Campul electromagnetic- Fundamente

  

CAMPUL ELECTOMAGNETIC    Definitie Campul electromagnetic (EMF) este ansamblul campurilor electrice si magnetice, care oscileaza si 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 matematica 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 (campul electric) si (campul magnetic).Daca numai este nenul si constant in timp, campul se numeste camp electrostatic. Daca numai 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 ecuatiile lui Maxwell. In vid, aceste ecuatii vectoriale sunt:     (legea lui Gauss)       (legea de magnetism a lui Gauss)      (legea lui Faraday)       (legea Ampère-Maxwell) unde ρ este densitatea sarcinii, ε0 este permitivitatea spatiului vid, μ0 este permeabilitatea spatiului vid si 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: (fara curent) (fara sarcina) Unghiul de refractie a unui camp electric intre medii depinde de permitivitatea a fiecarui mediu: Unghiul de refractie a unui camp electric intre medii depinde de permeabilitatea (μ) fiecarui mediu:    Undele electromagnetice si aplicatii 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   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.

Obiectul de studiu al fizicii

            Clarificarea obiectului fizicii este o problema care nu se poate expune in cateva cuvinte. Totusi, vom incerca sa prezentam in cateva randuri, unele dintre problemele fundamentale cu care se ocupa fizica si, mai ales, vom face acest lucru in cele ce urmeaza, din perspectiva celui care se pregateste pentru a imbratisa profesiunea nobila de creeator de bunuri materiale necesare existentei.

            Fizica este o stiinta practica prin excelenta.

            Rezultatele fizicii au o importanta cruciala pentru tehnica dar si pentru economie.            Cel ce intelege si stie este puternic.(Confucius)

            Cel care intelege procesele care se petrec in natura are constiinta propriei valori si puteri, poate sa interpreteze fenomenele naturii, poate prevedea desfasurarea acestora, poate imagina unelte care sa foloseasca principiile pe care le cunoaste, pentru a creea.

            Rezultatele fizicii prezinta o mare insemnatate pentru teoria cunoasterii. Aceste constinte, impreuna cu rezultatele altor stiinte au influentat conditiile de viata dar, mai mult, au schimbat atitudinea omului fata problemele pe care existenta le ridica in fata sa permanent.

            Fizica studiaza starile sistemelor din natura ne-vie si evolutia acestora iar rezultatele ei se aplica si unor procese care se petrec in lumea vie. 151b13b

            Intre fizica si chimie nu mai exista astazi o demarcatie bine evidentiata. De asemenea sunt multe fenomene si procese in care fizica si biologia se completeaza (sau uneori se suprapun).

            Fizica poate fi caracterizata, dintr-o anumita perspectiva, drept stiinta despre energie, despre formele acesteia, despre tranformarile energiei dintr-o forma in alta (mecanica, termica, electrica, luminoasa, nucleara, gravifica precum si cea conservata sub forma de masa).

            Fizica a creeat domenii ( particulele elementare, lumea cuantica, etc.) care nu mai sunt accesibile masuratorilor directe , pentru ca acolo nu mai sunt aplicabile etaloanele proprii lumii noastre (macroscopice) si nici modul nostru "obisnuit" de gandire. Fizica a ceeat noi forme de gandire, a impulsionat matematica pentru gasirea unor metode de calcul adecvate, a oferit metode noi pentru verificarea unor ipoteze.

            Intre fizica si filosofie exista o apropiere stransa, unele probleme fundamentale ale filosofiei neputand fi solutionate fara ajutorul fizicii; la fel cum unele probleme de esenta ale fizicii sunt  mai apropiate de filosofie.

            Fizica face parte din cultura (in cel mai larg sens) speciei umane.

            Fizica este o stiinta a experientei.

            Toate rezultatele fizicii se bazeaza pe experiment. Aici este locul sa mentionam faptul ca, cel putin in fizica, experimentul joaca un rol esential pentru realizarea 'pasilor inainte' in stiinta. Pornind de la observarea naturii inconjuratoare, de la formularea unor concluzii care descriu fenomenele si procesele observate, se face apoi o verificare  a acestor descrieri prin experiment. Aceasta permite adaugarea de noi valente concluziilor trase anterior si o "rafinare" a modelului (sau a scenariului) care descrie fenomenul sau procesul studiat.

            Fiecare experiment se bazeaza, pe o ipoteza. Putem descrie, succint, procesul inaintarii stiintifice in fizica: formularea ipotezei, urmata de verificarea practica a acesteia. Pe baza concluziilor acestei verificari se aduc corectii ipotezei initiale si se formuleaza noi ipoteze. Acestea, la randul lor, sunt din nou verificate experimental aducanduli-se corectii si procesul se repeta ciclic.

            Cele aratate mai sus ne permit sa afirmam ca fizica este o stiinta experimentala - fara experiment nu putem vorbi de insusirea unor cunostinte de fizica bine fundamentate.

            Pe de alta parte insa, cele de mai sus ne sugereaza si o alta concluzie: fizica este o stiinta care se apropie de categorisirea de regina a stiintelor cel putin la fel de mult ca si matematica.

            Fizica este concreta, intuitiva.

            Fizica este cea care formeaza la cei foarte tineri (dar nu numai la acestia) deprinderea de a face legatura dintre cauza si efect, deprinderea de a "gandi" de a imagina, pentru ca prin experimentul fizic ei pot verifica direct concluziile care decurg din observatiile lor. La urma urmelor, relatia de cauzalitate reprezinta unul din principiile pe care s-a construit intreaga stiinta a fizicii. Daca vom contrazice acest principiu, intregul esafodaj pe care-l numim fizica (si care ne ajuta sa intelegem realitatea care ne inconjoara) se prabuseste si nu mai intelegem nimic din aceasta lume.

            .

            1.1.Marimi fundamentale si marimi derivate. Procesul de masurare.

            In istoria stiintei exista multe exemple cand, datorita neconcordantei aparute intre rezultatele unor determinari teoretice si masuratorile experimentale, teoriile au fost schimbate sau modificate sau chiar abandonate in favoarea construirii altora.

            Importanta masuratorilor nu mai trebuie demonstrata. Este insa important de precizat ca pentru ca rezultatele masuratorilor sa poata fi exploatate, acestea trebuie sa fie realizate cu suficienta acuratete, astfel incat ele sa fie reproductibile, adica sa poata fi obtinute aceleasi valori prin masuratori efectuate asupra acelorasi corpuri, fenomene, procese si in aceleasi conditii.

            Cea mai generala clasificare a marimilor fizice este aceea dupa care aceste marimi se impart in doua categorii:

            - marimi fundamentale,

            - marimi derivate.

            Marimile fundamentale sunt definite fara a fi implicate alte marimi fizice. Exemple de marimi fundamentale: masa, lungimea, timpul, temperatura.

            Marimile derivate se definesc prin utilizarea marimilor fundamentale.

            Sa presupunem ca am ales un etalon de lungime sub forma unei bare a carei lungime o statuam ca fiind un metru. Daca vom compara acum direct lungimea unei alte bare de masurat cu bara etalon si constatam ca bara de masurat este de trei ori mai lunga decat bara etalon, vom spune ca bara care a fost masurata are lungimea de trei metri.

            Am realizat, prin exemplul de mai sus, o descriere a esentei procesului de masurare.

            Procesul de masurare este o operatie de comparare si consta in compararea unor caracteristici ale corpului, procesului sau fenomenului studiat  cu caracteristicile similare ale corp, proces, fenomen, considerate ca etalon.

            Rezultatul unei masuratori se exprima printr-un numar, urmat de unitatea de masura. Pentru a fi usor de utilizat de catre toti cei interesati, indiferent unde se afla acestia, este necesar sa se adopte un sistem de marimi fundamentale si de unitati fundamentale.

            1.2.Sisteme de unitati de masura

            Valoare masurata a unei marimi fizice depinde esential de sistemul de referinta al observatorului precum si de unitatea de masura  utilizata.

            Daca consideram sisteme de  referinta care se deplaseaza unul fata de celalalt cu viteza constanta, spunem ca aceste sisteme de referinta sunt inertiale. In sistemele de referinta inertiale este valabila (sau se manifesta) legea inertiei. Legile fizicii au aceeasi forma in acest tip de sisteme.

            Pe de alta parte, expresia  sistem de referinta se poate intelege si ca fiind vorba de un sistem fata de care se raportaza o marime care se masoara. Vorbim in acest caz de sistem de unitati.

            Exista mai multe sisteme de unitati de masura.

            Este cunoscut faptul ca la ora actuala se foloseste asa numitul Sistem International de Unitati (SI). In acest sistem toate marimile folosite sunt exprimate prin relatii matematice bine stabilite in functie de marimile considerate fundamentale: lungimea (L), masa (M),  timpul (T), temperatura (θ), intensitatea curentului (I), intensitatea luminoasa (E). Spunem ca acestea (lungimea, masa, timpul, temperatura. sunt marimi fundamentale, sau dimensiuni). In functie de aceste marimi considerate ca fiind fundamentale, sunt exprimate celelalte marimi din fizica.

            De exemplu:  viteza unui mobil se defineste prin raportul

                                                            ,

unde d reprezinta  lungimea parcursa de acest mobil iar t timpul in care a fost parcursa aceasta lungime. Dimensiunea  distantei (lungimii) parcurse de mobil este L si exprimam aceasta prin expresia:   [d] = L  iar dimensiunea timpului este T, si exprimam aceasta prin relatia [t] = T.

            Ca urmare dimesiunea vitezei va fi esprimata ca:

                                    [v] =  sau 

                                     iar a acceleratiei:

            In acelasi mod, de exemplu, dimensiunea fortei este:

                                               

            Unitatile de masura fundamentale sunt determinate astazi cu precizie, si dam, numai cu titlu informativ si pentru completitudine un exemplu al unei astfel de marimi:

            Metrul etalon este egal cu 1 650 763,73 lungimi de unda emisa de izotopul Kr 86 prin tranzitia intre nivelele .

            Este posibil sa ne intrebam de ce trebuie sa fie atat de complicata definitia metrului etalon. Raspunsul este cat se poate de simplu: lungimea determinata astfel este egala cu lungimea barei etalon (sau standard) construita dintr-un aliaj de platina iridiu pastrata in conditii precise de temperatura  si presiune ( 769 torr) la Biroul International de Masuri si Greutati din Paris. Deosebirea dintre cele doua etaloane (cel spectroscopic cu Kripton si cel din platina-iridiu) este ca cel de-al doilea era foarte greu de utilizat din cauza conditiilor foarte stricte de pastrare si, in plus, era plasat doar intr-un loc de pe Pamant, orice comparatie cu metrul etalon al unor etaloane din diverse tari presupunand un efort considerabil de logistica, timp si mijloace financiare; pe cand etalonul de Kripton este usor de reprodus oriunde, Kriptonul fiind un gaz omniprezent iar spectroscoapele moderne ofera o precizie suficienta pentru determinarea lungimii de unda.

            Observatie: La ora actuala exista mai multe definitii ale matrului etalon - in ceea ce priveste posibilitatea de a se gasi experimental aceasta valoare. Una dintre aceste definitii, agreeata de Conferinta Generala de Masuri si Greutati este:

                        Metrul este lungimea drumului parcurs de lumina in vid in timp de 1/299 792 458 dintr-o secunda.

            Intr-un mod oarecum similar se defineste etalonul de timp, ca si celelalte etaloane pentru marimile fundamentale.

            1.3. Exprimarea rezultatului unei masuratori

            Orice masuratoare are un rezultat. Acesta se exprima printr-un numar urmat de unitatea de masura.

            Unitatile de masura (si simbolizarea) pentru marimile fundamentale sunt urmatoarele:

                        Lungime..metrum

                        Masa..kilogram.kg

                        Timp..secundas

                        Temperatura..grad Kelvin (centigrad)K

                        Intensitate a curentului.Amper..A

                        Intensitate luminoasa.candela.cd

            Pentru exprimarea unor marimi derivare se folosesc unitatile SI derivate. Cateva dintre acestea sunt cuprinse in tabelul de mai jos.

                        Arie.metru patrat..

                        Volummetru cub..

                        Viteza.metru pe secunda..

                        Densitate (masica)..kilogram pe metru cub..

                        Densitatea curentului electricamper pe metru patrat.

                        Intensitatea campului magnetic..amper pe metru

            Existaa, de asemenea o serie de marimi pentru a caror exprimare se folosesc drnumiri speciale, cateva dintre acestea sunt date in schema de mai jos:

                        Frecventa..hertz..Hz.

                        Fortanewton..N

                        Presiune.pascal.Pa

                        Energie..joule.J..

                        Putere.watt..W

                        Cantitate de electricitate..coulomb.C.A·s

                        Tensiune electricavoltV.

                        Capacitate electrica.farad.F..

                        Rezistenta electrica.ohm..Ω.V/A

                        Conductanta electrica..siemens..S.A/V

                        Flux de inductie magneticaweber..Wb.V·s

                        Inductie amgnetica.tesla.T..  

                        InductantahenryH.Wb/A

                        Temperatura Celsius..grad Celsius..

                        Flux luminos..lumen

                        Iluminare..lux

                        Camp electric.volt pe metru..V/m

                        Permitivitatefarad pe metruF/m

                        Permeabilitate.henry pe metru..H/m

            In afara de unitatile enumerate mai sus exista si unitati tolerate din motive practice. Se dau in continuare cateva dintre acestea:

                        Angstrom..Å1 Å =  

                        Gauss..Gs..1Gs =

                        Oersted..Oe..1Oe =A/m

                        Maxwell.Mx.1Mx = Wb

                        Torr..Torr1Torr = 101 325 /760 Pa

                        Atmosfera normala......atm....1atm = 101 325 Pa

                        Micron..........μ.....1.μ = 1.μm = m

                       

                       

            Exprimarea unor masuratori uzuale, la scara vietii de zi cu zi, nu constituie o problema din punct de vedere al utilizarii unitatilor de masura. Dar atunci cand se pune problema exprimarii unor masuratori de marimi extreme, problema nu mai este atat de simpla. De exemplu, distanta dintre atomul de Natriu si cel de Clor in cristalul de NaCl este de 5,6 Ǻ (angstromi), atat de mica incat exprimarea ei in metri este incomoda ( aceasta valoare este de 0,00000000056 m). La polul opus al problemei expusa aici se plaseaza distantele foarte mari cum sunt cele astronomice (de exemplu distanta pana la cea mai apropiata stea -alta decat Soarele nostru, numita Proxima Centauri- este de 4,5 ani lumina (adica timpul necesar luminii sa parcurga aceasta distanta (in km se calculeaza astfel:      4,5(ani)x365(zile/an)x24(ore/zi)x3600(secunde/ora)x300000km/secunda =   603 126 000 000 km.

            Pentru simplificarea exprimarii unor masuri se folosesc multipli si submultiplii. In tabelul de mai jos sunt trecuti cativa factori de multiplicare sau demultiplicare care se adauga ca prefix.

            Demultiplicare                                                 Multiplicare

Deci-                      d-                                   deca-                    da-

Centi-                     c-                                   hecto-                   h-

Mili-                      m-                                   kilo-                     k-

Micro-                    μ-                                   mega-                  M-

Nano-                     n-                                   giga-                    G-

Pico-                     p-                                   tera-                     T-

INTREBARI

1.Fizica isi construieste rationamentele pe baza de experimente. Cursul logic al cercetarii realitatii este:

            a) formularea unor ipoteze, realizarea experimentului, verificarea rezultatelor prin confruntare cu realitatea,

            b) observatia realitatii si formularea unor concluzii,

            c) realizarea experimentului si formularea concluziilor,

            d) rationamentul pur,

            e) experimenrtul pur.

2. Principiul cauzalitatii consta in exprimarea relatiei:

            a) matematice intre cauza si efect, orice efect are o cauza,

            b) potrivit careia cauza este intotdeauna anterioara efectului,

            c) potrivit careia efectul si cauza nu au intotdeauna legatura intre ele,

            d) potrivit careia efectul este anterior cauzei,

            e) potrivit caruia efectul este posterior cauzei.

3. Caracterul de reproductibilitate al masuratorilor inseamna ca:

            a) rezultatul masuratorilor trebuie sa poata fi exprimat,

            b) masuratorile  sa se realizeze in conditii legale si asupra acelorasi corpuri, procese, sau fenomene,

            c) rezultatul masuratorilor sa fie predictibil,

            d) masuratorile sa fie efectuate in conditii standard si asupra acelorasi corpuri, procese, fenomene,

            e) rezultatele masuratorilor efectuate asupra acelorasi corpuri, procese, fenomene si in conditii identice sa fie aceleasi.

4. Procesul de masurare implica:

            a) citirea unei scale gradate,

            b) exprimarea rezultatului citirii unei scale gradate,

            c) o comparare cu un etalon,

            d) o verificare a marimii,

            e)  compararea unei marimi cu un etalon, citirea si exprimarea rezultatului.

5. Acceleratia este o marime fundamentala sau derivata?

            b) este o marime fundamentala pentru ca ea serveste la determinarea energiei,

            c) este o marime derivata,

            d) este o marime fundamentala pentru ca se masoara in unitati fundamentale (metri pe secunda la patrat),

            e) este o marime derivata pentru ca in unitatea sa de masura apare o unitate la patrat (secunda) si nu la puterea I.

6. Marimile fundamentale utilizate de Sistemul International de Unitati sunt:

            a) lungimea, masa, timpul, presiunea, tensiunea, luminanta,

            b) lungimea, masa, timpul temperatura,  intensitatea curentului, intensitatea luminoasa,

            c) lungimea, masa, timpul,

            d) lungimea, masa, secunda, Amperul, Candela,

            e) acele marimi in functie de care sunt definite orice alte marimi fizice.