GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK: TEORI, JENIS, KARAKTERISTIK MAXWELL - FISIK - 2025

The 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 hingga paruh pertama abad itu, para ilmuwan masih tidak menyadari hubungan antara kedua fenomena tersebut, percaya bahwa keduanya tidak bergantung satu sama lain.

Adalah fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell (1831-1879) yang membuktikan kepada dunia bahwa listrik dan magnet hanyalah dua sisi dari mata uang yang sama. Kedua fenomena itu terkait erat.

Badai petir. Sumber: Pixabay.

Teori Maxwell

Maxwell menyatukan teori kelistrikan dan magnetisme dalam 4 persamaan yang elegan dan ringkas, yang prediksinya segera dikonfirmasi:

Bukti apa yang dimiliki Maxwell untuk mengembangkan teori elektromagnetiknya?

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

Mungkinkah fenomena sebaliknya bisa terjadi? Apakah medan listrik variabel mampu menghasilkan medan magnet pada gilirannya?

Maxwell, murid Michael Faraday, yakin akan keberadaan kesimetrian di alam. Fenomena listrik dan magnet juga harus mengikuti prinsip-prinsip ini.

Menurut peneliti ini, medan yang berosilasi akan menimbulkan gangguan seperti halnya batu yang dilemparkan ke kolam menghasilkan gelombang. Gangguan ini tidak lebih dari osilasi medan listrik dan magnet, yang oleh Maxwell disebut gelombang elektromagnetik.

Prediksi Maxwell

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

Untuk memverifikasi kebenaran teori tersebut, Hertz harus membangun perangkat pendeteksi yang memungkinkannya untuk menemukan panjang gelombang dan frekuensi, data yang darinya ia dapat menghitung kecepatan gelombang radio elektromagnetik, bertepatan dengan kecepatan cahaya. .

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

Namun, eksperimen Hertz brilian dan menarik. Hasil mereka diterima dengan baik dan keraguan tentang kebenaran prediksi Maxwell dihapuskan.

Arus perpindahan

Arus perpindahan merupakan ciptaan Maxwell, yang timbul dari analisa mendalam hukum Ampere, yang menyatakan bahwa:

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

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

Apakah ada medan magnet di S '?

Namun, tidak ada arus yang melintasi atau melintasi permukaan lengkung S ', yang memiliki kontur C yang sama, karena permukaan ini mencakup sebagian 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 dilalui arus apa pun. Harus diingat bahwa agar arus mengalir, rangkaian harus ditutup. Karena arusnya nol, integral di kiri dalam hukum Ampere adalah 0. Jadi, tidak ada medan magnet?

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

Maxwell diselesaikan kontradiksi dengan memperkenalkan konsep i saat perpindahan _D .

Arus perpindahan

Saat kapasitor sedang diisi, medan listrik variabel ada di 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 variabel medan listrik, pasti ada arus yang disebut arus perpindahan i _D , arus yang tidak melibatkan pergerakan muatan. Untuk permukaan S 'valid:

Arus listrik bukanlah vektor, meskipun memiliki besaran dan arti. Lebih tepat untuk mengaitkan bidang dengan besaran yang vektor: rapat arus J , yang besarnya adalah hasil bagi antara arus dan area yang dilaluinya. Satuan rapat arus dalam Sistem Internasional adalah ampere / m ² .

Dalam vektor ini, massa jenis arus perpindahan adalah:

Dengan cara ini, ketika hukum Ampere diterapkan pada kontur C dan permukaan S digunakan, i _C adalah arus yang melewatinya. Di sisi lain, i _C tidak melewati S ', tetapi i _D melewati .

Latihan diselesaikan

Kecepatan dalam media tertentu

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

Di mana ε dan μ adalah permitivitas dan permeabilitas masing-masing media yang dimaksud.

Jumlah gerakan

Radiasi elektromagnetik dengan energi U memiliki momentum terkait p yang besarnya: 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 dinamai di bawah ini, dimulai dengan panjang gelombang terpanjang:

Gelombang radio

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

Oven microwave

Terletak di frekuensi ultra tinggi (UHF), super tinggi (SHF), dan sangat tinggi (EHF), frekuensi tersebut berkisar antara 1 GHz dan 300 GHz. Tidak seperti frekuensi 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 solusi komputer.

Osilasinya adalah produk perangkat yang disebut magnetron, yang merupakan sejenis rongga resonan yang memiliki 2 magnet disk di ujungnya. Medan elektromagnetik dihasilkan oleh percepatan elektron dari katoda.

Sinar infra merah

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

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

Cahaya tampak

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

Nilai panjangnya diukur dalam nanometer dan Angstrom, ini mewakili sebagian kecil dari keseluruhan spektrum dan kisaran ini mencakup jumlah radiasi terbesar yang dipancarkan matahari dan bintang. Selain itu, ini adalah produk percepatan elektron dalam transit energi.

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

Sinar ultraviolet

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

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

sinar X

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

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

Sinar gamma

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

Karena mereka dihasilkan oleh proses stabilisasi di inti atom setelah emisi radioaktif, mereka mematikan. Panjang gelombangnya subatomik, memungkinkan mereka melewati atom. Mereka masih diserap oleh atmosfer bumi.

Penerapan gelombang elektromagnetik yang berbeda

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

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

Spektrum elektromagnetik dan beberapa aplikasinya. Sumber: Tatoute dan Phrood

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 ke seluruh dunia.

Oven microwave

Mereka dapat digunakan untuk memanaskan makanan, karena air adalah molekul dipol yang mampu merespon 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 dibandingkan gelombang lain dengan panjang gelombang yang lebih besar.

Gelombang inframerah

Penerapan inframerah yang paling khas adalah perangkat penglihatan malam. Mereka juga digunakan dalam komunikasi antar perangkat dan dalam teknik spektroskopi untuk mempelajari bintang, awan gas antarbintang, dan exoplanet.

Mereka juga dapat membuat peta suhu tubuh, yang digunakan untuk mengidentifikasi beberapa jenis tumor yang suhunya lebih tinggi dari suhu jaringan di sekitarnya.

Cahaya tampak

Cahaya tampak merupakan bagian besar dari spektrum yang dipancarkan oleh Matahari, yang direspon oleh retina.

Sinar ultraviolet

Sinar ultraviolet memiliki energi yang cukup untuk berinteraksi dengan materi secara signifikan, jadi 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 karenanya mampu menembus jaringan lunak, oleh karena itu, hampir sejak penemuannya, sinar-X telah digunakan untuk mendiagnosis patah tulang dan memeriksa bagian dalam tubuh untuk mencari penyakit. .

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

Referensi

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