Bab7_Gelombang elektromagnetik

7/26/2019 Bab7_Gelombang elektromagnetik

1/10

1

Gelombang Elektromagnetik

Teori gelombang elektromagnetik pertama kali dikemukakan olehJames Clerk Maxwell (18311879). Hipotesis yang dikemukakanoleh Maxwell, mengacu pada tiga aturan dasar listrik-magnetberikut ini.

1. Muatan medan listrik dapat menghasilkan medan listrikdisekitarnya, yang besarnya diperlihatkan oleh hukumCoulumb.

2. Arus listrik atau muatan yang mengalir dapat menghasilkanmedan magnet disekitarnya yang besar dan arahnyaditunjukkan oleh hukum Bio-Savart atau hukum Ampere.

3. Perubahan medan magnetik dapat menimbulkan GGL

induksi yang dapat menghasilkan medan listrik denganaturan yang diberikan oleh hukum induksi Faraday.Berdasarkan aturan tersebut, Maxwell mengemukakan

sebuah hipotesis sebagai berikut: Karena perubahan medanmagnet dapat menimbulkan medan listrik, maka perubahan medanlistrik pun akan dapat menimbulkan perubahan medan magnet.Hipotesis tersebut digunakan untuk menerangkan terjadinyagelombang elektromagnet.

Menurut Maxwell, ketika terdapat perubahan medan listrik (E),

akan terjadi perubahan medan magnetik (B). Perubahan medanmagnetik ini akan menimbulkan kembali perubahan medan listrikdan seterusnya. Maxwell menemukan bahwa perubahan medanlistrik dan perubahan medan magnetik ini menghasilkan gelombangmedan listrik dan gelombang medan magnetik yang dapatmerambat di ruang hampa. Gelombang medan listrik (E) danmedan magnetik (B) inilah yang kemudian dikenal dengan namagelombang elektromagnetik.

Arah getar dan arah rambat gelombang medan listrik dan

medan magnetik saling tegak lurus (dapat dilihat pada Gambarberikut) sehingga gelombang elektromagnetik termasuk gelombangtransversal.


2/10

2

Perambatan gelombang elektromagnetik

Maxwell menyatakan bahwa kecepatan gelombang elektromag-netik memenuhi persamaan :

oo

1c

dengan:c = laju perambatan gelombang elektromagnetik dalam

ruang hampa.o= permeabilitas ruang hampa (4x 10

7N s2/C2)o= permitivitas ruang hampa, ( 8,85 x 10

-12C2/Nm2)

Dari rumus diatas ternyata kecepatan perambatan gelombang

elektromagnetik bergantung pada permitivitas listrik dan permeabili-tas magnetik medium. Maka, secara umum persamaan kecepatanperambatan gelombang elektromagnetik untuk berbagai mediumadalah :

1c

dengan:c = laju perambatan dalam medium = permitivitas medium

= permeabilitas medium

Contoh :Gelombang elektromagnetik dalam suatu medium memiliki kelajuan2,8 x 108 m/s. Jika permitivitas medium 12,76 x 107 wb/Am,tentukanlah permeabilitas medium tersebut.


3/10

3

JawabDiketahui:

c = 2,8 x 108m/s, = 12,76 x 10

7wb/Am.Dengan menggunakan Persamaan Maxwell, diperoleh :

1c

c

1

2

)10x(12,76)10x(2,8

17-28

= 2,7 x 10-3

wb/Am

Percobaan Gelombang ElektromagnetikSampai akhir hayatnya ternyata Maxwell belum bisa

membuktikan hipotesa tentang teori gelombang elektromagnetik.Pada tahun 1887, Heinr ich Hertzilmuwan fisika yang pertama kalimenguji hipotesa Maxwell ini dengan kumparan Ruhmkorf sepertiditunjukkan 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 sisiA sehingga terjadi percikan api karena adanya pelepasan muatan.Percikan bunga api di sisi A diikuti percikan bunga api pada keduaelektrode bola di sisi B. Berdasarkan pengamatan ini, disimpulkanterjadi pengiriman tenaga gelombang elektromagnetik dari sisi A(loop pengirim) ke sisi B (loop penerima).


4/10

4

Dalam percobaan-percobaan selanjutnya, Hertz berhasil mengukurkecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini seperti yangdiramalkan oleh Maxwell,yakni 3 x 108m/s.

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik yang didasarkan darieksperimen adalah sebagai berikut.

1. Merupakan perambatan getaran medan listrik dan medanmagnet yang saling tegak lurus terhadap arah rambatnyadan termasuk gelombang transversal,

2. Tidak bermuatan listrik sehingga tidak dipengaruhi atau tidakdibelokkan 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 108m/s.

Spektrum Gelombang ElektromagnetikBerbagai jenis gelombang elektromagnetik hanya berbeda

dalam frekuensi dan panjang gelombangnya. Hubungan kecepatanperambatan gelombang, frekuensi, dan panjang gelombangdinyatakan sebagai berikut.

c = f x Keterangan:c = kecepatan perambatan gelombang (m/s)f = frekuensi gelombang (Hz)= panjang gelombang (m)

Contoh :Sebuah gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampadengan kecepatan 3 x 108m/s. Jika panjang gelombangnya 30 m,

maka tentukan frekuensi gelombang tersebut?Penyelesaian :Diketahui :

c = 3 108m/s= 30 m/s

Ditanyakan : f = ... ?


5/10

5

Jawab :

cf

30

810x3

= 107Hz

Perbedaan interval/ jarak panjang gelombang dan frekuensigelombang yang disusun secara berurutan disebut spektrumgelombang elektromagnetik.

Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Spektrum gelombang elektromagnetik diurutkan mulai panjanggelombang paling pendek sampai paling panjang adalah sebagaiberikut:

Sinar gamma ()

Sinar X (rontgen)

Sinar ultra violet (UV)

Sinar tampak (cahaya tampak)

Sinar infra merah (IR) Gelombang radar (gelombang mikro)

Gelombang televisi

Gelombang radio


6/10

6

Energi Gelombang ElektromagnetikGelombang elektromagnetik membawa energi dalam bentuk

medan listrik dan medan magnet. Kita tinjau suatu gelombangelektromagnetik yang menjalar ke arah sumbu x, maka medanlistrik dan medan magnet sesaatnya dapat dinyatakan dengan

persamaan berikut.

E = Emsin (kx - t)B = Bmsin (kx - t)

dengan:Em= amplitudo medan listrik,Bm= amplitudo medan magnet,

k = tetapan angka gelombang (

2k ),

= frekuensi sudut, = 2 f

Maxwell berhasil menemukan hubungan antara amplitudo medanlistrik dan amplitudo medan magnet yaitu:

cB

E

dengan:c = laju perambatan gelombang elektromagnetik

di ruang hampa. ( 3 x 108

m/s).

Suatu gelombang elektromagnetik mempunyai medan listrik danmedan magnet, sehingga gelombang elektromagnetik ini jugamembawa tenaga atau rapat energi (besar energi per satuanvolume).

Rapat energi listrik dinyatakan sebagai berikut :

ue= 2

1

oE

2

dengan:

ue= rapat energi listrik (J/m3 atau Jm-1)

o= permitivitas listrik ( 8,85 x 10-12 C2N-1m-2)

E = kuat medan listrik (N/C atau NC-1).


7/10

7

Rapat energi magnet dinyatakan sebagai berikut:

o

2

m2

Bu

dengan:

um= rapat energi magnet (J/m3

atau Jm-3

),o= permeabilitas magnet = 4 x 10

-7 Wb A-1m-1)B = besar induksi magnet (Wb/m2 = T).

Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan Sehari-hari1. Sinar Gamma ( )

Sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik yangmempunyai frekuensi antara 1020 Hz - 1025Hz.

Sinar gamma merupakan hasil reaksi yang terjadi dalaminti atom yang tidak stabil.

Sinar gamma mempunyai daya tembus yang paling kuatdibanding gelombang elektromagnetik yang lain.

Sinar gamma dapat menembus pelat besi yang tebalnyabeberapa cm.

Penyerap yang baik untuk sinar gamma adalah timbal(Pb).

Aplikasi sinar gamma dalam bidang kesehatan adalahuntuk mengobati pasien yang menderita penyakit kankeratau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan padapengobatan penyakit ini adalah Cobalt-60 atau seringditulis Co-60. Salah satu alat untuk mendeteksi sinargamma adalah detektor Geiger - Muller. Ada jenisdetektor sinar gamma yang lain yaitu detektor sintilasiNaI-TI.

2. Sinar-X (Rontgen)

Sinar-X ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen padatahun 1895 sehingga sering disebut sebagai sinarRontgen.

Sinar-X termasuk gelombang elektromagnetik yangmempunyai frekuensi antara 1016Hz - 1020Hz.

Sinar-X merupakan hasil transisi elektron-elektron di kulitbagian dalam atom.


8/10

8

Sinar-X mempunyai daya tembus terbesar keduasesudah sinar gamma.

Sinar-X dapat menembus daging manusia.Aplikasi Sinar-X

Dalam bidang kesehatan untuk mengecek pasien yangmengalami patah tulang.

Sinar-X juga digunakan di bandara pada pengecekanbarang-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 1015 Hz - 1016 Hz.

Sinar ultraviolet ini merupakan hasil transisi elektron-elektron pada kulit atom atau molekul.

Sinar ultraviolet tidak tampak dilihat oleh mata telanjangtetapi sinar ini dapat dideteksi dengan menggunakanpelat-pelat film tertentu yang peka terhadap gelombangultraviolet.

Matahari merupakan sumber radiasi ultraviolet yangalami. Sinar ultraviolet yang dihasilkan oleh mataharitidak baik pada kesehatan khususnya kulit jika mengenai

manusia. Manusia terlindungi dari sinar ultraviolet darimatahari karena adanya lapisan ozon di atmosfer yangberfungsi menyerap sinar ultraviolet ini.

Aplikasi sinar ultraviolet :

banyak dipakai di laboratorium pada penelitian bidangspektroskopi, salah contohnya untuk mengetahui unsur-unsur 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 1014 Hz - 7 x 1014 Hz.

Matahari merupakan sumber cahaya tampak yang alami.Sinar tampak ini terdiri dari berbagai warna, dari warnamerah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu. Kita semua


9/10

9

bisa melihat warna benda karena benda memantulkanwarna-warna ini dan masuk kembali ke mata kita.

Aplikasi :

dengan cahaya kita bisa melihat indahnyapemandangan,

kita dapat memotret sehingga gambarnya menjadiberwarna seperti aslinya,

kita dapat melihat televisi berwarna, dan sebagainya.

sinar tampak juga banyak dipakai dalam bidangspektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang adadalam 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 1014

Hzsampai sekitar 3 Ghz.

Sinar inframerah tidak tampak dilihat oleh mata telanjangtetapi sinar infra merah dapat dideteksi denganmenggunakan pelat-pelat film tertentu yang pekaterhadap gelombang inframerah.

Aplikasi :

Pesawat udara yang terbang tinggi ataupun satelit-satelitdapat membuat potret-potret permukaan bumi, denganmempergunakan gelombang inframerah.

Sinar inframerah juga banyak dipakai dalam bidangspektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang adadalam bahan.

6. Gelombang Radar (Gelombang Mikro)

Gelombang mikro (microwave) mempunyai frekuensi dikisaran 3 GHz.

Aplikasi : Gelombang mikro ini dapat digunakan untuk alat

komunikasi, memasak (microwave), dan radar (RadioDetection and Ranging ).


10/10

10

Dalam bidang transportasi, gelombang radar dipakaiuntuk membantu kelancaran lalu lintas pesawat dipangkalan udara atau bandara.

Gelombang radar digunakan juga pada bidangpertahanan yaitu untuk melengkapi pesawat tempur

sehingga bisa mengetahui keberadaan pesawat musuh.7. Gelombang Televisi

Gelombang televisi mempunyai frekuensi yang lebihtinggi dari gelombang radio.

Gelombang televisi ini merambat lurus, tidak dapatdipantulkan oleh lapisan-lapisan atmosfer bumi.

Aplikasi :

Gelombang televisi banyak dipakai dalam bidang

komunikasi dan siaran.8. Gelombang Radio

Gelombang radio ini dipancarkan dari antena pemancardan diterima oleh antena penerima. Luas daerah yangdicakup dan panjang gelombang yang dihasilkan dapatditentukan dengan tinggi rendahnya antena.

Gelombang radio tidak dapat secara langsung didengar,tetapi energi gelombang ini harus diubah menjadi energibunyi oleh pesawat radio sebagai penerima.

Aplikasi : gelombang radio sering digunakan untuk komunikasi

yaitu penggunaan pesawat telepon, telepon genggam(hand phone), dan sebagainya.

Bab7_Gelombang elektromagnetik

Documents

Transcript of Bab7_Gelombang elektromagnetik