Keelektromagnetan

Kelektromagnetan ialah fizik untuk medan elektromagnet. Sebuah medan melingkungi semua ruang yang menekan zarah-zarah yang mempunyai cas elektrik dengan suatu daya, dan medan itu dipengaruhi pula oleh kehadiran dan gerakan zarah-zarah itu.

Medan elektrik dan magnet

Untuk memudahkan pemahaman medan elektromagnet, medan itu biasanya dipisahkan menjadi dua medan yang berasingan, iaitu medan elektrik dan medan magnet. Sebuah medan elektrik bukan sifar akan dihasilkan oleh kehadiran zarah-zarah yang mempunyai cas elektrik, dan medan itu pula akan menghasilkan daya elektrik; ini adalah daya yang menghasilkan elektrik statik dan mendorong aliran cas elektrik (arus) dalam pengalir elektrik. Sebaliknya, medan magnet boleh dihasilkan oleh gerakan cas-cas elektrik, atau arus elektrik, dan menghasilkan daya magnet yang berkait dengan magnet.

Istilah ""kelektromagnetan" datangnya daripada daya-daya juzuk elektrik dan magnet yang berasingan. Sebuah medan magnet yang berubah-ubah akan menghasilkan sebuah medan elektrik (ini ialah fenomena aruhan elektromagnet yang mendasari operasi penjana elektrik, motor aruhan, dan transformer). Serupa juga, sebuah medan elektrik yang berubah-ubah akan menghasilkan medan magnet.

Disebabkan kesalingbergantungan medan-medan elektrik dan magnet ini, adalah wajar bagi kita menganggap kedua-dua medan ini sebagai satu entiti yang tunggal, iaitu medan elektromagnet. Penyatuan ini yang disiapkan oleh James Clerk Maxwell merupakan salah satu kejayaan fizik abad ke-19. Konsep ini mempunyai kesan-kesan yang meluas, antaranya penjelasan sifat cahaya: apa yang telah dianggap sebagai "cahaya" didapati merupakan gangguan ayunan terambat dalam medan elektromagnet, iaitu gelombang elektromagnet.

Frekuensi-frekuensi ayunan yang berbeza menghasilkan bentuk-bentuk sinaran elektromagnet yang berbeza, dan terdiri daripada gelombang radio pada frekuensi-frekuensi yang terendah, cahaya nampak pada frekuensi-frekuensi pertengahan, dan sinar gamma pada frekuensi-frekuensi tertinggi.

Implikasi-implikasi teori terhadap elektromagnetisme telah menyebabkan pengembangan kerelatifan khas oleh Albert Einstein pada tahun 1905.

Daya elektromagnet

Rencana utama: Daya elektromagnet

Daya yang digunakan oleh medan elektromagnet (dalam Bahasa Inggeris Electro magnet) untuk menekan zarah-zarah caj elektrik digelarkan daya elektromagnet. Daya ini merupakan salah satu daripada empat daya asas. Daya-daya asas yang lain ialah daya nuklear kuat (yang mencantumkan nukleus-nukleus atom), daya nuklear lemah (yang menyebabkan bentuk-bentuk susutan radioaktif yang tertentu), dan daya graviti. Kesemua daya yang lain pada asasnya berasal daripada daya-daya asas ini.

Sebagaimana yang didapati, daya elektromagnet ialah daya yang bertanggungjawab kepada hampir semua fenomena yang ditemukan dalam kehidupan harian, dengan kekecualian graviti. Secara amnya, semua daya yang terlibat dalam saling tindak antara atom-atom boleh dikesani kepada daya elektromagnet yang bertindak pada proton-proton dan elektron-elektron caj elektrik di dalam atom. Ini termasuk daya-daya yang kita alami dalam "menolak" atau "menarik" objek-objek bahan biasa yang datangnya daripada daya-daya antara molekul di dalam badan kita serta di dalam objek-objek. Daya-daya itu juga merangkumi semua bentuk fenomena kimia yang muncul daripada saling tindak antara orbit-orbit elektron.

Menurut teori elektromagnet moden, daya-daya elektromagnet dihasilkan melalui pengantaraan pemindahan foton-foton maya.

Asal teori elektromagnet

Ahli sains William Gilbert, dalam karyanya De Magnete pada tahun 1600, mencadangkan bahawa elektrik dan magnetisme merupakan dua fenomena yang berbeza walaupun kedua-dua ini berupaya menarik dan menolak objek-objek. Pelaut-pelaut perasan bahawa kilat berupaya mengganggu jarum kompas, tetapi perkaitan antara kilat dengan elektrik tidaklah disahkan sehingga uji kaji yang dicadangkan oleh Benjamin Franklin pada tahun 1752. Salah seorang pertama yang menemui dan menerbitkan perkaitan antara arus elektrik buatan dan magnetisme ialah Romagnosi. Pada tahun 1802, beliau mendapati bahawa sebatang jarum kompas yang berhampiran akan memesong jika cerucuk voltan disambung dengan wayar. Bagaimanapun, kesan ini tidak diketahui secara meluas sehingga tahun 1820, ketika Hans Christian Ørsted melaksanakan uji kaji yang serupa. Usaha Ørsted kemudiannya mempengaruhi Andre-Marie Ampere untuk menghasilkan sebuah teori elektromagnetisme berasaskan matematik.

Teori elektromagnetisme yang tepat, dikenali sebagai elektromagnetisme klasik, diperkembangkan oleh pelbagai ahli fizik pada sepanjang abad ke-19, dan memuncak ketika James Clerk Maxwell menyatukan kesemua perkembangan dahulu menjadi sebuah teori yang tunggal, dan menemui sifat elektromagnet untuk cahaya. Dalam bidang elektromagnetisme klasik, medan elektromagnet mematuhi satu set persamaan yang dikenali sebagai persamaan Maxwell, dengan daya elektromagnetnya dibekalkan oleh hukum daya Lorentz.

Salah satu sifat aneh bagi elektromagnetisme klasik adalah bahawa bidang ini amat susah untuk diselaraskan dengan mekanik klasik. Sebaliknya, elektromagnetisme klasik adalah serasi dengan kerelatifan khas. Menurut persamaan Maxwell, kelajuan cahaya ialah satu pemalar semesta yang hanya bergantung kepada ketelusan elektrik dan kebolehtelapan magnet untuk vakumnya. Ini mencabuli ketakvarianan Galilei yang merupakan asas yang lama bagi mekanik klasik. Salah satu cara untuk menyeleraskan kedua-dua teori ini adalah untuk menganggap bahawa adanya sejenis ether yang membenarkan cahaya melintas. Bagaimanapun, usaha-usaha uji kaji yang kemudian gagal untut mengesan sebarang ether itu.

Pada tahun 1905, Albert Einstein mengatasi masalah ini dengan memperkenalkan kerelatifan khas yang menggantikan kinematik klasik dengan sebuah teori kinematik moden yang serasi dengan elektromagnetisme klasik. Selain itu, teori kerelatifan menunjukkan bahawa bagi kerangka rujukan yang bergerak, sebuah medan magnet akan berubah menjadi medan yang mempunyai komponen elektrik bukan sifar, dan sebaliknya. Oleh sebab ini membuktikan bahawa elektrik dan magnetisme merupakan dua belah untuk duit syiling yang sama, istilah Electromagnetisme telah dicipta.

Kegagalan kelektromagnetan klasik

Dalam lagi sebuah karya yang diterbitkan oleh Einstein pada tahun yang sama, beliau menghapuskan asas elektromagnetisme klasik dengan teori kesan fotoelektriknya. Teori itu menganjurkan bahawa cahaya wujud dalam bentuk zarah diskret yang kemudian dikenali sebagai foton. Disebabkan teori ini, Einstein dianugerahkan dengan Hadiah Nobel untuk Fizik pada tahun 1921.

Teori Einstein memberi penerangan yang lebih jelas terhadap penyelesaian malapetaka ultraungga yang diberikan oleh Max Planck pada tahun 1900. Dalam karyanya, Planck menunjukkan bahawa objek yang panas memancarkan sinaran jasad hitam, iaitu sejenis sinaran kelektromagnetan, dalam pakej-pakej yang diskret dan pada jumlah tenaga yang terhingga. Kedua-dua keputusan ini bercanggah secara langsung dengan pandangan klasik terhadap cahaya sebagai suatu gelombang selanjar.

Teori-teori Planck dan Einstein merupakan pendahulu untuk mekanik kuantum yang ketika dirumuskan pada tahun 1925, memerlukan rekaan teori kuantum untuk kelektromagnetan. Teori ini yang disiapkan pada dekad 1940-an dikenali sebagai elektrodinamik kuantum (atau "QED"), dan merupakan salah satu teori yang paling tepat dalam bidang fizik.

Konsep-konsep berkait

Istilah elektrodinamik kekadang digunakan untuk merujuk kepada gabungan antara kelektromagnetan dengan mekanik, dan mengolahkan kesan-kesan medan elektromagnet pada tindakan dinamik bagi zarah-zarah caj elektrik.

Unit elektrik SI

Unit Elektromagnetisme SI

Simbol	Nama Kuantiti	Unit Terbitan	Unit	Unit Asas
I	Arus	ampere (Unit asas SI)	A	A = W/V = C/s
q	Caj elektrik, Kuantiti elektrik	coulomb	C	A·s
V	Beza keupayaan	volt	V	J/C = kg·m2·s−3·A−1
R, Z, X	Rintangan, Impedans, Reaktans	ohm	Ω	V/A = kg·m2·s−3·A−2
ρ	Keberintangan	ohm meter	Ω·m	kg·m3·s−3·A−2
P	Kuasa elektrik	watt	W	V·A = kg·m2·s−3
C	Kapasitans	farad	F	q/V = kg−1·m−2·A2·s4
	Anjalan	farad salingan	F−1	V/C = kg·m2·A−2·s−4
ε	Ketelusan	farad per meter	F/m	kg−1·m−3·A2·s4
χe	Kerentanan elektrik	(tanpa dimensi)	-	-
G, Y, B	Konduktans, Admitans, Rentanan	siemens	S	Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2
σ	Kekonduksian	siemens per meter	S/m	kg−1·m−3·s3·A2
H	Medan magnet tambahan, keamatan medan magnet	ampere per meter	A/m	A·m−1
Φm	Fluks magnet	weber	Wb	V·s = kg·m2·s−2·A−1
B	Medan magnet, ketumpatan fluks magnet, aruhan magnet, kekuatan medan magnet	tesla	T	Wb/m2 = kg·s−2·A−1
	Engganan magnet	ampere-lilit per weber	A/Wb	kg−1·m−2·s2·A2
L	Aruhan	henry	H	Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2
μ	Kebolehtelapan	henry per meter	H/m	kg·m·s−2·A−2
χm	Kerentanan magnet	(tanpa dimensi)	-	-

Rujukan

• Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Light, Electricity and Magnetism (ed. ke-4). W. H. Freeman. ISBN 1-57259-492-6.
• Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics (ed. ke-3). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X.
• Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (ed. ke-3). Wiley. ISBN 0-471-30932-X.
• Rothwell, Edward J. (2001). Electromagnetics. Percetakan CRC. ISBN 0-8493-1397-X.

Lihat juga

• Daya Abraham-Lorentz
• Daya Lorentz
• Eksperimen Dwicelah
• Elektrik
• Elektrostatik
• Gelombang radio
• Magnetisme
• Mikrogelombang
• Optik
• Pandu gelombang
• Pengutuban foton
• Pengutuban
• Persamaan gelombang elektromagnet
• Persamaan Maxwell dalam ruang masa melengkung
• Perumusan persamaan Maxwell dalam kerelatifan khas
• Plasma (fizik)
• Sinar gamma
• Sinar X

Pautan luar

• Pengenalan Elektromagnetisme – dari peringkat asas ke peringkat tinggi
• Syarahan Video MIT: Elektrik dan Magnetisme – sejak Musim Bunga 2002. Diajar oleh Profesor Walter Lewin.
• Elektrik dan Magnetisme – buku teks dalam talian yang menggunakan algebra, dengan bahagian-bahagian tidak wajib yang menggunakan kalkulus
• Teori Medan Elektromagnet - buku teks dalam talian (menggunakan kalkulus)
• Elektromagnetisme Klasik: Kursus Peringkat Pertengahan – buku teks dalam talian yang boleh dimuat turun sebagai fail PDF
• Bantuan Sains: Elektromagnetisme – untuk remaja
• Laman web Motion Mountain – pengenalan moden untuk elektromagnetisme dan kesan-kesannya terhadap kehidupan hairan
• Gelombang Radio dan Sinaran Hertz – menerangkan apakah kedua-dua itu dan bagaimana kedua-dua ini dihasilkan