พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า: สูตรสมการการใช้งานตัวอย่าง - กายภาพ - 2026

พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งหนึ่งที่แพร่กระจายผ่านทางคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) ตัวอย่างเช่นแสงจากแสงอาทิตย์ที่แผ่ความร้อนกระแสไฟฟ้าที่สกัดจากเต้าเสียบและรังสีเอกซ์เพื่อผลิตรังสีเอกซ์

เช่นเดียวกับคลื่นเสียงเมื่อแก้วหูสั่นสะเทือนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถ่ายโอนพลังงานที่สามารถเปลี่ยนเป็นความร้อนกระแสไฟฟ้าหรือสัญญาณต่างๆได้ในภายหลัง

รูปที่ 1. เสาอากาศเป็นสิ่งที่จำเป็นในการสื่อสารโทรคมนาคม สัญญาณที่พวกมันทำงานมีพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา: Pixabay

พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายทั้งในสื่อวัสดุและในสุญญากาศในรูปของคลื่นตามขวางเสมอและการใช้ประโยชน์จากมันไม่ใช่เรื่องใหม่ แสงแดดเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่เก่าแก่ที่สุดและเป็นที่รู้จักกันดีที่สุด แต่การใช้ไฟฟ้านั้นค่อนข้างใหม่กว่า

ในปีพ. ศ. 2434 บริษัท เอดิสันเริ่มดำเนินการติดตั้งระบบไฟฟ้าครั้งแรกในทำเนียบขาวในวอชิงตัน ดี.ซี. และนั่นเป็นส่วนเสริมของไฟที่ใช้แก๊สที่ใช้ในเวลานั้นเนื่องจากในตอนแรกมีความสงสัยเกี่ยวกับการใช้งานเป็นอย่างมาก

ความจริงก็คือแม้จะอยู่ในสถานที่ห่างไกลที่สุดและไม่มีสายไฟพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากอวกาศอย่างต่อเนื่องยังคงรักษาพลวัตของสิ่งที่เราเรียกว่าบ้านของเราในจักรวาล

สูตรและสมการ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวางซึ่งสนามไฟฟ้าEและสนามแม่เหล็กBตั้งฉากกันและทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นจะตั้งฉากกับสนาม

คลื่นทั้งหมดมีลักษณะความถี่ เป็นช่วงความถี่กว้างของคลื่น EM ซึ่งทำให้พวกเขามีความคล่องตัวในการเปลี่ยนพลังงานซึ่งเป็นสัดส่วนกับความถี่

รูปที่ 2 แสดงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในนั้นสนามไฟฟ้าE เป็นสีน้ำเงินจะแกว่งในระนาบ zy สนามแม่เหล็กB เป็นสีแดงจะทำเช่นนั้นในระนาบ xy ในขณะที่ความเร็วของคลื่นถูกส่งไปตามแกน + y ตามระบบพิกัดที่แสดง

รูปที่ 2. เหตุการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนพื้นผิวให้พลังงานตามเวกเตอร์ Poynting ที่มา: F. Zapata

หากพื้นผิวถูกแทรกในเส้นทางของคลื่นทั้งสองให้พูดว่าระนาบของพื้นที่ A และความหนาของสีย้อมเช่นนั้นตั้งฉากกับความเร็วของคลื่นฟลักซ์ของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยซึ่งแสดงเป็นSจะถูกอธิบายผ่าน จากเวกเตอร์ Poynting:

ง่ายต่อการตรวจสอบว่าหน่วยของ S คือวัตต์ / เมตร²ในระบบสากล

ยังมีอีก ขนาดของช่องEและBมีความสัมพันธ์กันโดยความเร็วแสง c ในความเป็นจริงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสุญญากาศแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว ความสัมพันธ์นี้คือ:

การแทนที่ความสัมพันธ์นี้ใน S เราได้รับ:

เวกเตอร์ Poynting แตกต่างกันไปตามเวลาในรูปแบบไซน์ดังนั้นนิพจน์ข้างต้นจึงเป็นค่าสูงสุดเนื่องจากพลังงานที่ส่งโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะแกว่งเช่นเดียวกับฟิลด์ แน่นอนว่าความถี่ของการสั่นนั้นมีขนาดใหญ่มากดังนั้นจึงไม่สามารถตรวจจับได้ในแสงที่มองเห็นได้เป็นต้น

การประยุกต์ใช้งาน

ในบรรดาการใช้งานมากมายที่เราได้กล่าวไปแล้วพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ามีการกล่าวถึงสองอย่างที่ใช้อย่างต่อเนื่องในการใช้งานจำนวนมาก:

เสาอากาศไดโพล

เสาอากาศมีอยู่ทุกหนทุกแห่งที่เติมพื้นที่ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีเครื่องส่งสัญญาณซึ่งเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นวิทยุหรือไมโครเวฟเป็นต้น และมีเครื่องรับซึ่งทำงานย้อนกลับ: พวกมันรวบรวมคลื่นและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

มาดูวิธีสร้างสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายไปในอวกาศจากไดโพลไฟฟ้า ไดโพลประกอบด้วยประจุไฟฟ้าสองตัวที่มีขนาดเท่ากันและเครื่องหมายตรงข้ามคั่นด้วยระยะทางเล็กน้อย

ในรูปต่อไปนี้คือสนามไฟฟ้าEเมื่อประจุ + อยู่เหนือ (รูปซ้าย) Eชี้ลงที่จุดที่แสดง

รูปที่ 3. สนามไฟฟ้าของไดโพลในสองตำแหน่งที่ต่างกัน ที่มา: Randall Knight ฟิสิกส์สำหรับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร

ในรูปที่ 3 ทางขวาไดโพลเปลี่ยนตำแหน่งและตอนนี้Eชี้ขึ้น ลองทำซ้ำการเปลี่ยนแปลงนี้หลาย ๆ ครั้งและเร็วมากพูดด้วยความถี่ f ดังนั้นตัวแปรของสนามEในเวลาจึงถูกสร้างขึ้นทำให้เกิดสนามแม่เหล็กBซึ่งแปรผันด้วยและมีรูปร่างเป็นไซน์ (ดูรูปที่ 4 และตัวอย่างที่ 1 ด้านล่าง)

และตามที่กฎของฟาราเดย์ทำให้แน่ใจว่าสนามแม่เหล็กB ที่แปรผันตามเวลาก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าปรากฎว่าการสั่นไดโพลทำให้มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถแพร่กระจายในตัวกลางได้แล้ว

รูปที่ 4. เสาอากาศไดโพลสร้างสัญญาณที่มีพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา: F. Zapata

สังเกตว่าจุดBเข้าหรือออกจากหน้าจอสลับกัน (ตั้งฉากกับEเสมอ)

พลังงานสนามไฟฟ้า: ตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุมีคุณสมบัติในการจัดเก็บประจุไฟฟ้าและดังนั้นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ต่างๆไม่ว่าจะเป็นมอเตอร์วงจรวิทยุและโทรทัศน์ระบบไฟรถยนต์และอื่น ๆ อีกมากมาย

ตัวเก็บประจุประกอบด้วยตัวนำสองตัวที่คั่นด้วยระยะทางเล็กน้อย แต่ละตัวจะได้รับประจุที่มีขนาดเท่ากันและมีเครื่องหมายตรงข้ามกันจึงสร้างสนามไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างตัวนำทั้งสอง รูปทรงเรขาคณิตอาจแตกต่างกันไปซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีของคอนเดนเซอร์แผ่นแบนขนาน

พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุมาจากงานที่ทำเพื่อชาร์จซึ่งทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าภายในตัวมัน การแนะนำวัสดุอิเล็กทริกระหว่างแผ่นความจุของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นและทำให้พลังงานสามารถเก็บได้

ตัวเก็บประจุที่มีความจุ C และปล่อยออกมาในตอนแรกซึ่งชาร์จโดยแบตเตอรี่ที่จ่ายแรงดันไฟฟ้า V จนกระทั่งถึงประจุ Q เก็บพลังงาน U ที่กำหนดโดย:

U = ½ (Q ² / C) = ½ QV = ½ CV ²

รูปที่ 5. ตัวเก็บประจุแบบแผ่นขนานแบนเก็บพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มา: Wikimedia Commons Geek3

ตัวอย่าง

ตัวอย่างที่ 1: ความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ก่อนหน้านี้มีการกล่าวกันว่าขนาดของเวกเตอร์ Poynting นั้นเทียบเท่ากับกำลังที่คลื่นส่งให้กับพื้นผิวแต่ละตารางเมตรและเนื่องจากเวกเตอร์ขึ้นอยู่กับเวลาค่าของมันจะแกว่งได้สูงสุด S = S = ( 1 / μ _หรือ . c) E ² .

ค่าเฉลี่ยของ S ในหนึ่งรอบของคลื่นนั้นง่ายต่อการวัดและบ่งบอกถึงพลังงานของคลื่น ค่านี้เรียกว่าความเข้มของคลื่นและคำนวณด้วยวิธีนี้:

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงโดยฟังก์ชันไซน์:

โดยที่ E _oคือแอมพลิจูดของคลื่น k จำนวนคลื่นและωความถี่เชิงมุม ดังนั้น:

รูปที่ 5. เสาอากาศแผ่สัญญาณเป็นรูปทรงกลม ที่มา: F. Zapata

ตัวอย่างที่ 2: การประยุกต์ใช้กับเสาอากาศส่งสัญญาณ

มีสถานีวิทยุที่ส่งสัญญาณกำลังไฟ 10 กิโลวัตต์และความถี่ 100 เมกะเฮิรตซ์ซึ่งแพร่กระจายในลักษณะทรงกลมดังในรูปด้านบน

ค้นหา: a) แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ณ จุดที่อยู่ห่างจากเสาอากาศ 1 กม. และ b) พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกลงบนแผ่นสี่เหลี่ยมด้านข้าง 10 ซม. ในช่วงเวลา 5 นาที

ข้อมูลคือ:

วิธีแก้ปัญหา

สมการที่ให้ไว้ในตัวอย่างที่ 1 ใช้เพื่อหาความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ก่อนอื่นต้องแสดงค่าในระบบสากล:

ค่าเหล่านี้จะถูกแทนที่ทันทีในสมการสำหรับความเข้มเนื่องจากเป็นแหล่งที่ปล่อยออกมาเหมือนกันทุกที่ (แหล่งไอโซทรอปิก):

ก่อนหน้านี้มีการกล่าวกันว่าขนาดของEและBสัมพันธ์กันโดยความเร็วแสง:

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

แนวทางแก้ไข b

S _{หมายถึง}กำลังต่อหน่วยพื้นที่และในทางกลับกันพลังงานคือพลังงานต่อหน่วยเวลา การคูณ_{ค่าเฉลี่ย} S ด้วยพื้นที่ของแผ่นและตามเวลาการเปิดรับแสงจะได้ผลลัพธ์ที่ร้องขอ:

U = 0.775 x 300 x 0.01 จูล = 2.325 จูล

อ้างอิง

1. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 6. แม่เหล็กไฟฟ้า. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB) 307-314
2. ICES (International Committee on Electromagnetic Safety) ข้อมูลพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและมุมมองเชิงคุณภาพ สืบค้นจาก: ices-emfsafety.org.
3. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน 893-896
4. มหาวิทยาลัยแห่งรัฐพอร์ตแลนด์ คลื่น EM ขนส่งพลังงาน ดึงมาจาก: pdx.edu
5. พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไรและทำไมจึงสำคัญ?. สืบค้นจาก: sciencestruck.com.