ONGES ELECTROMAGNÉTIQUES THÉORIE, TYPES, CARACTÉRISTIQUES DE MAXWELL

Le ondes électromagnétiques Ce sont des ondes transversales qui correspondent aux champs causés par des charges électriques accélérées. Le XIXe siècle était le siècle de grandes avancées en électricité et en magnétisme, mais jusqu'à la première moitié, les scientifiques ne connaissaient toujours pas la relation entre les deux phénomènes, les croyant indépendants les uns des autres.

C'est le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) qui a montré au monde que l'électricité et le magnétisme n'étaient que les deux côtés de la même monnaie. Les deux phénomènes sont intimement liés.

Une tempête. Source: Pixabay.

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Théorie de Maxwell

Maxwell a unifié la théorie de l'électricité et du magnétisme dans 4 équations élégantes et concises, dont les prédictions ont rapidement été confirmées:

Quelles preuves ont-elles préparé Maxwell pour sa théorie électromagnétique?

C'était déjà un fait que les courants électriques (charges mobiles) produisent des champs magnétiques, et à son tour un champ magnétique variable provient des courants électriques dans les circuits conducteurs, ce qui impliquerait qu'un champ magnétique variable induit un champ électrique.

Le phénomène inverse pourrait-il être possible? Les champs électriques variables pourraient à leur tour de créer des champs magnétiques?

Maxwell, un disciple de Michael Faraday, était convaincu de l'existence de symétries dans la nature. Les deux phénomènes, électriques et magnétiques, devaient également s'en tenir à ces principes.

Selon ce chercheur, les champs oscillants généreraient des perturbations de la même manière qu'une pierre jetée dans un étang génère des vagues. Ces perturbations ne sont rien d'autre que les champs électriques et magnétiques oscillants, que Maxwell a appelé les ondes électromagnétiques précisément.

Prédictions Maxwell

Les équations de Maxwell ont prédit l'existence d'ondes électromagnétiques avec une vitesse de propagation égale à la vitesse de la lumière. La prédiction a été confirmée peu de temps après par le physicien allemand Heinrich Hertz (1857 - 1894), qui a réussi à générer ces vagues dans son laboratoire via un circuit LC. Cela s'est produit peu de temps après la mort de Maxwell.

Pour vérifier le succès de la théorie, Hertz a dû construire un dispositif de détecteur qui lui a permis.

Les œuvres de Maxwell avaient été reçues avec le scepticisme par la communauté scientifique de l'époque. Peut-être était-il dû en partie au fait que Maxwell était un brillant mathématicien et avait présenté à sa théorie toute la formalité de l'affaire, que beaucoup n'ont pas compris.

Cependant, l'expérience de Hertz était brillante et convaincante. Ses résultats ont été bien reçus et des doutes sur la véracité des prédictions de Maxwell étaient claires.

Le courant de déplacement

Le courant de déplacement est la création de Maxwell, résultant d'une analyse profonde de la loi Ampère, qui établit que:

 Où:Maxwell a analysé le cas du chargement d'un condenseur: comme il est chargé, la surface s dont le contour est C, englobe le courant i_C Ce qui passe à travers le fil conducteur, comme on peut le voir sur la figure ci-dessous:

Une batterie charge un condenseur. Les surfaces (ligne continue) et S 'et le contour C pour appliquer la loi Ampère sont indiqués. Source: Pixabay modifié.

Par conséquent, le terme à droite dans la loi Ampère, qui implique le courant, n'est pas nul et n'est pas le membre à gauche. Conclusion immédiate: il y a un champ magnétique.

Y a-t-il un champ magnétique dans S '?

Cependant, il n'y a pas de courant qui traverse ou traverse la surface incurvée S ', qui a le même contour C, car cette surface englobe une partie de ce qui se trouve dans l'espace entre les plaques de condenseur, que nous pouvons supposer est de l'air ou d'une autre substance non - conducteur.

Dans cette région, il n'y a pas de matériau conducteur à travers lequel un courant circule. Il faut se rappeler que pour un courant de circulation, le circuit doit être fermé. Lorsque le courant est nul, l'intégrale de la gauche dans la loi Ampère est 0. Il n'y a pas de champ magnétique alors, ou oui?

Il y a certainement une contradiction. S 'est également limité par la courbe C et l'existence du champ magnétique ne devrait pas dépendre de la surface à laquelle il limite.

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Maxwell a résolu la contradiction en introduisant le concept de déplacement actuel i_D.

Courant de déplacement

Pendant que le condenseur se charge, il existe un champ électrique variable entre les plaques et le courant circule par le conducteur. Lorsque le condenseur est chargé, le courant cesse dans le conducteur et un champ électrique constant est établi entre les plaques.

Ensuite, Maxwell a déduit que, associé au champ électrique variable, il devrait y avoir un courant appelé le courant de déplacement I_D, Un courant qui n'implique pas de mouvement de charge. Pour la surface s 'est valide:

 Où:

 μ_{O = 4π .dix^-7}   T.M / A

Le courant électrique n'est pas un vecteur, bien que ce soit une magnitude et un sens. Il est plus approprié de relier les champs à une quantité de vecteur: la densité actuelle J,dont l'ampleur est le quotient entre le courant et la zone par laquelle il passe. Les unités de densité actuelles dans le système international sont des ampères / m².

En termes de ce vecteur, la densité de courant de déplacement est:

Le courant de déplacement i_D Cela est dû au changement du temps du flux de champ électrique entre les plaques de condenseur pendant qu'il se charge. Une fois chargé, la variation de l'écoulement électrique est nulle et le courant de déplacement disparaît.

De cette façon, lorsque la loi Ampère est appliquée au contour C et que la surface est utilisée, je_C C'est le courant qui le traverse. Au lieu de_C Ça ne passe pas par s ', mais je_D s'il le fait.

Exercice résolu

1-un condenseur à plaque plate parallèle circulaire est chargé. Le rayon des plaques est de 4 cm et en un instant étant donné le courant de conduite I_C = 0.520 A. Il y a de l'air entre les assiettes. Trouver:

a) La densité de courant de déplacement J_D dans l'espace entre les assiettes.

b) La vitesse à laquelle le champ électrique entre les plaques change.

c) Le champ magnétique induit entre les plaques à une distance de 2 cm de l'axe axial.

d) le même problème que dans c) mais à une distance de 1 cm de l'axe axial.

Solution

Section A

Pour l'ampleur de la densité de courant J_D La zone des assiettes est nécessaire:

Zone de plaque: a = πr² = π . (4 x 10^-2 m)² = 0.00503 m².

Le champ électrique est uniforme entre les plaques, la densité de courant aussi, car elles sont proportionnelles. De plus je_C = i_D Pour la continuité, alors:

Densité J actuelle_D = 0.520 a / 0.00503 m² = 103.38 a / m².

Section B

Le taux de change du champ électrique est (de / dt). Une équation est nécessaire pour la trouver, sur la base des premiers principes: la définition actuelle, la définition de la capacité et la capacité d'un condensateur en plaque.

- Par définition, le courant est la dérivée de la charge par rapport au temps i_C = dq / dt

- La capacité du condensateur est C = Q / V, où Q est la charge et V est la différence de potentiel.

- Pour sa part, la capacité du condensateur à plaque plate parallèle est: C = ε_soitPublicité.

Les cas inférieurs sont utilisés pour indiquer les courants et les tensions variant dans le temps. Lors de la combinaison des deuxième et troisième équations, la charge reste:

Q = C.V = (ε_soitPUBLICITÉ).v = ε_soitA (v / d) = ε_soitAe

Ici ε_soit C'est l'allocation du vide dont la valeur est 8.85 x 10^-12 C²/ N.m². Par conséquent, lorsqu'il apporte ce résultat à la première équation, une expression est obtenue qui contient le taux de change du champ électrique:

Toi_C = dq / dt = d (ε_soitAe) / dt = ε_soitA (de / dt)

La compensation de / dt est:

(de / dt) = i_C/ (ε_soitA) = J_D/ ε_soit

Remplacement des valeurs:

de / dt = (103.38 a / m²) / (8.85 x 10^-12 C²/ N.m² ) = 1.17 x 10¹³ (N / c) / s

Le résultat est environ 1 suivi de 13 zéros. Le champ électrique varie définitivement très rapidement.

Section C

Pour trouver l'ampleur du champ magnétique, il est nécessaire d'appliquer la loi Ampère, en choisissant un chemin radio circulaire r À l'intérieur des plaques et leur concentration, dont le rayon est r:

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D'un autre côté dans l'intégrale, les vecteurs B et DL sont parallèles, de sorte que le produit scalaire est simplement Bdl, où dl C'est un différentiel sur le chemin sur c. Le champ B est constant tout le C et est hors de l'intégrale:

Égal aux deux résultats:

Effacer B Vous avez:

Évaluation pour r = 2 cm = 0.02 m:

Section D

Évaluation de l'équation obtenue dans le paragraphe précédent, pour r = 1 cm = 0.01 M:

Caractéristiques des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales où les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires les uns aux autres à la direction de la propagation des vagues.

Les ondes électromagnétiques sont constituées de champs électriques et magnétiques perpendiculaires. Source: Pixabay.

Ensuite, nous verrons ses caractéristiques les plus notables.

Vitesse de propagation

La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans un vide est c ≈3,00 x10⁸ m / s, quelles que soient les valeurs qui ont la longueur d'onde et la fréquence.

Les médias où ils se propagent

Les ondes électromagnétiques se propagent à la fois dans un vide et dans un milieu matériel, contrairement aux ondes mécaniques qui nécessitent un milieu.

Rapport entre la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence

La relation entre la vitesse c, La longueur d'onde λ et la fréquence F des ondes électromagnétiques dans le vide est C = λ.F.

Relation entre le champ électrique et le champ magnétique

Les amplitudes des champs électriques et magnétiques sont liées à travers E = CB.

Vitesse dans un milieu donné

Dans un environnement donné, il est possible de démontrer que la vitesse des ondes électromagnétiques est donnée par l'expression:

Dans lequel ε et μ sont l'allocation et la perméabilité respectives de l'environnement en question.

Quantité de mouvement

Un rayonnement électromagnétique avec de l'énergie OU a une quantité de mouvement associée p dont l'ampleur est: p = OU/ /c.

Types d'ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques ont une très large gamme de longueurs d'onde et de fréquences. Ils sont regroupés dans ce qui est connu sous le nom de spectre électromagnétique, qui a été divisé en régions, qui sont nommées ci-dessous, en commençant par les longueurs d'onde les plus élevées:

Les ondes radio

Situés à la fin de la longueur d'onde la plus élevée et de la fréquence inférieure, ils vont de quelques à un milliards de Hertz. Ce sont eux utilisés pour transmettre un signal avec des informations de divers types et sont capturés par les antennes. La télévision, la radio, les mobiles, les planètes, les stars et d'autres corps célestes les diffusent et peuvent être capturés.

Four micro onde

Situé dans les hauts fréquences ultra (UHF), super hauts (SHF) et extrêmement élevés (EHF), varient entre 1 GHz et 300 GHz. Contrairement aux précédents qui peuvent mesurer jusqu'à un mile (1,6 km), les micro-ondes varient de quelques centimètres à 33 cm.

Compte tenu de sa position de spectre, entre 100.000 et 400.000 nm, sont utilisés pour transmettre des données sur les fréquences qui ne sont pas interférées par les ondes radio. Pour cette raison, ils sont appliqués dans la technologie radar, les téléphones portables, les fours de cuisine et les solutions informatiques.

Son oscillation est le produit d'un appareil connu sous le nom de magnétron, qui est une sorte de cavité résonnante qui a 2 aimants à disque aux extrémités. Le champ électromagnétique est généré par l'accélération des électrons de la cathode.

Rayons infrarouges

Ces vagues de chaleur sont émises par les corps thermiques, certains types de laser et de diodes qui émettent la lumière. Bien qu'ils se chevauchent généralement avec des ondes radio et des micro-ondes, leur portée se situe entre 0,7 et 100 micromètres.

Les entités produisent le plus souvent de la chaleur qui peut être détectée par les téléspectateurs de nuit et la peau. Ils sont souvent utilisés pour les télécommandes et les systèmes de communication spéciaux.

Lumière visible

Dans la division référentielle du spectre, nous trouvons la lumière perceptible, qui a une longueur d'onde entre 0,4 et 0,8 micromètre. Ce que nous distinguons, ce sont les couleurs de l'arc-en-ciel, où la fréquence la plus basse est caractérisée par la couleur rouge et la plus élevée par le violet.

Ses valeurs de longueur sont mesurées dans les nanomètres et Angstrom, représente une très petite partie de l'ensemble du spectre et cette plage comprend la plus grande quantité de rayonnement émis par le soleil et les étoiles. De plus, c'est le produit de l'accélération des électrons dans les transits d'énergie.

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Notre perception des choses est basée sur un rayonnement visible qui affecte un objet puis sur les yeux. Ensuite, le cerveau interprète les fréquences qui donnent naissance à la couleur et aux détails présents dans les choses.

Rayons ultraviolets

Ces ondulations se trouvent dans l'intervalle de 4 et 400 nm, généré par le soleil et d'autres processus qui émettent de grandes quantités de chaleur. Une exposition prolongée à ces ondes courtes peut provoquer des brûlures et certains types de cancer dans les êtres vivants.

Puisqu'ils sont le produit de sauts d'électrons dans des molécules et des atomes excités, leur énergie intervient dans des réactions chimiques et est utilisée en médecine pour stériliser. Ils sont responsables de l'ionosphère puisque la couche d'ozone évite ses effets nocifs sur Terre.

Rayons X

Cette désignation est parce que ce sont des ondes électromagnétiques invisibles capables de traverser les corps opaques et de produire des impressions photographiques. Situé entre 10 et 0,01 nm (30 à 30.000 phz), sont le résultat d'électrons qui sautent des orbites dans des atomes lourds.

Ces rayons peuvent être émis par la couronne du soleil, des pulsares, des supernovas et des trous noirs en raison de sa grande quantité d'énergie. Son exposition prolongée provoque un cancer et est utilisée dans le domaine de la médecine pour obtenir des images de structures osseuses.

Rayons gamma

Situés à l'extrémité gauche du spectre, ce sont les ondes les plus fréquentes et se produisent généralement dans les trous noirs, les supernovae, les pulsares et les étoiles à neutrons. Ils peuvent également être une conséquence de la fission, des explosions nucléaires et de la foudre.

Puisqu'ils sont générés par des processus de stabilisation dans le noyau atomique après les émissions radioactives, ils sont mortels. Sa longueur d'onde est subatomique, ce qui leur permet de traverser les atomes. Même ainsi, ils sont absorbés par l'atmosphère terrestre.

Applications des différentes ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques ont les mêmes propriétés en termes de réflexion et de réflexion que les ondes mécaniques. Et à côté de l'énergie qu'ils propagent, ils peuvent également transporter des informations.

Pour cette raison, les différents types d'ondes électromagnétiques ont été appliquées à un grand nombre de tâches différentes. Ensuite, nous verrons certains des plus courants.

Spectre électromagnétique et certaines de ses applications. Source: Tatoute et Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]]

Les ondes radio

Peu de temps après avoir été découvert, Guglielmo Marconi a montré qu'ils pouvaient être un excellent outil de communication. Depuis sa découverte par Hertz, les communications sans fil avec des fréquences radio telles que AM et Radio FM, télévision, téléphones portables et bien plus encore, ils se sont étendus de plus en plus dans le monde.

Four micro onde

Ils peuvent être utilisés pour chauffer les aliments, car l'eau est une molécule dipolaire capable de répondre aux champs électriques oscillants. Les aliments contiennent des molécules d'eau qui, lorsqu'elles sont exposées à ces champs, commencent à osciller et à entrer en collision les uns avec les autres. L'effet résultant est le chauffage.

Ils peuvent également être utilisés dans les télécommunications, en raison de leur capacité à se déplacer dans l'atmosphère avec moins d'interférence que les autres vagues de longueur d'onde.

Vagues infrarouges

L'application la plus caractéristique de l'infrarouge sont les dispositifs de vision nocturne. Ils sont également utilisés dans la communication entre les appareils et les techniques spectroscopiques pour l'étude des étoiles, des nuages ​​de gaz interstellaires et des exoplanètes.

Avec eux, vous pouvez également créer des cartes de température corporelle, qui servent à identifier certains types de tumeurs dont la température est supérieure à celle des tissus environnants.

Lumière visible

La lumière visible forme une grande partie du spectre émis par le soleil, auquel la rétine réagit.

Rayons ultraviolets

Les rayons ultraviolets ont suffisamment d'énergie pour interagir de manière significative avec la matière, donc une exposition continue à ce rayonnement provoque un vieillissement prématuré et augmente le risque de développer un cancer de la peau.

Rays X et rayons gamma

Les rayons X et les rayons gamma ont encore plus d'énergie et donc ils sont capables de pénétrer les tissus mous, donc presque à partir du moment même de leur découverte, ils ont été utilisés pour diagnostiquer les fractures et examiner l'intérieur du corps dans la recherche d'une maladie.

Les rayons X et les rayons gamma sont utilisés non seulement comme outil de diagnostic, mais comme un outil thérapeutique pour la destruction tumorale.

Les références

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2. Rex, un. (2011). Fondamentaux de la physique. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Physique universitaire avec physique moderne. 14 e édition. Pearson. 1053 - 1057.