JURNAL FISIKA

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Abstrak :

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, frekuensi, 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.

Abstact :

Electromagnetic waves are waves that can propagate though no medium. Propagate in a wave of electromagnetic energy with a few characters that can be measured, namely: wavelength, frequency, amplitude, speed. Amplitude is the height of the wave, while the wavelength is the distance between two peaks. Frequency is the number of waves passing through a point in one unit of time. Frequency depends on the speed of the wave merambatnya. Because the electromagnetic energy is a constant speed (the speed of light), wavelength and frequency is inversely proportional. The longer a wave, the lower the frequency, and the shorter the wave the higher frequencies.

1. Landasan Teori

1.1. Teori Gelombang

Menurut Christian Huygens (1629-1695) seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, bahwa cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan berupa gelombang. Perbedaancahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang gelombang dan frekuensinya.

Pada teori ini Huygens menganggap bahwa setiap titik pada sebuah muka gelombang dapat dianggap sebagai sebuah sumber gelombang yang baru dan arah muka gelombang ini selalu tegak lurus tehadap muka gelombang yang bersangkutan. Pada teori Huygens ini peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, ataupun difraksi cahaya dapat dijelaskan secara tepat, namun dalam teori Huygens ada kesulitan dalam penjelasan tentang sifat cahaya yang merambat lurus.

1.2. Teori Elektromagnetik

Percobaan James Clerk Maxwell (1831 - 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan Maxwell ini di dukung oleh: Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman, Heinrich Rudolph Hertz (1857 - 1894) yang membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi.

Percobaan seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, Peter Zeeman (1852 - 1943) yang menyatakan bahwa medan magnet yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya.

Percobaan Stark (1874 - 1957), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang mengungkapkan bahwa medan listrik yang sangat kuat dapat mempengaruhi berkas cahaya.

2. Pembahasan

2.1. Definisi gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah penjalaran medan magnet dan medan listrik secara bersamaan yang keduanya saling tegak lurus.

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik :

a. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang tanpa medium

b. Gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal

c. Gelombang elektromagnetik dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan (refraksi), perpaduan (interferensi), pelenturan (difraksi), pengutuban (polarisasi)

d. Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi secara bersamaan, sehingga medan listrik dan medan magnet sefase dan berbanding lurus

e. Kecepatan Gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya

Cepat rambat gelombang elektromagnetik :

c = f.λ

Keterangan:

c = cepat rambat gelombang elektromagnetik (3 x 10⁸)

f = frekuensi (Hz)

λ = panjang gelombang ( m )

2.2. Sumber Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik dihasilkan oleh muatan yang mengalami percepatan,

Sumber Gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut :

a. Osilasi listrik.

b. Sinar matahari ® menghasilkan sinar infra merah.

c. Lampu merkuri ® menghasilkan ultra violet.

d. Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam ® menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen).Inti atom yang tidak stabil menghasilkan sinar gamma.

2.3. Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik yang dirumuskan oleh Maxwell ternyata terbentang dalam rentang frekuensi yang luas. Sebagai sebuah gejala gelombang, gelombang elektromagnetik dapat diidentifikasi berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik sebagaimana gelombang radio atau sinar-X. Masing-masing memiliki penggunaan yang berbeda meskipun mereka secara fisika menggambarkan gejala yang serupa, yaitu gejala gelombang, lebih khusus lagi gelombang elektromagnetik. Mereka dibedakan berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya. Gambar berikut ini menunjukkan spektrum gelombang elektromagnetik.

Spektrum gelombang elektromagnetik :

a. Gelombang Radio

Gelombang radio merupakan gelombang yang memiliki frekuensi paling kecil atau panjang gelombang paling panjang. Gelombang radio berada dalam rentang frekuensi yang luas meliputi beberapa Hz sampai gigahertz (GHz atau orde pangkat 9). Gelombang ini dihasilkan oleh alat-alat elektronik berupa rangkaian osilator (variasi dan gabungan dari komponen Resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C)). Oleh karena itu, gelombang radio banyak digunakan dalam sistem telekomunikasi. Siaran TV, radio, dan jaringan telepon seluler menggunakan gelombang dalam rentang gelombang radio ini.

b. Gelombang Mikro

Oven microwave menggunakan sifat-sifat gelombang mikro (microwave) berupa efek panas untuk memasak. Selain itu, gelombang mikro juga digunakan dalam sistem komunikasi radar dan analisis struktur atom dan molekul.

Rentang frekuensi gelombang mikro membentang dari 3 GHz hingga 300 GHz. Frekuensi sebesar ini dihasilkan dari rangkaian osilator pada alat-alat elektronik. Gelombang mikro dapat diserap oleh suatu benda dan menimbulkan efek pemanasan pada benda tersebut. Sebuah sistem pemanas berbasis microwave dapat memanfaatkan gejala ini untuk memasak benda. Sistem semacam ini digunakan dalam oven microwave yang dapat mematangkan makanan di dalamnya secara merata dan dalam waktu singkat (cepat).

c. Sinar Inframerah

Sinar inframerah (infrared/IR) termasuk dalam gelombang elektromagnetik dan berada dalam rentang frekuensi 300 GHz sampai 40.000 GHz (10 pangkat 13). Sinar inframerah dihasilkan oleh proses di dalam molekul dan benda panas. Telah lama diketahui bahwa benda panas akibat aktivitas (getaran) atomik dan molekuler di dalamnya dianggap memancarkan gelombang panas dalam bentuk sinar inframerah. Oleh karena itu, sinar inframerah sering disebut radiasi panas.

Dalam bidang kesehatan, pancaran panas berupa pancaran sinar inframerah dari organ-organ tubuh dapat dijadikan sebagai informasi kondisi kesehatan organ tersebut. Ini sangat bermanfaat bagi dokter dalam diagnosis dan keputusan tindakan yang sesuai buat pasien. Selain itu, pancaran panas dalam intensitas tertentu dipercaya dapat digunakan untuk proses penyembuhan penyakit seperti cacar dan encok.

hasil citra foto inframerah terhadap tubuh manusia untuk pemeriksaan kesehatan

Dalam teknologi elektronik, sinar inframerah telah lama digunakan sebagai media transfer data. Ponsel dan laptop dilengkapi dengan inframerah sebagai salah konektivitas untuk menghubungkan atau transfer data dari satu perangkat dengan perangkat lain. Fungsi inframerah pada ponsel dan laptop dijalankan melalui teknologi Irda (infra red data acquitition).

d. Cahaya atau sinar tampak

Dalam rentang spektrum gelombang elektromagnetik, cahaya atau sinar tampak hanya menempati pita sempit di atas sinar inframerah. Spektrum frekuensi sinar tampak berisi frekuensi dimana mata manusia peka terhadapnya. Frekuensi sinar tampak membentang antara 40.000 dan 80.000 GHz (10 pangkat 13) atau bersesuaian dengan panjang gelombang antara 380 dan 780 nm (10 pangkat -9). Cahaya yang kita rasakan sehari-hari berada dalam rentang frekuensi ini. cahaya juga dihasilkan melalui proses dalam skala atom dan molekul berupa pengaturan internal dalam konfigurasi elektron.

Pembahasan tentang cahaya begitu luas dan membentuk satu disiplin ilmu fisika tersendiri, yaitu optik.

e. Sinar Ultraviolet

Rentang frekuensi sinar ultraviolet (ultraungu) membentang dalam kisaran 80.000 GHz sampai puluhan juta GHz (10 pangkat 17).

Sinar ultraungu atau disebut juga sinar ultraviolet datang dari matahari berupa radiasi ultraviolet memiliki energi yang cukup kuat dan dapat mengionisasi atom-atom yang berada di lapisan atmosfer. Dari proses ionisasi atom-atom tersebut dihasilkan ion-ion, yaitu atom yang bermuatan listrik. Lapisan yang terdiri dari ion-ion ini membentuk lapisan khusus dalam atmosfer yang disebut ionosfer. Lapisan ionosfer yang terisi dengan atom-atom bermuatan listrik ini dapat memantulkan gelombang elektromagnetik frekuensi rendah (berada dalam spektrum frekuensi gelombang radio medium) dan dimanfaatkan dalam transmisi radio.

f. Sinar-X

Sinar-X dikenal luas dalam dunia kedokteran sebagai sinar Rontgen. Dipakai untuk memeriksa organ bagian dalam tubuh. Tulang yang retak di bagian dalam tubuh dapat terlihat menggunakan sinar-X ini.

Sinar-X berada pada rentang frekuensi 300 juta GHz (10 pangkat 17) dan 50 miliar GHz (10 pangkat 19). Penemuan sinar-X dianggap sebagai salah satu penemuan penting dalam fisika. Sinar-X ditemukan oleh ahli fisika Jerman bernama Wilhelm Rontgen saat sedang mempelajari sinar katoda. Cara paling umum untuk memproduksi sinar-X adalah melalui mekanisme yang disebut bremstrahlung atau radiasi perlambatan. Mekanisme ini yang ditempuh oleh Rontgen saat pertama kali menghasilkan sinar-X. Dalam teori radiasi gelombang elektromagnetik diketahui bahwa muatan listrik yang dipercepat (atau diperlambat) akan menghasilkan gelombang elektromagnetik. Selain melalui radiasi perlambatan, sinar-X juga dihasilkan dari proses transisi internal elektron di dalam atom atau molekul.

foto hasil penyinaran sinar-X

g. Sinar Gamma

produksi sinar gamma oleh inti atom

Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi (dan karenanya juga energi) yang paling besar. Sinar gamma memiliki rentang frekuensi dari 10 pangkat 18 sampai 10 pangkat 22 Hz. Sinar gamma dihasilkan melalui proses di dalam inti atom (nuklir).

2.4. Persamaan Gelombang Elektromagnetik

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik dapat diturunkan dari pers Maxwell. Medan listrik E dan Medan Magnet B dinyatakan :

dan

Dari dua pers di atas, terdapat suku yang sama, menyatakan kecepatan gelombang Elektro Magnetik

Keterangan :

e_o = permitivitas ruang hampa

= 8.85 x 10^-12 C²/Nm²

m_o = perbeabilitas ruang hampa

= 12.56 x 10^-7 wb/A.m

Solusi sederhana dari pers differensial orde dua untuk E dan B di atas adalah Bilangan gelombang dimana l adalah panjang gelombang dan frekuensi sudut dimana f adalah frekwensi gelombang. Rasio antara w dan k :

a. Energi Gelombang Elektromagnetik

Gelombang EM membawa energi dan merambat melalui ruang sehingga dapat memindahkan energi pada benda yang dilaluinya. Pemindahan energi gelombang EM dinyatakan dengan vektor S, disebut vektor Poynting

Besar S menyatakan laju energi yang dipindahkan melalui satuan luas permukaan tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang.

Jadi, S menyatakan daya per satuan luas. Arah S adalah sepanjang arah perambatan gelombang. satuan S adalah J/(s·m²) =W/m².

Untuk gelombang elektromagnetik

Sehingga

Karena B = E/c maka

Pers untuk S berlaku untuk sebarang waktu sesaat dan menyatakan laju perpindahan energy melalui permukaan tertentu sesaat.

Gel EM à sinusoidal :

Rata-rata S untuk satu siklus atau lebih disebut intensitas gelombang I.

Rata-rata sin²(kx - wt) adalah ½, sehingga :

Example :

sebuah gelombang elektromagnetik dengan frequensi 40.0 MHz Merambat dalam ruang hampa dalam arah x seperti gambar berikut , tentukan:

a. Panjang gelombang dan periode gelombang

b. Pada titik tertentu dan waktu tertentu, medan listrik mempunyai nilai maksimum 750 N/C dalam arah sumbu y, hitung besar dan arah medaan magnet pada titik dan waktu yang sama

c. Nyatakan komponen medan listrik dan medan magnet sebagai fungsi ruang-waktu untuk gelombang ini