Gelombang Elektromagnetik Fisika

Transkripsi

1 Gelombang Elektromagnetik Fisika 4/2/213 Disusun oleh: Intan Kumara P. X-7 (13)

2 PENDAHULUAN Kemajuan teknologi saat ini semakin meningkat berikut dalam penggunaan gelombang elekromagnetik dalam kehidupan sehari-hari. Seperti apakah gelombang elektromagnetik, apa contoh gelombang elektromagnetik itu? Gelombang elektromagnetik sebenarnya selalu ada disekitar kita, salah satu contohnya adalah sinar matahari, gelombang ini tidak memerlukan medium perantara dalam perambatannya. Contoh lain adalah gelombang radio. Tetapi spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya, yang dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya. Untuk itu disini kita akan mempelajari tentang rentang spektrum gelombang elektromagnetik, karakteristik khusus masing-masing gelombang elektromagnetik di dalam spectrum dan contoh dan penerapan masing-masing gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari. Postulat / Dalil Teori relativitas Albert Einstein adalah sebutan untuk kumpulan dua teori fisika: relativitas umum dan relativitas khusus. Kedua teori ini diciptakan untuk menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik tidak sesuai dengan teori gerakan Newton. 2

3 Gelombang elektromagnetik dibuktikan bergerak pada kecepatan yang konstan, tanpa dipengaruhi gerakan sang pengamat. Inti pemikiran dari kedua teori ini adalah bahwa dua pengamat yang bergerak relatif terhadap masing-masing akan mendapatkan waktu dan interval ruang yang berbeda untuk kejadian yang sama, namun isi hukum fisika akan terlihat sama oleh keduanya. Definisi Gelombang Elektromagnetik 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. 3

4 Ciri-ciri gelombang elektromagnetik : Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan beberapa ciri gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut: 1. Perubahan medan listrik dan medan magnetik terjadi pada saat yang bersamaan, sehingga kedua medan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang sama dan pada tempat yang sama. 2. Arah medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. 3. Dari ciri no 2 diperoleh bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal. 4. Seperti halnya gelombang pada umumnya, gelombang elektromagnetik mengalami peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, dan difraksi. Juga mengalami peristiwa polarisasi karena termasuk gelombang transversal. 5. Cepat rambat gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnetik medium yang ditempuhnya. 4

5 Cahaya yang tampak oleh mata bukan semata jenis yang memungkinkan radiasi elektromagnetik. Pendapat James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik lain, berbeda dengan cahaya yang tampak oleh mata dalam dia punya panjang gelombang dan frekuensi, bisa saja ada. Kesimpulan teoritis ini secara mengagumkan diperkuat oleh Heinrich Hertz, yang sanggup menghasilkan dan menemui kedua gelombang yang tampak oleh mata yang diramalkan oleh Maxwell itu. 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 1. Osilasi listrik. 2. Sinar matahari menghasilkan sinar infra merah. 3. Lampu merkuri menghasilkan ultra violet. 4. Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen). 5. Inti atom yang tidak stabil menghasilkan sinar gamma. Konsep penginderaan jauh sering dihubungkan dengan berbagai teknik menggunakan gelombang elektromagnetik dalam perolehan informasi di permukaan bumi. Radiasi elektromagnetik membawa energi dalam perjalannya. Energi yang tertangkap oleh sensor dipengaruhi oleh bentuk fisik obyek dan kondisi atmosferik. Gelombang elektromagnetik memiliki dua komponen pokok, yaitu komponen elektrik dan komponen magnetik (Mather, 24). 5

6 Gambar. Komponen gelombang elektromagnetik Terdapat beberapa istilah terkait dengan energi dan gelombang elektromagnetik. Energi yang berasosiasi dengan gelombang elektromagnetik tersebut dikenal dengan istilah Radiant Energy. Rata-rata energi yang dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain disebut dengan flux energy. Flux energy diukur dengan menggunakan satuan Watts (W). Rata-rata energi yang dipindahkan oleh gelombang elektromagnetik disebut dengan Radiant Flux. Magnitude dari radiant flux pada suatu satuan permukaan disebut dengan Radiant Flux Density. Radian flux density ini diukur dengan satuan Watts per meter persegi (Wm -2 ). Informasi yang diperoleh melalui gelombang elektromagnetik dapat terkodifikasi dalam frekuensi, intensitas atau polarisasi gelombang elektromagnetik tersebut. Informasi diperoleh dari radiasi secara langsung gelombang elektromagnetik dari sumber benda ke sensor melalui bidang bebas, atau radiasi tidak langsung melalui pantulan, penghamburan, atau radiasi ulang menuju sensor (Elachi & Zyl, 26). Gambar. Beberapa model perambatan gelombang menuju sensor Panjang gelombang dan frekuensi dapat memberikan informasi yang sama, oleh karena itu kedua terminologi tersebut sering digunakan secara bersamaan ataupun saling menggantikan satu sama lain (Schowengerdt; 26). Keterkaitan panjang gelombang dengan frekuensi dapat di formulasikan sebagai berikut. f=c/λ λ=c/f Keterangan : T=1/f=λ/c f λ c T : frekuensi (Hz) : Panjang gelombang : Kecepatan cahaya ( m/detik) : waktu yang digunakan gelombang mencapai satu periode 6

7 Gambar. Gelombang dengan frekuensi berbeda Kedua gambar di atas menggambarkan gelombang dengan panjang gelombang yang berbeda. Panjang gelombang A lebih panjang dibandingkan B. Pada satuan waktu yang sama, gelombang A hanya membentuk dua puncak gelombang, sedangkan gelombang B membentuk puncak gelombang yang lebih banyak. Frekuensi dapat dilihat pada jumlah puncak gelombang yang terbentuk pada satu satuan waktu tertentu. Dari gambar tersebut dapat dikatakan gelombang A memiliki frekuensi yang lebih rendah dibandingkan dengan gelombang B. Semakin panjang suatu gelombang, akan semakin rendah frekuensinya. Panjang gelombang disimbolkan dengan lambda (λ). Panjang gelombang diukur dalam satuan meter (m) ataupun faktor turunannya seperti centimeter (cm), nanometer (nm), mikrometer (µm). 7

8 Satuan yang digunakan untuk pengukuran panjang gelombang dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel. Satuan ukuran panjang gelombang Faktor Awalan Simbol 1-18 Atto a 1-15 Femto f 1-12 Pico p 1-9 Nano n 1-6 Micro µ 1-3 Mili m 1 3 Kilo K 1 6 Mega M 1 9 Giga G 1 12 Tera T Frekuensi diukur dalam satuan Hertz yang disingkat Hz. Frekuensi memiliki hubungan yang terbalik dengan panjang gelombang elektromagnetik. Semakin pendek panjang gelombang elektromagnetik, akan semakin tinggi frekuensi gelombang tersebut. Sebaliknya dengan semakin panjangnya suatu gelombang elektromagnetik, frekuensinya akan semakin rendah. 8

9 Tabel berikut memberikan gambaran keterkaitan antara panjang gelombang dengan frekuensinya. Tabel. Panjang gelombang dan frekuensi λ f.3å 1 19 Hz.3 Å 1 18 Hz 3 Å 1 17 Hz 3 Å 1 16 Hz.3µ 1 15 Hz 3 µ 1THz 3 µ 1THz.3mm 3mm 3mm 1THz 1GHz 1GHz.3m 1GHz 3m 3m.3km 3km 3km 3km 3km 3km 1MHz 1MHz 1MHz 1kHz 1kHz 1kHz 1Hz 1Hz Total energi yang dibawa oleh suatu gelombang dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut. Keterangan : E=h.f E : Total energi pada suatu panjang gelombang h : Konstanta Plank ( x 1-34 J s) 9

10 f : frekuensi (Hz) Energi suatu gelombang akan meningkat sejalan dengan frekuensi. Oleh karena itu energi yang dibawa oleh sinar X jauh lebih besar dibandingkan dengan energi pada sinar tampak atau gelombang radio. Spektrum Gelombang Elektromagnetik Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Spektrum elektromagnetik dapat dibagi dalam beberapa daerah yang terentang dari sinar gamma gelombang pendek berenergi tinggi sampai pada gelombang mikro dan gelombang radio dengan panjang gelombang sangat panjang. Pembagian ini sebenarnya tidak begitu tegas dan tumbuh dari penggunaan praktis yang secara historis berasal dari berbagai macam metode deteksi. Biasanya dalam mendeskripsikan energi spektrum elektromagnetik dinyatakan dalam elektronvolt untuk foton berenergi tinggi (di atas 1 ev), dalam panjang gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (λ,5 mm). Istilah "spektrum optik" juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (32-7 nm). 1

11 Tabel di bawah ini memberi rincian dari berbagai gelombang Elektromagnetik Jenis Gelombang Pembagian Frekuensi Panjang Gelombang Energi Sinar Gamma > 3 Ehz < 1 pm > 124 kev Sinar X Hard X-Ray 3 EHz 3 Ehz 1 1 pm 12,4-124 kev Soft X-Ray 3 PHz 3 Ehz 1 nm 1 pm 124 ev 12,4 kev Ultra Violet Extreme UV 3 PHz 3 PHz 1 nm 1 nm 12,4 124 ev Near UV 789 THz 3 PHz 38 nm 1 nm 3 12,4 ev Violet THz nm Cahaya Tampak Inframerah Gelombang Mikro Biru THz nm Cyan THz nm Hijau Tz nm 1,24 3 ev Kuning THz nm Jingga/Oranye THz nm Merah THz nm Near Infrared 3 THz 4 THz 5 μm 7 nm 124 mev 1,24 ev Mid Infrared 3 THz 3 THz (25-4) 5 μm 12,4 124 mev Far Infrared 3 GHz 3 THz (2-35) (25-4) μm 1,24 12,4 mev Extremely High 3 GHz 3 GHz Frekuency (EHF) 1 cm 1 mm 124 μev 1,24 mev Super High Frequency 3 GHz 3 GHz 1 cm 1 cm 12,4 124 μev (SHF) Ultra High Frequency 3 MHz 3 GHz 1 m 1 cm 1,24 12,4 μev (UHF) 11

12 Gelombang Radio Very High Frequency (VHF) High Frequency (HF) Medium Frequency (MF) Low Frequency (LF) Very Low Frquency (VLF) 3 MHz 3 MHz 1 m 1 m 124 nev 1,24 μev 3 MHz 3 MHz 1 m 1 m 12,4 nev 124 nev 3 khz 3 MHz 1 km 1 m 1,24 nev 12,4 nev 3 khz 3 khz 1 km 1 km 124 pev 1,24 nev 3 khz 3 khz 1 km 1 km 12,4 124 pev Tabel Pembagian Spektrum 12

13 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 3 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. 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 18 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan penerimaan. Sinar Inframerah Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 111Hz sampai 114 Hz atau daerah panjang gelombang 1-4 cm sampai 1-1 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 13

14 inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda. Cahaya tampak Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik yang paling dikenal oleh kita dapat didefinisikan sebagai bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Panjang gelombang tampak nervariasi tergantung warnanya mulai dari panjang gelombang kira-kira 4 x 1-7 m untuk cahaya violet (ungu) sampai 7x 1-7 m untuk cahaya merah. Kegunaan cahaya salah satunya adlah penggunaan laser dalam serat optik pada bidang telekomunikasi dan kedokteran. Sinar ultraviolet Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 115 Hz sampai 116 Hz atau dalam daerah panjang gelombagn 1-8 m 1-7 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. Sinar X Sinar X mempunyai frekuensi antara 1 Hz sampai 1 Hz. panjang gelombangnya sangat pendek yaitu 1 cm sampai 1 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. Sinar Gamma Sinar gamma mempunyai frekuensi antara 1 Hz sampai 1 Hz atau panjang gelombang antara 1 cm sampai 1 cm. Daya tembus paling besar, yang menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh. Penerapan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari : 1. Radio 14

15 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.8 1 cm. 2. Microwave Panjang gelombang radiasi microwave berkisar antara.3 3 cm. Penggunaannya terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi melalui ruang terbuka, memasak, dan sistem PJ aktif. 15

16 Gambar: Tropical Rainfall Measuring Mission s (TRMM) Microwave Imager (TMI) 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) 16

17 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. 3. 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. 4. Ultraviolet 17

18 Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kumankuman penyakit kulit. 5. 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. 6. Sinar Gamma Sinar Gamma mempunyai daya tembus sangat tinggi, maka sinar gamma digunakan dalam berbagai bidang. antara lain : 18

19 Gambar: Terapi dengan menggu nakan sinar gamma 1. Industri, untuk mengetahui struktur logam 2. Pertanian, untuk membuat bibit unggul 3. kedokteran, untuk terapi dan diagnosa,dan 4. Farmasi, untuk sterilisasi 7. Sinar Tampak Sinar ini merupakan gelombang yang sangat penting bagi makhluk hidup. dengan gelombang ini orang bisa membuat alat-alat optik. 19

20 Rumus rumus yang lazim digunakan dalam gelombang elektromagnetik Hubungan antara kuat medan listrik dg medan magnetik : E B m E = B m = c E B y x = E = B m m cos (kx -ωt) cos (kx -ωt) Dengan : E m, B m = nilai max amplitudo medan listrik dan magnetik c = cepat rambat cahaya Rapat energi listrik dan magnetik dinyatakan dengan : u e 2 B u B = 2µ 1 E 2 = 2 ε 2

21 Dengan : u e = rapat energi listrik (J/m 3 ) ε = 8,85 x 1-12 C 2 N -1 m -2 E = kuat medan listrik (N/C) u B = rapat energi magnetik (J/m 3 ) B = besar induksi magnetik (Wb/m 2 ) μ = 4π x 1-7 Wb/A Intensitas GEM atau laju energi yg dipindahkan melalui GEM disebut pointing (S). S 1 = ExB µ EB S = µ E = m B m 2 cos ( kx ωt) µ Dengan intensitas rata-rata : S = E mb m 2µ Hubungan Intensitas Gelombang dengan Energi Rata-rata Dengan menggunakan hubungan E B = c da n c = 1 µ ε rapat energi magnetik adalah B E / c E µ ε 1 u = B = = = = ε E u e 2µ 2µ 2µ 2 21

22 Rapat energi total adalah 2 B u = ub + ue = 2uB = µ Rapat energi total rata-rata adalah E B u m m = 2µ c Intensitas gelombang (laju energi rata2 per m 2 ) yg dipindahkan melalui GEM sama dg rapat enrgi rata2 dikalikan dengan cepat rambat cahaya. S =cu 2 2 m Em cbm = 2µ c 2 P EmB S = I = = = A 2 µ µ Dengan : I = intensitas radiasi (W/m 2 ) S = intensitas gelombang = laju energi rata2 per m 2 (W/m 2 ) P = daya radiasi (W) A = luas permukaan (m 2 ) 22