- Rumus dan persamaan
- Aplikasi
- Antena dipol
- Energi medan listrik: kapasitor
- Contoh
- Contoh 1: Intensitas gelombang elektromagnetik
- Contoh 2: Penerapan pada antena pemancar
- Solusi untuk
- Solusi b
- Referensi
The energi elektromagnetik adalah salah satu yang menyebar melalui gelombang elektromagnetik (EM). Contohnya adalah cahaya matahari yang memancarkan panas, arus yang diekstraksi dari outlet listrik dan sinar-X untuk menghasilkan sinar-X.
Seperti gelombang suara saat menggetarkan gendang telinga, gelombang elektromagnetik mampu mentransfer energi yang nantinya dapat diubah menjadi panas, arus listrik, atau berbagai sinyal.
Gambar 1. Antena diperlukan dalam telekomunikasi. Sinyal yang bekerja dengan mereka memiliki energi elektromagnetik. Sumber: Pixabay.
Energi elektromagnetik merambat baik dalam medium material maupun dalam ruang hampa, selalu dalam bentuk gelombang transversal dan pemanfaatannya bukanlah sesuatu yang baru. Sinar matahari adalah sumber energi elektromagnetik primordial dan paling tua yang diketahui, tetapi penggunaan listrik agak lebih baru.
Baru pada tahun 1891 Perusahaan Edison mengoperasikan instalasi listrik pertama di Gedung Putih di Washington DC. Dan itu sebagai pelengkap lampu berbasis gas yang digunakan pada saat itu, karena pada awalnya banyak yang skeptis tentang penggunaannya.
Faktanya adalah bahwa bahkan di tempat yang paling terpencil dan kekurangan kabel listrik, energi elektromagnetik yang secara konstan datang dari luar angkasa terus mempertahankan dinamika yang kita sebut rumah kita di alam semesta.
Rumus dan persamaan
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal, dimana medan listrik E dan medan magnet B saling tegak lurus, dan arah rambat gelombang tersebut tegak lurus dengan medan.
Semua gelombang dicirikan oleh frekuensinya. Ini adalah rentang frekuensi gelombang EM yang luas, yang memberi mereka keserbagunaan saat mengubah energinya, yang sebanding dengan frekuensinya.
Gambar 2 menunjukkan gelombang elektromagnetik, di dalamnya medan listrik E berwarna biru berosilasi pada bidang zy, medan magnet B berwarna merah melakukannya pada bidang xy, sedangkan kecepatan gelombang diarahkan sepanjang sumbu. + y, menurut sistem koordinat yang ditunjukkan.
Gambar 2. Insiden gelombang elektromagnetik di permukaan memberikan energi menurut vektor Poynting. Sumber: F. Zapata.
Jika suatu permukaan ditempatkan pada jalur kedua gelombang, katakanlah bidang dengan luas A dan ketebalan dy, sehingga tegak lurus dengan kecepatan gelombang, fluks energi elektromagnetik per satuan luas, dilambangkan dengan S, dijelaskan melalui dari vektor Poynting:
Mudah untuk memeriksa bahwa satuan S adalah Watt / m 2 di Sistem Internasional.
Masih ada lagi. Besarnya medan E dan B terkait satu sama lain dengan kecepatan cahaya c. Faktanya, gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa merambat secepat itu. Hubungan ini adalah:
Mengganti relasi ini di S kita mendapatkan:
Vektor Poynting bervariasi dengan waktu dalam cara sinusoidal, jadi pernyataan di atas adalah nilai maksimumnya, karena energi yang dikirimkan oleh gelombang elektromagnetik juga berosilasi, seperti halnya medan. Tentu saja, frekuensi osilasi sangat besar, oleh karena itu tidak mungkin dapat dideteksi pada cahaya tampak, misalnya.
Aplikasi
Di antara banyak penggunaan yang telah kami sebutkan untuk energi elektromagnetik, berikut adalah dua penggunaan yang digunakan terus menerus dalam berbagai aplikasi:
Antena dipol
Antena ada di mana-mana mengisi ruang dengan gelombang elektromagnetik. Ada transmitter yang mengubah sinyal listrik menjadi gelombang radio atau microwave, misalnya. Dan ada penerima, yang melakukan pekerjaan sebaliknya: mereka mengumpulkan gelombang dan mengubahnya menjadi sinyal listrik.
Mari kita lihat cara membuat sinyal elektromagnetik yang merambat di ruang angkasa, dari dipol listrik. Dipol terdiri dari dua muatan listrik yang besarnya sama dan tanda berlawanan, dipisahkan oleh jarak yang kecil.
Pada gambar berikut adalah medan listrik E saat muatan + berada di atas (gambar kiri). E menunjuk ke bawah pada titik yang ditunjukkan.
Gambar 3. Medan listrik sebuah dipol dalam dua posisi berbeda. Sumber: Randall Knight. Fisika untuk Ilmuwan dan Insinyur.
Pada gambar 3 kanan, posisi dipol berubah dan sekarang E mengarah ke atas. Mari kita ulangi perubahan ini berkali-kali dan dengan sangat cepat, katakanlah dengan frekuensi f. Dengan cara ini, terbentuklah variabel medan E dalam waktu yang menimbulkan medan magnet B , juga variabel yang berbentuk sinusoidal (lihat gambar 4 dan contoh 1 di bawah).
Dan karena hukum Faraday memastikan bahwa medan magnet B yang berubah-ubah menimbulkan medan listrik, ternyata dengan mengosilasi dipol, seseorang sudah memiliki medan elektromagnetik yang mampu merambat di medium.
Gambar 4. Antena dipol menghasilkan sinyal yang membawa energi elektromagnetik. Sumber: F. Zapata.
Perhatikan bahwa B menunjuk ke dalam atau ke luar layar secara bergantian (selalu tegak lurus dengan E ).
Energi medan listrik: kapasitor
Kapasitor memiliki khasiat untuk menyimpan muatan listrik dan energi listrik. Mereka adalah bagian dari banyak perangkat: motor, sirkuit radio dan televisi, sistem penerangan mobil, dan banyak lagi.
Kapasitor terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh jarak kecil. Masing-masing diberi muatan yang besarnya sama dan tanda berlawanan, sehingga menciptakan medan listrik di ruang antara kedua konduktor. Geometri dapat bervariasi, menjadi salah satu yang terkenal dari kondensor pelat paralel-datar.
Energi yang disimpan dalam kapasitor berasal dari pekerjaan yang dilakukan untuk mengisinya, yang berfungsi untuk menciptakan medan listrik di dalamnya. Dengan memasukkan bahan dielektrik di antara pelat, kapasitas kapasitor meningkat dan karenanya dapat menyimpan energi.
Kapasitor berkapasitas C dan awalnya kosong, yang diisi oleh baterai yang menyuplai tegangan V, hingga mencapai muatan Q, menyimpan energi U yang diberikan oleh:
U = ½ (Q 2 / C) = ½ QV = ½ CV 2
Gambar 5. Kapasitor pelat paralel datar menyimpan energi elektromagnetik. Sumber: Wikimedia Commons. Geek3.
Contoh
Contoh 1: Intensitas gelombang elektromagnetik
Sebelumnya, dikatakan bahwa besarnya vektor Poynting setara dengan daya yang dihasilkan gelombang untuk setiap meter persegi permukaan, dan juga, karena vektor tergantung waktu, nilainya berosilasi hingga maksimum S = S = ( 1 / μ atau .c) E 2 .
Nilai rata-rata S dalam satu siklus gelombang mudah diukur dan menunjukkan energi gelombang. Nilai ini dikenal sebagai intensitas gelombang dan dihitung dengan cara ini:
Gelombang elektromagnetik diwakili oleh fungsi sinus:
Dimana E o adalah amplitudo gelombang, k bilangan gelombang dan ω frekuensi sudut. Begitu:
Gambar 5. Antena memancarkan sinyal dalam bentuk bola. Sumber: F. Zapata.
Contoh 2: Penerapan pada antena pemancar
Ada sebuah stasiun radio yang memancarkan sinyal daya 10 kW dan frekuensi 100 MHz yang menyebar secara sferis, seperti pada gambar di atas.
Tentukan: a) amplitudo medan listrik dan magnet pada titik yang terletak 1 km dari antena dan b) energi elektromagnetik total yang jatuh pada lembaran persegi dengan sisi 10 cm dalam waktu 5 menit.
Datanya adalah:
Solusi untuk
Persamaan yang diberikan dalam contoh 1 digunakan untuk mencari intensitas gelombang elektromagnetik, tetapi pertama-tama nilainya harus dinyatakan dalam Sistem Internasional:
Nilai-nilai ini segera diganti dalam persamaan untuk intensitas, karena ini adalah sumber yang memancarkan sama di mana-mana (sumber isotropik):
Sebelumnya disebutkan bahwa besaran E dan B terkait dengan kecepatan cahaya:
B = (0.775 /300.000.000) T = 2.58 x 10-9 T
Solusi b
S berarti daya per satuan luas dan daya gilirannya adalah energi per satuan waktu. Mengalikan mean S dengan luas pelat dan waktu pencahayaan, diperoleh hasil yang diminta:
U = 0,775 x 300 x 0,01 Joule = 2,325 Joule.
Referensi
- Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB). 307-314.
- ICES (Komite Internasional tentang Keamanan Elektromagnetik). Fakta Energi Elektromagnetik, dan Pandangan Kualitatif. Diperoleh dari: ices-emfsafety.org.
- Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson. 893-896.
- Universitas Negeri Portland. Gelombang EM mengangkut energi. Diperoleh dari: pdx.edu
- Apa itu Energi Elektromagnetik dan Mengapa Penting?. Diperoleh dari: sciencestruck.com.