الطاقة الكهرومغناطيسية: الصيغة ، المعادلات ، الاستخدامات ، الأمثلة - جسدي - بدني - 2026

و الطاقة الكهرومغناطيسية واحد هو أن ينتشر عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية (EM). ومن الأمثلة على ذلك الضوء الشمسي الذي يشع الحرارة ، والتيار المستخرج من مأخذ التيار الكهربائي وتيار الأشعة السينية لإنتاج الأشعة السينية.

مثل الموجات الصوتية عندما تهتز طبلة الأذن ، فإن الموجات الكهرومغناطيسية قادرة على نقل الطاقة التي يمكن تحويلها لاحقًا إلى حرارة أو تيارات كهربائية أو إشارات مختلفة.

الشكل 1. الهوائيات ضرورية في الاتصالات. الإشارات التي يعملون معها لها طاقة كهرومغناطيسية. المصدر: Pixabay.

تنتشر الطاقة الكهرومغناطيسية في كل من وسط المادة وفي الفراغ ، دائمًا في شكل موجة عرضية ، ولا يعد استخدامها شيئًا جديدًا. ضوء الشمس هو المصدر الأساسي للطاقة الكهرومغناطيسية وأقدم مصدر معروف ، لكن استخدام الكهرباء أحدث إلى حد ما.

في عام 1891 فقط ، قامت شركة إديسون بتشغيل أول تركيب كهربائي في البيت الأبيض بواشنطن العاصمة. وذلك كمكمل للأضواء التي تعتمد على الغاز والتي تم استخدامها في ذلك الوقت ، لأنه في البداية كان هناك الكثير من الشكوك حول استخدامها.

الحقيقة هي أنه حتى في الأماكن النائية والتي تفتقر إلى خطوط الطاقة ، فإن الطاقة الكهرومغناطيسية التي تأتي باستمرار من الفضاء تستمر في الحفاظ على ديناميكيات ما نسميه منزلنا في الكون.

الصيغة والمعادلات

الموجات الكهرومغناطيسية هي موجات عرضية ، يكون فيها المجال الكهربائي E والمجال المغناطيسي B متعامدين مع بعضهما البعض ، ويكون اتجاه انتشار الموجة عموديًا على الحقول.

تتميز جميع الموجات بترددها. إنه النطاق الواسع لترددات الموجات الكهرومغناطيسية ، مما يمنحها تنوعًا عند تحويل طاقتها ، والذي يتناسب مع التردد.

يوضح الشكل 2 موجة كهرومغناطيسية ، يتأرجح فيها المجال الكهربائي E باللون الأزرق في المستوى zy ، ويتذبذب المجال المغناطيسي B باللون الأحمر في المستوى xy ، بينما يتم توجيه سرعة الموجة على طول المحور + y وفقًا لنظام الإحداثيات الموضح.

الشكل 2. حادثة الموجة الكهرومغناطيسية على سطح ما توفر الطاقة وفقًا لمتجه Poynting. المصدر: F. Zapata.

إذا تم تداخل سطح في مسار كلتا الموجتين ، على سبيل المثال ، مستوى المنطقة A وسمك مصبوغ ، بحيث يكون عموديًا على سرعة الموجة ، يتم وصف تدفق الطاقة الكهرومغناطيسية لكل وحدة مساحة ، والمشار إليها S ، من خلال من ناقل Poynting:

من السهل التحقق من أن وحدات S هي وات / م ² في النظام الدولي.

لا يزال هناك المزيد. ترتبط مقادير الحقلين E و B ببعضهما البعض بسرعة الضوء ج. في الواقع ، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ بهذه السرعة. هذه العلاقة هي:

باستبدال هذه العلاقة في S نحصل على:

يتغير متجه Poynting بمرور الوقت بطريقة جيبية ، لذا فإن التعبير السابق هو أقصى قيمته ، لأن الطاقة التي توفرها الموجة الكهرومغناطيسية تتأرجح أيضًا ، تمامًا كما تفعل الحقول. طبعا تردد التذبذب كبير جدا لذا لا يمكن رصده في الضوء المرئي مثلا.

التطبيقات

من بين الاستخدامات العديدة التي ذكرناها بالفعل للطاقة الكهرومغناطيسية ، نذكر هنا اثنين يستخدمان بشكل مستمر في العديد من التطبيقات:

هوائي ثنائي القطب

تملأ الهوائيات المساحة في كل مكان بالموجات الكهرومغناطيسية. هناك أجهزة إرسال تقوم بتحويل الإشارات الكهربائية إلى موجات راديو أو ميكروويف ، على سبيل المثال. وهناك أجهزة استقبال تقوم بالعمل العكسي: فهي تجمع الموجات وتحولها إلى إشارات كهربائية.

دعونا نرى كيفية إنشاء إشارة كهرومغناطيسية تنتشر في الفضاء ، من ثنائي القطب الكهربائي. يتكون ثنائي القطب من شحنتين كهربائيتين متساويتين في الحجم وعلامات متقابلة ، مفصولة بمسافة صغيرة.

في الشكل التالي يوجد المجال الكهربائي E عندما تكون الشحنة + أعلى (الشكل الأيسر). يشير E إلى النقطة الموضحة.

الشكل 3. المجال الكهربائي لثنائي القطب في موقعين مختلفين. المصدر: راندال نايت. الفيزياء للعلماء والمهندسين.

في الشكل 3 على اليمين ، تغير موضع ثنائي القطب والآن يشير E إلى الأعلى. دعنا نكرر هذا التغيير عدة مرات وبسرعة كبيرة ، لنقل التردد f. بهذه الطريقة ، يتم إنشاء متغير المجال E في الوقت المناسب ، مما يؤدي إلى ظهور مجال مغناطيسي B ، وهو أيضًا متغير ويكون شكله جيبيًا (انظر الشكل 4 والمثال 1 أدناه).

وبما أن قانون فاراداي يضمن أن المجال المغناطيسي المتغير بمرور الوقت B يؤدي إلى مجال كهربائي ، فقد اتضح أنه من خلال تذبذب ثنائي القطب ، يكون للمرء بالفعل مجال كهرومغناطيسي قادر على الانتشار في الوسط.

الشكل 4. هوائي ثنائي القطب يولد إشارة تحمل طاقة كهرومغناطيسية. المصدر: F. Zapata.

لاحظ أن B يشير إلى داخل الشاشة أو خارجها بالتناوب (يكون دائمًا متعامدًا على E).

طاقة المجال الكهربائي: المكثف

تتمتع المكثفات بميزة تخزين الشحنة الكهربائية وبالتالي الطاقة الكهربائية. إنها جزء من العديد من الأجهزة: المحركات ودوائر الراديو والتلفزيون وأنظمة إضاءة السيارات وغير ذلك الكثير.

تتكون المكثفات من موصلين تفصل بينهما مسافة صغيرة. تُعطى كل واحدة شحنة متساوية الحجم وعلامة معاكسة ، مما يؤدي إلى إنشاء مجال كهربائي في الفراغ بين كلا الموصلات. يمكن أن تختلف الهندسة ، كونها معروفة جيدًا لمكثف الألواح المسطحة المتوازية.

تأتي الطاقة المخزنة في المكثف من الشغل الذي تم القيام به لشحنه ، مما أدى إلى إنشاء المجال الكهربائي بداخله. من خلال إدخال مادة عازلة بين الألواح ، تزداد سعة المكثف وبالتالي الطاقة التي يمكنه تخزينها.

مكثف السعة C والذي تم تفريغه مبدئيًا ، والذي يتم شحنه بواسطة بطارية توفر جهدًا كهربيًا ، حتى الوصول إلى الشحن Q ، يخزن طاقة U مُعطاة بواسطة:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = CV ²

الشكل 5. مكثف ذو لوحة متوازية مسطحة يخزن الطاقة الكهرومغناطيسية. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. المهوس 3.

أمثلة

مثال 1: شدة الموجة الكهرومغناطيسية

قيل سابقًا أن حجم متجه Poynting يعادل القدرة التي توفرها الموجة لكل متر مربع من السطح ، وأنه أيضًا ، نظرًا لأن المتجه يعتمد على الوقت ، فإن قيمته تتأرجح إلى أقصى حد S = S = (1 / μ _أو.c) E ².

من السهل قياس متوسط ​​قيمة S في دورة واحدة من الموجة وإشارة إلى طاقة الموجة. تُعرف هذه القيمة باسم كثافة الموجة ويتم حسابها بهذه الطريقة:

يتم تمثيل الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة دالة الجيب:

حيث E _o هو سعة الموجة ، k هو رقم الموجة و التردد الزاوي. وبالتالي:

الشكل 5. يشع الهوائي الإشارة في شكل كروي. المصدر: F. Zapata.

مثال 2: تطبيق على هوائي إرسال

توجد محطة راديو ترسل إشارة بقوة 10 كيلوواط وتردد 100 ميغا هرتز تنتشر بشكل كروي كما في الشكل أعلاه.

أوجد: أ) سعة المجالين الكهربائي والمغناطيسي عند نقطة تقع على بعد كيلومتر واحد من الهوائي ، ب) إجمالي الطاقة الكهرومغناطيسية التي تقع على ورقة مربعة من الضلع 10 سم في فترة 5 دقائق.

البيانات هي:

الاجابه على

تُستخدم المعادلة الواردة في المثال 1 لإيجاد شدة الموجة الكهرومغناطيسية ، ولكن يجب أولاً التعبير عن القيم في النظام الدولي:

يتم استبدال هذه القيم فورًا في معادلة الكثافة ، نظرًا لأنها مصدر ينبعث منها نفس الشيء في كل مكان (مصدر الخواص):

قيل في وقت سابق أن مقادير E و B مرتبطة بسرعة الضوء:

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

الحل ب

_تعني S هي الطاقة لكل وحدة مساحة وبالتالي فإن الطاقة هي طاقة لكل وحدة زمنية. بضرب _متوسط S في مساحة اللوحة وبوقت التعرض ، يتم الحصول على النتيجة المطلوبة:

U = 0.775 × 300 × 0.01 جول = 2.325 جول.

المراجع

1. فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 6. الكهرومغناطيسية. حرره دوغلاس فيغيروا (USB). 307-314.
2. ICES (اللجنة الدولية للسلامة الكهرومغناطيسية). حقائق الطاقة الكهرومغناطيسية ، ونظرة نوعية. تم الاسترجاع من: ices-emfsafety.org.
3. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون. 893-896.
4. جامعة ولاية بورتلاند. موجات EM تنقل الطاقة. تم الاسترجاع من: pdx.edu
5. ما هي الطاقة الكهرومغناطيسية وما أهميتها؟ تم الاسترجاع من: sciencestruck.com.