In der Physik ist die Energie des elektromagnetischen Feldes die Energie, die das elektromagnetische Feld in einem bestimmten Raumbereich speichert, und wird durch die Summe der mit dem elektrischen Feld und dem magnetischen Feld verbundenen Energien gebildet.
Diese Definition umfasst auch Sonderfälle rein elektrischer und rein magnetischer Felder.
Bei elektromagnetischen Wellen sind diese beiden Größen immer gleich und es ist zweckmäßig, mithilfe des Poynting-Vektors über den Energiefluss zu sprechen, den die Welle in der Zeiteinheit durch eine Oberfläche transportiert.
Zur elektromagnetischen Energie gehört auch die Energie elektromagnetischer Wellen; Aus diesem Grund wird sie auch Strahlungsenergie genannt.
Was ist eine elektromagnetische Welle?
Elektromagnetische Wellen sind eine Folge der Schwingungen, die zwischen magnetischen und elektrischen Feldern entstehen. Sie entstehen auch durch oszillierende magnetische und elektrische Felder.
Elektromagnetische Wellen breiten sich mit einer elektrischen und magnetischen Komponente im Raum aus. Die magnetischen und elektrischen Felder einer Welle stehen senkrecht zueinander und zur Wellenrichtung. Diese Komponenten schwingen im rechten Winkel zueinander und zur Wellenausbreitungsrichtung.
Die Menge elektromagnetischer Wellen, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 3,00 x 10 8 m/s durch Materie oder im Vakuum ausbreiten, wird elektromagnetische Strahlung genannt. Elektrische und magnetische Felder können ihren Weg nicht ändern, aber sie können Störungen zeigen.
Arten elektromagnetischer Energie
Es gibt verschiedene Arten elektromagnetischer Energie. Elektromagnetische Wellen werden nach ihrer Frequenz und Wellenlänge, also ihrem elektromagnetischen Spektrum, klassifiziert.
Nach dieser Klassifizierung gibt es folgende Arten elektromagnetischer Energie:
Lichtenergie
Lichtenergie ist eine Form elektromagnetischer Energie, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Es kommt in einem Wellenlängenbereich von etwa 380 Nanometern (violett) bis 750 Nanometern (rot) vor. Unterschiedliche Farben entsprechen unterschiedlichen Wellenlängen und Energien.
Ultraviolette (UV) Strahlung
Ultraviolette Strahlung befindet sich im elektromagnetischen Spektrum knapp oberhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts und hat kürzere Wellenlängen als Violett. Es kann bei längerer Exposition schädlich für die menschliche Haut sein und wird in Anwendungen wie Sterilisation und Fluoreszenzdetektion eingesetzt.
Infrarotstrahlung (IR)
Infrarotstrahlung liegt knapp unterhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts und ist länger als rot. Es ist für seine Fähigkeit zur Wärmeübertragung bekannt und wird in Anwendungen wie Temperatursensoren, Nachtsichtkameras und Fernbedienungen eingesetzt.
Mikrowelle
Mikrowellen haben längere Wellenlängen als Infrarotstrahlung und werden in der Mikrowellenkommunikationstechnologie verwendet, beispielsweise in der Satellitenkommunikation und in Mikrowellenherden.
Radiofrequenz (RF)
Hochfrequenzwellen haben noch längere Wellenlängen als Mikrowellen und werden in einer Vielzahl von Kommunikationsanwendungen eingesetzt, vom AM/FM-Radio bis hin zu drahtlosen Netzwerken und der Mobilkommunikation.
Röntgenstrahlen
Röntgenstrahlen sind eine Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als ultraviolettes Licht. Sie werden in medizinischen Anwendungen verwendet, um Bilder von inneren Strukturen des Körpers zu erhalten, sowie in verschiedenen Industrie- und Forschungsanwendungen.
Gamma Strahlen
Gammastrahlen sind die energiereichste Form elektromagnetischer Strahlung mit extrem kurzen Wellenlängen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Materialien zu durchdringen und subatomare Partikel aufzuspüren, werden sie in der Nuklearmedizin und Kernforschung eingesetzt.
Beispiele für elektromagnetische Energie
Elektromagnetische Energie manifestiert sich durch viele Energiequellen. Einige davon sind natürlichen Ursprungs, wie zum Beispiel Sonneneinstrahlung, andere sind künstlichen Ursprungs, wie zum Beispiel Mikrowellenherde.
Nachfolgend stellen wir einige Beispiele vor, bei denen elektromagnetische Energie auftritt:
Magnetschwebebahnen
Bei dieser Art von Zügen handelt es sich um schwebende Züge, die dank der Kraft, die von starken Elektromagneten ausgeübt wird, gehalten werden. Wenn diese Elektromagnete mit elektrischem Strom betrieben werden, erhöht sich die Intensität des Magnetfelds und erzeugt eine Abstoßungskraft zwischen den Waggons und der Metallschiene.
Elektrische Transformatoren
Elektrische Transformatoren sind Geräte, mit denen die Spannung eines elektrischen Stroms variiert werden kann. Es basiert auf zwei Spulen (der Primär- und der Sekundärspule), die aus einem leitenden Draht bestehen, der um einen Eisenkern gewickelt ist.
Wenn Wechselstrom in die Primärspule eindringt, erzeugt er ein Magnetfeld, das die Sekundärspule aktiviert. Das von der zweiten Spule empfangene Magnetfeld erzeugt einen elektrischen Ausgangsstrom.
Wenn die Anzahl der Drahtwindungen zwischen Primär- und Sekundärspule unterschiedlich ist, ist die Ausgangsspannung unterschiedlich.
Elektrische Transformatoren dienen beispielsweise dazu, Hochspannungsstrom an die Spannung anzupassen, die in unseren Häusern herrscht.
Elektromotoren
Motoren sind Geräte, die elektrische Energie in mechanische Energie, also in Bewegung, umwandeln können. Dabei wird Strom durch Rotor und Stator in elektromagnetische Energie umgewandelt.
Der Rotor, der das bewegliche Teil darstellt, besteht aus Spulen, die zwischen den Polen eines Permanentmagneten im Stator angeordnet sind. Das erzeugte elektromagnetische Feld sorgt dafür, dass sich der Rotor mit konstanter Geschwindigkeit dreht.
elektrische Generatoren
Diese Art von Geräten funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie Elektromotoren, jedoch in entgegengesetzter Richtung. In diesem Fall erhält der Generator mechanische Arbeit, die den Rotor dreht und so ein elektromagnetisches Feld erzeugt, aus dem Strom gewonnen wird.
Mikrowellen
Mikrowellenöfen können Lebensmittel erhitzen, indem sie elektromagnetische Wellen erzeugen und konzentrieren. Diese Wellen ähneln denen, die Funkkommunikation ermöglichen.
Allerdings haben sie in diesem Fall eine höhere Frequenz, die die Nahrungsdipole mit sehr hoher Geschwindigkeit umwandelt. Die Bewegung dieser Partikel erzeugt kinetische Energie, die das Essen erhitzt.
Magnetresonanztomographie
Die Magnetresonanztomographie ist eine Anwendung der Nuklearmedizin zur nichtinvasiven Untersuchung des Patienten. Die Gewinnung dieser Bilder, die zur Diagnose von Krankheiten verwendet werden, erfolgt durch die Emission von Wellen mit elektromagnetischer Energie.
Grundlegendes Konzept
Zusätzlich zu elektromagnetischen Wellen ist es notwendig, einige grundlegende Aspekte zu kennen
elektrische Ladung
Elektrische Ladung ist die Menge an elektrischer Energie, die von einem Teilchen oder Objekt getragen wird, und ist eine physikalische Größe, die bestimmt, wie stark sich das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes darauf auswirkt.
Elektrischer Strom
Durch die Bewegung elektrischer Ladungen entsteht ein elektrischer Strom. Es gibt zwei Arten elektrischer Grundladungen: Elektronen mit negativer Ladung und Protonen mit positiver Ladung.
Magnetismus
Magnetismus ist eine Abstoßungs- oder Anziehungskraft, die elektrisch geladene Teilchen aufeinander ausüben.
Elektromagnetisches Feld
Das elektromagnetische Feld wird durch elektrisch geladene Elemente verursacht, die das Verhalten anderer geladener Teilchen im Satz elektrischer und magnetischer Felder beeinflussen.