Gelombang elektromagnetik: teori, tipe, karakteristik, aplikasi Maxwell
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal yang sesuai dengan medan yang disebabkan oleh percepatan muatan listrik. Abad ke-19 adalah abad kemajuan besar dalam kelistrikan dan magnetisme, tetapi sampai paruh pertama, para ilmuwan masih belum mengetahui 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 dari mata uang yang sama. Kedua fenomena ini saling terkait erat.
Arus listrik bukanlah vektor, meskipun memiliki besaran dan arah. Lebih tepat untuk menghubungkan bidang-bidang dengan kuantitas yang merupakan vektor: kerapatan arus J , yang besarnya adalah hasil bagi antara arus dan daerah yang dilaluinya. Unit kepadatan saat ini dalam Sistem Internasional adalah amp / m2.
Dalam hal vektor ini, kerapatan 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, C tidak melewati S ', tetapi i D tidak.
Latihan yang ditentukan
1-A kapasitor pelat bidang paralel sirkuler sedang dimuat. Jari-jari pelat adalah 4 cm dan pada saat tertentu arus konduksi i C = 0, 520 A. Ada udara di antara pelat. Temukan:
a) Kepadatan arus perpindahan J D dalam ruang antara pelat.
b) Laju perubahan medan listrik antara pelat.
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.
Solusi
Bagian a
Untuk besarnya kerapatan arus J D area pelat diperlukan:
Luas pelat: A = πr2 = π. (4 x 10-2 m) 2 = 0, 00503 m2.
Medan listrik seragam antara pelat, kerapatan arus juga, karena mereka proporsional. Juga i C = i D dengan kontinuitas, maka:
Kepadatan arus J D = 0, 520 A / 0, 00503 m2 = 103, 38 A / m2.
Bagian b
Laju perubahan medan listrik adalah (dE / dt). Diperlukan persamaan untuk menemukannya, mulai dari prinsip pertama: definisi arus, definisi kapasitas dan kapasitas kapasitor pelat datar paralel.
- Menurut definisi, arus adalah turunan dari beban sehubungan dengan waktu i C = dq / dt
- Kapasitas kapasitor adalah C = q / v, di mana q adalah muatan dan v adalah perbedaan potensial.
- Di sisi lain, kapasitas kapasitor plat datar paralel adalah: C = ε atau A / d.
Huruf kecil digunakan untuk menunjukkan arus dan tegangan yang bervariasi dalam waktu. Saat menggabungkan persamaan kedua dan ketiga, beban tetap sebagai:
q = Cv = (ε atau A / d) .v = ε atau A (v / d) = ε atau AE
Di sini ε o adalah permitivitas vakum yang nilainya 8, 85 x 10-12 C2 / N.m2. Oleh karena itu, dengan membawa hasil ini ke persamaan pertama Anda mendapatkan ekspresi yang berisi laju perubahan medan listrik:
i C = dq / dt = d (ε atau AE) / dt = ε atau A (dE / dt)
Kliring dE / dt tetap:
(dE / dt) = i C / (ε atau A) = j D / ε atau
Mengganti nilai:
dE / 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. Jelas medan listrik berubah sangat cepat.
Bagian c
Untuk menemukan besarnya medan magnet, perlu untuk menerapkan hukum Ampere, memilih jalur melingkar jari-jari r di dalam pelat dan konsentris, yang radiusnya adalah R:
Untuk bagiannya dalam integral, vektor B dan dl sejajar, sehingga produk skalar hanyalah Bdl, di mana dl adalah diferensial jalan lebih dari C. Bidang B konstan dalam semua cara C dan berada di luar integral :
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 dan pada saat yang sama menuju arah rambat gelombang.
Selanjutnya kita akan melihat karakteristiknya yang paling luar biasa.
Kecepatan propagasi
Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa udara adalah c ≈ 3, 00 x 108 m / s, terlepas dari nilai apa yang memiliki panjang gelombang dan frekuensi.
Berarti di mana mereka disebarkan
Gelombang elektromagnetik merambat baik dalam ruang hampa udara maupun dalam beberapa media material, tidak seperti gelombang mekanis yang membutuhkan medium.
Hubungan antara kecepatan, panjang gelombang dan frekuensi
Hubungan antara kecepatan c, panjang gelombang λ dan frekuensi f dari gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah c = λ.f.
Hubungan antara medan listrik dan medan magnet
Besarnya medan listrik dan magnet dihubungkan oleh E = cB.
Kecepatan dalam media yang diberikan
Dalam media tertentu, dimungkinkan untuk menunjukkan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik diberikan oleh ekspresi:
Di mana ε dan μ masing-masing adalah permitivitas dan permeabilitas medium yang dimaksud.
Jumlah gerakan
Radiasi elektromagnetik dengan energi U memiliki jumlah gerakan terkait p yang besarnya adalah: p = U / c .
Jenis gelombang elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik memiliki jangkauan 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 di ujung panjang gelombang terpanjang dan 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 memancarkannya dan dapat ditangkap.
Microwave
Terletak di frekuensi sangat tinggi (UHF), sangat tinggi (SHF) dan sangat tinggi (EHF), mereka berkisar antara 1 GHz dan 300 GHz. Tidak seperti frekuensi sebelumnya yang dapat mengukur hingga 1, 6 km, gelombang mikro Mereka berkisar dari beberapa sentimeter hingga 33 cm.
Mengingat posisi mereka 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, ponsel, oven dapur, dan solusi komputer.
Osilasi adalah produk dari perangkat yang dikenal sebagai magnetron, yang merupakan jenis rongga resonansi yang memiliki 2 disk magnet di ujungnya. Medan elektromagnetik dihasilkan oleh percepatan elektron katoda.
Sinar infra merah
Gelombang panas ini dipancarkan oleh benda-benda termal, beberapa jenis laser dan dioda yang memancarkan cahaya. Meskipun mereka sering tumpang tindih dengan gelombang radio dan gelombang mikro, jangkauan mereka adalah antara 0, 7 dan 100 mikrometer.
Entitas yang paling sering menghasilkan panas yang dapat dideteksi oleh penglihatan malam dan kulit. Mereka sering digunakan untuk kontrol jarak jauh dan sistem komunikasi khusus.
Cahaya tampak
Dalam pembagian referensial dari spektrum kita menemukan cahaya yang nampak, yang memiliki panjang gelombang antara 0, 4 dan 0, 8 mikrometer. Yang kami bedakan 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 termasuk jumlah radiasi terbesar yang dipancarkan oleh matahari dan bintang-bintang. Selain itu, ini adalah produk percepatan elektron dalam transit energi.
Persepsi kita tentang sesuatu didasarkan pada radiasi yang terlihat yang mengenai suatu objek dan kemudian mata. Kemudian otak menafsirkan frekuensi yang memunculkan warna dan detail yang ada pada benda-benda.
Sinar ultraviolet
Undulasi ini berada dalam kisaran 4 dan 400 nm, dihasilkan oleh matahari dan proses lain yang memancarkan panas dalam jumlah besar. Paparan gelombang pendek yang berkepanjangan ini dapat menyebabkan luka bakar dan jenis kanker tertentu pada makhluk hidup.
Karena mereka adalah produk dari lompatan elektron dalam molekul dan atom yang tereksitasi, energi mereka ikut campur dalam reaksi kimia dan digunakan dalam pengobatan untuk mensterilkan. Mereka bertanggung jawab atas ionosfer karena lapisan ozon menghindari efek berbahaya pada bumi.
Sinar-X
Penunjukan ini karena mereka adalah gelombang elektromagnetik yang tidak terlihat yang mampu melintasi benda-benda buram dan menghasilkan tayangan 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 jumlah energinya yang besar. Paparannya yang lama menyebabkan kanker dan digunakan dalam bidang kedokteran untuk mendapatkan gambar struktur tulang.
Sinar Gamma
Terletak di paling kiri spektrum, mereka adalah gelombang yang paling sering 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 gelombang mereka adalah subatomik, yang memungkinkan mereka untuk 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 seperti gelombang mekanis. Dan seiring dengan energi yang disebarkan, 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.
Gelombang radio
Tak lama setelah ditemukan, Guglielmo Marconi menunjukkan bahwa mereka bisa menjadi alat komunikasi yang sangat baik. Sejak ditemukan oleh Hertz, komunikasi nirkabel dengan frekuensi radio seperti radio AM dan FM, televisi, ponsel, dan banyak lagi telah menyebar semakin banyak di seluruh dunia.
Microwave
Mereka dapat digunakan untuk memanaskan makanan, karena air adalah molekul dipolar yang mampu merespon medan listrik yang berosilasi. Makanan mengandung molekul air, yang ketika terkena bidang-bidang ini, mulai berosilasi dan bertabrakan satu sama lain. Efek yang dihasilkan adalah pemanasan.
Mereka juga dapat digunakan dalam telekomunikasi, karena kemampuan mereka untuk bergerak di atmosfer dengan sedikit gangguan daripada panjang gelombang lain dari panjang gelombang yang lebih besar.
Gelombang inframerah
Aplikasi inframerah yang paling khas adalah perangkat night vision. 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 tinggi dari jaringan di sekitarnya.
Cahaya tampak
Cahaya tampak membentuk sebagian besar dari spektrum yang dipancarkan oleh Matahari, dimana retina merespons.
Sinar ultraviolet
Sinar ultraviolet memiliki energi yang cukup untuk berinteraksi dengan materi secara signifikan, sehingga paparan radiasi yang terus-menerus ini menyebabkan penuaan dini dan meningkatkan risiko kanker kulit.
Sinar-X dan sinar gamma
Sinar-X dan sinar gamma bahkan memiliki lebih banyak energi dan karena itu mampu menembus jaringan lunak, maka hampir sejak saat penemuannya telah digunakan untuk mendiagnosis fraktur dan meneliti bagian dalam tubuh dalam mencari penyakit .
Sinar-X dan sinar gamma digunakan tidak hanya sebagai alat diagnostik, tetapi sebagai alat terapi untuk penghancuran tumor.
