电磁能：公式，方程式，用途，示例 - 物理 - 2025

的电磁能量是一种通过电磁波（EM）差。例如，辐射热量的太阳光，从电源插座提取的电流以及产生X射线的X射线。

就像声波振动耳膜一样，电磁波也能够传递能量，这些能量随后可转换为热量，电流或各种信号。

图1.天线在电信中是必需的。他们使用的信号具有电磁能。资料来源：

电磁能在材料介质和真空中均以横波的形式传播，利用它并​​不是什么新鲜事物。阳光是电磁能的主要来源，也是已知最早的来源，但是使用电的时间最近。

直到1891年，爱迪生公司才在华盛顿白宫启用了第一套电气设备。这是对当时使用的基于气体的灯的补充，因为起初人们对它们的使用持怀疑态度。

事实是，即使在最偏远的地方并且缺少电力线，不断从太空中到达的电磁能仍继续保持我们所谓的宇宙家园的动态。

公式和方​​程式

电磁波是横向波，其中电场E和磁场B彼此垂直，并且波的传播方向垂直于电场。

所有波都以其频率为特征。正是EM波的频率范围很广，这使它们在转换其能量时具有多功能性，与频率成正比。

图2显示了一个电磁波，其中蓝色的电场E在zy平面内振荡，红色的磁场B在xy平面内振荡，而波速沿轴方向+ y，根据所示的坐标系。

图2.入射在表面上的电磁波根据Poynting矢量传递能量。资料来源：F. Zapata。

如果在两个波的路径中都插入一个表面，例如面积为A且厚度为dy的平面，使其垂直于波速，则通过以下方式描述每单位面积的电磁能通量，记为S从Poynting向量：

在国际系统中，很容易检查S的单位为Watt / m ²。

还有更多。E和B场的大小与光速c相关。实际上，真空中的电磁波传播得很快。这种关系是：

将这个关系代入S，我们得到：

坡印廷矢量以正弦形式随时间变化，因此上面的表达式是它的最大值，因为电磁波传递的能量也会像场一样振荡。当然，振荡的频率非常大，因此例如不可能在可见光下检测到它。

应用领域

在我们已经提到的电磁能的许多用途中，这里提到了两种在许多应用中连续使用的用途：

偶极天线

天线无处不在，充满电磁波。有一些发射器，它们可以将电信号转换为例如无线电波或微波。还有一些接收器，它们做相反的工作：它们收集波并将其转换为电信号。

让我们看看如何创建一个从电偶极子在空间中传播的电磁信号。偶极子由两个大小相等且符号相反的电荷组成，相距一小段距离。

下图是电荷+高于上方时的电场E（左图）。E指向所显示的点。

图3.偶极子在两个不同位置的电场。资料来源：兰德尔·奈特。科学家和工程师物理学。

在右图3中，偶极子改变了位置，现在E指向上方。让我们以频率f多次重复此更改，非常快速。以这种方式，产生了随时间变化的磁场E，产生了磁场B，该磁场也是可变的并且其形状为正弦曲线（参见图4和下面的示例1）。

而且，由于法拉第定律确保随时间变化的磁场B产生电场，事实证明，通过振荡偶极子，一个已经具有能够在介质中传播的电磁场。

图4.偶极天线产生一个携带电磁能的信号。资料来源：F. Zapata。

请注意，B交替指向或指向屏幕之外（始终垂直于E）。

电场能量：电容器

电容器的优点是可以存储电荷，因此可以存储电能。它们是许多设备的一部分：电动机，无线电和电视电路，汽车照明系统等等。

电容器由相距一小段距离的两条导体组成。每个电荷都被赋予相等大小和相反符号的电荷，从而在两个导体之间的空间中产生一个电场。几何形状可以变化，这是平行平板冷凝器的几何形状。

储存在电容器中的能量来自为它充电的功，它在里面产生了电场。通过在板之间引入介电材料，电容器的容量增加，因此电容器可以存储的能量增加。

容量为C且最初放电的电容器由提供电压V的电池充电直至达到电荷Q，该电容器存储的能量U为：

U =½（Q ² / C）=½QV =½CV ²

图5.扁平平行板电容器存储电磁能。资料来源：维基共享资源。极客3。

例子

示例1：电磁波强度

以前曾说过，珀因廷向量的大小等于波对每平方米表面传递的功率，并且由于向量是时间相关的，因此其值振荡到最大S = S =（ 1 /μ _或.c）E ²。

波的一个周期中的S平均值很容易测量，并表示波的能量。该值称为波强度，其计算方式如下：

电磁波由正弦函数表示：

其中E _o是波的振幅，k是波数，ω是角频率。所以：

图5.天线以球形辐射信号。资料来源：F. Zapata。

示例2：应用于发射天线

有一个无线电台，它发射功率为10 kW且频率为100 MHz的信号，该信号以球形方式扩展，如上图所示。

发现：a）距天线1 km处的点处的电场和磁场的振幅； b）在5分钟的时间内落在10 cm侧方板上的总电磁能。

数据是：

解决方案

示例1中给出的方程式用于查找电磁波的强度，但首先必须在国际系统中表达该值：

然后将这些值在等式中替换为强度，因为它是一个在各处发射相同强度的光源（各向同性光源）：

先前有人说E和B的大小与光速有关：

B =（0.775 /300.000.000）T = 2.58 x 10 ^-9 T

解决方案b

S _表示每单位面积的功率，而功率又是每单位时间的能量。将_平均值 S乘以印版面积并乘以曝光时间，即可获得所需的结果：

U = 0.775 x 300 x 0.01焦耳= 2.325焦耳。

参考文献

1. Figueroa，D.（2005年）。系列：科学与工程物理。第6卷。电磁学。由Douglas Figueroa（USB）编辑。307-314。
2. ICES（国际电磁安全委员会）。电磁能事实和定性视图。取自：ices-emfsafety.org。
3. Knight，R.，2017年。《科学家与工程物理：一种策略方法》。皮尔森 893-896。
4. 波特兰州立大学。电磁波传输能量。取自：pdx.edu
5. 什么是电磁能？为什么重要？从以下网站恢复：sciencestruck.com。