Câmp electromagnetic

Un câmp electric variabil crează un curent de deplasare, care la rândul sau creează un câmp magnetic variabil. Un câmp magnetic variabil produce la rândul său un câmp electric variabil. De la fenomenul de inducţie electromagnetică se cunoaşte că un câmp magnetic variabil produce într-un circuit o tensiune electromotoare de inducţie. Generalizând aceste rezultate Maxwell ajunge la concluzia că: în toate punctele spaţiului unde există un câmp magnetic variabil în timp, apare un câmp electric indiferent dacă în locul respectiv există sau nu un conductor. Astfel spus, orice câmp magnetic variabil în timp este legat de prezenţa unui câmp electric. Spaţiul ocupat de un câmp electric variabil în timp este în acelaşi timp, ocupat de un câmp magnetic variabil în timp. Cele două câmpuri electric şimagnetic sunt legate între ele şi formează o unitate numită câmp electromagnetic.

Definiţie

Câmpul electromagnetic (EMF) este ansamblul câmpurilor electrice şi magnetice, care oscilează şi se genereaza reciproc la trecerea curentului electric printr-un conductor. Campul electromagnetic se propaga indefinit in spatiu si constituie una din fortele principale ale naturii. Campul electric este produs de un curent electric care traverseaza un conductor stationar, iar cel magnetic de un curent electric care traverseaza un conductor in miscare. In viziunea clasica, acest camp electromagnetic este un camp uniform si continuu, care se propaga sub forma de unde. In viziunea teoriei cuantice, campul electromagnetic este compus din particule.

Descrierea matematică

Campurile electric si magnetic sunt reprezentate prin campuri vectoriale tridimensionale. Aceste campuri vectoriale au cate o valoare definita in fiecare punct, valori care sunt functii ale coordonatelor de spatiu si timp. Astfel, ele sunt notate de obicei prin $\vec E(x, y, z, t) \!$ (campul electric) si $\vec B (x, y, z, t)$ (campul magnetic). Daca numai $\vec E\!$ este nenul si constant in timp, campul se numeste camp electrostatic. Daca numai $\vec B\!$ este nenul si constant in timp, campul se numeste camp magnetostatic. Daca unul din cele doua campuri este dependent de timp, atunci ambele campuri trebuie considerate ca un camp unitar (electromagnetic) descris de ecuaţiile lui Maxwell. In vid, aceste ecuatii vectoriale sunt:

$\nabla \cdot \vec E = \frac {\rho}{\varepsilon_0} \!$   (legea lui Gauss)

$\nabla \cdot \vec B = 0 \!$   (legea de magneti lui Gauss)

$\nabla \times \vec E = - \frac {\partial \vec B}{\partial t} \!$   (legea lui Faraday)

$\nabla \times \vec B = \mu_0 \vec J + \mu _0 \varepsilon_0 \frac {\partial \vec B}{\partial t} \!$   (legea Ampère-Maxwell)

unde $\rho\!$ este densitatea sarcinii, $\varepsilon_0 \!$ este permitivitatea spatiului vid, $\mu_0 \!$ este permeabilitatea spatiului vid si $\vec J \!$ este vectorul densitatii curentului. Intr-un material liniar, ecuatiile lui Maxwell se modifica prin inlocuirea permitivitatii si permeabilitatii spatiului vid cu cele ale materialului respectiv. Legea fortei Lorentz descrie interactiunea campului electromagnetic cu materia incarcata. Cand un camp circula prin mai multe medii, proprietatile campului se modifica in functie de diferitele conditii la frontiera mediilor. Componentele tangentiale ale campurilor electric si magnetic relativ la frontiera celor doua medii sunt:

$\vec E_1 = \vec E_2 \!$

$\vec H_1 = \vec H_2 \!$   (fără curent)

$\vec D_1 = \vec D2 \!$   (fără sarcină)

$\vec B_1 = \vec B_2 \!$

Unghiul de refractie a unui camp electric intre medii depinde de permitivitatea $\varepsilon\!$ a fiecarui mediu:

$\frac {\tan \theta_1}{\tan \theta_2} = \frac{\varepsilon_{r2}}{\varepsilon_{r1}} \!$

Unghiul de refractie a unui camp electric intre medii depinde de permeabilitatea (μ) fiecarui mediu:

$\frac {\tan \theta_1}{\tan \theta_2} = \frac{\mu_{r2}}{\mu_{r1}} \!$

Aplicaţii

Campul electromagnetic este un camp rotativ si se propaga sub forma de unde electromagnetice, cu o viteza care depinde de permitivitatea si permeabilitatea mediului. Frecventa undelor este egala cu frecventa cu care se deplaseaza electronii. Lungimile de unda ale undelor electromagnetice variaza intr-un interval foarte larg. Astfel, in telecomunicatii se folosesc unde electromagnetice ale caror lungimi de unda ajung la mai multe mii de metri, pe cand lungimile de unda ale radiatiilor gama emise de unele elemente radioactive au valori de ordinul $10^{-10} \!$ m.

Undele electromagnetice se propaga in aer cu viteza luminii (300.000.000 m/s), aproximativ egala cu viteza lor de propagare in vid. Conform acestei teorii, emise de J. C. Maxwell, lumina si radiatiile asemanatoare (radiatiile infrarosii, ultraviolete, etc.) sunt tot de natura electromagnetica, diferind intre ele prin lungimile de unda. Informatia se receptioneaza la distanta prin radio, televiziune, telefonie mobila. Purtatorii informatiei sunt undele electromagnetice de frecventa ridicata, modulate pe undele de joasa frecventa care contin informatia. Undele electromagnetice emise de antenele de emisie se refracta, se difracta, interfereaza si sunt atenuate pana ajung la antena receptorului.

Undele hertziene (unde lungi, medii, scurte, ultrascurte, microunde) sunt emise de oscilatiile electronilor din antenele emitatoare folosite in sistemele de radiocomunicatii si microunde (televiziune, radar, cuptoare). Radiatiile infrarosii sunt unde electromagnetice emise de corpurile calde, fiind si una din cele trei categorii in care sunt impartite radiatiile solare (radiatiile infrarosii, lumina vizibila si radiatiile ultraviolete). Ele se obtin prin oscilatiile moleculelor, atomilor si ionilor, iar amplitudinile lor depind de temperatura corpurilor si de tranzitia electronilor catre invelisurile interioare ale atomilor. Sunt puternic absorbite de apa sau de alte substante si produc incalzirea acestora. Inclusiv corpul uman absoarbe aceste raze, percepandu-le drept caldura. Radiatiile sunt folosite in diferite procese de incalzire si uscare, in construirea detectoarelor cu lumina infrarosie, pentru imprimarea imaginilor pe filme sensibile la lumina infrarosie, la fotocopiatori termici.

Radiatiile vizibile sunt percepute de ochiul uman. Sunt emise de soare, stele, lampi cu filamente incandescente a caror temperatura poate atinge 2000 - 3000˚C, tuburi cu descarcari de gaze, arcuri electrice. Emisia luminii se obtine in urma tranzitiilor electronilor pe niveluri energetice inferioare ale atomilor. Radiatiile ultraviolete sunt emise de soare, stele, corpuri incalzite puternic si vaporii de mercur din tuburi de sticla speciala de cuart (care nu absoarbe acest tip de radiatii). Radiatiile continute in lumina solara se absorb in mare parte in stratul superior al atmosferei (stratul de ozon). Cu cat altitudinea creste, cu atat cresc si radiatiile ultraviolete. Lumina ultravioleta incurajeaza formarea vitaminei D si omoara bacteriile. Este de asemenea utila in dermatologie, la iluminatul fluorescent si la instalatii industriale de numerotare. Radiatiile se obtin in urma tranzitiei electronilor de pe niveluri cu energii mari pe niveluri cu energii mici. Radiatiile X sunt emise de tuburi Röntgen, in care sunt accelerati electroni in campuri electrice intense, astfel incat acestia patrund in interiorul invelisurilor electronice ale atomilor anodului sau gazului din tub si smulg electroni din straturile de langa nuclee, in urma franarii acestor electroni si in urma tranzitiilor ulterioare ale electronilor de pe niveluri cu energii mici. Au frecvente mari si sunt folosite pentru realizarea radiografiilor medicale, deoarece sunt absorbite diferit de muschi si oase, impresionand placile fotografice. Radiatiile sunt folosite si in scopuri terapeutice, ajutand la combaterea dezvoltarii tesuturilor celulare bolnave. Radiatiile cosmice si radiatiile gamma sunt emise in procesele de dezintegrare nucleara si in reactiile nucleare din stele (sunt absorbite de atmosfera) si in reactoarele nucleare terestre. Sunt cele mai penetrante, avand frecventele si energiile cele mai mari. Sunt folosite in defectoscopie, pentru sterilizare, precum si in medicina (la tratarea cancerului).

Radiatiile X, radiatiile cosmice si radiatiile gamma formeaza categoria radiatiilor ionizante, avand efectul cel mai nociv asupra sanatatii omului. Restul radiatiilor sunt neionizante, care la randul lor pot avea efecte nocive, in functie de parametrii campului care le produce.

Resurse

• Camp-electromagnetic.infarom.ro