gelombang elektromagnetik (gem)

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Bagaimana alat-alat berikut
bekerja?
Alat-alat tersebut bekerja menggunakan
gelombang elektromagnetik.
Apakah Gelombang Elektromagnetik ?
Gelombang elektromagnetik
adalah gelombang yang tidak
memerlukan medium untuk
merambat dan dapat
merambat dalam ruang hampa.
 Gelombang Sinusoidal Dalam Domain Ruang

Panjang gelombang

Amplituda
A
x
Bilangan gelombang
y  A sin (
2

x)
y  A sin (k x)
4
 Gelombang Sinusoidal Dalam Domain Waktu

Perioda
T
Amplituda
A
t
Frekuensi
2
y  A sin ( t )
T
y  A sin (2  f t )
y  A sin ( t )
Frekuensi sudut
5
 Dalam Domain Ruang Dan Waktu
y  A sin (k x   t )
A  Amplituda
k 
2

 Bilangan gelombang
  Panjang gelombang
  2  f  Frekuensi sudut
f  Frekuensi
6
 MACAM GELOMBANG
 Gelombang Elektromagnetik
 Tidak memerlukan medium untuk menjalar
 Persamaan Maxwell
 Gelombang transversal
 Gelombang Mekanik
 Memerlukan medium untuk menjalar
 Persamaan Newton
 Gelombang longitudinal dan transversal
7
 GELOMBANG ELECTROMAGNETIK








Cahaya tampak
Sinar infra merah
Sinar ultra ungu
Gelombang radio AM
Gelombang radio FM
Gelombang televisi VHF
Gelombang televisi UHF
Sinar – x
8
 GELOMBANG MEKANIK





Gelombang tali
Gelombang permukaan air
Gelombang seismik
Gelombang tegangan
Gelombang akustik
• Gelombang infrasonik (f < 20 Hz)
• Gelombang suara (20 Hz < f < 20 kHz)
• Gelombang ultrasonik (f > 20 kHz)
9
 Contoh 1.1
Frekuensi gelombang radio pendek (short wave
radio) seperti gelombang radio FM dan televisi VHF
berkisar antara 1,5 MHz – 300 MHz. Tentukan
daerah panjang gelombangnya.
Jawab :
Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara
adalah 3x108 m/s.
8
c

f
3x10
1 
1m
6
300x10
3x108
2 
 200 m
6
1,5x10
10
 Contoh 1.2
Panjang gelombang dari cahaya tampak berkisar
antara 400 nm untuk warna ungu dan 700 nm untuk
warna merah. Tentukan daerah frekuensi dari cahaya
tampak ini.
Jawab :
Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara
adalah 3x108 m/s.
8
c
f

f merah
3x10
14

 4,3x10 Hz
9
700x10
8
3x10
14
f ungu 
 7,5x10 Hz
9
400x10
11
 Contoh 1.3
Sinar-x mempunyai panjang gelombang yang
berkisar antara (0,01 – 5) nm. Tentukan daerah
frekuensi dari sinar-x ini.
Jawab :
Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara
adalah 3x108 m/s.
8
c
f

3x10
16
f1 

6
x
10
Hz
9
5x10
3x108
19
f2 

3
x
10
Hz
9
0,01x10
12
 Contoh 1.4
Frekuensi dari gelombang akustik yang dapat
didengar oleh manusia berkisar antara 20 Hz – 20
kHz. Tentukan daerah panjang gelombangnya.
Jawab :
Kecepatan gelombang suara atau bunyi di udara
adalah 343 m/s.
c

f
343
1 
 17,15 mm
3
20x10
343
2 
 17,15 m
20
13
 Contoh 1.5
Gelombang akustik yang digunakan dalam uji tak
rusak (UTR) pada baja biasanya berfrekuensi tinggi
antara 2 – 10 MHz yang disebut gelombang
ultrasonik. Tentukan daerah panjang gelombang
dari gelombang ultrasonik di dalam baja ini.
Jawab :
Kecepatan gelombang ultrasonik di dalam baja
adalah 5850 m/s.
c

f
5850
1 
 0,585 mm
6
10 x10
5850
2 
 2,925 mm
6
2x10
14
 Contoh 1.6
Gelombang ultrasonik yang digunakan dalam
pengukuran aliran gas biasanya berfrekuensi antara
40 -100 kHz. Tentukan daerah panjang gelombang
dari gelombang ultrasonik di dalam gas ini.
Jawab :
Kecepatan gelombang ultrasonik di dalam gas
adalah sekitar 400 m/s.
c

f
400
1 
 4 mm
3
100 x10
400
2 
 10 mm
3
40x10
15
 Contoh 1.7
Suatu gelombang ultrasonik berfrekuensi 100 kHz menjalar di
dalam gas yang mempunyai kecepatan gelombang sebesar 400
m/s. Gelombang ini berupa gelombang sinusoidal dengan
amplituda tekanan akustik sebesar 2 Pa. Nyatakan gelombang
tersebut secara matematis sebagai fungsi ruang dan waktu.
Jawab :
c
400
3
 

4
x
10
m
3
f 100 x10
2
2
3
k


1
,
57
x
10
rad / m
3
 4x10
  2 f  2 (100x103 )  0,628x106 rad / s


p  2 Sin t  kX  2 Sin 0,628 x106 t  1,571 x103 X Pa
16
Beberapa Percobaan Gelombang Elektromagnetik
• Percobaan Oersted yang berhasil membuktikan : arus
listrik dalam konduktor menghasilkan medan magnet
disekitarnya (jarum kompas menyimpang bila di
dekatkan pada kawat yang dialiri arus listrik)
• Percobaan Faraday yang berhasil mebuktikan batang
konduktor yang menghasilkan GGL induksi pada kedua
ujungnya bila memotong medan magnet
• Percobaan Faraday yang menunjukkan perubahan fluks
magnetik pada kumparan menghasilkan arus induksi
dalam kumparan tersebut
Kebenaran Hipotesa Maxwell
tentang adanya gelombang
elektromagnetik
pada
akhirnya dibuktikan oleh
“Heinrich Hertz”
Heinrich menemukan
cara menghasilkan
gelombang radio dan
menentukan kelajuannya
Sketsa gelombang elektromagnetik
Sifat-sifat gelombang elektromagnetik
1. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang
tanpa medium
2. Merupakan gelombang transversal
3. Tidak memiliki muatan listrik sehingga bergerak lurus dalam
medan magnet maupun medan listrik
4. Dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan
(refraksi), perpaduan (interferensi), pelenturan (difraksi),
pengutuban (polarisasi)
5. Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi secara
bersamaan, sehingga medan listrik dan medan magnet sefase
dan berbanding lurus
Spektrum GEM
adalah rentang semua radiasi elektromagnetic yang
mungkin yang dapat diukur dari frekuensi, panjang
gelombang dan energi photon yang terkandung.
SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Urutan spektrum gelombang electromagnetik berdasar
Kenaikan frekuensi atau penurunan panjang gelombang:
1.
Gelombang radio
Jangkauan frekuensi cukup luas, memiliki 2 jenis modulasi, yaitu AM
(jangkauan luas) dan FM (jangkauan sempit).
2. Gelombang mikro
Digunakan untuk alat-alat elektronik, alat komunikasi, alat memasak
(oven) dan radar.
3.
Sinar inframerah
Dihasilkan oleh molekul dan benda panas, digunakan di bidang industri,
medis, dan astronomi (pemotretan bumi dari satelit).
4.
5.
6.
7.
Sinar tampak (cahaya)
Adalah sinar yang dapat membantu penglihatan kita. Perbedaan
frekuensi cahaya menimbulkan spektrum warna cahaya
Sinar ultraviolet
Dihasilkan dalam atom-atom dan molekul-molekul dalam loncatan
listrik. Matahari adalah sumber utama sinar ini. Dibidang industri
digunakan untuk proses sterilisasi.
Sinar X
disebut juga sinar Rontgen, sesuai penemunya. Sinar ini
dihasilkan akibat tumbukan elektron berkecepatan tinggi di
pemukaan logam. Dibidang kedokteran digunakan untuk
diagnosa dan terapi medis, sedangkan di bidang industri, siner x
digunakan untuk analisis struktur bahan.
Sinar gamma
Merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang
gelombang terpendek dan frekuensi tertinggi, dihasilkan dari inti
atom yang tidak stabil ataupun sinar kosmis. Daya tembus sangat
besar, mampu menembus pelat timbal.
GELOMBANG RADIO
Gelombang Radio
• Radio adalah bentuk level energi
elektromagnetik terendah, dengan kisaran
panjang gelombang dari ribuan kilometer
sampai kurang dari satu meter.
Name
Frequency &Wavelength
Aplications
ELF
3–30 Hz
100,000 km – 10,000 km
Communication with submarines
SLF
30–300 Hz
10,000 km – 1000 km
Communication with submarines
ULF
300–3000 Hz
1000 km – 100 km
Communication within mines
VLF
3–30 kHz
100 km – 10 km
Submarine communication, avalanche beacons, wireless heart rate
monitors, geophysic
LF
30–300 kHz
10 km – 1 km
Navigation, time signals, AM longwave broadcasting, RFID
300–3000 kHz
1 km – 100 m
AM (Medium-wave) broadcasts
HF
3–30 MHz
100 m – 10 m
Shortwave broadcasts, amateur radio and over-the-horizon aviation
communications, RFID
VHF
30–300 MHz
10 m – 1 m
FM, television broadcasts and line-of-sight ground-to-aircraft and
aircraft-to-aircraft communications. Land Mobile and Maritime Mobile
communications
UHF
300–3000 MHz
1 m – 100 mm
television broadcasts, microwave ovens, mobile phones, wireless LAN,
Bluetooth, GPS and Two-Way Radios such as Land Mobile, FRS and
GMRS Radios
MF
Hasil analisa komparasi antara gelombang
FM dan AM yang menunjukkan bahwa
walaupun gelombang AM dapat
menembus jangkauan yang lebih luas
akan tetapi tidak seperti gelombang FM
yang lebih tahan terhadap nois, maka
gelombang FM dengan banyak
karakteristik yang tidak dimiliki gelombang
AM merupakan jenis modulasi yang lebih
baik untuk digunakan dalam transver data
audio dari pada gelombang AM.
GELOMBANG MIKRO
Gelombang Mikro
Name
Frequency and Wavelengths
Aplications
SHF
3–30 GHz
100 mm – 10 mm
microwave devices, wireless LAN, most modern Radars
EHF
30–300 GHz
10 mm – 1 mm
Radio astronomy, high-frequency microwave radio relay
INFRA MERAH
Inframerah
• Inframerah adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang
lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi
gelombang radio. Namanya berarti "bawah merah" (dari bahasa
Latin infra, "bawah"), merah merupakan warna dari cahaya tampak
dengan gelombang terpanjang.
• Frekuensi
• Pemanfaatan antara lain : terapi fisik
(physical therapy), fotografi inframerah
untuk keperluan pemetaan sumber alam
dan diagnosa penyakit.
CAHAYA TAMPAK
Cahaya Tampak
•
Cahaya tampak (sering disebut cahaya) adalah radiasi gelombang
elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Berdasarkan
dari urutan frekuensi terkecil, ia memiliki cahaya Merah, Jingga, Kuning,
Hijau , Biru, Nila dan Ungu ( Me Ji Ku Hi Bi Ni U)
ULTRAVIOLET
Sinar Ultraviolet (UV)
• Istilah ultraviolet berarti "melebihi ungu" (dari bahasa
Latin ultra, "melebihi"), sedangkan kata ungu merupakan
warna panjang gelombang paling pendek dari cahaya
dari sinar tampak.
Pemanfaatan UV
• Gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul
dalam nyala listrik. Sinar UV diperlukan dalam
asimilasi
tumbuh-tumbuhan,
dan
dapat
membunuh kuman penyakit.
SINAR - X
Sinar X (X-ray)
•
Sinar – X dihasilkan oleh elektron-elektron yang berada dibagian dalam kulit
elektron atom, atau pancaran yang terjadi karena elektron dengan kelajuan
besar menumbuk logam. Sinar – x dapat digunakan untuk memotret
kedudukan tulang-tulang dalam badan, khususnya untuk menentukan
tulang yang patah.
SINAR - GAMMA
Gamma Ray
• Sinar gamma (seringkali dinotasikan dengan huruf
Yunani gamma, γ) adalah sebuah bentuk berenergi dari
radiasi
elektromagnetik
yang
diproduksi
oleh
radioaktivitas atau proses nuklir atau subatomik lainnya
seperti penghancuran elektron-positron.
Pemanfaatan Gamma Ray
• Daya tembusnya yang sangat besar dapat menyebabkan efek
yang serius jika diserap oleh jaringan hidup. Dengan
pengontrolan, sinar ini digunakan untuk membunuh sel-sel
kanker dan mensterilkan peralatan rumah sakit.
Active Denial System
• Sistem persenjataan yang menggunakan gelombang
elektromagnetik.
• Non-Lethal Weapon, tidak menyebabkan
kematian,hanya bersifat melumpuhkan.
• Menggunakan sebuah antenna segi delapan untuk
mengarahkan gelombang energi yang tidak terlihat
kearah target.
• Gelombang elektromagnetik ini dipancarkan oleh
sebuah transmitter dan kemudian merambat pada
kecepatan cahaya (300.000 km per detik) sambil
membawa energi yang hanya mampu menembus
permukaan kulit sejauh 0,04 cm.
Kecepatan gelombang elektromagnetik
sama dengan kecepatan cahaya
yang dirumuskan :
1
c
 o .o
o = 8.85 x 10-12 C2/Nm2
o = 12.56 x 10-7 wb/amp.m
C = 3 . 108 m/s
o = permitivitas ruang hampa
o = perbeabilitas ruang hampa
C = cepat rambat cahaya
Hubungan Frekuensi (f), Panjang Gelombang ( ), dan

cepat rambat gelombang elektromagnetik (c)
c  f .
Contoh Soal:
Sebuah gelombang radio dipancarkan pada frekuensi 150 MHz. Tentukan
panjang gelombang yang dipancarkan!
Jawab:
c  f .

c
f
3 x108 m / s

15 x10 4 Hz
  2000m
2. Energi dalam GEM
Hubungan antara kuat medan listrik dg medan magnetik :
Em
E
 c
Bm
B
Dimana :
E y  Em cos (kx - t)
Bx  Bm cos (kx - t)
Dengan :
Em, Bm = nilai max amplitudo medan listrik dan magnetik
c = cepat rambat cahaya
3. Rapat Energi Listrik dan Magnetik
Rapat energi listrik dan magnetik dinyatakan dengan :
ue   0 E
1
2
2
B2
uB 
20
Dengan :
ue = rapat energi listrik (J/m3)
ε0 = 8,85 x 10-12 C2 N-1m-2
E = kuat medan listrik (N/C)
uB = rapat energi magnetik (J/m3)
B = besar induksi magnetik (Wb/m2)
μ0 = 4π x 10-7 Wb/A
4. Intensitas GEM
Intensitas GEM atau laju energi yg dipindahkan melalui GEM
disebut pointing (S).
 1  
S
ExB
0
S
Dengan intensitas rata-rata :
S
Em Bm
20
EB
0

Em Bm cos 2 (kx  t )
0
Hubungan Intensitas Gelombang dengan Energi Rata-rata
Dengan menggunakan hubungan
E
B
c
dan
rapat energi magnetik adalah
B2
E 2 / c 2 E 2 0 0 1
uB 


  0 E 2  ue
20
20
20
2
Rapat energi total adalah
u  u B  ue  2u B 
B2
0
c
1
0 0
Rapat energi total rata-rata adalah
 Em Bm
u
20c
Intensitas gelombang (laju energi rata2 per m2) yg dipindahkan
melalui GEM sama dg rapat enrgi rata2 dikalikan dengan
cepat rambat cahaya.
S  cu
2
2
Em
cBm
P Em Bm
S I 


A
20
20c 20
Dengan :
I = intensitas radiasi (W/m2)
S = intensitas gelombang = laju energi rata2 per m2 (W/m2)
P = daya radiasi (W)
A = luas permukaan (m2)
Contoh Soal
1. Medan listrik maksimum di suatu titik
yang berjarak 8 meter dari suatu sumber
titik adalah 2,3 V/m.
Jika diketahui : 0  4 107 Wb/A.m
dan c  3 x 10 m/s
Hitunglah :
a. medan magnetik maksimumnya
b. intensitas rata-rata
c. daya sumber
8
• Jawab
Medan magnetik maksimum :
Em
Bm 
c
E=2,3 V/m
r=8m
Intensitas rata-2 :
2
2
cBm
Em
I 

2 0
2c0
2
P

I
A

4

r
I
Daya sumber :
r : jarak sumber ke titik yang dimaksud.
Em
2,3
9
2
Bm 

 7,7 x10 Wb / m
8
c
3.10
E m2
2,3 2
3
2
I


7
,
01
x
10
watt
/
m
2c 0 2 x3.10 8 x 4 10 7
P  4 r I  4 8 .7, 01.10  5, 6 watt
2
2
3
2. Jika program TV kita dapat ditangkap di
 -Centauri, bintang terdekat dari bumi.
Jarak bumi ke bintang tersebut 4,3 tahun
cahaya. Jika stasiun TV di bumi
mempunyai daya output 1000 kW,
hitunglah : intensitas sinyal yang diterima
-Centauri
di -Centauri
r
• Jawab
1 tahun cahaya  (3 x 108 ms )(365 x 24 x 3600 s)
 9,4608 x 10 m
15
6
P
P
10
I 

2
16 2
A 4 r
4(3,14)(4, 07 x 10 )
 4,8 x 10
29
watt/m
2
3. Ketika Badu berjalan menjauhi lampu jalanan
sejauh 9 meter, dia mengukur intensitas
cahaya disitu sebesar 0,8 kali intensitas mulamula. Jika tinggi lampu 6 meter, berapakah
jarak Badu (mendatar) dari lampu mula-mula?
y=6m
r
ro
x= ?
9m
• Jawab
P
I
4 r 2
2
2
2
2
r0
I
P / 4 r
x y

 2 
2
2
2
I 0 P0 / 4 r0
r
( x  9)  y
x 2  36
0,8  2
x  18 x  117
x 2  72 x  288  0
b  b 2  4ac 72  (72) 2  4.1.( 288)
x1,2 

2a
2
x  75,8 m
4. Suatu GEM yang digunakan untuk komunikasi
di kapal selam mempunyai panjang gelombang
4 kali jari-jari bumi (jari-jari bumi = 6375 km).
Hitung berapa frekuensi gelombang ini !
Jawab :
c  f .
8
c
3 x 10
f 

11,8
m
6
 4 x 6,375 x 10
5. Intensitas yang diterima secara langsung dari
matahari (tanpa penyerapan panas oleh
atmosfir bumi) pada suatu hari terik sekitar
135 W / m 2 Berapa jauh Amir harus berdiri dari
suatu pemanas yang mempunyai daya 0,9 kW
agar intensitas panas yang dirasakan Amir
sama dengan intensitas matahari.
Jawab :
I
r
r
2
P

4 r 2
P
900


 0, 53
4 I
4(3.14)(135)
 0, 73 m
Latihan :
1. Suatu GEM dalam vakum memiliki
amplitudo medan listrik 360 V/m.
Hitunglah amplitudo medan magnetiknya?
2. Sebuah sumber titik dari radiasi EM
memiliki daya rata2 keluaran P = 1000
W. Tentukan :
a. Amplitudo max medan listrik Em dan
medan magnetik Bm pada titik yg
berjarak r = 4 m dari sumber radiasi
b. Rapat energi rata-rata pada titik yg
berjarak r = 4 m dari sumber radiasi
3. Sebuah sumber cahaya monokromatik
memancarkan daya EM 250 W merata
ke segala arah.
a. Hitung rapat energi listrik rata-rata
pada jarak 1 m dari sumber
b. Hitung rapat energi magnetik rata-rata
pada jarak 1 m dari sumber
c. Tentukan intensitas gelombang pada
lokasi tsb