Il energia elettromagnetica È uno che si propaga attraverso le onde elettromagnetiche (EM). Ne sono un esempio la luce solare che irradia calore, la corrente che viene estratta dalla presa elettrica e quella che i raggi X possiedono per produrre raggi X.
Come le onde sonore quando vibrano il timpano, le onde elettromagnetiche sono in grado di trasferire energia che può essere successivamente convertita in calore, correnti elettriche o segnali vari..
L'energia elettromagnetica si propaga sia in un mezzo materiale che nel vuoto, sempre sotto forma di onda trasversale e il suo utilizzo non è una novità. La luce solare è la più antica e primordiale fonte di energia elettromagnetica conosciuta, ma l'uso dell'elettricità è un po 'più recente.
Fu solo nel 1891 che Società Edison ha messo in funzione il primo impianto elettrico alla Casa Bianca a Washington DC. E questo come complemento alle luci a gas che venivano utilizzate all'epoca, perché all'inizio c'era molto scetticismo riguardo al loro utilizzo..
La verità è che anche nei luoghi più remoti e privi di linee elettriche, l'energia elettromagnetica che arriva incessantemente dallo spazio continua continuamente a mantenere la dinamica di quella che chiamiamo la nostra casa nell'universo..
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Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali, in cui il campo elettrico E e il campo magnetico B sono perpendicolari tra loro, la direzione di propagazione dell'onda essendo perpendicolare ai campi.
Tutte le onde sono caratterizzate dalla loro frequenza. È l'ampia gamma di frequenze delle onde EM, che conferisce loro versatilità nel trasformare la loro energia, che è proporzionale alla frequenza.
La figura 2 mostra un'onda elettromagnetica, in essa il campo elettrico E in blu, oscilla nell'aereo zy, il campo magnetico B in rosso lo fa sull'aereo xy, mentre la velocità dell'onda è diretta lungo l'asse +Y, secondo il sistema di coordinate mostrato.
Se una superficie è interposta nel percorso di entrambe le onde, diciamo un piano di area PER e spessore dy, tale che sia perpendicolare alla velocità dell'onda, il flusso di energia elettromagnetica per unità di area, indicato S, è descritto attraverso vettore poynting:
S = (1 / μo) E × B
μo è la permeabilità del vuoto (μo = 4π .10-7 Tesla. metro / ampere), una costante legata alla facilità che il mezzo dà all'onda elettromagnetica di muoversi.
Il vettore Poynting fu introdotto dall'astrofisico inglese John Henry Poynting nel 1884, un pioniere nello studio dell'energia dei campi elettrici e magnetici..
Ora, si deve tener conto del fatto che l'energia è uno scalare, mentre S è un vettore.
Ricordando che la potenza è l'energia erogata per unità di tempo, quindi il modulo di S indica il potenza istantanea per unità di superficie nella direzione della propagazione delle onde elettromagnetiche (velocità di trasferimento dell'energia).
Da E Y B sono perpendicolari tra loro, il modulo di E X B è solo EB e la potenza istantanea (uno scalare) è come:
S = (1 / μo) EB
È facile verificare che le unità di S siano Watt / mDue nel sistema internazionale.
C'è ancora di più. Le magnitudini dei campi E Y B sono legati gli uni agli altri dalla velocità della luce c. In effetti, le onde elettromagnetiche nel vuoto si propagano così velocemente. Questa relazione è:
E = cB
Sostituendo questa relazione in S, otteniamo:
S = (1 / μo.CEDue
Il vettore di Poynting varia nel tempo in modo sinusoidale, quindi l'espressione precedente è il suo valore massimo, perché oscilla anche l'energia erogata dall'onda elettromagnetica, così come i campi. Ovviamente la frequenza dell'oscillazione è molto ampia, ecco perché non è possibile rilevarla alla luce visibile, ad esempio.
Tra i tanti utilizzi che abbiamo già accennato per l'energia elettromagnetica, eccone due che vengono utilizzati in modo continuativo in numerose applicazioni:
Le antenne riempiono lo spazio ovunque con onde elettromagnetiche. Esistono trasmettitori che trasformano i segnali elettrici in onde radio o microonde, ad esempio. E ci sono ricevitori, che fanno il lavoro inverso: raccolgono le onde e le convertono in segnali elettrici.
Vediamo come creare un segnale elettromagnetico che si propaga nello spazio, da un dipolo elettrico. Il dipolo è costituito da due cariche elettriche di uguale grandezza e segni opposti, separate da una piccola distanza.
Nella figura seguente è il campo elettrico E quando il + carico è alto (figura a sinistra). E punta verso il basso nel punto mostrato.
Nella figura 3 a destra, il dipolo ha cambiato posizione e ora E indica. Ripetiamo questo cambiamento molte volte e molto velocemente, diciamo con una frequenza F. Questo crea un campo E variabile nel tempo dà origine ad un campo magnetico B, anch'essa variabile e la cui forma è sinusoidale (vedi figura 4 ed esempio 1 sotto).
E poiché la legge di Faraday garantisce che un campo magnetico B variabile nel tempo dà luogo ad un campo elettrico, in quanto risulta che oscillando il dipolo si ha già un campo elettromagnetico capace di propagarsi nel mezzo.
Sento che B punti all'interno o all'esterno dello schermo alternativamente (sempre perpendicolare a E).
I condensatori hanno la virtù di immagazzinare la carica elettrica e quindi l'energia elettrica. Fanno parte di molti dispositivi: motori, circuiti radio e televisivi, sistemi di illuminazione per auto e molto altro ancora.
I condensatori sono costituiti da due conduttori separati da una piccola distanza. A ciascuno viene assegnata una carica di uguale grandezza e segno opposto, creando così un campo elettrico nello spazio tra i due conduttori. La geometria può variare essendo ben nota quella del condensatore a piastre parallele piatte.
L'energia immagazzinata in un condensatore proviene dal lavoro che è stato fatto per caricarlo, che è servito a creare il campo elettrico al suo interno. Introducendo un materiale dielettrico tra le piastre, la capacità del condensatore aumenta e quindi l'energia che può immagazzinare.
Un condensatore di capacità C e inizialmente scarico, che viene caricato da una batteria che fornisce una tensione V, fino a raggiungere una carica Q, immagazzina un'energia U data da:
U = ½ (QDue/ C) = ½ QV = ½ CVDue
In precedenza, si diceva che l'ampiezza del vettore di Poynting è equivalente alla potenza che l'onda fornisce per ogni metro quadrato di superficie, e che inoltre, essendo il vettore dipendente dal tempo, il suo valore oscillava fino ad un massimo di S = S = (1 / μo.CEDue.
Il valore medio di S in un ciclo dell'onda è facile da misurare e indicativo dell'energia dell'onda. Questo valore è noto come intensità delle onde e si calcola in questo modo:
I = Smetà = S = (1 / μo.CEDuemetà
Un'onda elettromagnetica è rappresentata da una funzione seno:
E = Eo sin (kx - ωt)
Dove Eo è l'ampiezza dell'onda, K il numero d'onda e ω la frequenza angolare. Poi:
C'è una stazione radio che trasmette un segnale con una potenza di 10 kW e una frequenza di 100 MHz, che si diffonde in modo sferico, come nella figura sopra..
Trovare: a) l'ampiezza dei campi elettrico e magnetico in un punto situato a 1 km dall'antenna eb) l'energia elettromagnetica totale incidente su un foglio quadrato con un lato di 10 cm in un periodo di 5 minuti.
I dati sono:
Velocità della luce nel vuoto: c = 300.000 km / s
Permeabilità al vuoto: μo = 4π .10-7 T.m / A (Tesla. Meter / ampere)
L'equazione riportata nell'esempio 1 serve per trovare l'intensità dell'onda elettromagnetica, ma prima i valori devono essere espressi nel Sistema Internazionale:
10 kW = 10.000 W.
100 MHz = 100 x 106 Hz
Questi valori vengono immediatamente sostituiti nell'equazione dell'intensità, poiché è una sorgente che emette lo stesso ovunque (source isotropo):
%5E%7B2%7Dm%5E%7B2%7D%7D=7.96x10%5E%7B-4%7D%5C:&space;W/m%5E%7B2%7D)
In precedenza è stato detto che le magnitudini di E Y B erano legati dalla velocità della luce:
E = cB
B = (0.775 / 300.000.000) T = 2.58 x 10-9 T
Smetà è la potenza per unità di superficie ea sua volta la potenza è l'energia per unità di tempo. Moltiplicando Smetà Dall'area della lastra e dal tempo di esposizione si ottiene il risultato richiesto:
5 minuti = 300 secondi
Area = (10/100)Due mDue = 0,01 mDue.
U = 0,775 x 300 x 0,01 Joule = 2,325 Joule.
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