konsep gelombang elektromagnetik maxwell menyatakan bahwa

SMA NEGERI 2 TAMBUN SELATAN BEKASI
anhari aqso,S.Si.MM
[email protected]
fisikaanhariaqso.wordpress.com
STANDAR KOMETENSI
KOMETENSI DASAR
INDIKATOR
MATERI
MENERAPKAN KONSEP DAN
PRINSIP GEJALA GELOMBANG
DAN OPTIK DALAM
MENYELESAIKAN MASALAH
MELAKUKAN KAJIAN ILMIAH UNTUK
MENGENALI GEJALA DAN CIRI-CIRI
GELOMBANG ELEKTEOMAGNETIK SERTA
PENERAPANNYA
MENJELASKAN APLIKASI EFEK
DOPPLER SEPERTI PADA
RADAR
PETA
KONSEP
2.1 GELOMBANG ELEKTOMAGNETIK
KONSEP GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
MAXWELL MENYATAKAN
BAHWA GANGGUAN PADA
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK BERUPA MEDAN
LISTRIK DAN MEDAN
X
MAGNETIK YANG SELALU
SALING TEGAK LURUS, DAN
KEDUANYA TEGAK LURUS
TERHADAP ARAH RAMBATAN
GELOMBANG
X= ARAH RAMBATAN
SELANJUTNYA
MAXWELL
MENEMUKAN
RUMUS CEPAT
RAMBAT CAHAYA
ADALAH …….
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
•
•
Gelombang listrik
gelombang magnet
1
vc
 o o
Ket: c = cepat rambat gelombang
elektromegnetik
HUBUNGAN ANTARA AMPLITODO KUAT MEDAN LISTRIK DAN
AMPLITUDO KUAT MEDAN MAGNET
Berdasarkan persamaan maxwell, solusi
terbaik dari gelombang bidang elektromagnetik adalah
suatu gelombang e dan b berubah terhadap x dan t
seusai dengan persamaan:
Y
E
B = Bm cos (kx-ωt)
C
B
E = Em cos (kx-ωt)
E
C X
B
Z
SEBUAH GELOMBANG BIDANG
ELEKTROMAGNETIK YANG MERABAT
DALAM ARAH X POSITIF. MEDAN LISTRIK
ADALAH SEARAH SUMBU Y DAN MEDAN
MAGNET ADALAH SEATAH SUMBU Z.
SEHINGGA MEDAN MAGNET INI HANYA
BERGANTUNG PADA X DAN t
Ket : Em
= Nilai maxsimum amplitudo kuat medan listrik
Bm = Nilai maxsimum amplitudo kuat medan
magnetik
Nilai perbandingan
antara ω/k sama
dengan cepat rambat
c, karena
K = 2π /Λ
ω = 2π f
ω/k
= 2πf/2f/Λ
=Λ.f
=c
Sifat-sifat GEM
(b) Arah medan listrik tegak lurus dengan arah medan magnet dan
tegak lurus dengan arah penjalaran sehingga GEM adalah
gelombang transversal
(c) Besarnya kecepatan GEM adalah perbandingan besar medan listrik
dan medan magnet
vc
E
di ruang hampa / udara
B
y
E
z
B
k
Hubungan antara E, B danx k
(a) Persamaan-persamaan
Maxwell
• Listrik dan magnet
awalnya dianggap
sebagai sesuatu yang
terpisah
• Pada tahun 1865, James
Clerk Maxwell
menyampaikan teori
matematik yang
menunjukkan hubungan
antara semua fenomena
listrik dan magnet
Prediksi Maxwell
• Garis Medan listrik berawal dari muatan positif dan berakhir di
muatan negatif
 Medan listrik dihasilkan oleh muatan
• Garis Medan magnet selalu dalam bentuk loop tertutup-tidak berawal
dan tidak berujung dimanapun
 Medan magnet dihasilkan oleh arus (muatan yang bergerak)
• Perubahan Medan magnet menyebabkan ggl dan medan listrik
(Hukum Faraday)
Pertanyaan: apakah ada kesimetrian antara medan listrik dan
medan magnet, misalnya medan magnet dapat dihasilkan oleh
perubahan medan listrik???
Maxwell: YA!!!
 Medan magnet juga dihasilkan oleh perubahan medan listrik
Prediksi Maxwell (lanjutan)
• Jika medan magnet dapat menghasilkan medan listrik dan sebaliknya,
ada fenomena sangat menarik untuk diamati
– Perubahan medan listrik menghasilkan medan magnet …
– … yang kembali menghasilkan perubahan medan listrik
– … yang kembali menghasilkan perubahan medan magnet…
– ..dst
• Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya tampak dan semua gelombang
elektromagnetik lain terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang
saling berfluktuasi dan tergandeng, dengan tiap medan menginduksi
medan yang lain
• Maxwell memperoleh nilai kecepatan cahaya yaitu 3x108 m/s
Bukti prediksi Maxwell
• Hertz (1887) membuktikan secara
experimen bahwa ternyata:
– Arus bolak-balik menghasilkan GEM, ada
komponen medan listrik dan medan magnet
tergandeng
– Gelombang ini dapat dipantulkan, dibiaskan,
mengalami difraksi
BERDASARKAN PERSAMAAN MAXWELL, SOLUSI TERBAIK DARI
GELOMBANG BIDANG
ELEKTROMAGNETIK
ADALAH SUATU GELOMBANG BERJALAN
SINUSOIDAL, DI MANA
AMPLITODO E DAN B
BERUBAH TERHADAP X
DAN T SESUAI DENGAN
PERSAMAAN :
E = E cos (kx - t)
B = B cos (kx - wt
Karena ω/k = c
maka Bm/ Em = E/B = C
Jadi, pada setiap saat, nilai perbandingan antara amplitodo kuat
medan listrik dan amplitudo kuat medan magnetik dari suatu
gelombang elektromagntik sama dengan cepat gelombang
cahaya.
Laju energi yang dipindahkan melalui gelombang
elekrtomagnetik disebut poynting ( lambang S )
Dan didefinisikan oleh persamaan
vektor:
S = I/µ0
S = I/µ0
Y
.ExB
E
Karena pada gelombang
bidang ini E tegak lurus B,
maka S = I/µ0 . E x B sin θ
S = EB/µ0
Sebab sin θ = 1
S X
0
B
Energi dan momentum GEM:
Vektor Poynting dan Intensitas
Intensitas (I)=(rapat energi rata-rata) x laju gelombang
Intensitas sesaat=rapat energi sesaat x laju gelombang
I sesaat  wv  wc 
EB
o
Karena E dan B adalah fungsi sinuisoidal maka
I sesaat 
EoBo sin 2 (kx - t)
o
Biasanya dinyatakan dengan vektor poynting (S)
S
ExB
o
 S 
EB sin 2 (kx  t )
o
 I sesaat
Vektor Poynting=Laju aliran energi
gelombang elektromagnetik per
satuan luas bidang yang ditembusnya
Karena ingin mencari intensitas (rata-rata) maka rata-rata fungsi kuadrat
dari sinus adalah ½ sehingga
I
Eo B o
I
 S
2 o
rata  rata
Sehingga laju energi rata-rata per m2 gelombang elektromagntik, S, yaitu:
S = Em . Bm / 2. µ0
Keterangan : S = Laju energi rata-rata per m2 yang dipindahkan melalui
gelombang elektromagnetik ( J/s m2 = W/m
Em = Amplitudo maksimum kuat medan listrik (N/C)
Bm = Amplitudo maksimum kuat medan magnetik (Wb/m2 = T
C
= cepat rambat gelombang elektromagnetik = 3x108 m/s
µ0 = 4πx10-7 Wb A-1m-1
• Difraksi : pembelokan gelombang di sekitar suatu
penghalang atau pinggir celah
Suatu gelombang melewati suatu celah
•Jika lebar celah<λ maka akan terjadi difraksi Saat
difraksi terjadi arah penjalaran dan bentuk gelombang
dapat berubah. Jika lebar celah sangat kecil maka di
sekitar celah seolah-olah ada sumber titik pada celah
tersebut sehingga dapat menjadi sumber gelombang
baru
•Jika lebar celah atau perintang > λ dekat tepi lubang,
muka gelombang akan terdistorsi dan gelombang
tampak sedikit membelok. Namun sebagian muka
gelombang tidak terpengaruh
•Jika lebar celah atau perintang >> λ,
difraksi/pembelokan muka gelombang tidak akan
teramati dan gelombang menjalar dengan garis atau
berkas lurus
Difraksi pada kehidupan sehari-hari:
Experimen sederhana Difraksi cahaya
layar
Terang
pada
pusat
Uang
logam
Difraksi cahaya (pembelokkan) di
sekitar uang logam menyebabkan
interferensi sehingga
menghasilkan pola pada layar
Hasil pengamatan Difraksi cahaya
(pembelokkan) di sekitar uang
logam. Pola ini hanya dapat
dihasilkan jika suber cahaya
monokromatik yaitu cahaya
dengan satu panjang gelombang
saja (mis:laser)
Cahaya yang mlewati sebuah celah sempit yang seukuran dengan panjang
gelombang cahaya, mengalami lenturan atau Dfraksi. Utuk difraksi celah
tunggal yang kita amati adalah ita gelap. Pita gelap ke – n terjadi jika,
d sin θ = n. Λ
Λ = d sin θ θ / n
n = 1,2,3,…
n = 1 untuk pita gelap ke – 1,
n = 2 untuk pita gelap ke – 2,….
θ = sudut simpang (Sudut Deviasi).
Lebar pita terang pusat = 2y1, dengan y1 adalah jarak pita gelap ke - 1 dari
titik tengah terang pusat , dihitung sebagai berikut :
dyi / L= 1.
Atau
y1 = L Λ / d
Dengan L adalah jarak celah tunggal ke layar.
PERBESARAN SISTEM ALAT OPTIK DIBATASI
OLEH DIFRAKSI
Suatu kriteria yang menyatakan bagaimana bayangan dari dua
dua benda titik yang masih dapat dipisahkan dengan baik oleh
suatu lensa, pertama diusulkan oleh LORD RAYLEIGH (18871905), disebut kriteria Rayleigh, yang berbunyi sebagai
berikut.
Dua benda titik tepat akan dapat pisahkan ( diedakan) jika
pusat dari pola difraksi benda titik pertama berimpit dengan
minimum pertama dari pada difraksi benda titik dua.
Ukuran sudut pemisahan agar dua benda titik masih dapat
dipisahkan secara tepat brdasarkan kriteria Rayleigh disebut
batas sudut resolusi atau sudut resolusi minimum (lambang θm),
dinyatakan oleh:
Sin θm = 1,22 Λ / d
Karena sudut θm sangat kecil maka sin θm ≈ θm , sehingga persamaan
menjadi
θm = 1,22 Λ / D
Dengan : θm = sudut resolusi minimum (radian)
Λ = Panjang gelombang (m)
D = Diaeter bukaan alat optik (m)