Lankide:Ainhoa.fp/Proba orria

Eremu elektromagnetikoa

Eremu elektromagnetikoa da karga elektriko higikorren abiadura-aldaketak eragindako espazioaren propietatea. Pausagunean dagoen karga batek eremu elektriko bat sortzen du bere inguruko espazioan.  Aldiz, karga higikorrek, hots, korronte elektrikoek, eremu magnetikoa sortzen dute. Bada, eremu elektromagnetikoa eremu magnetikoaren eta elektrikoaren arteko konbinazio baten bidez sortzen da.  

Erradiazio elektromagnetikoa perpendikularrak diren eremu elektrikoaren eta magnetikoaren konbinazioa da.

Eremu elektromagnetikoa bi eremu bektorialez osatuta dago, hau da, eremu horiek definitzen dituzten bi bektoreek espazioko puntu bakoitzean eta une batean balio jakin bat dute. Pausaguneko kargek eta korronteek eremu magnetikoarekin duten elkarrekintza Maxwellen ekuazioen eta Lorentzen indarraren legearen bitartez deskribatzen da.

Hainbat tokitan topatzen da eremu elektromagnetikoa; horietako zenbait naturan bertan aurkitzen dira: Eguzkiaren erradiazioa edota Lurraren beraren eremu magnetikoa, adibidez.  

Historia

James Clerk Maxwell zientzialaria, eremu elektromagnetikoa deskribatzen duten ekuazioen egilea.

Antzinatik dator elektrizitatearen eraginaren behaketa, bereziki atmosferako tximistena. Hala ere, antzinako ikerlariek ez zuten elektrizitateari buruzko informazio nahikoa.

XVII. eta XVIII. mendeen artean zenbait zientzialarik eremu elektrikoa eta magnetikoa aztertu zituzten, bakoitza bere aldetik, eta egindako esperimentuekin ondorio zehatz batzuk lortu zituzten.  

Aurrerapen garrantzitsua Hans Christian Ørsted zientzialari danimarkarrak lortu zuen XIX. mendean: eremu magnetiko eta elektrikoa erlazionatuta zeudela ikusi zuen. Haren aurkikuntza baliatuz, XIX. mendearen bukaeran, beste zientzialari batek, James Clerk Maxwellek, eremu elektrikoa eta magnetikoa batera deskribatzen zituzten ekuazioak argitaratu zituen. Oso ezagunak diren Maxwellen ekuazioek agerian utzi zuten eremu elektrikoa eta magnetikoa eremu elektromagnetiko bakarraren manifestazio zirela.  

Hala ere, Maxwellek fenomeno elektrikoa eta magnetikoa erlazionatzen zituzten ekuazioak argitaratu aurretik, beste hainbat zientzialari gai honen inguruan lanean egonak ziren. Gainera, Maxwellen ekuazio ospetsu hauek nolabait, besteak beste, André-Marie Ampère eta Michael Faraday zientzialarien lanaren laburpen edo ondorioa izan ziren.

Eremu elektromagnetikoaren jatorria

Eremu elektromagnetikoa da kargen mugimenduaren ondorioz sortzen den fenomenoa. Hori ulertzeko bai eremu elektrikoaren, bai magnetikoaren jatorriak ulertu behar dira.

Eremu elektrikoa

Eremu elektrikoa karga puntual batek espazioko eremu batean sortzen duen perturbazioa da. Lehenengo karga horrek eragiten duen espazio horretan probazko beste karga unitarioa bat kokatuko bagenu, bigarren karga honek jasango lukeen indarra adierazten du, hain zuzen, eremu elektrikoak. Matematikoki eremu elektrikoa bektore gisa idazten dugu: ${\vec {E}}$ .

Eremu elektrikoaren adierazpena azpian ageri dena da, eta ikus daiteke distantziaren karratuarekiko alderantzizko proportzionala dela.

${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q}{r^{2}}}{\hat {\vec {r}}}}$

Eremua elektrikoan karga bat kokatuko bagenu, azken honek indar bat jasango luke. Hurrengo formulan ikus dezakegu indarraren eta eremu elektrikoaren arteko erlazioa.  

${\vec {F}}=q\cdot {\vec {E}}$

Hala ere, karga elektrikoak ez dira eremu elektrikoen sortzaile bakarrak. Eremu magnetiko aldakorrek ere sorrarazten dituzte eremu elektrikoak.

Eremu magnetikoa

Eremu magnetikoa, eremu elektrikoarekin batera, eremu elektromagnetikoaren osagaietako bat da.Eremu magnetikoaren iturri izan daitezke imanak, korronte elektrikoak eta eremu elektriko aldakorrak. Eremu magnetikoa dagoen espazioan garatzen dira soilik indar magnetikoak.

Eremu elektrikoa karga elektrikoak sortua bada ere, eremu magnetikoan ez dugu karga magnetikorik, poloak baizik. Eremu-lerroak polo batetik ateratzen dira (polo positibotik edo Ipar polotik) eta bestean sartzen dira (polo negatiboan edo Hego poloan). Karga higikor batek sortutako eremuaren adierazpenean kargaren abiaduraren zuzenki proportzionala izateaz gain, distantziarekiko alderantziz proportzionala da.

${\displaystyle {\vec {B}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {(q{\vec {v}})\times {\hat {\vec {u}}}_{r}}{r^{2}}}}$

Karga higikorrek edo korronte elektrikoek sortzen duten eremuak beste karga edo korronte batengan eragin dezake. Honako hau da indar magnetikoaren ekuazioa karga higikorraren zein korronte elektrikoaren kasuetarako:

${\vec {F}}=q\cdot {\vec {v}}\times {\vec {B}}=I{\vec {L}}\times {\vec {B}}$

Azkenik, partikula baten gainean eragiten duen indar elektromagnetikoa, indar elektriko eta magnetikoaren baturaren berdina dugu.

${\vec {F}}=q{\vec {E}} q({\vec {v}}\times {\vec {B}})$

Maxwellen ekuazioak

Maxwellen ekuazioen bidez, barne hartzen dira eremu magnetiko, eremu elektriko, karga elektriko eta korronte elektrikoaren arteko elkarrekintza guztiak, hau da, ekuazio horien bidez fenomeno elektromagnetiko guztiak deskriba daitezke.  Elektromagnetismoaren oinarria dira eta elektromagnetismo osoa bertatik ondoriozta daiteke.

James Clerk Maxwell fisikariak aurkeztu zituen ekuazio horiek, baina hura aurretiaz garaturik zeuden hainbat lege esperimentaletan oinarritu zen horretarako: Coulomben, Ampèreren, Øersteden eta Faradayren legeetan, besteak beste.

Ondorengoak dira Maxwellen ekuazioak:

Gaussen legea:

$\nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}$, non E eremu elektrikoa, ρ karga dentsitate bolumetrikoa eta ε₀ permitibitate elektrikoa diren.

Gaussen legea magnetismorako (monopolo magnetikoaren existentzia eza)

$\nabla \cdot \mathbf {B} =0$, non B eremu magnetikoa den.

Faradayren indukzio legea

$\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$, non E eremu magnetikoa eta B eremu elektrikoa diren.

Ampére-Maxwell legea

$\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} \mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$, non B eremu magnetikoa, J korronte-dentsitatea, ε₀ permitibitate elektrikoa hutsean, μ₀ iragazkortasun magnetikoa eta E eremu elektrikoa diren.

Eremu elektromagnetikoaren propietateak

Eremu elektromagnetikoa uhinetan hedatzen da eta uhin horiek hurrengo funtsezko propietateak dituzte:

• Hedapen-abiadura: Eremu elektromagnetikoa hutsean zabaltzen bada, argiaren abiadurarekin hedatzen da, c abiadurarekin, alegia.  Abiadura hori hutseko permitibitatearen eta hutseko eremu magnetikoaren iragazkortasunaren menpe dago: $c={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\epsilon _{0}}}}$. Hutsean beharrean beste edozein ingurunetan hedatzen bada, uhinaren abiadura hurrengo eran emanda dago: $v={\frac {1}{\sqrt {\mu \epsilon }}}$

• Uhin elektromagnetikoek zeharkako izaera dute, hau da, eremu elektrikoa eta magnetikoa elkarren perpendikularrak dira eta, aldi berean, uhinaren hedapen norabidearekiko ere perpendikularrak dira. Adibidez, ${\vec {E}}$ eremu elektrikoa ${\hat {X}}$ ardatzean hedatzen bada eta ${\vec {B}}$ eremu magnetikoa ${\hat {Y}}$ ardatzean, uhina ${\hat {Z}}$ ardatzean hedatuko da, ${\hat {k}}={\hat {i}}\times {\hat {j}}$ hain zuzen ere. Hau da, eremu bektorialen biderketa bektorialaren bidez lortzen dugu uhin elektromagnetikoaren hedapen-norabidea, ${\vec {k}}$ .

• Eremu elektrikoa eta magnetikoa fase berean daude, hots, bi eremuen balio maximo eta minimoak puntu berean gertatzen dira. Hori dela eta, eremu elektrikoa eta magnetikoa uhin elektromagnetiko harmoniko lau batez deskribatzen dira, hurrengo irudian ikus dezakegun bezala:

Eremu elektromagnetikoaren hedapena.

• Uhin elektromagnetiko baten maiztasuna uhinak segundoko osatzen dituen zikloen kopurua da. Hertz (Hz) unitatetan neurtzen da. Maiztasuna uhinen energiari lotuta dago: zenbat eta maiztasun handiagoa izan, orduan eta handiagoa izango da lotutako fotoiaren energia. Frekuentziaren adierazpena hurrengoa da: $f={\frac {v}{\lambda }}$ $f={\frac {1}{T}}$
• Uhin-luzera bi gailur jarraituen arteko distantzia da eta propagazio-abiadurarekin lotuta dago adierazpen honen bidez: $\lambda ={\frac {v}{f}}$

Aurretik aipatutako bi terminoak,  frekuentzia eta uhin-luzera, erlazionatuta daude. Beraz, bietako batean oinarritu gaitezke uhin elektromagnetikoen sailkapena egiteko. Zazpi uhin elektromagnetiko mota bereiz ditzakegu: irrati-uhinak, mikrouhinak, infragorriak, argi ikusgarria, ultramorea, X izpiak eta gamma izpiak. Horiek guztiek espektro elektromagnetikoa osatzen dute.

Espektro elektromagnetikoa

• Uhin elektromagnetikoen beste propietateetako bat hurrengoa da: nahiz eta uhin elastikoak (soinu-uhinak, soketako uhinak…)  ingurune bat behar duen transmititzeko, uhin elektromagnetikoek ez dute zertan material euskarririk behar, hots, hutsean heda daitezke.
• Eremu elektromagnetikoak gainezarmen printzipioa betetzen du, hau da, espazioko puntu batean eremu elektromagnetiko bat baino gehiago badaude, puntu horretako eremu totala haien batura bektoriala izango da. Hori funtsezkoa da uhin elektromagnetikoen interferentzia ulertzeko. Izan ere, interferentzia honek eraikitzailea edo suntsitzailea izan daiteke.

Aplikazioak eguneroko bizitzan

XIX. mendean elektrizitatearen zein elektromagnetismoaren arloan jazo ziren aurkikuntzen ondorioz, aurrerapauso handiak eman ziren eguneroko bizitzako zenbait aplikaziotan eta teknologiaren garapenean. Halaber, gaur egun ere oso presente dago elektromagnetismoa gure bizitzetan.

Arestian aipatu modura, gaur egun ere, eremu elektromagnetikoaren aplikazioa oso zabala zein garrantzitsua da teknologian, eta hainbat arlotan erabiltzen da. Jarraian zenbait adibide:

Komunikazioa

Komunikaziorako erabiltzen ditugun hainbat tresnaren funtzionamendurako erabiltzen da eremu elektromagnetikoa; esaterako, sakelako telefonoan.

Telefono mugikorrak elkarren artean komunikatzeko transmisore baten bidez baliatzen dira, hots, transmisorea da bitartekaria. Telefono mugikorraren eta transmisorearen arteko harremana, ordea, uhin elektromagnetikoen bidezkoa da. Bestetik, berriz, sakelako telefonoa estaldurarik gabe egongo da ez badu uhin elektromagnetikorik jasotzen inguruko transmisoreetatik.

Automobilgintza

Automobilak zenbat eta arinagoak izan, orduan eta erregai gutxiago kontsumituko dute . Horregatik, automobilgintzan, besteak beste, automobilen pisua murriztuko duten materialak eta prozesuak  garatzen dihardute. Bide horretan, eremu elektromagnetikoaren aplikazio bat erabiltzen da: metalen deformazio elektromagnetikoa. Teknika horretan eremu elektromagnetikoa erabiltzen da metalei forma emateko.

Prozesu horren oinarrizko osagaiak hauek dira: kondentsadore-bankua, bobina elektromagnetikoa eta txapa metalikoa.

Etxeko gailu elektrikoak

Ondorengo tresnek eremu elektromagnetikoaren bidez funtzionatzen dute: mikrouhin labeak, telebistak, hozkailuak, etab.

Mikrouhin labeak, adibidez, uhin elektromagnetikoak igortzen ditu eta hauek elikagaien osagai diren ur-molekulak dardararazten dituzte; horrela, elikagaiak azkartasunez berotzen dira.   

Ikus gainera

• Eremu elektrikoa
• Eremu magnetikoa
• Maxwell-en ekuazioak