विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा: सूत्र, समीकरण, उपयोग, उदाहरण - शारीरिक - 2025

विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा एक है कि विद्युत चुम्बकीय तरंगों (EM) के माध्यम से फैलता है। इसके उदाहरण सौर प्रकाश हैं जो ऊष्मा विकीर्ण करते हैं, विद्युत प्रवाह से निकलने वाली एक्स और एक्स-रे का उत्पादन करने वाली विद्युत धारा।

ध्वनि तरंगों की तरह जब वे ईयरड्रैम को कंपन करते हैं, तो विद्युत चुम्बकीय तरंगें ऊर्जा को स्थानांतरित करने में सक्षम होती हैं जो बाद में गर्मी, विद्युत धाराओं या विभिन्न संकेतों में परिवर्तित हो सकती हैं।

चित्र 1. दूरसंचार में एंटेना आवश्यक हैं। वे जिन संकेतों के साथ काम करते हैं, उनमें विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा होती है। स्रोत: पिक्साबे

विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा एक भौतिक माध्यम और एक निर्वात में दोनों का प्रचार करती है, हमेशा एक अनुप्रस्थ तरंग के रूप में और इसका उपयोग करना कुछ नया नहीं होता है। सूर्य का प्रकाश विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का सबसे पुराना स्रोत है और सबसे पुराना ज्ञात है, लेकिन बिजली का उपयोग करना कुछ और है।

यह केवल 1891 में एडिसन कंपनी ने वाशिंगटन डीसी में व्हाइट हाउस में पहली विद्युत स्थापना के संचालन के लिए किया था। और वह गैस-आधारित रोशनी के पूरक के रूप में, जो उस समय उपयोग किए गए थे, क्योंकि पहले तो उनके उपयोग के बारे में बहुत संदेह था।

सच्चाई यह है कि सबसे दूरस्थ स्थानों और बिजली की लाइनों की कमी के बावजूद, अंतरिक्ष से लगातार आने वाली विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा ब्रह्मांड में अपने घर को हम क्या कहते हैं की गतिशीलता को बनाए रखना जारी रखती है।

सूत्र और समीकरण

विद्युत चुम्बकीय तरंगें अनुप्रस्थ तरंगें होती हैं, जिसमें विद्युत क्षेत्र E और चुंबकीय क्षेत्र B एक-दूसरे के लंबवत होते हैं, और लहर के प्रसार की दिशा खेतों के लिए लंबवत होती है।

सभी तरंगों की विशेषता उनकी आवृत्ति है। यह ईएम तरंगों की आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला है, जो उन्हें अपनी ऊर्जा को बदलने पर बहुमुखी प्रतिभा प्रदान करती है, जो आवृत्ति के लिए आनुपातिक है।

चित्र 2 विद्युत चुम्बकीय तरंग को दर्शाता है, इसमें विद्युत क्षेत्र E नीले आकाश में नीले दोलनों में दिखाई देता है, लाल रंग में चुंबकीय क्षेत्र B, xy विमान में ऐसा करता है, जबकि तरंग की गति अक्ष के साथ निर्देशित होती है दिखाए गए समन्वय प्रणाली के अनुसार + y।

चित्रा 2. एक सतह पर एक विद्युत चुम्बकीय तरंग घटना पॉइनेटिंग वेक्टर के अनुसार ऊर्जा वितरित करती है। स्रोत: एफ। ज़पाटा

यदि किसी सतह को दोनों तरंगों के मार्ग में आपस में जोड़ा जाता है, तो क्षेत्र A और मोटाई डाई का एक विमान कहें, जैसे कि यह तरंग की गति के लंबवत है, प्रति इकाई क्षेत्र में विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का प्रवाह, जिसे निरूपित S कहा जाता है , के माध्यम से वर्णित किया गया है। Poynting वेक्टर से:

यह जांचना आसान है कि एस की इकाइयाँ अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में वाट / एम ^{2 हैं} ।

अभी और भी बहुत कुछ है। E और B फ़ील्ड के परिमाण प्रकाश c की गति से एक दूसरे से संबंधित हैं। वास्तव में, निर्वात में विद्युत चुम्बकीय तरंगें तेजी से फैलती हैं। यह रिश्ता है:

इस संबंध को एस में हम प्राप्त करते हैं:

पोयनेटिंग वेक्टर एक साइनसॉइडल तरीके से समय के साथ बदलता रहता है, इसलिए उपरोक्त अभिव्यक्ति इसका अधिकतम मूल्य है, क्योंकि विद्युत चुम्बकीय तरंग द्वारा वितरित ऊर्जा भी दोलन करती है, जैसा कि खेतों को करते हैं। बेशक, दोलन की आवृत्ति बहुत बड़ी है, इसलिए दृश्यमान प्रकाश में इसका पता लगाना संभव नहीं है, उदाहरण के लिए।

अनुप्रयोग

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक एनर्जी के लिए हमने पहले ही जिन कई उपयोगों का उल्लेख किया है, उनमें से दो का उल्लेख यहां कई अनुप्रयोगों में लगातार किया जाता है:

डिपोल एंटीना

एंटीना हर जगह विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ जगह भर रहे हैं। उदाहरण के लिए, विद्युत तरंगों को रेडियो तरंगों या माइक्रोवेव में परिवर्तित करने वाले ट्रांसमीटर होते हैं। और रिसीवर हैं, जो रिवर्स काम करते हैं: वे तरंगों को इकट्ठा करते हैं और उन्हें विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं।

आइए देखें कि विद्युत द्विध्रुवीय संकेत कैसे बनाया जाए जो अंतरिक्ष में फैलता है, एक इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय से। डिपोल में समान दूरी और विपरीत संकेतों के दो विद्युत आवेश होते हैं, जिन्हें एक छोटी दूरी द्वारा अलग किया जाता है।

निम्नलिखित आकृति में विद्युत क्षेत्र E है जब आवेश + ऊपर (बायां आंकड़ा) है। ई बिंदु पर दिखाया गया है।

चित्रा 3. दो अलग-अलग पदों में एक द्विध्रुवीय का विद्युत क्षेत्र। स्रोत: रान्डेल नाइट वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए भौतिकी।

आकृति 3 सही में, द्विध्रुवीय स्थिति बदल गई और अब E संकेत कर रहा है। चलो इस बदलाव को कई बार दोहराते हैं और बहुत जल्दी, आवृत्ति f के साथ कहते हैं। इस तरह, एक क्षेत्र ई चर समय में बनाया जाता है, एक चुंबकीय क्षेत्र बी को भी जन्म देता है, चर और जिसका आकार साइनसोइडल है (देखें आंकड़ा 4 और उदाहरण 1 नीचे)।

और जैसा कि फैराडे का नियम यह सुनिश्चित करता है कि एक समय-भिन्न चुंबकीय क्षेत्र B एक विद्युत क्षेत्र को जन्म देता है, यह पता चलता है कि द्विध्रुव को दोलन करके, पहले से ही एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र है जो माध्यम में प्रचार करने में सक्षम है।

चित्रा 4. एक द्विध्रुवीय एंटीना एक संकेत उत्पन्न करता है जो विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा वहन करता है। स्रोत: एफ। ज़पाटा

ध्यान दें कि बी अंक स्क्रीन के अंदर या बाहर (यह हमेशा ई के लंबवत होता है)।

विद्युत क्षेत्र ऊर्जा: संधारित्र

कैपेसिटर में विद्युत चार्ज और इसलिए विद्युत ऊर्जा के भंडारण का गुण होता है। वे कई उपकरणों का हिस्सा हैं: मोटर्स, रेडियो और टेलीविजन सर्किट, कार प्रकाश व्यवस्था और बहुत कुछ।

कैपेसिटर में दो कंडक्टर होते हैं जो एक छोटी दूरी से अलग होते हैं। प्रत्येक को समान परिमाण और विपरीत संकेत का प्रभार दिया जाता है, इस प्रकार दोनों कंडक्टरों के बीच के अंतरिक्ष में एक विद्युत क्षेत्र का निर्माण होता है। ज्यामिति अलग-अलग हो सकती है, जो फ्लैट-समांतर प्लेट कंडेनसर के रूप में जाना जाता है।

एक संधारित्र में संग्रहीत ऊर्जा उस कार्य से आती है जो इसे चार्ज करने के लिए किया गया था, जिसने इसके अंदर विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए कार्य किया। प्लेटों के बीच एक ढांकता हुआ पदार्थ पेश करने से, संधारित्र की क्षमता बढ़ जाती है और इसलिए यह ऊर्जा को स्टोर कर सकता है।

क्षमता C का एक संधारित्र और शुरू में डिस्चार्ज हो जाता है, जो एक बैटरी द्वारा चार्ज किया जाता है जो एक वोल्टेज V की आपूर्ति करता है, जब तक एक चार्ज Q तक पहुंचने तक, एक ऊर्जा U देता है:

U = ½ (Q ² / C) = = QV = Q CV ²

चित्रा 5. एक फ्लैट समानांतर प्लेट संधारित्र विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा संग्रहीत करता है। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स Geek3।

उदाहरण

उदाहरण 1: एक विद्युत चुम्बकीय तरंग की तीव्रता

पहले, यह कहा गया था कि पोयनेटिंग वेक्टर का परिमाण उस शक्ति के बराबर है जो तरंग प्रत्येक वर्ग मीटर सतह के लिए वितरित करती है, और वह भी, जैसा कि वेक्टर समय पर निर्भर है, इसका मान अधिकतम S = = = तक दोलन हो जाता है 1 / μ _या.सी) ई ² ।

लहर के एक चक्र में S का औसत मूल्य तरंग की ऊर्जा को मापने और संकेत करने में आसान है। इस मान को तरंग की तीव्रता के रूप में जाना जाता है और इसकी गणना इस प्रकार की जाती है:

विद्युत चुम्बकीय तरंग एक साइन फंक्शन द्वारा दर्शायी जाती है:

जहाँ E _o तरंग का आयाम है, k तरंग संख्या और ang कोणीय आवृत्ति। इसलिए:

चित्रा 5. ऐन्टेना एक गोलाकार आकार में संकेत विकिरण करता है। स्रोत: एफ। ज़पाटा

उदाहरण 2: एक ट्रांसमिटिंग एंटीना के लिए आवेदन

एक रेडियो स्टेशन है जो 10 kW की शक्ति का संकेत देता है और 100 MHz की आवृत्ति, जो एक गोलाकार तरीके से फैलता है, जैसा कि ऊपर की आकृति में है।

पता लगाएं: ए) एंटीना और बी से 1 किमी की दूरी पर स्थित बिंदु पर विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र का आयाम) कुल विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा जो 5 मिनट की अवधि में 10 सेमी के वर्ग शीट पर आती है।

डेटा हैं:

का हल

उदाहरण 1 में दिए गए समीकरण का उपयोग विद्युत चुम्बकीय तरंग की तीव्रता का पता लगाने के लिए किया जाता है, लेकिन पहले मानों को अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में व्यक्त किया जाना चाहिए:

इन मानों को तीव्रता के लिए समीकरण में तुरंत प्रतिस्थापित किया जाता है, क्योंकि यह एक ऐसा स्रोत है जो हर जगह समान है (आइसोट्रोप स्रोत):

पहले यह कहा गया था कि E और B के परिमाण प्रकाश की गति से संबंधित हैं:

बी = (0.775 / 300.000.000) टी = 2.58 x 10 ^-9 टी

समाधान b

एस का _मतलब है प्रति इकाई क्षेत्र की शक्ति और बदले में प्रति इकाई समय के लिए ऊर्जा ऊर्जा है। गुणा _मतलब एस थाली के और जोखिम समय से क्षेत्र द्वारा, का अनुरोध परिणाम प्राप्त किया जाता है:

यू = 0.775 x 300 x 0.01 जूल = 2.325 जूल।

संदर्भ

1. फिगेरोआ, डी। (2005)। श्रृंखला: विज्ञान और इंजीनियरिंग के लिए भौतिकी। आयतन 6. विद्युत चुंबकत्व। डगलस फिगेरोआ (USB) द्वारा संपादित। 307-314।
2. आईसीईएस (अंतर्राष्ट्रीय विद्युत सुरक्षा समिति)। विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा तथ्य, और एक गुणात्मक दृश्य। से लिया गया: ices-emfsafety.org
3. नाइट, आर। 2017. फिजिक्स फॉर साइंटिस्ट्स एंड इंजीनियरिंग: एक रणनीति दृष्टिकोण। पियर्सन। 893-896।
4. पोर्टलैंड स्टेट यूनिवर्सिटी। ईएम तरंगें ऊर्जा का परिवहन करती हैं। से लिया गया: pdx.edu
5. विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा क्या है और यह महत्वपूर्ण क्यों है? से पुनर्प्राप्त: Sciencestruck.com।