ELEKTROMAGNETNA ZRAENJA 1 Spektar EM zraenja 2 Elektromagnetni

ELEKTROMAGNETNA ZRAČENJA 1

�Spektar EM zračenja: 2

• Elektromagnetni talasi mogu da se prenose kako u materijalnoj sredini tako i u vakuumu. • EM polje predstavlja periodično oscilovanje vektora jačine električnog i magnetnog polja kao posledica ubrzanog ili harmonijskog kretanja naelektrisanja. • Prva ispitivanja i prvi zakoni EM talasa nastali su za vidljivu svetlost, a kasnije prošireni za infracrvenu i ultraljubičastu oblast spektra; 3

• Prema prirodi nastajanja postoje: • EM talasi električne prirode (radio talasi, mikro talasi) – makroskopska zračenja. • EM talasi kvantne prirode (od IC do kosmičkih zraka) – mikroskopska zračenja. • I jedni i drugi su posledica ubrzanog kretanja nalelektrisanja. • Makroskopska zračenja potiču od ubrzanog naelektrisanja suda gde postoji naizmenična struja. • Mikroskopska zračenja su posledica kvantnih skokova elektrona u atomu i posledica radioaktivnih transformacija jezgra. • Sa stanovišta zaštite od EM zračenja bitno je upoznati se sa osnovnim veličinama: jačine električnog polja, jačina magnetnog polja, frekvencija oscilovanja, energija, intenzitet polja. . . 4

• EM spektar se može podeliti na: • EM talasi električne prirode (radio talasi, mikro talasi) • EM talasi kvantne prirode (od IC do kosmičkih zraka): • Nejonizujuća zračenja: IC, VIS UV • Jonizujuća: X, GAMMA, COSMIC RAYS. 5

6

7

8

9

ELEKTROSTATIČKO POLJE. KULONOV ZAKON • Svako naelektrisanje ( koje miruje) stvara oko sebe posebno fizičko stanje – elektrostatičko polje → koje se ogleda u njegovom dejstvu na drugo naelektrisanje koje je uneto u to polje – Elektrostatička sila. • Precizna zavisnost interakcije dva tačkasta naelektrisanja q 1 i q 2 koja se nalaze na nekom međusobnom rastojanju r je data Kulonovim zakonom: - dielektrična konstanta vakuuma • Dielektrična propustljivost bilo koje sredine: • εr – relativna delektrična permabilnost, za vakuum εr=1. 10

JAČINA POLJA • Telo koje ga je stvorilo, putem ovog polјa, deluje na druga tela koja se pojave u prostoru oko njega, odnosno u njegovom polјu. (obično ih zovemo probna ili test-tela). • Veličina koja karakteriše elektrostatičko polje je jačina polja. • Jačina električnog polјa definiše kao odnos Kulonove sile i naelektrisanja tela koje se nalazi u njegovom polju: • Pri tom se smatra da je nalektrisanje toliko malo da ne utične na raspodelu naelektrisanja koje stvara polјe. • Jačina polja predstavlja se linijama sila, čija gustina zavisi od jačine polja. 11

ELEKTRIČNA INDUKCIJA • Unošenjem neutralnog provodnika u električno polje → razdvajaju se naelektrisanja pod dejstvom polja– elektrostatička indukcija. • Za tačkasto naelektisanje jačina polja jednaka je: → električna indukcija - broj linija sila po jedinici površine – jedinica (C/m 2) 12

ELEKTRIČNI POTENCIJAL • Fizička veličina koja ne zavisi od naelektrisanja q koje smo uneli u polјe naziva se električni potencijal φ - definisan kao potencijalna energija po jedinici naelektrisanja. • Potencijal neke tačke u polju jednak je izvršenom radu koji je potreban da se neko jedinično nalektrisanje prenese iz beskonačnosti u tu tačku polja. 13

ELEKTRIČNI POTENCIJAL U UNOFORMOM ELEKTRIČNOM POLJU • Polјe između dve nelektrisane ploče potencijala φB i φA jačine na rastojanju d. • Rad za pomeranje naelektrisanja iz tačke A u tačku B: , a kako je: • Rad sile paralelne pomeranju tela: • Смер јачине поља прати смер опадања потенцијала (φB <φА ) – позитивна полоча је на вишем потенцијалу од негативне. 14

KONDENZATORI • Što je više naelektrisanja na pločama, • linije polјa su gušće i ono je jače Е ~ Q • Kako je: U=Ed Q~ U. • Veličina koja je srazmerna količini naelektrisanja na kondenzatoru – kapacitivnost kondenzatora C : • Kapacitivnost kondenzatora sa ravnim pločama – površine S, na rastojanju d: • Energija ovakvog kondezatora: Iz gde je V=Sd - gustina energije. 15

OMOV ZAKON • Količina naelektrisanja q koja se prenese kroz poprečni presek provodnika u jedinici vremena t - jačina električne struje I : • Ako se količina naelektrisanja menja sa vremenom: . • Omov zakon: 16

ELEKTRIČNI DIPOL • Dipol: sistem dva jednaka tačkasta naelektrisanja suprotnog znaka koji se nalaze na malom rastojanju. • Potencijal dipola: • Za malo rastojanje: • Ako je: • Proizvod q∙ 2 a=M – moment dipola. • Ako se moment menja po nekom harmonjskom zakonu: oko dipola nastaje EM polje dipol antena→ izvor EM zračenja. 17

MAGNETNO POLJE • Naelektrisanje koje se kreće stvara magnetno polje. • Veličine koje karaterišu magnetno polje su jačina magnetnog polja i indukcija magnetnog polja : -magnetna permabilnost vakuuma. • Magnetna permabilnost bilo koje sredine: , μr – relativna permabilnost sredine. • Gustina linija sila ukazuje na intenzitet magnetne indukcije. 18

MAGNETNO POLJE STRUJNOG PROVODNIKA • Električna struja koja protiče kroz provodnik stvara oko njega magnetno polje. Bio-Savarov zakon • Magnetna indukcija beskonačnog pravog provodnika na rastojanju r: 19

SILA IZMEDJU DVA STRUJNA PROVODNIKA • Sila ( , ) kojom 1. provodnik deluje na 2. provodnik jednaka je (shodno trećem Nјutnovom zakonu) sili kojom provodnik 2 deluje na provodnik 1 • Sila izmedju dva provodnika na rastojanju r: 20

ELEKTROMAGNETNA INDUKCIJA • Stacionarna naelektrisanja stvaraju oko sebe električno polјe. • Nalektrisanja u kretanju, osim toga stvaraju i magnetno polјe. • Ispostavilo se da i promene u magnetnom polјu izazivaju stvaranje električnog polјa → elektromagnetna indukcija. • Indukcija nastaje kada se desi bilo kakva promena u fluksu magnetnog polјa Φ koji je definisan izrazom: . • gde je B jačina magnetnog polјa na površinu S, a θ ugao između vektora polјa i normale na posmatranu površ. 21

• Promena veličine ili smera magnetnog polјa, stvara elektromotornu silu. • Indukovana elektromotorna sila zavisi od samo nekoliko faktora: - proporcionalna promeni fluksa ΔΦ - obrnuto proporcionalna vremenu Δt pri kojem se ta promena izvrši • Faradejev zakon elektromagnetne indukcije: • “-” usled Lencovog pravila: indukovana elektromotorna sila dovodi do struje u provodnoj konturi koja ima takvo polјe da ono kompenzuje promenu u fluksu ΔΦ koja je dovela do njenog stvaranja. 22

INDUKTIVNOST KALEMA • Ukoliko postoji N namotaja u kojima se indukuje elektromotorna sila, ona će biti upravo toliko puta veća u odnosu na elektromotornu silu koja se indukuje u jednom namotaju. • Kako je indukcija kalema: • L - induktivnost kalema. • Energija kalema: Iz gde je V=Sd - gustina energije kalema. 23

ELEKTRIČNE I ELEKTROMAGNETNE OSCIL ACIJE ELEKTRIČNE OSCILACIJE • Nastajanje elektromagnetnih oscilacija je posledica nastajanja električnih oscilacija. • Kao i mehaničke oscilacije, električne oscilacije takodje mogu bit: , slobodne prigušene i prinudne. 24

• Slobodne neprigušene električne oscilacije • Preklopnik u položaju 1 → punjenje kondenzatora: • Preklopnik u položaju 2 → pražnjenje kondenzatora preko kalema: • Električna energija kondenzatora prelazi u magnetnu energiju induktivnog kalema; • Magnetna energija induktivnog kalema transformiše se u energiju električnog polja kondenzatora → električne oscilacije. 25

• Suma električnih napona u zatvorenom kolu: - diferencijalna jednačina električnih oscilacija bez gubitaka; • Resenje oblika: • Rezonantna frekvencija oscilatora (Tomsonova formula) bez gubitaka: 26

• Slobodne prigušene oscilacije • oscilatorno kolo sa gubicima (termogeni otpor R) • Diferencijalna jednačina električnih oscilacija sa gubicima: Rešenje oblika: • Gde je: • 0 – rezonantna frekvencija kad ne bi bilo prigušenja; • – prigušenje električnog kola: 27

• Prinudne neprigušene oscilacije • Redno spregnuti kondezator i kalem, priključeni na naizmeničnu struju. • Diferencijalna jednačina : • Rešenje oblika: • Q – amplituda naelektrisanja. 28

• Prinudne prigušene oscilacije • Diferencijalna jednačina : • Rešenje oblika: - amplituda prinudnih oscilacija. • Z– impedansa osilatornog kola: 29

ELEKTROMAGNETNE OSCILACIJE I TALASI • U zatvorenom osilatornom kolu električna energija kondenzatora prelazi putem osilacija u u magnetnu energiju induktivnog kalema i obrnuto. • Otvoreno oscilatorno kolo – oslobadja se ova energija u vidu elektromagnetnih oscilacija; • Dobija se menjanjem geometrijskog oblika kondenzatora i kalema; 30

• • • Energija električnog i magnetnog polja ispunjava okolni prostor oko otvorenog oscilatornog kola – antene; Teoriju nastajanja i širenja EM talasa postavio je Maksvel (1863 g); Na osnovu : elektromagnetne i magnetnoelektrične indukcije Magnetne i električne linije sila su međusobno normalne tj. vektori jačine električnog i magnetnog polja su normalni jedan u odnosu na drugi i normalni na pravac prostiranja EM talasa; 31

• Zk – karakteristična impedansa supstance kroz koju se prostire EM talas; • Za vakuum: • Brzina prostiranja, širenja EM talasa: 32

• Ako se izvor EM talasa menja periodično (struja, napon)→ jačine električnog polja E i jačina magnetnog polja H se periodično menjaju: • Na bilo kom rastojanju u pravcu kretanja talasa (z-osa): • gde je: talasni broj; 33

NEALEKTRISANJE KAO UZROK NASTAJANJA ELEKTRIČNOG, MAGNETNOG I EM POLJA • EM polje nastaje kao posledica ubrzanog kretanja naelektrisanja; • Električno, magnetno i EM polje se formiraju oko električnih, elektronskih uređaja i prenosnih sistema kada kroz njih protiče električna struja; • Polja mogu biti: • statička električna i magnetna (pored statičkih naelektrisanja i namagnetisanja); • Stacionarna električna i magnetna (pored uređaja koji koriste jednosmernu struju); • Elektromagnetna (pored uređaja koji koriste naizmeničnu struju); 34

• Vremenska promena naelektrisanja određuje da li je polje statičko, stacionarno ili EM; • ako je: – Statičko električno polje • ako je: kroz provodnik prolazi ista količina naelektrisanja u jednakim vremenskim intervalima – jednosmerna struja – Stacionarno el. i mag. polje 35

• Ako je: pri čemu je jedno od rešenja diferencijalne jednačine: onda je struja: • Oko provodnika se formira EM polje; • Štetno dejstvo ovih polja je posledica apsorbovane energije koja se transformiše u neki drugi oblik energije; • Stepen štetnog dejstva zavisi od količine apsorbovane enegije; 36

• Energija EM polja je zbir energije električnog i energije magnetnog polja; • Gustine energija kondenzatora: • Gustine energija kalema: Kako je: – Pointingov vektor – određuje količinu energije EM talasa koja u jedinici vremena prođe kroz jediničnu površinu normalnu na pravac prostiranja talasa – odnosno intenzitet elektromagnetnog zračenja i ima pravac i smer brzine kretanja talasa. • Intenzitet Pointigovog vektora: • 37