Elektromagnetizam povezuje elektricitet i magnetizam. Naboji i struje stvaraju električna i magnetna polja, koja guraju ili povlače naboje i nose energiju kao talase. Ovaj članak objašnjava kako električna i magnetna polja međusobno deluju, kako Makvellovi zakoni opisuju širenje talasa, i zašto su ovi efekti bitni u modernim kolima, sistemima velike brzine i EMI kontroli.
Pregled elektromagnetizma
Elektromagnetizam je deo fizike koji povezuje elektricitet i magnetizam. Objašnjava kako električni naboji i električne struje stvaraju nevidljive regione koji se nazivaju električna i magnetna polja. Ova polja izazivaju sile koje mogu gurati ili povući naelektrisane čestice i mogu nositi energiju sa jednog mesta na drugo kao elektromagnetni talasi. Elektromagnetizam igra ulogu u proizvodnji električne energije, elektronskim kolima i komunikacionim sistemima, i pruža osnovna pravila za koliko modernih električnih uređaja rade.
Elektromagnetizam: Osnove polja i sile
Električna i magnetna polja
Električno polje (E-polje)
• Stvoren električnim nabojem.
• Prisutan čak i ako se punjenje ne pomera.
• Tačke u pravcu pozitivnog testa će biti gurnut.
Magnetno polje (B-polje)
• Stvoren pokretnim nabojem (električnom strujom) i magnetnim materijalima.
• Ima pravac postavljen silom koju vrši na pokretne naboje ili na magnete.
Zajedno
• Promenljivo električno polje može da stvori magnetno polje.
• Promenljivo magnetno polje može stvoriti električno polje.
• Ova promena napred-nazad omogućava elektromagnetnim talasima da postoje i putuju kroz svemir.
Električni naboj i sile na daljinu
Poput optužbi odbijaju (pozitivno-pozitivno, negativno-negativno). Za razliku od naboja privlače (pozitivno-negativno). Sila između dva naboja postaje slabija kako se rastojanje između njih povećava.
U mnogim materijalima, naboji mogu malo da se pomere unutar atoma ili molekula. Kada je prisutno spoljno električno polje, jedna strana materijala može postati nešto pozitivnija, dok druga strana postaje nešto negativnija. Ovaj efekat, nazvan polarizacija, pomaže da se objasni zašto neutralni materijali i dalje mogu da reaguju na električna polja.
Struje i magnetna polja
• Magnetno polje oko ravne žice koja nosi struju formira koncentrične krugove usredsređene na žicu.
• Preokretanje pravca struje takođe preokreće smer magnetnog polja.
Savijanje žice u petlju čini magnetno polje jače u svom centru. Namotavanje žice u mnoge petlje proizvodi jači, ujednačeniji polje unutar kalema. Kalem se ponaša kao jednostavan magnet sa severnim i južnim polom.
Povećanje struje čini magnetno polje jačim. Dodavanje više okreta žice u kalem dodatno jača polje. Postavljanje odgovarajućeg magnetnog jezgra unutar kalema koncentriše polje i povećava njegovu snagu.
Lorentzova sila
Električni deo sile
Električna polja guraju naboje duž linija polja. Smer pritiska zavisi od znaka naboja: pozitivni naboji se kreću sa poljem, negativni naboji se kreću protiv njega.
Magnetni deo sile
Magnetna polja deluju samo na pokretne naboje. Magnetna sila je okomita i na pravac kretanja i na magnetno polje. Zbog toga, magnetna sila skreće putanju naboja, a ne jednostavno ga ubrzava ili usporava.
Struje u magnetnim poljima
• Struja je mnogo naboja koji se kreću zajedno.
• Kada struja teče kroz žicu postavljenu u magnetnom polju, žica oseća silu.
• Ova sila može izazvati kretanje ili proizvesti efekat okretanja (obrtni moment), što je važno u mnogim elektromagnetnim uređajima.
Materijali i polja
| Tip materijala | Koje optužbe rade | Ponašanje na terenu |
|---|---|---|
| Provodnici | Optužbe se lako kreću kroz njih | Struja podrške; optužbe se šire kako bi se smanjilo E-polje |
| Izolatori (dielektrici) | Optužbe ne teku slobodno | Materijal postaje polarizovan u električnom polju |
| Magnetni materijali | Magnetni regioni mogu da se preorijentišu | Može ojačati, voditi ili koncentrisati magnetna polja |
Elektromagnetizam: Talasi i spektar
Maksvelova osnovna pravila
• Naboji stvaraju električna polja - Linije električnog polja počinju na pozitivnom naboju i završavaju se na negativnom naboju. Obrazac ovih linija pokazuje kako će se gurnuti mali pozitivan test naboj.
• Nema izolovanih magnetnih polova - Linije magnetnog polja uvek formiraju zatvorene petlje. Oni ne počinju ili završavaju na jednom magnetnom naboju.
• Promena magnetnih polja stvara električna polja - Kada se magnetno polje menja tokom vremena, ono stvara električno polje. Ovaj efekat se naziva elektromagnetna indukcija.
• Struje i promenljiva električna polja stvaraju magnetna polja - Električne struje stvaraju magnetna polja. Promenljivo električno polje takođe doprinosi magnetnom polju u svemiru.
Od Maksvelovih jednadžbi do elektromagnetnih talasa
Maksvellove jednačine predviđaju da se električna i magnetna polja mogu kretati zajedno kroz prostor kao talas. U elektromagnetnom talasu, električna i magnetna polja su uvek povezana i okomita su jedno na drugo.
Kako talas putuje:
• Promenljivo električno polje stvara magnetno polje.
• Promenljivo magnetno polje stvara električno polje.
Ovaj ponavljajući proces održava talas ide napred i nosi energiju kroz prostor, čak i kada nema materijalnog medija. Svi oblici elektromagnetnog zračenja dele istu osnovnu strukturu, iako se razlikuju po frekvenciji i talasnoj dužini.
Talasna dužina, frekvencija i energija u elektromagnetnim talasima
Talasna dužina (λ)
Rastojanje između ponavljajućih tačaka na talasu, kao što je od jednog vrha do drugog.
Frekvencija (f)
Broj talasnih ciklusa koji prolaze datu tačku svake sekunde. U vakuumu, talasna dužina i frekvencija su povezani brzinom svetlosti. Kako se frekvencija povećava, talasna dužina se smanjuje. Drugim rečima:
• Viša frekvencija → kraća talasna dužina
• Niža frekvencija → duža talasna dužina
Osnove elektromagnetnog spektra
| Opseg spektra | Relativna talasna dužina | Uobičajene beleške |
|---|---|---|
| Gama zraci | Najkraći | Veoma visoka frekvencija i energija |
| Rendgenski zraci | Vrlo kratko | Visoka energija; može proći kroz mnoge čvrste materije |
| Ultraljubičasto | Kratak | Odmah iza ljubičaste svetlosti u frekvenciji |
| Vidljiva svetlost | Srednji | Srednji deo spektra |
| Infracrveni | Duže | Često povezan sa toplotnim zračenjem |
| Mikrotalasi | Dugo | Viši od radija, niži od infracrvenog |
| Radio talasi | Najduže | Najniža frekvencija i energija |
Ovi principi polja nisu apstraktni koncepti. U praktičnim kolima određuju integritet signala, zračenje i ponašanje prenosa energije.
Elektromagnetizam u tehnologiji i kola
Elektromagnetizam u tehnologiji
Elektroenergetski sistemi
• Elektromagnetna indukcija pretvara mehaničku energiju u električnu energiju u opremi za proizvodnju električne energije.
• Transformatori koriste promenljiva magnetna polja za podizanje ili snižavanje nivoa napona.
Kretanje i aktiviranje
Sile na struju nose provodnika u magnetnim poljima proizvode rotaciju i linearno kretanje. Zavojnice i magnetna jezgra fokusiraju magnetno polje kako bi povećali silu i kontrolisali kretanje. Elektromagnetni pogonski sistemi se oslanjaju na promenu struje za pokretanje, zaustavljanje i kontrolu kretanja.
Komunikacija
• Antene koriste vremenski promenljive struje za slanje i primanje elektromagnetnih talasa.
• Radio i mikrotalasni signali prenose informacije promenom amplitude, frekvencije ili faze.
Senzori i snimanje
Induktivni senzor koristi promenu magnetnih polja za otkrivanje obližnjih provodnih ili magnetnih materijala. Magnetni obrasci i polja mogu se čitati za praćenje položaja, brzine ili rotacije. Sistemi za snimanje analiziraju kontrolisane elektromagnetne signale kako bi dobili informacije iz unutrašnjih objekata ili materijala.
Elektronika i integritet signala
• Uzemljenje i zaštita vode povratne struje i smanjuju neželjena električna i magnetna polja.
• Kontrolisane putanje impedanse i referentne ravni pomažu da signali velike brzine budu dobro oblikovani.
Elektromagnetizam u brzim kolima
Osnovna teorija kola dobro funkcioniše kada je kolo mnogo manji od talasne dužine signala i kada se signali polako menjaju, tako da polja ostaju blizu provodnika. Na visokim frekvencijama ili sa veoma brzim prebacivanjem, ova slika više nije dovoljna. Polja se mogu proširiti i izazvati neželjeno spajanje, gde promena signala na jednom tragu indukuje napone i struje na obližnjim tragovima. Dugi provodnici počinju da se ponašaju kao dalekovodi, tako da impedanse neusklađenosti stvaraju refleksije i zvonjenje duž staze. Petlje, kablovi i dugi tragovi takođe mogu da se ponašaju kao antene i zrače energiju u svemir.
Elektromagnetne smetnje i kompatibilnost
Zajednički ciljevi
Glavni ciljevi su da sistemi budu efikasni, precizni i stabilni. To znači minimiziranje izgubljene energije, održavanje dobrog kvaliteta signala na potrebnim frekvencijama i kontrolu gde su električna i magnetna polja jaka.
Uobičajeni problemi
Uobičajeni problemi uključuju smetnje i neželjeno spajanje između obližnjih tragova i kablova. Buka može da dostigne osetljive delove kroz zračenje ili preko zajedničkih provodnika, uzrokujući grejanje, promene signala, i antena, rezonator, ili filter detuning.
Fokus EMI / EMC
EMI i EMC se fokusiraju na dve stvari: održavanje neželjenih elektromagnetnih emisija na niskom nivou i pravljenje kola u stanju da izdrže spoljnu buku. Oba su potrebna kako bi različiti delovi opreme mogli da rade blizu jedni drugima bez problema.
Zajedničke kontrole i tehnike
Metode uključuju zaštitu za blokiranje ili zadržavanje polja i dobro uzemljenje kako bi se dobili jasni povratni putevi i male petlje. Filtriranje i pažljiv raspored PCB-a pomažu u uklanjanju neželjenih frekvencija, ograničavaju spajanje i smanjuju zračene emisije.
Zaključak
Električna i magnetna polja dolaze od naboja i pokretnih naboja, a zajedno mogu formirati talase. Maksvelova pravila povezuju polja koja se menjaju, objašnjavajući svetlost i puni elektromagnetni spektar. U krugovima, ova polja vode prenos snage, kretanje motora i antensku komunikaciju. Pri velikim brzinama, tragovi se ponašaju kao dalekovodi, što dovodi do spajanja, refleksije i zračenja. EMI / EMC metode kao što su uzemljenje, zaštita, filtriranje i raspored pomažu u kontroli ovih efekata u praksi.
Često postavljana pitanja [FAK]
Koliko brzo elektromagnetni talasi putuju u materijalima?
Oni putuju brzinom svetlosti u vakuumu, ali se kreću sporije u materijalima. Brzina zavisi od električnih svojstava materijala.
Šta je gustina elektromagnetne energije?
To je količina energije koja se skladišti u električnim i magnetnim poljima unutar određene zapremine prostora.
Šta je struja pomeranja?
To je efekat promene električnog polja koje deluje kao struja, čak i kada nema fizičkih naboja.
Da li elektromagnetni talasi treba medij za putovanje?
Ne. Oni mogu da putuju kroz svemir jer promena električnog i magnetnog polja održava talas.
Šta je pritisak zračenja?
To je mala sila koja nastaje kada elektromagnetni talasi prenose impuls na površinu.
Šta je efekat kože?
To je tendencija visokofrekventne struje da teče blizu površine provodnika, povećavajući otpor i gubitak energije.
