Elektromagnetizam

Elektricitet ? Magnetizam Elektrostatika Elektri?ni naboj ? Coulombov zakon ? Elektri?no polje ? Elektri?ni tok ? Gaussov zakon ? Elektri?ni potencijal ? Elektrostatska indukcija ? Elektri?ni dipolni moment ? Gusto?a polarizacije Magnetostatika Ampereov zakon ? Elektri?na struja ? Magnetsko polje ? Magnetizacija ? Magnetski tok ? Biot?Savartov zakon ? Magnetski dipolni moment ? Gaussov zakon za magnetizam Elektrodinamika Zrakoprazan prostor ? Lorentzov zakon ? ems ? Elektromagnetska indukcija ? Faradayev zakon ? Lenzov zakon ? Struja pomaka ? Maxwellove jednad?be ? EM polje ? Elektromagnetsko zra?enje ? Lienard-Wiechertov potencijal ? Maxwellov tenzor ? Vrtlo?ne struje Elektri?na mre?a Elektri?na vodljivost ? Elektri?ni otpor ? Elektri?ni kapacitet ? Elektri?ni induktivitet ? Impedancija ? Rezonantne ?upljine ? Vodi?i valova Kovarijantna formulacija Elektromagnetski tenzor ? EM Stres-energijski tenzor ? ?etvero-struja ? Elektromagnetski ?etvero-potencijal Znanstvenici Ampere ? Coulomb ? Faraday ? Gauss ? Heaviside ? Henry ? Hertz ? Lorentz ? Maxwell ? Tesla ? Volta ? Weber ? Ørsted

Elektromagnetsko zra?enje predstavlja elektromagnetske valove svih valnih duljina : infracrveno , ultraljubi?asto , rendgensko i gama-zra?enje . ^[1] Sva ugrijana fizikalna tijela zra?e elektromagnetske valove. Svako tijelo se sastoji od atoma . Prilikom grijanja nekog tijela, u njega se ula?e energija i atomi po?inju titrati jer prelaze u pobuđena stanja ( energija im se pove?ava). Jezgre atoma nose elektri?ne naboje , pa tako pri titranju atoma dolazi zapravo do titranja elektri?nih naboja. U to?kama prostora oko elektri?nog naboja uvijek postoji elektri?no polje , a ako se elektri?ni naboj giba, onda postoji jo? i magnetsko polje . Time, elektri?ni naboj koji titra predstavlja izvor elektromagnetskog vala.

Elektromagnetski valovi [ uredi | uredi kod ]

Elektromagnetski valovi predstavljaju ?irenje elektromagnetskoga polja . Elektri?ki nabijena tijela proizvode u svom okoli?u elektri?no polje , a elektri?na struja u elektri?nim vodi?ima proizvodi u svojoj okolini magnetsko polje . Međutim, ako se u strujnom krugu bilo kako mijenjaju elektri?ni napon ili struja, pojavljuju se elektromagnetski valovi, koji se ?ire u prostor. ^[2]

Sredinom 19. stolje?a veliki izazov bio je poznat kao svjetlost , magnetizam i elektricitet . Stolje?a ranije T. Young je izmjerio valnu duljinu svjetlosti, William Gilbert je otkrio polaritet magneta i brojni istra?iva?i su eksperimentirali s novim otkri?em ? elektricitetom . J. C. Maxwell je 1865. napravio teoretski opis elektromagnetskih valova, ali se nije znalo kako ih proizvesti, iako je prema Maxwellu to trebalo biti mogu?e posti?i titranjem elektri?ne struje .

J. C. Maxwell utvrdio je da postoji uzajamno djelovanje između elektri?nog i magnetskog polja. Promjenljivo magnetsko polje proizvodi elektri?no, a promjenljivo elektri?no polje ? magnetsko. Proces uzajamnoga proizvođenja elektri?nog i magnetskog polja ?iri se po prostoru kona?nom brzinom , koja je jednaka brzini svjetlosti . ?irenje toga procesa naziva se elektromagnetski val u naj?irem smislu. Ako elektri?nim vodi?em protje?e elektri?na struja koja se vremenski mijenja harmoni?ki određenom frekvencijom , elektromagnetsko je polje sinusno promjenljivo s istom frekvencijom, a u prostoru se dobiva valni u?inak. To je elektromagnetski val u u?em smislu. Tek je dvadeset godina kasnije H. R. Hertz pokusom uspio pokazati povezanost elektromagnetskih valova sa svjetlo??u. Taj pokus je puno pomogao u razumijevanju elektromagnetskog spektra , dokaz da se valovi mogu stvoriti i ?iriti kroz prostor.

Ako se valni u?inak ?iri brzinom v , a polje se mijenja frekvencijom f , odgovaraju?a duljina vala λ iznosi:

${\displaystyle \lambda ={\frac {v}{f}}}$

Sredstvo koje ispunjava prostor sudjeluje aktivno u ?irenju elektromagnetskih valova. Ono se opire prodiranju vala. Zato se val u sredstvu ?iri manjom brzinom nego u praznom prostoru. Ako je brzina elektromagnetskoga vala u vakuumu c ₀ , a u prostoru ispunjenom nekim sredstvom c , njihov omjer:

${\displaystyle n={\frac {c_{0}}{c}}}$

određuje indeks loma . Ako je sredstvo u prostoru elektri?ki vodljivo , u njemu pod utjecajem elektromagnetskih valova nastaju elektri?ne struje. Val gubi na energiji i prigu?uje se. Nastale elektri?ne struje proizvedu sa svoje strane valove te nastaje zbirni valni u?inak, koji se ?iri manjom brzinom nego u sredstvu bez gubitaka. U vodljivim sredstvima mora se razlikovati brzina ?irenja procesa stvaranja vala ili brzina ?ela vala (grupna brzina) od brzine valnog u?inka (fazna brzina). ?elo vala ?iri se uvijek brzinom svjetlosti, a fazna je brzina manja ako sredstvo tro?i energiju vala. ?im sredstvo tro?i energiju vala, val se pri prodiranju u vodljivo sredstvo prigu?uje i njegove amplitude padaju. Udaljenost na kojoj se one smanje na 37% svojega prvotnog iznosa zove se dubina prodiranja vala. Ona ovisi o elektri?nim i magnetskim svojstvima sredstva i o frekvenciji. Dubina prodiranja televizijskoga vala u morskoj vodi iznosi tek nekoliko centimetara. Kada val dođe na granicu između dvaju sredstava, drugo se sredstvo opire njegovu prodiranju. Val se jednim dijelom reflektira natrag u prvo sredstvo, a drugi dio nastavlja ?irenje u drugom sredstvu. Val ostvaruje tlak na drugo sredstvo. Tlak je vrlo malen jer je gusto?a energije koju val prenosi vrlo malena. Na elektri?ki vodljivim plohama događa se totalna refleksija vala. Svojstvo refleksije vala iskori?tava se u izradbi valnih reflektora , a na njemu se osniva i rad radara . Elektri?ni vodi?i tro?e energiju elektromagnetskoga vala. Val gubi na energiji ?ire?i se niz vodljivu plohu, on se prigu?uje kao u sredstvu s gubitcima. Struje proizvedene u vodljivoj plohi sile val da se ?iri niz plohu. Takav je slu?aj u vodova za prijenos elektri?ne energije . Valovi se na vodovima ?ire po njihovoj duljini također brzinom svjetlosti. Harmoni?kim se valovima pripisuje duljina vala određena kao prije u prostornih valova. Razmak među vodi?ima voda mora biti mnogo puta manji od duljine vala. Tada vod emitira u prostor tek zanemariv iznos svoje energije koju prenosi. Visokofrekventna elektri?na energija prenosi se vodovima sve dok mo?e biti zadovoljen spomenuti zahtjev. U podru?ju vrlo visokih frekvencija, odnosno vrlo malih duljina vala, primjenjuju se za prijenos takve elektri?ne energije cijevi vodljivih stijenki, valovodi . Uz harmoni?ke valove pojavljuju se kod svake promjene elektri?noga naboja ili elektri?ne struje valni impulsi. Atmosferska izbijanja izazivaju jake elektromagnetske valove. Sli?no djeluju i eksplozije na Suncu . Iskrenja u elektri?nim instalacijama proizvode također valne impulse, koji smetaju na primjer u radioprijamu . Elektromagnetski valovi iskori?tavaju se za prijenos razli?itih signala na daljinu. U emisijskim uređajima proizvode se promjenljive elektri?ne struje koje prolaze vodi?ima te tako stvaraju elektromagnetske valove. Prvi je Nikola Tesla primijenio antenu u emisijskom uređaju.

Maxwellove jednad?be [ uredi | uredi kod ]

Maxwell je u svojim jednad?bama elektromagnetske valove objasnio jednad?bama za elektri?na i magnetska polja . Prema tome elektromagnetski valovi nastaju zato ?to:

• promjenljivo magnetsko polje B stvara promjenljivo elektri?no polje E ,
• promjenljivo elektri?no polje E stvara promjenljivo magnetsko polje B

Na taj na?in iz Maxwellovih jednad?bi slijedi niz uzajamnih promjena elektri?nih polja koji se prostiru prostorom kao elektromagnetski valovi. Ti "lanci" elektri?nih i magnetskih polja mogu se odvojiti od elektri?nih naboja i struja te se slobodno ?iriti prostorom u obliku elektromagnetskih valova. Oni postoje i nakon ?to se ukloni njihov izvor. Polja su tada samostalna i mogu postojati i ?iriti se bez postojanja elektri?nih naboja i struja .

U Maxwellovim jednad?bama elektromagnetskog polja dolazi konstanta c s fizi?kim zna?enjem brzine . To?ni pokusi su pokazali da se ta elektrodinami?ka konstanta podudara s brzinom svjetlosti . Iz same elektrodinamike neprimjetno je rastao most prema optici . Ve? je M. Faraday tvrdio da se elektromagnetska djelovanja postupno ?ire prostorom . Promijeni li se elektromagnetsko polje na nekom mjestu, ta se promjena prenosi na bli?u okolinu, a iz te neposredne okoline sve se dalje ?iri prostorom. Ako se elektri?ni kondenzator iznenada elektri?ki nabije, između njegovih plo?a nastaje elektri?no polje. Nastajanje elektri?nog polja pra?eno je magnetskim vrtlogom . Postanak magnetskih silnica prouzrokuje opet nove elektri?ne silnice , koje ovijaju magnetske. Najedanput izazvana elektromagnetska promjena na jednom mjestu postupno se ?iri prostorom. Maxwell je iz svojih jednad?bi izveo da se te promjene u obliku valova ?ire s brzinom c kroz prostor. To je bio po?etak elektromagnetske teorije svjetlosti . ^[3]

Hertzovi pokusi [ uredi | uredi kod ]

J. C. Mexwell je svojom teorijim na?ao da se elektromagnetski valovi ?ire u vakuumu istom brzinom (300 000 km/s) kao i valovi svjetlosti i da imaju ista svojstva. Valjanost Maxwellove teorije potvrdio je svojim pokusima njema?ki fizi?ar H. R. Hertz 1888. Pri tom se Hertz slu?io aparatom za proizvodnju oscilacija koji se zove oscilator . Taj se oscilator sastoji od dviju metalnih ?ipki koje na svojim unutarnjim krajevima imaju metalne kuglice. Te su kuglice spojene s induktorom koji ih nabija. Kadgod između kuglica presko?i elektri?na iskra, nastaju elektri?ne oscilacije. U iskri?tu je elektri?na struja najja?a, a na krajevima ?ipki jednaka je nuli. Drugim rje?ima, u iskri?tu nastaju trbusi, a na krajevima ?ipki ?vorovi elektromagnetskog vala.

Za dokaz elektromagnetskih valova slu?i aparat koji se zove rezonator . Taj se rezonator sastoji također od dvije ravne ?ipke na ?ijim se unutarnjim krajevima nalaze kuglice. Da bi rezonator prilagodio na rezonanciju , Hertz je mijenjao njegov elektri?ni kapacitet tako da je produljivao ili skra?ivao duljinu ?ipki. Kada je rezonator u rezonanciji s oscilatorom i ako je s njime paralelan, između kuglica rezonatora preskakat ?e elektri?na iskra. Budu?i da se elektri?na iskra slabo vidi, rezonator se ve?e za drugi aparat koji se zove koherer , a s njime je zajedno u spoju elektri?no zvonce i galvanska baterija . ^[4]

Iskra koja ska?e između metalnih kugala predstavlja brzu izmjeni?nu struju . Po Maxwellovoj teoriji takvo se periodi?no titranje elektri?nog naboja mora o?itovati u periodi?nom titranju elektromagnetskog polja u prostoru oko kugala. Kako se mijenja elektri?na struja u Hertzovu oscilatoru, tako isto se mijenja i elektri?no i magnetsko polje. Kad struja te?e odozdo prema gore, tada magnetsko polje poput prstenova ovija struju slijeva prema desno; a kad struja te?e odozgo prema dolje, tada je magnetsko polje ovija zdesna prema lijevo. U svakom trenutku se u prostoru izmjeni?no redaju ista stanja elektromagnetskog polja. ?irenje elektromagnetskog polja nalikuje na kuglasti val, koji ima izvore u titranjima iskre.

Velika je zasluga H. Hertza ?to je pokusima dokazao postojanje Maxwellovih valova. Ako u prostoru oko izmjeni?ne struje doista titraju elektri?na i magnetska polja, tada ta titranja elektromagnetskog polja moraju proizvesti sli?ne izmjeni?ne struje u ?icama ili periodi?ne iskre u rezonatorima . U Hertzovim rezonatorima pojavila su se titranja iskre u istom ritmu kako je skakala iskra u emisionom oscilatoru. Time je Hertz nedvojbeno utvrdio da elektromagnetsko polje oko izmjeni?ne struje titra isto tako kao i sama struja.

Hertzovi elektromagnetski valovi imaju valne duljine od nekoliko centimetara. Na takvim valovima lijepo su se mogla prou?avati valna svojstva. Hertz je opazio da se elektromagnetski valovi na metalnim plo?ama reflektiraju to?no po zakonima valne refleksije. Zakrivljenim metalnim plo?ama Hertz je mogao elektromagnetski val fokusirati u to?kama koje su odgovarale ?ari?tima svjetlosnih zraka. Također su elektromagnetski valovi pokazivali iste interferentne i ogibne pojave kao i ostala valna gibanja. Elektromagnetski valovi "zakre?u oko ugla", oni se među sobom poja?avaju i oslabljuju. Pri prolazu u novo sredstvo elektromagnetski valovi se djelomi?no lome, a djelomi?no reflektiraju. Prema tim svojstvenim osobinama ne mo?e biti sumnje o valnoj prirodi elektromagnetskih ?irenja.

Savr?eno slaganje između svjetlosnih i elektromagnetskih valova je Maxwellovu hipotezu u?inilo osnovom moderne fizike. Svjetlost je elektromagnetska pojava. Ovim stapanjem optike s dinamikom elektri?nih i magnetskih polja bio je okrunjen sna?an uspon znanosti o elektricitetu .

Razlike između elektromagnetskih valova osnovane su veli?inom valnih duljina. Valne duljine Hertzovih elektromagnetskih valova bile su oko milijun puta ve?e od valnih duljina svjetlosti. Tako velike razlike uzrokuju i sasvim razli?ito pona?anje u uzajamnom djelovanju s materijom. Elektromagnetski valovi rasprostiru se u golemom rasponu valnih duljina. Prema njihovim valnim duljinama dijelimo ih na radio valove , infracrvenu , vidljivu i ultraljubi?astu svjetlost , rendgenske zrake i gama zrake .

Svojstva elektromagnetskih valova [ uredi | uredi kod ]

Elektromagnetski valovi imaju ?etiri va?na svojstva:

1. Za razliku od ostalih valova koji se ?ire nekim sredstvom, elektromagnetski se valovi mogu ?iriti vakuumom .
2. Titraju?a elektri?na i magnetska polja u linearno polariziranom elektromagnetskom valu su u fazi .
3. Smjerovi elektri?noga i magnetskog polja u elektromagnetskom valu okomiti su jedan na drugi i oba su okomita na smjer ?irenja vala, ?to ih ?ini transverzalnim valovima .
4. Brzina elektromagnetskih valova ovisi samo o elektri?nim i magnetskim svojstvima medija kojim se ?ire, a ne ovise o amplitudi elektromagnetskog polja.

Za razliku od ve?ine ostalih valova, za ?irenje elektromagnetskih valova nije potreban medij (na primjer zrak , voda , valovod i sli?no). Na putu kojem se elektromagnetski valovi ?ire ne trebaju titrati ?estice nekog medija, nego pri ?irenju elektromagnetskog vala titraju elektri?na i magnetska polja . Elektromagnetske valove stvaraju elektri?ni naboji koji se gibaju ubrzano (akcelerirano). Ako elektri?ni naboj titra, on emitira kontinuirani elektromagnetski val, a ako ima samo kratkotrajnu akceleraciju, tada emitira pulsni elektromagnetski val.

?irenje elektromagnetskih valova [ uredi | uredi kod ]

Iz antene isijava elektri?na energija u obliku elektri?nog polja . Primjer je dipol antena koja se sastoji od dviju jednakih duguh ?ica, priklju?enih na oba pola jednog iskri?ta . Znamo da se oko svakog nabijenog elektri?nog vodi?a javlja elektri?no polje , a oko svakog vodi?a kojim te?e struja javlja se magnetsko polje . Između kuglica iskri?ta postoji elektri?ni napon , a time i elektri?no polje. To se elektri?no polje nakon ?etvrtine perioda, kad presko?i elektri?na iskra, pretvara u magnetsko polje, pa se oko iskri?ta stvaraju magnetske silnice . U idu?oj ?etvrtini perioda dipol je ponovo nabijen, ali u protivnom smjeru, te elektri?no polje ima suprotan smjer. Kad se dipol izbije u idu?oj ?etvrtini perioda, stvara se ponovo magnetsko polje, ali suprotnoga smjera nego u drugoj ?etvrtini perioda. Pri tom se elektri?ne i magnetske silnice ?ire u prostor i odvajaju od dipola kao zatvoreni snopovi linija. Na taj na?in antena isijava (emitira) elektri?no i magnetsko polje u prostor u obliku valova koji se zovu zajedni?kim imenom elektromagnetski valovi.

?to je nosilac elektromagnetskih valova? [ uredi | uredi kod ]

Valovi svjetlosti i elektromagnetski valovi imaju ista osnovna svojstva i ?ire se istom brzinom ( brzina svjetlosti ). Između njih nema nikakve razlike u njihovim fizi?kim svojstvima, ve? se samo razlikuju u valnoj duljini, odnosno frekvenciji. Ogib , interferencija i polarizacija su pokazali da je svjetlost transverzalni val . Kod elektromagnetskog vala elektri?no titranje je okomito na magnetsko, pa se te dvije promjene ?ire u prostor okomito na smjer svoga kretanja. Prema tome je i elektromagnetski val također transverzalno titranje. Pokusi pokazuju da elektri?ne promjene u elektromagnetskom valu djeluju na fotografsku plo?u i na vidni ?ivac u na?em oku, pa imamo osjet svjetla. Sve nas to upu?uje na to da su vidljivi valovi svjetlosti, kao i infracrvene, ultraljubi?aste, rendgenske i gama zrake također elektromagnetski valovi, samo mnogo manje valne duljine. O valnoj duljini ovise njihova posebna svojstva. Svi valovi raspoređeni po svojoj valnoj duljini ?ine elektromagnetski spektar.

No sada se postavlja pitanje ?to je nosilac elektromagnetskih valova? Prije se smatralo da je nosilac tih valova neka hipoteti?na tvar, takozvani eter koji ispunjava ?itav svemir . No, dalji razvoj znanosti odbacio je potpuno tu hipotezu . Ta bi, naime, tvar morala imati ?udna svojstva, to jest ona bi morala biti savr?eno kruta, a ipak bi se kroz nju gibala sva nebeska tijela bez ikakvog otpora. Osim toga morala bi biti i savr?eno elasti?na . Danas se smatra da za elektromagnetske valove ne treba nikakav materijalni nosilac, i da su to samo periodi?ke promjene određenog fizi?kog stanja u prostoru. Njihov je nosilac sam prostor , u kome se te promjene zbivaju.

Spektar elektromagnetskog zra?enja
gama zra?enje | rendgensko zra?enje | ultraljubi?asto zra?enje | vidljivi dio spektra | infracrveno zra?enje | mikrovalno zra?enje | radiovalovi (od najmanje valne duljine do najve?e)
vidljivi dio spektra :	ljubi?asta | plava | zelena | ?uta | naran?asta | crvena
Boje
Boje ?esto kori?tene u informatici :	crvena | zelena | plava | tirkizna (cijan) | magenta | ru?i?asta | ?uta
primarne ⇔ sekundarne:	crvena | plava | ?uta | ⇔ | naran?asta | zelena | ljubi?asta
tople ⇔ hladne:	crvena | ?uta | naran?asta | ⇔ | plava | zelena | ljubi?asta
ostalo:	crna | bijela | siva

Izvori [ uredi | uredi kod ]

Vanjske poveznice [ uredi | uredi kod ]

Zajedni?ki poslu?itelj ima jo? gradiva o temi Elektromagnetsko zra?enje