Materi Fisika - Gelombang Elektromagnetik: Penjelasan, Rumus, Contoh Soal
Oct 18, 2020
Edit
Materi Fisika SMA kelas 12 - Gelombang Elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walau tidak ada medium. Energi elektromagnetik merambat dalam gelombang dengan beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu: panjang gelombang/wavelength, frekuensi, amplitude/amplitude, kecepatan. Amplitudo adalah tinggi gelombang, sedangkan panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu.
Frekuensi tergantung dari kecepatan merambatnya gelombang. Karena kecepatan energi elektromagnetik adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan frekuensi berbanding terbalik. Semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah frekuensinya, dan semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi frekuensinya.
Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua masa di alam semesta pada level yang berbedabeda. Semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Perbedaan karakteristik energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi elektromagnetik.
Menurut Christian Huygens (1629-1695) seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, menyatakan bahwa cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan berupa gelombang. Perbedaan cahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang gelombang dan frekuensinya. Pada teori ini Huygens menganggap bahwa setiap titik pada sebuah muka gelombang dapat dianggap sebagai sebuah sumber gelombang yang baru dan arah muka gelombang ini selalu tegak lurus tehadap muka gelombang yang bersangkutan.
Pada teori Huygens ini peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, ataupun difraksi cahaya dapat dijelaskan secara tepat, namun dalam teori Huygens ada kesulitan dalam penjelasan tentang sifat cahaya yang merambat lurus.
Dasar teori dari perambatan gelombang elektromagnetik pertama kali dijelaskan pada 1873 oleh James Clerk Maxwell dalam papernya di Royal Society mengenai teori dinamika medan elektromagnetik (bahasa Inggris: A dynamical theory of the electromagnetic field), berdasarkan hasil kerja penelitiannya antara 1861 dan 1865.
Percobaan James Clerk Maxwell (1831 – 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan Maxwell ini di dukung oleh :
Inti teori Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik adalah:
Percobaan-percobaan yang teliti membawa kesimpulan :
Gelombang elektromagnetik lahir sebagai paduan daya imajinasi dan ketajaman akal pikiran berlandaskan keyakinan akan keteraturan dan kerapian aturan-aturan alam.
Hasil-hasil percobaan yang mendahuluinya telah mengungkapkan tiga aturan gejala kelistrikan , antara lain sebagai berikut.
Beberapa tahun kemudian Guglielmo Marconi memperagakan bahwa gelombang yang tak terlihat mata itu dapat digunakan buat komunikasi tanpa kawat sehingga menjelmalah apa yang namanya radio itu. Kini, kita gunakan juga buat televisi, sinar X, sinar gamma, sinar infra, sinar ultraviolet adalah contoh-contoh dari radiasi elektromagnetik. Semuanya bisa dipelajari lewat hasil pemikiran Maxwell.
Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, akan muncul efek pemanasan pada benda tersebut. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, makanan menjadi panas dan masak dalam waktu singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam oven microwave.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada radar. Radar digunakan untuk mencari dan menentukan jejak suatu benda dengan gelombang mikro denganfrekuensi sekitar 1010 Hz.
Persamaan Kecepatan Gelombang Elektromagnetik
Dari rumus diatas ternyata kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik bergantung pada permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik medium. Maka, secara umum persamaan kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik untuk berbagai medium adalah:
Dua hukum dasarnya adalah yang menghubungkan gejala kelistrikan dan kemagnetan.
Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.
Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik
Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry.
Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.
James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik
Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell.
Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet.
Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.
Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.
Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik
Beberapa kaidah tentang kemagnetan dan kelistrikan yang mendukung perkembangan konsep gelombang elektromagnetik antara lain:
Persamaan Kecepatan Gelombang Elektromagnetik
Dari rumus diatas ternyata kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik bergantung pada permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik medium. Maka, secara umum persamaan kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik untuk berbagai medium adalah:
Ternyata perubahan medan listrik menimbulkan medan magnet yang tidak tetap besarannya atau berubah-ubah. Sehingga perubahan medan magnet tersebut akan menghasilkan lagi medan listrik yang berubah-ubah.
Proses terjadinya medan listrik dan medan magnet berlangsung secara bersama-sama dan menjalar kesegala arah. Arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Jadi gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet dan medan listrik secara berurutan, dimana arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus.
Bila dalam kawat PQ terjadi perubahan-perubahan tegangan baik besar maupun arahnya, maka dalam kawat PQ elektron bergerak bolak-balik, dengan kata lain dalam kawat PQ terjadi getaran listrik. Perubahan tegangan menimbulkan perubahan medan listrik dalam ruangan disekitar kawat, sedangkan perubahan arus listrik menimbulkan perubahan medan magnet. Perubahan medan listrik dan medan magnet itu merambat ke segala jurusan.
Karena rambatan perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik maka rambatan perubahan medan listrik dan medan magnet lazim disebut gelombang elektromagnetik. (GEM)
Percobaan-percobaan yang teliti membawa kesimpulan :
Pola gelombang elektromagnetik sama dengan pola gelombang transversal dengan vektor perubahan medan listrik tegak lurus pada vektor perubahan medan magnet.
Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian penerimanya. Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang elektromagnetik.
Hasil kali panjang gelombang (l) dengan frekuensi gelombang (f) sama dengan cepat rambat gelombang ( c ). Dirumuskan sebagai berikut.
c = λ . f
Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray.
Hubungan Frekuensi (f), Panjang Gelombang ( ), dan cepat rambat gelombang elektromagnetik (c):
Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Kamu tidak dapat mendengar radio secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah terlebih dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan gelombang mikro. Karena cepat rambat glombang elektromagnetik c = 3 X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan penerimaan.
Antena radar dapat berputar ke segala arah yang dapat berfungsi sebagai pemancar dan sekaligus pemancar gelombang elektromagnetik. Apabila selang waktu pengiriman pulsa ke sasaran dan penerimaan pulsa pantulan dari sasaran adalah ▲t, maka jarak sasaran ke pusatradar s dapat ditentukan dengan rumus:
s = c▲t
Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda.
Sinar gamma mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz atau panjang gelombang antara 10 cm sampai 10 cm. Daya tembus paling besar, yang menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh.
Radio energi adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan kisaran panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter. Penggunaan paling banyak adalah komunikasi, untuk meneliti luar angkasa dan sistem radar. Radar berguna untuk mempelajari pola cuaca, badai, membuat peta 3D permukaan bumi, mengukur curah hujan, pergerakan es di daerah kutub dan memonitor lingkungan. Panjang gelombang radar berkisar antara 0.8 – 100 cm.
Panjang gelombang radiasi microwave berkisar antara 0.3 – 300 cm. Penggunaannya terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi melalui ruang terbuka, memasak, dan sistem PJ aktif. Pada sistem PJ aktif, pulsa microwave ditembakkan kepada sebuah target dan refleksinya diukur untuk mempelajari karakteristik target. Sebagai contoh aplikasi adalah Tropical Rainfall Measuring Mission’s (TRMM) Microwave Imager (TMI), yang mengukur radiasi microwave yang dipancarkan dari Spektrum elektromagnetik Energi elektromagnetik atmosfer bumi untuk mengukur penguapan, kandungan air di awan dan intensitas hujan.
Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan untuk mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Radiasi inframerah dapat juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa sepengetahuannya akan menghalangi sinar dan menyembunyikan alarm. Remote control berkomunikasi dengan TV melalui radiasi sinar inframerah yang dihasilkan oleh LED ( Light Emiting Diode ) yang terdapat dalam unit, sehingga kita dapat menyalakan TV dari jarak jauh dengan menggunakan remote control.
Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kuman-kuman penyakit kulit.
Sinar X ini biasa digunakan dalam bidang kedokteran untuk memotret kedudukan tulang dalam badan terutama untuk menentukan tulang yang patah. Akan tetapi penggunaan sinar X harus hati-hati sebab jaringan sel-sel manusia dapat rusak akibat penggunaan sinar X yang terlalu lama.
Dari pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa begitu besar peranan gelombang elektromagnetik yang bermanfaat dalam kehidupan kita sehari-hari, tanpa kita sadari keberadaannya.
Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan :
Biasanya dalam mendeskripsikan energi spektrum elektromagnetik dinyatakan dalam elektronvolt untuk foton berenergi tinggi (di atas 100 eV), dalam panjang gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (? = 0,5 mm). Istilah “spektrum optik” juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (320 – 700 nm)[1].
Dan beberapa contoh spektrum elektromagnetik seperti :
# Radar
(Radio Detection And Ranging),digunakan sebagai pemancar dan penerima gelombang.
# Infra Merah
Dihasilkan dari getaran atom dalam bahan dan dimanfaatkan untuk mempelajari struktur molekul
# Sinar tampak
mempunyai panjang gelombang 3990 Aº – 7800 Aº.
# Ultra ungu
dimanfaatkan untuk pengenalan unsur suatu bahan dengan teknik spektroskopi.
Masing-masing sistem peneropongan itu digunakan untuk mengamati cahaya-cahaya dengan warna yang berbeda, yang tidak dapat dilihat dari permukaan Bumi. Masing-masing sistem juga memiliki fungsi berbeda satu dengan lainnya.
Dengan Teleskop Hubble, para peneliti mencari obyek “paling merah” yang berarti jaraknya sangat jauh. Dengan SIRTF akan bisa melihat populasi bintang di dalam obyek sangat jauh tersebut karena SIRTF akan bekerja dalam gelombang cahaya infra merah.
Sebelum itu pada tahun 1983 kerja sama antara Amerika Serikat, Belanda, dan Inggris telah meluncurkan IRAS (the Infrared Astronomical Satellite) atau Satelit Astronomi Inframerah, yang juga masih berfungsi sampai dengan sekarang.
Sejak ditemukan sinar X pada tahun 1895 oleh Wilhelm Conrad Röntgen , dunia medis mendapatkan kemajuan pesat untuk mengobati penyakit dalam atau sakit patah tulang. Dengan hasil images film sinar X tim dokter mendapat informasi jelas bagian mana yang harus mendapatkan penanganan.
Untuk beberapa dekade astronomi radio mengalami kemajuan pesat dan berhasil memberikan gambaran tentang alam semesta dengan banyak dideteksinya spektrum gelombang lain yang datang dari angkasa luar seperti infa merah, ultraungu, sinar X, sinar gamma, dan pulsar-pulsar lain hingga berhasil ditemukannya bintang netron. Lebih jauh lagi bahkan berhasil menguak banyak hal tentang sinar-sinar kosmik yang akhirnya diteliti mendalam oleh ilmuwan-ilmuwan fisika inti khususnya partikel elementer.
Pada siang hari tegangan listrik disimpan dalam baterei atau accumulator sehingga pada malam hari dapat dimanfaatkan untuk menyalakan peralatan listrik atau memanaskan air. Solar sel juga dikembangkan untuk menggerakkan mobil tanpa bahan bakar migas.
Oscilator Penghasil Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik telah diketahui keberadaannya. Permasalahannya dapatkah gelombang elektromagnetik diproduksi terus-menerus. Berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday berhasil diketemukan bahwa rangkaian oscilasi listrik dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik terus menerus. Frekuensi yang dihasilkan gelombang elektromagnetik disebut frekuensi resonansi, untuk rangkaian LC dirumuskan
Prinsip ini dipakai dalam teknologi penyiaran baik gelombang TV , gelombang radar, gelombang mikro, maupun gelombang radio. Gambar 21 menunjukkan rangkaian pengirim gelombang elektromagnetik. Di sisi lain gelombang elektromagnetik yang terpancar itu dapat ditangkap melalui rangkaian penerima gelombang elektromagnetik
Jawaban:
Diketahui:
c = 2,8 x 108 m/s,
ε = 12,76 x 10–7 wb/Am.
Dengan menggunakan Persamaan Maxwell, diperoleh:
Penyelesaian
Frekuensi tergantung dari kecepatan merambatnya gelombang. Karena kecepatan energi elektromagnetik adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan frekuensi berbanding terbalik. Semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah frekuensinya, dan semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi frekuensinya.
Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua masa di alam semesta pada level yang berbedabeda. Semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Perbedaan karakteristik energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi elektromagnetik.
Menurut Christian Huygens (1629-1695) seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, menyatakan bahwa cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan berupa gelombang. Perbedaan cahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang gelombang dan frekuensinya. Pada teori ini Huygens menganggap bahwa setiap titik pada sebuah muka gelombang dapat dianggap sebagai sebuah sumber gelombang yang baru dan arah muka gelombang ini selalu tegak lurus tehadap muka gelombang yang bersangkutan.
Pada teori Huygens ini peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, ataupun difraksi cahaya dapat dijelaskan secara tepat, namun dalam teori Huygens ada kesulitan dalam penjelasan tentang sifat cahaya yang merambat lurus.
Dasar teori dari perambatan gelombang elektromagnetik pertama kali dijelaskan pada 1873 oleh James Clerk Maxwell dalam papernya di Royal Society mengenai teori dinamika medan elektromagnetik (bahasa Inggris: A dynamical theory of the electromagnetic field), berdasarkan hasil kerja penelitiannya antara 1861 dan 1865.
Percobaan James Clerk Maxwell (1831 – 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan Maxwell ini di dukung oleh :
- Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman, Heinrich Rudolph Hertz (1857 – 1894) yang membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi.
- Percobaan seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, Peter Zeeman (1852 – 1943) yang menyatakan bahwa medan magnet yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya.
- Percobaan Stark (1874 – 1957), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang mengungkapkan bahwa medan listrik yang sangat kuat dapat mempengaruhi berkas cahaya.
- Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet.
- Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik.
Percobaan-percobaan yang teliti membawa kesimpulan :
- Pola gelombang elektromagnetik sama dengan pola gelombang transversal dengan vektor perubahan medan listrik tegak lurus pada vektor perubahan medan magnet.
- Gelombang elektromagnetik menunjukkan gejala-gejala pemantulan, pembiasan, difraksi, polarisasi seperti halnya pada cahaya.
- Diserap oleh konduktor dan diteruskan oleh isolator.
Hasil-hasil percobaan yang mendahuluinya telah mengungkapkan tiga aturan gejala kelistrikan , antara lain sebagai berikut.
- Hukum Coulomb : Muatan listrik menghasilkan medan listrik yang kuat.
- Hukum Biot-Savart : Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet disekitarnya.
- Hukum Faraday : Perubahan medan magnet (B) dapat menimbulkan medan listrik (E).
Sifat Gelombang Elektromagnetik
- Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi pada saat yang bersamaan.
- Arah medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus.
- Kuat medan listrik dan magnet besarnya berbanding lurus satu dengan yang lain, yaitu menurut hubungan E = c.B.
- Arah perambatan gelombang elektromagnetik selalu tegak lurus arah medan listrik dan medan magnet.
- Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa.
- Gelombang elektromagnetik merambat dengan laju yang hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnet medium.
- Laju rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa merupakan tetapan umum dan nilainyac = 3 x 108 m/s.
- Gelombang elektromagnetik adalah berupa gelombang transversal.
- Gelombang elektromagnetik dapat mengalami proses pemantulan, pembiasan, polarisasi, interferensi, dan difraksi (lenturan).
Beberapa tahun kemudian Guglielmo Marconi memperagakan bahwa gelombang yang tak terlihat mata itu dapat digunakan buat komunikasi tanpa kawat sehingga menjelmalah apa yang namanya radio itu. Kini, kita gunakan juga buat televisi, sinar X, sinar gamma, sinar infra, sinar ultraviolet adalah contoh-contoh dari radiasi elektromagnetik. Semuanya bisa dipelajari lewat hasil pemikiran Maxwell.
SUMBER GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
- Osilasi listrik.
- Sinar matahari ® menghasilkan sinar infra merah.
- Lampu merkuri ® menghasilkan ultra violet.
- Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam ® menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen).
- Inti atom yang tidak stabil menghasilkan sinar gamma.
Macam-Macam Gelombang Elektromagnetik
1. Gelombang radio
Gelombang radio adalah satu bentuk dari radiasi elektromagnetik, dan terbentuk ketika objek bermuatan listrik dari gelombang osilator (gelombang pembawa) dimodulasi dengan gelombang audio (ditumpangkan frekuensinya) pada frekuensi yang terdapat dalam frekuensi gelombang radio (RF) pada suatu spektrum elektromagnetik, dan radiasi elektromagnetiknya bergerak dengan cara osilasi elektrik maupun magnetik.2. Gelombang Mikro (Micro Wave)
Gelombang Mikro (Micro Wave) adalah gelombang elektromagnetik dengan frekuensi super tinggi (Super High Frequency) yaitu diatas 3 GHz (3×109 Hz)Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, akan muncul efek pemanasan pada benda tersebut. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, makanan menjadi panas dan masak dalam waktu singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam oven microwave.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada radar. Radar digunakan untuk mencari dan menentukan jejak suatu benda dengan gelombang mikro denganfrekuensi sekitar 1010 Hz.
3. Sinar Inframerah (Infra Red)
Inframerah adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang radio. Namanya (dari bahasa Latin infra, “bawah”), merah merupakan warna dari cahaya tampak dengan gelombang terpanjang. Radiasi inframerah memiliki jangkauan tiga “order” dan memiliki panjang gelombang antara 700 nm dan 1 mm. Inframerah ditemukan secara tidak sengaja oleh Sir William Herschell, astronom kerajaan Inggris ketika ia sedang mengadakan penelitian mencari bahan penyaring optik yang akan digunakan untuk mengurangi kecerahan gambar matahari dalam tata surya teleskop.Rumus Gelombang Elektromagnetik
Maxwell menyatakan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan :Persamaan Kecepatan Gelombang Elektromagnetik
# TEORI MAXWELL
Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan, konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang bisa sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar-x.Dua hukum dasarnya adalah yang menghubungkan gejala kelistrikan dan kemagnetan.
Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.
Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik
Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry.
Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.
James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik
Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell.
Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet.
Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.
Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.
Teori Maxwell tentang listrik dan magnet
Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik
Beberapa kaidah tentang kemagnetan dan kelistrikan yang mendukung perkembangan konsep gelombang elektromagnetik antara lain:
- Hukum Coulomb mengemukakan : “Muatan listrik statik dapat menghasilkan medan listrik.”.
- Hukum Biot & Savart mengemukakan : “Aliran muatan listrik (arus listrik) dapat menghasilkan medan magnet”.
- Hukum Faraday mengemukakan : “Perubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik”.
- Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet.
- Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik. Cepat rambat gelombang elektromagnetik (c) tergantung dari permitivitas (e) dan permeabilitas (μ) zat.
Persamaan Kecepatan Gelombang Elektromagnetik
Proses terjadinya medan listrik dan medan magnet berlangsung secara bersama-sama dan menjalar kesegala arah. Arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Jadi gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet dan medan listrik secara berurutan, dimana arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus.
Karena rambatan perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik maka rambatan perubahan medan listrik dan medan magnet lazim disebut gelombang elektromagnetik. (GEM)
Percobaan-percobaan yang teliti membawa kesimpulan :
- Gelombang elektromagnetik menunjukkan gejala-gejala pemantulan, pembiasan, difraksi, polarisasi seperti halnya pada cahaya.
- Diserap oleh konduktor dan diteruskan oleh isolator.
PERCOBAAN HERTZ TENTANG GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Heinrich Hertz adalah orang yang pertama kali menguji hipotesis Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik. Eksperimen Hertz telah membuktikan kebenaran hipotesis Maxwell. Maka akhirnya nama beliau ditetapkan sebagai satuan frekuensi dalam SI yaitu HERTZ (Hz).Sifat-Sifat gelombang elektromagnetik :
- Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang tanpa medium (Ruang Hampa)
- Merupakan gelombang transversal
- Tidak memiliki muatan listrik sehingga bergerak lurus dalam medan magnet maupun medan listrik
- Dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan (refraksi), perpaduan (interferensi), pelenturan (difraksi), pengutuban (polarisasi)
- Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi secara bersamaan, sehingga medan listrik dan medan magnet sefase dan berbanding lurus
SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
c = λ . f
Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray.
Hubungan Frekuensi (f), Panjang Gelombang ( ), dan cepat rambat gelombang elektromagnetik (c):
Contoh Spektrum elektromagnetik:
1. Gelombang Radio
Gelombang radio dikelompokkan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika panjang gelombang tinggi, maka pasti frekuensinya rendah atau sebaliknya. Frekuensi gelombang radio mulai dari 30 kHz ke atas dan dikelompokkan berdasarkan lebar frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh muatan-muatan listrik yang dipercepat melalui kawat-kawat penghantar. Muatan-muatan ini dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator.Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Kamu tidak dapat mendengar radio secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah terlebih dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.
2. Gelombang mikro
Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi yaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, maka makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis.Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan gelombang mikro. Karena cepat rambat glombang elektromagnetik c = 3 X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan penerimaan.
Antena radar dapat berputar ke segala arah yang dapat berfungsi sebagai pemancar dan sekaligus pemancar gelombang elektromagnetik. Apabila selang waktu pengiriman pulsa ke sasaran dan penerimaan pulsa pantulan dari sasaran adalah ▲t, maka jarak sasaran ke pusatradar s dapat ditentukan dengan rumus:
s = c▲t
3. Sinar Inframerah
Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 1011Hz sampai 1014 Hz atau daerah panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. jika kamu memeriksa spektrum yang dihasilkan oleh sebuah lampu pijar dengan detektor yang dihubungkan pada miliampermeter, maka jarum ampermeter sedikit diatas ujung spektrum merah. Sinar yang tidak dilihat tetapi dapat dideteksi di atas spektrum merah itu disebut radiasi inframerah.Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda.
4. Sinar Tampak/ Cahaya
Sinar tampak atau cahaya adalah sinar yang dapat membantu penglihatan kita . Perbedaan sensasi pada mata akibat cahaya yang berbeda frekuensi atau panjang gelombangnya akan menimbulkan warna yang berbeda. Spektrum warna cahaya berdasarkan urutan kenaikan panjang gelombang adalah :- Ungu (390nm-455nm)
- Biru (455nm-492nm)
- Hijau (492nm-577nm)
- Kuning (577nm-597nm)
- Jingga (597nm-622nm)
- Merah (622nm-780nm)
5 Sinar ultraviolet
Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 1015 Hz sampai 1016 Hz atau dalam daerah panjang gelombagn 10-8 m 10-7 m. gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. Matahari adalah sumber utama yang memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi,lapisan ozon yang ada dalam lapisan atas atmosferlah yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan meneruskan sinar ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup di bumi.6. Sinar X
Sinar X mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz . panjang gelombangnya sangat pendek yaitu 10 cm sampai 10 cm. meskipun seperti itu tapi sinar X mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm.
7. Sinar Gamma
Sinar gamma mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz atau panjang gelombang antara 10 cm sampai 10 cm. Daya tembus paling besar, yang menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh.Penerapan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari :
- Radio
Radio energi adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan kisaran panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter. Penggunaan paling banyak adalah komunikasi, untuk meneliti luar angkasa dan sistem radar. Radar berguna untuk mempelajari pola cuaca, badai, membuat peta 3D permukaan bumi, mengukur curah hujan, pergerakan es di daerah kutub dan memonitor lingkungan. Panjang gelombang radar berkisar antara 0.8 – 100 cm.- Microwave
Panjang gelombang radiasi microwave berkisar antara 0.3 – 300 cm. Penggunaannya terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi melalui ruang terbuka, memasak, dan sistem PJ aktif. Pada sistem PJ aktif, pulsa microwave ditembakkan kepada sebuah target dan refleksinya diukur untuk mempelajari karakteristik target. Sebagai contoh aplikasi adalah Tropical Rainfall Measuring Mission’s (TRMM) Microwave Imager (TMI), yang mengukur radiasi microwave yang dipancarkan dari Spektrum elektromagnetik Energi elektromagnetik atmosfer bumi untuk mengukur penguapan, kandungan air di awan dan intensitas hujan.- Infrared
Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan untuk mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Radiasi inframerah dapat juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa sepengetahuannya akan menghalangi sinar dan menyembunyikan alarm. Remote control berkomunikasi dengan TV melalui radiasi sinar inframerah yang dihasilkan oleh LED ( Light Emiting Diode ) yang terdapat dalam unit, sehingga kita dapat menyalakan TV dari jarak jauh dengan menggunakan remote control.- Ultraviolet
Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kuman-kuman penyakit kulit.- Sinar X
Sinar X ini biasa digunakan dalam bidang kedokteran untuk memotret kedudukan tulang dalam badan terutama untuk menentukan tulang yang patah. Akan tetapi penggunaan sinar X harus hati-hati sebab jaringan sel-sel manusia dapat rusak akibat penggunaan sinar X yang terlalu lama. Dari pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa begitu besar peranan gelombang elektromagnetik yang bermanfaat dalam kehidupan kita sehari-hari, tanpa kita sadari keberadaannya.
Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan :
- Panjang gelombang dikalikan dengan frekuensi ialah kecepatan cahaya: 300 Mm/s, yaitu 300 MmHz
- Energi dari foton adalah 4.1 feV per Hz, yaitu 4.1µeV/GHz
- Panjang gelombang dikalikan dengan energy per foton adalah 1.24 µeVm
Biasanya dalam mendeskripsikan energi spektrum elektromagnetik dinyatakan dalam elektronvolt untuk foton berenergi tinggi (di atas 100 eV), dalam panjang gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (? = 0,5 mm). Istilah “spektrum optik” juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (320 – 700 nm)[1].
Dan beberapa contoh spektrum elektromagnetik seperti :
# Radar
(Radio Detection And Ranging),digunakan sebagai pemancar dan penerima gelombang.
# Infra Merah
Dihasilkan dari getaran atom dalam bahan dan dimanfaatkan untuk mempelajari struktur molekul
# Sinar tampak
mempunyai panjang gelombang 3990 Aº – 7800 Aº.
# Ultra ungu
dimanfaatkan untuk pengenalan unsur suatu bahan dengan teknik spektroskopi.
Aplikasi Dan Manfaatnya Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan Sehari-hari
Beberapa contoh aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari diuraikan sebagai berikut :# Teleskop Satelit Inframerah
Sebuah teleskop infra merah Space Infrared Telescope Facility (SIRTF) atau Fasilitas Teleskop Infra Merah Ruang Angkasa. SIRTF adalah sistem peneropongan bintang keempat yang diluncurkan NASA. Sebelumnya badan angkasa luar Amerika Sserikat itu telah meluncurkan Teleskop Angkasa Hubble, diorbitkan pesawat ulang alik tahun 1990; Gamma Ray Observatory, diluncurkan tahun 1991; dan Chandra X-Ray Observatory diluncurkan tahun 1999.Masing-masing sistem peneropongan itu digunakan untuk mengamati cahaya-cahaya dengan warna yang berbeda, yang tidak dapat dilihat dari permukaan Bumi. Masing-masing sistem juga memiliki fungsi berbeda satu dengan lainnya.
Dengan Teleskop Hubble, para peneliti mencari obyek “paling merah” yang berarti jaraknya sangat jauh. Dengan SIRTF akan bisa melihat populasi bintang di dalam obyek sangat jauh tersebut karena SIRTF akan bekerja dalam gelombang cahaya infra merah.
Sebelum itu pada tahun 1983 kerja sama antara Amerika Serikat, Belanda, dan Inggris telah meluncurkan IRAS (the Infrared Astronomical Satellite) atau Satelit Astronomi Inframerah, yang juga masih berfungsi sampai dengan sekarang.
# Diagnosa Menggunakan sinar X
Patah tulang, penyakit dalam dapat dideteksi dan didiagnosa oleh dokter dengan akurat dengan bantuan sinar X atau sinar Röntgen.Sejak ditemukan sinar X pada tahun 1895 oleh Wilhelm Conrad Röntgen , dunia medis mendapatkan kemajuan pesat untuk mengobati penyakit dalam atau sakit patah tulang. Dengan hasil images film sinar X tim dokter mendapat informasi jelas bagian mana yang harus mendapatkan penanganan.
# Teleskop Radio
Teleskop radio untuk menangkap gelombang radio dan mendeteksi sinyal-sinyal lain (pulsar) dari angkasa luar. Penemuan gelombang radio yang datang dari angkasa luar dan berhasil dideteksi di bumi oleh Karl Jansky seorang insinyur listrik dari laboratorium Telepon Bell pada tahun 1931, telah berhasil mengembangkan astronomi radio. Deretan teleskop radio sebanyak 27 buah dibangun dekat Socorro di New Meksiko.Untuk beberapa dekade astronomi radio mengalami kemajuan pesat dan berhasil memberikan gambaran tentang alam semesta dengan banyak dideteksinya spektrum gelombang lain yang datang dari angkasa luar seperti infa merah, ultraungu, sinar X, sinar gamma, dan pulsar-pulsar lain hingga berhasil ditemukannya bintang netron. Lebih jauh lagi bahkan berhasil menguak banyak hal tentang sinar-sinar kosmik yang akhirnya diteliti mendalam oleh ilmuwan-ilmuwan fisika inti khususnya partikel elementer.
# Pemanfaatan Solar Sel Untuk Menangkap Energi Cahaya Matahari
Gelombang elektromagnetik dari matahari dalam bentuk cahaya tampak pada siang hari dapat ditangkap oleh sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor misalnya silikon. Sel surya akan mengubah energi panas ini menjadi energi listrik dan dapat menghasilkan tegangan listrik.Pada siang hari tegangan listrik disimpan dalam baterei atau accumulator sehingga pada malam hari dapat dimanfaatkan untuk menyalakan peralatan listrik atau memanaskan air. Solar sel juga dikembangkan untuk menggerakkan mobil tanpa bahan bakar migas.
Oscilator Penghasil Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik telah diketahui keberadaannya. Permasalahannya dapatkah gelombang elektromagnetik diproduksi terus-menerus. Berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday berhasil diketemukan bahwa rangkaian oscilasi listrik dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik terus menerus. Frekuensi yang dihasilkan gelombang elektromagnetik disebut frekuensi resonansi, untuk rangkaian LC dirumuskan
Contoh Soal
Gelombang elektromagnetik dalam suatu medium memiliki kelajuan 2,8 x 108 m/s.Jika permitivitas medium 12,76 x 10–7 wb/Am, tentukanlah permeabilitas medium tersebut.Jawaban:
Diketahui:
c = 2,8 x 108 m/s,
ε = 12,76 x 10–7 wb/Am.
Dengan menggunakan Persamaan Maxwell, diperoleh:
Penyelesaian