Gelombang Elektromgnetik

A.    Pengertian gelombang elektromagnetik

Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal dari suatu gelombang akan mengikuti gerak sinusoido. Selain radiasi elektromagnetik dan mungkin radiasi gravitasional yang bisa berjalan lewat ruang hampa, gelombang juga terdapat pada medium (yang karena perubahan bentuk dapat menghasilkan gaya pegas) dimana mereka dapat berjalan dan dapat memindahkan energi dari satu tempat ke tempat lain tanpa mengakibatkan partikel medium berpindah secara permanen, yaitu tidak ada yang berpindah secara massal.

Sulit untuk membuat suatu definisi tentang semua yang mencakup aspek dari kata gelombang. Sebuah getaran dapat didefinisikan sebagai sebuah gerakan bolak balik disekitar nilai referensi.
Namun sebuah getaran belum tentu gelombang. Sebuah usaha untuk menetapkan keperluan dan karakteristik yang mencukupi dan memenuhi kriteria sebagai sebuah fenomena yang dapat disebut sebuah gelombang yang menghasilkan garis perbatasan kabur.

Kata gelombang kadang dipahami secara intuitif sebagai suatu yang mengacu kepada transportasi spasial gangguan yang secara umum tidak disertai oleh sebuah gerakan dari medium yang menempati suatu ruangan secara keseluruhan. Pada gelombang, energi dari sebuah getaran berpindah jauh dari sumbernya dalam bentuk sebuah gangguan di sekitar mediumnya. Namun, gerakan ini bermasalah untuk sebuah gelombang transversal (misalnya, gelombang pada tali), di mana energi bergerak di kedua arah yang sama, atau untuk gelombang elektromagnetik / cahaya dalam hampa udara, dimana konsep medium tidak berlaku dan interaksi dengan suatu target adalah kunci utama untuk pendeteksian dan penerapan praktis sebuah gelombang. Antara lain gelombang air pada permukaan air laut; gelombang cahaya dihasilkan oleh Matahari; microwave digunakan di oven microwave; penyiaran gelombang radio oleh stasiun radio; dan gelombang suara dihasilkan oleh penerima gelombang radio, ponsel dan makhluk hidup (sebagai suara), untuk menyebutkan hanya sedikit fenomena gelombang.

Mungkin itu terlihat bahwa deskripsi dari gelombang berhubungan dekat ke asal fisiknya untuk setiap contoh spesifik dari proses terbentuknya gelombang. Contohnya, akustik dibedakan dari optik dalam gelombang suara terkait ke mekanika daripada ke gelombang elektromagnetik disebabkan oleh getaran.

Gelombang elektromagnetik tak lain ialah gelombang medan listik dan medan magnet. Berdasarkan persamaan maxwell setiap radiasi medan magnet akan disertai timbulnya medan listrik dan juga boleh jadi bervariasi terhadap waktu dan sebaliknya setiap variasi medan listrik akan disertai timbulnya medan magnet. Bentuk  gelombang elektromagnetik Maxwell menyatakan bahwa gangguan pada gelombang elektromagnetik berupa medan listrik dan medan magnetik yang selalu saling tegak lurus dan keduanya dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambatan gelombang. Sifat ini juga menyatakan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal.

Gelombang elektromagnetik juga disebut juga radiasi elektromagnetik yang merupakan kombinasi medan listrik dan medan magnet yang berosilasi dan merambat lewat ruang dan membawa energi dari satu tempat ketempat lain. Bentuk dari gelombang elektromagnetik ditunjukkan oleh gambar

Gambar 1 :  Gelombang Elektromagnetik

Cahaya tampak adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik. Pengertian teoritis tentang radiasi elektromagnetik disebut elektrodinamik, sub-bidang elektromagnetisme. Gelombang elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz. Setiap muatan listrik yang memiliki percepatan memancarkan radiasi elektromagnetik. Ketika kawat (atau penghantar seperti antena) menghantar arus bolak balik, radiasi elektromagnetik dirambatkan pada frekuensi yang sama dengan arus listrik. Bergantung pada situasi, gelombang elektromagnetik dapat bersifat seperti gelombang ditunjukkan oleh seperti partikel. Sebagai gelombang dicirikan oleh kecepatan (kecepatan cahaya), panjang gelombang, dan frekuensi kalau dipertimbangkan sebagai partikel mereka diketahui sebagai foton. Dan masing-masing mmepunyai energi berhubungan dengan frekuensi yang ditunjukkan hubungan Planck E = hf, dimana E adalah energi foton, h ialah konstanta planck dan f adalah frekuensi gelombang.  

B.  Sifat gelombang elektromagnetik

Sifat- sifat dari gelombang elektromagnetik ialah sebagai berikut:

a. Dipantulkan (Refleksi)

Tentunya sahabat sudah sangat mengerti tentang pemantulan ini, jadi secara garis besar saya rasa kita sudah sepaham.

Dalam pemantulan gelombang berlaku hukum pemantulan gelombang, yaitu :

• Besar sudut datangnya gelombang sama dengan sudut pantul gelombang.
• Gelombang datang, gelombang pantul, dan garis normal terletak pada satu bidang datar.

Pemantulan Gelombang

b. Dibiaskan (refraksi)

Pembiasan gelombang adalah pembelokan arah rambat gelombang karena melalui medium yang berbeda kerapatannya.

Pembiasan Gelombang

c. Dipadukan (interferensi)

Perpaduan gelombang terjadi apabila terdapat gelombang dengan frekuensi dan beda fase saling bertemu. Hasil interferensi gelombang akan ada 2, yaitu konstruktif (saling menguatkan) dan destruktif (saling melemahkan). Interferensi Konstruktif terjadi saat 2 gelombang bertemu pada fase yang sama, sedangkan interferensi destruktif terjadi saat 2 gelombang bertemu pada fase yang berlawanan.

Interferensi Gelombang

d. Dibelokkan/disebarkan (Difraksi)

Difraksi gelombang adalah pembelokkan/penyebaran gelombang jika gelombang tersebut melalui celah. Geja difraksi akan semakin tampak jelas apabila celah yang dilewati semakin sempit.

Difraksi Gelombang

e. Dispersi Gelombang

Dispersi adalah penyebaran bentuk gelombang ketika merambat melalui suatu medium. Dispersi tidak akan terjadi pada gelombang bunyi yang merambat melalui udara atau ruang hampa. Medium yang dapat mempertahankan bentuk gelombang tersebut disebut medium nondispersi.

f. Dispolarisasi (diserap arah getarnya)

Polarisasi adalah peristiwa terserapnya sebagian arah getar gelombang sehingga hanya tinggal memiliki satu arah saja. Polarisasi hanya akan terjadi pada gelombang transversal, karena arah gelombang sesuai dengan arah polarisasi, dan sebaliknya, akan terserap jika arah gelombang tidak sesuai dengan arah polarisasi celah tersebut.

Polarisasi Gelombang

Sifat partikel dari gelombang elektromagnetik

1.    Efek Fotolistrik

Cahaya merupakan radiasi elektromagnetik. Ada sifat unik dari gelombang elektromagnetik, seperti cahaya yaitu sifat kembarnya. Di satu pihak ia bertingkah laku seperti gelombang pada peristiwa difraksi lenturan, interferensi/ perpaduan dan polarisasi/ pengutuban, tetapi di pihak lain ia bertingkah laku sebagai partikel yaitu pada peristiwa fotolistrik, gejala Compton. Partikel-partikel cahaya itu membentuk partikel-partikel/ kelompok-kelompok energi yang disebut foton.

Jika cahaya yang frekuensinya cukup tinggi jatuh pada permukaan logam (cahaya ultra ungu), maka logam tersebut akan memancarkan elektron. Gejala ini dosebut efek fotolistrik.  Elektron dapat terlepas dari logam karena menyerap energi dari gelombang elektromagnetik. Besarnya energi kinetic electron yang terlepas adalah

Dimana   (energi ambang)

                   Konstanta Planck (6,626 x 10^-34 J.s)

                  Frekuensi ambang

                  Frekuensi gelombang yang datang

Energi foton untuk massa diam ()

                  

Dimana Panjang gelombang cahaya (m)

                  Kecepatan cahaya (3 x 10⁸ m/s)

                 Frekuensi cahaya

                 Energi foton

                  Jumlah Partikel

Momentum partikel tak bermassa berkaitan dengan energi yang menurut rumus

Karena energi foton ialah  maka momentumnya ialah :

            

Untuk menyatakan E dalam ev, maka :  1 ev = 1.60 x 10^-19 joule.

Untuk lebih memahami tentang efek fotolistrik, berikut ini adalah gambar ilustrasi jenis alat yang digunakan pada percobaan efek fotolistrik.

Gambar diatas merupakan peralatan untuk mengamati efek fotolistrik. Cahaya yang menyinari permukaan logam (katoda) menyebabkan electron terpental keluar. Ketika elekyron bergerak menuju anoda, pada rangkaian luar terjadi arus elektrik yang diukur dengan Ammeter A.

Laju pancaran electron diukur sebagai arus listrik pada rangkaian luar dengan menggunakan sebuah Ammeter, sedangkan energi kinetiknya ditentukan dengan mengenakan suatu potensial perlambat (retarding potential) pada anoda sehingga electron tidak mempunyai energi yang cukup untuk “memanjati” bukit potensial yang terpasang. Secara eksperimen tegangan perlambat terus diperbesar hingga pembacaan arus pada ammeter menurun ke nol. Tegangan yang bersangkutan ini disebut potensial henti (). karena electron yang berenergi tertimggi tidak dapat melewati potensial henti ini, maka pengukuran V merupakan suatu cara untuk menentukan energi kinetik maksimum electron :

  Sehingga                   

Berdasarkan hasil pengamatan : 

1.       Intensitas cahaya tidak mempengaruhi pergerakan electron

2.       Intensitas cahaya mempengaruhi jumlah elektron yang lepas dari permukaan logam

3.       Energi kinetik hanya bergantung pada panjang gelombang cahaya atau frekuensinya.

Untuk lebih jelas hubungan antara intesitas cahaya terhadap arus fotolistrik dan kelajuan perhatikan gambar berikut :

 

Gambar 2-2 Arus fotoelektron sebanding dengan intensitas cahaya untuk semua tegangan perintang.  Tegangan penghenti v_o  sama untuk semua intensitas cahaya dari frekuensi v yang diberikan

 

2.      Efek Compton

            Compton menganggap bahwa cahaya sebagai partikel sehingga mempunyai momentum :

     ,  atau     atau    atau  

   

 

Gambar diatas merupakan gambar penghamburan foton oleh electron disebut efek Compton. Energi dan momentum adalah kekal dalam keadaan seperti itu, dan sebagai foton hambur kehilangan energi (panjang gelombang hasilnya lebih panjang) dibandingkan foton datang.

Momentum foton semula ialah, momentum foton hambur ialah, dan momentum electron awal sector ialah, berurutan, 0 dan p. Dalam arah foton semula.

Momentum awal = Momentum akhir

                                                                     

Dan tegak lurus pada arah ini

Momentum awal = Momentum akhir

                0  =                                                  

Sudut f menyatakan sudut antara arah mula-mula dan arah foton hambur, dan q ialah sudut antara arah foton mula dan arah electron yang tertumbuk.

C.     Jenis- jenis gelombang elektromagnetik

Macam-macam gelombang elektromagnet dan manfaatnya :

1.      Gelombang radio

Gelombang radio merupakan gelombang yang memiliki frekuensi paling kecil atau panjang gelombangnya paling panjang. Gelombang radio berada dalam rentang frekuensi yang luas meliputi beberapa Hz sampai gigahertz. Gelombang radio ini banyak digunakan dalam sistem telekomunikasi, siaran TV, radio, dan jaringan seluler menggunakan gelombang radio ini pula. Sistem telekomunikasi menggunakan gelombang radio ini sebagai pembawa sinyal informasi yang pada dasarnya terdiri dari antenna pemancar dan antena penerima.

2.             Gelombang Mikro

Gelombang mikro adalah gelombang radio dengan frekwensi paling tinggi yaitu diatas  3Ghz, jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Maka gelombang mikro ini dapat dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis. Gelombang mikro juga dapat dimanfaatkan pada pesawat RADAR (radio detection and ranging), berarti RADAR mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan menggunakan gelombang mikro.

3.      Sinar Inframerah

Sinar infra merah meliputi daerah frekwensi 1011Hz sampai 1014Hz atau daerah panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. Sinar infra merah ini dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda dipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar infra merah.

4.      Cahaya Tampak

Cahaya Tampak merupakan spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat dilihat oleh mata manusia.cahaya tampak ini dapat membantu penglihatan mata kita. Dengan adanya sinar tampak, mata kita dapat melihat benda-benda di sekeliling kita dan dapat dibedakan macam-macam warnanya.

5.      Sinar Ultraviolet

Sinar ultraviolet mempunyai frekwensi dalam daerah 1015Hz sampai 1016Hz atau dalam daerah panjang gelombang 10-8m – 10-7m, gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listirk. Sinar ultraviolet dapat digunakan untuk membunuh mikroorganisme, membantu pertumbuhan tubuh manusia, dan juga dapat digunakan untuk mengetahui unsur-unsur dalam suatu bahan dengan teknik spektroskopi.

6.      Sinar X

Sinar X memiliki panjang gelombang berkisar antara 10¹¹ m sampai 10⁸ m, sinar ini memiliki daya tembus yang cukup kuat yang dapat menembus buku tebal, kayu tebal, bahkan plat logam. Sinar X ini memiliki beberapa sifat antara lain;

a)      Merambat lurus

b)      Dapat menghitamkan pelat film

c)      Dapat mengionkan gas karena memiliki energi tinggi

d)     Dapat menembus logam tipis

e)      Tidak dapat dibelokkan olehmedanlistrik maupunmedanmagnet

f)       Dipancarkan ketika sinar katoda menumbuk logam

g)      Dapat mengeluarkan elektron-elektron foto dari permukaan logam yang ditumbukkan

Sinar-X disebut juga sinar rontgen. Dalam bidang kedokteran sinar ini digunakan untuk memotret bagian tulang yang patah, batu ginjal, paru-paru, dan bagian tubuh lainnya. Dalam bidang industri digunakan untuk menemukan cacat las dan bungkus logam. Dalam bidang seni digunakan untuk melihat bagian dalam patung yang tidak terlihat dari luar. Pada bidang sains fisika dapat digunakan untuk mempelajari pola-pola difraksi pada struktur atom suatu bahan sehingga dapat digunakan untuk menentukan struktur bahan tersebut.

7.      Sinar gamma

Sinar gamma memiliki panjang gelombang 10¹⁰ m sampai 10¹³ m. sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekwensi terbesar dan bentuk radioaktif yang dikeluarkan inti-inti atom tertentu. Gelombang ini memiliki energy yang besar yang dapat menembus logam dan beton. Sinar gamma sangat berbahaya untuk manusia karena dapat membunuh sel hidup terutama sinar gamma dengan tingkat energy yang tinggi  yang dilepaskan oleh reaksi nuklir seperti ledakan bom nuklir. Gruond Penertrating Radar merupakan metode geofisika dengan teknik elektromagnetik untuk mendeteksi objek yang terkubur didalam tanh dan mengevaluasi kedalam objek tersebut.

D.    Memahami teori gelombang elektromagnetik

1.      Persamaan Maxwell

Gelombang elektromagnetik yang selanjutnya disingkat gelombang EM adalah gelombang yang menjalarnya tak perlu medium. Dasar dari gelombang EM adalah teori-teori listrik dan megnet yang kemudian diringkas menjadi sekumpulan persamaan yang disebut persamaan Maxwell. Salah satu persamaan Maxwell memprediksi bahwa perubahan waktu terhadap medan listrik akan menghasilkan medan magnet, seperti halnya adanya perubahan medan magnet yang menghasilkan medan listrik (hukum Faraday). Dari dasar ini Maxwell mengawali suatu konsep bahwa arus displacement merupakan sumber dari medan magnet. Dengan demikian teori Maxwell menyediakan hubungan penting antara medan listrik dengan medan magnet.

Pada awalnya Maxwell memprediksi bahwa gelombang EM menjalar dengan kecepatan jalar seperti kecepatan jalar cahaya. Penaksiran ini dibuktikan oleh Hertz secara eksperimen, dan dia merupakan orang pertama yang meneliti gelombang EM. Penemuan ini telah mengawali beberapa ilmu tentang sistem komunikasi seperti radio, televisi dan radar. Pada tingkat konseptual, Maxwell menggabungkan masalah cahaya dan gelombang EM, kemudian membangun ide bahwa cahaya adalah bentuk dari radiasi elektromagnetik. Gelombang EM dibentuk oleh muatan listrik yang dipercepat. Gelombang diradiasi terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus dan juga kedua duanya tegak lurus arah penjalarannya. Dengan demikian gelombang EM adalah gelombang transversal. Oleh Maxwell ditunjukkan bahwa amplitudo-amplitudo medan listrik dan medan magnet ( E & B) dalam gelombang EM mempunyai hubungan E = c B, dengan c adalah kecepatan cahaya.

Pada jarak yang cukup jauh dari sumber gelombang, amplitudo dari getaran medan akan mengecil terhadap jarak, sebagai perbandingan (1/r). Gelombang EM juga mempunyai momentum dan energi sehingga dapat menghasilkan tekanan terhadap materi yang dijumpai. Gelombang EM mempunyai banyak frekwensi. Sebagai contoh gelombang radio adalah gelombang EM yang dihasilkan oleh osilasi arus di menara antena radio. Pemancaran gelombang cahaya adalah bentuk frekwensi tinggi dari radiasi EM yang dihasilkan oleh osilasi elektron dalam sistem atom. Hukum