GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Transkripsi

1 GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

2 Bagaimana alat-alat berikut bekerja? Alat-alat tersebut bekerja menggunakan gelombang elektromagnetik.

3 Apakah Gelombang Elektromagnetik? Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat dan dapat merambat dalam ruang hampa.

4 Gelombang Sinusoidal Dalam Domain Ruang Panjang gelombang Amplituda A x Bilangan gelombang y Asin( x) y Asin ( k x) 4

5 Gelombang Sinusoidal Dalam Domain Waktu Perioda T Amplituda A t Frekuensi y Asin( t) T y y A sin( f Asin( t) t) Frekuensi sudut 5

6 Dalam Domain Ruang Dan Waktu y Asin ( k x t) A k f Amplituda Bilangan gelombang Panjang gelombang f Frekuensi sudut Frekuensi 6

7 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

8 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

9 GELOMBANG MEKANIK Gelombang tali Gelombang permukaan air Gelombang seismik Gelombang tegangan Gelombang akustik Gelombang infrasonik (f < 0 Hz) Gelombang suara (0 Hz < f < 0 khz) Gelombang ultrasonik (f > 0 khz) 9

10 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 3x10 8 m/s. c f 8 3x10 300x x10 1,5x m 00 m 10

11 Contoh 1. 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 3x10 8 m/s. f c f f merah ungu 8 3x10 700x10 8 3x10 400x ,3x10 7,5x Hz Hz 11

12 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 3x10 8 m/s. f c f f 3x10 5x x10 0,01x10 6x x10 Hz 19 Hz 1

13 Contoh 1.4 Frekuensi dari gelombang akustik yang dapat didengar oleh manusia berkisar antara 0 Hz 0 khz. Tentukan daerah panjang gelombangnya. Jawab : Kecepatan gelombang suara atau bunyi di udara adalah 343 m/s. c f ,15 mm 3 0x ,15 m

14 Contoh 1.5 Gelombang akustik yang digunakan dalam uji tak rusak (UTR) pada baja biasanya berfrekuensi tinggi antara 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 x x ,585 mm,95 mm 14

15 Contoh 1.6 Gelombang ultrasonik yang digunakan dalam pengukuran aliran gas biasanya berfrekuensi antara 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 x x mm 10 mm 15

16 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 Pa. Nyatakan gelombang tersebut secara matematis sebagai fungsi ruang dan waktu. Jawab : c 3 4x10 3 f x10 m k 4x10 3 1,57x10 3 rad / m f (100x10 3 ) 0,68x10 6 rad / s p Sin 6 3 t kx Sin 0,68 x10 t 1,571x10 XPa 16

17 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

18 Kebenaran Hipotesa Maxwell tentang adanya gelombang elektromagnetik pada akhirnya dibuktikan oleh Heinrich Hertz Heinrich menemukan cara menghasilkan gelombang radio dan menentukan kelajuannya

19 Sketsa gelombang elektromagnetik

20 Sifat-sifat gelombang elektromagnetik 1. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang tanpa medium. 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

21 Spektrum GEM adalah rentang semua radiasi elektromagnetic yang mungkin yang dapat diukur dari frekuensi, panjang gelombang dan energi photon yang terkandung.

22

23 SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Urutan spektrum gelombang electromagnetik berdasar Kenaikan frekuensi atau penurunan panjang gelombang: 1. Gelombang radio Jangkauan frekuensi cukup luas, memiliki jenis modulasi, yaitu AM (jangkauan luas) dan FM (jangkauan sempit).. 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).

24 4. Sinar tampak (cahaya) Adalah sinar yang dapat membantu penglihatan kita. Perbedaan frekuensi cahaya menimbulkan spektrum warna cahaya 5. Sinar ultraviolet Dihasilkan dalam atom-atom dan molekul-molekul dalam loncatan listrik. Matahari adalah sumber utama sinar ini. Dibidang industri digunakan untuk proses sterilisasi. 6. 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. 7. 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.

25 GELOMBANG RADIO

26 Gelombang Radio Radio adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan kisaran panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter.

27 Name Frequency &Wavelength Aplications ELF 3 30 Hz 100,000 km 10,000 km Communication with submarines SLF Hz 10,000 km 1000 km Communication with submarines ULF 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 khz 10 km 1 km Navigation, time signals, AM longwave broadcasting, RFID MF 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 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 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

28

29 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.

30 GELOMBANG MIKRO

31 Gelombang Mikro Name Frequency and Wavelengths Aplications SHF 3 30 GHz 100 mm 10 mm microwave devices, wireless LAN, most modern Radars EHF GHz 10 mm 1 mm Radio astronomy, high-frequency microwave radio relay

32 INFRA MERAH

33 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

34 Pemanfaatan antara lain : terapi fisik (physical therapy), fotografi inframerah untuk keperluan pemetaan sumber alam dan diagnosa penyakit.

35 CAHAYA TAMPAK

36 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)

37 ULTRAVIOLET

38 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.

39 Pemanfaatan UV Gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuh-tumbuhan, dan dapat membunuh kuman penyakit.

40 SINAR - X

41 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.

42 SINAR - GAMMA

43 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.

44 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.

45 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 ( km per detik) sambil membawa energi yang hanya mampu menembus permukaan kulit sejauh 0,04 cm.

46

47

48

49 Kecepatan gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya yang dirumuskan : c 1. o o o = 8.85 x 10-1 C /Nm o = 1.56 x 10-7 wb/amp.m C = m/s o = permitivitas ruang hampa o = perbeabilitas ruang hampa C = cepat rambat cahaya

50 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 8 3x10 m / s 4 15x10 Hz 000m

51 . Energi dalam GEM Hubungan antara kuat medan listrik dg medan magnetik : E B m m E B c Dimana : E y E m cos (kx -t) B x B m cos (kx -t) Dengan : E m, B m = nilai max amplitudo medan listrik dan magnetik c = cepat rambat cahaya

52 3. Rapat Energi Listrik dan Magnetik Rapat energi listrik dan magnetik dinyatakan dengan : u e 1 E 0 u B B 0 Dengan : u e = rapat energi listrik (J/m 3 ) ε 0 = 8,85 x 10-1 C N -1 m - E = kuat medan listrik (N/C) u B = rapat energi magnetik (J/m 3 ) B = besar induksi magnetik (Wb/m ) μ 0 = 4π x 10-7 Wb/A

53 4. Intensitas GEM Intensitas GEM atau laju energi yg dipindahkan melalui GEM disebut pointing (S). S 1 0 ExB S EB 0 E m B m cos ( kxt) 0 Dengan intensitas rata-rata : S E m B m 0

54 Hubungan Intensitas Gelombang dengan Energi Rata-rata Dengan menggunakan hubungan dan rapat energi magnetik adalah Rapat energi total adalah c E B c B u e E E c E B u / 0 B u u u u B e B

55 Rapat energi total rata-rata adalah u EmB 0 c m Intensitas gelombang (laju energi rata per m ) yg dipindahkan melalui GEM sama dg rapat enrgi rata dikalikan dengan cepat rambat cahaya. S cu S I P A m Em 0 0c Dengan : I = intensitas radiasi (W/m ) S = intensitas gelombang = laju energi rata per m (W/m ) P = daya radiasi (W) A = luas permukaan (m ) m EmB cb 0

56 Contoh Soal 1. Medan listrik maksimum di suatu titik yang berjarak 8 meter dari suatu sumber titik adalah,3 V/m. 7 Jika diketahui : 410 Wb/A.m 8 dan c 3 x 10 m/s Hitunglah : a. medan magnetik maksimumnya b. intensitas rata-rata c. daya sumber 0

57 Jawab Medan magnetik maksimum : B m E c m r = 8 m E=,3 V/m Daya sumber : Intensitas rata- : I P I A 4 r I r : jarak sumber ke titik yang dimaksud. cb E c m m 0 0

58 B m E c m, ,7x10 Wb / 8 m I E m c 0 x3.10,3 8 x ,01x10 3 watt / m 3 P 4r I 48.7, , 6 watt

59 . 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 di -Centauri -Centauri r

60 Jawab 8 m 1 tahun cahaya (3 x 10 s )(365 x 4 x 3600 s) 9,4608 x m I P P 10 A 4 r 4(3,14)(4,07 x 10 ) ,8 x 10 watt/m

61 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 = 6 m ro r x=? 9 m

62 Jawab P I 4 r I P /4r r x y I P r r x y / 4 0 ( 9) x 36 0,8 x 18x117 x 7x 88 0 x 1, x b b 4ac 75,8 m 7 ( 7) 4.1.( 88) a

63 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. f c 3 x 10 11,8 m 4 x 6,375 x

64 5. Intensitas yang diterima secara langsung dari matahari (tanpa penyerapan panas oleh atmosfir bumi) pada suatu hari terik sekitar 135 W / m 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 P 4 r P I 4(3.14)(135) 0,73 m 0,53

65 Latihan : 1. Suatu GEM dalam vakum memiliki amplitudo medan listrik 360 V/m. Hitunglah amplitudo medan magnetiknya?

66 . Sebuah sumber titik dari radiasi EM memiliki daya rata keluaran P = 1000 W. Tentukan : a. Amplitudo max medan listrik E m dan medan magnetik B m 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

67 3. Sebuah sumber cahaya monokromatik memancarkan daya EM 50 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