכיוון שמשטח זה מקיף חלק ממה שנמצא במרחב בין צלחות הקבל, שנוכל להניח שהוא אוויר או חומר אחר שאינו מוליך.

באזור זה אין חומר מוליך שדרכו זורם זרם כלשהו. יש לזכור שכדי שזרם יזרום, יש לסגור את המעגל. מכיוון שהזרם הוא אפס, האינטגרל משמאל בחוק אמפר הוא 0. אין אז שדה מגנטי, האם כן?

בהחלט יש סתירה. S 'מוגבל גם על ידי עקומה C וייתכן שקיומו של השדה המגנטי אינו תלוי במשטח אליו C מגביל.

מקסוול פתר את הסתירה על ידי החדרת הרעיון של i הנוכחי עקירת _D .

זרם תזוזה

בזמן שהקבל נטען, קיים שדה חשמלי משתנה בין הלוחות והזרם זורם במוליך. כאשר הקבל נטען, הזרם במוליך נפסק ונוצר שדה חשמלי קבוע בין הלוחות.

ואז הסיק מקסוול כי, הקשורים לשדה החשמלי המשתנה, חייב להיות זרם שהוא כינה זרם תזוזה i _D , זרם שאינו כרוך בתנועת מטען. לגבי פני השטח S זה תקף:

זרם חשמלי אינו וקטור, אם כי יש לו גודל ומשמעות. ראוי יותר לקשר את השדות לכמות שהיא וקטורית: צפיפות הזרם J , שעוצמתה היא הכמות בין הזרם לאזור דרכו הוא עובר. היחידות של צפיפות זרם במערכת הבינלאומית הם אמפר / m ² .

מבחינת וקטור זה צפיפות הזרם העקירה היא:

באופן זה, כאשר החוק של אמפר מוחל על קווי המתאר C ומשתמשים במשטח S, i _C הוא הזרם דרכו. מצד שני, i _C לא עובר דרך S ', אבל i _D כן.

התרגיל נפתר

מהירות במדיום נתון

במדיום נתון ניתן להראות כי מהירות הגלים האלקטרומגנטיים ניתנת על ידי הביטוי:

בו ε ו- μ הם ההיתר והתאמה בהתאמה של המדיום המדובר.

כמות התנועה

לקרינה אלקטרומגנטית עם אנרגיה U יש תנופה קשורה p שעוצמתה היא: p = U / c.

סוגי גלים אלקטרומגנטיים

לגלים אלקטרומגנטיים מגוון רחב מאוד של אורכי גל ותדרים. הם מקובצים במה שמכונה הספקטרום האלקטרומגנטי, שחולק לאזורים הנקראים להלן, החל באורך הגל הארוך ביותר:

גלי רדיו

הם נמצאים באורך הגל הגבוה ביותר ובקצה התדר הנמוך ביותר, והם נעים בין כמה למיליארד הרץ. הם אלה המשמשים להעברת אות עם מידע מסוגים שונים ונלכדים על ידי האנטנות. טלוויזיה, רדיו, מוביילים, כוכבי לכת, כוכבים וגופים שמימיים אחרים משדרים אותם וניתן ללכוד אותם.

מיקרוגל

הם ממוקמים בתדרים אולטרה גבוהה (UHF), סופר גבוהים (SHF) וגבוהים במיוחד (EHF), הם נעים בין 1 ג'יגה הרץ ל -300 ג'יגה הרץ. בניגוד לקודמים שיכולים להתמקד עד קילומטר (1.6 ק"מ), מיקרוגל הם נעים מכמה סנטימטרים עד 33 ס"מ.

בהתחשב במיקומם בספקטרום, בין 100,000 ל- 400,000 ננומטר, הם משמשים להעברת נתונים על תדרים שלא מפריעים להם גלי רדיו. מסיבה זו הם מיושמים בטכנולוגיית מכ"ם, טלפונים סלולריים, תנורי מטבח ופתרונות מחשב.

התנודה שלו היא תוצר של מכשיר המכונה מגנטרון, שהוא סוג של חלל תהודה שיש לו שני מגנטים לדיסק בקצוות. השדה האלקטרומגנטי נוצר על ידי האצת האלקטרונים מהקתודה.

קרני אינפרא אדום

גלי חום אלה נפלטים על ידי גופים תרמיים, סוגים מסוימים של לייזרים ודיודות פולטות אור. למרות שהם נוטים לחפוף עם גלי רדיו ומיקרוגל, הטווח שלהם נע בין 0.7 ל 100 מיקרומטר.

הישויות לרוב מייצרות חום שניתן לאתר באמצעות משקפי לילה והעור. הם משמשים לרוב לשלט רחוק ולמערכות תקשורת מיוחדות.

אור נראה

בחלוקה הייחוסית של הספקטרום אנו מוצאים אור מורגש, שאורך הגל שלו הוא בין 0.4 ל- 0.8 מיקרומטר. מה שאנו מבחינים הם צבעי הקשת, כאשר התדר הנמוך ביותר מאופיין באדום והגבוה ביותר בסגול.

ערכי האורך שלו נמדדים בננומטרים ובאנגסטרום, הוא מייצג חלק קטן מאוד מכל הספקטרום וטווח זה כולל את כמות הקרינה הגדולה ביותר הנפלטת על ידי השמש והכוכבים. בנוסף, זהו תוצר האצת האלקטרונים במעברים אנרגטיים.

התפיסה שלנו את הדברים מבוססת על קרינה גלויה הנופלת על חפץ ואז על העיניים. לאחר מכן המוח מפרש את התדרים שמעוררים את הצבע והפרטים הקיימים בדברים.

קרניים אולטרא - סגולות

אדוות אלה הן בטווח של 4 ו -400 ננומטר, הן נוצרות על ידי השמש ותהליכים אחרים הפולטים כמויות חום גדולות. חשיפה ארוכת טווח לגלים קצרים אלה עלולה לגרום לכוויות וסוגים מסוימים של סרטן בדברים חיים.

מכיוון שהם תוצר של קפיצות של אלקטרונים במולקולות נרגשות ואטומים, האנרגיה שלהם מעורבת בתגובות כימיות והם משמשים ברפואה לעיקור. הם אחראים ליונוספרה מכיוון ששכבת האוזון מונעת את השפעותיה המזיקות על כדור הארץ.

צילומי רנטגן

ייעוד זה נובע מהעובדה שהם גלים אלקטרומגנטיים בלתי נראים המסוגלים לעבור בגופים אטומים ולהפיק הדפסים מצולמים. הם נמצאים בין 10 ל 0.01 ננומטר (30 עד 30,000 PHz), והם תוצאה של אלקטרונים שקופצים ממסלולי אטומים כבדים.

קרניים אלה יכולות להיפלט על ידי קורונה של השמש, פולסרים, סופרנובות וחורים שחורים בגלל כמות האנרגיה הגדולה שלהם. חשיפתם הממושכת גורמת לסרטן והם משמשים בתחום הרפואי לקבלת תמונות של מבני עצמות.

קרני גמא

הם נמצאים בחלק השמאלי הקיצוני של הספקטרום, והם הגלים בעלי התדר הגבוה ביותר ומתרחשים בדרך כלל בחורים שחורים, סופרנובות, פולסרים וכוכבי נויטרונים. הם יכולים להיות גם תוצאה של ביקוע, פיצוצים גרעיניים וברקים.

מכיוון שהם נוצרים על ידי תהליכי ייצוב בגרעין האטומי לאחר פליטות רדיואקטיביות, הם קטלניים. אורך הגל שלהם הוא תת אטומי, ומאפשר להם לעבור אטומים. הם עדיין נקלטים באטמוספירה של כדור הארץ.

יישומים של הגלים האלקטרומגנטיים השונים

לגלים אלקטרומגנטיים אותם תכונות השתקפות ושיקוף כמו גלים מכניים. ויחד עם האנרגיה שהם מפיצים הם יכולים גם לשאת מידע.

בגלל זה, סוגים שונים של גלים אלקטרומגנטיים הוחלו על מספר גדול של משימות שונות. כאן נראה כמה מהנפוצים ביותר.

הספקטרום האלקטרומגנטי וחלק מהיישומים שלו. מקור: טאטו ופרוד

גלי רדיו

זמן קצר לאחר שהתגלה, גוגלתימו מרקוני הוכיח שהם יכולים להיות כלי תקשורת מצוין. מאז גילוים על ידי הרץ, התקשורת האלחוטית עם תדרי רדיו כמו AM ורדיו FM, טלוויזיה, טלפונים סלולריים, ועוד ועוד, הפכה נפוצה יותר ויותר ברחבי העולם.

מיקרוגל

הם יכולים לשמש לחימום מזון, מכיוון שמים הם מולקולת דיפול המסוגלת להגיב לשדות חשמליים מתנודדים. המזון מכיל מולקולות מים, שכאשר הם נחשפים לשדות אלו, מתחילים לנוע ולהתנגש זה בזה. ההשפעה המתקבלת היא התחממות.

ניתן להשתמש בהם גם בטלקומוניקציה, בשל יכולתם לנסוע באטמוספרה עם פחות הפרעות מאשר גלים אחרים בעלי אורך גל גדול יותר.

גלי אינפרא אדום

היישום האופייני ביותר של אינפרא אדום הוא מכשירי ראיית לילה. הם משמשים גם בתקשורת בין מכשירים ובטכניקות ספקטרוסקופיות לחקר כוכבים, ענני גז בין-כוכביים, ו- exoplanets.

הם יכולים גם ליצור מפות טמפרטורת גוף, המשמשות לזיהוי סוגים מסוימים של גידולים שטמפרטורתם גבוהה מזו של הרקמות הסובבות.

אור נראה

אור נראה מהווה חלק גדול מהספקטרום שנפלט על ידי השמש, אליו מגיבה הרשתית.

קרניים אולטרא - סגולות

לקרניים אולטרה סגולות יש מספיק אנרגיה כדי ליצור אינטראקציה עם חומר באופן משמעותי, כך שחשיפה רציפה לקרינה זו גורמת להזדקנות מוקדמת ומגדילה את הסיכון להתפתחות סרטן העור.

קרני רנטגן וקרני גמא

לקרני רנטגן וקרני גמא יש אנרגיה רבה עוד יותר ולכן הם מסוגלים לחדור לרקמות רכות, ומכאן, כמעט מרגע גילוין, הם שימשו לאבחון שברים ובחינת פנים הגוף בחיפוש אחר מחלות. .

קרני רנטגן וקרני גמא משמשות לא רק ככלי אבחון, אלא ככלי טיפולי להשמדת גידולים.

הפניות

1. ג'יאנקולי, ד '(2006). פיזיקה: עקרונות עם יישומים. המהדורה השישית. אולם פרנטיס. 628-637.
2. Rex, A. (2011). יסודות הפיזיקה. פירסון. 503-512.
3. Sears, F. (2015). פיזיקה אוניברסיטאית עם פיזיקה מודרנית. מהדורה 14. פירסון. 1053-1057.