Gelombang éléktromagnétik

Éléktromagnétisme
Listrik · Magnétisme
Éléktrostatika Muatan listrik Hukum Coulomb Médan listrik Hukum Gauss Poténsial listrik Momén dipol listrik
Magnétostatika Hukum Ampère pikeun rangkéan Médan magnétik Fluks magnétik Hukum Biot-Savart Momén dipol magnétik
Éléktrodinamika Arus listrik Hukum gaya Lorentz Gaya gerak listrik Induksi éléktromagnétik Hukum induksi Faraday Arus displacement Rumus-rumus Maxwell Médan éléktromagnétik Radiasi éléktromagnétik
Jaringan listrik Konduksi Résistansi Kapasitansi Induktansi Impedansi Rohang résonansi Waveguides
Ténsor dina Rélativitas Ténsor éléktromagnétik tekanan-énergi éléktromagnétik
Kotak ieu: tempo • sawala • édit

Radiasi éléktromagnétik (ÉM) nyaéta gelombang éléktromagnétik anu ngarambat sorangan dina rohangan. Gelombang éléktromagnétik kawangun ku komponén listrik atawa éléktrik jeung komponén magnétik. Dua komponén ieu ngayun bulak-balik (osilasi) dina arah anu sudtna 90^o tina arah rambatan. Arah osilasi dua komponén ieu ogé dipisahkeun ku sudut 90^o tapi fase gelombangna sarua.

Lamun ditingali tina arah rambatan gelombang éléktromagnétik, médan listrik mungkin bulak-balik naék jeung turun, samentara médan magnét ngayun bulak-balik ka katuhu jeung ka kénca; tapi gambar éta bisa diputer antukna médan listrik bulak-balik ka katuhu jeung ka kénca samentara médan magnét bulak-balik turun jeung naék. Kasambarangan oriéntasi ditingali ti arah rambatan disebut polarisasi.

Radiasi éléktromagnétik digolongkeun dumasar kana frékuénsigelombangna. Macem-mecem gelombang, lamun diantaykeun ti mimiti frékuénsi laun nepi ka frékuénsi gancang, kaasup di antarana: gelombang radio, gelombang mikro, radiasi térahertz, radiasi infra beureum, cahaya katémbong, radiasi ultraviolét, sinar-X sarta sinar gamma.

Radiasi ÉM mawa énergi jeung moméntum, anu bisa dipisahkeun mangsa radiasi kasebut ba-interaksi jeung zat atawa materi.

Fisika

Téori

Gelombang éléktromagnétik munggaran ditorah ku James Clerk Maxwell sarta satuluyna ditegeskeun ku Heinrich Hertz. Maxwell nurunkeun hiji rumus wangun gelombang listrik katut gelombang magnét, némbongkeun yén médan listrik jeung médan magnét boga sifat sabagé gelombang, sarta aya kasimétrian di antara éta dua médan. Lantaran laju gelombang ÉM anu ditorah ku rumus gelombang sarupa jeung laju cahaya anu kaukur, Maxwell nyindekkeun yén cahaya sorangan mangrupa hiji gelombang ÉM.

Nurutkeun rumus Maxwell, hiji médan listrik anu robah-robah nurutkeun waktu ngabangkitkeun hiji médan magnét sarta sabalikna. Ku lantaran kitu, mangsa hiji médan listrik anu osilasi ngabangkitkeun hiji médan magnét anu ogé osilasi, médan magnét anu osilasi éta ogé saterusna ngahasilkeun médan listrik anu osilasi, kitu saterusna. Dua médan anu osilasi ieu babarengan ngawangun hiji gelombang éléktromagnétik.

Téori quantum ngeunaan interaksi antara radiasi éléktromagnétik jeung materi saperti éléktron dijelaskeun ku téori éléktrodinamika quantum.

Sifat

Médan listrik katut médan magnét boga sifat superposisi. Sifat ieu ngalantarankeun rupa-rupa fénoména kaasup méngkolna cahaya (atawa réfraksi) sarta sumebarna cahaya (atawa difraksi). Contona, gelombang ÉM anu nabrak kana struktur atom nularkeun (ngainduksi) osilasi dina jero atom-atom, antukna nyababkeun atom-atom kasebut mancarkeun (ngaémisi) gelombang ÉM bogana sorangan. Émisi ieu satuluyna ngarobah gelombang anu nabrak ku cara interférensi.

Waktu ngarambat dina hiji médiyeum liniér saperti hiji rohangan hapa, cahaya henteu kapangaruhan ku médan listrik atawa médan magnét anu statis (tetep, henteu robah). Tapi, dina médiyeum non-liniér, saperti sababaraha kristal, interaksi bisa lumangsung antara cahaya jeung médan listrik katut médan magnét anu statis – interaksi ieu kaasup éfék Faraday jeung éfék Kerr.

Dina réfraksi, hiji gelombang anu ngaliwat ti hiji médiyeum ka médiyeum liana, anu boga karapetan nu béda, robah laju sarta arahna waktu asup ka médiyeum anyar. Babandingan indeks réfraksi mediyeum nangtukeun darajat réfraksi (darajat béngkokna cahaya) sarta bisa dijelaskeun ku hukum Snell. Cahaya ultraviolét kabagi kana hiji spéktrum nu katémbong mangsa cahaya ngaliwatan hiji prisma lantaran sifat réfraksi ieu.

Élmu fisika ngeunaan radiasi éléktromagnétik disebut éléktrodinamika, salah sahiji bagian tina éléktromagnétisme.

Radiasi ÉM ngagambarkeun sifat-sifat gelombang ogé sifat partikel dina waktu nu bareng (tempo dualitas gelombang-partikel). Sifat gelombang leuwih jelas katiténan mangsa radiasi ÉM diukur dina skala waktu anu rélatif lila sarta dina jarak anu jauh, sedengkeun sifat partikel leuwih jelas mangsa ngukur dina jarak sarta skala waktu nu pondok. Dua sifat ieu geus ditegeskeun dina sajumlah percobaan.

Aya percobaan anu mintonkeun sifat partikel jeung sifat gelombang radiasi ÉM mecenghul babarengan dina percobaan kasebut, saperti difraksi sahiji foton. Mangsa sahiji foton dikirimkeun ngaliwatan dua sela, éta hiji foton téh ngaliwatan dua sesela kasebut sarta ngalaman interférensi jeung dirina sorangan, persis saperti gelombang. Interférensi diri anu sarupa katitén mangsa sahiji foton dikirimkeun kana hiji interferometer Michelson atawa interferometer lianna.

Modél gelombang

Modél gelombang

Hiji aspék nu penting tina sifat cahaya nyaéta frékuénsi. Frékuénsi hiji gelombang nyaéta laju osilasi éta gelombang sarta diukur dina hijian Hertz, nyaéta hijian SI pikeun frékuénsi, hargana sarua jeung hiji osilasi per detik. Cahaya biasana boga hiji spéktrum frékuénsi. Gelombang atawa frékuénsi nu béda-béda ngalaman réfraksi kalayan sudut nu béda-béda ogé.

Hiji gelombang ngandung puncak-puncak jeung lengkob-lengkob anu paréndéng, sarta jarak antara dua puncak anu padeukeut atawa dua lengkob anu padeukeut disebut panjang gelombang. Gelombang dina spéktrum éléktromagnétik rupa-rupa ukuranna ti gelombang radio nu panjang pisan nu saukuran gedong-gedong luhur nepi ka sinar gama anu kacida pondokna, leuwih pondok manan inti atom. Frékuénsi mangrupa kabalikan panjang gelombang nurutkeun rumus:

${\displaystyle v=f\lambda }$

di mana v nyaéta laju gelombang (c dina jero rohangan hapa, atawa kurang ti c lamun dina jero médiyeum lianna), f nyaéta frékuénsi sarta λ nyaéta panjang gelombang. Mangsa gelombang meuntasan wates-wates antara médiyeum anu béda, laju cahayana robah tapi frékuénsina tetap konstan.

Interférensi nyaéta superposisi (tumpang tindih) antara dua atawa leuwih gelombang anu ngahasilekun hiji pola gelombang anu anyar.

Énergi gelombang éléktromagnétik témpo-témpo disebut énergi radiasi.

Modél partikel

Lantaran énergi gelombang ÉM dikuantisasi, mangka dina modél partikel radiasi ÉM, hiji gelombang kasusun ku pakét-pakét énergi anu diskrit, atawa quanta, anu disebut foton. Frékuénsi gelombang sabanding jeung gedéna énergi partikel. Sajaba ti éta, lantaran foton dipancarkeun jeung diserep ku partikel anu dibéré muatan, mangka foton nindak salaku pangangkut énergi. Énergi per foton bisa diitung ku rumus Planck:

${\displaystyle E=hf}$

di mana E nyaéta énergi, h nyaéta konstanta Planck, sarta f nyaéta frékuénsi.

Mangsa hiji foton diserep ku hiji atom, foton kasebut manaskeun sarta naékkeun hiji éléktron kana tingkatan énergi anu leuwih luhur. Lamun énergina cukup gedé, antukna éléktron lumpat ka tingkatan énergi anu cukup gedé, éléktron bisa ngaleupaskeun diri tina tarikan inti atom positif sarta leupas tina atom dina prosés anu disebut fotonisasi. Sabalikna, hiji éléktron anu turun ka tingkat énergi anu leuwih handap mancarkeun hiji foton cahaya anu énergina sarua jeung béda énergi antara tingkat énergi asal jeung tingkat énergi anu leuwih handap. Lantaran tingkatan-tingkatan énergi éléktron dina atom téh diskrit, tiap élemén mancarkeun sarta nyerep gelombang atawa frékuénsi karakteristikna.

Éfék-éfék ieu babarangan bisa ngajelaskeun sual spéktrum serep cahaya. Pita-pita anu poék dina éta spéktrum diakibatkeun ku atom nu aya dina médiyeum nyerep frékuénsi-frékuénsi cahaya anu béda. Susunan mediyeum anu diliwatan ku cahaya nangtukeun sifat tina spektrum serap. Contona, pita-pita poek dina cahaya anu dipancarkeun ku béntang anu jarakna jauh diakibatkeun ku atom-atom dina atmosfir éta béntang. Pita-pita ieu patali jeung tingkatan-tingkatan énergi anu dimungkinkeun dina jero atom-atom kasebut. Fénoména anu sarupa lumangsung pikeun émisi. Mangsa éléktron turun kana tingkatan énergi anu leuwih handap, mangka dipancarkeun hiji spéktrum anu ngagambarkeun lumpatan antara tingkatan-tingkatan énergi. Hal ieu diwujudkeun dina spéktrum émisi nébula. Kiwari, para élmuwan ngagunakeun fénoména ieu pikeun niténan élemén naon anu dikandung ku nébula. Cara ieu ogé dipaké dina nangtukeun jarak hiji béntang ti dunya, ngagunakeun anu disebut géséran warna beureum atawa red shift.

Laju rambatan

Artikel ieu keur dikeureuyeuh, ditarjamahkeun tina basa Inggris. Bantuanna didagoan pikeun narjamahkeun.

Any electric charge which accelerates, or any changing magnetic field, produces electromagnetic radiation. Electromagnetic information about the charge travels at the speed of light. Accurate tréatment thus incorporates a concept known as retarded time (as opposed to advanced time, which is unphysical in light of causality), which adds to the expressions for the electrodynamic electric field and magnetic field. These extra terms are responsible for electromagnetic radiation. When any wire (or other conducting object such as an antenna) conducts alternating current, electromagnetic radiation is propagated at the same frequency as the electric current. Depending on the circumstances, it may behave as a wave or as particles. As a wave, it is characterized by a velocity (the speed of light), wavelength, and frequency. When considered as particles, they are known as photons, and éach has an energy related to the frequency of the wave given by Planck's relation E = hν, where E is the energy of the photon, h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s is Planck's constant, and ν is the frequency of the wave.

One rule is always obeyed regardless of the circumstances: EM radiation in a vacuum always travels at the speed of light, relative to the observer, regardless of the observer's velocity. (This observation led to Albert Einstein's development of the théory of special relativity.)

In a medium (other than vacuum), velocity of propagation or refractive index are considered, depending on frequency and application. Both of these are ratios of the speed in a medium to speed in a vacuum.

Spéktrum éléktromagnétik

Dumasar kana panjang gelombangna, umumna radiasi éléktromagnétik (ÉM) digolongkeun kana gelombang-gelombang energi listrik, radio, mikro, beureum infra, wilayah katémbong anu karasa ku urang sabagé cahaya, ultraviolét, sinar-X jeung sinar gamma.

Cahaya

Artikel utama: cahaya.

Gelombang ÉM dina panjang gelombang antara kira-kira 400 nm jeung 700 nm katangkep ku mata manusa sarta karasa sabagé cahaya nu katémbong. Panjang gelombang lianna, husuna anu deukeut ka gelombang beureum infra (nu leuwih panjang ti 700 nm) jeung ultraviolét (nu leuwih pondok to 400 nm) ogé kadang-kadang disebut sabagé cahaya.

Serat optik ngarambatkeun cahaya anu bisa ditumpangan data sora atawa gambar. Prosésna sarupa jeung anu digunakeun dina ngarambatkeun gelombang radio.

Gelombang radio

Artikel utama: frékuénsi radio.

Gelombang radio bisa dimangfaatkeun pikeun mawa informasi ku cara ngarobah-robah amplitudo, frékuénsi jeung fase dina sahiji pita frékuénsi.

Mangsa rambatan gelombang ÉM asup kana konduktor, rambatan ÉM ngaraksuk kana konduktor, ngaliwatan, jeung ngabangkitkeun arus listrik dina beungeut konduktor ku cara ngagerakkeun éléktron-éléktron material konduktor. Éfék ieu (éfék kulit atawa skin effect) digunakeun dina anteneu. Pancaran gelombang ÉM ogé bisa ngabalukarkeun molékul-molékul nyerep énérgi jeung saterusna jadi panas; cara ieu digunakeun dina oven microwave.

Rumus-rumus Gelombang Éléktromagnétik

Gelombang éléktromagnétik salaku hiji fénomena umum ditorah ku hukum-hukum klasik ngeunaan listrik jeung magnétisme, anu katelah sabagé rumus-rumus Maxwell. Lamun urang mariksa rumus-rumus Maxwell tanpa sumber (muatan listrik atawa arus listrik) mangka urang bakal meunangkeun jawaban nontrivial tina médan listrik jeung médan magnét anu robah-robah. Dimimitian ku rumus Maxwell pikeun hiji rohangan hapa:

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} =0\qquad \qquad \qquad \ \ (1)}$

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial }{\partial t}\mathbf {B} \qquad \qquad (2)}$

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0\qquad \qquad \qquad \ \ (3)}$

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t}\mathbf {E} \qquad \ \ \ (4)}$

di mana

${\displaystyle \nabla }$ mangrupa hiji operator diférensial véktor (tempo Del).

Hiji jawaban,

${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} }$,

nyaéta trivial.

Pikeun nempo hiji deui jawaban anu leuwih narik haté, urang ngagunakeun identitas véktor, anu lumaku pikeun satiap véktor, saperti kieu:

${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} }$

Pikeun nempo kumaha urang bisa ngagunakeun ieu, paké curl tina rumus (2):

${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}\right)\qquad \qquad \qquad \quad \ \ \ (5)\,}$

Ku cara ngitung sisi kénca:

${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} \qquad \quad \ (6)\,}$

di mana urang nyaderhanakeun anu di luhur ku cara ngagunakeun rumus (1).

Itung sisi katuhu:

${\displaystyle \nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}{\partial ^{2}t}\mathbf {E} \qquad (7)}$

Rumus (6) jeung (7) sarua, antukna ieu ngahasilkeun hiji rumus diferensial nu miboga harga vektor pikeun médan listrik, nyaéta:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}{\partial t^{2}\mathbf {E} }$

Ku cara nerapkeun pola anu sarupa ngahasilkeun rumus diférensial pikeun médan magnét:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\epsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}{\partial t^{2}\mathbf {B} }$.

Rumus-rumus diférensial ieu sapadan jeung rumus gelombang:

${\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{c^{2}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}\,}$

di mana

c mangrupa laju gelombang sarta

f ngagambarkeun pamindahan tempat

Atawa sacara leuwih saderhana:

${\displaystyle \Box ^{2}f=0}$

di mana ${\displaystyle \Box ^{2}$ mangrupa d'Alembertian:

${\displaystyle \Box ^{2}=\nabla ^{2}-{\frac {1}{c^{2}{\frac {\partial ^{2}{\partial t^{2}={\frac {\partial ^{2}{\partial x^{2}+{\frac {\partial ^{2}{\partial y^{2}+{\frac {\partial ^{2}{\partial z^{2}-{\frac {1}{c^{2}{\frac {\partial ^{2}{\partial t^{2}\ }$

Perhatikeun yén dina kasus médan listrik katut médan magnét, lajuna:

${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\epsilon _{0}$

di mana, saperti katempo, mangrupa laju cahaya. Rumus Maxwell geus ngahijikeun permitivitas rohangan bébas ${\displaystyle \epsilon _{0}$, perméabilitas rohangan bébas ${\displaystyle \mu _{0}$, sarta laju cahaya, c. Saméméh katimuna rumus ieu teu kanyahoan yén aya hiji hubungan kuat antara cahaya jeung listrik sarta magnétisme (gaya magnét).

Tapi masih aya dua rumus Maxwell deui. Coba tempo hiji gelombang véktor umum pikeun médan listrik.

${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f\left({\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {x} -ct\right)}$

Di dieu ${\displaystyle \mathbf {E} _{0}$ mangrupa amplitudo konstan, ${\displaystyle f}$ mangrupa satiap fungsi anu bisa didiférensiasi, ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }$ mangrupa hiji véktor unit dina arah rambatan, sarta ${\displaystyle {\mathbf {x} }$mangrupa hiji véktor posisi. Urang nempo yén ${\displaystyle f\left({\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {x} -ct\right)}$ mangrupa hiji jawaban umum kana rumus gelombang. Dina kalimah lain

${\displaystyle \nabla ^{2}f\left({\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {x} -ct\right)={\frac {1}{c^{2}{\frac {\partial ^{2}{\partial ^{2}t}f\left({\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {x} -ct\right)}$,

pikeun gelombang anu ngarambat dina arah ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }$.

Wangun ieu bakal ngajawab rumus gelombang, tapi naha ieu bakal ngajawab sakabéh rumus Maxwell, sarta médan magnét naon anu pakait?

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {x} -ct\right)=0}$

${\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }=0}$

Rumus Maxwell nu kahiji nuduhkeun yén médan listrik ortogonal kana arah rambatan gelombang.

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }\times \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }\cdot \mathbf {x} -ct\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}\mathbf {B} }$

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{c}{\hat {\mathbf {k} }\times \mathbf {E} }$

Rumus Maxwell kadua ngahasilkeun médan magnét. Rumus-rumus anu nyésa bakal dijawab ku pilihan ${\displaystyle \mathbf {E} ,\mathbf {B} }$.

Médan listrik jeung médan magnét sajaba ngarambat dina laju cahaya, ogé boga oriéntasi sarta gedé anu proporsional anu kawates, ${\displaystyle E_{0}=cB_{0}$, anu bisa ditempo langsung tina Poynting vector. Médan listrik, médan magnét, sarta arah rambatan gelombang kabéhanana ortogonal, sarta gelombang ngarambat dina arah anu sarua saperti ${\displaystyle \mathbf {E} \times \mathbf {B} }$.

Lamun ditingali tina arah rambatan gelombang éléktromagnétik, médan listrik mungkin ngayunambing naék jeung turun, samentara médan magnét ngayunambing ka katuhu jeung ka kénca; tapi gambar éta bisa diputer antukna médan listrik ngayunambing ka katuhu jeung ka kénca samentara médan magnét ngayunambing turun jeung naék. Hal ieu mangrupa jawaban lian pikeun gelombang anu ngarambat ka arah anu sarua. Kasambarangan oriéntasi ditingali ti arah rambatan disebut polarisasi.

Tempo ogé

Rujukan

• Hecht, Eugene (2001). Optics (4th ed. ed.). Pearson Education. ISBN 0-8053-8566-5.  CS1 maint: Extra text (link)
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed. ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7.  Cite uses deprecated parameter |coauthors= (bantuan) CS1 maint: Extra text (link)
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed. ed.). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0810-8.  CS1 maint: Extra text (link)
• Reitz, John; Milford, Frederick; Christy, Robert (1992). Foundations of Electromagnetic Theory (4th ed. ed.). Addison Wesley. ISBN 0-201-52624-7.  Cite uses deprecated parameter |coauthors= (bantuan) CS1 maint: Extra text (link)
• Jackson, John David (1975). Classical Electrodynamics (2nd ed ed.). John Wiley & Sons. ISBN 0-471-43132-X.  CS1 maint: Extra text (link)
• Allen Taflove and Susan C. Hagness (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers. ISBN 1-58053-832-0. 

Tumbu luar

• Electromagnetism Archived 2011-06-03 di Wayback Machine - a chapter from an online textbook
• Electromagnetic Waves from Maxwell's Equations on Project PHYSNET.
• Conversion of frequency to wavelength and back - electromagnetic, radio and sound waves Archived 2012-03-11 di Wayback Machine
• eBooks on Electromagnetic radiation and RF Archived 2007-12-18 di Wayback Machine
• The Science of Spectroscopy Archived 2019-03-23 di Wayback Machine - supported by NASA. Spectroscopy education wiki and films - introduction to light, its uses in NASA, space science, astronomy, medicine & héalth, environmental reséarch, and consumer products.