Fisika / Kelas X / Gelombang Elektromagnetik
Teori gelombang elektromagnetik pertama kali dikemukakan oleh James Clerk Maxwell. Teori ini berasal dari beberapa hukum dasar: Hukum Coulomb, Hukum Biot-Savart, dan Hukum Faraday. Hukum Coulomb menyatakan bahwa muatan listrik dapat menghasilkan medan listrik. Hukum Biot-Savart menyatakan bagaimana arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Hukum Faraday menyatakan bahwa perubahan medan magnet dapat menghasilkan gaya gerak listrik (GGL). Maxwell mengatakan jika perubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik, hal sebaliknya juga dapat terjadi, yaitu perubahan medan listrik menimbulkan medan magnet.
Menurut Maxwell, ketika terjadi perubahan medan listrik E, akan terjadi perubahan medan magnet B. Perubahan medan magnet akan menyebabkan perubahan medan listrik dan seterusnya. Maxwell menyatakan bahwa perubahan medan listrik dan medan magnet ini menghasilkan gelombang listrik dan magnetik yang dapat merambat di ruang hampa. Gelombang listrik dan magnetik inilah yang kemudian dikenal sebagai gelombang elektromagnetik. Perambatan gelombang elektromagnetik dapat dilihat di bawah ini:
Arah getar dan arah rambat gelombang listrik dan magnetik saling tegak lurus sehingga gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal.
Kecepatan perambatan suatu gelombang elektromagnetik berbanding terbalik dengan permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik medium. Persamaan kecepatan gelombang adalah:
dengan ε = permitivitas listrik dan μ = permeabilitas magnetik
Pada ruang hampa, εo = 8,85 x 10-12 C2/Nm2 dan μo = 4π x 10-7 Ns2/C2. Maka kecepatan gelombang elektromagnetik pada ruang hampa:
Menurut Maxwell, ketika terjadi perubahan medan listrik E, akan terjadi perubahan medan magnet B. Perubahan medan magnet akan menyebabkan perubahan medan listrik dan seterusnya. Maxwell menyatakan bahwa perubahan medan listrik dan medan magnet ini menghasilkan gelombang listrik dan magnetik yang dapat merambat di ruang hampa. Gelombang listrik dan magnetik inilah yang kemudian dikenal sebagai gelombang elektromagnetik. Perambatan gelombang elektromagnetik dapat dilihat di bawah ini:
Kecepatan perambatan suatu gelombang elektromagnetik berbanding terbalik dengan permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik medium. Persamaan kecepatan gelombang adalah:
Pada ruang hampa, εo = 8,85 x 10-12 C2/Nm2 dan μo = 4π x 10-7 Ns2/C2. Maka kecepatan gelombang elektromagnetik pada ruang hampa:
Maxwell telah mengemukakan hipotesisnya tentang gelombang elektromagnetik. Hipotesis ini secara umum diterima oleh para ilmuwan, tetapi untuk memperkuat gagasan ini perlu dibuktikan melalui eksperimen. Gelombang elektromagnetik pertama kali dibangkitkan dan dideteksi melalui eksperimen yang dilakukan oleh Heinrich Hertz. Hertz menggunakan rangkaian listrik seperti diagram di bawah ini.
Ketika sakelar S ditutup, kumparan di sisi sebelah kiri akan menginduksikan tegangan pada kumparan kedua di sebelah kanan. Akibat dari tegangan ini, muatan listrik akan loncat bolak balik pada elektrode bola di titik A. Muatan listrik yang loncat bolak balik ini menimbulkan percikan. Percikan ini juga terlihat pada elektrode bola yang terpisah pada kawat B. Hal ini menunjukkan bahwa energi yang dihasilkan dari loncatan bolak balik muatan listrik pada titik A berpindah ke titik B. Gelombang ini kemudian diukur kecepatannya dan tepat sama dengan hasil perhitungan Maxwell, yaitu 3 x 108 m/s. Gelombang ini juga menunjukkan sifat yang dimiliki oleh cahaya.
Sifat-sifat gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut:
• Merupakan perambatan dari getaran medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus terhadap arah rambatannya sehingga termasuk gelombang transversal,
• Tidak memiliki muatan listrik sehingga tidak dapat dipengaruhi oleh medan listrik ataupun medan magnet,
• Tidak memiliki massa sehingga tidak terpengaruh medan gravitasi,
• Arah rambatannya berupa garis lurus,
• Dapat merambat dalam ruang hampa,
• Mengalami pemantulan, pembiasan, difraksi, interferensi, dan polarisasi
• Kecepatan rambatnya pada ruang hampa adalah 3 x 108 m/s
Sifat-sifat gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut:
• Merupakan perambatan dari getaran medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus terhadap arah rambatannya sehingga termasuk gelombang transversal,
• Tidak memiliki muatan listrik sehingga tidak dapat dipengaruhi oleh medan listrik ataupun medan magnet,
• Tidak memiliki massa sehingga tidak terpengaruh medan gravitasi,
• Arah rambatannya berupa garis lurus,
• Dapat merambat dalam ruang hampa,
• Mengalami pemantulan, pembiasan, difraksi, interferensi, dan polarisasi
• Kecepatan rambatnya pada ruang hampa adalah 3 x 108 m/s
Gelombang elektromagnetik tidak hanya cahaya tetapi masih banyak jenis lainnya. Jika kita urutkan dari frekuensi terbesar ke frekuensi terkecil terdapat sinar gamma, sinar-X, sinar ultraviolet, sinar tampak, sinar inframerah, gelombang mikro, dan gelombang radio. Frekuensi dan panjang gelombang berbanding terbalik, sehingga urutan tersebut secara panjang gelombang adalah dari yang terkecil ke yang terbesar. Diagram spektrum gelombang elektromagnetik adalah seperti di bawah ini:
1. Sinar Gamma
Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi terbesar, yaitu dalam rentang 1020 Hz sampai dengan 1025 Hz. Sinar gamma dihasilkan dari peluruhan inti zat raidokatif. Saat inti atom unsur radioaktif meluruh akan dihasilkan sinar alfa, sinar beta, dan sinar gamma. Sinar alfa dan sinar beta adalah berkas partikel yang bermuatan listrik dan bukan gelombang elektromagnetik. Sinar gamma memiliki daya tembus paling tinggi yang dapat menembus pelat logam hingga beberapa sentimeter. Kegunaan sinar gamma salah satunya adalah dalam bidang kedokteran, yaitu terapi untuk kanker dan juga dapat mensterilkan alat-alat.
2. Sinar-X
Sinar-X ini juga dikenal dengan sinar Rontgen karena sinar ini ditemukan oleh Wilhelm C. Rontgen. Sinar-X merupakan hasil dari pertumbukan antar elektron yang dipercepatan pada beda potensial tertentu. Kegunaan sinar-X adalah dalam bidang kedokteran, salah satunya adalah untuk melihat struktur tulang.
3. Sinar Ultraviolet
Sumber sinar ultraviolet adalah dari radiasi sinar matahari atau bisa dari transisi elektron dalam orbit atom. Sinar ultraviolet ini dpat berguna dan dapat berbahaya untuk manusia. Sinar ultraviolet yang tidak berbahaya dari matahari dapat merangsang tubuh manusia untuk memproduksi vitamin D yang diperlukan untuk kesehatan tubuh.
Bumi memiliki lapisan ozon yang berguna untuk mencegah sinar ultraviolet yang masuk ke dalam tidak terlalu banyak. Jika sinar ultraviolet ini terlalu banyak maka dapat menyebabkan penyakit untuk tubuh manusia, salah satunya adalah kanker kulit. Lapisan ozon di bumi sekarang menipis, salah satunya diakibatkan oleh penggunaan CFC (cloro fluoro carbon) yang berlebihan. CFC ini dihasilkan dari penggunan kulkas atau AC. Maka dari itu, sekarang banyak mesin pendingin yang tidak memakai CFC.
4. Sinar Tampak
Sinar tampak ini merupakan spektrum gelombang eleketromagnetik yang bisa kita lihat. Sinar tampak ini adalah cahaya yang membantu kita melihat benda-benda di sekitar kita. Spektrum sinar tampak ini cukup sempit, yaitu pada panjang gelombang 400-700 nm. Jika diurutkan dari frekuensi terkecil ke frekuensi terbesar, yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Urutan ini biasa kita kenal sebagai mejikuhibiniu.
5. Sinar Inframerah
Frekuensi sinar inframerah adalah antara 1011 Hz sampai 1014 Hz. Sinar inframerah ini dihasilkan oleh transisi elektron dalam orbit atom. Semua benda yang memiliki temperatur lebih tinggi dari sekitarnya selalu meradiasikan sinar inframerah, termasuk tubuh manusia. Kegunaan sinar inframerah ini antara lain adalah untuk transfer data dan remote control.
Sinar inframerah juga bisa digunakan untuk melihat dalam gelap dalam bentuk lensa inframerah. Lensa ini menangkap panas dari badan seseorang.
6. Gelombang Mikro
Gelombang mikro memiliki frekuensi sekitar 1010 Hz. Kegunaan gelombang mikro ini antara lain adalah untuk komunikasi jarak, radar, dan microwave untuk memanaskan makanan.
Gelombang mikro dapat dipancarkan secara terarah dalam bentuk pulsa. Saat gelombang mikro ini mengenai sesuatu, pulsa ini akan dipantulkan dan diterima oleh antena penerima. Jika diketahui selang waktu antara saat gelombang ini dipancarkan dan diterima dan kecepatan gelombang elektromagnetik c = 3 x 108 m/s, maka jarak antara pemancar dan benda yang dituju dapat dihitung dengan:
dengan s = jarak antara pemancar dan benda, c = kecepatan gelombang elektromagnetik (3 x 108 m/s), dan Δt = selang waktu.
Angka 2 pada persamaan ini muncul karena gelombang ini mengalami dua kali perjalanan yaitu dari pemancar ke benda dan beda balik ke penerima.
7. Gelombang Radio
Gelombang radio banyak dipakai dalam hal telekomunikasi, contohnya telepon genggam dan radio. Gelombang radio dihasilkan oleh elektron pada kawat penghantar yang juga menghasilkan arus bolak-balik pada kawat ini. Sebenarnya, arus bolak-balik ini dihasilkan oleh gelombang elektromagnetik. Gelombang radio ini saat pemakaiannya dipancarkan dari antena pemancar (transmitter) dan diterima oleh antena penerima (receiver).
Pic from: http://www.sciencemadesimple.co.uk
1. Sinar Gamma
Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi terbesar, yaitu dalam rentang 1020 Hz sampai dengan 1025 Hz. Sinar gamma dihasilkan dari peluruhan inti zat raidokatif. Saat inti atom unsur radioaktif meluruh akan dihasilkan sinar alfa, sinar beta, dan sinar gamma. Sinar alfa dan sinar beta adalah berkas partikel yang bermuatan listrik dan bukan gelombang elektromagnetik. Sinar gamma memiliki daya tembus paling tinggi yang dapat menembus pelat logam hingga beberapa sentimeter. Kegunaan sinar gamma salah satunya adalah dalam bidang kedokteran, yaitu terapi untuk kanker dan juga dapat mensterilkan alat-alat.
2. Sinar-X
Sinar-X ini juga dikenal dengan sinar Rontgen karena sinar ini ditemukan oleh Wilhelm C. Rontgen. Sinar-X merupakan hasil dari pertumbukan antar elektron yang dipercepatan pada beda potensial tertentu. Kegunaan sinar-X adalah dalam bidang kedokteran, salah satunya adalah untuk melihat struktur tulang.
3. Sinar Ultraviolet
Sumber sinar ultraviolet adalah dari radiasi sinar matahari atau bisa dari transisi elektron dalam orbit atom. Sinar ultraviolet ini dpat berguna dan dapat berbahaya untuk manusia. Sinar ultraviolet yang tidak berbahaya dari matahari dapat merangsang tubuh manusia untuk memproduksi vitamin D yang diperlukan untuk kesehatan tubuh.
Bumi memiliki lapisan ozon yang berguna untuk mencegah sinar ultraviolet yang masuk ke dalam tidak terlalu banyak. Jika sinar ultraviolet ini terlalu banyak maka dapat menyebabkan penyakit untuk tubuh manusia, salah satunya adalah kanker kulit. Lapisan ozon di bumi sekarang menipis, salah satunya diakibatkan oleh penggunaan CFC (cloro fluoro carbon) yang berlebihan. CFC ini dihasilkan dari penggunan kulkas atau AC. Maka dari itu, sekarang banyak mesin pendingin yang tidak memakai CFC.
4. Sinar Tampak
Sinar tampak ini merupakan spektrum gelombang eleketromagnetik yang bisa kita lihat. Sinar tampak ini adalah cahaya yang membantu kita melihat benda-benda di sekitar kita. Spektrum sinar tampak ini cukup sempit, yaitu pada panjang gelombang 400-700 nm. Jika diurutkan dari frekuensi terkecil ke frekuensi terbesar, yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Urutan ini biasa kita kenal sebagai mejikuhibiniu.
5. Sinar Inframerah
Frekuensi sinar inframerah adalah antara 1011 Hz sampai 1014 Hz. Sinar inframerah ini dihasilkan oleh transisi elektron dalam orbit atom. Semua benda yang memiliki temperatur lebih tinggi dari sekitarnya selalu meradiasikan sinar inframerah, termasuk tubuh manusia. Kegunaan sinar inframerah ini antara lain adalah untuk transfer data dan remote control.
Sinar inframerah juga bisa digunakan untuk melihat dalam gelap dalam bentuk lensa inframerah. Lensa ini menangkap panas dari badan seseorang.
6. Gelombang Mikro
Gelombang mikro memiliki frekuensi sekitar 1010 Hz. Kegunaan gelombang mikro ini antara lain adalah untuk komunikasi jarak, radar, dan microwave untuk memanaskan makanan.
Gelombang mikro dapat dipancarkan secara terarah dalam bentuk pulsa. Saat gelombang mikro ini mengenai sesuatu, pulsa ini akan dipantulkan dan diterima oleh antena penerima. Jika diketahui selang waktu antara saat gelombang ini dipancarkan dan diterima dan kecepatan gelombang elektromagnetik c = 3 x 108 m/s, maka jarak antara pemancar dan benda yang dituju dapat dihitung dengan:
Angka 2 pada persamaan ini muncul karena gelombang ini mengalami dua kali perjalanan yaitu dari pemancar ke benda dan beda balik ke penerima.
7. Gelombang Radio
Gelombang radio banyak dipakai dalam hal telekomunikasi, contohnya telepon genggam dan radio. Gelombang radio dihasilkan oleh elektron pada kawat penghantar yang juga menghasilkan arus bolak-balik pada kawat ini. Sebenarnya, arus bolak-balik ini dihasilkan oleh gelombang elektromagnetik. Gelombang radio ini saat pemakaiannya dipancarkan dari antena pemancar (transmitter) dan diterima oleh antena penerima (receiver).