Gelombang Elektromagnetik

Gelombang Elektromagnetik
Teori gelombang elektromagnetik pertama kali dikemukakan oleh
James Clerk Maxwell (1831–1879). Hipotesis yang dikemukakan
oleh Maxwell, mengacu pada tiga aturan dasar listrik-magnet
berikut ini.
1. Muatan medan listrik dapat menghasilkan medan listrik
disekitarnya, yang besarnya diperlihatkan oleh hukum
Coulumb.
2. Arus listrik atau muatan yang mengalir dapat menghasilkan
medan magnet disekitarnya yang besar dan arahnya
ditunjukkan oleh hukum Bio-Savart atau hukum Ampere.
3. Perubahan medan magnetik dapat menimbulkan GGL
induksi yang dapat menghasilkan medan listrik dengan
aturan yang diberikan oleh hukum induksi Faraday.
Berdasarkan aturan tersebut, Maxwell mengemukakan
sebuah hipotesis sebagai berikut: “Karena perubahan medan
magnet dapat menimbulkan medan listrik, maka perubahan medan
listrik pun akan dapat menimbulkan perubahan medan magnet”.
Hipotesis tersebut digunakan untuk menerangkan terjadinya
gelombang elektromagnet.
Menurut Maxwell, ketika terdapat perubahan medan listrik (E),
akan terjadi perubahan medan magnetik (B). Perubahan medan
magnetik ini akan menimbulkan kembali perubahan medan listrik
dan seterusnya. Maxwell menemukan bahwa perubahan medan
listrik dan perubahan medan magnetik ini menghasilkan gelombang
medan listrik dan gelombang medan magnetik yang dapat
merambat di ruang hampa. Gelombang medan listrik (E) dan
medan magnetik (B) inilah yang kemudian dikenal dengan nama
gelombang elektromagnetik.
Arah getar dan arah rambat gelombang medan listrik dan
medan magnetik saling tegak lurus (dapat dilihat pada Gambar
berikut) sehingga gelombang elektromagnetik termasuk gelombang
transversal.
1
Perambatan gelombang elektromagnetik
Maxwell menyatakan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan :
1
c
μo εo
dengan:
c = laju perambatan gelombang elektromagnetik dalam
ruang hampa.
μo = permeabilitas ruang hampa (4π x 10–7 N s2/C2)
εo = permitivitas ruang hampa, ( 8,85 x 10-12 C2/Nm2)
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 :
1
c
με
dengan:
c = laju perambatan dalam medium
ε = permitivitas medium
μ = permeabilitas medium
Contoh :
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.
2
Jawab
Diketahui:
c = 2,8 x 108 m/s,
ε = 12,76 x 10–7 wb/Am.
Dengan menggunakan Persamaan Maxwell, diperoleh :
1
c
με
1
μ 2
c ε
1

8 2
(2,8 x 10 ) (12,76 x 10 -7 )
= 2,7 x 10-3 wb/Am
Percobaan Gelombang Elektromagnetik
Sampai akhir hayatnya ternyata Maxwell belum bisa
membuktikan hipotesa tentang teori gelombang elektromagnetik.
Pada tahun 1887, Heinrich Hertz ilmuwan fisika yang pertama kali
menguji hipotesa Maxwell ini dengan kumparan Ruhmkorf seperti
ditunjukkan pada Gambar berikut.
Kumparan Ruhmkorf untuk membangkitkan dan
mendeteksi gelombang elektromagnetik
Jika sakelar S digetarkan maka kumparan Ruhmkorf akan
menginduksikan pulsa tegangan pada kedua elektrode bola di sisi
A sehingga terjadi percikan api karena adanya pelepasan muatan.
Percikan bunga api di sisi A diikuti percikan bunga api pada kedua
elektrode bola di sisi B. Berdasarkan pengamatan ini, disimpulkan
terjadi pengiriman tenaga gelombang elektromagnetik dari sisi A
(loop pengirim) ke sisi B (loop penerima).
3
Dalam percobaan-percobaan selanjutnya, Hertz berhasil mengukur
kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini seperti yang
diramalkan oleh Maxwell, yakni 3 x 108 m/s.
Sifat-sifat gelombang elektromagnetik yang didasarkan dari
eksperimen adalah sebagai berikut.
1. Merupakan perambatan getaran medan listrik dan medan
magnet yang saling tegak lurus terhadap arah rambatnya
dan termasuk gelombang transversal,
2. Tidak bermuatan listrik sehingga tidak dipengaruhi atau tidak
dibelokkan oleh medan listrik atau medan magnet,
3. Tidak bermassa dan tidak dipengaruhi medan gravitasi,
4. Merambat dalam lintasan garis lurus,
5. Dapat merambat di ruang hampa,
6. Dapat mengalami pemantulan, pembiasan, interferensi,
difraksi, serta polarisasi,
7. Kecepatannya di ruang hampa sebesar 3 x 108 m/s.
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Berbagai jenis gelombang elektromagnetik hanya berbeda
dalam frekuensi dan panjang gelombangnya. Hubungan kecepatan
perambatan gelombang, frekuensi, dan panjang gelombang
dinyatakan sebagai berikut.
c=fxλ
Keterangan:
c = kecepatan perambatan gelombang (m/s)
f = frekuensi gelombang (Hz)
λ = panjang gelombang (m)
Contoh :
Sebuah gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa
dengan kecepatan 3 x 108 m/s. Jika panjang gelombangnya 30 m,
maka tentukan frekuensi gelombang tersebut?
Penyelesaian :
Diketahui :
c = 3 × 108 m/s
λ = 30 m/s
Ditanyakan : f = ... ?
4
Jawab :
c

3 x 10 8

30
= 107 Hz
f
Perbedaan interval/ jarak panjang gelombang dan frekuensi
gelombang yang disusun secara berurutan disebut spektrum
gelombang elektromagnetik.
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Spektrum gelombang elektromagnetik diurutkan mulai panjang
gelombang paling pendek sampai paling panjang adalah sebagai
berikut:
 Sinar gamma (γ)
 Sinar X (rontgen)
 Sinar ultra violet (UV)
 Sinar tampak (cahaya tampak)
 Sinar infra merah (IR)
 Gelombang radar (gelombang mikro)
 Gelombang televisi
 Gelombang radio
5
Energi Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik membawa energi dalam bentuk
medan listrik dan medan magnet. Kita tinjau suatu gelombang
elektromagnetik yang menjalar ke arah sumbu x, maka medan
listrik dan medan magnet sesaatnya dapat dinyatakan dengan
persamaan berikut.
E = Em sin (kx - ωt)
B = Bm sin (kx - ωt)
dengan:
Em = amplitudo medan listrik,
Bm = amplitudo medan magnet,
k = tetapan angka gelombang ( k 
2
),

ω = frekuensi sudut, ω = 2 πf
Maxwell berhasil menemukan hubungan antara amplitudo medan
listrik dan amplitudo medan magnet yaitu:
E
c
B
dengan:
c = laju perambatan gelombang elektromagnetik
di ruang hampa. ( 3 x 108 m/s).
Suatu gelombang elektromagnetik mempunyai medan listrik dan
medan magnet, sehingga gelombang elektromagnetik ini juga
membawa tenaga atau rapat energi (besar energi per satuan
volume).
Rapat energi listrik dinyatakan sebagai berikut :
ue =
1
εo E2
2
dengan:
ue = rapat energi listrik (J/m3 atau Jm-1)
εo = permitivitas listrik ( 8,85 x 10-12 C2 N-1 m-2 )
E = kuat medan listrik (N/C atau NC-1).
6
Rapat energi magnet dinyatakan sebagai berikut:
B2
um 
2μ o
dengan:
um = rapat energi magnet (J/m3 atau Jm-3 ),
μo = permeabilitas magnet = 4π x 10-7 Wb A-1 m-1 )
B = besar induksi magnet (Wb/m2 = T).
Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan Sehari-hari
1. Sinar Gamma ( γ )
 Sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik yang
mempunyai frekuensi antara 1020 Hz - 1025 Hz.
 Sinar gamma merupakan hasil reaksi yang terjadi dalam
inti atom yang tidak stabil.
 Sinar gamma mempunyai daya tembus yang paling kuat
dibanding gelombang elektromagnetik yang lain.
 Sinar gamma dapat menembus pelat besi yang tebalnya
beberapa cm.
 Penyerap yang baik untuk sinar gamma adalah timbal
(Pb).
 Aplikasi sinar gamma dalam bidang kesehatan adalah
untuk mengobati pasien yang menderita penyakit kanker
atau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan pada
pengobatan penyakit ini adalah Cobalt-60 atau sering
ditulis Co-60. Salah satu alat untuk mendeteksi sinar
gamma adalah detektor Geiger - Muller. Ada jenis
detektor sinar gamma yang lain yaitu detektor sintilasi
NaI-TI.
2. Sinar-X (Rontgen)
 Sinar-X ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen pada
tahun 1895 sehingga sering disebut sebagai sinar
Rontgen.
 Sinar-X termasuk gelombang elektromagnetik yang
mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz.
 Sinar-X merupakan hasil transisi elektron-elektron di kulit
bagian dalam atom.
7
 Sinar-X mempunyai daya tembus terbesar kedua
sesudah sinar gamma.
 Sinar-X dapat menembus daging manusia.
Aplikasi Sinar-X
 Dalam bidang kesehatan untuk mengecek pasien yang
mengalami patah tulang.
 Sinar-X juga digunakan di bandara pada pengecekan
barang-barang penumpang di pesawat.
 Di pelabuhan digunakan untuk mengecek barang-barang
(peti kemas) yang akan dikirim dengan kapal laut.
3. Sinar Ultraviolet (UV)
 Sinar ultraviolet termasuk gelombang elektromagnetik
 yang mempunyai frekuensi antara 1015 Hz - 1016 Hz.
 Sinar ultraviolet ini merupakan hasil transisi elektronelektron pada kulit atom atau molekul.
 Sinar ultraviolet tidak tampak dilihat oleh mata telanjang
tetapi sinar ini dapat dideteksi dengan menggunakan
pelat-pelat film tertentu yang peka terhadap gelombang
ultraviolet.
 Matahari merupakan sumber radiasi ultraviolet yang
alami. Sinar ultraviolet yang dihasilkan oleh matahari
tidak baik pada kesehatan khususnya kulit jika mengenai
manusia. Manusia terlindungi dari sinar ultraviolet dari
matahari karena adanya lapisan ozon di atmosfer yang
berfungsi menyerap sinar ultraviolet ini.
Aplikasi sinar ultraviolet :
 banyak dipakai di laboratorium pada penelitian bidang
spektroskopi, salah contohnya untuk mengetahui unsurunsur yang ada dalam bahan-bahan tertentu.
4. Sinar Tampak (Cahaya)
 Sinar tampak sering juga disebut sebagai cahaya.
 Sinar tampak termasuk gelombang elektromagnetik yang
 mempunyai frekuensi antara 4,3 x 1014 Hz - 7 x 1014 Hz.
 Matahari merupakan sumber cahaya tampak yang alami.
Sinar tampak ini terdiri dari berbagai warna, dari warna
merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu. Kita semua
8
bisa melihat warna benda karena benda memantulkan
warna-warna ini dan masuk kembali ke mata kita.
Aplikasi :
 dengan
cahaya
kita
bisa
melihat
indahnya
pemandangan,
 kita dapat memotret sehingga gambarnya menjadi
berwarna seperti aslinya,
 kita dapat melihat televisi berwarna, dan sebagainya.
 sinar tampak juga banyak dipakai dalam bidang
spektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang ada
dalam bahan.
5. Sinar Inframerah (IR)
 Sinar inframerah ini merupakan hasil transisi vibrasi atau
rotasi pada molekul.
 Sinar inframerah termasuk gelombang elektromagnetik
yang mempunyai frekuensi di bawah 4,3 x 1014 Hz
sampai sekitar 3 Ghz.
 Sinar inframerah tidak tampak dilihat oleh mata telanjang
tetapi sinar infra merah dapat dideteksi dengan
menggunakan pelat-pelat film tertentu yang peka
terhadap gelombang inframerah.
Aplikasi :
 Pesawat udara yang terbang tinggi ataupun satelit-satelit
dapat membuat potret-potret permukaan bumi, dengan
mempergunakan gelombang inframerah.
 Sinar inframerah juga banyak dipakai dalam bidang
spektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang ada
dalam bahan.
6. Gelombang Radar (Gelombang Mikro)
 Gelombang mikro (microwave) mempunyai frekuensi di
kisaran 3 GHz.
Aplikasi :
 Gelombang mikro ini dapat digunakan untuk alat
komunikasi, memasak (microwave), dan radar (Radio
Detection and Ranging ).
9
 Dalam bidang transportasi, gelombang radar dipakai
untuk membantu kelancaran lalu lintas pesawat di
pangkalan udara atau bandara.
 Gelombang radar digunakan juga pada bidang
pertahanan yaitu untuk melengkapi pesawat tempur
sehingga bisa mengetahui keberadaan pesawat musuh.
7. Gelombang Televisi
 Gelombang televisi mempunyai frekuensi yang lebih
tinggi dari gelombang radio.
 Gelombang televisi ini merambat lurus, tidak dapat
dipantulkan oleh lapisan-lapisan atmosfer bumi.
Aplikasi :
 Gelombang televisi banyak dipakai dalam bidang
komunikasi dan siaran.
8. Gelombang Radio
 Gelombang radio ini dipancarkan dari antena pemancar
dan diterima oleh antena penerima. Luas daerah yang
dicakup dan panjang gelombang yang dihasilkan dapat
ditentukan dengan tinggi rendahnya antena.
 Gelombang radio tidak dapat secara langsung didengar,
tetapi energi gelombang ini harus diubah menjadi energi
bunyi oleh pesawat radio sebagai penerima.
Aplikasi :
 gelombang radio sering digunakan untuk komunikasi
yaitu penggunaan pesawat telepon, telepon genggam
(hand phone), dan sebagainya.
10