Penelitian mendasar M. Faraday dan ilmuwan lain di bidang elektromagnetisme, serta gagasan Faraday tentang hubungan antara medan listrik dan magnet dan modelnya tentang medan elektromagnetik adalah mata rantai yang diperlukan dalam pengembangan ilmu pengetahuan, atas dasar pengembangan teori elektrodinamika klasik selesai, teori medan elektromagnetik diciptakan, dan teori elektromagnetik cahaya dirumuskan.
Bagaimana semuanya dimulai
Fisikawan Inggris James Maxwell (1831-1879) melanjutkan penelitian fundamental Faraday. Pada tahun 1861-1862 sejumlah artikel oleh Maxwell diterbitkan, di mana ia mengusulkan teori baru, menyoroti peran medium, dan menetapkan sendiri tujuan untuk menemukan model mekanik yang akan mengungkapkan perilaku medium ini dalam interaksi magnetik.
Dengan bantuan model yang dia buat, dia sampai pada persamaannya yang terkenal. Sistem persamaan Maxwell menggeneralisasi ide Faraday dan mengungkapkan hubungan antara medan listrik dan magnet. Kesimpulan yang sangat penting berikut dari persamaan Maxwell, diprediksi oleh Faraday: medan elektromagnetik bolak-balik merambat dengan kecepatan terbatas, yang sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Jadi, ini membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik dengan semua konsekuensi ilmiah dan teknis dari penemuan ini.
Pada tahun 1873, karya terkenal J. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, diterbitkan. Menyimpulkan penelitiannya di bidang medan elektromagnetik, penulis menunjukkan bahwa cahaya tidak lain adalah gelombang elektromagnetik, mencatat hubungan erat antara sifat optik dan elektromagnetik medium, untuk pertama kalinya memperkenalkan konsep arus perpindahan, yang terjadi dalam dielektrik antara pelat kapasitor dan membentuk medan magnet.
Teori Maxwell, yang melengkapi pengembangan elektrodinamika klasik, menciptakan landasan ilmiah medan elektromagnetik, dan menemukan sifat elektromagnetik cahaya, pada awalnya disambut dengan keraguan oleh fisikawan. Faktanya adalah bahwa referensi utama dan kesimpulan teori belum cukup dikonfirmasi secara eksperimental. Seperempat terakhir abad ke-19 terjadi pada dasarnya di bawah slogan verifikasi eksperimental dan teoritis teori Maxwell.
Bukti teori Maxwell
Salah satu masalah pertama yang muncul dari teori Maxwell adalah bahwa jika ada hubungan yang tidak terpisahkan antara fenomena listrik dan magnet, maka harus ada hubungan yang sama antara sistem satuan elektrostatik dan elektromagnetik, yaitu konstanta elektrodinamik (perbandingan unit elektrostatik dan elektromagnetik) harus sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Hipotesis ini membutuhkan verifikasi eksperimental.
Hasil penelitian penting sebelumnya tentang penentuan konstanta dalam persamaan Maxwell adalah milik ilmuwan Rusia A. G. Stoletov (1839–1896), yang mengembangkan metode yang cukup akurat untuk menentukan rasio unit-unit ini dan untuk pertama kalinya menetapkan bahwa itu sama dengan kecepatan cahaya.
Ini mungkin salah satu bukti pertama validitas teori Maxwell.
Yang sangat penting untuk memecahkan masalah pergerakan dan distribusi energi adalah karya ilmuwan Rusia N.A. Umov (1846–1915), di mana ia membuat langkah penting menuju pendalaman teori medan, memperkenalkan konsep gerak dan aliran energi.
Berdasarkan hukum kekekalan energi, ia menurunkan persamaan untuk pergerakan energi dalam medium dan memperkenalkan vektor kerapatan fluks energi, vektor Umov.
Kasus terpisah dari vektor Umov untuk medan elektromagnetik dipertimbangkan sepuluh tahun kemudian oleh fisikawan Inggris John-Henry Poynting (1852–1914), yang pada tahun 1884 menurunkan ekspresi untuk kerapatan fluks energi yang dibawa oleh medan elektromagnetik.
Heinrich Hertz dan konfirmasi eksperimental teori Maxwell
Namun, hanya percobaan yang dilakukan oleh Hertz pada tahun 1886–1889 yang secara eksperimental mengkonfirmasi keberadaan gelombang elektromagnetik dan pernyataan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik sama besarnya dengan kecepatan cahaya, membuktikan identitas lengkap sifat elektromagnetik dan cahaya. gelombang, dan dengan demikian membawa dasar penelitian untuk teori Maxwell.
Menjadi pendukung pandangan M. Faraday dan D. Maxwell, yang menolak aksi di kejauhan, G. Hertz sejak 1887, mengulangi eksperimen gurunya G. Helmholtz dengan kumparan induksi, berdasarkan persamaan Maxwell, mengembangkan teori vibrator terbuka yang memancarkan gelombang elektromagnetik. Dengan bantuan “vibrator” dan “penerima” ia menunjukkan bahwa pelepasan berosilasi menyebabkan gelombang, yang merupakan kombinasi dari dua osilasi tegak lurus – listrik dan magnet.
Hertz mengungkapkan refleksi, refraksi, interferensi dan polarisasi gelombang ini dan membuktikan bahwa semua fakta penelitian dijelaskan sepenuhnya oleh teori Maxwell. Menyelidiki perjalanan gelombang melalui kabel, G. Hertz mengembangkan metode klasik untuk mengukur kecepatan gelombang dalam konduktor lurus.
Dalam karya “Persamaan dasar elektrodinamika benda diam”, yang diterbitkan pada tahun 1890, Hertz memberikan bentuk simetris yang jelas untuk persamaan Maxwell,
yang menunjukkan dengan baik timbal balik lengkap antara tindakan listrik dan magnet.
Hertz adalah orang pertama yang berhasil menerapkan vektor Umov-Poynting untuk menghitung fluks energi yang dipancarkan oleh dipol ke ruang sekitarnya, dan menunjukkan bahwa jumlah energi yang ditransmisikan oleh vibrator akan berbanding lurus dengan kuadrat panjang dipol dan berbanding terbalik dengan pangkat tiga panjang gelombang yang dihasilkan oleh dipol.
Ini adalah titik awal dalam teori antena dan awal dari fondasi teoretis teknik radio. Penelitian Hertz menemukan keberadaan medan elektromagnetik bebas, dan prioritas pertama bagi fisikawan adalah kebutuhan untuk membangkitkan medan ini, mendeteksinya, dan mengendalikannya. Pertama-tama, perlu untuk membuat jenis generator baru untuk membangkitkan gelombang yang semakin lama semakin kecil. Hertz sendiri menggunakan gelombang yang panjangnya 66 cm.
Augusto Ritchie dari Italia (1850–1920) pada tahun 1893 menerima gelombang sepanjang 10,6 cm, dan ilmuwan Rusia terkemuka P.M. Lebedev pada tahun 1894 mendemonstrasikan eksperimen untuk memperoleh gelombang elektromagnetik dengan panjang 6 mm.
Telegrafi dan radio
Jadi, di awal 90-an abad XIX. sintesis elektromagnetisme dan optik terbukti, identitas lengkap gelombang elektromagnetik dan cahaya. Masalah baru muncul sebelum ilmu pengetahuan – penggunaan gelombang elektromagnetik untuk kebutuhan telegrafi. Untuk pertama kalinya, ilmuwan Rusia A.S. Popov (1859–1906) pada tahun 1895
Jasa Popov dalam penemuan radio secara resmi diakui pada tahun 1900 dengan memberinya diploma kehormatan dan medali emas di Kongres Elektroteknik Dunia di Paris. Perlu dicatat bahwa insinyur radio Italia Guglielmo Marconi mengusulkan pada akhir tahun 1896 ke Inggris, di mana ia pindah, perangkat yang ia kembangkan untuk implementasi telegraf nirkabel dan pada tahun 1897 menerima paten untuk mereka.
Kelebihan G. Marconi harus mencakup keberhasilan dalam penerapan radiotelegrafi praktis, khususnya pada tahun 1901 ia membuat komunikasi radio pertama dengan Amerika melintasi Samudra Atlantik. Pada tahun 1896–1899 Nikola Tesla (1854–1943), seorang ilmuwan dan penemu Serbia yang brilian di bidang teknik listrik dan radio, terlibat dalam pengembangan perangkat antena.
Maka perjuangan untuk pengakuan realitas keberadaan medan elektromagnetik selesai.
