Gelombang Elektromagnetik Teori, Jenis, Karakteristik Maxwell

Itu gelombang elektromagnetik Mereka adalah gelombang transversal yang sesuai dengan bidang yang disebabkan oleh muatan listrik yang dipercepat. Abad kesembilan belas adalah abad kemajuan besar dalam listrik dan magnet, tetapi sampai paruh pertama, para ilmuwan masih tidak tahu hubungan antara kedua fenomena, percaya mereka tidak tergantung satu sama lain.

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

Badai. Sumber: Pixabay.

[TOC]

Teori Maxwell

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

Bukti apa yang dipersiapkan Maxwell untuk teori elektromagnetiknya?

Itu sudah menjadi fakta bahwa arus listrik (beban bergerak) menghasilkan medan magnet, dan pada gilirannya medan magnet variabel berasal dari arus listrik dalam sirkuit konduktif, yang akan menyiratkan bahwa medan magnet variabel menginduksi medan listrik.

Mungkinkah fenomena terbalik dimungkinkan? Medan listrik variabel dapat berasal dari medan magnet pada gilirannya?

Maxwell, seorang murid Michael Faraday, yakin akan keberadaan simetri di alam. Kedua fenomena, listrik dan magnetik, juga harus tetap berpegang pada prinsip -prinsip ini.

Menurut peneliti ini, bidang yang berosilasi akan menghasilkan gangguan dengan cara yang sama seperti batu yang dilemparkan ke dalam kolam menghasilkan gelombang. Gangguan ini tidak lain adalah medan listrik dan magnet yang berosilasi, yang oleh Maxwell disebut gelombang elektromagnetik yang tepat.

Prediksi Maxwell

Persamaan Maxwell meramalkan keberadaan gelombang elektromagnetik dengan kecepatan propagasi sama dengan kecepatan cahaya. Prediksi itu dikonfirmasi tak lama setelah oleh fisikawan Jerman Heinrich Hertz (1857 - 1894), yang berhasil menghasilkan gelombang ini di laboratoriumnya melalui sirkuit LC. Ini terjadi tak lama setelah kematian Maxwell.

Untuk memeriksa keberhasilan teori, Hertz harus membangun perangkat detektor yang memungkinkannya.

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

Namun, eksperimen Hertz sangat cemerlang dan meyakinkan. Hasilnya diterima dengan baik dan keraguan tentang kebenaran prediksi Maxwell jelas.

Arus perpindahan

Arus perpindahan adalah penciptaan Maxwell, yang timbul dari analisis mendalam tentang hukum Ampere, yang menetapkan bahwa:

 Di mana:Maxwell menganalisis kasus pemuatan kondensor: seperti yang dimuat, permukaan S yang konturnya C, mencakup arus i_C Apa yang melewati kawat konduktif, seperti yang dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Baterai memuat kondensor. Permukaan (garis kontinu) dan S 'dan kontur C untuk menerapkan hukum ampere ditampilkan. Sumber: Pixabay yang dimodifikasi.

Oleh karena itu, istilah di sebelah kanan dalam hukum ampere, yang melibatkan arus, bukan nol dan 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 melengkung S ', yang memiliki kontur yang sama, karena permukaan ini mencakup bagian dari apa yang ada di ruang antara pelat kondensor, yang dapat kita asumsikan adalah udara atau zat lain yang tidak - konduktor.

Di wilayah itu tidak ada bahan konduktif yang melaluinya arus mengalir. Harus diingat bahwa agar arus beredar, sirkuit harus ditutup. Saat arus nol, integral kiri dalam hukum ampere adalah 0. Tidak ada medan magnet, atau ya?

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

Itu bisa melayani Anda: apa keseimbangan partikel? (Dengan contoh)

Maxwell memecahkan kontradiksi dengan memperkenalkan konsep arus perpindahan i_D.

Arus perpindahan

Saat kondensor sedang memuat, ada medan listrik variabel antara pelat dan mengedarkan arus oleh pengemudi. Saat kondensor dimuat, arus berhenti di pengemudi dan medan listrik yang konstan ditetapkan di antara pelat.

Kemudian Maxwell menyimpulkan bahwa, terkait dengan medan listrik variabel harus ada arus yang disebut arus perpindahan i_D, Arus yang tidak melibatkan gerakan beban. Untuk permukaan s 'valid:

 Di mana:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

Arus listrik bukan vektor, meskipun besar dan makna. Lebih tepat untuk menghubungkan bidang dengan jumlah yang merupakan vektor: kepadatan saat ini J,yang besarnya adalah hasil bagi antara arus dan area yang melaluinya lewat. Unit kepadatan saat ini dalam sistem internasional adalah amp/m².

Dalam hal vektor ini, kepadatan arus perpindahan adalah:

Arus perpindahan saya_D Itu karena perubahan waktu aliran medan listrik antara pelat kondensor saat memuat. Setelah dimuat, variasi aliran listrik adalah nol dan arus perpindahan menghilang.

Dengan cara ini, ketika hukum ampere diterapkan pada kontur C dan permukaan S digunakan, i_C Arus yang melintasi itu. Sebaliknya saya_C Itu tidak melewati S ', tapi saya_D Jika ya.

Olahraga diselesaikan

1-An Circular Paralel Plat Plat Condensor sedang dimuat. Jari -jari pelat adalah 4 cm dan dalam sekejap mengingat arus mengemudi saya_C = 0.520 a. Ada udara di antara piring. Menemukan:

a) kepadatan arus perpindahan j_D di ruang antara piring.

b) laju di mana medan listrik di antara pelat berubah.

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

d) Masalah yang sama seperti pada C) tetapi pada jarak 1 cm dari sumbu aksial.

Larutan

Bagian a

Untuk besarnya kepadatan arus j_D Area piring diperlukan:

Area pelat: a = πr² = π . (4 x 10^-2 M)² = 0.00503 m².

Medan listrik seragam di antara pelat, kepadatan saat ini juga, karena mereka proporsional. Selain itu i_C = i_D Untuk kontinuitas, lalu:

Kepadatan j saat ini_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Bagian b

Nilai tukar medan listrik adalah (dari/dt). Persamaan diperlukan untuk menemukannya, berdasarkan prinsip -prinsip pertama: definisi saat ini, definisi kapasitas dan kapasitas untuk kapasitor plakat.

- Menurut definisi arus adalah turunan dari beban sehubungan dengan waktu i_C = dq/dt

- Kapasitas kapasitor adalah C = Q/V, di mana q adalah beban dan v adalah perbedaan potensial.

- Untuk bagiannya, kapasitas kapasitor plak datar paralel adalah: C = ε_{salah satu}Iklan.

Lowercases digunakan untuk menunjukkan arus dan tegangan yang bervariasi dari waktu ke waktu. Saat menggabungkan persamaan kedua dan ketiga, beban tetap:

q = c.V = (ε_{salah satu}IKLAN).V = ε_{salah satu}A (v/d) = ε_{salah satu}AE

Di sini ε_{salah satu} Itu adalah tunjangan kekosongan yang nilainya 8.85 x 10^-12 C²/N.M². Oleh karena itu, ketika mengambil hasil ini ke persamaan pertama ekspresi diperoleh yang berisi nilai tukar medan listrik:

yo_C = dq/dt = d (ε_{salah satu}Ae)/dt = ε_{salah satu}A (dari/dt)

Kliring/dt adalah:

(dari/dt) = i_C/ (ε_{salah satu}A) = j_D/ε_{salah satu}

Mengganti Nilai:

OF/DT = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.M² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

Hasilnya sekitar 1 diikuti oleh 13 nol. Medan listrik jelas bervariasi dengan sangat cepat.

Bagian c

Untuk menemukan besarnya medan magnet, perlu menerapkan hukum Ampere, memilih jalur radio melingkar R Di dalam piring dan konsentris untuk mereka, yang jari -jarinya adalah R:

Dapat melayani Anda: Venus (planet)

Di sisi lain di integral vektor B dan DL paralel, sehingga produk skalar sederhana BDL, Di mana dl Ini adalah perbedaan dalam perjalanan C. Lapangan B konstan semua C dan keluar dari integral:

Sama dengan kedua hasil:

Membersihkan B yang Anda miliki:

Mengevaluasi untuk r = 2 cm = 0.02 m:

Bagian d

Mengevaluasi persamaan yang diperoleh pada paragraf sebelumnya, untuk r = 1 cm = 0.01 m:

Karakteristik gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal di mana medan listrik dan magnet saling tegak lurus ke arah propagasi gelombang.

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

Selanjutnya kita akan melihat karakteristik yang paling menonjol.

Kecepatan propagasi

Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa C ≈3.00 x10⁸ m/s, terlepas dari nilai apa yang memiliki panjang gelombang dan frekuensi.

Media di mana mereka menyebarkan

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

Rasio antara kecepatan, panjang gelombang dan frekuensi

Hubungan antara kecepatan C, Panjang gelombang λ dan frekuensi F gelombang elektromagnetik dalam vakum adalah c = λ.F.

Hubungan antara medan listrik dan magnet

Besarnya medan listrik dan magnet terkait melalui E = CB.

Kecepatan dalam medium tertentu

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

Di mana ε dan μ adalah tunjangan dan permeabilitas lingkungan masing -masing.

Jumlah gerakan

Radiasi elektromagnetik dengan energi ATAU memiliki jumlah gerakan yang terkait P yang besarnya: P = ATAU/C.

Jenis Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik memiliki jangkauan panjang gelombang dan frekuensi yang sangat luas. Mereka dikelompokkan menjadi apa yang dikenal sebagai spektrum elektromagnetik, yang telah dibagi menjadi beberapa daerah, yang ditunjuk di bawah ini, dimulai dengan panjang gelombang tertinggi:

Gelombang radio

Terletak di ujung panjang gelombang tertinggi dan frekuensi yang lebih rendah, mereka berkisar dari beberapa hingga satu miliar hertz. Mereka adalah orang -orang yang digunakan untuk mengirimkan sinyal dengan berbagai informasi dan ditangkap oleh antena. Televisi, radio, ponsel, planet, bintang, dan benda -benda surgawi lainnya menyiarkannya dan dapat ditangkap.

Microwave

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

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

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

Sinar inframerah

Gelombang panas ini dipancarkan oleh tubuh termal, beberapa jenis laser dan dioda yang memancarkan cahaya. Meskipun biasanya tumpang tindih dengan gelombang radio dan microwave, jangkauannya adalah antara 0,7 dan 100 mikrometer.

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

Cahaya yang terlihat

Dalam divisi referensial spektrum kami menemukan cahaya yang jelas, yang memiliki panjang gelombang antara 0,4 dan 0,8 mikrometer. Yang kami membedakan adalah warna pelangi, di mana frekuensi terendah ditandai dengan warna merah dan tertinggi oleh ungu.

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

Itu dapat melayani Anda: percepatan rata -rata: bagaimana itu dihitung dan dipecahkan

Persepsi kita tentang hal -hal didasarkan pada radiasi yang terlihat yang mempengaruhi suatu objek dan kemudian pada mata. Kemudian otak menafsirkan frekuensi yang menimbulkan warna dan detail yang ada dalam berbagai hal.

Sinar ultraviolet

Undulasi ini ditemukan dalam interval 4 dan 400 nm, dihasilkan oleh matahari dan proses lain yang memancarkan sejumlah besar panas. Paparan yang berkepanjangan untuk gelombang pendek ini dapat menyebabkan luka bakar dan jenis kanker tertentu pada makhluk hidup.

Karena mereka adalah produk dari lompatan elektron dalam molekul dan atom tereksitasi, energinya mengintervensi reaksi kimia dan digunakan dalam pengobatan untuk mensterilkan. Mereka bertanggung jawab atas ionosfer karena lapisan ozon menghindari efek berbahaya di bumi.

sinar X

Penunjukan ini adalah karena mereka adalah gelombang elektromagnetik yang tidak terlihat yang mampu melintasi tubuh buram dan menghasilkan kesan fotografi. Terletak antara 10 dan 0,01 nm (30 hingga 30.000 phz), adalah hasil elektron yang melompat dari orbit dalam atom berat.

Sinar -sinar ini dapat dipancarkan oleh mahkota matahari, pulsares, supernova dan lubang hitam karena energinya dalam jumlah besar. Paparannya yang berkepanjangan menyebabkan kanker dan digunakan di bidang obat untuk mendapatkan gambar struktur tulang.

Sinar gamma

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

Karena mereka dihasilkan oleh proses stabilisasi dalam inti atom setelah emisi radioaktif, mereka mematikan. Panjang gelombangnya adalah subatomik, yang memungkinkan mereka melintasi atom. Meski begitu mereka diserap oleh atmosfer bumi.

Aplikasi gelombang elektromagnetik yang berbeda

Gelombang elektromagnetik memiliki sifat yang sama dalam hal refleksi dan refleksi sebagai gelombang mekanis. Dan di sebelah energi yang mereka perbiling, mereka juga dapat membawa informasi.

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

Spektrum elektromagnetik dan beberapa aplikasinya. Sumber: Totoroute dan Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0/]]

Gelombang radio

Tak lama setelah ditemukan, Guglielmo Marconi menunjukkan bahwa mereka bisa menjadi alat komunikasi yang sangat baik. Sejak penemuannya oleh Hertz, komunikasi nirkabel dengan frekuensi radio seperti radio AM dan FM, televisi, ponsel dan banyak lagi, mereka telah memperluas lebih banyak dan lebih banyak lagi di seluruh dunia.

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 terpapar ladang ini, mulai berosilasi dan bertabrakan satu sama lain. Efek yang dihasilkan adalah pemanasan.

Mereka juga dapat digunakan dalam telekomunikasi, karena kemampuannya untuk bergerak di atmosfer dengan gangguan yang lebih sedikit daripada gelombang panjang gelombang lainnya.

Gelombang inframerah

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

Dengan mereka, Anda juga dapat membuat peta suhu tubuh, yang berfungsi untuk mengidentifikasi beberapa jenis tumor yang suhunya lebih besar dari jaringan di sekitarnya.

Cahaya yang terlihat

Cahaya yang terlihat membentuk sebagian besar spektrum yang dipancarkan oleh matahari, yang merespons retina.

Sinar ultraviolet

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

X -rays dan sinar gamma

X -rays dan sinar gamma bahkan memiliki lebih banyak energi dan oleh karena itu mereka dapat menembus jaringan lunak, karenanya hampir dari saat penemuan mereka telah digunakan untuk mendiagnosis patah tulang dan meneliti interior tubuh dalam mencari penyakit penyakit.

X -rays dan sinar gamma digunakan tidak hanya sebagai alat diagnostik, tetapi sebagai alat terapi untuk kerusakan 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 ke -14. Pearson. 1053 - 1057.