Apa itu gelombang elektromagnetik - Knowledge Hypermarket. Gelombang elektromagnetik - sifat dan karakteristik

Banyak pola proses gelombang memiliki karakter universal dan sama-sama valid untuk gelombang yang berbeda sifatnya: gelombang mekanik dalam media elastis, gelombang di permukaan air, dalam tali yang diregangkan, dll. Tidak terkecuali dan gelombang elektromagnetik, mewakili proses propagasi osilasi medan elektromagnetik. Tetapi tidak seperti jenis gelombang lainnya, yang merambat di beberapa media material, gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa: tidak ada media material yang diperlukan untuk propagasi medan listrik dan magnet. Namun, gelombang elektromagnetik dapat eksis tidak hanya dalam ruang hampa, tetapi juga dalam materi.

Prediksi gelombang elektromagnetik. Keberadaan gelombang elektromagnetik secara teoritis diprediksi oleh Maxwell sebagai hasil dari analisis sistem persamaan yang diusulkannya yang menggambarkan medan elektromagnetik. Maxwell menunjukkan bahwa medan elektromagnetik dalam ruang hampa dapat eksis bahkan tanpa adanya sumber - muatan dan arus. Sebuah medan tanpa sumber memiliki bentuk gelombang yang merambat dengan kecepatan terbatas cm/s, di mana vektor-vektor medan listrik dan magnet pada setiap momen waktu di setiap titik dalam ruang saling tegak lurus dan tegak lurus terhadap arah gelombang. perambatan.

Secara eksperimental, gelombang elektromagnetik ditemukan dan dipelajari oleh Hertz hanya 10 tahun setelah kematian Maxwell.

vibrator terbuka. Untuk memahami bagaimana gelombang elektromagnetik dapat diperoleh secara eksperimental, pertimbangkan rangkaian osilasi "terbuka", di mana pelat kapasitor dipindahkan terpisah (Gbr. 176) dan oleh karena itu Medan listrik menempati area yang luas. Dengan peningkatan jarak antara pelat, kapasitansi C kapasitor berkurang dan, sesuai dengan rumus Thomson, frekuensi osilasi alami meningkat. Jika kita juga mengganti induktor dengan seutas kawat, maka induktansi akan berkurang dan frekuensi alami akan semakin meningkat. Dalam hal ini, tidak hanya listrik, tetapi juga medan magnet, yang sebelumnya tertutup di dalam kumparan, sekarang akan menempati area yang luas dari ruang yang menutupi kawat ini.

Peningkatan frekuensi osilasi di sirkuit, serta peningkatannya dimensi linier, mengarah pada fakta bahwa periode sendiri

osilasi menjadi sebanding dengan waktu propagasi medan elektromagnetik di sepanjang seluruh rangkaian. Ini berarti bahwa proses osilasi elektromagnetik alami dalam rangkaian terbuka seperti itu tidak dapat lagi dianggap quasi-stasioner.

Beras. 176. Transisi dari rangkaian osilasi ke vibrator terbuka

Kekuatan arus di tempat yang berbeda pada saat yang sama berbeda: di ujung sirkuit selalu nol, dan di tengah (di mana koil dulu) berosilasi dengan amplitudo maksimum.

Dalam kasus pembatas, ketika rangkaian osilasi telah berubah menjadi segmen kawat lurus, distribusi arus sepanjang rangkaian pada beberapa titik waktu ditunjukkan pada Gambar. 177a. Pada saat kekuatan arus pada vibrator seperti itu maksimum, medan magnet yang menutupinya juga mencapai maksimum, dan tidak ada medan listrik di dekat vibrator. Setelah seperempat periode, kekuatan arus menghilang, dan dengan itu medan magnet di dekat vibrator; muatan listrik terkonsentrasi di dekat ujung vibrator, dan distribusinya memiliki bentuk yang ditunjukkan pada Gambar. 1776. Medan listrik di dekat vibrator saat ini maksimum.

Beras. 177. Distribusi sepanjang vibrator terbuka dari kekuatan arus pada saat maksimum (a), dan distribusi muatan setelah seperempat periode (b)

Osilasi muatan dan arus ini, yaitu, osilasi elektromagnetik dalam vibrator terbuka, cukup analog dengan osilasi mekanis yang dapat terjadi pada pegas osilator jika benda masif yang menempel padanya dilepas. Dalam hal ini, perlu untuk memperhitungkan massa masing-masing bagian pegas dan menganggapnya sebagai sistem terdistribusi, di mana setiap elemen memiliki sifat elastis dan inert. Dalam kasus vibrator elektromagnetik terbuka, masing-masing elemennya juga secara bersamaan memiliki induktansi dan kapasitansi.

Medan listrik dan magnet vibrator. Sifat osilasi non-stasioner dalam vibrator terbuka mengarah pada fakta bahwa medan yang dibuat oleh bagian individualnya pada jarak tertentu dari vibrator tidak lagi mengkompensasi satu sama lain, seperti halnya sirkuit osilasi "tertutup" dengan parameter disamakan, di mana osilasi kuasi-stasioner, medan listrik sepenuhnya terkonsentrasi di dalam kapasitor, dan magnet - di dalam koil. Karena pemisahan spasial medan listrik dan magnet, mereka tidak terkait langsung satu sama lain: transformasi timbal balik mereka hanya disebabkan oleh transfer arus - muatan di sepanjang sirkuit.

Pada vibrator terbuka, di mana medan listrik dan magnet tumpang tindih di ruang angkasa, pengaruh timbal balik mereka terjadi: medan magnet yang berubah menghasilkan medan listrik pusaran, dan medan listrik yang berubah menghasilkan medan magnet. Akibatnya, keberadaan bidang "berkelanjutan" seperti itu yang menyebar di ruang bebas pada jarak yang jauh dari vibrator adalah mungkin. Ini adalah gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh vibrator.

percobaan Hertz. Vibrator, dengan bantuan G. Hertz pada tahun 1888 adalah yang pertama secara eksperimental memperoleh gelombang elektromagnetik, adalah konduktor lurus dengan celah udara kecil di tengahnya (Gbr. 178a). Berkat celah ini, muatan yang signifikan dapat diberikan ke dua bagian vibrator. Ketika beda potensial mencapai nilai batas tertentu, kerusakan terjadi di celah udara (percikan melompat) dan muatan listrik dapat mengalir melalui udara terionisasi dari satu bagian vibrator ke bagian lainnya. Dalam rangkaian terbuka, osilasi elektromagnetik muncul. Agar arus bolak-balik cepat hanya ada di vibrator dan tidak menutup melalui sumber listrik, choke dihubungkan antara vibrator dan sumber (lihat Gambar 178a).

Beras. 178. Vibrator Hertz

Getaran frekuensi tinggi di vibrator ada selama percikan menutup celah di antara bagiannya. Redaman osilasi semacam itu dalam vibrator terjadi terutama bukan karena kerugian Joule pada resistansi (seperti dalam rangkaian osilasi tertutup), tetapi karena radiasi gelombang elektromagnetik.

Untuk mendeteksi gelombang elektromagnetik, Hertz menggunakan vibrator kedua (penerima) (Gbr. 1786). Di bawah aksi medan listrik bolak-balik dari gelombang yang datang dari emitor, elektron dalam vibrator penerima melakukan osilasi paksa, yaitu, arus bolak-balik yang cepat tereksitasi dalam vibrator. Jika dimensi vibrator penerima sama dengan yang memancarkan, maka frekuensi osilasi elektromagnetik alami di dalamnya bertepatan dan osilasi paksa pada vibrator penerima mencapai nilai yang nyata karena resonansi. Osilasi ini dideteksi oleh Hertz dengan lewatnya percikan api di celah mikroskopis di tengah vibrator penerima atau dengan pancaran tabung pelepasan gas mini G, yang terhubung di antara kedua bagian vibrator.

Hertz tidak hanya secara eksperimental membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik, tetapi untuk pertama kalinya mulai mempelajari sifat-sifatnya - penyerapan dan pembiasan dalam media yang berbeda, refleksi dari permukaan logam dll. Secara eksperimental, kecepatan gelombang elektromagnetik juga dapat diukur, yang ternyata sama dengan kecepatan cahaya.

Kebetulan kecepatan gelombang elektromagnetik dengan kecepatan cahaya diukur jauh sebelum penemuan mereka menjadi titik awal untuk mengidentifikasi cahaya dengan gelombang elektromagnetik dan menciptakan teori elektromagnetik cahaya.

Gelombang elektromagnetik ada tanpa sumber medan dalam arti bahwa setelah emisinya, medan elektromagnetik gelombang tidak terkait dengan sumbernya. Dengan cara ini, gelombang elektromagnetik berbeda dari medan listrik dan magnet statis, yang tidak ada dalam isolasi dari sumbernya.

Mekanisme radiasi gelombang elektromagnetik. Radiasi gelombang elektromagnetik terjadi dengan pergerakan muatan listrik yang dipercepat. Adalah mungkin untuk memahami bagaimana medan listrik transversal dari suatu gelombang muncul dari medan radial Coulomb sebuah muatan titik dengan menggunakan alasan sederhana berikut yang diajukan oleh J. Thomson.

Beras. 179. Bidang muatan titik tidak bergerak

Pertimbangkan medan listrik yang diciptakan oleh muatan titik.Jika muatan diam, maka medan elektrostatiknya diwakili oleh garis gaya radial yang muncul dari muatan (Gbr. 179). Biarkan pada saat muatan di bawah aksi beberapa gaya eksternal mulai bergerak dengan percepatan a, dan setelah beberapa waktu aksi gaya ini berhenti, sehingga muatan bergerak lebih jauh secara seragam dengan kecepatan.Grafik kecepatan muatan adalah ditunjukkan pada Gambar. 180.

Bayangkan sebuah gambar garis-garis medan listrik yang diciptakan oleh muatan ini, setelah waktu yang lama, Karena medan listrik merambat dengan kecepatan cahaya c,

maka perubahan medan listrik yang disebabkan oleh pergerakan muatan tidak dapat mencapai titik-titik yang terletak di luar lingkaran jari-jari: di luar bola ini, medannya sama dengan muatan stasioner (Gbr. 181). Kekuatan medan ini (dalam sistem satuan Gaussian) sama dengan

Seluruh perubahan medan listrik yang disebabkan oleh pergerakan muatan yang dipercepat dari waktu ke waktu pada saat waktu berada di dalam lapisan bola tipis dengan ketebalan, jari-jari luarnya sama dengan dan bagian dalam - Ini ditunjukkan pada Gambar. 181. Di dalam bola berjari-jari, medan listrik adalah medan muatan yang bergerak secara seragam.

Beras. 180. Grafik tingkat pengisian

Beras. 181. Garis-garis kuat medan listrik suatu muatan bergerak menurut grafik pada gambar. 180

Beras. 182. Untuk penurunan rumus intensitas medan radiasi dari muatan yang bergerak dipercepat

Jika kecepatan muatan jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya c, maka medan pada saat ini bertepatan dengan medan muatan titik stasioner yang terletak pada jarak dari awal (Gbr. 181): medan muatan perlahan bergerak dengan kecepatan konstan bergerak dengan itu, dan jarak yang ditempuh oleh muatan dari waktu ke waktu , seperti dapat dilihat dari Gambar. 180, dapat dianggap sama jika r»t.

Gambar medan listrik di dalam lapisan bola mudah ditemukan, mengingat kontinuitas garis-garis gaya. Untuk melakukan ini, Anda perlu menghubungkan garis gaya radial yang sesuai (Gbr. 181). Kekusutan pada garis-garis gaya yang disebabkan oleh gerak dipercepat dari muatan "melarikan diri" dari muatan dengan kecepatan c. Sebuah ketegaran di garis kekuatan antara

bola, ini adalah bidang radiasi yang menarik bagi kita, merambat dengan kecepatan c.

Untuk menemukan medan radiasi, perhatikan salah satu garis intensitas, yang membentuk sudut tertentu dengan arah pergerakan muatan (Gbr. 182). Mari kita uraikan vektor kuat medan listrik pada patahan E menjadi dua komponen: radial dan transversal. Komponen radial adalah kekuatan medan elektrostatik, dibuat oleh muatan jauh dari dia:

Komponen transversal adalah kuat medan listrik pada gelombang yang dipancarkan oleh muatan selama gerak dipercepat. Karena gelombang ini berjalan sepanjang jari-jari, vektor tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Dari gambar. 182 menunjukkan bahwa

Mengganti di sini dari (2), kami menemukan

Mempertimbangkan bahwa rasio adalah percepatan a, yang dengannya muatan dipindahkan selama interval waktu dari 0 ke, kami menulis ulang ekspresi ini dalam bentuk

Pertama-tama, kami memperhatikan fakta bahwa kekuatan medan listrik gelombang berkurang berbanding terbalik dengan jarak dari pusat, berbeda dengan kekuatan medan elektrostatik, yang sebanding dengan ketergantungan pada jarak, dan diharapkan jika kita memperhitungkan hukum kekekalan energi. Karena tidak ada penyerapan energi ketika gelombang merambat dalam ruang hampa, jumlah energi yang telah melewati bola dengan radius berapa pun adalah sama. Karena luas permukaan bola sebanding dengan kuadrat jari-jarinya, fluks energi yang melalui satuan permukaannya harus berbanding terbalik dengan kuadrat jari-jarinya. Mempertimbangkan bahwa rapat energi medan listrik gelombang adalah sama, kami menyimpulkan bahwa

Selanjutnya, kita perhatikan bahwa kuat medan gelombang dalam rumus (4) pada saat waktu tergantung pada percepatan muatan dan pada saat waktu gelombang yang diradiasikan pada saat itu mencapai titik yang terletak pada jarak setelah waktu tertentu. sama dengan

Radiasi muatan berosilasi. Mari kita asumsikan bahwa muatan bergerak sepanjang waktu sepanjang garis lurus dengan beberapa percepatan variabel di dekat titik asal, misalnya, ia melakukan osilasi harmonik. Selama itu, ia akan memancarkan gelombang elektromagnetik terus menerus. Kuat medan listrik gelombang pada suatu titik yang terletak pada jarak dari titik asal koordinat masih ditentukan oleh rumus (4), dan medan listrik pada saat itu bergantung pada percepatan muatan a pada saat sebelumnya.

Biarkan gerakan muatan menjadi osilasi harmonik di dekat titik asal dengan amplitudo A dan frekuensi tertentu w:

Percepatan muatan selama gerakan seperti itu diberikan oleh ekspresi

Substitusikan percepatan muatan ke dalam rumus (5), kita peroleh

Perubahan medan listrik pada setiap titik selama perjalanan gelombang seperti itu adalah osilasi harmonik dengan frekuensi , yaitu, muatan yang berosilasi memancarkan gelombang monokromatik. Tentu saja, rumus (8) berlaku pada jarak yang lebih besar dari amplitudo osilasi muatan A.

Energi gelombang elektromagnetik. Kerapatan energi medan listrik gelombang monokromatik yang dipancarkan oleh muatan dapat ditemukan dengan menggunakan rumus (8):

Kerapatan energi sebanding dengan kuadrat amplitudo osilasi muatan dan pangkat empat frekuensi.

Setiap fluktuasi dikaitkan dengan transisi periodik energi dari satu bentuk ke bentuk lain dan sebaliknya. Misalnya, osilasi dari osilator mekanik disertai dengan transformasi timbal balik energi kinetik dan energi potensial deformasi elastis. Ketika mempelajari osilasi elektromagnetik dalam suatu rangkaian, kita melihat bahwa analog energi potensial osilator mekanik adalah energi medan listrik di kapasitor, dan analog energi kinetik adalah energi medan magnet kumparan. Analogi ini berlaku tidak hanya untuk osilasi lokal, tetapi juga untuk proses gelombang.

Dalam gelombang monokromatik yang merambat dalam media elastis, rapat energi kinetik dan potensial pada setiap titik melakukan osilasi harmonik dengan frekuensi dua kali lipat, dan sedemikian rupa sehingga nilainya bertepatan setiap saat. Ini sama dalam gelombang elektromagnetik monokromatik yang bergerak: kerapatan energi medan listrik dan magnet, membuat osilasi harmonik dengan frekuensi, sama satu sama lain di setiap titik setiap saat.

Kerapatan energi medan magnet dinyatakan dalam induksi B sebagai berikut:

Dengan menyamakan rapat energi medan listrik dan medan magnet dalam gelombang elektromagnetik yang merambat, kita yakin bahwa induksi medan magnet dalam gelombang seperti itu bergantung pada koordinat dan waktu dengan cara yang sama seperti kuat medan listrik. Dengan kata lain, dalam gelombang berjalan, induksi medan magnet dan kuat medan listrik adalah sama satu sama lain di setiap titik dan setiap saat (dalam sistem satuan Gaussian):

Aliran energi gelombang elektromagnetik. Kepadatan energi total medan elektromagnetik dalam gelombang berjalan adalah dua kali rapat energi medan listrik (9). Kerapatan fluks energi y yang dibawa oleh gelombang sama dengan hasil kali rapat energi dan kecepatan rambat gelombang. Dengan menggunakan rumus (9), kita dapat melihat bahwa fluks energi melalui setiap permukaan berosilasi dengan frekuensi.Untuk menemukan nilai rata-rata kerapatan fluks energi, diperlukan ekspresi rata-rata (9) dari waktu ke waktu. Karena nilai rata-rata adalah 1/2, kita mendapatkan

Beras. 183. Distribusi energi sudut" yang dipancarkan oleh muatan berosilasi

Kerapatan fluks energi dalam gelombang tergantung pada arah: ke arah di mana osilasi muatan terjadi, energi tidak dipancarkan sama sekali Jumlah terbesar energi dipancarkan dalam bidang tegak lurus terhadap arah ini.Distribusi sudut dari energi yang dipancarkan oleh muatan berosilasi ditunjukkan pada Gambar. 183. Sebuah muatan berosilasi sepanjang sumbu

arah energi, yaitu Diagram menunjukkan garis yang menghubungkan ujung-ujung segmen ini.

Distribusi energi dalam arah dalam ruang dicirikan oleh permukaan, yang diperoleh dengan memutar diagram di sekitar sumbu

Polarisasi gelombang elektromagnetik. Gelombang yang dihasilkan oleh vibrator selama osilasi harmonik disebut monokromatik. Gelombang monokromatik dicirikan oleh frekuensi tertentu co dan panjang gelombang X. Panjang gelombang dan frekuensi terkait melalui kecepatan rambat gelombang c:

Gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah transversal: vektor kekuatan medan elektromagnetik gelombang, seperti dapat dilihat dari alasan di atas, tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Mari kita menggambar melalui titik pengamatan pada gambar. 184 bola berpusat di titik asal, di sekitar mana muatan yang memancar berosilasi sepanjang sumbu. Gambarlah paralel dan meridian di atasnya. Kemudian vektor E medan gelombang akan diarahkan secara tangensial ke meridian, dan vektor B tegak lurus terhadap vektor E dan diarahkan secara tangensial ke paralel.

Untuk memverifikasi ini, mari kita pertimbangkan secara lebih rinci hubungan antara medan listrik dan magnet dalam gelombang berjalan. Bidang-bidang ini setelah emisi gelombang tidak lagi terkait dengan sumbernya. Ketika medan listrik gelombang berubah, medan magnet muncul, garis-garis gaya yang, seperti yang kita lihat dalam studi arus perpindahan, tegak lurus terhadap garis-garis gaya medan listrik. Medan magnet bolak-balik ini, berubah, pada gilirannya mengarah pada munculnya medan listrik pusaran, yang tegak lurus dengan medan magnet yang menghasilkannya. Jadi, selama perambatan gelombang, medan listrik dan magnet saling mendukung, tetap tegak lurus sepanjang waktu. Karena dalam gelombang berjalan perubahan medan listrik dan magnet terjadi dalam fase satu sama lain, "potret" sesaat dari gelombang (vektor E dan B di titik yang berbeda garis sepanjang arah propagasi) memiliki bentuk yang ditunjukkan pada Gambar. 185. Gelombang seperti itu disebut terpolarisasi linier. Muatan berosilasi harmonik memancarkan gelombang terpolarisasi linier ke segala arah. Dalam gelombang terpolarisasi linier yang merambat ke segala arah, vektor E selalu berada pada bidang yang sama.

Karena muatan dalam vibrator elektromagnetik linier melakukan gerakan berosilasi seperti itu, gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh vibrator terpolarisasi linier. Sangat mudah untuk memverifikasi ini secara eksperimental dengan mengubah orientasi vibrator penerima relatif terhadap yang memancarkan.

Beras. 185. Medan listrik dan magnet dalam gelombang terpolarisasi linier berjalan

Sinyal paling besar ketika vibrator penerima sejajar dengan vibrator yang memancarkan (lihat Gambar 178). Jika vibrator penerima diputar tegak lurus dengan vibrator pemancar, maka sinyal menghilang. Osilasi listrik pada vibrator penerima dapat muncul hanya karena komponen medan listrik gelombang diarahkan sepanjang vibrator. Oleh karena itu, percobaan semacam itu menunjukkan bahwa medan listrik dalam gelombang sejajar dengan vibrator yang memancar.

Jenis lain dari polarisasi gelombang elektromagnetik transversal juga dimungkinkan. Jika, misalnya, vektor E di beberapa titik selama perjalanan gelombang berputar seragam di sekitar arah rambat, tetap tidak berubah dalam nilai absolut, maka gelombang disebut terpolarisasi sirkular atau terpolarisasi dalam lingkaran. "Potret" instan dari medan listrik dari gelombang elektromagnetik seperti itu ditunjukkan pada Gambar. 186.

Beras. 186. Medan listrik dalam gelombang terpolarisasi sirkuler yang merambat

Gelombang terpolarisasi sirkular dapat diperoleh dengan menambahkan dua gelombang terpolarisasi linier dengan frekuensi dan amplitudo yang sama merambat dalam arah yang sama, vektor medan listrik yang saling tegak lurus. Pada setiap gelombang, vektor medan listrik pada setiap titik melakukan osilasi harmonik. Agar jumlah osilasi yang saling tegak lurus tersebut menghasilkan rotasi vektor yang dihasilkan, diperlukan pergeseran fasa.Dengan kata lain, gelombang terpolarisasi linier yang ditambahkan harus digeser seperempat panjang gelombang relatif satu sama lain.

Momentum gelombang dan tekanan ringan. Selain energi, gelombang elektromagnetik juga memiliki momentum. Jika gelombang diserap, maka momentumnya ditransfer ke benda yang menyerapnya. Oleh karena itu, selama penyerapan, gelombang elektromagnetik memberikan tekanan pada penghalang. Asal usul tekanan gelombang dan nilai tekanan ini dapat dijelaskan sebagai berikut.

Diarahkan dalam garis lurus. Maka daya yang diserap oleh muatan P sama dengan

Kami berasumsi bahwa semua energi gelombang datang diserap oleh penghalang. Karena gelombang membawa energi per satuan luas permukaan penghalang per satuan waktu, tekanan yang diberikan oleh gelombang pada kejadian normal sama dengan rapat energi gelombang. Gaya tekanan gelombang elektromagnetik yang diserap memberikan penghalang per satuan waktu impuls sama, menurut rumus (15), dengan energi yang diserap dibagi dengan kecepatan cahaya . Dan ini berarti gelombang elektromagnetik yang diserap memiliki momentum, yang sama dengan energi dibagi dengan kecepatan cahaya.

Untuk pertama kalinya, tekanan gelombang elektromagnetik ditemukan secara eksperimental oleh P. N. Lebedev pada tahun 1900 dalam eksperimen yang sangat halus.

Bagaimana osilasi elektromagnetik kuasi-stasioner dalam rangkaian osilasi tertutup berbeda dari osilasi frekuensi tinggi dalam vibrator terbuka? Beri saya analogi mekanis.

Jelaskan mengapa gelombang elektromagnetik tidak memancar dalam rangkaian tertutup selama osilasi kuasi-stasioner elektromagnetik. Mengapa radiasi terjadi ketika getaran elektromagnetik dalam vibrator terbuka?

Jelaskan dan jelaskan eksperimen Hertz tentang eksitasi dan deteksi gelombang elektromagnetik. Apa peran celah percikan dalam transmisi dan penerima vibrator?

Jelaskan bagaimana, dengan pergerakan muatan listrik yang dipercepat, medan elektrostatik longitudinal berubah menjadi medan listrik transversal dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan olehnya.

Berdasarkan pertimbangan energi, tunjukkan bahwa kuat medan listrik gelombang bola yang dipancarkan oleh vibrator berkurang sebesar 1 1r (berlawanan dengan medan elektrostatik).

Apa yang dimaksud dengan gelombang elektromagnetik monokromatik? Apa itu panjang gelombang? Bagaimana hubungannya dengan frekuensi? Apa sifat transversal gelombang elektromagnetik?

Apa yang dimaksud dengan polarisasi gelombang elektromagnetik? Jenis polarisasi apa yang Anda ketahui?

Argumen apa yang dapat Anda berikan untuk membenarkan fakta bahwa gelombang elektromagnetik memiliki momentum?

Jelaskan peran gaya Lorentz dalam terjadinya gaya tekanan gelombang elektromagnetik pada penghalang.

Kemajuan teknologi juga memiliki sisi negatifnya. Penggunaan global berbagai peralatan bertenaga listrik telah menyebabkan polusi, yang diberi nama - kebisingan elektromagnetik. Pada artikel ini, kami akan mempertimbangkan sifat dari fenomena ini, tingkat dampaknya terhadap tubuh manusia dan tindakan perlindungan.

Apa itu dan sumber radiasi?

Radiasi elektromagnetik adalah gelombang elektromagnetik yang terjadi ketika medan magnet atau listrik terganggu. Fisika modern menafsirkan proses ini dalam kerangka teori dualisme gelombang sel. Artinya, bagian minimum radiasi elektromagnetik adalah kuantum, tetapi pada saat yang sama memiliki sifat gelombang frekuensi yang menentukan karakteristik utamanya.

Spektrum frekuensi radiasi medan elektromagnetik memungkinkan untuk mengklasifikasikannya ke dalam jenis berikut:

frekuensi radio (termasuk gelombang radio);
termal (inframerah);
optik (yaitu, terlihat oleh mata);
radiasi dalam spektrum ultraviolet dan keras (terionisasi).

Sebuah ilustrasi rinci dari rentang spektral (skala emisi elektromagnetik) dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Sifat sumber radiasi

Berdasarkan asalnya, sumber radiasi gelombang elektromagnetik dalam praktek dunia biasanya diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu:

gangguan medan elektromagnetik yang berasal dari buatan;
radiasi dari sumber alam.

Radiasi yang berasal dari medan magnet di sekitar Bumi, proses listrik di atmosfer planet kita, fusi nuklir di kedalaman matahari - semuanya berasal dari alam.

Adapun sumber buatan, mereka adalah efek samping yang disebabkan oleh pengoperasian berbagai mekanisme dan perangkat listrik.

Radiasi yang memancar dari mereka bisa tingkat rendah dan tingkat tinggi. Tingkat intensitas radiasi medan elektromagnetik sepenuhnya tergantung pada tingkat daya sumber.

Contoh sumber EMP tinggi meliputi:

Saluran listrik biasanya bertegangan tinggi;
semua jenis transportasi listrik, serta infrastruktur yang menyertainya;
menara televisi dan radio, serta stasiun komunikasi bergerak dan bergerak;
instalasi untuk mengubah tegangan jaringan listrik (khususnya, gelombang yang berasal dari transformator atau gardu distribusi);
elevator dan jenis peralatan pengangkat lainnya di mana pembangkit listrik elektromekanis digunakan.

Sumber khas yang memancarkan radiasi tingkat rendah meliputi peralatan listrik berikut:

hampir semua perangkat dengan tampilan CRT (misalnya: terminal pembayaran atau komputer);
Berbagai jenis peralatan Rumah Tangga, mulai dari setrika hingga sistem iklim;
sistem rekayasa yang menyediakan listrik ke berbagai objek (ini berarti tidak hanya kabel daya, tetapi juga peralatan terkait, seperti stopkontak dan meteran listrik).

Secara terpisah, ada baiknya menyoroti peralatan khusus yang digunakan dalam pengobatan, yang memancarkan radiasi keras (mesin sinar-X, MRI, dll.).

Dampak pada seseorang

Dalam banyak penelitian, ahli radiobiologi sampai pada kesimpulan yang mengecewakan - radiasi gelombang elektromagnetik yang berkepanjangan dapat menyebabkan "ledakan" penyakit, yaitu menyebabkan perkembangan pesat proses patologis dalam tubuh manusia. Selain itu, banyak dari mereka memperkenalkan pelanggaran pada tingkat genetik.

Video: Bagaimana radiasi elektromagnetik mempengaruhi manusia.
https://www.youtube.com/watch?v=FYWgXyHW93Q

Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa medan elektromagnetik level tinggi aktivitas biologis, yang secara negatif mempengaruhi organisme hidup. Faktor pengaruh tergantung pada komponen berikut:

sifat radiasi yang dihasilkan;
berapa lama dan dengan intensitas apa itu berlanjut.

Dampak radiasi terhadap kesehatan manusia, yang bersifat elektromagnetik, secara langsung tergantung pada lokalisasi. Itu bisa lokal dan umum. Dalam kasus terakhir, iradiasi skala besar terjadi, misalnya, radiasi yang dihasilkan oleh saluran listrik.

Dengan demikian, iradiasi lokal mengacu pada dampak pada bagian tubuh tertentu. Gelombang elektromagnetik yang memancar dari jam tangan elektronik atau ponsel adalah contoh nyata dari efek lokal.

Secara terpisah, perlu dicatat efek termal dari radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi pada materi hidup. Energi medan diubah menjadi energi termal(karena getaran molekul), efek ini didasarkan pada kerja pemancar gelombang mikro industri yang digunakan untuk pemanasan berbagai zat. Tidak seperti manfaat dalam proses industri, efek termal pada tubuh manusia dapat merugikan. Dari sudut pandang radiobiologi, tidak disarankan untuk berada di dekat peralatan listrik yang "hangat".

Harus diperhitungkan bahwa dalam kehidupan sehari-hari kita secara teratur terpapar radiasi, dan ini terjadi tidak hanya di tempat kerja, tetapi juga di rumah atau ketika bergerak di sekitar kota. Seiring waktu, efek biologis terakumulasi dan meningkat. Dengan pertumbuhan kebisingan elektromagnetik, jumlah penyakit karakteristik otak atau sistem saraf. Perhatikan bahwa radiobiologi adalah ilmu yang agak muda, oleh karena itu, bahaya yang ditimbulkan pada organisme hidup dari radiasi elektromagnetik belum dipelajari secara menyeluruh.

Gambar tersebut menunjukkan tingkat gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh peralatan rumah tangga konvensional.

Perhatikan bahwa tingkat kekuatan medan berkurang secara signifikan dengan jarak. Artinya, untuk mengurangi efeknya, cukup menjauh dari sumbernya pada jarak tertentu.

Rumus untuk menghitung norma (penjatahan) radiasi medan elektromagnetik ditunjukkan dalam GOST dan SanPiN yang relevan.

Perlindungan radiasi

Dalam produksi, layar penyerap (pelindung) secara aktif digunakan sebagai sarana perlindungan terhadap radiasi. Sayangnya, tidak mungkin untuk melindungi diri Anda dari radiasi medan elektromagnetik menggunakan peralatan seperti itu di rumah, karena tidak dirancang untuk ini.

untuk mengurangi dampak radiasi medan elektromagnetik hingga hampir nol, Anda harus menjauh dari saluran listrik, menara radio dan televisi pada jarak setidaknya 25 meter (Anda harus memperhitungkan kekuatan sumbernya);
untuk monitor CRT dan TV, jarak ini jauh lebih kecil - sekitar 30 cm;
jam elektronik tidak boleh diletakkan dekat dengan bantal, jarak optimal untuk mereka lebih dari 5 cm;
untuk radio dan ponsel, tidak disarankan untuk mendekatkannya lebih dari 2,5 sentimeter.

Perhatikan bahwa banyak orang tahu betapa berbahayanya berdiri di dekat saluran listrik bertegangan tinggi, tetapi pada saat yang sama, kebanyakan orang tidak mementingkan peralatan listrik rumah tangga biasa. Meskipun cukup untuk meletakkan unit sistem di lantai atau memindahkannya, dan Anda akan melindungi diri sendiri dan orang yang Anda cintai. Kami menyarankan Anda untuk melakukan ini, dan kemudian mengukur latar belakang dari komputer menggunakan detektor radiasi medan elektromagnetik untuk memverifikasi pengurangannya secara visual.

Nasihat ini juga berlaku untuk penempatan kulkas, banyak diletakkan di dekat meja dapur, praktis tapi tidak aman.

Tidak ada tabel yang dapat menunjukkan jarak aman yang tepat dari peralatan listrik tertentu, karena emisi dapat bervariasi, bergantung pada model perangkat dan negara produsen. Saat ini tidak ada standar internasional tunggal, oleh karena itu, di negara yang berbeda, norma mungkin memiliki perbedaan yang signifikan.

Anda dapat secara akurat menentukan intensitas radiasi menggunakan perangkat khusus - fluksmeter. Menurut standar yang diadopsi di Rusia, dosis maksimum yang diizinkan tidak boleh melebihi 0,2 T. Kami merekomendasikan pengukuran di apartemen menggunakan perangkat yang disebutkan di atas untuk mengukur tingkat radiasi medan elektromagnetik.

Fluxmeter - alat untuk mengukur tingkat radiasi medan elektromagnetik

Cobalah untuk mengurangi waktu saat Anda terpapar radiasi, yaitu tidak berada dekat dengan peralatan listrik yang bekerja untuk waktu yang lama. Misalnya, sama sekali tidak perlu terus-menerus berdiri di depan kompor listrik atau oven microwave saat memasak. Mengenai peralatan listrik, Anda dapat melihat bahwa hangat tidak selalu berarti aman.

Selalu matikan peralatan listrik saat tidak digunakan. Orang sering membiarkannya berbagai perangkat, tidak memperhitungkan bahwa saat ini radiasi elektromagnetik dipancarkan dari teknik elektro. Matikan laptop, printer atau peralatan lainnya, tidak perlu terkena radiasi sekali lagi, ingat tentang keselamatan Anda.

itu adalah proses propagasi interaksi elektromagnetik di ruang angkasa.
Gelombang elektromagnetik dijelaskan secara umum untuk fenomena elektromagnetik persamaan Maxwell. Bahkan tanpa adanya muatan listrik dan arus di ruang angkasa, persamaan Maxwell memiliki solusi bukan nol. Solusi ini menggambarkan gelombang elektromagnetik.
Dengan tidak adanya muatan dan arus, persamaan Maxwell mengambil bentuk berikut:

Dengan menerapkan operasi busuk ke dua persamaan pertama, Anda dapat memperoleh persamaan terpisah untuk menentukan kekuatan medan listrik dan magnet

Persamaan ini memiliki bentuk khas persamaan gelombang. Pemisahan mereka adalah superposisi ekspresi dari tipe berikut:

Dimana - Sebuah vektor tertentu, yang disebut vektor gelombang, ? - angka yang disebut frekuensi siklik, ? - fase. Besaran adalah amplitudo komponen listrik dan magnet dari gelombang elektromagnetik. Mereka saling tegak lurus dan sama dalam nilai absolut. Interpretasi fisik dari masing-masing besaran yang diperkenalkan diberikan di bawah ini.
Dalam ruang hampa, gelombang elektromagnetik bergerak dengan kecepatan yang disebut kecepatan cahaya. Kecepatan cahaya adalah konstanta fisik dasar, yang dilambangkan huruf latin c. Menurut postulat dasar teori relativitas, kecepatan cahaya adalah kecepatan maksimum yang mungkin dari transfer informasi atau gerakan tubuh. Kecepatan ini adalah 299.792.458 m/s.
Gelombang elektromagnetik dicirikan oleh frekuensi. Bedakan frekuensi garis? dan frekuensi siklik? = 2??. Tergantung pada frekuensinya, gelombang elektromagnetik termasuk dalam salah satu rentang spektral.
Karakteristik lain dari gelombang elektromagnetik adalah vektor gelombang. Vektor gelombang menentukan arah rambat gelombang elektromagnetik, serta panjangnya. Nilai mutlak dari vektor angin disebut bilangan gelombang.
Panjang gelombang elektromagnetik? = 2? / k, dimana k adalah bilangan gelombang.
Panjang gelombang elektromagnetik berhubungan dengan frekuensi melalui hukum dispersi. Dalam kekosongan, koneksi ini sederhana:

?? = c.

Rasio ini sering ditulis sebagai

? = c k.

Gelombang elektromagnetik dengan frekuensi dan vektor gelombang yang sama dapat berbeda fase.
Dalam ruang hampa, vektor kekuatan medan listrik dan magnet dari gelombang elektromagnetik harus tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Gelombang seperti ini disebut gelombang transversal. Secara matematis, ini dijelaskan oleh persamaan dan . Selain itu, kuat medan listrik dan magnet saling tegak lurus dan selalu sama nilai absolutnya di setiap titik dalam ruang: E = H. Jika Anda memilih sistem koordinat sehingga sumbu z berimpit dengan arah rambat gelombang elektromagnetik, ada dua kemungkinan yang berbeda untuk arah vektor kekuatan medan listrik. Jika medan eklektik diarahkan sepanjang sumbu x, maka medan magnet akan diarahkan sepanjang sumbu y, dan sebaliknya. Dua kemungkinan yang berbeda ini tidak saling eksklusif dan sesuai dengan dua polarisasi yang berbeda. Masalah ini dibahas secara lebih rinci dalam artikel Polarisasi gelombang.
Rentang spektral dengan cahaya tampak yang dipilih Tergantung pada frekuensi atau panjang gelombang (jumlah ini terkait), gelombang elektromagnetik diklasifikasikan ke dalam rentang yang berbeda. Gelombang dalam rentang yang berbeda berinteraksi dengan tubuh fisik dengan cara yang berbeda.
Gelombang elektromagnetik dengan frekuensi terendah (atau panjang gelombang terpanjang) disebut sebagai jangkauan radio. Pita radio digunakan untuk mengirimkan sinyal jarak jauh menggunakan radio, televisi, ponsel. Radar beroperasi dalam jangkauan radio. Jangkauan radio dibagi menjadi meter, ditsemeter, sentimeter, milimeter, tergantung pada panjang gelombang elektromagnetik.
Gelombang elektromagnetik cenderung termasuk dalam rentang inframerah. Dalam rentang inframerah terletak radiasi termal tubuh. Registrasi getaran ini adalah dasar untuk pengoperasian perangkat night vision. Gelombang inframerah digunakan untuk mempelajari getaran termal dalam tubuh dan membantu menentukan struktur atom. padatan, gas dan cairan.
Radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang 400 nm hingga 800 nm termasuk dalam rentang cahaya tampak. Cahaya tampak memiliki warna yang berbeda tergantung pada frekuensi dan panjang gelombang.
Panjang gelombang kurang dari 400 nm disebut ultraungu. Mata manusia tidak dapat membedakannya, meskipun sifatnya tidak berbeda dengan sifat gelombang pada jarak yang terlihat. Frekuensi tinggi, dan, akibatnya, energi kuanta cahaya semacam itu mengarah pada efek gelombang ultraviolet yang lebih merusak pada objek biologis. Permukaan bumi terlindung dari efek berbahaya gelombang ultraviolet oleh lapisan ozon. Untuk perlindungan tambahan, alam memberi orang kulit gelap. Namun sinar ultraviolet dibutuhkan oleh seseorang untuk produksi vitamin D. Itulah sebabnya orang-orang di garis lintang utara, di mana intensitas gelombang ultraviolet kurang, kehilangan warna gelap kulit.
Gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi adalah sinar-x jangkauan. Disebut demikian karena ditemukan oleh Roentgen, mempelajari radiasi yang terbentuk selama perlambatan elektron. Dalam literatur asing, gelombang seperti itu disebut sinar X menghormati keinginan Roentgen agar sinar tidak memanggilnya dengan namanya. Gelombang sinar-X berinteraksi secara lemah dengan materi, diserap lebih kuat di tempat yang kerapatannya lebih besar. Fakta ini digunakan dalam pengobatan untuk fluorografi sinar-x. Gelombang sinar-X juga digunakan untuk analisis unsur dan studi struktur benda kristal.
memiliki frekuensi tertinggi dan panjang terpendek ?-sinar. Sinar ini dihasilkan sebagai hasilnya reaksi nuklir dan reaksi antar partikel elementer. ?-sinar memiliki efek destruktif yang besar pada objek biologis. Namun, mereka digunakan dalam fisika untuk belajar berbagai karakteristik inti atom.
Energi gelombang elektromagnetik ditentukan oleh jumlah energi medan listrik dan magnet. Kepadatan energi pada titik tertentu dalam ruang diberikan oleh:

Kepadatan energi rata-rata waktu sama dengan.

Dimana E 0 = H 0 adalah amplitudo gelombang.
Kerapatan fluks energi gelombang elektromagnetik sangat penting. Secara khusus, ini menentukan fluks bercahaya dalam optik. Kerapatan fluks energi gelombang elektromagnetik diberikan oleh vektor Umov-Poynting.

Perambatan gelombang elektromagnetik dalam medium memiliki sejumlah fitur dibandingkan dengan perambatan dalam ruang hampa. Fitur-fitur ini terkait dengan sifat-sifat medium dan umumnya bergantung pada frekuensi gelombang elektromagnetik. Komponen listrik dan magnet dari gelombang menyebabkan polarisasi dan magnetisasi medium. Respons medium ini tidak sama dalam hal frekuensi rendah dan tinggi. Pada frekuensi rendah gelombang elektromagnetik, elektron dan ion zat memiliki waktu untuk merespons perubahan intensitas medan listrik dan magnet. Tanggapan media menelusuri fluktuasi temporal menjadi gelombang. Pada frekuensi tinggi, elektron dan ion zat tidak memiliki waktu untuk bergeser selama periode osilasi medan gelombang, dan oleh karena itu polarisasi dan magnetisasi medium jauh lebih sedikit.
Medan elektromagnetik frekuensi rendah tidak menembus logam, di mana ada banyak elektron bebas, yang dipindahkan dengan cara ini, benar-benar memadamkan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik mulai menembus logam pada frekuensi yang melebihi frekuensi tertentu, yang disebut frekuensi plasma. Pada frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi plasma, gelombang elektromagnetik dapat menembus lapisan permukaan logam. Fenomena ini disebut efek kulit.
Dalam dielektrik, hukum dispersi gelombang elektromagnetik berubah. Jika gelombang elektromagnetik merambat dengan amplitudo konstan dalam ruang hampa, maka dalam medium mereka meluruh karena penyerapan. Dalam hal ini, energi gelombang ditransfer ke elektron atau ion medium. Secara total, hukum dispersi tanpa adanya efek magnetik berbentuk

Dimana bilangan gelombang k adalah kuantitas kompleks total, bagian imajiner yang menggambarkan penurunan amplitudo gelombang elektromagnetik, adalah permitivitas kompleks yang bergantung pada frekuensi medium.
Pada media anisotropik, arah vektor medan listrik dan medan magnet tidak selalu tegak lurus dengan arah rambat gelombang. Namun, arah vektor induksi listrik dan magnet mempertahankan sifat ini.
Dalam suatu medium, dalam kondisi tertentu, jenis gelombang elektromagnetik lain dapat merambat - gelombang elektromagnetik longitudinal, di mana arah vektor kekuatan medan listrik bertepatan dengan arah perambatan gelombang.
Pada awal abad kedua puluh, untuk menjelaskan spektrum radiasi benda hitam, Max Planck menyarankan bahwa gelombang elektromagnetik dipancarkan oleh kuanta dengan energi yang sebanding dengan frekuensi. Beberapa tahun kemudian, Albert Einstein, menjelaskan fenomena efek fotolistrik, memperluas gagasan ini dengan mengasumsikan bahwa gelombang elektromagnetik diserap oleh kuanta yang sama. Dengan demikian, menjadi jelas bahwa gelombang elektromagnetik dicirikan oleh beberapa sifat yang sebelumnya dikaitkan dengan partikel material, sel darah.
Gagasan ini disebut dualisme gelombang sel darah.

J. Maxwell pada tahun 1864 menciptakan teori medan elektromagnetik, yang menurutnya medan listrik dan magnet ada sebagai komponen yang saling terkait dari satu kesatuan - medan elektromagnetik. Di ruang di mana ada medan magnet bolak-balik, medan listrik bolak-balik tereksitasi, dan sebaliknya.

Medan elektromagnetik- salah satu jenis materi, yang dicirikan oleh adanya medan listrik dan magnet yang dihubungkan oleh transformasi timbal balik yang berkelanjutan.

Medan elektromagnetik merambat di ruang angkasa dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Fluktuasi vektor tegangan E dan vektor induksi magnetik B terjadi pada bidang yang saling tegak lurus dan tegak lurus terhadap arah rambat gelombang (vektor kecepatan).

Gelombang ini dipancarkan oleh partikel bermuatan yang berosilasi, yang pada saat yang sama bergerak dalam konduktor dengan percepatan. Ketika muatan bergerak dalam konduktor, medan listrik bolak-balik dibuat, yang menghasilkan medan magnet bolak-balik, dan yang terakhir, pada gilirannya, menyebabkan munculnya medan listrik bolak-balik pada jarak yang lebih jauh dari muatan, dan seterusnya.

Medan elektromagnetik yang merambat dalam ruang dari waktu ke waktu disebut gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa atau zat lain. Gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa c=3 10 8 m/s. Dalam materi, kecepatan gelombang elektromagnetik lebih kecil daripada di ruang hampa. Gelombang elektromagnetik membawa energi.

Gelombang elektromagnetik memiliki sifat dasar sebagai berikut: merambat dalam garis lurus, ia mampu membiaskan, memantulkan, ia memiliki fenomena difraksi, interferensi, polarisasi. Semua properti ini adalah gelombang cahaya menempati kisaran panjang gelombang yang sesuai dalam skala radiasi elektromagnetik.

Kita tahu bahwa panjang gelombang elektromagnetik sangat berbeda. Melihat skala gelombang elektromagnetik yang menunjukkan panjang gelombang dan frekuensi berbagai radiasi, kami membedakan 7 rentang: radiasi frekuensi rendah, emisi radio, sinar inframerah, cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar X dan radiasi gamma.

gelombang frekuensi rendah . Sumber radiasi: arus frekuensi tinggi, generator arus bolak-balik, mobil listrik. Mereka digunakan untuk melelehkan dan mengeraskan logam, pembuatan magnet permanen, dalam industri listrik.
gelombang radio terjadi di antena stasiun radio dan televisi, ponsel, radar, dll. Mereka digunakan dalam komunikasi radio, televisi, dan radar.
gelombang inframerah semua benda yang dipanaskan memancar. Aplikasi: peleburan, pemotongan, pengelasan laser logam tahan api, memotret dalam kabut dan kegelapan, mengeringkan kayu, buah-buahan dan beri, perangkat penglihatan malam.
radiasi yang terlihat. Sumber - Matahari, lampu listrik dan neon, busur listrik, laser. Aplikasi: pencahayaan, efek fotolistrik, holografi.
radiasi ultraviolet . Sumber: Matahari, luar angkasa, lampu pelepasan gas (kuarsa), laser. Dapat membunuh bakteri patogen. Ini digunakan untuk mengeraskan organisme hidup.
radiasi sinar-x .

Gelombang elektromagnetik (tabel yang akan diberikan di bawah) adalah gangguan medan magnet dan listrik yang didistribusikan di ruang angkasa. Ada beberapa jenis di antaranya. Fisika adalah studi tentang gangguan ini. Gelombang elektromagnetik terbentuk karena fakta bahwa medan listrik bolak-balik menghasilkan medan magnet, dan ini, pada gilirannya, menghasilkan medan listrik.

Sejarah Penelitian

Teori pertama, yang dapat dianggap sebagai versi tertua dari hipotesis tentang gelombang elektromagnetik, setidaknya berasal dari zaman Huygens. Pada periode itu, asumsi mencapai perkembangan kuantitatif yang nyata. Huygens pada 1678 menerbitkan semacam "garis besar" teori - "Risalah tentang Cahaya". Pada 1690, ia juga menerbitkan karya luar biasa lainnya. Ini menguraikan teori refleksi kualitatif, pembiasan dalam bentuk yang masih disajikan dalam buku teks sekolah ("Gelombang elektromagnetik", kelas 9).

Pada saat yang sama, prinsip Huygens dirumuskan. Dengan bantuannya, menjadi mungkin untuk mempelajari gerakan muka gelombang. Prinsip ini kemudian dikembangkan dalam karya-karya Fresnel. Prinsip Huygens-Fresnel sangat penting dalam teori difraksi dan teori gelombang cahaya.

Pada 1660-an-1670-an, Hooke dan Newton membuat kontribusi eksperimental dan teoritis yang besar untuk penelitian. Siapa penemu gelombang elektromagnetik? Siapa yang melakukan eksperimen yang membuktikan keberadaan mereka? Apa saja jenis gelombang elektromagnetik? Lebih lanjut tentang ini nanti.

Pembenaran Maxwell

Sebelum berbicara tentang siapa yang menemukan gelombang elektromagnetik, harus dikatakan bahwa ilmuwan pertama yang memprediksi keberadaan mereka sama sekali adalah Faraday. Dia mengajukan hipotesisnya pada tahun 1832. Teori ini kemudian dikembangkan oleh Maxwell. Pada tahun 1865 ia menyelesaikan pekerjaan ini. Akibatnya, Maxwell memformalkan teori secara ketat secara matematis, mendukung keberadaan fenomena yang sedang dipertimbangkan. Dia juga menentukan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik, yang bertepatan dengan nilai kecepatan cahaya yang digunakan. Ini, pada gilirannya, memungkinkannya untuk memperkuat hipotesis bahwa cahaya adalah salah satu jenis radiasi yang dipertimbangkan.

Penemuan eksperimental

Teori Maxwell menemukan konfirmasinya dalam eksperimen Hertz pada tahun 1888. Di sini harus dikatakan bahwa fisikawan Jerman melakukan eksperimennya untuk menyangkal teori tersebut, terlepas dari pembenaran matematisnya. Namun, berkat eksperimennya, Hertz menjadi orang pertama yang menemukan gelombang elektromagnetik dalam praktiknya. Selain itu, selama eksperimennya, ilmuwan mengungkapkan sifat dan karakteristik radiasi.

Hertz menerima osilasi dan gelombang elektromagnetik dengan eksitasi serangkaian pulsa dari aliran yang berubah dengan cepat dalam vibrator menggunakan sumber tegangan yang ditingkatkan. Aliran frekuensi tinggi dapat dideteksi menggunakan loop. Dalam hal ini, frekuensi osilasi akan semakin tinggi, semakin tinggi kapasitansi dan induktansinya. Tetapi pada saat yang sama, frekuensi tinggi bukanlah jaminan aliran yang intens. Untuk melakukan eksperimennya, Hertz menggunakan perangkat yang cukup sederhana, yang sekarang disebut "vibrator Hertz". Perangkat ini adalah rangkaian osilasi tipe terbuka.

Diagram pengalaman Hertz

Registrasi radiasi dilakukan dengan menggunakan vibrator penerima. Perangkat ini memiliki desain yang sama dengan perangkat pemancar. Di bawah pengaruh gelombang elektromagnetik listrik bidang variabel osilasi saat ini bersemangat di perangkat penerima. Jika dalam perangkat ini frekuensi alami dan frekuensi aliran bertepatan, maka resonansi muncul. Akibatnya terjadi gangguan pada alat penerima dengan amplitudo yang lebih besar. Peneliti menemukan mereka dengan mengamati percikan api antara konduktor di celah kecil.

Dengan demikian, Hertz menjadi orang pertama yang menemukan gelombang elektromagnetik, membuktikan kemampuannya untuk dipantulkan dengan baik dari konduktor. Dia praktis mendukung pembentukan radiasi berdiri. Selain itu, Hertz menentukan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik di udara.

Studi karakteristik

Gelombang elektromagnetik merambat di hampir semua media. Di ruang yang dipenuhi materi, radiasi dalam beberapa kasus dapat didistribusikan dengan cukup baik. Tetapi pada saat yang sama mereka agak mengubah perilaku mereka.

Gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa ditentukan tanpa redaman. Mereka didistribusikan melalui jarak yang jauh dan sewenang-wenang. Karakteristik utama gelombang meliputi polarisasi, frekuensi dan panjang. Deskripsi sifat dilakukan dalam kerangka elektrodinamika. Namun, cabang fisika yang lebih spesifik berurusan dengan karakteristik radiasi di wilayah spektrum tertentu. Ini termasuk, misalnya, optik.

Bagian energi tinggi berkaitan dengan studi radiasi elektromagnetik keras dari ujung spektral panjang gelombang pendek. Dengan mempertimbangkan ide-ide modern, dinamika tidak lagi menjadi disiplin independen dan digabungkan dalam satu teori.

Teori yang diterapkan dalam studi properti

Hari ini ada berbagai metode, berkontribusi pada pemodelan dan studi tentang manifestasi dan sifat getaran. Yang paling mendasar dari teori yang telah terbukti dan lengkap adalah elektrodinamika kuantum. Darinya, melalui penyederhanaan tertentu, dimungkinkan untuk memperoleh metode berikut, yang banyak digunakan di berbagai bidang.

Deskripsi radiasi frekuensi relatif rendah dalam medium makroskopik dilakukan dengan menggunakan elektrodinamika klasik. Ini didasarkan pada persamaan Maxwell. Pada saat yang sama, ada penyederhanaan dalam aplikasi yang diterapkan. Sebuah studi optik menggunakan optik. Teori gelombang digunakan dalam kasus di mana beberapa bagian dari sistem optik berukuran dekat dengan panjang gelombang. Optik kuantum digunakan ketika proses hamburan dan penyerapan foton sangat penting.

Geometris teori optik- kasus pembatas di mana pengabaian panjang gelombang diperbolehkan. Ada juga beberapa bagian terapan dan fundamental. Ini termasuk, misalnya, astrofisika, biologi persepsi visual dan fotosintesis, dan fotokimia. Bagaimana klasifikasi gelombang elektromagnetik? Tabel yang menggambarkan distribusi ke dalam kelompok disajikan di bawah ini.

Klasifikasi

Ada rentang frekuensi gelombang elektromagnetik. Tidak ada transisi yang tajam di antara mereka, terkadang mereka saling tumpang tindih. Batas-batas di antara mereka agak sewenang-wenang. Karena kenyataan bahwa aliran didistribusikan secara terus menerus, frekuensi secara kaku dikaitkan dengan panjang. Di bawah ini adalah rentang gelombang elektromagnetik.

Radiasi ultrashort biasanya dibagi menjadi mikrometer (submilimeter), milimeter, sentimeter, desimeter, meter. Jika radiasi elektromagnetik kurang dari satu meter, maka itu biasa disebut osilasi frekuensi ultra tinggi (SHF).

Jenis gelombang elektromagnetik

Di atas adalah rentang gelombang elektromagnetik. Apa saja jenis-jenis aliran? Kelompok ini mencakup sinar gamma dan sinar-x. Pada saat yang sama, harus dikatakan bahwa sinar ultraviolet dan bahkan sinar tampak mampu mengionisasi atom. Batas-batas di mana fluks gamma dan sinar-x berada ditentukan agak bersyarat. Batas 20 eV - 0,1 MeV diterima sebagai orientasi umum. Fluks gamma dalam arti sempit dipancarkan oleh nukleus, sinar-X dipancarkan oleh elektron kulit atom dalam proses merobohkan elektron dari orbit dataran rendah. Namun, klasifikasi ini tidak berlaku untuk radiasi keras yang dihasilkan tanpa partisipasi inti dan atom.

Aliran sinar-X terbentuk ketika partikel bermuatan cepat (proton, elektron, dll.) melambat dan sebagai akibat dari proses yang terjadi di dalam kulit elektron atom. Osilasi gamma muncul sebagai akibat dari proses di dalam inti atom dan selama transformasi partikel elementer.

aliran radio

Jatuh tempo sangat penting panjang gelombang ini dapat dipertimbangkan tanpa memperhitungkan struktur atomistik medium. Satu-satunya pengecualian adalah aliran terpendek, yang berdekatan dengan wilayah spektrum inframerah. Dalam jangkauan radio, sifat kuantum osilasi memanifestasikan dirinya agak lemah. Namun demikian, mereka harus diperhitungkan, misalnya, ketika menganalisis standar waktu dan frekuensi molekuler selama pendinginan peralatan hingga suhu beberapa kelvin.

Sifat kuantum juga diperhitungkan saat menjelaskan osilator dan amplifier dalam rentang milimeter dan sentimeter. Aliran radio terbentuk selama pergerakan arus bolak-balik melalui konduktor dengan frekuensi yang sesuai. Gelombang elektromagnetik yang lewat di ruang angkasa menggairahkan gelombang yang sesuai. Properti ini digunakan dalam desain antena di teknik radio.

Aliran yang terlihat

Ultraviolet dan inframerah radiasi tampak merupakan, dalam arti luas, apa yang disebut wilayah optik dari spektrum. Pemilihan wilayah ini ditentukan tidak hanya oleh kedekatan zona yang sesuai, tetapi juga oleh kesamaan instrumen yang digunakan dalam studi dan dikembangkan terutama selama studi cahaya tampak. Ini termasuk, khususnya, cermin dan lensa untuk memfokuskan radiasi, kisi difraksi, prisma, dan lain-lain.

Frekuensi gelombang optik sebanding dengan frekuensi molekul dan atom, dan panjangnya sebanding dengan jarak antarmolekul dan ukuran molekul. Oleh karena itu, fenomena yang disebabkan oleh struktur atomistik materi menjadi signifikan di daerah ini. Untuk alasan yang sama, cahaya, bersama dengan sifat gelombang, juga memiliki sifat kuantum.

Munculnya aliran optik

Sumber yang paling terkenal adalah Matahari. Permukaan bintang (fotosfer) memiliki suhu 6000 Kelvin dan memancarkan cahaya putih terang. Nilai tertinggi dari spektrum kontinu terletak di zona "hijau" - 550 nm. Ada juga sensitivitas visual yang maksimal. Osilasi dalam jangkauan optik terjadi ketika benda dipanaskan. Oleh karena itu, aliran inframerah juga disebut sebagai termal.

Semakin kuat pemanasan tubuh, semakin tinggi frekuensinya, di mana spektrum maksimum berada. Dengan peningkatan suhu tertentu, panas diamati (bersinar dalam kisaran yang terlihat). Dalam hal ini, warna merah muncul lebih dulu, lalu kuning dan seterusnya. Penciptaan dan pendaftaran aliran optik dapat terjadi dalam biologi dan reaksi kimia, salah satunya digunakan dalam fotografi. Bagi sebagian besar makhluk yang hidup di Bumi, fotosintesis bertindak sebagai sumber energi. Reaksi biologis ini terjadi pada tanaman di bawah pengaruh radiasi matahari optik.

Fitur gelombang elektromagnetik

Sifat medium dan sumber mempengaruhi karakteristik aliran. Ini menetapkan, khususnya, ketergantungan waktu bidang, yang menentukan jenis aliran. Misalnya, ketika jarak dari vibrator berubah (saat bertambah), jari-jari kelengkungan menjadi lebih besar. Akibatnya, gelombang elektromagnetik bidang terbentuk. Interaksi dengan materi juga terjadi dengan cara yang berbeda.

Proses penyerapan dan emisi aliran, sebagai suatu peraturan, dapat dijelaskan dengan menggunakan hubungan elektrodinamika klasik. Untuk gelombang di wilayah optik dan untuk sinar keras, terlebih lagi, sifat kuantumnya harus diperhitungkan.

Sumber Aliran

Terlepas dari perbedaan fisik, di mana-mana - dalam zat radioaktif, pemancar televisi, lampu pijar - gelombang elektromagnetik bersemangat muatan listrik yang bergerak dengan percepatan. Ada dua jenis utama sumber: mikroskopis dan makroskopik. Yang pertama, ada transisi mendadak partikel bermuatan dari satu tingkat ke tingkat lain di dalam molekul atau atom.

Sumber mikroskopis memancarkan sinar-X, gamma, ultraviolet, inframerah, terlihat, dan dalam beberapa kasus radiasi gelombang panjang. Contoh yang terakhir adalah garis dalam spektrum hidrogen, yang sesuai dengan gelombang 21 cm Fenomena ini sangat penting dalam astronomi radio.

Sumber makroskopik adalah pemancar di mana elektron bebas konduktor melakukan osilasi sinkron periodik. Dalam sistem kategori ini, aliran dihasilkan dari milimeter ke terpanjang (di saluran listrik).

Struktur dan kekuatan arus

Dengan percepatan dan arus yang berubah secara berkala saling mempengaruhi dengan kekuatan tertentu. Arah dan besarnya bergantung pada faktor-faktor seperti ukuran dan konfigurasi daerah di mana arus dan muatan berada, arah dan besaran relatifnya. Karakteristik listrik dari media tertentu, serta perubahan konsentrasi muatan dan distribusi arus sumber, juga memiliki pengaruh yang signifikan.

Sehubungan dengan kompleksitas keseluruhan pernyataan masalah, tidak mungkin untuk mewakili hukum gaya dalam bentuk formula tunggal. Struktur, yang disebut medan elektromagnetik, dan dianggap, jika perlu, sebagai objek matematika, ditentukan oleh distribusi muatan dan arus. Itu, pada gilirannya, dibuat oleh sumber tertentu, dengan mempertimbangkan kondisi batas. Kondisi ditentukan oleh bentuk zona interaksi dan karakteristik material. Jika kita berbicara tentang ruang tanpa batas, keadaan ini dilengkapi. Sebagai yang spesial syarat tambahan dalam kasus seperti itu, kondisi radiasi muncul. Karena itu, perilaku bidang yang "benar" di tak terhingga dijamin.

Garis waktu studi

Lomonosov dalam beberapa ketentuannya mengantisipasi postulat tertentu dari teori medan elektromagnetik: "rotasi" (rotasi) gerak partikel, "berfluktuasi" (gelombang) teori cahaya, kesamaannya dengan sifat listrik, dll. Aliran inframerah ditemukan pada tahun 1800 oleh Herschel (ilmuwan Inggris), dan pada tahun 1801, ultraviolet dijelaskan oleh Ritter. Radiasi yang lebih pendek dari kisaran ultraviolet ditemukan oleh Roentgen pada tahun 1895, 8 November. Selanjutnya, itu disebut X-ray.

Pengaruh gelombang elektromagnetik telah dipelajari oleh banyak ilmuwan. Namun, Narkevich-Iodko (ilmuwan Belarusia) adalah yang pertama mengeksplorasi kemungkinan aliran dan cakupannya. Dia mempelajari sifat-sifat aliran dalam kaitannya dengan pengobatan praktis. Radiasi gamma ditemukan oleh Paul Willard pada tahun 1900. Selama periode yang sama, Planck melakukan studi teoretis tentang sifat-sifat benda hitam. Dalam proses belajar, ia menemukan sifat kuantum dari proses. Karyanya adalah awal pengembangan Selanjutnya, beberapa karya Planck dan Einstein diterbitkan. Penelitian mereka mengarah pada pembentukan konsep seperti foton. Ini, pada gilirannya, meletakkan dasar bagi penciptaan teori kuantum. aliran elektromagnetik. Perkembangannya berlanjut dalam karya-karya para ilmuwan terkemuka abad kedua puluh.

Penelitian lebih lanjut dan bekerja pada teori kuantum radiasi elektromagnetik dan interaksinya dengan materi akhirnya mengarah pada pembentukan elektrodinamika kuantum dalam bentuk yang ada saat ini. Di antara ilmuwan terkemuka yang terlibat dalam studi masalah ini, selain Einstein dan Planck, Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman harus disebutkan.

Kesimpulan

Nilai fisika dalam dunia modern cukup besar. Hampir segala sesuatu yang digunakan saat ini dalam kehidupan manusia muncul berkat penggunaan praktis penelitian ilmuwan besar. Penemuan gelombang elektromagnetik dan studinya, khususnya, mengarah pada penciptaan pemancar radio konvensional, dan kemudian ponsel. Arti khusus penggunaan praktis pengetahuan teoritis tersebut memiliki di bidang kedokteran, industri, teknologi.

Penggunaan yang meluas ini disebabkan oleh sifat kuantitatif ilmu pengetahuan. Semua eksperimen fisik didasarkan pada pengukuran, perbandingan sifat-sifat fenomena yang diteliti dengan standar yang tersedia. Untuk tujuan ini, dalam kerangka disiplin, sebuah kompleks alat pengukur dan unit. Sejumlah keteraturan umum untuk semua sistem material yang ada. Misalnya, hukum kekekalan energi dianggap sebagai hukum fisika umum.

Sains secara keseluruhan disebut dalam banyak kasus fundamental. Ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa disiplin ilmu lain memberikan deskripsi, yang, pada gilirannya, mematuhi hukum fisika. Jadi, dalam kimia, atom, zat yang terbentuk darinya, dan transformasi dipelajari. Tetapi Sifat kimia tubuh didefinisikan karakter fisik molekul dan atom. Sifat-sifat ini menggambarkan cabang-cabang fisika seperti elektromagnetisme, termodinamika dan lain-lain.