Gelombang Elektromagnetik Teori gelombang elektromagnetik pertama kali dikemukakan oleh James Clerk Maxwell (83 879). Hipotesis yang dikemukakan oleh Maxwell, mengacu pada tiga aturan dasar listrik-magnet berikut ini.. 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.
Perambatan gelombang elektromagnetik Maxwell menyatakan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan : c μ o ε o c = laju perambatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. μ o = permeabilitas ruang hampa (4π x 0 7 N s 2 /C 2 ) ε o = permitivitas ruang hampa, ( 8,85 x 0-2 C 2 /Nm 2 ) 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 : c μ ε c = laju perambatan dalam medium ε = permitivitas medium μ = permeabilitas medium Contoh : Gelombang elektromagnetik dalam suatu medium memiliki kelajuan 2,8 x 0 8 m/s. Jika permitivitas medium 2,76 x 0 7 wb/am, tentukanlah permeabilitas medium tersebut. 2
Jawab Diketahui: c = 2,8 x 0 8 m/s, ε = 2,76 x 0 7 wb/am. Dengan menggunakan Persamaan Maxwell, diperoleh : c μ ε c ε 8 2 (2,8 x 0 ) (2,76 x 0 = 2,7 x 0-3 wb/am μ 2-7 ) Percobaan Gelombang Elektromagnetik Sampai akhir hayatnya ternyata Maxwell belum bisa membuktikan hipotesa tentang teori gelombang elektromagnetik. Pada tahun 887, 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 0 8 m/s. Sifat-sifat gelombang elektromagnetik yang didasarkan dari eksperimen adalah sebagai berikut.. 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 0 8 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 = f x λ 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 0 8 m/s. Jika panjang gelombangnya 30 m, maka tentukan frekuensi gelombang tersebut? Penyelesaian : Diketahui : c = 3 0 8 m/s λ = 30 m/s Ditanyakan : f =...? 4
Jawab : c f 8 3 x 0 30 = 0 7 Hz 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 = E m sin (kx - ωt) B = B m sin (kx - ωt) E m = amplitudo medan listrik, B m = amplitudo medan magnet, 2 k = tetapan angka gelombang ( k ), ω = frekuensi sudut, ω = 2 πf Maxwell berhasil menemukan hubungan antara amplitudo medan listrik dan amplitudo medan magnet yaitu: E c B c = laju perambatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa. ( 3 x 0 8 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 : u e = 2 εo E 2 u e = rapat energi listrik (J/m 3 atau Jm - ) ε o = permitivitas listrik ( 8,85 x 0-2 C 2 N - m -2 ) E = kuat medan listrik (N/C atau NC - ). 6
Rapat energi magnet dinyatakan sebagai berikut: 2 B u m 2μ o u m = rapat energi magnet (J/m 3 atau Jm -3 ), μ o = permeabilitas magnet = 4π x 0-7 Wb A - m - ) B = besar induksi magnet (Wb/m 2 = T). Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan Sehari-hari. Sinar Gamma ( γ ) Sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 0 20 Hz - 0 25 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 895 sehingga sering disebut sebagai sinar Rontgen. Sinar-X termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 0 6 Hz - 0 20 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 0 5 Hz - 0 6 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 0 4 Hz - 7 x 0 4 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 0 4 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. 0