GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK: TEORI, JENIS, CIRI MAXWELL - FIZIKAL - 2026

The gelombang elektromagnet gelombang melintang yang sesuai dengan bidang yang disebabkan oleh caj elektrik dipercepatkan. Abad ke-19 adalah abad kemajuan elektrik dan magnet yang hebat, tetapi sehingga separuh pertama, para saintis masih tidak menyedari hubungan antara dua fenomena tersebut, dan mempercayai bahawa mereka saling bergantung antara satu sama lain.

Ahli fizik Scotland, James Clerk Maxwell (1831-1879) yang membuktikan kepada dunia bahawa elektrik dan magnet hanyalah dua sisi duit syiling yang sama. Kedua-dua fenomena itu berkait rapat.

Ribut petir. Sumber: Pixabay.

Teori Maxwell

Maxwell menyatukan teori elektrik dan magnet dalam 4 persamaan elegan dan ringkas, ramalannya segera disahkan:

Apa bukti yang dimiliki Maxwell untuk mengembangkan teori elektromagnetiknya?

Sudah menjadi kenyataan bahawa arus elektrik (cas bergerak) menghasilkan medan magnet, dan pada gilirannya medan magnet yang berubah-ubah menghasilkan arus elektrik dalam litar konduktif, yang menunjukkan bahawa medan magnet berubah-ubah mendorong medan elektrik.

Mungkinkah fenomena sebaliknya dapat terjadi? Adakah medan elektrik berubah-ubah mampu menghasilkan medan magnet secara bergantian?

Maxwell, murid Michael Faraday, yakin akan adanya simetri di alam semula jadi. Fenomena elektrik dan magnetik juga harus mematuhi prinsip-prinsip ini.

Menurut penyelidik ini, ladang berosilasi akan menimbulkan gangguan dengan cara yang sama seperti batu yang dilemparkan ke kolam menghasilkan gelombang. Gangguan ini tidak lebih daripada medan elektrik dan magnet yang berayun, yang tepat disebut Maxwell gelombang elektromagnetik.

Ramalan Maxwell

Persamaan Maxwell meramalkan adanya gelombang elektromagnetik dengan kecepatan perambatan sama dengan kelajuan cahaya. Ramalan itu disahkan tidak lama kemudian oleh ahli fizik Jerman Heinrich Hertz (1857 - 1894), yang berjaya menghasilkan gelombang ini di makmalnya menggunakan litar LC. Ini berlaku sejurus selepas kematian Maxwell.

Untuk mengesahkan kebenaran teori, Hertz harus membina alat pengesan yang membolehkannya mencari panjang gelombang dan frekuensi, data dari mana dia dapat mengira kelajuan gelombang radio elektromagnetik, bertepatan dengan kelajuan cahaya. .

Karya Maxwell diterima dengan skeptis oleh komuniti saintifik pada masa itu. Mungkin itu sebahagiannya kerana Maxwell adalah ahli matematik yang cemerlang dan telah menyampaikan teorinya dengan semua formaliti kes itu, yang banyak yang gagal difahami.

Walau bagaimanapun, percubaan Hertz adalah cemerlang dan menarik. Hasilnya diterima dengan baik dan keraguan mengenai kebenaran ramalan Maxwell dihapus.

Arus perpindahan

Arus perpindahan adalah penciptaan Maxwell, yang timbul dari analisis mendalam mengenai undang-undang Ampere, yang menyatakan bahawa:

Bateri mengecas kapasitor. Permukaan S (garis pepejal) dan S 'dan kontur C ditunjukkan untuk menerapkan hukum Ampere. Sumber: diubah suai dari Pixabay.

Oleh itu, istilah ke kanan dalam undang-undang Ampere, yang melibatkan semasa, tidak sia-sia dan tidak juga anggota di sebelah kiri. Kesimpulan segera: ada medan magnet.

Adakah medan magnet di S '?

Namun, tidak ada arus yang melintasi atau melintasi permukaan melengkung S ', yang memiliki kontur C yang sama, kerana permukaan ini merangkumi sebahagian dari apa yang ada di ruang antara plat kondensor, yang dapat kita anggap udara atau bahan lain tidak konduktif.

Di wilayah itu tidak ada bahan konduktif yang mengalir arus. Perlu diingat bahawa untuk arus mengalir, litar mesti ditutup. Oleh kerana arus adalah sifar, integral di sebelah kiri dalam undang-undang Ampere adalah 0. Tidak ada medan magnet maka, ada?

Pasti ada percanggahannya. S 'juga dibatasi oleh lengkung C dan kewujudan medan magnet tidak boleh bergantung pada permukaan yang dibatasi oleh C.

Maxwell diselesaikan percanggahan dengan memperkenalkan konsep anjakan semasa i _D .

Arus perpindahan

Semasa kapasitor sedang mengecas, medan elektrik berubah antara plat dan arus mengalir melalui konduktor. Apabila kapasitor mengecas, arus di konduktor berhenti dan medan elektrik berterusan dijalin di antara plat.

Kemudian Maxwell menyimpulkan bahawa, yang berkaitan dengan medan elektrik berubah, mesti ada arus yang disebutnya arus sesaran i _D , arus yang tidak melibatkan pergerakan cas. Untuk permukaan S 'adalah sah:

Arus elektrik bukan vektor, walaupun mempunyai magnitud dan makna. Lebih sesuai untuk menghubungkan medan dengan kuantiti yang vektor: ketumpatan arus J , yang besarnya adalah hasil bagi antara arus dan kawasan yang dilaluinya. Unit ketumpatan arus dalam Sistem Antarabangsa ialah ampere / m ² .

Dari segi vektor ini, ketumpatan arus anjakan adalah:

Dengan cara ini, ketika hukum Ampere diterapkan pada kontur C dan permukaan S digunakan, i _C adalah arus yang melaluinya. Sebaliknya, i _C tidak melalui S ', tetapi i _D tidak.

Latihan diselesaikan

Kelajuan dalam medium tertentu

Dalam medium tertentu, adalah mungkin untuk menunjukkan bahawa kelajuan gelombang elektromagnetik diberikan oleh ungkapan:

Di mana ε dan μ adalah kebolehtelapan dan kebolehtelapan media yang berkenaan.

Jumlah pergerakan

Sinaran elektromagnetik dengan tenaga U mempunyai momentum yang berkaitan p yang besarnya ialah: p = U / c.

Jenis gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik mempunyai jarak panjang dan frekuensi gelombang yang sangat luas. Mereka dikelompokkan dalam apa yang dikenali sebagai spektrum elektromagnetik, yang telah dibahagikan kepada kawasan, yang dinamakan di bawah, bermula dengan panjang gelombang terpanjang:

Gelombang radio

Terletak pada panjang gelombang tertinggi dan hujung frekuensi terendah, jarak antara beberapa hingga satu miliar Hertz. Mereka adalah yang digunakan untuk menghantar isyarat dengan maklumat pelbagai jenis dan ditangkap oleh antena. Televisyen, radio, telefon bimbit, planet, bintang dan cakerawala lain menyiarkannya dan ia dapat ditangkap.

Ketuhar gelombang mikro

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 boleh mengukur hingga satu batu (1.6 km), gelombang mikro Mereka berkisar antara beberapa sentimeter hingga 33 cm.

Memandangkan kedudukan mereka dalam spektrum, antara 100,000 dan 400,000 nm, mereka digunakan untuk mengirimkan data pada frekuensi yang tidak terganggu oleh gelombang radio. Atas sebab ini, mereka digunakan dalam teknologi radar, telefon bimbit, ketuhar dapur, dan penyelesaian komputer.

Pengayunnya adalah produk dari alat yang dikenali sebagai magnetron, yang merupakan sejenis rongga resonan yang mempunyai 2 magnet cakera di hujungnya. Medan elektromagnetik dihasilkan oleh pecutan elektron dari katod.

Sinar inframerah

Gelombang panas ini dipancarkan oleh badan termal, beberapa jenis laser, dan diod pemancar cahaya. Walaupun mereka cenderung bertindih dengan gelombang radio dan gelombang mikro, jaraknya antara 0,7 dan 100 mikrometer.

Entiti paling kerap menghasilkan haba yang dapat dikesan oleh kacamata malam dan kulit. Mereka sering digunakan untuk kawalan jauh dan sistem komunikasi khas.

Cahaya yang kelihatan

Dalam pembahagian rujukan spektrum, kita dapati cahaya yang dapat dilihat, yang mempunyai panjang gelombang antara 0,4 dan 0,8 mikrometer. Yang kami bezakan ialah warna pelangi, di mana frekuensi terendah ditandai dengan warna merah dan yang tertinggi oleh ungu.

Nilai panjangnya diukur dalam nanometer dan Angstrom, ia mewakili bahagian yang sangat kecil dari keseluruhan spektrum dan julat ini merangkumi jumlah radiasi terbesar yang dipancarkan oleh matahari dan bintang. Di samping itu, ia adalah hasil pecutan elektron dalam peralihan tenaga.

Persepsi kita terhadap perkara berdasarkan sinaran yang dapat dilihat pada objek dan kemudian pada mata. Otak kemudian menafsirkan frekuensi yang menimbulkan warna dan perincian yang terdapat pada sesuatu.

Sinar ultraviolet

Riak ini berada dalam jarak 4 dan 400 nm, ia dihasilkan oleh matahari dan proses lain yang mengeluarkan sejumlah besar haba. Pendedahan jangka panjang terhadap gelombang pendek ini boleh menyebabkan luka bakar dan beberapa jenis barah pada makhluk hidup.

Oleh kerana mereka adalah hasil lonjakan elektron dalam molekul dan atom teruja, tenaga mereka terlibat dalam tindak balas kimia dan mereka digunakan dalam perubatan untuk mensterilkan. Mereka bertanggungjawab terhadap ionosfera kerana lapisan ozon mencegah kesan merosakkannya di bumi.

Sinar-X

Penunjukan ini disebabkan oleh fakta bahawa gelombang elektromagnetik yang tidak dapat dilihat mampu melewati badan legap dan menghasilkan cetakan fotografi. Terletak antara 10 dan 0,01 nm (30 hingga 30,000 PHz), mereka adalah hasil elektron yang melompat dari orbit pada atom berat.

Sinar ini dapat dipancarkan oleh korona matahari, pulsar, supernova, dan lubang hitam kerana jumlah tenaga yang besar. Pendedahan mereka yang berpanjangan menyebabkan barah dan mereka digunakan dalam bidang perubatan untuk mendapatkan gambaran struktur tulang.

Sinaran gamma

Terletak di paling kiri spektrum, mereka adalah gelombang yang mempunyai frekuensi tertinggi dan biasanya terjadi di lubang hitam, supernova, pulsar dan bintang neutron. Mereka juga boleh menjadi hasil pembelahan, letupan nuklear dan kilat.

Oleh kerana ia dihasilkan oleh proses penstabilan dalam nukleus atom setelah pelepasan radioaktif, mereka mematikan. Panjang gelombang mereka adalah subatomik, yang membolehkan mereka melalui atom. Mereka masih diserap oleh atmosfera Bumi.

Aplikasi gelombang elektromagnetik yang berbeza

Gelombang elektromagnetik mempunyai sifat pantulan dan pantulan yang sama dengan gelombang mekanikal. Dan bersama dengan tenaga yang mereka sebarkan, mereka juga dapat membawa maklumat.

Oleh kerana itu, pelbagai jenis gelombang elektromagnetik telah digunakan untuk sebilangan besar tugas yang berbeza. Di sini kita akan melihat beberapa perkara yang paling biasa.

Spektrum elektromagnetik dan beberapa aplikasinya. Sumber: Tatoute dan Phrood

Gelombang radio

Tidak lama setelah ditemui, Guglielmo Marconi membuktikan bahawa mereka boleh menjadi alat komunikasi yang sangat baik. Sejak penemuan mereka oleh Hertz, komunikasi tanpa wayar dengan frekuensi radio seperti radio AM dan FM, televisyen, telefon bimbit, dan banyak lagi, telah semakin meluas di seluruh dunia.

Ketuhar gelombang mikro

Mereka dapat digunakan untuk memanaskan makanan, kerana air adalah molekul dipol yang mampu merespon medan elektrik berayun. Makanan mengandungi molekul air, yang apabila terkena ladang ini, mulai berayun dan bertembung satu sama lain. Kesan yang dihasilkan adalah pemanasan.

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

Gelombang inframerah

Aplikasi inframerah yang paling khas adalah alat penglihatan malam. Mereka juga digunakan dalam komunikasi antara peranti dan teknik spektroskopi untuk kajian bintang, awan gas antar bintang, dan eksoplanet.

Mereka juga dapat membuat peta suhu badan, yang digunakan untuk mengenal pasti beberapa jenis tumor yang suhunya lebih tinggi daripada tisu sekitarnya.

Cahaya yang kelihatan

Cahaya yang dapat dilihat membentuk sebahagian besar spektrum yang dipancarkan oleh Matahari, di mana retina bertindak balas.

Sinar ultraviolet

Sinar ultraviolet mempunyai tenaga yang cukup untuk berinteraksi dengan bahan dengan ketara, jadi pendedahan berterusan terhadap radiasi ini menyebabkan penuaan pramatang dan meningkatkan risiko terkena barah kulit.

X-ray dan sinar gamma

Sinar-X dan sinar gamma mempunyai lebih banyak tenaga dan oleh itu mampu menembusi tisu lembut, oleh itu, hampir sejak saat penemuan mereka, mereka telah digunakan untuk mendiagnosis patah tulang dan memeriksa bahagian dalam badan untuk mencari penyakit. .

X-ray dan sinar gamma digunakan tidak hanya sebagai alat diagnostik, tetapi juga sebagai alat terapi untuk pemusnahan tumor.

Rujukan

1. Giancoli, D. (2006). Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Edisi Keenam. Dewan Prentice. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Asas Fizik. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). Fizik Universiti dengan Fizik Moden. Edisi ke-14. Pearson. 1053-1057.