Gelombang elektromagnetik: teori Maxwell, jenis, ciri-ciri

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal yang sesuai dengan bidang yang disebabkan oleh muatan listrik dipercepat. Abad ke-19 adalah abad kemajuan besar dalam listrik dan magnet, tetapi sampai paruh pertama, para ilmuwan masih tidak menyadari hubungan antara dua fenomena, percaya mereka independen satu sama lain.

Fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell (1831-1879) yang menunjukkan kepada dunia bahwa listrik dan magnet hanyalah dua sisi mata uang yang sama. Kedua fenomena tersebut berkaitan erat.

Badai petir. Sumber: Pixabay.

Teori Maxwell

Maxwell menyatukan teori listrik dan magnet dalam 4 persamaan yang elegan dan ringkas, yang prediksinya segera dikonfirmasi:

Bukti apa yang dimiliki Maxwell untuk mengembangkan teori elektromagnetiknya?

Sudah menjadi fakta bahwa arus listrik (muatan yang bergerak) menghasilkan medan magnet, dan pada gilirannya medan magnet variabel menghasilkan arus listrik di rangkaian konduktif, yang akan menyiratkan bahwa medan magnet variabel menginduksi medan listrik.

Mungkinkah fenomena sebaliknya? Akankah berbagai medan listrik mampu menghasilkan medan magnet juga?

Maxwell, murid Michael Faraday, yakin akan keberadaan simetri di alam. Baik fenomena listrik dan magnet juga harus mematuhi prinsip-prinsip ini.

Menurut peneliti ini, medan yang berosilasi akan menghasilkan gangguan dengan cara yang sama seperti batu yang dilemparkan ke kolam menghasilkan gelombang. Gangguan ini tidak lebih dari medan listrik dan magnet yang berosilasi, yang disebut Maxwell sebagai gelombang elektromagnetik.

Prediksi Maxwell

Persamaan Maxwell meramalkan adanya gelombang elektromagnetik dengan kecepatan rambat sama dengan kecepatan cahaya. Prediksi itu dikonfirmasi tak lama kemudian oleh fisikawan Jerman Heinrich Hertz (1857 – 1894), yang berhasil membangkitkan gelombang ini di laboratoriumnya menggunakan rangkaian LC. Ini terjadi tak lama setelah kematian Maxwell.

Untuk memverifikasi kebenaran teori tersebut, Hertz harus membuat alat pendeteksi yang memungkinkannya menemukan panjang gelombang dan frekuensi, data yang dapat digunakannya untuk menghitung kecepatan gelombang radio elektromagnetik, yang bertepatan dengan kecepatan cahaya..

Karya Maxwell telah diterima dengan skeptis oleh komunitas ilmiah pada saat itu. Mungkin itu sebagian karena Maxwell adalah seorang ahli matematika yang brilian dan telah mempresentasikan teorinya dengan semua formalitas kasus, yang gagal dipahami banyak orang.

Namun, eksperimen Hertz sangat brilian dan menarik. Hasilnya diterima dengan baik dan keraguan tentang kebenaran prediksi Maxwell telah hilang.

Perpindahan saat ini

Arus perpindahan adalah ciptaan Maxwell, yang muncul sebagai hasil dari analisis mendalam terhadap hukum Ampere, yang menetapkan bahwa:

Sebuah baterai mengisi kapasitor. Permukaan S (garis padat) dan S’ dan kontur C diperlihatkan menerapkan hukum Ampere. Sumber: dimodifikasi dari Pixabay.

Oleh karena itu, istilah ke kanan dalam hukum Ampere, yang melibatkan arus, tidak nol dan juga bukan anggota ke kiri. Kesimpulan langsung: ada medan magnet.

Apakah ada medan magnet di S’?

Namun, tidak ada arus yang melintasi atau melintasi permukaan melengkung S ‘, yang memiliki kontur C yang sama, karena permukaan ini mencakup bagian dari apa yang ada di ruang antara pelat kondensor, yang dapat kita asumsikan sebagai udara atau zat lain. tidak konduktif.

Di wilayah itu tidak ada bahan konduktif yang melaluinya arus apa pun. Harus diingat bahwa agar arus mengalir, rangkaian harus ditutup. Karena arusnya nol, integral di sebelah kiri dalam hukum Ampere adalah 0. Jadi tidak ada medan magnet, kan?

Pasti ada kontradiksi. S’ juga dibatasi oleh kurva C dan keberadaan medan magnet tidak boleh bergantung pada permukaan yang dibatasi oleh C.

Maxwell menyelesaikan kontradiksi dengan memperkenalkan konsep arus perpindahan i D .

Perpindahan saat ini

Saat kapasitor sedang diisi, ada medan listrik yang bervariasi antara pelat dan arus mengalir melalui konduktor. Ketika kapasitor diisi, arus dalam konduktor berhenti dan medan listrik konstan terbentuk di antara pelat.

Kemudian Maxwell menyimpulkan bahwa, terkait dengan medan listrik variabel, pasti ada arus yang disebut arus perpindahan i D , arus yang tidak melibatkan pergerakan muatan. Untuk permukaan S ‘ini berlaku:

Arus listrik bukan merupakan vektor, meskipun memiliki besaran dan makna. Lebih tepat untuk menghubungkan medan dengan besaran yang vektor: rapat arus J, yang besarnya adalah hasil bagi antara arus dan luas yang dilaluinya. Satuan rapat arus dalam Sistem Internasional adalah ampere / m 2 .

Dalam hal vektor ini, kerapatan arus perpindahan adalah:

Jadi, ketika hukum Ampere diterapkan pada kontur C dan permukaan S digunakan, i C adalah arus yang melaluinya. Di sisi lain, i C tidak melewati S ‘, tetapi i D melakukannya.

Latihan diselesaikan

1-Sebuah kapasitor pelat datar berbentuk lingkaran sedang diisi. Jari-jari pelat adalah 4 cm dan pada saat tertentu arus konduksi i C = 0,520 A. Ada udara di antara pelat. Bertemu:

a) rapat arus perpindahan J D dalam ruang antara pelat.

b) Laju di mana medan listrik antara pelat berubah.

c) Medan magnet yang diinduksi antara pelat pada jarak 2 cm dari sumbu aksial.

d) Pertanyaan yang sama seperti pada c) tetapi pada jarak 1 cm dari sumbu aksial.

Penyelesaian

bagian a

Untuk besarnya rapat arus J D luas pelat yang dibutuhkan :

Luas pelat: A = r 2 =. (4 x 10 -2 m) 2 = 0,00503 m 2 .

Medan listrik seragam di antara pelat, rapat arus juga, karena sebanding. Juga i C = i D untuk kontinuitas, maka:

Rapat arus J D = 0,520 A / 0,00503 m 2 = 103,38 A / m 2 .

Bagian b

Laju perubahan medan listrik adalah (dE/dt). Diperlukan persamaan untuk menemukannya, dimulai dari prinsip pertama: definisi arus, definisi kapasitansi dan kapasitansi untuk kapasitor pelat sejajar datar.

– Menurut definisi arus adalah turunan dari beban terhadap waktu i C = dq / dt

– Kapasitansi kapasitor adalah C = q / v, di mana q adalah muatan dan v adalah beda potensial.

– Untuk bagiannya, kapasitas kapasitor keping sejajar adalah: C = atau A / d.

Huruf kecil digunakan untuk menunjukkan arus dan tegangan yang bervariasi dari waktu ke waktu. Dengan menggabungkan persamaan kedua dan ketiga, muatannya menjadi:

q = Cv = (ε atau A / d) v = atau A (v / d) = atau AE

Di sini o adalah permitivitas ruang hampa yang nilainya 8,85 x 10 -12 C 2 / Nm 2 . Oleh karena itu, dengan membawa hasil ini ke persamaan pertama, kita memperoleh ekspresi yang berisi laju perubahan medan listrik:

i C = dq / dt = d (ε atau AE) / dt = atau A (dE / dt)

Pemecahan untuk dE / dt tetap:

(dE / dt) = i C / (ε o A) = j D / o

Mengganti nilai:

dE / dt = (103,38 A / m 2 ) / (8,85 x 10 -12 C 2 / Nm 2 ) = 1,17 x 10 13 (N / C) / s

Hasilnya kira-kira 1 diikuti oleh 13 nol. Pastinya medan listrik berubah sangat cepat.

Bagian c

Untuk menemukan besarnya medan magnet, perlu menerapkan hukum Ampere, memilih jalur melingkar dengan jari-jari r di dalam pelat dan konsentris dengan mereka, yang jari-jarinya adalah R:

Di sisi lain, dalam integral vektor B dan dl sejajar, sehingga produk skalar hanya Bdl, di mana dl adalah jalur diferensial atas C. Medan B konstan sepanjang jalur C dan berada di luar integral :

Mengevaluasi persamaan yang diperoleh pada bagian sebelumnya, untuk r = 1 cm = 0,01 m:

Ciri-ciri gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal yang medan listrik dan medan magnetnya saling tegak lurus dan sekaligus terhadap arah rambat gelombang.

Gelombang elektromagnetik terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang tegak lurus. Sumber: Pixabay.

Selanjutnya kita akan melihat ciri-cirinya yang paling menonjol.

Kecepatan propagasi

Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah c 3,00 x10 8 m / s, terlepas dari nilai panjang gelombang dan frekuensi.

Media tempat mereka menyebar

Gelombang elektromagnetik merambat baik dalam ruang hampa dan dalam beberapa media material, tidak seperti gelombang mekanik yang membutuhkan media.

Hubungan antara kecepatan, panjang gelombang dan frekuensi

Hubungan antara kecepatan c, panjang gelombang, dan frekuensi f gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah c =.f.

Hubungan antara medan listrik dan magnet

Besarnya medan listrik dan medan magnet dihubungkan oleh E = cB.

Kecepatan dalam media tertentu

Dalam media tertentu, adalah mungkin untuk menunjukkan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik diberikan oleh ekspresi:

Dimana dan adalah permitivitas dan permeabilitas masing-masing medium yang bersangkutan.

Jumlah gerakan

Radiasi elektromagnetik dengan energi U memiliki momentum terkait p yang besarnya adalah: p = U / c.

Jenis gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik memiliki rentang panjang gelombang dan frekuensi yang sangat luas. Mereka dikelompokkan dalam apa yang dikenal sebagai spektrum elektromagnetik, yang telah dibagi menjadi beberapa wilayah, yang diberi nama di bawah ini, dimulai dengan panjang gelombang terpanjang:

Gelombang radio

Terletak di ujung panjang gelombang terpanjang dan frekuensi terendah, mereka berkisar dari beberapa hingga satu miliar Hertz. Mereka digunakan untuk mengirimkan sinyal dengan informasi dari berbagai jenis dan ditangkap oleh antena. Televisi, radio, ponsel, planet, bintang, dan benda langit lainnya menyiarkannya dan dapat ditangkap.

Oven microwave

Terletak di frekuensi ultra tinggi (UHF), super tinggi (SHF) dan sangat tinggi (EHF), mereka berkisar antara 1 GHz dan 300 GHz.Tidak seperti yang sebelumnya yang dapat mengukur hingga satu mil (1,6 km), gelombang mikro Mereka berkisar dari beberapa sentimeter hingga 33 cm.

Mengingat posisinya dalam spektrum, antara 100.000 dan 400.000 nm, mereka digunakan untuk mengirimkan data pada frekuensi yang tidak terganggu oleh gelombang radio. Untuk alasan ini, mereka diterapkan dalam teknologi radar, telepon seluler, oven dapur, dan larutan komputer.

Getarannya adalah produk dari perangkat yang dikenal sebagai magnetron, yang merupakan semacam rongga resonansi yang memiliki 2 magnet piringan di ujungnya. Medan elektromagnetik dihasilkan oleh percepatan elektron dari katoda.

sinar infra merah

Gelombang panas ini dipancarkan oleh badan termal, beberapa jenis laser, dan dioda pemancar cahaya. Meskipun mereka cenderung tumpang tindih dengan gelombang radio dan gelombang mikro, jangkauannya antara 0,7 dan 100 mikron.

Entitas yang paling sering menghasilkan panas yang dapat dideteksi oleh kacamata malam dan kulit. Mereka sering digunakan untuk remote control dan sistem komunikasi khusus.

Cahaya tampak

Dalam pembagian spektrum referensial kita menemukan cahaya yang dapat dilihat, yang memiliki panjang gelombang antara 0,4 dan 0,8 mikrometer. Yang kita bedakan adalah warna pelangi, di mana frekuensi terendah ditandai dengan warna merah dan tertinggi dengan warna ungu.

Nilai panjangnya diukur dalam nanometer dan Angstrom, ini mewakili bagian yang sangat kecil dari seluruh spektrum dan rentang ini mencakup jumlah radiasi terbesar yang dipancarkan oleh matahari dan bintang. Selain itu, ini adalah produk dari percepatan elektron dalam transit energik.

Persepsi kita tentang hal-hal didasarkan pada radiasi yang terlihat yang jatuh pada suatu objek dan kemudian pada mata. Otak kemudian menafsirkan frekuensi yang memunculkan warna dan detail yang ada dalam berbagai hal.

Sinar ultraviolet

Riak-riak ini berada dalam kisaran 4 dan 400 nm, dihasilkan oleh matahari dan proses lain yang memancarkan panas dalam jumlah besar. Paparan jangka panjang terhadap gelombang pendek ini dapat menyebabkan luka bakar dan jenis kanker tertentu pada makhluk hidup.

Karena mereka adalah produk lompatan elektron dalam molekul dan atom yang tereksitasi, energi mereka terlibat dalam reaksi kimia dan mereka digunakan dalam pengobatan untuk mensterilkan. Mereka bertanggung jawab atas ionosfer karena lapisan ozon mencegah efek merusaknya di bumi.

sinar X

Penunjukan ini disebabkan oleh fakta bahwa mereka adalah gelombang elektromagnetik tak terlihat yang mampu melewati benda buram dan menghasilkan kesan fotografis. Terletak antara 10 dan 0,01 nm (30 hingga 30.000 PHz), mereka adalah hasil dari elektron yang melompat dari orbit dalam atom berat.

Sinar ini dapat dipancarkan oleh korona matahari, pulsar, supernova, dan lubang hitam karena energinya yang besar. Paparan mereka yang berkepanjangan menyebabkan kanker dan mereka digunakan di bidang medis untuk mendapatkan gambar struktur tulang.

Sinar gamma

Terletak di paling kiri spektrum, mereka adalah gelombang dengan frekuensi tertinggi dan biasanya terjadi di lubang hitam, supernova, pulsar, dan bintang neutron. Mereka juga bisa menjadi hasil dari fisi, ledakan nuklir dan petir.

Karena mereka dihasilkan oleh proses stabilisasi dalam inti atom setelah emisi radioaktif, mereka mematikan. Panjang gelombang mereka adalah subatomik, memungkinkan mereka untuk melewati atom. Tetap saja mereka diserap oleh atmosfer bumi.

Kegunaan gelombang elektromagnetik yang berbeda

Gelombang elektromagnetik memiliki sifat pemantulan dan pemantulan yang sama dengan gelombang mekanik. Dan bersama dengan energi yang mereka rambatkan, mereka juga dapat membawa informasi.

Karena itu, berbagai jenis gelombang elektromagnetik telah diterapkan pada sejumlah besar tugas yang berbeda. Di sini kita akan melihat beberapa yang paling umum.

Spektrum elektromagnetik dan beberapa kegunaannya. Sumber: Tatoute and Phrood [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Gelombang radio

Tak lama setelah ditemukan, Guglielmo Marconi membuktikan bahwa mereka bisa menjadi alat komunikasi yang sangat baik. Sejak penemuannya oleh Hertz, komunikasi nirkabel dengan frekuensi radio seperti radio AM dan FM, televisi, telepon seluler, dan banyak lagi, semakin meluas di seluruh dunia.

Oven microwave

Mereka dapat digunakan untuk memanaskan makanan, karena air adalah molekul dipol yang mampu merespons medan listrik yang berosilasi. Makanan mengandung molekul air, yang ketika terkena medan ini mulai berosilasi dan bertabrakan satu sama lain. Efek yang dihasilkan adalah pemanasan.

Mereka juga dapat digunakan dalam telekomunikasi, karena kemampuannya untuk melakukan perjalanan di atmosfer dengan gangguan yang lebih sedikit daripada gelombang lain dengan panjang gelombang yang lebih besar.

gelombang inframerah

Kegunaan paling khas dari inframerah adalah perangkat night vision. Mereka juga digunakan dalam komunikasi perangkat-ke-perangkat dan dalam teknik spektroskopi untuk mempelajari bintang, awan gas antarbintang, dan planet ekstrasurya.

Dengan mereka, Anda juga dapat membuat peta suhu tubuh, yang digunakan untuk mengidentifikasi beberapa jenis tumor yang suhunya lebih tinggi daripada jaringan di sekitarnya.

Cahaya tampak

Cahaya tampak membentuk sebagian besar spektrum yang dipancarkan oleh Matahari, yang ditanggapi oleh retina.

Sinar ultraviolet

Sinar ultraviolet memiliki energi yang cukup untuk berinteraksi dengan materi secara signifikan, sehingga paparan terus menerus terhadap radiasi ini menyebabkan penuaan dini dan meningkatkan risiko terkena kanker kulit.

Sinar-X dan sinar gamma

Sinar-X dan sinar gamma memiliki lebih banyak energi dan oleh karena itu mampu menembus jaringan lunak, oleh karena itu, hampir sejak penemuannya, mereka telah digunakan untuk mendiagnosis patah tulang dan mencari bagian dalam tubuh untuk mencari penyakit..

Sinar-X dan sinar gamma digunakan tidak hanya sebagai alat diagnostik, tetapi sebagai alat terapi untuk penghancuran tumor.

Referensi

  1. Giancoli, D. (2006). Fisika: Prinsip dengan Kegunaan. Edisi keenam. Aula Prentice. 628-637.
  2. Rex, A. (2011). Dasar-dasar Fisika. Pearson. 503-512.
  3. Sears, F. (2015). Fisika Universitas dengan Fisika Modern. Edisi ke-14. Pearson. 1053-1057.

Related Posts