Makalah Fisika Gelombang Elektromagnetik

BAB 1

PENDAHULUAN

Kemajuan teknologi saat ini semakin meningkat berikut dalam penggunaan gelombang elekromagnetik dalam kehidupan sehari-hari.

Seperti apakah gelombang elektromagnetik, apa contoh gelombang elektromagnetik itu?
Gelombang elektromagnetik sebenarnya selalu ada disekitar kita, salah satu contohnya adalah sinar matahari, gelombang ini tidak memerlukan medium perantara dalam perambatannya. Contoh lain adalah gelombang radio. Tetapi spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya, yang dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya. Untuk itu disini kita akan mempelajari tentang rentang spektrum gelombang elektromagnetik, karakteristik khusus masing-masing gelombang elektromagnetik di dalam spectrum dan contoh dan penerapan masing-masing gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari.

1.1  Latar Belakang

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/wavelength, frekuensi, amplitude/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.

Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua masa di alam semesta pada level yang berbedabeda. Semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Perbedaan karakteristik energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik

 Yang termasuk gelombang elektromagnetik

Gelombang	Panjang gelombang λ
gelombang radio	1 mm-10.000 km
infra merah	0,001-1 mm
cahaya tampak	400-720 nm
ultra violet	10-400nm
sinar X	0,01-10 nm
sinar gamma	0,0001-0,1 nm

         

Sinar kosmis tidak termasuk gelombang elektromagnetik; panjang gelombang lebih kecil dari 0,0001 nm.

          Sinar dengan panjang gelombang besar, yaitu gelombang radio dan infra merah, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih rendah. Sinar dengan panjang gelombang kecil, ultra violet, sinar x atau sinar rontgen, dan sinar gamma, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih tinggi.

BAB 2

PEMBAHASAN

2.1 Pengertian Gelombang Elektromagnetik

1. Teori tentang Maxwell

Maxell menyatakan bahwa suatu medan listrik yang berubah-ubah menginduksikan medan magnetik yang juga berubah-ubah. Selanjutnya, medan magnetik yang berubah-ubah ini menginduksikan kembali medan listrik yang berubah-ubah. Demikian seterusnya sehingga diperoleh proses berantai dari pembentukan medan listrik dan medan magnetik yang merambat ke segala arah. Hasilnya adalah kehadiran gelombang elektromagnetik. Medan listrik dan medan magnetik selalu saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Jadi, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal.

Dalam hipotesisnya, Maxwell mengemukakan bahwa gelombang elektromagnetik akan memenuhi persamaan sebagai berikut:

1.       =

2.     

3.       = 0

4.       =

Berdasarkan persamaan-persamaan tersebut, Maxwell mencoba menghitung cepat rambat gelombang elektromagnetik, sehingga menghasilkan persamaan sebagai berikut,

c =                   Keterangan:

                                c : cepat rambat gelombang elektromagnetik

                                 permeabilitas ruang hampa = 4      wb

                                 : permitivitas ruang hampa = 8,85418

Hasil ini ternyata sama dengan cepat rambat cahaya dalam ruang hampa dan dengan hasil inilah Maxwell berani mengatakan bahwa cahaya adalah (radiasi) gelombang elektromagnetik. Seperti pada gelombang yang lain, gelombang elektromagnetik dapat mengalami berbagai peristiwa gelombang seperti: polarisasi, refleksi (pemantulan), refraksi (pembiasan), interferensi, dan difraksi.

Sehingga diperoleh harga c = 3,0  

2. Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Spektrum gelombang elektromagnetik terdiri atas bermacam-macam gelombang yang dibedakan berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya, tetapi kecepatan dalam ruang hampa adalah sama, yaitu c = 3    

Di bawah ini adalah rentang spectrum gelombang elektromagnetik:

Urutan spectrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi terkecil sampai frekuensi terbesar adalah:

a.       Gelombang radio dan televise

b.      Gelombang mikro

c.       Sinar infra merah

d.      Sinar/cahaya tampak

e.       Sinar ultra violet

f.       Sinar –x

g.      Sinar -

Untuk semua gelombang elektromagnetik berlaku hubungan sebagai berikut: c =   f

Keterangan:

c :  cepat rambat gelombang elektromagnetik = 3  

   : panjang gelombang (m)

f :  frekuensi gelombang (Hz)

3. Sifat-sifat Gelombang elektromagnetik

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik di antaranya dapat dijelaskan seperti di bawah:

a.       Gelombang elektromagnetik tidak membutuhkan medium dalam merambat.

b.      Gelombang elektromagnetik tidak d belokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.

c.       Gelombang elektromagnetik termasuk gelombang transversal. Seperti halnya gelombang transversal lainnya, maka gelombang elektromagnetik akan memiliki sifat-sifat refleksi, refraksi, interferensi, difraksi, dan polarisasi.

d.      Semua spectrum gelombang elektromagnetik memiliki kecepatan yang sama dana hanya tergantung pada mediumnya.

2.2 Karakteristik Dan Penerapan Tiap Gelombang Elektromagnetik

1. Gelombang Radio dan Televisi

Gelombang televise yang mempunyai frekuensi sedikit lebih tinggi dari gelombang radio merambat secara lurus dan tidak dapat dipantulkan oleh lapisan ionosfer (suatu lapisan dalam atmosfer bumi). Agar dapat ditangkap atau diterima di suatu daerah yang jauh dari pemancarnya diperlukan adanya stasiun relai atau stasiun penghubung. Gelombang mikro, gelombang televise, dan gelombang radio dapat dihasilkan dari rangkaian osilator RLC arus bolak-balik. Gelombang ini juga dapat dihasilkan pada radiasi matahari hanya yang sampai ke bumi kecil.

2. Gelombang Mikro

Gelombang yang merupakan gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi yaitu 3GHz (3   ). Gelombang ini dapat menimbulkan efek pemanasan pada benda yang menyerapnya. Jadi, jika suatu mekanan menyerap radiasi gelombang mikro maka makanan tersebut menjadi panas dalam waktu yang sangat singkat. Hal inilah yang dimanfaatkan dalam oven mikro wave untuk memasak makanan dengan cepat dan lebih ekonomis. Kegunaan lain dari gelombang ini adalah pada pesawat RADAR (Radio Detection And Ranging). RADAR digunakan sebagai pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik, posisi atau jarak sasaran dari pemancar radar dapat ditentukan dengan persamaan berikut.

    S =

Dalam dunia penerbangan, radar sangat penting untuk keamanan lalu lintas udara. Dengan radar, lalu lintas udara dapat diketahui meskipun cuaca buruk, misalnya hujan atau kabut.

3. Sinar Infra Merah

Sinar infra merah memiliki daerah dengan jangkauan frekuensi  sampai  atau daerah dengan panjang gelombang  sampai  Sinar infra merah dapat dihasilkan oleh electron dalam molekul yang bergetar karena dipanaskan. Apabila suatu benda dipanaskan akan memancarkan sinar infra merah yang jumlah sinarnya bergantung pada suhu dan warna benda. Dengan menggunakan prinsip ini, suatu satelit pengamat dapat mendeteksi tumbuh-tumbuhan yang ada di suatu daerah tertentu. Penggunaan lain sinar infra merah adalah untuk menyelidiki suatu penyakit dalam tubuh dengan pancaran sinar infra merah atau dapat pula digunakan untuk mengetahui struktur suatu molekul.

4.Cahaya Tampak

Mempunyai daerah frekuensi yang cukup sempit dengan panjang gelombang  cm sampai   cm. sinar tampak memiliki spectrum warna dimulai dari frekuensi terkecil sampai terbesar yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu. Warna merah memiliki frekuensi terkecil dan panjang gelombang terbesar sedangkan warna ungu memiliki frekuensi terbesar dan panjang gelombang terkecil. Cahaya mutlak digunakan agar mata dapat menangkap atau melihat benda-benda yang ada di sekitar kita.

5.Sinar Ultra Violet

Sinar ultra violet atau sinar ultra ungu merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi di atas sinar tampak (sinar ungu) dan di bawah sinar-X. rentang frekuensi adalah antara Hz - Hz. Sinar ini selain dihasilkan oelh radiasi matahari, juga dapat dihasilkan dari tabung lucutan. Pada tabung lucutan dapat terjadi penembakan electron pada atom-atom seperti gas Hidrogen, gas Neon, dan gas-gas mulia yang lain. Sinar ultra violet dapat digunakan dalam teknik spektroskopi yaitu unutk mengetahui kandungan unsur-unsur pada suatu bahan. Dalam perkembangannya sinra ultra violet diketahui dapat mempengaruhi kecepatan pertumbuhan sel. Sisi negatifnya dapat menyebabkan kanker kulit tapi sisi positifnya dapat digunakan untuk memicu perkembangan ternak seperti babi.

6.Sinar-x

Dapat dihasilkan oleh electron-elektron yang terletak di bagian dalam kulit electron atau dapat pula dihasilakn dari pancaran radiasi yang keluar ketika electron yang berkecepatan tinggi menumbuk permukaan logam.

Sinar-x mempunyai daerah frekuensi Hz sampai  atau daerah panjang gelombang cm sampai  cm. dengan panjang gelombang yang pendek dan frekuensi yang besar, sinra-x mempunyai daya tembus yang kuat. Karena kekuatan daya tembus ini, sinra-x dapat digunakan untuk memotret susunan tulang dalam tubuh, misalnya untuk menentukan letak tulang yang patah. Sinar-x pertama kali ditemukan oleh Wilhelm Conrad Rontgen. Oleh karena itu sering disebut dengan sinar Rontgen.

7.Sinar-

Dalam spektrumnya, sinar gamma menempati tingkatan dengan frekuensi terbesar yaitu Hz - Hz. Sifat yang dimiliki sinar gamma adalah energy yang besar sehingga daya tembusnya sangat kuat. Sinar gamma ditemukan dari radiasi inti-inti atom tidak stabil yang merupakan pancaran zat radioaktif. Sinar gamma juga dapat dihasilkan seperti sinar-X yaitu tumbukan electron dengan atom-atom berat seperti timbal (Pb). Sinar gamma dapat digunakan sebagai system perunut aliran suatu fluida (misalnya aliran PDAM). Tujuannya untuk mendeteksi adanya kebocoran pipa. Jika zat radioaktif di bawah ambang batas dideteksi. Sekarang sinar gamma banyak digunakan sebagai bahan sterilisasi bahan makanan kaleng dan pendeteksi keretakan batang baja. Radiasi sinar gamma dapat diketahui dengan suatu alat yaitu detector Geiger Muller.

2.3 Ciri-ciri Gelombang Elektromagnetik

Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan beberapa ciri gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut:

1.      Perubahan medan listrik dan medan magnetik terjadi pada saat yang bersamaan, sehingga kedua medan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang sama dan pada tempat yang sama.

2.      Arah medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

3.      Dari ciri no 2 diperoleh bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal.

4.      Seperti halnya gelombang pada umumnya, gelombang elektromagnetik mengalami peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, dan difraksi. Juga mengalami peristiwa polarisasi karena termasuk gelombang transversal.

5.      Cepat rambat gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnetik medium yang ditempuhnya.

Cahaya yang tampak oleh mata bukan semata jenis yang memungkinkan radiasi elektromagnetik. Pendapat James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik lain, berbeda dengan cahaya yang tampak oleh mata dalam dia punya panjang gelombang dan frekuensi, bisa saja ada. Kesimpulan teoritis ini secara mengagumkan diperkuat oleh Heinrich Hertz, yang sanggup menghasilkan dan menemui kedua gelombang yang tampak oleh mata yang diramalkan oleh Maxwell itu. Beberapa tahun kemudian Guglielmo Marconi memperagakan bahwa gelombang yang tak terlihat mata itu dapat digunakan buat komunikasi tanpa kawat sehingga menjelmalah apa yang namanya radio itu. Kini, kita gunakan juga buat televisi, sinar X, sinar gamma, sinar infra, sinar ultraviolet adalah contoh-contoh dari radiasi elektromagnetik. Semuanya bisa dipelajari lewat hasil pemikiran Maxwell.

2.4 Energi dalam Gelombang Elektomagnetik

Gelombang elektromagnetik merambatkan energinya dalam bentuk medan listrik dan medan magnetic yang saling tegak lurus satu sama lain.

Kita menganggap bahwa gelombang elektromagnetik adalah suatu gelombang bidang yang merambat pada sumbu-x, medan listrik E merambat pada sumbu Y, dan medan magnet B pada sumbu Z. Medan E dan B hanya bergantung pada X dan Y dan tidak bergantung pada koordinat Y dan Z. Bedsarakan persamaan Maxwell, penyelesaian terbaik dari gelombang bidang elektomagnetik adalah suatu gelombang sinusoidal, di mana amplitude E dan B berubah terhadap x dan t sesuai persamaan:

E = cos (kx - )                  Keterangan:

B =  cos (kx – )                  nilai maksimum amplitude medan listrik

                                                   : nilai maksimum amplitude medan magnetic

                                                   K   =    , dengan      adalah panjang gelombang

                                                    =  2 , dengan f adalah frekuensi getaran

Perbandingan antara  dan k adalah  =    f = c, sehingga kita dapatkan persamaan:

Dari persamaan di depan, dapat diperoleh kesebandingan antara induksi magnetic dengan kuat medan listri, yaitu:     

2.5 Rapat Energi Listrik dan Magnetik

Energi yang tersimpan dalam sebuah kapasitor W, dalam bentuk medan listrik dinyatakan oleh:

W = CV²

C adalah kapasitas kapasitor dan V adalah beda potensial antar keping. Energi per satuan volume atau rapat energy listrik dirumuskan sebagai berikut:

U_e = E²                                     Keterangan:

                                    U_e : rapat energy listrik (J/m³)

                                     permitivitas listrik = 8,85  10^-12 C²N^-1m^-2

                                    E   : kuat medan listrik (N/C)

Sedangkan rapat energy magnetic atau energy magnetic per satuan volume (U_m) dalam bentuk medan magnetic yaitu:

U_m =                        Keterangan:

                                    U_m : rapat energy magnetik (J/m³)

                                    B   : induksi magnetic (Wb/m² = T)

                                     : permeabilitas magnetic = 4    10^-7 WbA^-1m^-1

Seperti halnya gelombang yang lain, ketika merambat gelombang elektromagnetik dapat memindahkan energinya ke benda-benda yang berada pada lintasannya. Intensitas gelombang elektromagnetik atau laju energy yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik disebut Vektor Pointing dan didefinisikan oleh persamaan vector:

S =  = E  B

Arah S searah dengan arah perambatan gelombang elektomagnetik dan dinyatakan dalam satuan J/sm². Sedangkan laju energy rata-rata per m² gelombang elektromagnetik S adalah sebagai berikut:

S = B_m² =

Keterangan:

S : laju energy rata-rata per m² yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik (J/sm² atau W/m²)

E_m  :   amplitude maksimum kuat medan listrik (N/C)

B_m  :   amplitude maksimum induksi magnetic (Wb/m² atau T)

C    :   cepat rambat gelombang elektromagnetik = 3  10⁸ m/s

Dalam suatu volume tertentu, energi gelombang elektromagnetik terdiri atas energy medan magnetic dan energi medan listrik yang sama besar, sehingga rapat energy sesaat total U dari gelombang elektromagnetik sama dengan jumlah rapat energy medan listrik dan medan magnetic, yaitu:

U = U_e + U_m = 2U_m =

Rapat energy total rata-ratanya adalah sebagai berikut,

U =

Jika kita gabung persamaan tersebut maka akan didapatkan:

S = cU

Jadi, laju rata-rata per m² atau biasa disebut dengan intensitas gelombang yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik (S) sama dengan rapat energi rata-rata (U) dikalikan dengan cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa.

Sehingga dapat dituliskan :

S =  =  =  =  = I

Keterangan:

I : intensitas radiasi (W/m²)

S : intensitas gelombang = laju energi rata-rata per m²(W/m²)

P : daya radiasi (W)

A : luas permukaan (m²)

BAB 3

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Dari pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa begitu besar peranan gelombang elektromagnetik yang bermanfaat dalam kehidupan kita sehari-hari, tanpa kita sadari keberadaannya.

Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan :

   * Panjang gelombang dikalikan dengan frekuensi ialah kecepatan cahaya: 300 Mm/s, yaitu 300 MmHz

    * Energi dari foton adalah 4.1 feV per Hz, yaitu 4.1µeV/GHz

    * Panjang gelombang dikalikan dengan energy per foton adalah 1.24 µeVm

Spektrum elektromagnetik dapat dibagi dalam beberapa daerah yang terentang dari sinar gamma gelombang pendek berenergi tinggi sampai pada gelombang mikro dan gelombang radio dengan panjang gelombang sangat panjang. Pembagian ini sebenarnya tidak begitu tegas dan tumbuh dari penggunaan praktis yang secara historis berasal dari berbagai macam metode deteksi. Biasanya dalam mendeskripsikan energi spektrum elektromagnetik dinyatakan dalam elektronvolt untuk foton berenergi tinggi (di atas 100 eV), dalam panjang gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (? = 0,5 mm). Istilah “spektrum optik” juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (320 – 700 nm).

Dan beberapa contoh spektrum elektromagnetik seperti :

  Radar

(Radio Detection And Ranging),digunakan sebagai pemancar dan penerima gelombang.

  Infra Merah

Dihasilkan dari getaran atom dalam bahan dan dimanfaatkan untuk mempelajari struktur molekul

  Sinar tampak

mempunyai panjang gelombang 3990 Aº – 7800 Aº.

  Ultra ungu

dimanfaatkan untuk pengenalan unsur suatu bahan dengan teknik spektroskopi.

3.2 Saran

Masyarakat hendaknya lebih mengetahui dan memahami tentang gelombang elektromagnetik kerena selain bermanfaat untuk kehidupan, ternyata gelombang elektromagnetik memiliki dampak yang buruk juga. Dengan lebih memahami gelombang elektromagnetik, diharapkan masyarakat akan lebih berhati-hati dalam memanfaatkan gelombang elektromagnetik.