GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DAN APLIKASINYA

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DAN APLIKASINYA

A. Deskripsi Gelombang Elektromagnetik

1. Teori Maxwell

Pada perkembangan ilmu pengetahuan tentang fisika, James Clerk Maxwell(1813-1879) telah manyumbangkan pengetahuan yang besar. Maxwell menyumbangkan pandangan tentang gelombang elektromagnetik. Elektromagnetik disusun dari dua kata, yaitu elektro (listrik) dan magnet.

Menurut Maxwell, ada empat hal penting yang dapat menjelaskan terjadinya gelombang elektromagnetik.

1. Setiap ada muatan maka disekitarnya akan timbul medan listrik

2. Disekitar kawat berarus listrik akan timbul medan magnet

Ketiga, perubahan medan magnet daapat menimbulkan arus listrik. Generator merupakan alat yang menghasilkan sumber listrik karena perubahan fluks magnet (medan magnet). Pandangan ketiga ini dapat mengembangkan pandangan secara terbalik, yaitu perubahan medan listrik harus menimbulkan medan magnet. Pandangan inilah yang dikemukakan oleh yang dikemukakan oleh Maxwell sebagai hal penting keempat dan sebagai penyeimbang kejadian.

Kejadian yang dijelaskan sebagai empat hal penting diatas yang digunakan Maxwell untuk membuat suatu kesimpulan. Menurut Maxwell, energy yang tersimpan dalam bentuk medan magnet dapat berubah menjadi energy dalam bentuk medan magnet. Pembentukan tersebut dapat terjadi sebaliknya, dimana energy yang tersimpan dalam bentuk medan listrik dapat berubah menjadi energy dalam bentuk medan magnet bentuk pancaran energi yang disebut gelombang elektromagnetik.

2. Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik banyak ditemukan dalam berbagai jenis dengan panjang gelombang atau frekuensi berbeda, tetapi memiliki sifat-sifat yang sama. Penguraian gelombang elektromagnetik berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya inilah yang disebut spektrum gelombang elektromagnetik.

Dari spektrum gelombang elektromagnetik dapat dilihat bahwa cahaya dapat digolonhkan dalam gelombang elektromagnetik. Dari keceoatan cahaya dapat ditentukan kecepatan gelombang elektromagnetik, yaitu besarnya sama. Di ruang hampa atau udara mendekati c = 3 x 10⁸ m/s. hal inilah yang mendasari teori Maxwell tentang cahaya “Cahaya adalah gelombang, yaitu gelombang elektromagnetik.”

3. Sifat-Sifat Gelmbang Elektromagnetik

Dari proses pembentukannya, gelombang elektromagnetik memiliki keunikan dibanding gelombang-gelombang yang lain sehingga gelombang ini juga memiliki sifat-sifat khusus yang tidak dimilikioleh gelombang lain. Sifat-sifat gelombang elektromagnetik ini diantaranya dapat dijelaskan sebagai berikut.

a. Gelombang elektromagnetik tidak membutuhkan medium dalam merambat

Dari sifat ini dapat dijelaskan bahwa gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam suatu medium maupun diruang hampa. Sebagai contoh cahaya dapat merambat melalui kaca, air, dan juga dapat merambat diruang hampa sehingga sinar matahari dapat ke bumi.

b. Gelombang elektromagnetik tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet

Jika sebuah muatan, misalnya electron dilewatkan dalam medan listrik maka geraknya akan dipengaruhi medan listrik tersebut karena muatan negative dapat ditarik oleh muatan positif. Begitu pula jika electron melwati medan magnet, electron tersebut akan mendapat gaya Lorentz(gaya magnet). Keadaan ini tidak terjadi pada gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik tidak dipengaruhi oleh kedua medan tersebut. Hal ini juga membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik tidak bermuatan.

c. Gelombang elektromagnetik termasuk gelombang transversal

Seperti gelombang transversal lainnya maka gelombang elektromagnetik akan memiliki sifat-sifat, yaitu dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan (refraksi), interferensi (gabungan atau superposisi), difraksi (pelenturan), dan polarisasi.

d. Semua spektrum gelombang elektromagnetik memilik kecepatan yang sama dan hanya tergantung pada mediumnya.

Dalam hukumnya, Maxwell menemukan bahwa kecapatan gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya dan memenuhi persamaan berikut:

Dengan μ_o = permeabilitas vakum

Ε_o = permitivitas vakum

Seperti gelombang secara umum, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik juga memenuhi hubungan berikut:

λƒ

Dengan c = cepat rambat gelombang elektromagnetik diruang hampa (udara) = 3 x10⁸ m/s

λ = panjang gelombang (m)

ƒ = frekuensi (Hz)

B. Aplikasi Gelombang Elektromkagnetik

Semua bintang-binmtang mengalami radiasi dan memancarkan gelombang elektromagnetik. Contohnya, matahari dan bintang merupakan sumber gelombang elektromagnetik yang lengkap. Secara labih rinci sumber-sumber dan aplikasi gelombang elektreomagnetik tersebut dapat dipelajari sebagai berikut.

1. Sinar Gamma

Sinar gamma ditemukan dari radiasi inti atom tidak stabil yang merupakan pancaran zat radioaktif. Sinar gammajuga dihasilkan seperti sinar X, yaitu berasal dari tumbukan electron dengan atom berat, seperti timbale (Pb).

Dalam spektrumnya, sinar gamma menempati tingkatan dengan frekuensi terbesar, yaitu 10²⁰ Hz – 10²⁵ Hz. Sifat yang dimiliki sinar gamma adalah energy yang besar sehingga daya tembusnya sangat kuat.

Dari sifat yang dimilikinya, sinar gamma dapat digunakan sebagai system penurut aliran suatu fluida (misalnya aliran air PDAM) untuk mendetksi adanya kebocoran pipa. Sekarang sinar gamma banyak digunakan sebagai bahan sterilisasi bahan makanan kaleng dan pendetaksi keretakan pada batang baja.

2. Sinar X

Sinar X pertama kali ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen sehingga sering disebut juga sinar Rontgen. Sinar X ini dihasilkan dari radiasi akibat tumbukan electron berkecepatan tinggi pada atom berat separti timbal (Pb).

Gelombang elektromagnetik yang dikategorikan sebagai sinar X memiliki rentang frekuensi 10¹⁶ Hz – 10²⁰ Hz. Dengan frekuensi ini berarti sinar X juga memiliki energy tinggi dan daya tembus besar. Dari sifat inilah sinar X dapat dimanfaatkan dalam bidang radiologi, yaitu mendeteksi organ-organ tubuh seperti tulang, jantung, paru-paru, ginjal, dan organ lainnya. Pemanfaatan ini sering disebut foto rontgen.

3. Sinar Ultraviolet

Sinar ultraviolet atau ultraungu merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi di atas sinar tampak (sinar ungu). Rentang frekuensinya antara 10¹⁵ Hz – 10¹⁶ Hz. Sinar ini selain dihasilkan oleh radiasi matahari, juga dapat dihasilkan dari tabung lucutan. Pada tabung lucutan dapat terjadi penembakan elektron pada atom –atom seperti Hidrogen, gas Neon, dan gas mulia yang lain.

Sinar ultraviolet dapat digunakan dalam tekhnik spektroskopi, yaitu untuk mengetahui kandungan unsure-unsur pada suatu bahan. Dalam perkembangannya, sinar ultraviolet diketahui dapat mempengaruhi kecepatan pertumbuhan sel. Sisi negatifnya dapat menyebabkan kanker kulit, tetapi sisi positifnya dapat digunakan untuk memicu perkembangan ternak seperti babi.

4. Cahaya Tampak

Cahaya tampak banyak membantu kita dalam melihat benda-benda. Sebuah benda dapat terlihat karena ada cahaya yang dipantulkan oleh benda tersebut. Di bawah sinar matahari sebuah bunga merah dapat terlihat karena bunga tersebut memantulkan cahaya merah dan menyerap warna yang lain. Cahaya tampak memiliki rentang yang pendek, yaitu dengan panjanh gelombang 10^-6 cm – 10^-7 cm atau frekuensi 3 x 10¹⁴ Hz – 10¹⁵ Hz.

5. Sinar inframerah

Sinar inframerah, cahaya tampak dan sinar ultraungu dihasilkan dari sumber yang sama, yaitu dari tabung lucutan. Pada tabung lucutan dapat terjadi penembakan electron pada atom-atom seperti gas Hidrogen, gas Neon, dan gas mulia yang lain. Rentang frekuensi sinar ini, yaitu 10¹¹ Hz – 10¹⁴ Hz. Sinar inframerah dapat dimanfaatkan untuk pemotretan-pemotretan permukaan bumi dari satelit.

6. Gelombang Mikro, Gelombang Televisi, dan Gelombang Radio

Gelombang mikro, gelombang televise, dan gelombang radio dapat dihasilkan dari rangkaian osilator arus bolak-balik. Gelombang ini juga dihasilkan pada radiasi matahari hanya yang sampai ke bumi kecil.

Gelombang mikro banyak dimanfaatkan sebagai alat pendeteksi seperti radar. Sekarang banyak dikembangkan lagi seperti pada perbot rumah tangga microwave. Sedangkan gelombang televisi dan gelombang radio banyak digunakan sebagai alat komunikasi.

C. Energi Gelombang Elektromagnetik

Gelombang merupakan rambatan energi maka definisi ini juga berlaku untuk gelombang elektromagnetik. Laju energi yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik disebut pointing dan disimolkan S. Pointing didefinisikan sebagai perkalian vector berikut.

S = 1/ μ_oE x B

Dari definisi pointing inilah dapat diperoleh nilai pointing rata-rata sebesar

S =E_mB_m/ 2μ₀

Dengan Ŝ = pointing rata-rata atau laju energi rata-rata persatuan luas (watt/m²)

E_m = kuat medan listrik maksimum (N/C)

B_m = kuat medan magnet maksimum (tesla)

μ = 4 π x 10^-7 Wb/Am