Formula energi elektromagnetik, persamaan, penggunaan, contoh

Itu Energi elektromagnetik Ini adalah salah satu yang menyebar melalui gelombang elektromagnetik (EM). Contohnya adalah sinar matahari yang memancarkan panas, arus yang diekstraksi dari outlet listrik dan yang harus menghasilkan radiografi.

Seperti gelombang suara saat membuat gendang telinga bergetar, gelombang elektromagnetik mampu mentransfer energi yang nantinya dapat menjadi panas, arus listrik atau beragam sinyal.

Gambar 1. Antena diperlukan dalam telekomunikasi. Tanda -tanda yang bekerja memiliki energi elektromagnetik. Sumber: Pixabay.

Energi elektromagnetik merambat baik dalam lingkungan material dan kekosongan, selalu dalam bentuk gelombang transversal dan memanfaatkannya bukanlah sesuatu yang baru. Sinar matahari adalah sumber utama energi elektromagnetik dan yang tertua diketahui, tetapi menggunakan listrik agak lebih baru.

Itu baru pada tahun 1891 saat Perusahaan Edison Beroperasi Instalasi Listrik Pertama di Gedung Putih di Washington DC. Dan bahwa sebagai pelengkap lampu berbasis gas yang digunakan pada saat itu, karena pada awalnya ada cukup skeptis dalam hal penggunaan.

Yang benar adalah bahwa bahkan, di tempat yang paling terpencil dan kurang, energi elektromagnetik yang tiba tanpa henti dari luar angkasa terus menerus terus mempertahankan dinamika yang kita sebut rumah kita di alam semesta.

[TOC]

Formula dan Persamaan

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal, di mana medan listrik DAN dan medan magnet B Mereka saling tegak lurus, karena juga arah propagasi gelombang tegak lurus terhadap bidang.

Semua gelombang ditandai dengan frekuensinya. Ini adalah berbagai frekuensi gelombang EM, yang memberi mereka keserbagunaan saat mengubah energi mereka, yang sebanding dengan frekuensi.

Gambar 2 menunjukkan gelombang elektromagnetik, di dalamnya medan listrik DAN Biru, berosilasi di pesawat zy, Medan magnet B Merah melakukannya di pesawat Xy, Sedangkan kecepatan gelombang diarahkan sepanjang sumbu +Dan, Menurut sistem koordinat yang ditampilkan.

Gambar 2. Gelombang elektromagnetik yang mempengaruhi permukaan menghasilkan energi sesuai dengan vektor Poynting. Sumber: f. Zapata.

Jika berada di jalur kedua gelombang yang dibawa, katakanlah pesawat area KE dan ketebalan Dy, sehingga tegak lurus terhadap laju gelombang, aliran energi elektromagnetik per unit area, dilambangkan S, dijelaskan melalui Vektor Poynting:

S = (1 /μ_{salah satu}) DAN × B

μ_{salah satu} Itu adalah permeabilitas vakum (μ_{salah satu} = 4π .10^-7 Tesla. Metro/Ampere), Konstanta yang terkait dengan kemudahan yang diberikan media pada gelombang elektromagnetik untuk bergerak.

Dapat melayani Anda: kurcaci putih

Vektor Poynting diperkenalkan oleh ahli astrofisika Inggris John Henry Poynting pada tahun 1884, seorang pelopor dalam studi energi medan listrik dan magnet.

Daya instan per unit area

Sekarang, kita harus memperhitungkan bahwa energi adalah skalar, sementara S Itu adalah vektor.

Mengingat bahwa daya adalah energi yang diberikan per unit waktu, kemudian modul S Menunjukkan Daya instan per unit area Dalam arah propagasi gelombang elektromagnetik (laju transfer energi).

Sejak DAN Dan B Mereka saling tegak lurus, modul DAN X B Itu hanyalah eb Dan kekuatan instan (skalar) tetap:

S = (1 /μ_{salah satu}) Eb

Mudah untuk memverifikasi bahwa unit S adalah watt/m² Dalam sistem internasional.

Masih ada lagi. Besarnya ladang DAN Dan B Mereka terkait satu sama lain melalui kecepatan cahaya C. Faktanya, gelombang elektromagnetik dalam vakum menyebar seperti ini dengan cepat. Hubungan ini adalah:

E = CB

Mengganti hubungan ini di S diperoleh:

S = (1 /μ_{salah satu}.Ec²

Vektor Poynting bervariasi dengan waktu sinusoidal, sehingga ekspresi sebelumnya adalah nilai maksimumnya, karena energi yang diberikan oleh gelombang elektromagnetik juga berosilasi, seperti halnya bidang. Tentu saja, frekuensi osilasi sangat besar, sehingga tidak mungkin untuk mendeteksinya dalam cahaya yang terlihat, misalnya.

Aplikasi

Di antara banyak penggunaan yang telah kami katakan memiliki energi elektromagnetik, berikut adalah dua yang terus digunakan dalam berbagai aplikasi:

Antena Dipolo

Antena di mana -mana mengisi ruang dengan gelombang elektromagnetik. Ada pemancar, yang mengubah sinyal listrik menjadi gelombang radio atau microwave, misalnya. Dan ada reseptor, yang melakukan pekerjaan terbalik: mereka mengumpulkan ombak dan menjadikannya sinyal listrik.

Mari kita lihat cara membuat sinyal elektromagnetik yang menyebar di ruang angkasa, dari dipol listrik. Dipol terdiri dari dua muatan listrik dengan magnitudo yang sama dan tanda -tanda berlawanan, dipisahkan oleh jarak kecil.

Dapat melayani Anda: konduktor listrik

Pada gambar berikut adalah medan listrik DAN Saat beban + naik (gambar kiri). DAN poin ke bawah pada titik yang ditunjukkan.

Gambar 3. Medan listrik dipol di dua posisi yang berbeda. Sumber: Randall Knight. Fisika untuk Ilmuwan dan Insinyur.

Pada Gambar 3 kanan, dipol mengubah posisi dan sekarang DAN menunjuk ke atas. Kami mengulangi perubahan ini berkali -kali dan sangat cepat, katakanlah frekuensi F. Sebuah bidang dibuat begitu DAN Variabel dalam waktu memunculkan medan magnet B, juga variabel dan bentuknya sinus (lihat Gambar 4 dan di bawah Contoh 1).

Dan bagaimana hukum Faraday memastikan bahwa medan magnet B Variabel dalam waktu memunculkan medan listrik, karena ternyata membuat dipol sudah memiliki medan elektromagnetik yang mampu menyebar.

Gambar 4. Antena dipol menghasilkan sinyal yang mengangkut energi elektromagnetik. Sumber: f. Zapata.

aku merasakannya B poin di dalam atau di luar layar secara bergantian (selalu tegak lurus DAN).

Energi medan listrik: kondensor

Kapasitor memiliki keutamaan menyimpan muatan listrik dan karenanya tenaga listrik. Mereka adalah bagian dari banyak perangkat: mesin, sirkuit radio dan televisi, sistem lampu mobil dan banyak lagi.

Kapasitor terdiri dari dua driver terpisah jarak kecil. Masing -masing diberikan beban dengan besarnya yang sama dan tanda yang berlawanan, kemudian menciptakan medan listrik di ruang antara kedua pembalap. Geometri dapat bervariasi, menjadi yang terkenal dari kapasitor plak paralel datar.

Energi yang disimpan dalam kondensor berasal dari pekerjaan yang dilakukan untuk memuatnya, yang berfungsi untuk membuat medan listrik di dalamnya. Memperkenalkan bahan dielektrik di antara pelat, kapasitas kapasitor meningkat dan oleh karena itu energi yang dapat disimpannya.

Kapasitor kapasitas dan awalnya habis, yang dimuat oleh baterai yang memasok tegangan V, sampai mencapai beban Q, menyimpan energi atau diberikan oleh:

U = ½ (q²/C) = ½ qv = ½ cv²

Gambar 5. Kondensor pelat datar paralel menyimpan energi elektromagnetik. Sumber: Wikimedia Commons. Geek3 [cc by-sa 4.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/4.0)].

Contoh

Contoh 1: Intensitas gelombang elektromagnetik

Sebelumnya dikatakan bahwa besarnya vektor Poynting setara dengan kekuatan yang diberikan gelombang untuk setiap meter persegi permukaan, dan sebagai tambahan, sebagai vektor tergantung waktu, nilainya terayak hingga maksimum maksimum maksimum dari maksimum S = S = (1 /μ_{salah satu}.Ec².

Nilai rata -rata S dalam siklus gelombang mudah diukur dan menunjukkan energi gelombang. Nilai ini dikenal sebagai intensitas gelombang Dan itu dihitung dengan cara ini:

Dapat melayani Anda: apa itu keseimbangan dinamis? (Dengan contoh)

I = s_setengah = S = (1 /μ_{salah satu}.Ec²_setengah

Gelombang elektromagnetik diwakili oleh fungsi sinus:

E = e_{salah satu} Sen (kx - ΩT)

Di mana DAN_{salah satu} Itu adalah amplitudo gelombang, k Nomor gelombang dan Ω Frekuensi sudut. Jadi:

Nilai rata -rata fungsi SEN² x dalam satu siklus adalah ½. Ini secara formal dihitung dengan ekspresi berikut, yang dimungkinkan untuk memverifikasi dengan bantuan tabel integral atau melakukan integral secara analitik:

Oleh karena itu s_setengah Itu tetap sebagai:Ketika sumber memancarkan secara merata di semua arah, daya dipancarkan sesuai dengan kebalikan ke kuadrat jarak ke sumber (Gambar 5). Ya P_M Maka, ini adalah kekuatan rata -rata R Intensitas yo dari sinyal, itu diberikan oleh:

Gambar 5. Antena memancarkan sinyal dalam bentuk bola. Sumber: f. Zapata.

Contoh 2: Aplikasi ke antena transmisi

Ada stasiun radio yang mentransmisikan sinyal daya dan frekuensi 100 kW 100 MHz, yang menyebar dalam bentuk bola, seperti pada gambar di atas.

Temukan: a) amplitudo medan listrik dan magnet pada titik yang terletak 1 km dari antena dan b) total energi elektromagnetik yang mempengaruhi lembaran persegi 10 cm dalam periode 5 menit.

Datanya:

Kecepatan ringan dalam ruang hampa: C = 300.000 km/s

Permeabilitas vakum: μ_{salah satu} = 4π .10^-7 T.M/A (Tesla. Metro/Ampere)

Solusi untuk

Persamaan yang diberikan dalam Contoh 1 digunakan untuk menemukan intensitas gelombang elektromagnetik, tetapi pertama -tama nilai -nilai dalam sistem internasional harus diekspresikan:

10 kW = 10000 w

100 MHz = 100 x 10⁶ Hz

IR Nilai -nilai ini diganti dalam persamaan untuk intensitas, karena merupakan sumber yang memancarkan secara setara (sumber isotropik):

Ini justru daya rata -rata per unit area rata -rata atau nilai modul vektor Poynting:

Sebelumnya dikatakan bahwa besarnya DAN Dan B Mereka terkait dengan kecepatan cahaya:

E = CB

B = (0.775/300.000.000) t = 2.58 x 10^-9 T

Solusi b

S_setengah Itu adalah daya per unit area dan pada gilirannya daya adalah energi per unit waktu. Mengalikan s_setengah Untuk area pelat dan untuk waktu pemaparan, hasil yang diminta diperoleh:

5 menit = 300 detik

Area = (10/100)²  M² = 0.01 m².

U = 0.775 x 300 x 0.01 joules = 2.325 Joules.

Referensi

1. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB). 307-314.
2. ICES (Komite Internasional tentang Keselamatan Elektromagnetik). Fakta energi elektromagnetik, dan pandangan kualitatif. Dipulihkan dari: es-emfsafety.org.
3. Knight, r. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson. 893 - 896.
4. Universitas Negeri Portland. Em Waves Energy Trate. Pulih dari: pdx.Edu
5. Apa itu energi elektromagnetik dan mengapa itu penting?. Pulih dari: sciencestruck.com.