Apa itu elektrodinamika, dan bagaimana caranya bisa masuk ke dalam skema umum fisika?

4 bidang mekanika

Mekanika Klasik (Newton)

Relativitas Khusus (Einstein)

Mekanika Kuantum (Bohr, Heisenberg, Schrodinger, et al.)

Teori Medan Kuantum (Dirac, Pauli, Feynman, Schwinger, et al.)

Mekanika Newton sudah biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Namun untuk obyek yang bergerak dengan kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya), mekanika newton tidak bisa digunakan dan harus digantikan dengan relativitas khusus (Einstein). Untuk obyek yang sangat kecil (mendekati ukuran atom), menggunakan mekanika kuantum, sedangkan untuk obyek yang sangat cepat dan sangat kecil (fisika partikel modern), menggunakan mekanika kombinasi relativitas dan prinsip kuantum yang disebut teori medan kuantum, walaupun sistem ini diklaim tidak sepenuhnya memuaskan.Dalam buku ini akan mempelajari secara eksklusif tentang bidang mekanika klasik walaupun elektrodinamika juga masuk dalam bidang yang lain.4 jenis gaya

Mekanika menyatakan bagaimana sebuah sistem akan berperilaku apabila diberi gaya. Hanya ada 4 gaya dasar dalam fisika: gaya kuat, gaya elektromagnetik, gaya lemah, dan gaya gravitasi.

Untuk gaya gesek, gaya normal, gaya kimia, dan momentum masuk ke dalam gaya elektromagnetik. Memang hampir bisa dikatakan bahwa kita hidup di dunia elektromagnetik karena sebenarnya setiap gaya dalam kehidupan sehari-hari, dengan perkecualian gaya gravitasi, pada dasarnya merupakan gaya elektromagnetik.Gaya kuat (gaya yang menyatukan proton dan neutron dalam inti atom) memiliki jangkauan sangat pendek dan seratus kali lebih kuat dibandingkan dengan gaya listrik. Gaya lemah (mencakup peluruhan radiaktif) memiliki jangkauan pendek dan jauh lebih lemah daripada gaya elektromagnetik. Gaya gravitasi sangat lemah (dibandingkan gaya yang lain) dan hanya berpengaruh dan terlihat pada benda dengan konsentrasi massa yang besar saja (bumi dan matahari). Gaya tolak listrik antara dua elektron yaitu 1042 kali lebih besar daripada gaya tarik gravitasinya, dan jika atom-atom disatukan bersama dengan gaya gravitasi (daripada gaya listrik), ukuran sebuah atom hidrogen tunggal akan menjadi jauh lebih besar daripada alam semesta.Gaya elektromagnetik sangat mendominasi dalam kehidupan sehari-hari dan satu-satunya yang sepenuhnya dapat dipahami. Misalnya teori klasik gravitasi (hukum gravitasi Newton) dan teori relativitas (relativitas Einstein) tapi tidak sepenuhnya memuaskan sebagaimana teori mekanika kuantum gravitasi yang telah dicetuskan.Pada saat ini ada teori yang sangat cocok untuk menjelaskan gaya lemah dan kandidat teori (disebut chromodinamika) yang cocok untuk menjelaskan gaya kuat. Semua teori tersebut terinspirasi dari elektrodinamika, tapi tidak ada yang dapat meminta verifikasi eksperimen yang pasti pada tahap ini. Jadi, elektrodinamika; sebuah teori yang sangat komplit dan sukses; menjadi semacam paradigma bagi fisikawan: sebuah model ideal yang berusaha ditiru teori lain.Hukum elektrodinamika klasik ditemukan oleh Franklin, Coulomb, Ampere, Faraday, dan lainnya, tapi James Maxwell-lah yang telah menyusun dan melengkapinya.Penyatuan Teori Fisika

Pada awal mula, kelistrikan dan kemagnetan merupakan subyek yang benar-benar terpisah. Tapi pada tahun 1820, Oersted menyatakan bahwa arus listrik dapat menyimpangkan magnet jarum kompas. Setelahnya, Ampere membuat postulat bahwa semua fenomena magnetik dikarenakan muatan elektron yang bergerak. Kemudian tahun 1831, Faraday menemukan bahwa magnet yang bergerak dapat menimbulkan arus listrik. Saat Maxwell dan Lorentz hampir menyelesaikan teori tersebut, kelistrikan dan kemagnetan telah saling terkait, bukan lagi subyek terpisah, tapi dua aspek dari subyek tunggal yang disebut elektromagnet.Faraday berspekulasi bahwa cahaya pada awalnya merupakan listrik di alam. Teori Maxwell memberikan justifikasi untuk hipotesis ini dan selanjutnya optik (studi mensa, cermin, prisma, interferensi dan difraksi) dimasukkan ke dalam elektromagnetik. Hertz, menyajikan konfimasi eksperimen yang menentukan untuk Teori Maxwell pada tahun 1888: Hubungan antara cahaya dan listrik tidak dapat dipungkiri.. Setiap saat kita melihat proses kelistrikan.. Domain kelistrikan meluas hampir seluruh alam.. Kita mempunyai sebuah organ listrik yaitu mata. Pada tahun 1900, ketiga cabang besar fisika; kelistrikan, kemagnetan, dan optik; telah menyatu menjadi sebuah teori tunggal terpadu.Einstein menginginkan penyatuan lebih jauh, yang mengkombinasikan gravitasi dan elektrodinamika, sebagaimana kelistrikan dan kemagnetan. Teori medan terpadu Einstein tidak terlalu berhasil, tapi dalam beberapa tahun terakhir melahirkan skema penyatuan. Dimulai tahun 1960-an dengan teori elektroweak dari Glashow, Weinberg, dan Salam (menyatukan gaya lemah dan gaya elektromagnetik), dan puncaknya pada tahun 1980-an dengan teori superstring (menggabungkan keempat gaya dalam sebuah teori tunggal). Jelas sekali terlihat bahwa penyatuan gaya diprakarsai oleh elektrodinamika telah menjadi tema utama dalam perkembangan fisika.Formulasi Medan Elektrodinamika

Masalah mendasar dari teori elektromagnetik adalah ketika kita memegang sekumpulan muatan listrik (dan kemudian mengguncangnya), apa yang terjadi dengan muatan listrik di sekitarnya? Solusi klasik mengambil bentuk dari teori medan dimana ruang di sekitar muatan listrik diserap oleh medan listrik dan medan magnet. Muatan kedua, dengan adanya medan tersebut, mengalami gaya: gaya medan, kemudian menyalurkan pengaruhnya dari satu muatan ke muatan yang lain, medan bertindak sebagai perantara interaksi.

Ketika muatan mengalami akselerasi, sebagian dari medan melepaskan diri, bergerak mendekati kecepatan cahaya, membawa energi; momentum; dan momentum sudut. Kita menyebutnya radiasi elektromagnetik. Keberadaannya memaksa kita untuk menganggap medan sebagai entitas dinamis independen pada bagian masing-masing, setiap bagian senyata atom atau bola baseball. Ketertarikan kita bergeser dari studi gaya antara muatan ke teori medan. Tapi hal tersebut membutuhkan sebuah muatan untuk menghasilkan medan elektromagnetik, dan dibutuhkan muatan lain untuk mendeteksi medan elektromagnetik, sehingga kita telah punya awal terbaik dengan meninjau sifat penting dari muatan listrik.

Muatan Listrik

Muatan terdiri dari dua jenis, positif dan negatif, karena memberi efek saling menetralkan.

Muatan adalah kekal: tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, sebagaimana adanya.

Muatan terkuantisasi. Muatan listrik hanya dalam potongan diskrit, kelipatan integer dari satuan dasar muatan.

Satuan

Subyek elektrodinamika terkendala oleh sistem persaingan unit, yang kadang-kadang sulit bagi fisikawan untuk berkomunikasi satu sama lain.Masalahnya adalah jauh lebih buruk dalam mekanika, di mana orang Belanda masih menggunakan pon dan kaki, paling tidak dalam mekanika semua persamaan terlihat sama, terlepas dari unit yang digunakan untuk mengukur kuantitas.

Tapi tidak demikian dalam elektromagnetik, di mana hukum Coulomb tampak sebagai sebagai persamaan:

Dari sistem yang biasa digunakan, dua yang paling populer adalah gaussian dan SI. Teori-teori partikel elementer lebih mendukung sistem ketiga: Heaviside-Lorentz.