Gelombang Elektromagnetik: Apa Itu & Bagaimana Mereka Diproduksi (dengan Contoh)

Gelombang elektromagnetik (EM) mendesing di sekitar Anda setiap saat, dan studi mereka mewakili seluruh area penting fisika. Memahami, mengklasifikasikan, dan menjelaskan berbagai bentuk radiasi elektromagnetik telah membantu NASA dan entitas ilmiah lainnya mendorong teknologi manusia ke dalam dan di luar wilayah yang sebelumnya belum dijelajahi, seringkali secara dramatis cara. Namun hanya sebagian kecil dari gelombang EM yang terlihat oleh mata manusia.

Dalam fisika, sejumlah matematika tidak bisa dihindari. Tetapi hal yang menyenangkan dalam ilmu fisika adalah bahwa matematika cenderung secara logis "rapi" – yaitu, setelah Anda terbiasa dengan persamaan dasar mekanika klasik (yaitu, biasanya besar, benda terlihat bergerak), persamaan elektromagnetisme terlihat akrab, hanya dengan perbedaan variabel.

Untuk memahami medan dan gelombang elektromagnetik dengan baik, Anda harus memiliki pengetahuan dasar tentang persamaan Maxwell, yang diturunkan oleh James Clerk Maxwell pada paruh kedua tahun 1800-an. Persamaan ini, dari mana solusi umum untuk gelombang EM diturunkan, menggambarkan hubungan antara listrik dan magnet. Pada akhirnya, Anda juga harus memahami apa artinya "menjadi" gelombang – bagaimana

Persamaan Maxwell memformalkan hubungan antara listrik dan magnet dan menjelaskan semua fenomena tersebut. Berdasarkan karya fisikawan seperti Carl Gauss, Michael Faraday dan Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell menemukan bahwa persamaan yang dihasilkan oleh para ilmuwan ini yang menghubungkan medan listrik dan magnet pada dasarnya baik, tetapi tidak sempurna.

Jika Anda tidak terbiasa dengan kalkulus, jangan berkecil hati. Anda dapat mengikuti dengan cukup baik tanpa menyelesaikan apa pun. Ingatlah bahwa integrasi tidak lebih dari bentuk cerdas untuk menemukan area di bawah kurva dalam grafik dengan menambahkan irisan yang sangat kecil dari kurva itu. Selain itu, sementara variabel dan istilah mungkin tidak berarti banyak pada awalnya, Anda akan merujuknya kembali berulang kali di seluruh artikel karena "lampu" terus menerangi Anda tentang topik penting ini.

​persamaan pertama Maxwellberasal darihukum Gaussuntuk medan listrik, yang menyatakan bahwa fluks listrik bersih melalui permukaan tertutup (seperti bagian luar bola) sebanding dengan muatan di dalamnya:

Di sini, segitiga terbalik ("nabla" atau "del") mewakili operator gradien tiga dimensi,ρadalah kerapatan muatan per satuan volume danε​₀ adalah listrikpermitivitas ruang bebas​.

​persamaan kedua Maxwelladalah hukum Gauss untuk magnetisme, di mana, tidak seperti kasus medan listrik, tidak ada yang namanya "muatan magnet titik", ataumonopol magnetik. Sebaliknya, garis medan magnet muncul sebagai loop tertutup. Fluks magnet bersih melalui permukaan tertutup akan selalu 0, yang dihasilkan langsung dari medan magnet yang dipolar.

Hukum menyatakan berlaku bahwa setiap garis dari medan magnetBmemasuki volume yang dipilih di ruang harus keluar dari volume itu di beberapa titik, dan itu adalah fluks magnet berikutnya melalui permukaan karena itu nol.

​persamaan ketiga Maxwell(Hukum induksi magnet Faraday) menjelaskan bagaimana medan listrik diciptakan oleh medan magnet yang berubah. Lucu "∂" berarti "turunan parsial" dan menyiratkan fluktuasi. Di samping simbol ganjil, hubungan tersebut menunjukkan bahwa perubahan fluks listrik dihasilkan dari dan mewajibkan atidak konstanMedan gaya.

​persamaan keempat Maxwell(hukum Ampere-Maxwell) adalah sumber bagi yang lain, untuk koreksi Maxwell atas kegagalan Ampere untuk memperhitungkan arus tidak tetap yang beriak melalui tiga persamaan lainnya dengan faktor koreksi sendiri. Persamaan ini diturunkan dari hukum Ampere dan menjelaskan bagaimana medan magnet dihasilkan oleh arus (muatan yang bergerak), medan magnet yang berubah atau keduanya.

Sini,μ​₀ adalah permeabilitas ruang bebas. Persamaan menunjukkan bagaimana medan magnet di dalam area tertentu di sekitar arus dalam kawatJberubah dengan arus itu dan dengan medan listrikE​.

Setelah Maxwell memformalkan pemahamannya tentang listrik dan magnet dengan persamaannya, dia mencari berbagai solusi untuk persamaan yang mungkin menggambarkan fenomena baru.

Karena medan listrik yang berubah menghasilkan medan magnet dan medan magnet yang berubah menghasilkan medan listrik, Maxwell menentukan bahwa gelombang elektromagnetik yang merambat sendiri dapat dihasilkan. Menggunakan persamaannya, ia menentukan bahwa kecepatan gelombang seperti itu akan memiliki kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Ini ternyata bukan kebetulan, dan mengarah pada penemuan bahwa cahaya adalah bentuk radiasi elektromagnetik!

Secara umum, gelombang adalah osilasi dalam medium yang mentransfer energi dari satu tempat ke tempat lain. Gelombang memiliki panjang gelombang, periode dan frekuensi yang terkait dengannya. Kecepatanvgelombang adalah panjang gelombangnyaλkali frekuensinyaf, atau f = v.

Satuan SI untuk panjang gelombang adalah meter, meskipun nanometer lebih sering ditemukan karena lebih sesuai untuk spektrum yang terlihat. Frekuensi diukur dalam siklus per detik (s^-1) atauhertz(Hz), setelah Heinrich Hertz. PeriodeTgelombang adalah berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan satu siklus, atau 1/f.

Untuk kasus gelombang EM, tidak seperti situasi dengan gelombang mekanik,vkonstan dalam semua situasi, yang berarti bahwaλbervariasiterbalikdenganf. Artinya, frekuensi yang lebih tinggi menyiratkan panjang gelombang yang lebih pendek untuk. tertentuv. "Frekuensi tinggi" juga menyiratkan "energi tinggi"; yaitu, energi elektromagnetikEdalam joule (J) sebanding denganf, melalui faktor yang disebut konstanta Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Persamaan gelombang adalahy = A sin (kx t), dimanaSEBUAHadalah amplitudo,xadalah perpindahan sepanjang sumbu x,kadalah bilangan gelombang 2π/k, dan

​ω​

adalah frekuensi sudut 2π/T.

Gelombang elektromagnetik terdiri dari medan listrik (E) gelombang yang berosilasi pada bidang yang tegak lurus (pada sudut siku-siku) terhadap medan magnet (B) gelombang. Jika Anda membayangkan diri Anda sebagai gelombang EM yang berjalan ("menyebar") melintasi lantai yang rata,Ekomponen gelombang berosilasi dalam bidang vertikal melalui tubuh Anda danBgelombang berosilasi di dalam lantai horizontal.

Karena radiasi elektromagnetik bertindak sebagai gelombang, maka setiap gelombang elektromagnetik tertentu akan memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang terkait dengannya. Kendala lain adalah, karena kecepatan gelombang elektromagnetik tetap pada c = 3 × 10⁸ m/s, kecepatan cahaya merambat dalam ruang hampa (juga digunakan untuk kecepatan cahaya di udara untuk perkiraan dekat). Oleh karena itu, frekuensi yang lebih rendah dikaitkan dengan panjang gelombang yang lebih panjang dan sebaliknya.

Gelombang EM tidak memerlukan media seperti air atau gas untuk merambat; karenanya, mereka dapat melintasi ruang hampa itu sendiri dengan kecepatan tercepat di seluruh alam semesta!

Gelombang elektromagnetik dihasilkan pada rentang frekuensi dan panjang gelombang yang sangat besar. Dimulai dengan frekuensi rendah (energi lebih rendah) dan dengan demikian panjang gelombang lebih panjang, berbagai jenis radiasi EM adalah:

• ​Gelombang radio(sekitar 1 m dan lebih lama): Radiasi EM frekuensi radio mencakup sekitar 20.000 hingga 300 miliar Hz. Ini "terbang" tidak hanya di seluruh dunia tetapi jauh ke luar angkasa, dan pemanfaatannya oleh Marconi pada pergantian abad ke-20 merevolusi dunia manusia komunikasi.
• ​Gelombang mikro(sekitar 1 mm hingga 1 m): Ini juga dapat menembus ke luar angkasa, tetapi berguna dalam aplikasi cuaca karena juga dapat menembus awan.
• ​Gelombang inframerah(700 nm hingga 1 mm): Radiasi inframerah, atau "cahaya inframerah", adalah bahan dari kacamata "penglihatan malam" dan peralatan peningkatan visual lainnya.
• ​Cahaya tampak(400 nm hingga 700 nm): Gelombang cahaya dalam spektrum tampak merentang sebagian kecil dari frekuensi gelombang elektromagnetik dan rentang panjang gelombang. Bagaimanapun, mata Anda adalah produk yang cukup konservatif dari apa yang dibutuhkan alam untuk dikumpulkan untuk kelangsungan hidup sehari-hari.
• ​Sinar ultraviolet(10 nm hingga 400 nm): Radiasi ultraviolet adalah penyebab kulit terbakar sinar matahari dan mungkin juga keganasan kulit. Namun demikian, tanning bed tidak akan ada tanpanya.
• ​sinar X(sekitar 0,01 nm hingga 10 nm): Radiasi berenergi lebih tinggi ini merupakan bantuan diagnostik yang luar biasa dalam kedokteran, tetapi ini harus diimbangi dengan potensi mereka untuk menyebabkan kerusakan fisik pada diri mereka sendiri yang lebih tinggi eksposur.
• ​Sinar gamma(<0,01 nm): Seperti yang Anda harapkan, ini adalah energi yang sangat tinggi dan karenanya berpotensi menjadi radiasi yang mematikan. Jika bukan karena atmosfer bumi yang menghalangi sebagian besar darinya, kehidupan dalam bentuknya yang sekarang tidak akan dapat berjalan miliaran tahun yang lalu. Mereka digunakan untuk mengobati tumor yang sangat agresif.

Karena radiasi elektromagnetik memiliki kedua sifat gelombang, dan akan bertindak seperti gelombang ketika diukur seperti itu tetapi juga bertindak seperti partikel (disebutfoton) ketika diukur seperti itu, kita mengatakan bahwa ia memiliki dualitas gelombang partikel.

Arus yang stabil menghasilkan medan magnet yang stabil, sedangkan arus yang berubah menginduksi medan magnet yang berubah. Jika perubahannya stabil dan siklis, gelombang (dan bidang terkait) dikatakan berosilasi, atau "menggoyang" dengan cepat ke sana kemari dalam bidang.

Prinsip penting yang sama bekerja secara terbalik: Medan magnet yang berosilasi menginduksi medan listrik yang berosilasi.

Gelombang elektromagnetik dihasilkan dari interaksi antara medan listrik dan magnet ini. Jika muatan bergerak bolak-balik sepanjang kawat, itu menciptakan medan listrik yang berubah, yang pada gilirannya menciptakan medan magnet yang berubah, yang kemudian merambat sendiri sebagai gelombang EM, yang mampu memancarkan foton. Ini adalah contoh dari dua gelombang transversal (dan bidang) berpotongan satu sama lain untuk membentuk gelombang transversal lain.

• Atom dan molekul dapat menyerap dan memancarkan frekuensi tertentu dari radiasi elektromagnetik yang konsisten dengan tingkat energi terkuantisasi yang terkait.

Orang sering mengacaukan kedua jenis gelombang ini hanya karena mereka begitu akrab dengan mendengarkan radio. Tapi gelombang radio, seperti yang Anda ketahui sekarang, adalah bentuk radiasi elektromagnetik. Mereka melakukan perjalanan dengan kecepatan cahaya dan mengirimkan informasi dari stasiun radio ke radio Anda. Namun, informasi itu kemudian diubah menjadi gerakan pembicara, yang menghasilkan gelombang suara, yaitu:membujurgelombang di udara (seperti di kolam setelah diganggu oleh batu yang dilempar).

• Gelombang suara bergerak dengan kecepatan sekitar 343 m/s di udara, yang jauh lebih lambat daripada gelombang radio, dan membutuhkan media untuk merambat.

Sebuah fenomena yang disebut pergeseran frekuensi Doppler dalam radiasi EM memungkinkan astrofisikawan untuk mengetahui apakah benda-benda di ruang angkasa bergerak ke arah kita atau menjauh dari kita, karena benda diam yang memancarkan gelombang EM akan menunjukkan pola yang berbeda dari benda yang bergerak, relatif terhadap pengamat tetap.

Sebuah teknik yang disebut spektroskopi memungkinkan ahli kimia untuk menentukan komposisi gas. Atmosfer bumi melindungi biosfer dari radiasi ultraviolet yang paling berbahaya dan radiasi energi tinggi lainnya seperti sinar gamma. Oven microwave untuk memasak makanan telah memungkinkan mahasiswa untuk menyiapkan makanan di asrama mereka. Sinyal telepon seluler dan GPS adalah tambahan yang relatif baru namun sudah kritis dalam daftar teknologi yang bergantung pada energi EM.