Gelombang elektromagnetik, radiasi elektromagnetik, perambatan gelombang elektromagnetik

Pada tahun 1864, James Clerk Maxwell meramalkan kemungkinan gelombang elektromagnetik di luar angkasa. Dia membuat klaim ini berdasarkan kesimpulan yang diperoleh dari analisis semua data percobaan yang diketahui pada saat itu tentang listrik dan magnet.

Maxwell secara matematis menggabungkan hukum elektrodinamika, menghubungkan fenomena listrik dan magnet, dan dengan demikian sampai pada kesimpulan bahwa medan listrik dan magnet, yang berubah seiring waktu, menghasilkan satu sama lain.

Awalnya, dia menekankan fakta bahwa hubungan antara fenomena magnet dan listrik tidak simetris dan memperkenalkan istilah "medan listrik eddy", menawarkan penjelasannya sendiri yang benar-benar baru tentang fenomena induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Faraday: "setiap perubahan medan magnet medan mengarah ke penampilan di ruang sekitarnya medan listrik pusaran dengan garis-garis gaya tertutup”.

Menurut Maxwell, pernyataan sebaliknya bahwa "medan listrik yang berubah menghasilkan medan magnet di ruang sekitarnya" juga benar, tetapi pernyataan ini awalnya hanya berupa hipotesis.

Maxwell menulis sistem persamaan matematika yang secara konsisten menggambarkan hukum transformasi timbal balik medan magnet dan listrik, persamaan ini kemudian menjadi persamaan dasar elektrodinamika dan mulai disebut "persamaan Maxwell" untuk menghormati ilmuwan besar yang menulis. mereka turun. Hipotesis Maxwell, berdasarkan persamaan tertulis, memiliki beberapa kesimpulan yang sangat penting bagi sains dan teknologi, yang disajikan di bawah ini.

Gelombang elektromagnetik ada

Gelombang elektromagnetik transversal dapat eksis di ruang angkasa yang merambat dari waktu ke waktu medan elektromagnetik… Fakta bahwa gelombang transversal ditunjukkan oleh fakta bahwa vektor induksi magnetik B dan kuat medan listrik E saling tegak lurus dan keduanya terletak pada bidang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik merambat dengan kecepatan terbatas

Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik dalam suatu zat terbatas dan ditentukan oleh sifat listrik dan magnetik zat yang dilalui gelombang tersebut. Panjang gelombang sinusoidal λ dalam hal ini terkait dengan kecepatan υ dengan rasio pasti tertentu λ = υ / f dan bergantung pada frekuensi f osilasi medan. Kecepatan c gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah salah satu konstanta fisik dasar — ​​kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Karena Maxwell menyatakan bahwa kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik adalah terbatas, hal ini menimbulkan kontradiksi antara hipotesisnya dan teori aksi pada jarak jauh yang diterima pada saat itu, yang menurutnya kecepatan perambatan gelombang seharusnya tidak terbatas. Oleh karena itu, teori Maxwell disebut teori aksi jarak pendek.

Gelombang elektromagnetik adalah medan listrik dan magnet yang saling berubah menjadi satu sama lain.

Pada gelombang elektromagnetik, transformasi medan listrik dan medan magnet menjadi satu sama lain terjadi pada waktu yang bersamaan, oleh karena itu kerapatan volume energi magnet dan energi listrik sama. kuat medan listrik dan induksi medan magnet saling berhubungan satu sama lain di setiap titik dalam ruang melalui hubungan berikut:

Gelombang elektromagnetik membawa energi

Gelombang elektromagnetik dalam proses perambatannya menciptakan aliran energi elektromagnetik, dan jika kita memperhitungkan area di bidang yang tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang, maka sejumlah energi elektromagnetik akan bergerak melaluinya dalam suatu waktu singkat. Kepadatan fluks energi elektromagnetik adalah jumlah energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik melintasi permukaan per satuan luas per satuan waktu. Dengan mengganti nilai kecepatan, serta energi magnet dan listrik, dimungkinkan untuk mendapatkan ekspresi kerapatan fluks dalam besaran E dan B.

Menunjuk vektor — vektor aliran energi gelombang

Karena arah rambat energi gelombang bertepatan dengan arah kecepatan rambat gelombang, aliran energi yang merambat dalam gelombang elektromagnetik dapat diatur menggunakan vektor yang diarahkan dengan cara yang sama dengan kecepatan rambat gelombang. Vektor ini disebut «vektor penunjuk» — untuk menghormati fisikawan Inggris Henry Poynting, yang pada tahun 1884 mengembangkan teori perambatan aliran energi medan elektromagnetik. Kerapatan fluks energi gelombang diukur dalam W/m2.

Gelombang elektromagnetik menekan benda yang memantulkan atau menyerapnya

Ketika medan listrik bekerja pada suatu zat, arus kecil muncul di dalamnya, yang merupakan gerakan teratur dari partikel bermuatan listrik. Arus dalam medan magnet gelombang elektromagnetik ini dikenai aksi gaya Ampere, yang diarahkan jauh ke dalam substansi. Akibatnya, gaya Ampere menghasilkan tekanan.

Fenomena ini kemudian, pada tahun 1900, diselidiki dan dikonfirmasi secara empiris oleh fisikawan Rusia Pyotr Nikolayevich Lebedev, yang karya eksperimentalnya sangat penting dalam mengonfirmasi teori elektromagnetisme Maxwell dan penerimaan serta persetujuannya di masa depan.

Fakta bahwa gelombang elektromagnetik memberikan tekanan memungkinkan untuk memperkirakan keberadaan impuls mekanis dalam medan elektromagnetik, yang dapat dinyatakan per satuan volume dengan kerapatan volumetrik energi elektromagnetik dan kecepatan rambat gelombang dalam ruang hampa:

Karena momentum terkait dengan pergerakan massa, konsep seperti massa elektromagnetik dapat diperkenalkan, dan kemudian untuk satuan volume rasio ini (sesuai dengan STR) akan mengambil karakter hukum alam universal dan akan valid. untuk badan material apa pun terlepas dari bentuk materi. Kemudian medan elektromagnetik mirip dengan benda material — ia memiliki energi W, massa m, momentum p, dan kecepatan terminal v. Artinya, medan elektromagnetik adalah salah satu bentuk materi yang benar-benar ada di alam.

Konfirmasi akhir dari teori Maxwell

Untuk pertama kalinya pada tahun 1888, Heinrich Hertz secara eksperimental membenarkan teori elektromagnetik Maxwell. Ia secara empiris membuktikan realitas gelombang elektromagnetik dan mempelajari sifat-sifatnya seperti pembiasan dan penyerapan di berbagai media, serta pemantulan gelombang dari permukaan logam.

Hertz mengukur panjang gelombang radiasi elektromagnetik, dan menunjukkan bahwa kecepatan rambat gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya. Karya eksperimental Hertz adalah langkah terakhir menuju penerimaan teori elektromagnetik Maxwell. Tujuh tahun kemudian, pada tahun 1895, fisikawan Rusia Alexander Stepanovich Popov menggunakan gelombang elektromagnetik untuk membuat komunikasi nirkabel.

Gelombang elektromagnetik dieksitasi hanya oleh muatan bergerak yang dipercepat

Dalam rangkaian arus searah, muatan bergerak dengan kecepatan konstan dan gelombang elektromagnetik dalam hal ini tidak dipancarkan ke luar angkasa Agar terjadi radiasi, perlu menggunakan antena yang arus bolak-balik, yaitu arus yang dengan cepat mengubah arah mereka, akan menjadi bersemangat.

Dalam bentuknya yang paling sederhana, dipol listrik berukuran kecil cocok untuk memancarkan gelombang elektromagnetik di mana momen dipol akan berubah dengan cepat terhadap waktu. Dipol seperti itu sekarang disebut "dipol Hertzian", yang ukurannya beberapa kali lebih kecil dari panjang gelombang yang dipancarkannya.

Ketika dipancarkan dari dipol Hertzian, fluks maksimum energi elektromagnetik jatuh pada bidang yang tegak lurus terhadap sumbu dipol. Tidak ada radiasi energi elektromagnetik di sepanjang sumbu dipol. Dalam eksperimen terpenting Hertz, dipol elementer digunakan untuk memancarkan dan menerima gelombang elektromagnetik, membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik.