GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

GEM

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walau tidak ada medium perantara.

HIPOTESIS MAXWELL

Teori tentang gelombang elektromagnetik pertama kali ditemukan oleh James Clerk Maxwell. Berikut ini bunyi hipotesis Maxwell:

“Karena perubahan medan magnetik dapat menimbulkan medan listrik maka sebaliknya perubahan medan listrik akan dapat menimbulkan medan magnetik.”

Maxwell melakukan percobaan yakni ia menggunakan dua buah bola lampu isolator yang dikaitkan pada ujung pegas. Lalu bola yang satu diberi muatan positif dan bola yang lain diberi muatan negatif. Bola itu digetarkan sehingga jarak kedua bola berubah-ubah dan medan listrik di sekitarnya berubah pula.

Menurut Maxwell, perubahan medan listrik ini juga menimbulkan perubahan medan magnetik. Sebaliknya, dengan adanya perubahan medan magnetik, medan listrik akan berubah pula. Vektor medan listrik dan magnetic tegak lurus satu sama lain terhadap arah perambatan gelombangnya.

Menurut Maxwell, kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik tergantung pada dua besaran saja yaitu:

·         Permivitas listrik (Є_o), yaitu kemampuan bahan menghantarkan listrik, dan

·         Permeabilitas magnetik (µ_o), yaitu kemampuan bahan menghantarkan magnet.

Yang dirumuskan dengan:

 C=1/√(µoЄo)

Keterangan:

c = cepat rambat gelombang elektromagnetik (m/det)

Є_o = permivitas listrik (C/Nm²)

µ_o = permeabilitas magnetic (Wb/Am)

Pada ruang hampa,

Є_o        =    8,85 x 10^-12 C/Nm²

µ_o         =    4π x 10^-7 Wb/Am, maka

C=1/√(µoЄo)

C=1/√(4π x 10^-7  8,85 x10^-12 )

c       = 3 x 108 m/s

Kita dapat melihat bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik di ruang hampa ini sama dengan cepat rambat cahaya di ruang hampa. Maka, cahaya merupakan suatu gelombang elektromagnetik.

Hipotesis Maxwell diperkuat oleh Heinrich Rudolfh Hertz. Ia melakukan eksperimen yang menunjukkan gejala perambatan gelombang elektromagnetik dengan menggunakan alat seperti di bawah ini:

Hertz menemukan bahwa terjadi loncatan bunga api di sisi A karena adanya pelepasan muatan ke sisi B meski kumparan tersebut terpisah.

Hipotesis Maxwell mendukung teori bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Hal ini juga didukung oleh 3 teori yang terdahulu yakni:

Hukum Coulomb        : Muatan listrik menghasilkan medan listrik yang kuat.
Hukum Biot-Savart     : Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet di

  sekitarnya.

Hukum Faraday          : Perubahan medan magnet (B) dapat menimbulkan medan listrik (E).

SIFAT GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

-          Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal dimana arah E dan B saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

-          Gelombang elektromagnetik dapat merambat melalui ruang hampa.

-          Gelombang elektromagnetik tidak memiliki muatan sehingga tidak dapat disimpangkan dan merambat lurus.

-          Dapat dapat mengalami

o   Refleksi (pemantulan)

o   Refraksi (pembiasan)

o   Interferensi (perpaduan)

o   Difraksi (lenturan atau hamburan)

o   Polarisasi (pengkutuban)

-          Sifat dualisme gelombang partikel (gelombang dapat bersifat sebagai partikel dan partikel dapat bersifat sebagai gelombang)

-          Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi pada saat yang bersamaan, dan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang tempat yang sama.

Karakter Gelombang Elektromagnetik

Gelombang Elektromagnetik memiliki beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu:

λ = v.T atau λ = v/ f

Keterangan:

A         : amplitudo (simpangan terjauh) (m)

λ          : panjang 1 gelombang (1 lembah dan 1 bukit) (m)

              1 Å = 10^-10 m

v          : cepat rambat gelombang (m/det)

f           : frekuensi (jumlah gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu)

Karena kecepatan gelombang elektromagnetik konstan, maka semakin panjang suatu gelombang semakin rendah frekuensinya dan begitu pula sebaliknya.

Intensitas Gelombang Elektromagnetik

Intensitas gelombang elektromagnetik yakni energi rata-rata per satuan luas yang dirambatkan oleh gelombang elektromagnetik.Intensitas tersebut sebanding dengan harga maksimum medan magnet (B) dan sebanding dengan harga maksimum medan listriknya (E), sehingga dirumuskan:

Keterangan:

s=  (E₀.B₀)/μ₀   sin²(kx-ωt)

s           = intensitas gelombang elektromagnetik

E          = Medan listrik

B         = Medan magnet

Radiasi – Gelombang Elektromagnetik

Benda yang dipanasi gelombang elektromagnetik dapat menyerap radiasi. Banyaknya energi yang dipancarkan tiap satuan waktu oleh tiap satuan luas permukaan sebanding dengan pangkat empat suhu Kelvinnya sehingga dirumuskan:

W =  e σ T⁴  

 Keterangan :

W        : Energy radiasi (Joule)

σ          : tetapan Stefan-Boltzman (5,67 x 10^-8  Watt/m² K)

e          : koefisien emisivitas warna

T          : suhu (K)

Hukum Wien

Bunyi Hukum Wien yaitu “Pada suhu tertentu kekuatan radiasi tiap panjang gelombang mempunyai nilai yang berbeda-beda.”, sehingga didapatkan rumus:

λ m = (c )/T

Keterangan :

λm       : panjang gelombang (m)

c          : tetapan Wien (2,898 x 10^-3 m K)

T          : suhu (K)

SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Sesuai urutan spektrumnya, gelombang elektromagnetik dapat dimanfaatkan dalam berbagai bidang. Macam-macam gelombang elektromagnetik berdasarkan spektrumnya yaitu:

1.      Gelombang radio

a.       Memiliki frekuensi sekitar 10⁴ – 10⁷ Hz

b.      Sebagai sarana komunikasi

c.       Mudah dipantulkan dan mampu mencapai tempat yang jaraknya jatuh

d.      Informasi didapatkan dalam bentuk perubahan amplitudo / modulasi amplitude

2.      Daerah satelit

a.       Memiliki frekuensi sekitar 10⁸ Hz

b.      Sebagai sarana komunikasi dengan satelit-satelit dan biasa digunakan untuk TV dan radio FM

c.       Mampu menembus lapisan ionosfer

d.      Informasi didapatkan dalam bentuk perubahan frekuensi

3.      Pesawat RADAR (Radio Detection and Ranging)

a.       Memiliki frekuensi sekitar 10¹⁰ Hz

b.      Dapat digunakan sebagai alat pengukur kejauhan, dengan cara:

S= (v.t)/2

Dengan

s           : jarak radar ke sasaran (m)

v          : kecepatan (kecepatan cahaya: 3x10⁸ m/det)

t           : selang waktu (s)

c.       Informasi didapatkan dalam bentuk pulsa

4.      Radiasi inframerah

a.       Memiliki frekuensi sekitar 10¹¹-10¹⁴ Hz

b.      Sulit dilihat manusia

5.      Cahaya tampak (visible light)

a.       Memiliki frekuensi sekitar 10¹⁴-10¹⁵ Hz

b.      Dapat dilihat manusia

c.       Terdiri dari deretan warna-warna merah sampai ungu

6.      Daerah Ultra Ungu (Ultra Violet)

a.       Memiliki frekuensi 10¹⁵-10¹⁶ Hz

b.      Berfungsi untuk mengenal unsur-unsur yang terkandung dalam suatu bahan

7.      Daerah sinar X

a.       Memiliki frekuensi 10¹⁶-10²⁰ Hz

b.      Dapat dihasilkan dengan menembakkan electron dalam tabung hampa pada kepingan logam

c.       Panjang gelombangnya sangat pendek, maka daya tembusnya sangat besar

d.      Banyak digunakan di lembaga penelitian dan industri

8.      Daerah sinar Gamma

a.       Memiliki frekuensi 10²⁰-10²⁵ Hz

b.      Memiliki daya tembus yang lebih besar dari sinar X

c.       Dihasilkan oleh inti-inti atom yang tidak stabil, maka bersifat Radioaktif

Di antara gelombang-gelombang pada spektrum di atas, gelombang cahaya yang dapat dilihat mata hanyalah gelombang cahaya dengan panjang gelombang antara 8000 A (merah) – 4000 A (ungu).

Contoh Soal

1.      Suatu benda memancarkan energi radiasi sebesar 4210 J. Jika benda tersebut berwarna hitam sempurna, berapakah suhu benda tersebut?

Pembahasan:

Diketahui        :

W        = 4210 J

e          = 1

σ          = 5,67 x 10^-8 W/m²K

Ditanyakan      :

T          = ?

Jawab              :

W        = e  σ  T⁴

4210    = 1 . 5,67 x 10^-8 . T⁴

T⁴         = 7,425 x 10¹⁰

T          = 522 K

2.      Jika terdapat dua pesawat terbang yang berjarak 6000 km dari satu sama lain dan sama-sama terletak pada ketinggian 3000 kaki di atas permukaan laut, berapakah selang waktu yang dibutuhkan supaya sebuah gelombang dari pesawat pertama dapat diterima oleh pesawat kedua?

Pembahasan:

Diketahui        :

s           = 6000 km = 6 x 10⁶ m

h          = 3000 kaki dpl

c   = v  =  3 x 10⁸ m/s

Ditanyakan      :

t           = ?

Jawab              :

s            =  (v .t)/2

6 x 10⁶ =  (3 x10⁸ . t)/2

t           = 0.04 s

3.      Sebuah radio dapat tertangkap dengan jelas suaranya apabila mengudara dengan frekuensi 7 x 10^-8 Hz. Berapakah panjang gelombang radio tersebut?

Pembahasan:

Diketahui        :

f           = 7 x 10^-8 Hz

c   = v  = 3 x 10⁸ m/s

Ditanyakan      :

λ          =?

Jawab              :

λ=v . f

   = 3 x 10⁸ . 7 x 10^-8

   = 21 m

4.      Suatu benda memancarkan energi radiasi maksimum apabila berada pada cahaya yang panjang gelombangnya 2500 Å. Berapakah suhu benda tersebut?

Pembahasan:

Diketahui        :

λ          = 2500 Å = 2,5 x 10^-7

c          = 2,898 x 10^-3 m K

Ditanyakan      :

T          =?

Jawab  :

λ          = (c )/T

T          = (c )/λ

= (2,898 x 10^-3)/(2,5 x 10^-7)

            = 11592 K

5.      Apabila sebuah gelombang dapat menempuh 100 m setiap 0.2 sekon dan memiliki frekuensi sebesar 10 x 10¹² Hz. Berapakah panjang gelombang tersebut?

Pembahasan:

Diketahui        :

f           = 10 x 10¹² Hz

s           = 100 m

t           = 0,2 s

Ditanyakan      :

λ          =?

Jawab              :

s           = v . t

v          = (s )/t

            =100/0.2

            = 5 x 10² m/s

λ          = v . f

            = 5 x 10² . 10 x 10¹²

                = 5 x 10¹⁵ m