Светится ли лампочка за счет взаимодействия с электромагнитными волнами или за счет взаимодействия между ее атомами и движущимися электронами?

Сегодня я узнал, что энергия передается лампочке через электромагнитные волны, создаваемые движением электронов, и согласно закону Пойнтинга направление этой энергии перпендикулярно электрическому полю.

С другой стороны, из того, что я знал ранее, свет производится из-за взаимодействия между атомами лампочки и движущимися электронами, что означает, что энергия переносится движущимися электронами, а не электромагнитными волнами, создаваемыми электронами .

Я новичок в этой теме, поэтому я в замешательстве. Включают ли электромагнитные волны лампочку или движущиеся электроны в проводах?

О какой лампочке идет речь? Полупроводниковые, дуговые и тепловые лампы излучают свет совершенно по-разному.

Ответы (3)

Вы путаете две разные электромагнитные волны, которые здесь задействованы. Так что буду разбираться более подробно.

  • Кабели между электростанцией в вашей провинции и лампочкой в ​​вашем доме окружены электромагнитным полем низкой частоты ( 50 или 60 Гц, в зависимости от вашей страны). Именно вектор Пойнтинга этого низкочастотного электромагнитного поля передает энергию нити накала лампочки (синие стрелки на изображении ниже). изображение, основанное на векторах Пойнтинга цепи постоянного тока , показывающее электрическое поле (читать стрелки), магнитное поле (зеленые стрелки) и вектор Пойнтинга (синие стрелки)
    введите описание изображения здесь
  • Благодаря этому электромагнитному полю электроны внутри нити движутся вперед и назад (с частотой 50 Гц). При движении они сталкиваются с атомами металла, передавая таким образом кинетическую энергию атомам, так что их неупорядоченное движение будет усиливаться. Т.е очень сильно поднимается температура( ≈ 2400 ° С).
  • В соответствии с этой температурой нить излучает электромагнитное излучение в широком диапазоне очень высоких частот (примерно от 10 14 к 10 15 Гц), т.е. инфракрасный и видимый свет. См. Также Излучение черного тела , чтобы узнать о физике, стоящей за этим.

поэтому я запутался, электромагнитные волны включают лампочку или движущиеся электроны в проводах?

Как видно выше, это и то, и другое: низкочастотные электромагнитные волны зажигают электроны в лампочке. А движущиеся электроны в нити возбуждают световые волны.

Хороший. Тем не менее, быстрый вопрос: электромагнитное поле, которое заставляет электроны двигаться вперед и назад внутри провода, действительно создает электромагнитное поле внутри провода, верно?
@untreated_paramediensis_karnik Да, внутри проволоки тоже есть электрическое поле (без этого электроны не двигались бы). Но большая часть энергии поля находится вне провода.
Ваш ответ правильный (и я проголосовал за), но люди редко думают о токе и напряжении 60 Гц с точки зрения волны E&M, поскольку система в основном находится в режиме проводимости (а не излучения).
Если энергия поля актуальна и энергия проходит вне провода, я должен быть в состоянии заблокировать его, поместив бесконечный тонкий слой сверхпроводника между батареей и источником света. Нет магнитного поля = нет возможной передачи энергии.
Я вижу Томаса, так что, если я правильно понимаю, мощность выходит за пределы провода, но входит в него радиально внутрь, потому что она рассеивается внутри провода в виде джоулева тепла. Если я понял это правильно, то я думаю, что понимаю, что происходит, хотя я не проверял направление вектора пойнтинга внутри провода.
electrons inside the filament move back and forth- "туда-сюда" не поэтому нагревается нить накала. Напряжение постоянного тока не будет генерировать электромагнитные волны, но лампочка все равно будет светиться. Может быть, вы можете добавить это к ответу. Это может прояснить замешательство ОП.
@ArchismanPanigrahi Да, конечно, нить накала также будет нагреваться при подаче постоянного тока вместо переменного. Я обновил ответ, чтобы сделать его более понятным.
Только небольшая часть мощности проходит «вне провода». Если бы большая его часть загоралась, то в корпусах DC ничего бы не загоралось. Если только не работать на высоких частотах ( > 10 6 Гц) мощность, излучаемая проводом, меньше мощности, проводимой проводом.
Спасибо за ответ, но я все еще немного запутался, насколько я понял, движущиеся электроны в проводе цепи НЕ играют непосредственной роли в нагреве лампочки и не взаимодействуют с атомами лампочки, а вместо этого ЭМ волна, создаваемая эти электроны передают энергию атомам, которые нагревают лампочку, правильно ли я понимаю?

Лампочка светится за счет многоступенчатого процесса преобразования энергии:

  1. магнитное в электрическое: в турбинах/генераторах электростанции магнитное поле преобразуется в электрическое поле в катушке за счет индукции (ну, напряжение в электростанции может быть и фотогальваническим, но давайте рассмотрим вероятность того, что происхождение намного ниже на сегодняшний день)
  2. от электрического к кинетическому : как только вы закрываете выключатель, электрическое поле ускоряет электроны относительно тел атомов в проводах цепи на всем пути от электростанции через лампочку и обратно к электростанции; поскольку это не может происходить быстрее света, это передается электромагнитными волнами, а поскольку электроны не могут поддерживать высокую скорость (см. этап 3), задействованная электромагнитная энергия может быть значительной по сравнению с кинетической энергией электронов.
  3. от кинетического к тепловому : ускоренные электроны снова сталкиваются с телами атомов после того, как это называется средней длиной свободного пробега; тем самым их направленная кинетическая энергия (ток) превращается в ненаправленное движение атомов (тепло); поскольку сопротивление в проводе лампочки выше, чем в сети общего пользования, это преобразование предпочтительно происходит в лампочке.
  4. от теплового до электромагнитного: ненаправленное движение атомов лампочки заставляет электроны раскачиваться так неравномерно и быстро, что они испускают то, что называется (в идеализации) излучением черного тела, смесью всех видов частот (то есть цветов), которая сгруппирована около определенной частоты; положение этого распределения цветов света в спектре электромагнитных частот определяется температурой провода лампочки, поэтому его называют цветовой температурой излучаемого света; чем выше температура, тем выше наиболее взвешенная частота излучения; если температура ниже, я думаю, ~ 400 ° C, вы не увидите излучение, потому что оно находится в невидимом инфракрасном диапазоне; если бы температура могла подняться выше 5800 °C, излучаемый свет был бы более синим, чем естественный солнечный свет (но, конечно, выше 5800 °C дажевольфрамовые провода начинают испаряться, так что технически невозможно заставить лампочку излучать голубоватый свет)

На любом этапе есть входная форма энергии, выходная форма энергии и то, что осуществляет преобразование (техническое устройство, деталь и т.д.). На последнем этапе входом является тепло, выходом — электромагнитное поле, а проводом — преобразователь.

Спасибо за ответ, но все еще сбит с толку, какова роль электромагнитных волн, создаваемых движущимися электронами в проводах, и вектором Пойнтинга в нагреве лампочки?
Когда течет ток, энергия преимущественно переносится электромагнитными волнами, окружающими провода. Кинетическая энергия электронов совершенно незначительна.
Jagerber48 Но согласно этому ответу кинетическая энергия свободных электронов переходит в тепловую энергию, и это происходит из-за столкновения атомов лампочки со свободными электронами, и нет упоминания об электромагнитных волнах, взаимодействующих с атомами лампочки.
@ Jagerber48: то, что вы имеете в виду (уравнения телеграфа), в основном применяется в высокочастотных приложениях. Это также становится актуальным, если вы хотите описать процесс включения цепи во всех его неприглядных подробностях, но как только начальное возмущение утихнет (что происходит сравнительно быстро при постоянном или близком к постоянному току, т.е. при 50/ 60Гц) электромагнитные волны совершенно не интересны. КСТАТИ. Теория проводимости со средним свободным пробегом в физике твердого тела — это не кролик, которого я вытащил из шляпы, но она действительно хорошо установлена.
@oliver Это правда, что люди часто думают о теории электрических волноводов в контексте высокочастотных электрических сигналов. Являются ли электромагнитные волны неинтересными для волн более низкой частоты (например, 50/60 Гц), это мнение. Переносят ли электромагнитные волны основную часть энергии от источника (электростанция в вашем примере) к нагрузке (лампочке), это не вопрос мнения. ЭМ волны переносят основную часть энергии от источника к нагрузке, даже в цепях постоянного тока и низкочастотных цепях. Кинетическая энергия электронов, образующих электрический ток, совершенно незначительна.
В ЛАМПОЧКЕ происходит то, что электромагнитная волна, прошедшая от источника, доставляет энергию электронам в нити накала лампы, заставляя их ускоряться внутри тела нити. Из-за столкновений (низкочастотная) ЭМ энергия передается через электроны в фононы в решетке нити, что приводит к нагреву решетки. Затем это тепло возбуждает валентные электроны и электроны проводимости в нити накала, которые затем распадаются и излучают свет (высокочастотная электромагнитная энергия).
Поэтому я бы сказал, что этот ответ в основном правильный, за исключением шага 2. Должен быть шаг перед 2, который объясняет, что энергия передается от электростанции к лампочке посредством низкочастотных электромагнитных волн, а не кинетической энергии электронов в проводах. . Затем электромагнитные волны передают кинетическую энергию электронам в колбе (по сути, это шаг 2, как написано с некоторыми изменениями). В остальном ответ хороший.
@ Jagerber48: Большое спасибо за ответ, кажется, теперь я все понял.
@ Jagerber48: Я расширил шаг 2. Поскольку я сам не сравнивал количество электромагнитной энергии и кинетической энергии, я решил выразить ваше возражение своими осторожными словами. Надеюсь, ты сможешь жить с этим.

Свободные электроны получают энергию (сверх их случайной тепловой энергии) за счет электрического поля, распространяющегося в виде волны. Вот почему они получают эту дополнительную энергию почти одновременно по всей нити накала лампочки, когда вы замыкаете выключатель. Эта дополнительная энергия делится с атомами (или ионами) нити посредством столкновений между электронами и (вибрирующими) атомами. Таким образом, нить нагревается.

Я думаю, что сбивающее с толку слово в вашем вопросе - "несется". Я бы сказал, что энергия переносится электромагнитными волнами, но отдается свободным электронам и, следовательно, самой нити в виде тепловой энергии.

Спасибо за ответ, но как насчет электромагнитных волн, создаваемых движущимися свободными электронами и движущихся с направлением вектора Пойнтинга, который перпендикулярен электрическому полю? не они ли дают атомам лампочки энергию, так что лампочка начинает нагреваться?
@NazareneChristianSoldier: Нет, фактические столкновения с движущимися электронами напрямую являются основным средством передачи энергии от них к атомам в нити. Все работает в основном идентично для случая постоянного тока, где средняя скорость электронов в нити в целом остается постоянной во времени. (Отдельные электроны по-прежнему ускоряются, а затем сталкиваются, в среднем пройдя среднюю длину свободного пробега.)
@ Питер Кордес: Так какова роль ЭМ и вектора Пойнтинга?
Светится ли лампочка за счет взаимодействия с электромагнитными волнами или за счет взаимодействия между ее атомами и движущимися электронами?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v