Artikel

9.1: Cahaya: Sinaran Elektromagnetik - Matematik

9.1: Cahaya: Sinaran Elektromagnetik - Matematik



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Objektif Pembelajaran

  • Tentukan istilah panjang gelombang dan frekuensi berkenaan dengan tenaga bentuk gelombang.
  • Nyatakan hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi berkenaan dengan sinaran elektromagnetik.

Semasa musim panas, hampir semua orang gemar pergi ke pantai. Pengunjung pantai boleh berenang, berkelah, dan bekerja di tempat berjemur mereka. Tetapi jika seseorang mendapat terlalu banyak cahaya matahari, mereka boleh terbakar. Satu set panjang gelombang solar sangat berbahaya bagi kulit. Bahagian spektrum suria ini dikenali sebagai UV B, dengan panjang gelombang (280 ) - (320 : teks {nm} ). Pelindung matahari berkesan melindungi kulit daripada kerosakan kulit serta kemungkinan barah kulit jangka panjang.

Gelombang

Gelombang dicirikan oleh gerakan berulang-ulang. Bayangkan sebuah kapal mainan menunggang ombak di kolam gelombang. Semasa gelombang air melintas di bawah kapal, ia bergerak naik turun secara teratur dan berulang. Semasa gelombang bergerak secara mendatar, kapal hanya bergerak secara menegak ke atas dan ke bawah. Rajah di bawah menunjukkan dua contoh gelombang.

Rajah ( PageIndex {1} ): (A) Gelombang terdiri daripada puncak dan palung gantian. Panjang gelombang ( kiri ( lambda kanan) ) ditakrifkan sebagai jarak antara dua titik yang sama berturut-turut pada bentuk gelombang. Amplitud adalah ketinggian gelombang. (B) Gelombang dengan panjang gelombang pendek (atas) mempunyai frekuensi tinggi kerana lebih banyak gelombang melewati titik tertentu dalam jangka waktu tertentu. Gelombang dengan panjang gelombang yang lebih panjang (bawah) mempunyai frekuensi yang lebih rendah.

Kitaran gelombang terdiri daripada satu gelombang lengkap - bermula pada titik sifar, naik ke gelombang puncak, kembali ke gelombang palung, dan kembali ke titik sifar sekali lagi. The panjang gelombang gelombang adalah jarak antara dua titik yang sepadan pada gelombang bersebelahan. Paling mudah untuk memvisualisasikan panjang gelombang gelombang sebagai jarak dari puncak gelombang ke gelombang berikutnya. Dalam persamaan, panjang gelombang ditunjukkan oleh huruf Yunani lambda ( kiri ( lambda kanan) ). Bergantung pada jenis gelombang, panjang gelombang dapat diukur dalam meter, sentimeter, atau nanometer ( kiri (1 : teks {m} = 10 ^ 9 : teks {nm} kanan) ). The kekerapan, diwakili oleh huruf Yunani nu ( kiri ( nu kanan) ), adalah jumlah gelombang yang melewati titik tertentu dalam jangka waktu yang ditentukan. Biasanya, frekuensi diukur dalam unit kitaran sesaat atau gelombang per saat. Satu gelombang sesaat juga disebut Hertz ( kiri ( teks {Hz} kanan) ) dan dalam unit SI adalah detik timbal balik ( kiri ( teks {s} ^ {- 1} kanan) ).

Rajah B di atas menunjukkan hubungan penting antara panjang gelombang dan kekerapan gelombang. Gelombang atas jelas mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek daripada gelombang kedua. Namun, jika anda membayangkan diri anda pada titik pegun menyaksikan gelombang-gelombang ini berlalu, lebih banyak gelombang jenis pertama akan berlalu dalam jangka masa tertentu. Oleh itu, frekuensi gelombang pertama lebih besar daripada gelombang kedua. Oleh itu, panjang gelombang dan frekuensi saling berkaitan. Apabila panjang gelombang gelombang meningkat, frekuensinya berkurang. Persamaan yang menghubungkan kedua-duanya adalah:

[c = lambda nu ]

Pemboleh ubah (c ) ialah kelajuan cahaya. Agar hubungan dapat bertahan secara matematik, jika kelajuan cahaya digunakan dalam ( text {m / s} ), panjang gelombang mestilah dalam meter dan frekuensi dalam Hertz.

Contoh ( PageIndex {1} ): Lampu Jingga

Warna oren dalam spektrum cahaya yang kelihatan mempunyai panjang gelombang kira-kira (620 : text {nm} ). Berapakah kekerapan cahaya oren?

Penyelesaian

Langkah-langkah untuk Menyelesaikan MasalahContoh ( PageIndex {1} )
Kenal pasti maklumat yang "diberikan" dan apa masalahnya yang anda minta "cari".

Diberikan:

  • Panjang gelombang ( kiri ( lambda kanan) = 620 : teks {nm} )
  • Kelajuan cahaya ( kiri (c kanan) = 3.00 kali 10 ^ 8 : teks {m / s} )

Cari: Kekerapan (Hz)

Senaraikan kuantiti lain yang diketahui. (1 : teks {m} = 10 ^ 9 : teks {nm} )
Kenal pasti langkah-langkah untuk mendapatkan jawapan akhir.

1. Tukar panjang gelombang ke ( text {m} ).

2. Terapkan persamaan (c = lambda nu ) dan selesaikan kekerapannya. Membahagi kedua-dua sisi persamaan dengan ( lambda ) menghasilkan:

( nu = frac {c} { lambda} )

Batalkan unit dan hitung.

(620 : teks {nm} kali kiri ( frac {1 : teks {m}} {10 ^ 9 : teks {nm}} kanan) = 6.20 kali 10 ^ {- 7} : teks {m} )

( nu = frac {c} { lambda} = frac {3.0 kali 10 ^ 8 : teks {m / s}} {6,20 kali 10 ^ {- 7}} = 4,8 kali 10 ^ {14} : teks {Hz} )

Fikirkan hasil anda.Nilai untuk frekuensi berada dalam julat untuk cahaya yang dapat dilihat.

Latihan ( PageIndex {1} )

Berapakah panjang gelombang cahaya jika frekuensi 1.55 × 1010 s−1?

Jawapan
0,0194 m, atau 19,4 mm

Ringkasan

Semua gelombang dapat ditentukan dari segi frekuensi dan intensiti mereka. (c = lambda nu ) menyatakan hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi.

Sumbangan & Penghargaan


Cahaya sebagai sinaran elektromagnetik

Walaupun terdapat kemajuan teori dan eksperimen pada separuh pertama abad ke-19 yang menentukan sifat gelombang cahaya, sifat cahaya belum terungkap - identiti ayunan gelombang tetap menjadi misteri. Situasi ini berubah secara dramatis pada tahun 1860-an ketika ahli fizik Skotlandia James Clerk Maxwell, dalam perawatan teori daerah aliran sungai, menyatukan bidang elektrik, magnet, dan optik. Dalam perumusan elektromagnetisme, Maxwell menggambarkan cahaya sebagai gelombang penyebaran medan elektrik dan magnet. Secara lebih umum, dia meramalkan adanya radiasi elektromagnetik: medan elektrik dan magnet yang digabungkan bergerak sebagai gelombang pada kelajuan yang sama dengan kelajuan cahaya yang diketahui. Pada tahun 1888 ahli fizik Jerman Heinrich Hertz berjaya menunjukkan kewujudan gelombang elektromagnetik panjang gelombang panjang dan menunjukkan bahawa sifatnya sesuai dengan cahaya yang dapat dilihat dengan panjang gelombang yang lebih pendek.


Apa itu cahaya, dan bagaimana ia dapat bergerak dalam ruang hampa selama-lamanya ke semua arah sekaligus tanpa media?

Saya tahu ada banyak soalan yang serupa (mungkin serupa?). Saya bukan ahli fizik dan juga pelajar - saya hanya berminat dengan fizik dan telah menonton banyak saluran fizik di youtube baru-baru ini pada masa lapang.

Berikut adalah satu jawapan untuk soalan ini:

Baiklah, saya akan mengatakan medan elektromagnetik adalah medium.

Saya tidak faham ini - Bagaimana sesuatu boleh menjadi medium untuk dirinya sendiri?

Jawapan untuk soalan-soalan ini saya rasa tidak betul-betul mengatasi masalah kekeliruan tertentu yang saya alami - jadi saya akan cuba mengemukakan soalan itu sedikit berbeza

Bagaimanakah cahaya (atau radiasi elektromagnetik) bergerak melalui vakum apabila tidak ada apa-apa di sana untuk bertindak sebagai media, dan melakukannya selamanya ke semua arah? Contohnya cahaya yang datang dari bintang berjuta-juta tahun cahaya.

Dengan air, misalnya, mudah bagi saya untuk melihat bagaimana gelombang dapat tersebar di permukaan ke semua arah dan bergerak selagi tenaga dalam gelombang tidak hilang. Molekul-molekul di dalam air bertindak sebagai media, dan berayun dan mendorong semua molekul yang berdekatan menyebabkan kesan domino ke luar.

Tetapi apa yang dilakukan cahaya?

Satu pemikiran yang saya miliki adalah, jika cahaya terbuat dari sesuatu maka ia hanya bergerak ke luar dari titik asal ke arah mana pun cahaya itu menuju.

Yang membawa saya ke foton.

Berikut adalah perenggan pertama dari Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Photon

Foton adalah zarah asas, kuantum cahaya dan semua bentuk sinaran elektromagnetik yang lain, dan pembawa daya untuk daya elektromagnetik, walaupun statik melalui foton maya. Kesan daya ini dapat dilihat dengan mudah pada tahap mikroskopik dan makroskopik, kerana foton tidak mempunyai jisim rehat, ini memungkinkan interaksi pada jarak jauh. Seperti semua zarah unsur, foton pada masa ini paling baik dijelaskan oleh mekanik kuantum dan menunjukkan dualitas gelombang – partikel, menunjukkan sifat gelombang dan zarah. Sebagai contoh, satu foton boleh dibiaskan oleh lensa atau menunjukkan gangguan gelombang dengan dirinya sendiri, tetapi juga bertindak sebagai partikel yang memberikan hasil yang pasti apabila kedudukannya diukur.

Jadi. mungkin foton menerangi cahaya, dan mereka hanya memotret ke luar angkasa suka gelombang, tetapi sebenarnya bukan gelombang fizikal (seperti gelombang suara atau air), hanya "bertindak seperti gelombang"?

Video itu membincangkan mengenai dualitas gelombang zarah elektron. Jadi satu elektron boleh bertindak sebagai gelombang, tetapi apabila memukul sesuatu, ia hanya memukul satu tempat. Adakah sama untuk foton?

Eksperimen Pemikiran : Di dalam ruang hamparan terdapat sfera berongga besar 1 tahun cahaya dalam radius. Di dalamnya hanya vakum, dan di pusat tepat kilatan cahaya dipancarkan ke semua arah dari sumber titik. 1 tahun kemudian cahaya memukul bola di semua tempat sekaligus.

Itulah 12.6 (atau 4 kali pi) tahun cahaya kuasa dua luas permukaan untuk dilindungi! Bagaimana mungkin ada cukup foton untuk memukul setiap tempat di dalam permukaan sfera besar ini? Saya faham bahawa cahaya yang sangat sedikit akan menghantam sejauh ini, tetapi walaupun bukan sifar sekurang-kurangnya beberapa cahaya memukul.

Atau mungkin ini bergantung pada seberapa besar kilatnya? Mungkin ia tidak menyentuh setiap tempat?

Sekiranya cahaya benar-benar terbuat dari foton dan bertindak seperti gelombang tetapi setiap foton memukul hanya satu tempat, maka menurut saya pasti ada sejumlah foton yang tidak terhingga dalam kilatan cahaya itu untuk memukul begitu banyak tempat di dalam sfera.


Apa maksudnya mengatakan bahawa cahaya adalah sinaran EM?

Hanya mengatakan bahawa "cahaya adalah gelombang elektromagnetik" tidak banyak membantu kita. Apa yang melambai? Apa yang bergerak? Kita tahu bahawa medan elektrik adalah nilai vektor yang diberikan pada titik di ruang. Mereka mungkin berubah, tetapi mereka tidak bergerak. Apa yang sedang berlaku?

Apa yang berlaku serupa dengan apa yang kita lihat ketika kita mengkaji gelombang melintang pada tali elastik. Dalam kes itu, manik-manik yang dibuat tali bergerak serenjang dengan tali sementara corak gerakan bergerak sepanjang tali. Gerak manik itu melintang kepada gerakan corak & mdash gelombang.

Dalam keadaan medan elektrik, medan elektrik pada satu titik tidak bergerak, tetapi menunjuk ke arah dan ia berubah dalam magnitud (dan mungkin arah). Jadi, inilah unsur-unsur penting dalam cerita ini:

Dalam gelombang elektromagnetik, medan elektrik (dan medan magnet) pada setiap titik di ruang berubah dan corak perubahan itulah yang menyebarkan.

Dalam gelombang elektromagnetik, medan elektrik dan magnet tegak lurus dengan arah di mana corak gelombang bergerak.

Medan elektrik dan kesannya pada jirim biasanya jauh lebih besar daripada medan magnet dan kesannya pada jirim sehingga kita sering menggambarkan gelombang EM hanya dari segi medan elektrik yang berkaitan dengannya. Medan magnet penting untuk berfungsi sebagai perantara untuk "bootstrap" perubahan medan E dalam masa menjadi perubahan ruang, tetapi kita tidak akan banyak membincangkannya kerana mereka tidak banyak berperanan dalam cara cahaya berinteraksi dengan jirim (kecuali dalam plasma yang sangat panas).

Sebab kami dapat memperlakukan cahaya seolah-olah sinarnya adalah kerana panjang gelombang cahaya sangat kecil (pecahan mikrometer) dibandingkan dengan jarak yang cenderung kita perhatikan. Sekiranya kita melihat sinar cahaya, adalah lebih tepat jika kita menganggapnya sebagai "pensil" cahaya & silakan silinder nipis panjang. Dan walaupun silinder itu sangat tipis, ketika kita melihat skala panjang gelombang cahaya, jika kita menganggap kepingan tegak lurus dengan sinar, irisan melintang itu sangat besar dibandingkan dengan panjang gelombang.

Melihat sedikit medan elektrik di sepanjang sinar, dalam kes paling mudah (sinar panjang gelombang tunggal dan polarisasi tunggal) medan di sepanjang sinar mungkin kelihatan seperti gambar yang ditunjukkan di bawah. Kami merujuk ini sebagai yang model shish-ka-bab gelombang elektromagnetik.

Untuk memahami maksudnya, tafsirkan gambar ini seperti berikut.

  • Ini adalah gambaran sedikit gelombang EM di ruang yang merambat ke arah x, beku pada waktunya.
  • Di sepanjang setiap satah yang berserenjang dengan arah perambatan (satah y-z yang ditunjukkan) medan E tetap dalam ruang, ia adalah vektor yang sama di mana-mana di satah.
  • Pada titik yang berbeza di sepanjang sinar, nilai pada setiap satah berbeza (sama seperti nilai anjakan manik dalam gelombang melintang pada tali elastik berbeza pada kedudukan yang berbeza). Dalam kes ini, variasi ruang yang ditunjukkan adalah sinusoidal:
    $ overrightarrow(x, y, z, t) = overarrarrow_0 sin <(kx- omega t)> $

Ini kelihatan seperti gelombang penyebaran sinusoidal di sepanjang tali elastik & mdash ia mempunyai fungsi sinus & mdash yang sama tetapi agak rumit untuk ditafsirkan.

Berikut adalah beberapa perkara yang perlu diperhatikan:

  1. Medan elektrik ditentukan pada semua titik di ruang & mdash oleh itu ia adalah fungsi $ x, y, z $. Pada setiap titik ia juga boleh berbeza pada masa yang berbeza & mdash oleh itu fungsi $ t $ juga.
  2. Medan elektrik adalah vektor. Ia mempunyai arah serta besarnya. Dalam kes ini, vektor $ overrightarrow_0 $ memberi kita amplitud maksimum dan arah (walaupun apabila sinus menjadi negatif, arah medan terbalik). Dalam gambar yang ditunjukkan, vektor $ vec_0 $ mata ke arah y.
  3. Gambar menunjukkan masa yang tetap. Sekiranya kita melihat garis yang selari dengan sinar ("shaklik" di shish-ke-bab) pada masa ini, medan E akan berayun sebagai fungsi x. Di sepanjang bidang yang berserenjang dengan x (mengubah y dan / atau z) medan adalah pemalar (kerana persamaan tidak bergantung pada y atau z).
  4. Seiring berjalannya waktu, corak pesawat bergerak ke arah anak panah biru dengan kelajuan cahaya. Pada setiap titik tetap di ruang angkasa, medan E akan berayun ketika pelbagai bidang melaluinya. Seolah-olah seseorang membawa sheiks-ka-bob pesawat dan berlari dengannya sepanjang arah paksi x.

Kadang-kadang medan E dan B dalam gelombang EM bergerak diplotkan tegak lurus ke arah perambatan dan satu sama lain seperti pada gambar di bawah di sebelah kanan. Kami telah menunjukkan pesawat yang sesuai di atasnya. Angka (b) sering menyesatkan (selekoh berbahaya) kerana rupa seperti vektor E dan B memanjang ke ruang di atas dan di bawah sinar. Mereka tidak. Mereka dimaksudkan untuk semua berbaring di sepanjang sinar tetapi anda tidak boleh meletakkan vektor medan elektrik di mana sahaja tetapi di ruang & mdash tetapi vektor medan E tidak jauh dan jadi ia tidak mengambil ruang. Setiap vektor hanya menerangkan medan di tempat "kaki" nya & mdash di pangkal vektor. Dan itu tidak menunjukkan bahawa medan tetap dalam arah melintang ke penyebaran.


Kandungan

Teori Edit

Persamaan Maxwell Edit

James Clerk Maxwell memperoleh bentuk gelombang dari persamaan elektrik dan magnet, sehingga mengungkap sifat seperti gelombang medan elektrik dan magnet dan simetri mereka. Kerana kelajuan gelombang EM yang diramalkan oleh persamaan gelombang bertepatan dengan kelajuan cahaya yang diukur, Maxwell menyimpulkan bahawa cahaya itu sendiri adalah gelombang EM. [9] [10] Persamaan Maxwell disahkan oleh Heinrich Hertz melalui eksperimen dengan gelombang radio.

[11] Maxwell menyedari bahawa kerana banyak fizik simetris dan artistik secara matematik, maka mesti ada juga simetri antara elektrik dan magnet. Dia menyedari bahawa cahaya adalah gabungan elektrik dan daya tarikan dan dengan itu keduanya harus diikat bersama. Menurut persamaan Maxwell, medan elektrik yang berbeza secara spasial selalu dikaitkan dengan medan magnet yang berubah dari masa ke masa. [12] Begitu juga, medan magnet yang berbeza secara spasial dikaitkan dengan perubahan spesifik dari semasa ke semasa di medan elektrik. Dalam gelombang elektromagnetik, perubahan dalam medan elektrik selalu disertai oleh gelombang di medan magnet dalam satu arah, dan sebaliknya. Hubungan antara keduanya berlaku tanpa jenis medan yang menyebabkan yang lain sebaliknya, mereka berlaku bersama dengan cara yang sama bahawa perubahan masa dan ruang berlaku bersama-sama dan saling berkaitan dalam relativiti khas. Sebenarnya, medan magnet dapat dilihat sebagai medan elektrik dalam kerangka rujukan yang lain, dan medan elektrik dapat dilihat sebagai medan magnet dalam kerangka rujukan yang lain, tetapi mereka mempunyai arti yang sama kerana fizik adalah sama dalam semua kerangka rujukan, jadi hubungan erat antara perubahan ruang dan masa di sini lebih dari sekadar analogi. Bersama-sama, medan ini membentuk gelombang elektromagnetik yang merebak, yang bergerak ke angkasa dan tidak perlu lagi berinteraksi dengan sumbernya. Medan EM yang jauh terbentuk dengan cara ini dengan pecutan muatan yang membawa tenaga dengannya yang "memancar" menjauh dari angkasa, maka istilahnya.

Medan berdekatan dan jauh Edit

Persamaan Maxwell menetapkan bahawa beberapa cas dan arus ("sumber") menghasilkan jenis medan elektromagnetik tempatan berhampiran mereka yang tidak mempunyai tingkah laku EMR. Arus secara langsung menghasilkan medan magnet, tetapi ia adalah jenis dipol magnetik yang mati dengan jarak dari arus. Dengan cara yang serupa, caj bergerak yang ditolak dalam konduktor oleh potensi elektrik yang berubah (seperti dalam antena) menghasilkan medan elektrik jenis dipol elektrik, tetapi ini juga menurun dengan jarak. Medan ini membentuk medan dekat dengan sumber EMR. Kedua-dua tingkah laku ini tidak bertanggungjawab terhadap sinaran EM. Sebagai gantinya, mereka menyebabkan tingkah laku medan elektromagnetik yang hanya dengan berkesan mengalihkan kuasa ke penerima yang sangat dekat dengan sumbernya, seperti aruhan magnet di dalam pengubah, atau tingkah laku maklum balas yang berlaku berhampiran gegelung pengesan logam. Biasanya, medan dekat mempunyai kesan kuat terhadap sumbernya sendiri, menyebabkan peningkatan "beban" (penurunan reaktans elektrik) pada sumber atau pemancar, setiap kali tenaga ditarik dari medan EM oleh penerima. Jika tidak, medan ini tidak "menyebarkan" secara bebas ke ruang angkasa, membawa tenaga mereka pergi tanpa had jarak, melainkan berayun, mengembalikan tenaga mereka ke pemancar jika tidak diterima oleh penerima. [ rujukan diperlukan ]

Sebaliknya, medan jauh EM terdiri daripada sinaran yang bebas dari pemancar dalam arti bahawa (tidak seperti pada pengubah elektrik) pemancar memerlukan kuasa yang sama untuk menghantar perubahan ini di medan keluar, sama ada isyarat segera diambil atau tidak. Bahagian medan elektromagnetik yang jauh ini adalah "sinaran elektromagnetik" (juga disebut medan jauh). Medan jauh menyebar (memancar) tanpa membiarkan pemancar mempengaruhi mereka. Ini menyebabkan mereka bebas dalam arti bahawa keberadaan dan tenaga mereka, setelah mereka meninggalkan pemancar, benar-benar bebas dari pemancar dan penerima.Oleh kerana penjimatan tenaga, jumlah daya yang melewati permukaan sfera yang dilukis di sekitar sumber adalah sama. Oleh kerana permukaan sedemikian mempunyai luas yang sebanding dengan kuadrat jaraknya dari sumber, ketumpatan daya radiasi EM selalu berkurang dengan kuadrat terbalik dari jarak dari sumber ini disebut hukum segiempat terbalik. Ini berbeza dengan bahagian dipol dari medan EM yang dekat dengan sumber (medan dekat), yang berbeza daya mengikut undang-undang kuasa kubus terbalik, dan dengan demikian tidak mengangkut sejumlah tenaga yang dijimatkan dari jarak jauh, tetapi sebaliknya memudar dengan jarak, dengan tenaganya (seperti yang dinyatakan) cepat kembali ke pemancar atau diserap oleh penerima berdekatan (seperti gegelung sekunder transformer).

Medan jauh (EMR) bergantung pada mekanisme yang berbeza untuk pengeluarannya daripada jarak dekat, dan berdasarkan istilah yang berbeza dalam persamaan Maxwell. Manakala bahagian magnet dari medan dekat disebabkan oleh arus di sumbernya, medan magnet dalam EMR hanya disebabkan oleh perubahan tempatan di medan elektrik. Dengan cara yang serupa, sementara medan elektrik di medan dekat disebabkan secara langsung oleh cas dan pemisahan caj di sumbernya, medan elektrik di EMR disebabkan oleh perubahan medan magnet tempatan. Kedua-dua proses untuk menghasilkan medan EMR elektrik dan magnet mempunyai pergantungan yang berbeza pada jarak daripada medan elektrik dan magnet dipol medan dekat. Itulah sebabnya medan EM jenis EMR menjadi dominan dalam kuasa "jauh" dari sumber. Istilah "jauh dari sumber" merujuk kepada seberapa jauh dari sumber (bergerak pada kelajuan cahaya) mana-mana bahagian medan EM yang bergerak ke luar terletak, pada saat arus sumber diubah oleh potensi sumber yang berbeza-beza, dan Oleh itu, sumber telah mula menghasilkan medan EM yang bergerak keluar dari fasa yang berbeza. [ rujukan diperlukan ]

Pandangan EMR yang lebih padat adalah bahawa medan jauh yang menyusun EMR secara amnya adalah bahagian medan EM yang menempuh jarak yang cukup jauh dari sumber, sehingga medan jauh terputus dari sebarang maklum balas terhadap caj dan arus yang pada mulanya bertanggungjawab untuk ia. Sekarang bebas dari caj sumber, medan EM, ketika bergerak lebih jauh, hanya bergantung pada pecutan caj yang menghasilkannya. Ini tidak lagi mempunyai hubungan kuat dengan bidang langsung caj, atau dengan kecepatan caj (arus). [ rujukan diperlukan ]

Dalam rumusan potensial Liénard – Wiechert dari medan elektrik dan magnet kerana pergerakan zarah tunggal (menurut persamaan Maxwell), istilah yang berkaitan dengan pecutan zarah adalah yang bertanggungjawab untuk bahagian medan yang dianggap sebagai radiasi elektromagnetik. Sebaliknya, istilah yang berkaitan dengan medan elektrik statik yang berubah dan istilah magnetik yang dihasilkan dari halaju sekata zarah, kedua-duanya dikaitkan dengan medan dekat elektromagnetik, dan tidak merangkumi sinaran EM. [ rujukan diperlukan ]

Edit Properties

Elektrodinamik adalah fizik sinaran elektromagnetik, dan elektromagnetisme adalah fenomena fizikal yang berkaitan dengan teori elektrodinamik. Medan elektrik dan magnet mematuhi sifat superposisi. Oleh itu, medan yang disebabkan oleh zarah atau medan elektrik atau magnet yang berbeza-beza masa menyumbang kepada medan yang terdapat di ruang yang sama kerana sebab lain. Selanjutnya, kerana ia adalah medan vektor, semua vektor medan magnet dan elektrik bertambah bersamaan dengan penambahan vektor. [13] Sebagai contoh, dalam optik dua atau lebih gelombang cahaya yang koheren dapat berinteraksi dan dengan gangguan konstruktif atau merosakkan menghasilkan penyinaran yang dihasilkan yang menyimpang dari jumlah penyinaran komponen gelombang cahaya individu. [ rujukan diperlukan ]

Medan elektromagnetik cahaya tidak dipengaruhi oleh perjalanan melalui medan elektrik atau magnet statik dalam medium linear seperti vakum. Namun, dalam media tidak linier, seperti beberapa kristal, interaksi boleh berlaku antara medan elektrik dan magnet cahaya dan statik — interaksi ini merangkumi kesan Faraday dan kesan Kerr. [14] [15]

Dalam pembiasan, gelombang yang melintasi dari satu medium ke medium lain dengan ketumpatan berbeza mengubah kelajuan dan arahnya ketika memasuki medium baru. Nisbah indeks bias media menentukan tahap pembiasan, dan diringkaskan oleh hukum Snell. Cahaya panjang gelombang komposit (cahaya matahari semula jadi) menyebar ke dalam spektrum yang dapat dilihat melalui sebuah prisma, kerana indeks biasan yang bergantung pada panjang gelombang dari bahan prisma (penyebaran) iaitu, setiap gelombang komponen dalam cahaya komposit dibengkokkan dengan jumlah yang berbeza. [16]

Sinaran EM menunjukkan sifat gelombang dan sifat zarah pada masa yang sama (lihat dualitas gelombang-zarah). Kedua-dua ciri gelombang dan zarah telah disahkan dalam banyak eksperimen. Ciri-ciri gelombang lebih jelas apabila radiasi EM diukur pada skala waktu yang agak besar dan jarak yang jauh sementara ciri-ciri zarah lebih jelas ketika mengukur skala waktu dan jarak kecil. Contohnya, apabila sinaran elektromagnetik diserap oleh jirim, sifat seperti zarah akan lebih jelas apabila jumlah purata foton dalam kubus panjang gelombang yang relevan jauh lebih kecil daripada 1. Tidak begitu sukar untuk memerhatikan pemendapan tidak seragam secara eksperimen tenaga ketika cahaya diserap, namun ini bukan bukti tingkah laku "partikulat". Sebaliknya, ia menggambarkan sifat kuantum perkara. [17] Menunjukkan bahawa cahaya itu sendiri dikuantisasi, bukan hanya interaksinya dengan jirim, adalah urusan yang lebih halus.

Beberapa eksperimen memperlihatkan sifat gelombang dan partikel gelombang elektromagnetik, seperti gangguan diri dari satu foton. [18] Apabila satu foton dihantar melalui interferometer, ia melewati kedua jalur, mengganggu dirinya sendiri, seperti gelombang, namun dikesan oleh fotomultiplier atau pengesan sensitif lain hanya sekali.

Teori kuantum mengenai interaksi antara sinaran elektromagnetik dan bahan seperti elektron dijelaskan oleh teori elektrodinamik kuantum.

Gelombang elektromagnetik dapat terpolarisasi, dipantulkan, dibiaskan, difraksi atau saling mengganggu antara satu sama lain. [19] [20] [21]

Model gelombang Edit

Dalam media isotropik yang homogen, sinaran elektromagnetik adalah gelombang melintang, [22] yang bermaksud bahawa ayunannya tegak lurus terhadap arah pemindahan dan perjalanan tenaga. Bahagian elektrik dan magnet medan berdiri dalam nisbah kekuatan tetap untuk memuaskan dua persamaan Maxwell yang menentukan bagaimana satu dihasilkan dari yang lain. Dalam media tanpa disipasi (tanpa kerugian), ini E dan B medan juga dalam fasa, dengan keduanya mencapai maksimum dan minimum pada titik yang sama di ruang angkasa (lihat ilustrasi). Kesalahpahaman umum [ rujukan diperlukan ] adakah itu E dan B medan dalam radiasi elektromagnetik berada di luar fasa kerana perubahan satu menghasilkan yang lain, dan ini akan menghasilkan perbezaan fasa di antara mereka sebagai fungsi sinusoidal (seperti yang berlaku dalam aruhan elektromagnetik, dan di medan dekat dengan antena). Walau bagaimanapun, dalam sinaran EM medan jauh yang dijelaskan oleh dua persamaan operator Maxwell curl bebas sumber, penerangan yang lebih tepat adalah bahawa perubahan masa dalam satu jenis medan sebanding dengan perubahan ruang di bidang yang lain. Derivatif ini memerlukan bahawa E dan B bidang dalam EMR berada dalam fasa (lihat bahagian matematik di bawah). [ rujukan diperlukan ]

Aspek penting dari sifat cahaya adalah kekerapannya. Frekuensi gelombang adalah kadar ayunannya dan diukur dalam hertz, unit frekuensi SI, di mana satu hertz sama dengan satu ayunan per saat. Cahaya biasanya mempunyai banyak frekuensi yang berjumlah membentuk gelombang yang dihasilkan. Frekuensi yang berlainan mengalami sudut pembiasan yang berlainan, fenomena yang dikenali sebagai penyebaran.

Gelombang monokromatik (gelombang frekuensi tunggal) terdiri dari palung dan puncak berturut-turut, dan jarak antara dua puncak atau palung bersebelahan disebut panjang gelombang. Gelombang spektrum elektromagnetik berukuran berbeza, dari gelombang radio yang sangat panjang lebih panjang daripada benua hingga sinar gamma yang sangat pendek yang lebih kecil daripada inti atom. Frekuensi berkadar songsang dengan panjang gelombang, mengikut persamaan: [23]

di mana v adalah kelajuan gelombang (c dalam keadaan hampa atau kurang di media lain), f ialah frekuensi dan λ adalah panjang gelombang. Ketika gelombang melintasi sempadan antara media yang berbeza, kelajuannya berubah tetapi frekuensi mereka tetap berterusan.

Gelombang elektromagnetik di ruang bebas mestilah penyelesaian persamaan gelombang elektromagnetik Maxwell. Dua kelas penyelesaian utama diketahui, iaitu gelombang satah dan gelombang sfera. Gelombang satah dapat dilihat sebagai kes had gelombang sfera pada jarak yang sangat besar (idealnya tidak terbatas) dari sumbernya. Kedua-dua jenis gelombang boleh mempunyai bentuk gelombang yang merupakan fungsi waktu sewenang-wenang (asalkan dapat dibezakan dengan cukup untuk menyesuaikan diri dengan persamaan gelombang). Seperti fungsi waktu, ini dapat diuraikan dengan analisis Fourier ke dalam spektrum frekuensi, atau komponen sinusoidal individu, masing-masing mengandungi satu frekuensi, amplitud dan fasa. Gelombang komponen seperti itu dikatakan monokromatik. Gelombang elektromagnetik monokromatik dapat dicirikan oleh frekuensi atau panjang gelombang, amplitud puncaknya, fasa relatif terhadap beberapa fasa rujukan, arah perambatannya, dan polarisasi.

Gangguan adalah superposisi dua atau lebih gelombang yang menghasilkan corak gelombang baru. Sekiranya medan mempunyai komponen dalam arah yang sama, mereka mengganggu secara konstruktif, sementara arah yang berlawanan menyebabkan gangguan yang merosakkan. Contoh gangguan yang disebabkan oleh EMR adalah gangguan elektromagnetik (EMI) atau yang lebih dikenali sebagai, gangguan frekuensi radio (RFI). [ rujukan diperlukan ] Selain itu, pelbagai isyarat polarisasi dapat digabungkan (iaitu terganggu) untuk membentuk keadaan polarisasi baru, yang dikenali sebagai generasi keadaan polarisasi selari. [24]

Tenaga dalam gelombang elektromagnetik kadang-kadang dipanggil tenaga berseri. [25] [26] [27]

Model zarah dan teori kuantum

Anomali timbul pada akhir abad ke-19 yang melibatkan percanggahan antara teori gelombang cahaya dan pengukuran spektrum elektromagnetik yang dipancarkan oleh radiator termal yang dikenali sebagai badan hitam. Ahli fizik bergelut dengan masalah ini tidak berjaya selama bertahun-tahun. Ia kemudian dikenali sebagai bencana ultraviolet. Pada tahun 1900, Max Planck mengembangkan teori baru mengenai radiasi badan hitam yang menjelaskan spektrum yang diperhatikan. Teori Planck didasarkan pada idea bahawa badan hitam memancarkan cahaya (dan radiasi elektromagnetik lain) hanya sebagai ikatan atau paket tenaga yang diskrit. Paket-paket ini disebut quanta. Pada tahun 1905, Albert Einstein mencadangkan agar kuanta cahaya dianggap sebagai zarah sebenar. Kemudian zarah cahaya diberi nama foton, sesuai dengan zarah-zarah lain yang dijelaskan pada masa ini, seperti elektron dan proton. Foton mempunyai tenaga, E, berkadar dengan kekerapannya, f, oleh

di mana h ialah pemalar Planck, λ < displaystyle lambda> adalah panjang gelombang dan c adalah kelajuan cahaya. Ini kadang-kadang dikenali sebagai persamaan Planck – Einstein. [28] Dalam teori kuantum (lihat kuantisasi pertama) tenaga foton berkadar langsung dengan frekuensi gelombang EMR. [29]

Begitu juga dengan momentum hlm foton juga berkadar dengan frekuensi dan berkadar sebaliknya dengan panjang gelombang:

Sumber cadangan Einstein bahawa cahaya terdiri daripada zarah (atau boleh bertindak sebagai zarah dalam beberapa keadaan) adalah anomali eksperimen yang tidak dijelaskan oleh teori gelombang: kesan fotolistrik, di mana cahaya yang menyerang permukaan logam mengeluarkan elektron dari permukaan, menyebabkan arus elektrik mengalir merentasi voltan terpakai. Pengukuran eksperimental menunjukkan bahawa tenaga elektron yang dikeluarkan individu berkadar dengan kekerapan, bukannya intensiti, cahaya. Selanjutnya, di bawah frekuensi minimum tertentu, yang bergantung pada logam tertentu, arus tidak akan mengalir tanpa mengira intensiti. Pemerhatian ini nampaknya bertentangan dengan teori gelombang, dan selama bertahun-tahun ahli fizik berusaha sia-sia untuk mencari penjelasan. Pada tahun 1905, Einstein menjelaskan teka-teki ini dengan menghidupkan semula teori zarah cahaya untuk menjelaskan kesan yang diperhatikan. Oleh kerana kelebihan bukti yang menyokong teori gelombang, idea Einstein pada awalnya dipenuhi dengan keraguan besar di kalangan ahli fizik yang mapan. Akhirnya penjelasan Einstein diterima kerana tingkah laku cahaya seperti partikel baru diperhatikan, seperti kesan Compton. [ rujukan diperlukan ] [30]

Oleh kerana foton diserap oleh atom, ia mengujakan atom, menaikkan elektron ke tahap tenaga yang lebih tinggi (yang rata-rata lebih jauh dari nukleus). Apabila elektron dalam molekul atau atom teruja turun ke tahap tenaga yang lebih rendah, ia memancarkan foton cahaya pada frekuensi yang sepadan dengan perbezaan tenaga. Oleh kerana tahap tenaga elektron dalam atom adalah diskrit, setiap elemen dan setiap molekul memancarkan dan menyerap frekuensi ciri tersendiri. Pelepasan foton segera disebut pendarfluor, sejenis cahaya cahaya. Contohnya ialah cahaya kelihatan yang dipancarkan dari cat pendarfluor, sebagai tindak balas terhadap ultraviolet (cahaya hitam). Banyak pelepasan pendarfluor lain dikenali dalam jalur spektrum selain cahaya yang dapat dilihat. Pelepasan yang tertunda disebut fosforensi. [31] [32]

Dual gelombang – partikel Edit

Teori moden yang menjelaskan sifat cahaya merangkumi pengertian dualitas gelombang – partikel. Secara umum, teori ini menyatakan bahawa semuanya mempunyai sifat partikel dan sifat gelombang, dan pelbagai eksperimen dapat dilakukan untuk mengeluarkan satu atau yang lain. Sifat zarah lebih mudah dilihat menggunakan objek dengan jisim yang besar. Usulan berani oleh Louis de Broglie pada tahun 1924 menyebabkan komuniti saintifik menyedari bahawa jirim (mis. Elektron) juga menunjukkan dualitas gelombang – partikel. [33]

Kesan gelombang dan zarah sinaran elektromagnetik

Bersama-sama, kesan gelombang dan zarah menjelaskan spektrum pelepasan dan penyerapan sinaran EM. Bahan-komposisi medium di mana cahaya bergerak menentukan sifat spektrum penyerapan dan pelepasan. Jalur ini sesuai dengan tahap tenaga yang dibenarkan dalam atom. Jalur gelap dalam spektrum penyerapan disebabkan oleh atom dalam medium yang berselang antara sumber dan pemerhati. Atom menyerap frekuensi cahaya tertentu antara pemancar dan pengesan / mata, kemudian memancarkannya ke semua arah. Jalur gelap muncul ke pengesan, disebabkan oleh sinaran yang tersebar keluar dari pancaran. Sebagai contoh, jalur gelap dalam cahaya yang dipancarkan oleh bintang jauh disebabkan oleh atom di atmosfera bintang. Fenomena serupa berlaku untuk pelepasan, yang dilihat ketika gas pemancar menyala kerana pengujaan atom dari mekanisme apa pun, termasuk panas. Ketika elektron turun ke tahap tenaga yang lebih rendah, spektrum dipancarkan yang mewakili lonjakan antara tahap tenaga elektron, tetapi garis dilihat kerana sekali lagi pelepasan berlaku hanya pada tenaga tertentu setelah pengujaan. [34] Contohnya ialah spektrum pelepasan nebula. [ rujukan diperlukan ] Elektron yang bergerak pantas dipercepat dengan tajam ketika mereka menemui kawasan daya, sehingga mereka bertanggung jawab untuk menghasilkan banyak sinaran elektromagnetik frekuensi tertinggi yang diperhatikan di alam.

Fenomena ini dapat membantu pelbagai penentuan kimia untuk komposisi gas yang menyala dari belakang (spektrum penyerapan) dan untuk gas bercahaya (spektrum pelepasan). Spektroskopi (contohnya) menentukan unsur kimia apa yang terdiri daripada bintang tertentu. Spektroskopi juga digunakan dalam penentuan jarak bintang, menggunakan pergeseran merah. [35]

Kelajuan penyebaran Edit

Apabila sebarang wayar (atau objek pengalir lain seperti antena) melakukan arus bolak-balik, sinaran elektromagnetik disebarkan pada frekuensi yang sama dengan arus. Dalam banyak situasi seperti itu, adalah mungkin untuk mengenal pasti momen dipol elektrik yang timbul dari pemisahan cas kerana potensi elektrik yang menarik, dan momen dipol ini bergejolak mengikut masa, ketika cas bergerak berulang-alik. Getaran ini pada frekuensi tertentu menimbulkan perubahan medan elektrik dan magnet, yang kemudian mengatur radiasi elektromagnetik bergerak. [ rujukan diperlukan ]

Pada tahap kuantum, sinaran elektromagnetik dihasilkan apabila paket gelombang zarah bermuatan berayun atau sebaliknya memecut. Zarah-zarah yang diisi dalam keadaan pegun tidak bergerak, tetapi superposisi keadaan seperti itu dapat mengakibatkan keadaan peralihan yang mempunyai momen dipol elektrik yang berayun pada waktunya. Momen dipol berayun ini bertanggungjawab untuk fenomena peralihan radiasi antara keadaan kuantum zarah yang dicas. Keadaan seperti itu berlaku (misalnya) pada atom apabila foton dipancarkan ketika atom beralih dari satu keadaan pegun ke keadaan yang lain. [ rujukan diperlukan ]

Sebagai gelombang, cahaya dicirikan oleh halaju (kelajuan cahaya), panjang gelombang, dan frekuensi. Sebagai zarah, cahaya adalah aliran foton. Masing-masing mempunyai tenaga yang berkaitan dengan frekuensi gelombang yang diberikan oleh hubungan Planck E = hf, di mana E adalah tenaga foton, h ialah pemalar Planck, 6,626 × 10 −34 J · s, dan f ialah kekerapan gelombang. [36]

Satu peraturan dipatuhi tanpa mengira keadaan: Sinaran EM dalam vakum bergerak pada kelajuan cahaya, relatif kepada pemerhati, tanpa mengira halaju pemerhati. (Pemerhatian ini menyebabkan Einstein mengembangkan teori relativiti khas.) [ rujukan diperlukan ] Dalam medium (selain vakum), faktor halaju atau indeks biasan dipertimbangkan, bergantung pada frekuensi dan aplikasi. Kedua-duanya adalah nisbah kelajuan dalam medium hingga kelajuan dalam vakum. [ rujukan diperlukan ]

Teori relativiti khas Edit

Menjelang akhir abad kesembilan belas, pelbagai anomali eksperimen tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang sederhana. Salah satu anomali ini melibatkan kontroversi mengenai kelajuan cahaya. Kelajuan cahaya dan EMR lain yang diramalkan oleh persamaan Maxwell tidak muncul kecuali persamaan diubah dengan cara yang pertama kali disarankan oleh FitzGerald dan Lorentz (lihat sejarah relativiti khas), atau jika tidak, kelajuan itu bergantung pada kelajuan pemerhati "medium" (disebut aether bercahaya) yang kononnya "membawa" gelombang elektromagnetik (dengan cara yang serupa dengan cara udara membawa gelombang bunyi). Percubaan gagal menemui kesan pemerhati.Pada tahun 1905, Einstein mengusulkan bahawa ruang dan waktu tampak sebagai entiti yang berubah-ubah untuk penyebaran cahaya dan semua proses dan undang-undang lain. Perubahan ini menyumbang kepada keteguhan kecepatan cahaya dan semua radiasi elektromagnetik, dari sudut pandang semua pemerhati — bahkan yang bergerak secara relatif.

Sinaran elektromagnetik dengan panjang gelombang selain cahaya yang dapat dilihat ditemui pada awal abad ke-19. Penemuan radiasi inframerah disebabkan oleh ahli astronomi William Herschel, yang menerbitkan hasilnya pada tahun 1800 sebelum Royal Society of London. [37] Herschel menggunakan prisma kaca untuk membiaskan cahaya dari Matahari dan mengesan sinar tak terlihat yang menyebabkan pemanasan melampaui bahagian merah spektrum, melalui peningkatan suhu yang direkodkan dengan termometer. Ini "sinar kalori" kemudian disebut inframerah. [38]

Pada tahun 1801, ahli fizik Jerman Johann Wilhelm Ritter menemui ultraviolet dalam eksperimen yang serupa dengan Herschel, menggunakan cahaya matahari dan prisma kaca. Ritter menyatakan bahawa sinar yang tidak kelihatan di dekat tepi ungu spektrum suria yang tersebar oleh prisma segitiga menyusun klorida perak gelap lebih cepat daripada cahaya violet yang berdekatan. Eksperimen Ritter adalah pendahulu awal untuk apa yang akan menjadi fotografi. Ritter menyatakan bahawa sinar ultraviolet (yang pada awalnya disebut "sinar kimia") mampu menyebabkan reaksi kimia. [39]

Pada tahun 1862–64 James Clerk Maxwell mengembangkan persamaan untuk medan elektromagnetik yang menunjukkan bahawa gelombang di lapangan akan bergerak dengan kecepatan yang sangat dekat dengan kelajuan cahaya yang diketahui. Oleh itu, Maxwell mencadangkan bahawa cahaya yang dapat dilihat (serta sinar inframerah dan ultraviolet yang tidak dapat dilihat oleh kesimpulan) semuanya terdiri daripada gangguan penyebaran (atau radiasi) di medan elektromagnetik. Gelombang radio pertama kali dihasilkan dengan sengaja oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887, menggunakan litar elektrik yang dikira untuk menghasilkan ayunan pada frekuensi yang jauh lebih rendah daripada cahaya yang dapat dilihat, mengikuti resipi untuk menghasilkan cas berayun dan arus yang disarankan oleh persamaan Maxwell. Hertz juga mengembangkan cara untuk mengesan gelombang ini, dan menghasilkan dan mencirikan apa yang kemudian disebut gelombang radio dan gelombang mikro. [40]: 286,7

Wilhelm Röntgen menemui dan menamakan sinar-X. Setelah bereksperimen dengan voltan tinggi yang dikenakan pada tiub yang dipindahkan pada 8 November 1895, dia melihat pendarfluor pada piring kaca bersalut berdekatan. Dalam satu bulan, dia menemui sifat utama sinar-X. [40]: 307

Bahagian terakhir dari spektrum EM yang dapat ditemui dikaitkan dengan radioaktiviti. Henri Becquerel mendapati bahawa garam uranium menyebabkan kabut pelat fotografi yang tidak terpapar melalui kertas penutup dengan cara yang serupa dengan sinar-X, dan Marie Curie mendapati bahawa hanya unsur-unsur tertentu yang memancarkan sinar tenaga ini, segera menemui sinaran radium yang kuat. Sinaran dari pitchblende dibezakan menjadi sinar alpha (partikel alpha) dan sinar beta (partikel beta) oleh Ernest Rutherford melalui eksperimen sederhana pada tahun 1899, tetapi ini terbukti sebagai jenis radiasi partikulat bermuatan. Namun, pada tahun 1900 saintis Perancis Paul Villard menemui jenis radiasi ketiga yang bermuatan netral dan sangat menembus dari radium, dan setelah dia menerangkannya, Rutherford menyedari bahawa ia mesti merupakan jenis radiasi ketiga, yang pada tahun 1903 Rutherford menamakan sinar gamma. Pada tahun 1910 ahli fizik Britain William Henry Bragg menunjukkan bahawa sinar gamma adalah sinaran elektromagnetik, bukan zarah, dan pada tahun 1914 Rutherford dan Edward Andrade mengukur panjang gelombang mereka, mendapati bahawa mereka serupa dengan sinar-X tetapi dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan frekuensi yang lebih tinggi, walaupun 'silang -over 'antara sinar X dan gamma memungkinkan untuk mempunyai sinar-X dengan tenaga yang lebih tinggi (dan dengan itu panjang gelombang yang lebih pendek) daripada sinar gamma dan sebaliknya. Asal sinar membezakannya, sinar gamma cenderung merupakan fenomena semula jadi yang berasal dari nukleus atom yang tidak stabil dan sinar-X dihasilkan secara elektrik (dan oleh itu buatan manusia) kecuali jika ia disebabkan oleh radiasi X bremsstrahlung yang disebabkan oleh interaksi zarah bergerak pantas (seperti zarah beta) bertembung dengan bahan tertentu, biasanya dengan bilangan atom yang lebih tinggi. [40]: 308,9

EUV = Ekstrim-ultraviolet
NUV = Hampir ultraviolet

NIR = Dekat inframerah
MIR = Inframerah pertengahan
FIR = inframerah jauh

Sinaran EM (sebutan 'radiasi' tidak termasuk medan elektrik dan magnet statik dan berdekatan) diklasifikasikan berdasarkan panjang gelombang menjadi radio, gelombang mikro, inframerah, kelihatan, ultraviolet, sinar-X dan sinar gamma. Gelombang elektromagnetik sewenang-wenang dapat dinyatakan dengan analisis Fourier dari segi gelombang monokromatik sinusoidal, yang pada gilirannya masing-masing dapat diklasifikasikan ke dalam wilayah spektrum EMR ini.

Untuk kelas gelombang EM tertentu, bentuk gelombang diperlakukan sebagai rawak, dan kemudian analisis spektral mesti dilakukan dengan teknik matematik yang sedikit berbeza sesuai dengan proses rawak atau stokastik. Dalam kes seperti itu, komponen frekuensi individu ditunjukkan dalam bentuknya kuasa kandungan, dan maklumat fasa tidak disimpan. Perwakilan seperti itu disebut ketumpatan spektrum daya dari proses rawak. Radiasi elektromagnetik rawak yang memerlukan analisis semacam ini, misalnya, dijumpai di bahagian dalam bintang, dan dalam bentuk radiasi jalur lebar tertentu yang lain seperti medan gelombang titik sifar vakum elektromagnetik.

Tingkah laku sinaran EM dan interaksinya dengan jirim bergantung pada frekuensi, dan berubah secara kualitatif apabila frekuensi berubah. Frekuensi yang lebih rendah mempunyai panjang gelombang yang lebih panjang, dan frekuensi yang lebih tinggi mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek, dan dikaitkan dengan foton dengan tenaga yang lebih tinggi. Tidak ada had asas yang diketahui untuk panjang gelombang atau tenaga ini, di kedua-dua hujung spektrum, walaupun foton dengan tenaga berhampiran tenaga Planck atau melampauinya (terlalu tinggi untuk diperhatikan) akan memerlukan teori fizikal baru untuk dijelaskan.

Radio dan gelombang mikro Edit

Gelombang radio mempunyai jumlah tenaga paling sedikit dan frekuensi terendah. Apabila gelombang radio menyerang konduktor, mereka berpasangan dengan konduktor, bergerak di sepanjangnya dan menyebabkan arus elektrik di permukaan konduktor dengan menggerakkan elektron bahan pengalir dalam sekumpulan cas yang berkaitan. Kesan sedemikian dapat merangkumi jarak makroskopik pada konduktor (seperti antena radio), kerana panjang gelombang gelombang radio panjang.

Fenomena radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang antara satu meter hingga sesingkat satu milimeter disebut gelombang mikro dengan frekuensi antara 300 MHz (0.3 GHz) dan 300 GHz.

Pada frekuensi radio dan gelombang mikro, EMR berinteraksi dengan bahan sebahagian besarnya sebagai pengumpulan caj pukal yang tersebar di sebilangan besar atom yang terjejas. Dalam konduktor elektrik, pergerakan cas pukal (arus elektrik) yang disebabkan seperti ini mengakibatkan penyerapan EMR, atau pemisahan cas yang menyebabkan penghasilan EMR baru (pantulan berkesan EMR). Contohnya ialah penyerapan atau pelepasan gelombang radio oleh antena, atau penyerapan gelombang mikro oleh air atau molekul lain dengan momen dipol elektrik, seperti di dalam ketuhar gelombang mikro. Interaksi ini menghasilkan sama ada arus elektrik atau panas, atau kedua-duanya.

Edit Inframerah

Seperti radio dan gelombang mikro, inframerah (IR) juga dipantulkan oleh logam (dan juga kebanyakan EMR, jauh ke julat ultraviolet). Walau bagaimanapun, tidak seperti radio frekuensi rendah dan radiasi gelombang mikro, EMR inframerah biasanya berinteraksi dengan dipol yang terdapat dalam molekul tunggal, yang berubah apabila atom bergetar di hujung ikatan kimia tunggal. Akibatnya diserap oleh pelbagai zat, menyebabkan mereka meningkat suhu ketika getaran hilang sebagai panas. Proses yang sama, dijalankan secara terbalik, menyebabkan bahan-bahan pukal memancar di inframerah secara spontan (lihat bahagian radiasi termal di bawah).

Sinaran inframerah dibahagikan kepada subkawasan spektrum. Walaupun terdapat skema pembahagian yang berbeza, [41] [42] spektrum biasanya dibahagikan sebagai inframerah dekat (0,75-1,4 μm), inframerah panjang gelombang pendek (1,4-3 μm), inframerah panjang gelombang pertengahan (3-8 μm), panjang gelombang panjang inframerah (8–15 μm) dan inframerah jauh (15–1000 μm). [43]

Cahaya yang kelihatan

Sumber semula jadi menghasilkan sinaran EM di seluruh spektrum. Sinaran EM dengan panjang gelombang antara kira-kira 400 nm dan 700 nm secara langsung dikesan oleh mata manusia dan dianggap sebagai cahaya yang dapat dilihat. Panjang gelombang lain, terutamanya inframerah berdekatan (lebih lama daripada 700 nm) dan ultraviolet (lebih pendek daripada 400 nm) juga kadang-kadang disebut sebagai cahaya.

Apabila frekuensi meningkat ke julat yang dapat dilihat, foton mempunyai cukup tenaga untuk mengubah struktur ikatan beberapa molekul individu. Bukan kebetulan bahawa ini terjadi dalam jarak yang dapat dilihat, kerana mekanisme penglihatan melibatkan perubahan ikatan satu molekul tunggal, retina, yang menyerap satu foton. Perubahan retina, menyebabkan perubahan bentuk protein rhodopsin di dalamnya, yang memulakan proses biokimia yang menyebabkan retina mata manusia merasakan cahaya.

Fotosintesis menjadi mungkin dalam julat ini juga, dengan alasan yang sama. Satu molekul klorofil teruja oleh satu foton. Dalam tisu tumbuhan yang melakukan fotosintesis, karotenoid bertindak untuk memadamkan klorofil teruja secara elektronik yang dihasilkan oleh cahaya yang kelihatan dalam proses yang disebut pelindapkejutan bukan fotokimia, untuk mencegah reaksi yang sebaliknya mengganggu fotosintesis pada tahap cahaya tinggi.

Haiwan yang mengesan inframerah menggunakan sebungkus kecil air yang mengubah suhu, pada dasarnya proses termal yang melibatkan banyak foton.

Inframerah, gelombang mikro dan gelombang radio diketahui merosakkan molekul dan tisu biologi hanya dengan pemanasan pukal, bukan pengujaan dari foton tunggal radiasi.

Cahaya yang dapat dilihat hanya mampu mempengaruhi sebilangan kecil molekul sahaja. Biasanya tidak secara kekal atau merosakkan, sebaliknya foton mengujakan elektron yang kemudian memancarkan foton lain ketika kembali ke kedudukan asalnya. Ini adalah sumber warna yang dihasilkan oleh kebanyakan pewarna. Retinal adalah pengecualian. Apabila foton diserap, retina secara kekal mengubah struktur dari cis ke trans, dan memerlukan protein untuk menukarnya kembali, iaitu menetapkannya semula agar dapat berfungsi sebagai pengesan cahaya lagi.

Bukti terhad menunjukkan bahawa beberapa spesies oksigen reaktif diciptakan oleh cahaya yang kelihatan pada kulit, dan bahawa ini mungkin mempunyai peranan dalam pemotretan, dengan cara yang sama seperti ultraviolet A. [44]

Sunting Ultraviolet

Apabila frekuensi meningkat ke ultraviolet, foton kini membawa tenaga yang cukup (kira-kira tiga volt elektron atau lebih) untuk membangkitkan molekul terikat ganda menjadi penyusunan semula bahan kimia kekal. Dalam DNA, ini menyebabkan kerosakan yang berpanjangan. DNA juga secara tidak langsung dirosakkan oleh spesies oksigen reaktif yang dihasilkan oleh ultraviolet A (UVA), yang mempunyai tenaga yang terlalu rendah untuk merosakkan DNA secara langsung. Inilah sebabnya mengapa ultraviolet pada semua panjang gelombang dapat merosakkan DNA, dan mampu menyebabkan barah, dan (untuk UVB) luka bakar kulit (selaran matahari) yang jauh lebih buruk daripada yang akan dihasilkan oleh kesan pemanasan sederhana (kenaikan suhu). Sifat ini menyebabkan kerosakan molekul yang tidak sebanding dengan kesan pemanasan, adalah ciri semua EMR dengan frekuensi pada jarak cahaya yang kelihatan dan ke atas. Sifat EMR frekuensi tinggi ini disebabkan oleh kesan kuantum yang merosakkan bahan dan tisu secara kekal pada tahap molekul. [ rujukan diperlukan ]

Pada hujung julat ultraviolet yang lebih tinggi, tenaga foton menjadi cukup besar untuk memberikan tenaga yang cukup kepada elektron sehingga menyebabkannya dibebaskan dari atom, dalam proses yang disebut photoionisation. Tenaga yang diperlukan untuk ini selalu lebih besar daripada sekitar 10 volt elektron (eV) yang sepadan dengan panjang gelombang yang lebih kecil daripada 124 nm (beberapa sumber menunjukkan pemotongan 33 eV yang lebih realistik, iaitu tenaga yang diperlukan untuk mengionkan air). Hujung spektrum ultraviolet yang tinggi ini dengan tenaga dalam jarak pengionan yang hampir, kadang-kadang disebut "UV yang melampau." UV pengionan ditapis dengan kuat oleh atmosfera Bumi. [ rujukan diperlukan ]

X-ray dan sinar gamma Edit

Sinaran elektromagnetik yang terdiri daripada foton yang membawa tenaga pengionan minimum, atau lebih, (yang merangkumi keseluruhan spektrum dengan panjang gelombang yang lebih pendek), oleh itu disebut sebagai sinaran pengion. (Banyak jenis sinaran pengion lain dibuat daripada zarah bukan EM). Sinaran pengion jenis elektromagnetik meluas dari ultraviolet ekstrem ke semua frekuensi yang lebih tinggi dan panjang gelombang yang lebih pendek, yang bermaksud bahawa semua sinar-X dan sinar gamma memenuhi syarat. Ini boleh menjadi jenis kerosakan molekul yang paling parah, yang boleh berlaku dalam biologi ke mana-mana jenis biomolekul, termasuk mutasi dan barah, dan sering pada kedalaman yang besar di bawah kulit, sejak akhir spektrum sinar-X yang lebih tinggi, dan semua dari spektrum sinar gamma, menembusi jirim.

Sebilangan besar sinar UV dan sinar-X disekat oleh penyerapan terlebih dahulu dari nitrogen molekul, dan kemudian (untuk panjang gelombang di UV atas) dari pengujaan elektronik oksigen dan akhirnya ozon pada jarak pertengahan UV. Hanya 30% cahaya ultraviolet Matahari yang sampai ke tanah, dan hampir semua ini dapat disebarkan dengan baik.

Cahaya yang dapat dilihat disebarkan dengan baik di udara, kerana tidak cukup bertenaga untuk membangkitkan nitrogen, oksigen, atau ozon, tetapi terlalu bertenaga untuk membangkitkan frekuensi getaran molekul wap air. [ rujukan diperlukan ]

Jalur penyerapan pada inframerah disebabkan oleh mod pengujaan getaran pada wap air. Walau bagaimanapun, pada tenaga yang terlalu rendah untuk membangkitkan wap air, suasananya menjadi telus sekali lagi, yang membolehkan penghantaran gelombang mikro dan gelombang radio bebas secara percuma. [ rujukan diperlukan ]

Akhirnya, pada panjang gelombang radio lebih dari 10 meter atau lebih (sekitar 30 MHz), udara di atmosfera bawah tetap telus ke radio, tetapi plasma di lapisan ionosfera tertentu mula berinteraksi dengan gelombang radio (lihat gelombang langit). Properti ini membolehkan beberapa panjang gelombang lebih panjang (100 meter atau 3 MHz) dipantulkan dan menghasilkan radio gelombang pendek di luar jarak pandang. Walau bagaimanapun, kesan ionosfera tertentu mula menyekat gelombang radio yang masuk dari angkasa, apabila frekuensi mereka kurang dari sekitar 10 MHz (panjang gelombang lebih lama daripada kira-kira 30 meter). [45]

Struktur asas jirim melibatkan zarah bermuatan yang diikat bersama. Apabila sinaran elektromagnetik mempengaruhi bahan, ia menyebabkan zarah-zarah yang terisi berayun dan memperoleh tenaga. Nasib utama tenaga ini bergantung pada konteksnya. Ini dapat segera dipancarkan kembali dan muncul sebagai radiasi yang tersebar, dipantulkan, atau dipancarkan. Ia mungkin hilang ke gerakan mikroskopik lain dalam masalah ini, datang ke keseimbangan terma dan menampakkan dirinya sebagai tenaga termal, atau bahkan tenaga kinetik, dalam bahan tersebut. Dengan beberapa pengecualian yang berkaitan dengan foton bertenaga tinggi (seperti pendarfluor, penjanaan harmonik, tindak balas fotokimia, kesan fotovoltaik untuk sinaran pengion pada sinaran ultraviolet, sinar-X dan gamma jauh), sinaran elektromagnetik yang diserap hanya menyetorkan tenaganya dengan memanaskan bahan . Ini berlaku untuk sinaran gelombang inframerah, gelombang mikro dan radio. Gelombang radio yang kuat dapat membakar tisu hidup secara termal dan dapat memasak makanan. Selain laser inframerah, laser yang dapat dilihat dan ultraviolet yang cukup kuat dapat dengan mudah membakar kertas. [46] [ rujukan diperlukan ]

Sinaran pengionan menghasilkan elektron berkelajuan tinggi dalam bahan dan memutuskan ikatan kimia, tetapi setelah elektron ini bertembung berkali-kali dengan atom lain akhirnya sebahagian besar tenaga menjadi tenaga termal dalam sepersekian detik. Proses ini menjadikan sinaran pengion jauh lebih berbahaya per unit tenaga daripada radiasi bukan pengion. Peringatan ini juga berlaku untuk UV, walaupun hampir semua itu tidak mengion, kerana UV dapat merosakkan molekul akibat pengujaan elektronik, yang jauh lebih besar per unit tenaga daripada kesan pemanasan. [46] [ rujukan diperlukan ]

Sinaran inframerah dalam penyebaran spektrum badan hitam biasanya dianggap sebagai bentuk panas, kerana mempunyai suhu yang setara dan dikaitkan dengan perubahan entropi per unit tenaga terma. Walau bagaimanapun, "haba" adalah istilah teknikal dalam fizik dan termodinamik dan sering dikelirukan dengan tenaga terma. Segala jenis tenaga elektromagnetik dapat diubah menjadi tenaga terma dalam interaksi dengan jirim. Oleh itu, ada sinaran elektromagnetik dapat "memanaskan" (dalam arti peningkatan suhu tenaga termal) suatu bahan, apabila diserap. [47]

Proses penyerapan terbalik atau terbalik masa adalah sinaran terma. Sebilangan besar tenaga terma dalam jirim terdiri daripada gerakan zarah bermuatan secara rawak, dan tenaga ini dapat dipancarkan dari jirim. Sinaran yang dihasilkan kemudiannya dapat diserap oleh bahan lain, dengan tenaga yang disimpan memanaskan bahan. [48]

Sinaran elektromagnetik dalam rongga legap pada keseimbangan terma secara efektif adalah bentuk tenaga terma, yang mempunyai entropi radiasi maksimum. [49]

Bioelektromagnetik adalah kajian mengenai interaksi dan kesan sinaran EM pada organisma hidup. Kesan radiasi elektromagnetik pada sel hidup, termasuk pada manusia, bergantung pada daya dan frekuensi radiasi. Untuk sinaran frekuensi rendah (gelombang radio ke cahaya yang dapat dilihat) kesan yang paling baik difahami adalah disebabkan oleh daya radiasi sahaja, bertindak melalui pemanasan ketika radiasi diserap. Untuk kesan terma ini, frekuensi penting kerana mempengaruhi intensiti sinaran dan penembusan ke dalam organisma (contohnya, gelombang mikro menembusi lebih baik daripada inframerah). Telah diterima secara meluas bahawa medan frekuensi rendah yang terlalu lemah untuk menyebabkan pemanasan yang ketara tidak mungkin mempunyai kesan biologi. [50]

Walaupun ada hasil yang diterima umum, beberapa penelitian telah dilakukan untuk menunjukkan yang lebih lemah bukan terma medan elektromagnetik, (termasuk medan magnet ELF yang lemah, walaupun yang terakhir tidak memenuhi syarat sebagai radiasi EM [50] [51] [52]), dan medan RF dan gelombang mikro yang dimodulasi mempunyai kesan biologi. [53] [54] [55] Mekanisme asas interaksi antara bahan biologi dan medan elektromagnetik pada tahap bukan terma tidak difahami sepenuhnya. [50]

Organisasi Kesihatan Sedunia telah mengklasifikasikan radiasi elektromagnetik frekuensi radio sebagai Kumpulan 2B - mungkin karsinogenik. [56] [57] Kumpulan ini mengandungi kemungkinan karsinogen seperti plumbum, DDT, dan styrene. Sebagai contoh, kajian epidemiologi yang mencari hubungan antara penggunaan telefon bimbit dan perkembangan barah otak, sebahagian besarnya tidak dapat disimpulkan, kecuali untuk menunjukkan bahawa kesannya, jika ada, tidak boleh menjadi besar.

Pada frekuensi yang lebih tinggi (kelihatan dan di luar), kesan foton individu mula menjadi penting, kerana sekarang ini mempunyai cukup tenaga secara individu untuk secara langsung atau tidak langsung merosakkan molekul biologi. [58] Semua frekuensi UV telah diklasifikasikan sebagai karsinogen Kumpulan 1 oleh Pertubuhan Kesihatan Sedunia. Sinaran ultraviolet dari pendedahan cahaya matahari adalah penyebab utama barah kulit. [59] [60]

Oleh itu, pada frekuensi UV dan lebih tinggi (dan mungkin juga berada dalam julat yang dapat dilihat), [44] sinaran elektromagnetik lebih banyak merosakkan sistem biologi daripada ramalan pemanasan sederhana. Ini paling jelas pada ultraviolet "jauh" (atau "ekstrim"). UV, dengan sinar-X dan sinaran gamma, disebut sebagai sinaran pengion kerana kemampuan foton radiasi ini untuk menghasilkan ion dan radikal bebas dalam bahan (termasuk tisu hidup). Oleh kerana radiasi sedemikian boleh merosakkan nyawa pada tahap tenaga yang menghasilkan sedikit pemanasan, ia dianggap jauh lebih berbahaya (dari segi kerosakan yang dihasilkan per unit tenaga, atau tenaga) daripada spektrum elektromagnetik yang lain.

Gunakan sebagai senjata Edit

Sinar haba adalah aplikasi EMR yang menggunakan frekuensi gelombang mikro untuk mewujudkan kesan pemanasan yang tidak menyenangkan di lapisan atas kulit. Senjata sinar panas yang diketahui umum yang disebut Sistem Penolakan Aktif dikembangkan oleh tentera AS sebagai senjata eksperimen untuk menolak akses musuh ke suatu kawasan. [61] [62] Sinar kematian adalah senjata teori yang memberikan sinar haba berdasarkan tenaga elektromagnetik pada tahap yang mampu mencederakan tisu manusia. Seorang penemu sinar kematian, Harry Grindell Matthews, mengaku kehilangan penglihatan di mata kirinya ketika mengerjakan senjata sinar kematiannya berdasarkan magnetron gelombang mikro dari tahun 1920-an (ketuhar gelombang mikro biasa menghasilkan tisu yang merosakkan kesan memasak di dalam ketuhar di sekitar 2 kV / m). [63]

Gelombang elektromagnetik diramalkan oleh undang-undang klasik elektrik dan magnet, yang dikenali sebagai persamaan Maxwell. Terdapat penyelesaian tidak biasa mengenai persamaan Maxwell yang homogen (tanpa caj atau arus), yang menerangkan ombak menukar medan elektrik dan magnet. Bermula dengan persamaan Maxwell di ruang kosong:


16.1 Persamaan Maxwell dan Gelombang Elektromagnetik

James Clerk Maxwell (1831–1879) adalah salah satu penyumbang utama fizik pada abad kesembilan belas (Gambar 16.2). Walaupun dia mati muda, dia memberikan sumbangan besar dalam pengembangan teori kinetik gas, untuk memahami penglihatan warna, dan sifat cincin Saturnus. Dia mungkin paling terkenal kerana telah menggabungkan pengetahuan sedia ada mengenai undang-undang elektrik dan magnet dengan pandangannya sendiri mengenai teori elektromagnetik menyeluruh, yang diwakili oleh persamaan Maxwell.

Pembetulan Maxwell terhadap Undang-undang Elektrik dan Magnetisme

Empat undang-undang asas elektrik dan magnet telah dijumpai secara eksperimental melalui karya ahli fizik seperti Oersted, Coulomb, Gauss, dan Faraday. Maxwell menemui ketidakkonsistenan logik dalam hasil sebelumnya dan mengenal pasti ketidaklengkapan undang-undang Ampere sebagai penyebabnya.

Ingatlah bahawa menurut undang-undang Ampère, gabungan medan magnet di sekitar gelung tertutup C berkadaran dengan arus Saya melalui permukaan yang sempadannya adalah gelung C sendiri:

Terdapat banyak permukaan yang dapat dilekatkan pada gelung mana pun, dan undang-undang Ampère yang dinyatakan dalam Persamaan 16.1 tidak bergantung pada pilihan permukaan.

Pertimbangkan susunan dalam Rajah 16.3. Sumber emf disambungkan secara tiba-tiba melintasi kapasitor plat selari sehingga arus bergantung pada masa Saya berkembang dalam wayar. Anggaplah kita menggunakan undang-undang Ampère untuk mengulangi C ditunjukkan pada masa sebelum kapasitor diisi penuh, sehingga saya ≠ 0 I ≠ 0. Permukaan S 1 S 1 memberikan nilai bukan sifar untuk arus tertutup Saya, sedangkan permukaan S 2 S 2 memberikan sifar untuk arus tertutup kerana tidak ada arus yang melaluinya:

Jelas, undang-undang Ampère dalam bentuk biasa tidak berfungsi di sini. Ini mungkin tidak menghairankan, kerana undang-undang Ampere seperti yang diterapkan dalam bab-bab sebelumnya memerlukan arus yang stabil, sedangkan arus dalam eksperimen ini berubah dengan waktu dan sama sekali tidak stabil.

Bagaimana undang-undang Ampère dapat diubah sehingga ia berfungsi dalam semua keadaan? Maxwell mencadangkan untuk memasukkan sumbangan tambahan, yang disebut arus sesaran I d I d, kepada arus sebenar Saya,

di mana arus anjakan ditakrifkan sebagai

Arus perpindahan adalah serupa dengan arus nyata dalam undang-undang Ampère, memasuki hukum Ampere dengan cara yang sama. Namun, ia dihasilkan oleh medan elektrik yang berubah. Ini menyumbang medan elektrik yang berubah menghasilkan medan magnet, sama seperti arus sebenar, tetapi arus sesaran dapat menghasilkan medan magnet walaupun tidak ada arus nyata. Apabila istilah tambahan ini disertakan, persamaan undang-undang Ampere yang diubah menjadi

dan bebas dari permukaan S melalui mana arus Saya diukur.

Kita sekarang dapat memeriksa versi undang-undang Ampère yang diubah suai ini untuk mengesahkan bahawa ia tidak bergantung pada apakah permukaan S 1 S 1 atau permukaan S 2 S 2 dalam Gambar 16.3 dipilih. Medan elektrik E → E → sepadan dengan fluks Φ E Φ E dalam Persamaan 16.3 berada di antara plat kapasitor. Oleh itu, medan E → E → dan arus anjakan melalui permukaan S 1 S 1 kedua-duanya sifar, dan Persamaan 16.2 mengambil bentuk

Undang-undang Gauss untuk cas elektrik memerlukan permukaan tertutup dan biasanya tidak dapat diterapkan ke permukaan seperti S 1 S 1 sahaja atau S 2 S 2 sahaja. Tetapi kedua permukaan S 1 S 1 dan S 2 S 2 membentuk permukaan tertutup pada Gambar 16.3 dan dapat digunakan dalam hukum Gauss. Kerana medan elektrik adalah sifar pada S 1 S 1, sumbangan fluks melalui S 1 S 1 adalah sifar. Ini memberi kita

Oleh itu, kita dapat menggantikan kamiran di atas S 2 S 2 dalam Persamaan 16.6 dengan permukaan Gaussian tertutup S 1 + S 2 S 1 + S 2 dan menerapkan undang-undang Gauss untuk mendapatkan

Contoh 16.1

Arus pemindahan dalam kapasitor pengecasan

Strategi

Penyelesaian

Persamaan Maxwell

Dengan pembetulan arus sesaran, persamaan Maxwell akan terbentuk

Setelah medan dikira menggunakan empat persamaan ini, persamaan daya Lorentz

Persamaan Maxwell

1. Undang-undang Gauss

Fluks elektrik melalui permukaan tertutup sama dengan cas elektrik Q di Q dalam tertutup oleh permukaan. Undang-undang Gauss [Persamaan 16.7] menerangkan hubungan antara cas elektrik dan medan elektrik yang dihasilkannya. Ini sering digambarkan dari segi garis medan elektrik yang berasal dari cas positif dan berakhir pada cas negatif, dan menunjukkan arah medan elektrik pada setiap titik di ruang.

2. Undang-undang Gauss untuk daya tarikan

Fluks medan magnet melalui permukaan tertutup adalah sifar [Persamaan 16.8]. Ini setara dengan pernyataan bahawa garis medan magnet berterusan, tidak mempunyai permulaan atau akhir. Segala garis medan magnet yang memasuki kawasan yang ditutup oleh permukaan juga mesti meninggalkannya. Tidak ada monopol magnetik, di mana garis medan magnet akan berakhir, diketahui ada (lihat Medan dan Garisan Magnetik).

3. Undang-undang Faraday

Medan magnet yang berubah mendorong daya elektromotif (emf) dan, dengan itu, medan elektrik. Arah emf menentang perubahan. Persamaan Maxwell yang ketiga ini, Persamaan 16.9, adalah undang-undang induksi Faraday dan termasuk hukum Lenz. Medan elektrik dari medan magnet yang berubah mempunyai garis medan yang membentuk gelung tertutup, tanpa permulaan atau akhir.

4. Undang-undang Ampère-Maxwell

Medan magnet dihasilkan dengan bergerak cas atau dengan menukar medan elektrik. Persamaan Maxwell keempat ini, Persamaan 16.10, merangkumi undang-undang Ampère dan menambahkan sumber medan magnet lain, iaitu menukar medan elektrik.

Persamaan Maxwell dan undang-undang gaya Lorentz bersama-sama merangkumi semua undang-undang elektrik dan daya tarikan. Simetri yang diperkenalkan Maxwell ke dalam kerangka matematiknya mungkin tidak jelas. Undang-undang Faraday menerangkan bagaimana menukar medan magnet menghasilkan medan elektrik. Arus sesaran yang diperkenalkan oleh Maxwell bukan daripada medan elektrik yang berubah dan menyumbang untuk medan elektrik yang berubah menghasilkan medan magnet. Persamaan untuk kesan kedua-dua medan elektrik yang berubah dan medan magnet yang berubah berbeza dalam bentuk hanya apabila ketiadaan monopol magnet menyebabkan istilah hilang. Simetri antara kesan perubahan medan magnet dan elektrik sangat penting dalam menerangkan sifat gelombang elektromagnetik.

Kemudian penerapan teori relativiti Einstein terhadap teori Maxwell yang lengkap dan simetri menunjukkan bahawa daya elektrik dan magnet tidak terpisah tetapi merupakan manifestasi yang berbeza dari perkara yang sama - daya elektromagnetik. Daya elektromagnetik dan daya nuklear yang lemah juga disatukan sebagai daya elektroweak. Penyatuan kekuatan ini telah menjadi salah satu motivasi untuk usaha menyatukan keempat-empat kekuatan dasar di alam ini - daya nuklear graviti, elektrik, kuat, dan lemah (lihat Fizik dan Kosmologi Partikel).

Mekanisme Penyebaran Gelombang Elektromagnetik

Pada bahagian seterusnya, kami menunjukkan dengan lebih tepat istilah matematik bagaimana persamaan Maxwell membawa kepada ramalan gelombang elektromagnetik yang dapat bergerak melalui angkasa tanpa medium bahan, menyiratkan kelajuan gelombang elektromagnetik sama dengan kelajuan cahaya.

Sebelum kerja Maxwell, eksperimen telah menunjukkan bahawa cahaya adalah fenomena gelombang, walaupun sifat gelombang belum diketahui. Pada tahun 1801, Thomas Young (1773–1829) menunjukkan bahawa ketika seberkas cahaya dipisahkan oleh dua celah sempit dan kemudian digabungkan semula, satu corak yang terbuat dari pinggiran terang dan gelap dibentuk di layar. Young menjelaskan tingkah laku ini dengan menganggap bahawa cahaya terdiri dari gelombang yang ditambahkan secara konstruktif pada beberapa titik dan merosakkan pada yang lain (lihat Gangguan). Selanjutnya, Jean Foucault (1819–1868), dengan pengukuran kecepatan cahaya di berbagai media, dan Augustin Fresnel (1788–1827), dengan eksperimen terperinci yang melibatkan gangguan dan difraksi cahaya, memberikan bukti konklusif lebih lanjut bahawa cahaya adalah gelombang. Oleh itu, cahaya dikenali sebagai gelombang, dan Maxwell telah meramalkan adanya gelombang elektromagnetik yang bergerak pada kelajuan cahaya. Kesimpulannya tidak dapat dihindari: Cahaya mestilah suatu bentuk sinaran elektromagnetik. Tetapi teori Maxwell menunjukkan bahawa panjang gelombang dan frekuensi lain daripada cahaya mungkin untuk gelombang elektromagnetik. Dia menunjukkan bahawa radiasi elektromagnetik dengan sifat asas yang sama dengan cahaya kelihatan harus ada pada frekuensi apa pun. Tinggal bagi yang lain untuk menguji, dan mengesahkan, ramalan ini.

Apabila emf melintasi kapasitor dihidupkan dan kapasitor dibebankan untuk dicas, bilakah medan magnet yang disebabkan oleh arus sesaran mempunyai magnitud terbesar?

Pemerhatian Hertz

Ahli fizik Jerman Heinrich Hertz (1857–1894) adalah yang pertama menghasilkan dan mengesan jenis gelombang elektromagnetik tertentu di makmal. Bermula pada tahun 1887, dia melakukan serangkaian eksperimen yang tidak hanya mengesahkan adanya gelombang elektromagnetik tetapi juga mengesahkan bahawa mereka bergerak dengan kecepatan cahaya.

Hertz menggunakan arus ulang-alik RLC (resistor-induktor-kapasitor) litar yang bergema pada frekuensi yang diketahui f 0 = 1 2 π L C f 0 = 1 2 π L C dan menghubungkannya ke gelung wayar, seperti yang ditunjukkan pada Rajah 16.5. Voltan tinggi yang disebabkan oleh jurang dalam gelung menghasilkan percikan api yang merupakan bukti arus yang dapat dilihat dalam litar dan membantu menghasilkan gelombang elektromagnetik.

Di seberang makmal, Hertz meletakkan gelung lain yang melekat pada yang lain RLC litar, yang dapat disetel (sebagai dail di radio) ke frekuensi resonan yang sama dengan yang pertama dan dengan demikian dapat dibuat untuk menerima gelombang elektromagnetik. Gelung ini juga mempunyai celah di mana percikan api dihasilkan, memberikan bukti kukuh bahawa gelombang elektromagnetik telah diterima.

Hertz juga mengkaji pola pantulan, pembiasan, dan gangguan gelombang elektromagnetik yang dihasilkannya, mengesahkan watak gelombang mereka. Dia dapat menentukan panjang gelombang dari corak gangguan, dan mengetahui frekuensi mereka, dia dapat mengira kecepatan perambatan menggunakan persamaan v = f λ v = f λ, di mana v adalah kelajuan gelombang, f ialah frekuensi, dan λ λ adalah panjang gelombangnya. Oleh itu, Hertz dapat membuktikan bahawa gelombang elektromagnetik bergerak pada kelajuan cahaya. Unit SI untuk frekuensi, hertz (1 Hz = 1 cycle / s 1 Hz = 1 cycle / s), dinamakan sebagai penghormatannya.

Mungkinkah medan elektrik semata-mata merambat sebagai gelombang melalui vakum tanpa medan magnet? Benarkan jawapan anda.


Teori Kuantum Sinaran Elektromagnetik Kimia

Dalam kuliah ini, anda akan belajar mengenai Sinaran Elektromagnetik dan Teori Kuantum. Tenaga pengajar kami akan memulakan perjalanan dengan Gelombang dan Karakteristiknya, bermula dengan konsep utama seperti Amplitud, Palung, Puncak, Panjang Gelombang, Frekuensi, dan Kecepatan sebagai Kelajuan Cahaya). Kemudian, anda akan merangkumi Sinaran Elektromagnetik seperti Sinaran Gamma, Sinar X, Cahaya Terlihat, Inframerah, dan Gelombang Radio. Anda kemudian akan belajar mengenai Spectra dan Spectroscopy sebelum melihat Spektrum Atom Hidrogen dari segi Spektrum Pelepasan dan Spektrum Penyerapannya. Setelah merangkumi Rydberg Formula, anda akan melihat Planck's Quantum Theory with Black Body Radiation dan Quanta sebelum memahami Kesan Fotolistrik. Kemudian akan menjadi Teori Bohr tentang Atom Hidrogen dengan Keadaan Bawah dan Negara Teruja. Profesor Goldwhite meneruskan Heisenberg dan Prinsip Ketidakpastian sebelum merangkumi De Broglie dan Gelombang Alam Partikel. Akhir sekali, anda akan belajar mengenai nombor Kuantum seperti Nombor Kuantum Pertama, Nombor Kuantum Pertama, Nombor Kuantum m1, dan Nombor Kuantum Spin sebelum merangkumi Prinsip Pauli.


9.1: Cahaya: Sinaran Elektromagnetik - Matematik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang membawa tenaga oleh variasi medan elektrik dan magnet. Sinaran inframerah, cahaya yang dapat dilihat, dan sinaran ultraviolet adalah contoh gelombang elektromagnetik.

Cahaya yang dapat dilihat

Cahaya yang dapat dilihat didefinisikan sebagai bentuk sinaran elektromagnetik atau panjang gelombang yang dapat dilihat oleh mata manusia. Lampu yang kelihatan dihasilkan oleh api dan tiub pelepasan. Panjang gelombang cahaya yang kelihatan berkisar antara 4 ( kali ) 10 -7 m hingga 8 ( kali ) 10 -7 m. Cahaya panjang gelombang yang dapat dilihat adalah cahaya merah dengan 8 ( kali ) dan panjang gelombang cahaya yang kelihatan pendek berwarna ungu dengan 4 ( kali ) 10 -7 m. Julat frekuensi cahaya yang dapat dilihat antara 400 hingga 790 THz. Cahaya yang boleh dilihat digunakan dalam komunikasi.

Sinaran inframerah

Ia adalah bentuk radiasi elektromagnet yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Panjang gelombang sinaran inframerah berkisar antara 10 -5 m hingga 5 ( kali ) 10 -3 m. Kita tidak dapat melihat sinaran inframerah tetapi kita dapat merasakannya kerana panasnya. Julat frekuensi sinaran inframerah antara 430THz hingga 300GHz. Inframerah digunakan dalam penglihatan malam di mana cahaya tidak mencukupi. Ini juga digunakan dalam pengesanan, pemanasan, dan komunikasi. Matahari juga menghasilkan sinaran inframerah. Kita tidak dapat melihatnya kerana tidak kelihatan tetapi kita merasa panas atau panas kerana sinaran inframerah matahari ketika kita berada di bawah sinar matahari.

Gelombang radio

Gelombang radio adalah sejenis sinaran elektromagnetik. Ini digunakan secara meluas dalam komunikasi, di televisyen, telefon bimbit, radio, dll. Ia digunakan dalam pengiriman data dalam bentuk kode. Dalam bentuk radar, digunakan juga untuk mengirimkan isyarat dan mengambil pantulan mereka dari objek di jalan mereka. Ia mempunyai panjang gelombang terpanjang di antara semua spektrum elektromagnetik. Panjang gelombang gelombang radio berkisar antara 10 -4 m hingga 5 ( kali ) 10 4 m. Ia dihasilkan oleh ayunan elektrik dan dikesan oleh penerima radio atau litar yang serupa. Kekerapan gelombang radio berkisar antara 300GHz hingga 3Hz.

Radiasi ultra ungu
Sinar X dan & sinar gamma
Perbezaan antara sinar ultraviolet dan sinar-x
Sinar ultraviolet X-ray
Panjang gelombang purata dan frekuensi masing-masing adalah 10 -8 dan 10 15 Hz. Panjang gelombang purata dan frekuensi masing-masing adalah 10 -10 dan 10 18 Hz.
Ia diperoleh dari cahaya matahari, tiub cahaya dll. Ia diperoleh dengan mesin sinar-x.
Perbezaan antara sinar ultraviolet dan sinar inframerah.

Sinar ultraviolet Sinar inframerah
Kekerapannya tinggi. Kekerapannya rendah.
Mereka mempunyai lebih banyak tenaga. Mereka kurang bertenaga.
Mereka berbahaya. Mereka tidak berbahaya.

Affordances food-truck SpaceTeam unicorn mengganggu menyatukan pengaturcaraan pasangan virus dek data besar dek prototaip intuitif intuitif bayangan panjang. Penggodam responsif didorong oleh intuitif

Jacob Sims

Prototaip pemimpin pemikiran intuitif intuitif personas parallax paradigma bayangan panjang yang melibatkan paradigma dana unicorn SpaceTeam.

Kelly Dewitt

Air terjun yang didorong oleh penggodam responsif begitu 2000 dan modal usaha kortado yang intuitif. Melibatkan trak makanan mengintegrasikan pengaturcaraan pasangan intuitif Steve Jobs reka bentuk yang berpusatkan manusia sebagai pemikir-pembuat-doer.

Affordances food-truck SpaceTeam unicorn mengganggu menyatukan pengaturcaraan pasangan virus dek data besar dek prototaip intuitif intuitif bayangan panjang. Penggodam responsif didorong oleh intuitif

Luke Smith

Unicorn mengganggu menyatukan pengaturcaraan pasangan virus dek data besar dek prototaip intuitif intuitif bayangan panjang. Penggodam responsif didorong oleh intuitif


Konsep gelombang dan medan elektromagnetik

Faraday memperkenalkan konsep medan kekuatan dan medan garis kekuatan yang wujud di luar badan material. Seperti yang dijelaskannya, wilayah di sekitar dan di luar magnet atau muatan elektrik mengandungi medan yang menggambarkan di mana-mana lokasi daya yang dialami oleh magnet kecil atau muatan yang diletakkan di sana. Garis-garis kekuatan di sekitar magnet dapat dilihat dengan menggunakan besi yang disemprotkan pada kertas yang dipegang di atas magnet. Konsep medan, menentukan seperti melakukan tindakan atau kekuatan tertentu di mana-mana lokasi di angkasa, adalah kunci untuk memahami fenomena elektromagnetik. Perlu disebutkan secara kurung bahawa konsep lapangan juga memainkan (dalam pelbagai bentuk) peranan penting dalam teori zarah dan daya moden.

Selain memperkenalkan konsep kekuatan garis medan elektrik dan magnet yang penting ini, Faraday memiliki pandangan luar biasa bahawa tindakan elektrik dan magnet tidak disebarkan seketika tetapi setelah jeda waktu tertentu, yang meningkat dengan jarak dari sumbernya. Lebih-lebih lagi, dia menyedari hubungan antara magnet dan cahaya setelah memerhatikan bahawa suatu bahan seperti kaca dapat memutarkan satah polarisasi cahaya dengan adanya medan magnet. Fenomena luar biasa ini dikenali sebagai kesan Faraday.

Seperti yang dinyatakan di atas, Maxwell merumuskan teori kuantitatif yang menghubungkan fenomena asas elektrik dan magnet dan yang meramalkan gelombang elektromagnetik menyebar dengan kecepatan, yang, serta yang dapat ditentukan pada masa itu, sama dengan kecepatan cahaya. Dia menyimpulkan makalahnya "On the Physical Lines of Force" (1861-62) dengan mengatakan bahawa elektrik dapat disebarkan melalui ruang dengan sifat yang serupa dengan cahaya. Pada tahun 1864 Maxwell menulis bahawa faktor numerik yang menghubungkan unit elektrostatik dan magnet sangat dekat dengan kelajuan cahaya dan hasil ini "menunjukkan bahawa cahaya dan daya tarikan adalah kesan dari bahan yang sama, dan cahaya itu adalah gangguan elektromagnetik yang disebarkan melalui medan menurut undang-undang elektromagnetiknya. "

Apa lagi yang diperlukan untuk meyakinkan masyarakat saintifik bahawa misteri cahaya diselesaikan dan fenomena elektrik dan magnetisme disatukan dalam teori besar? Mengapakah 25 tahun lagi diperlukan teori Maxwell diterima? Pertama, terdapat sedikit bukti langsung mengenai teori baru. Tambahan pula, Maxwell tidak hanya mengadopsi formalisme yang rumit tetapi juga menjelaskan pelbagai aspeknya dengan konsep mekanik yang tidak biasa. Walaupun dia menyatakan bahawa semua frasa tersebut harus dianggap sebagai ilustratif dan bukan sebagai penjelasan, ahli matematik Perancis Henri Poincaré menyatakan pada tahun 1899 bahawa "struktur rumit" yang dihubungkan oleh Maxwell kepada eter "menjadikan sistemnya aneh dan tidak menarik."

Idea Faraday dan Maxwell bahawa bidang kekuatan mempunyai kewujudan fizikal di ruang bebas dari media material terlalu baru untuk diterima tanpa bukti langsung. Di Benua, khususnya di Jerman, masalah semakin rumit dengan kejayaan Carl Friedrich Gauss dan Wilhelm Eduard Weber dalam mengembangkan teori medan yang berpotensi untuk fenomena elektrostatik dan magnetostatik dan usaha berterusan mereka untuk memperluas formalisme ini ke elektrodinamik.

Adalah sukar di belakang untuk menghargai keengganan untuk menerima teori Faraday – Maxwell. Kebuntuan akhirnya dihilangkan oleh karya Hertz. Pada tahun 1884 Hertz memperoleh teori Maxwell dengan kaedah baru dan memasukkan persamaan asasnya ke dalam bentuk masa kini. Dengan berbuat demikian, dia menjelaskan persamaan, menjadikan simetri medan elektrik dan magnet jelas. Ahli fizik Jerman Arnold Sommerfeld bercakap untuk kebanyakan rakannya yang terpelajar ketika, setelah membaca makalah Hertz, dia menyatakan, "warna jatuh dari mata saya," dan mengakui bahawa dia memahami teori elektromagnetik untuk pertama kalinya. Empat tahun kemudian, Hertz memberikan sumbangan besar kedua: dia berjaya menghasilkan sinaran elektromagnetik frekuensi radio dan gelombang mikro, mengukur kelajuannya dengan kaedah gelombang berdiri dan membuktikan bahawa gelombang ini mempunyai sifat pantulan, difraksi, pembiasan, dan gangguan yang biasa ke cahaya. Dia menunjukkan bahawa gelombang elektromagnetik seperti itu dapat terpolarisasi, bahawa medan elektrik dan magnet berayun ke arah yang saling tegak lurus dan melintang ke arah gerakan, dan halaju mereka sama dengan kelajuan cahaya, seperti yang diramalkan oleh teori Maxwell.

Eksperimen cerdik Hertz tidak hanya menyelesaikan salah tanggapan teori yang menyokong teori medan elektromagnetik Maxwell, tetapi juga membuka jalan untuk membangun pemancar, antena, kabel sepaksi, dan pengesan untuk radiasi elektromagnetik frekuensi radio. Pada tahun 1896 Marconi menerima paten pertama untuk telegraf tanpa wayar, dan pada tahun 1901 dia mencapai komunikasi radio transatlantik.

Teori Faraday – Maxwell – Hertz mengenai radiasi elektromagnetik, yang biasanya disebut sebagai teori Maxwell, tidak merujuk kepada media di mana gelombang elektromagnetik menyebarkan. Gelombang seperti ini dihasilkan, misalnya, apabila garis cas bergerak ke belakang dan ke belakang. Caj bergerak mewakili arus elektrik. Dalam gerakan bolak-balik ini, arus mengalir ke satu arah dan kemudian ke arah yang lain. Akibat daripada pembalikan arah arus ini, medan magnet di sekitar arus (ditemui oleh Ørsted dan Ampère) harus membalikkan arahnya. Medan magnet yang berubah-ubah masa menghasilkan tegak lurus dengan medan elektrik yang berbeza-beza waktu, seperti yang ditemui oleh Faraday (hukum induksi Faraday). Medan elektrik dan magnet yang berbeza-beza masa ini tersebar dari sumbernya, arus berayun, pada kelajuan cahaya di ruang bebas. Arus berayun dalam perbincangan ini adalah arus berayun dalam antena pemancar, dan medan elektrik dan magnet yang berbeza-beza waktu yang saling tegak lurus satu sama lain menyebarkan pada kelajuan cahaya dan merupakan gelombang elektromagnetik. Kekerapannya ialah cas berayun di antena. Setelah dijana, ia merebak sendiri kerana medan elektrik yang berubah-ubah masa menghasilkan medan magnet yang berbeza-beza dengan waktu, dan sebaliknya. Sinaran elektromagnetik bergerak melalui ruang dengan sendirinya. Kepercayaan akan kewujudan medium eter, pada waktu Maxwell sama kuatnya dengan zaman Plato dan Aristoteles. Mustahil untuk memvisualisasikan eter kerana sifat yang bertentangan harus dikaitkan dengannya untuk menjelaskan fenomena yang diketahui pada waktu tertentu. Dalam artikelnya Ether dalam edisi kesembilan Encyclopædia Britannica, Maxwell menggambarkan hamparan zat yang luas, ada di antaranya mungkin di dalam planet, dibawa bersama atau melewatinya sebagai "air laut melewati jaring jaring ketika ditarik bersama kapal."

Sekiranya seseorang percaya pada eter, tentu saja sangat penting untuk mengukur kelajuan pergerakannya atau kesan pergerakannya pada kelajuan cahaya. Seseorang tidak mengetahui halaju mutlak eter, tetapi, ketika Bumi bergerak melalui orbitnya mengelilingi Matahari, pasti ada perbezaan dalam kecepatan eter sepanjang dan tegak lurus dengan pergerakan Bumi yang sama dengan kelajuannya. Sekiranya demikian, halaju cahaya dan sinaran elektromagnetik lain sepanjang dan tegak lurus dengan pergerakan Bumi, boleh diramalkan Maxwell, berbeza dengan pecahan yang sama dengan kuadrat nisbah halaju Bumi dengan cahaya. Pecahan ini adalah satu bahagian dalam 100 juta.

Michelson berangkat untuk mengukur kesan ini dan, seperti yang dinyatakan di atas, dirancang untuk tujuan ini interferometer yang digambarkan dalam Gambar 4. Sekiranya diandaikan bahawa interferometer dipusingkan sehingga separuh rasuk A berorientasikan selari dengan gerakan Bumi dan separuh balok B tegak lurus dengannya, maka idea untuk menggunakan instrumen ini untuk mengukur kesan pergerakan eter dijelaskan dengan baik oleh kata-kata Michelson kepada anak-anaknya:

Dua pancaran cahaya berlumba satu sama lain, seperti dua perenang, satu berjuang di hulu dan ke belakang, sementara yang lain, yang menempuh jarak yang sama, hanya menyeberangi sungai dan kembali. Perenang kedua akan selalu menang, jika ada arus di sungai.

Versi interferometer yang diperbaiki, di mana setiap balok setengah melintasi jalannya lapan kali sebelum keduanya disatukan semula untuk gangguan, dibina pada tahun 1887 oleh Michelson bekerjasama dengan Morley. Papak batu pasir berat yang memegang interferometer dilayang di kolam merkuri untuk membolehkan putaran tanpa getaran. Michelson dan Morley tidak dapat mengesan perbezaan dalam dua halaju selari dan tegak lurus dengan pergerakan Bumi hingga ketepatan satu bahagian dalam empat bilion. Hasil negatif ini, bagaimanapun, tidak menghancurkan kepercayaan akan adanya eter kerana eter itu mungkin dapat diseret bersama Bumi dan dengan demikian tidak bergerak di sekitar alat Michelson-Morley. Rumusan teori Maxwell oleh Hertz menjelaskan bahawa tidak diperlukan medium apa pun untuk penyebaran sinaran elektromagnetik. Walaupun begitu, eksperimen ether-drift terus dilakukan hingga sekitar pertengahan tahun 1920-an. Semua ujian tersebut mengesahkan hasil negatif Michelson, dan para saintis akhirnya menerima idea bahawa tidak diperlukan media eter untuk radiasi elektromagnetik.


Kandungan

Dalam makalahnya pada tahun 1865 yang bertajuk A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, James Clerk Maxwell menggunakan pembetulan terhadap undang-undang peredaran Ampere yang telah dibuatnya di bahagian III dari kertas 1861nya mengenai Physical Lines of Force. Dalam Bahagian VI daripada kertas 1864 berjudul Teori Cahaya Elektromagnetik, [2] Maxwell menggabungkan arus sesaran dengan beberapa persamaan elektromagnetisme lain dan dia memperoleh persamaan gelombang dengan kelajuan sama dengan kelajuan cahaya. Dia mengulas:

Kesepakatan hasil nampaknya menunjukkan bahawa cahaya dan kemagnetan adalah kesan zat yang sama, dan cahaya itu adalah gangguan elektromagnetik yang disebarkan melalui medan menurut undang-undang elektromagnetik. [3]

Derivasi Maxwell dari persamaan gelombang elektromagnetik telah digantikan dalam pendidikan fizik moden dengan kaedah yang jauh lebih tidak membebankan yang melibatkan penggabungan versi undang-undang peredaran Ampere yang diperbetulkan dengan hukum induksi Faraday.

Untuk mendapatkan persamaan gelombang elektromagnetik dalam vakum menggunakan kaedah moden, kita mulakan dengan yang moden 'Bentuk Heaviside dari persamaan Maxwell. Dalam ruang vakum dan bebas caj, persamaan ini adalah:

Ini adalah persamaan Maxwell umum yang dikhaskan untuk kes dengan caj dan arus kedua-duanya ditetapkan menjadi sifar. Mengambil persamaan curl curl memberikan:

di mana V adalah sebarang fungsi vektor ruang. Dan

di mana ∇V adalah dyadic yang apabila dikendalikan oleh operator divergence ⋅ ⋅ menghasilkan vektor. Sejak

maka istilah pertama di sebelah kanan dalam identiti hilang dan kami memperoleh persamaan gelombang:

adalah kelajuan cahaya di ruang bebas.

Persamaan relativistik ini boleh ditulis dalam bentuk kontravarian sebagai

Persamaan gelombang elektromagnetik diubah dalam dua cara, derivatif digantikan dengan derivatif kovarian dan istilah baru yang bergantung pada kelengkungan muncul.

Generalisasi keadaan tolok Lorenz dalam jangka masa melengkung diandaikan:

Cas dan kepadatan arus yang berbeza-beza mengikut waktu tempatan dapat bertindak sebagai sumber gelombang elektromagnetik dalam keadaan hampa. Persamaan Maxwell boleh ditulis dalam bentuk persamaan gelombang dengan sumber. Penambahan sumber pada persamaan gelombang menjadikan persamaan pembezaan separa tidak homogen.

Penyelesaian umum untuk persamaan gelombang elektromagnetik adalah superposisi linear bentuk gelombang

untuk hampir ada fungsi berperilaku baik g argumen tanpa dimensi φ, di mana ω adalah frekuensi sudut (dalam radian sesaat), dan k = (kx, ky, kzadalah vektor gelombang (dalam radian per meter).

Walaupun fungsi g boleh dan sering merupakan gelombang sinus monokromatik, ia tidak harus sinusoidal, atau bahkan berkala. Dalam praktiknya, g tidak boleh mempunyai berkala yang tidak terhingga kerana gelombang elektromagnetik yang sebenarnya mesti mempunyai tahap masa dan ruang yang terhad. Akibatnya, dan berdasarkan teori penguraian Fourier, gelombang nyata mesti terdiri dari superposisi sekumpulan frekuensi sinusoidal yang tidak terbatas.

Di samping itu, untuk penyelesaian yang sah, vektor gelombang dan frekuensi sudut tidak bebas, mereka mesti mematuhi hubungan penyebaran:

di mana k adalah bilangan gelombang dan λ adalah panjang gelombang. Pemboleh ubah c hanya dapat digunakan dalam persamaan ini apabila gelombang elektromagnetik dalam keadaan hampa.

Sunting keadaan stabil monokromatik, sinusoidal

Set penyelesaian paling mudah untuk persamaan gelombang terhasil daripada mengandaikan bentuk gelombang sinusoidal satu frekuensi dalam bentuk yang dapat dipisahkan:

Penyelesaian gelombang satah Edit

Pertimbangkan satah yang ditentukan oleh unit vektor normal

Kemudian penyelesaian gelombang perjalanan persamaan gelombang adalah

di mana r = (x, y, zadalah vektor kedudukan (dalam meter).

Penyelesaian ini mewakili gelombang satah yang bergerak ke arah vektor normal n . Sekiranya kita menentukan arah z sebagai arah n . dan arah x sebagai arah E , kemudian oleh Hukum Faraday medan magnet terletak pada arah y dan berkaitan dengan medan elektrik oleh hubungannya

Kerana perbezaan medan elektrik dan magnet adalah sifar, tidak ada medan ke arah perambatan.

Penyelesaian ini adalah penyelesaian terpolarisasi linear dari persamaan gelombang. Terdapat juga penyelesaian terpolarisasi bulat di mana medan berputar mengenai vektor normal.

Penguraian Spektral

Oleh kerana linearitas persamaan Maxwell dalam keadaan hampa, penyelesaian dapat diuraikan menjadi superposisi sinusoid. Ini adalah asas bagi kaedah transformasi Fourier untuk penyelesaian persamaan pembezaan. Penyelesaian sinusoidal untuk persamaan gelombang elektromagnetik mengambil bentuk

t adalah masa (dalam beberapa saat), ω adalah frekuensi sudut (dalam radian sesaat), k = (kx, ky, kzadalah vektor gelombang (dalam radian per meter), dan ϕ 0 < displaystyle scriptstyle phi _ <0>> adalah sudut fasa (dalam radian).

Vektor gelombang berkaitan dengan frekuensi sudut oleh

di mana k adalah bilangan gelombang dan λ adalah panjang gelombang.

Spektrum elektromagnetik adalah sebilangan besar medan medan (atau tenaga) sebagai fungsi panjang gelombang.

Pengembangan multipole Edit

dengan k = ω / c seperti yang diberikan di atas. Sebagai alternatif, seseorang dapat menghilangkan E memihak kepada B untuk mendapatkan:

Medan elektromagnetik generik dengan frekuensi ω dapat ditulis sebagai jumlah penyelesaian bagi dua persamaan ini. Penyelesaian tiga dimensi dari Persamaan Helmholtz dapat dinyatakan sebagai pengembangan dalam harmonik sfera dengan pekali yang sebanding dengan fungsi Bessel sfera. Walau bagaimanapun, menerapkan pengembangan ini pada setiap komponen vektor E atau B akan memberikan penyelesaian yang secara umum tidak bebas perbezaan ( · E = · B = 0), dan oleh itu memerlukan sekatan tambahan pada pekali.

Pengembangan multipole mengatasi kesukaran ini dengan mengembang tidak E atau B , tetapi r · E atau r · B menjadi harmonik sfera. Pengembangan ini masih menyelesaikan persamaan Helmholtz yang asal untuk E dan B kerana untuk bidang bebas perbezaan F , ∇ 2 (r · F) = r · (∇ 2 F). Ungkapan yang dihasilkan untuk medan elektromagnetik generik adalah:

di mana hl (1,2) (x) adalah fungsi Hankel sfera, El (1,2) dan Bl (1,2) ditentukan oleh keadaan sempadan, dan

Pengembangan multipole medan elektromagnetik menemui aplikasi dalam sejumlah masalah yang melibatkan simetri sfera, contohnya corak radiasi antena, atau kerosakan gamma nuklear. Dalam aplikasi ini, seseorang sering tertarik dengan daya yang terpancar di medan jauh. Di wilayah ini, E dan B bidang asimptot ke

Taburan sudut daya terpancar purata masa kemudian diberikan oleh


Tonton videonya: Laju,Bab 9,Laju dan Pecutan,Matematik Tingkatan 2 (Ogos 2022).