Estado actual del electromagnetismo(2)
Durante mucho tiempo se ha pensado que la electricidad y el magnetismo son dos cosas no relacionadas, pero existen algunas similitudes entre ellas. Las cargas eléctricas y los polos magnéticos se repelen y los opuestos se atraen. La dirección de la fuerza está en la línea que conecta las cargas o polos magnéticos, y la magnitud de la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. A finales del 18 se descubrió que puede fluir carga eléctrica, que es la corriente. Pero nunca se ha descubierto la conexión entre la electricidad y el magnetismo.
Durante 1777, mientras investigaba formas de mejorar la aguja magnética de la brújula de navegación, Coulomb llevó a cabo un experimento a escala de torsión que podía medir fuerzas electrostáticas o magnéticas. Esto parece implicar que existe una estrecha distinción y conexión entre la electricidad y el magnetismo. Sobre la base de una gran cantidad de experimentos, en 1789 Coulomb concluyó que la ley de la interacción de dos polos magnéticos es similar a la interacción de dos cargas puntuales. Coulomb enriqueció los métodos de medición en el estudio de la electricidad y el magnetismo y extendió los principios mecánicos de Newton a la electricidad y el magnetismo. Allanó el camino para el desarrollo del electromagnetismo y el establecimiento de la teoría del campo electromagnético. Pero Coulomb propuso que la electricidad y el magnetismo eran esencialmente diferentes.
Antes de 1820, Coulomb, Ampere, Thomas Young y Biot creían que la electricidad y el magnetismo eran dos conceptos sin conexión entre ellos. Sin embargo, Oersted siempre ha creído que fenómenos como la electricidad, el magnetismo, la luz y el calor están esencialmente relacionados entre sí. En particular, Franklin descubrió una vez que la descarga de la jarra de Leyden podía magnetizar agujas de acero, lo que reforzó aún más su opinión. En 1820, el danés Oersted descubrió por primera vez el efecto magnético de la corriente eléctrica. Este experimento fue pionero en el electromagnetismo, que vinculaba la electricidad y el magnetismo, y causó una gran conmoción en la comunidad científica.
Dos semanas más tarde, el francés Ampère propuso la relación entre el sentido de rotación de la aguja magnética y el sentido de la corriente: la famosa "regla de la mano derecha". En 1820, Biot y Savart crearon conjuntamente la ley de Biot-Savart, una ley básica de la magnetostática que describe con precisión el campo magnético generado por una corriente eléctrica en un cable portador de corriente. Los dos hombres llegaron a creer que el electromagnetismo estaba estrechamente relacionado, lo que apoyaba las opiniones de Oersted.
Inspirado por una serie de experimentos como el experimento del efecto magnético actual de Oersted, Ampere propuso en 1821 la "hipótesis de la corriente molecular", que creía que el campo magnético era generado por la corriente en movimiento, y señalaba que la La esencia de los fenómenos magnéticos es la corriente eléctrica, resolviendo así un misterio que existe desde hace miles de años. Ampere atribuyó varias interacciones entre corrientes e imanes a interacciones entre corrientes y planteó la cuestión básica de encontrar la ley de interacción entre elementos actuales. En 1822, Ampere propuso revolucionariamente la fórmula "ley de Ampere" para la fuerza de un campo magnético sobre cargas en movimiento y utilizó magníficas habilidades matemáticas para resumir las leyes de movimiento de los elementos actuales en campos electromagnéticos en circuitos portadores de corriente. La ley de Ampere es una ley electromagnética y una ley muy importante en física. El concepto de "corriente" también fue creado por Ampere. Para decirlo sin rodeos, Ampere jugó un papel muy importante en el electromagnetismo y mereció el título de "Newton en la electricidad".
En 1831, Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética: cuando un imán pasa a través de un circuito cerrado, habrá una corriente en el circuito, de esto se derivó la ley de inducción electromagnética de Faraday y luego la; Se obtuvo el método de generación de corriente alterna. Su descubrimiento sentó las bases del electromagnetismo y fue un pionero de Maxwell. Joseph Henry, ex presidente de la Academia Nacional de Ciencias, descubrió la ley de inducción electromagnética de Faraday en una investigación independiente en 1830, antes que Faraday, pero no reveló este descubrimiento. De 1875 a 1876, Rowland, ex presidente de la Academia Nacional de Ciencias, realizó un experimento sobre el efecto magnético de un disco giratorio cargado, revelando por primera vez que cargas en movimiento pueden generar un campo magnético.
En este punto, después de años de debate y arduos experimentos, se ha confirmado la conclusión de que el electromagnetismo está inevitablemente conectado, y los dos pueden transformarse el uno en el otro. Oersted y Ampere confirmaron que la electricidad genera magnetismo; Faraday, Henry y Roland confirmaron que el magnetismo genera electricidad.
Sexto, la propuesta de la teoría electromagnética
Después de que se descubrió la conexión entre la electricidad y el magnetismo, la gente se dio cuenta de que la naturaleza de la fuerza electromagnética es similar a la gravedad en algunos aspectos, pero en otros. maneras Algunos aspectos son diferentes. Por esta razón, Faraday introdujo el concepto de líneas de fuerza eléctrica, creyendo que la corriente genera líneas de fuerza magnéticas alrededor de los cables y las cargas generan líneas de fuerza eléctrica en todas direcciones, y en base a esto se generó el concepto de campos electromagnéticos. En 1831, Faraday experimentó con polvo de hierro y demostró vívidamente la existencia de líneas de fuerza magnéticas. Señaló que esta línea de fuerza no es geométrica, sino que existe objetivamente y tiene propiedades físicas.
Weber hizo muchas contribuciones al establecimiento de la medida absoluta en unidades eléctricas. Alrededor de 1849 propuso unidades absolutas para la intensidad de corriente y la fuerza electromagnética, y Gauss, con la ayuda de Weber, propuso unidades absolutas para el magnetismo.
De 1846 a 1878, las investigaciones de Weber sobre los métodos de medición de la electrodinámica (electromagnetismo) tuvieron una importancia fundamental. Inventó muchos instrumentos electromagnéticos para medir cuantitativamente la intensidad de la corriente, la intensidad del campo magnético y la potencia eléctrica.
En 1855-1856, Maxwell introdujo los conceptos de "campo eléctrico" y "campo magnético" en las líneas del campo magnético de Faraday. Maxwell resumió las leyes de los fenómenos electromagnéticos macroscópicos e introdujo el concepto de corriente de desplazamiento. La idea central de este concepto es: cambiar el campo eléctrico puede producir un campo magnético; cambiar el campo magnético también puede producir un campo eléctrico. Predijo la existencia de ondas electromagnéticas en 1865. En 1873, Maxwell completó su teoría electromagnética unificada en su tratado sobre electricidad y magnetismo.
En aquella época, en Alemania, la gente todavía se aferraba a los conceptos físicos tradicionales de Newton. Las teorías de Faraday y Maxwell dieron una descripción completamente nueva del mundo material, pero iban en contra de la tradición, por lo que no tenían cabida en el corazón de Europa como en Alemania, e incluso fueron consideradas ideas fantasiosas. Esta situación continuó hasta que Hertz descubrió las sospechosas y tan esperadas ondas electromagnéticas.
De 1885 a 1889, Hertz verificó por primera vez de forma exhaustiva la exactitud de la teoría de Maxwell mediante experimentos. Se generaron ondas de radio en el laboratorio, lo que demostró que la radiación de radio tiene propiedades ondulatorias, confirmó por primera vez la existencia de ondas electromagnéticas y midió la longitud de onda y la velocidad. Hertz también confirmó experimentalmente que las ondas electromagnéticas son ondas transversales y tienen características similares a la luz; señaló que la vibración de las ondas de radio y sus características de reflexión y refracción son las mismas que las de las ondas de luz y las de calor. Como resultado, estableció sin lugar a dudas que tanto la luz como el calor son radiación electromagnética.
Debido a que el campo electromagnético puede actuar sobre partículas cargadas con fuerza, una partícula cargada en movimiento se ve afectada tanto por el campo eléctrico como por el campo magnético. Lorentz resumió la fuerza ejercida por el campo electromagnético sobre cargas en movimiento en una fórmula, que se llama fuerza de Lorentz. Las ecuaciones de Maxwell y la fuerza de Lorentz, que describen las leyes básicas de los campos electromagnéticos, forman la base de la electrodinámica clásica.
Ahora se reconoce que los campos electromagnéticos son una forma especial de materia. Las cargas crean un campo eléctrico a su alrededor, que ejerce una fuerza sobre otras cargas. Un imán y una corriente eléctrica crean un campo magnético a su alrededor, que actúa sobre otros imanes y objetos que tienen corriente eléctrica en su interior. El campo electromagnético también tiene energía e impulso y es el medio que transmite la fuerza electromagnética. La fuerza electromagnética penetra en todo el espacio. La gente se da cuenta de que la teoría electromagnética de Maxwell refleja correctamente las leyes de los fenómenos electromagnéticos macroscópicos y afirma que la luz también es una onda electromagnética. Se unificaron la electricidad, el magnetismo y la luz, realizándose la segunda gran síntesis de la física.
7. Uso de ondas electromagnéticas
El campo eléctrico (o campo magnético) de las ondas electromagnéticas cambia con el tiempo y es periódico. La distancia recorrida durante un período de oscilación se llama longitud de onda. El recíproco del período de oscilación, el número de vibraciones (cambios) por segundo, se llama frecuencia. Todo el espectro electromagnético incluye la colección de ondas, luz y rayos, desde ondas de radio hasta rayos cósmicos. Los párrafos con diferentes frecuencias se denominan ondas de radio (3KHz-3000GHz), rayos infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta, rayos X, rayos gamma y rayos cósmicos, es decir, las longitudes de onda son cada vez más cortas y las frecuencias son cada vez más alto.
Las ondas electromagnéticas son ondas transversales que pueden utilizarse para detección, posicionamiento y comunicación. Las más utilizadas son las ondas de radio de menor frecuencia. Los rayos infrarrojos se utilizan para control remoto, cámaras termográficas, guía infrarroja, calentamiento por fuego (radiación térmica) y fenómenos relacionados con los efectos térmicos. La luz visible es la base de la mayoría de las observaciones biológicas; la luz ultravioleta se utiliza para la desinfección médica, la inspección de moneda, la medición de distancias, la detección de defectos de ingeniería, etc. Los rayos X se utilizan en la fotografía por TC desde una perspectiva médica, la detección de defectos de ingeniería y la medición física de estructuras cristalinas; los rayos gamma se utilizan en tratamientos médicos y hacen que los átomos salten para producir nuevos rayos.
Las ondas de radio con frecuencias entre 3KHz y 3000GHz se utilizan principalmente en las comunicaciones y otros campos. La radiodifusión (comúnmente conocida como radio) y la televisión se realizan a través de ondas electromagnéticas. Según las diferentes características de radiodifusión y los diferentes servicios de uso, todo el espectro radioeléctrico se divide en 9 segmentos: muy baja frecuencia (VLF), baja frecuencia (LF), media frecuencia (MF), alta frecuencia (HF), muy alta frecuencia (VHF). ), frecuencia ultra alta (UHF), frecuencia súper alta (SHF), frecuencia extremadamente alta (EHF) y a.
Tabla de división de bandas del espectro de radio
La longitud de onda de frecuencia súper baja (SLF) es de 10000 km (1000 m) a 1000 km, y el rango de frecuencia correspondiente es de 30 Hz ~ 300 Hz. Se utiliza ampliamente en muchos. Aspecto de aplicaciones militares y civiles. Las aplicaciones civiles se utilizan principalmente para tratamientos médicos, exploración de ingeniería, exploración geofísica, investigación sísmica, etc., las aplicaciones militares se utilizan principalmente para el control remoto de armas submarinas y comunicaciones submarinas.
Entre muchas aplicaciones, la comunicación submarina es la más destacada, que puede resolver el problema de la comunicación profunda y de larga distancia entre los puestos de mando costeros y los submarinos marinos. El sistema de comunicación submarina de frecuencia ultrabaja es grande, complejo y altamente técnico. Sólo unos pocos países desarrollados, como Estados Unidos y Rusia, han dominado la tecnología de comunicación submarina de frecuencia ultrabaja.
El rango de longitud de onda de frecuencia súper alta (SHF) es de 10 cm ~ 1 cm, y el rango de frecuencia de onda centimétrica es de 3 GHZ ~ 30 GHZ. Se utiliza ampliamente en comunicaciones y radiodifusión por satélite, teléfonos móviles y sistemas de localización. y alcance inalámbrico 3G-4G. El rango de longitud de onda de frecuencia extremadamente alta (EHF) es de 1 mm a 10 mm, y el rango de frecuencia de onda milimétrica es de 30 a 300 GHz. Se utiliza principalmente en radares meteorológicos, comunicaciones espaciales, radioastronomía, comunicaciones por guía de ondas y sistemas de comunicaciones móviles 5G. Estas dos frecuencias son actualmente las bandas de radio con las que estamos más estrechamente asociados.
En febrero de 1753, "The Scotsman" publicó un artículo en el que el autor proponía una idea audaz de utilizar la corriente eléctrica para la comunicación, que se consideraba una iluminación para la comunicación electromagnética. Más tarde, un sueco desconocido, los hermanos franceses Chape, el diplomático ruso Schilling y los jóvenes británicos Cook, Weber y Gauss hicieron esfuerzos en la telegrafía electromagnética. En 1793, los hermanos franceses Chape establecieron una línea de apoyo de 230 kilómetros de longitud entre París y Lille para transmitir mensajes por retransmisión. En 1833, Weber y Gauss instalaron dos cables de cobre sobre la ciudad de Göttingen y construyeron el primer telégrafo electromagnético, logrando comunicación telegráfica a una distancia de aproximadamente 1,5 km entre el Instituto de Física de la Universidad de Göttingen y el Observatorio.
De hecho, en 1820, Ampere propuso por primera vez el uso de fenómenos electromagnéticos para transmitir señales telegráficas. A finales de 1895, el italiano Guillermo Marconi y el ruso Popov realizaron experimentos de comunicación por radio. En India, Jagdish Chandra Bose utilizó ondas de radio para hacer sonar una campana, lo que provocó una explosión. En 1901, el pionero eléctrico serbio-estadounidense Nikola Tesla dijo que había inventado la telegrafía inalámbrica en 1893. A mucha gente no le convencerá Marconi, el padre de la radio. No es de extrañar que la información estuviera poco desarrollada en aquella época, y era normal realizar experimentos similares en otros lugares, sólo que Marconi tenía una mayor conciencia de los derechos de propiedad intelectual (fue el primero en obtener una patente) y una mejor publicidad; El 14 de abril de 1913, cuando el Titanic chocó contra un iceberg, la Compañía Marconi, que contaba con buenas comunicaciones, rescató y recibió a 700 supervivientes. Hoy en día, los teléfonos móviles, la radiodifusión, la previsión meteorológica, la industria aeroespacial, etc. son inseparables de las comunicaciones por radio.
8. Post-secuencia
Como todos los procesos cognitivos, la comprensión de los seres humanos sobre la forma del movimiento electromagnético se profundiza gradualmente desde lo especial a lo general, desde el fenómeno a la esencia. La comprensión de los fenómenos electromagnéticos por parte de las personas es un proceso que abarca desde aspectos especiales como la electrostática, la magnetostática y las corrientes casi estacionarias hasta los cambios generales del movimiento.
En los primeros días del desarrollo del electromagnetismo, la gente se dio cuenta de que existían fuerzas entre cuerpos cargados y entre polos magnéticos, pero el concepto de "campo" introducido como medio para describir esta fuerza no fue generalmente aceptado. como existencia objetiva. Ahora la gente se ha dado cuenta claramente de que el campo electromagnético es una forma de materia que puede interactuar con toda la materia cargada para producir diversos fenómenos electromagnéticos.
El movimiento del campo electromagnético en sí obedece a la ley de fluctuación. Este campo electromagnético que cambia en forma de fluctuación se llama onda electromagnética. En la era de la información, los campos electromagnéticos y las ondas electromagnéticas se utilizan en todas partes. La teoría del campo electromagnético utiliza un lenguaje matemático exquisito para describir leyes físicas objetivas y revela la existencia objetiva de campos y ondas mediante la resolución de ecuaciones matemáticas.
Debemos agradecer a todos los científicos que han contribuido a las ondas electromagnéticas y las teorías relacionadas: Gilbert, Franklin, Epinus (1724-1802, un físico alemán que intentó por primera vez integrar sistemas matemáticos en la aplicación básica de la teoría electromagnética. Sus experimentos llevaron al diseño de condensadores de placas paralelas y al descubrimiento de las propiedades eléctricas del mineral turmalina), Coulomb, Cavendish, Ampere, Gauss, Ohm, Biot, Savard, Oersted, Faraday, Henry, Joule, Roland, Kirchhoff, Maxwell, Havisha, Lorenz, Hertz, Kelvin, Marconi, Tesla, Popov. Su fructífero trabajo ha hecho grandes contribuciones al avance de la teoría electromagnética y las tecnologías relacionadas, y continúa promoviendo el progreso y el desarrollo de la sociedad humana.