Gem [PDF]

Citation preview

Kelompok Ganjil 1. Anggia Novaliza 2. Alia Rizki Fatiah 3. Ervina 4. Nurul Fadhilah 5. Widya Rahmatika Rizaldi 6. Nandy Christiantoro 7. Muhammad Aufa Riyaldo KEGIATAN BELAJAR III CAPAIAN PEMBELAJARAN Mahasiswa dapat memahami gelombang elektromagnetik TUJUAN PEMBELAJARAN Mahasiswa dapat : 1. Melalui diskusi mahasiswa dapat memahami karakteristik gelombang elektromagnetik 2. Melalui diskusi mahasiswa dapat memahami sumber gelombang eletromagnetik 3. Melalui diskusi mahasiswa dapat memahami karakteristik gelombang elektromagnetik 4. Melalui diskusi mahasiswa dapat memahami percobaan gelombang elektromagnetik yang meliputi percobaan Oersted, percobaan Faraday, percobaan Heinrich Hertz) 5. Melaui diskusi mahasiswa dapat menganalisis persamaan Maxwell 6. Melalui diskusi mahasiswa dapat menganalisis persamaan gelombang elektromagnetik 7. Melalui diskusi mahasiswa dapat memahami aplikasi gelombang eletromagnetik dan jenis-jenis gelombang elektromagnetik



INDIKATOR Mahasiswa dapat : 1. Memahami karakteristik gelombang elektromagnetik 2. Memahami sumber gelombang elektromagnetik 3. Mengetahui spektrum gelonbang elektromagnetik 4. Memahami percobaan gelombang elektromagnetik yang meliputi percobaan Oersted, percobaan Faraday, percobaan Heinrich Hertz 5. Menganalisis persamaan Maxwell 6. Menganalisis peramaan gelombang elektromagnetik 7. Memahami aplikasi gelombang eletromagnetik dan jenis-jenis gelombang elektromagnetik Petunjuk : 1. Bacalah doa sebelum memulai kegiatan pembelajaran 2. Bacalah modul berikut dengan seksama 3. Pahami tiap tiap konsep dan materi yang terdapat pada modul ini 4. Setelah memahami konsep dan materi,coba lah untuk mengerjakan beberapa latihan soal yang ada di modul ini.



Materi GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK



Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang memancar tanpa media rambat yang membawa muatan energi listrik dan magnet (elektromagnetik). Gelombang elektromagnetik merupakan gelombang yang dapat merambat tanpa memerlukan medium dan merupakan gelombang transversal. Namun gelombang elektromagnetik merupakan gelombang medan, bukan gelombang mekanik (materi). Pada gelombang elektromagnetik,medan listrik E selalu tegak lurus arah medan magnetik B dan keduanya tegak lurus arah rambat gelombang. Gangguan gelombang elektromagnetik terjadi karena medan listik dan medan magnet, oleh karena itu gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang vakum. Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini ditentukan oleh mediumnya yaitu: 𝑐=



1 √𝜇0 𝜀0



dengan: 𝜇0 = permeabilitas ruang hampa, 𝜀0 = permitivitas ruang hampa, c = laju perambatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Sebagai contoh perhitungan kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini diperoleh dengan memasukkan nilai μo = 4 x 10-7 Wb/Am (tetapan yang sering muncul pada hukum Gauss) dan nilai εo = 8,85 x 10-12 C/Nm2 (tetapan yang sering muncul pada hukum BiotSavart dan hukum Ampere) ke persamaan diatas sehingga diperoleh nilai: c = 2,998 x 108 m/s atau sering didekati dengan 3 x 108 m/s. Nilai kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini ternyata sama dengan nilai kecepatan perambatan cahaya dalam ruang hampa, dan menerka dengan benar bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik



1. Karakteristik Gelombang Elektromagnetik Energi elektromagnetik merambat dalam gelombang dengan beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu:    



Panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang melalui suatu titk dalam satu putaran waktu. Amplitudo adalah tinggi gelombang. Kecepatan



Frekuensi tergantung dari ke kecepatan merambatnya gelombang. karena ke kecepatan energi elektromagnetik adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan dan frekuensi berbanding terbalik. semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah dan frekuensinya, dan semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi dan frekuensinya. Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua masa di alam semesta pada level yang berbeda-beda. semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi dan frekuensinya. Perbedaan karakteristik energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi elektromagnetik. Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan beberapa ciri gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut :  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.  Arah medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.  Gelombang elektromagnetik merupakan gelombangtransversal.  Seperti halnya gelombang pada umumnya, gelombang elektromagnetik mengalami peristiwa pemantulan, pembiasan, inter&erensi, dan difraksi. Juga mengalami peristiwa polarisasi karena termasuk gelombang transversal.  Cepat rambat gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnetik medium yang ditempuhnya. 2. Sumber Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik dapat ditimbulkan dari berbagai sumber, yaitu:  Osilasi listrik.  Sinar matahari, menghasilkan sinar infra merah.  Lampu merkuri, menghasilkan ultra violet.  Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam, menghasilkan sinar (digunakan untuk rontgen).  Inti atom yang tidak stabil, menghasilkan sinar gamma.  Sinar matahari menghasilkan gelombang elektromagnetik, diantaranya sinar infra red yang dapat diman&aatkan untuk mempelajari stuktur atom.



 



Penembakan elektron dalam tabung hampa sekeping logam ditembak dengan elektron yang berkecepatan tinggi menghasilkan sejenis sinar, yang kemudian dinamai sinar x. Inti atom yang tidak stabil. Inti atom yang tidak stabil akan memancarkan partikel-partikel sehingga menjadi unsur lain. Dalam peristiwa peluruhan sering diiringi oleh pemancaran gelombang elektromagnetik, diantaranya sinar gamma (𝜆). Sinar ini tidak bermuatan sehingga tidak mengalami pembelokan saat melewati daerah bermedan listrik. Serta memiliki energi yang sangat besar.



3. Spektrum Gelombang Elektromagnetik



Spektrum gelombang elektromagnetik dengan urutan dari panjang gelombang terbesar atau frekuensi terkecil ke panjang gelombang terkecil atau frekuensi terbesar sebagai berikut: 1.



2.



3.



4.



5.



Gelombang radio: dimanfaatkan untuk mentransmisikan sinyal pada jarak yang sangat jauh. Contohnya gelombang radio dipakai oleh stasiun TV dan radio untuk mentransmisikan sinyal komunikasi, selain itu digunakan oleh radar dan untuk pencitraan satelit ke bumi dalam pembuatan peta 3 dimensi. Gelombang mikro: ketika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda tersebut. Contohnya gelombang mikro digunakan dalam microwave (oven) dan pada pesawat radar. Sinar inframerah: sinar inframerah tidak dapat terlihat tetapi dapat terdeteksi diatas spektrum cahaya merah yang dipakai untuk memindahkan energi yang tidak terlalu besar. Contohnya pada remote dalam mentramsisian data dalam bentuk energi. Cahaya tampak: memiliki spektrum elektromagentik yang bisa dideteksi oleh mata manusia. Contohnya penggunaan laser dalam serat optik pada bidang kedokteran dan telekomunikasi. Sinar ultraviolet: sumber utama yang memancarkan sinar ultraviolet adalah matahari.



6.



Sinar X: digunakan dalam bidang kedokteran untuk melihat organ dalam tubuh seperti tulang. 7. Sinar gamma: memiliki frekuensi paling tinggi dan daya tembus paling besar. Salah satu penggunaan sinar gamma untuk mensterilkan peralatan medis. 4. Percobaan Gelombang Elektromagnetik 1. Percobaan Oersted yang berhasil membuktikan : arus listrik dalam konduktor menghasilkan medan magnet disekitarnya (jarum kompas menyimpang bila di dekatkan pada kawat yang dialiri arus listrik).



Keterangan : I = arus listrik (A) (a) = kutub utara-selatan jarum kompas sebelum kawat dialiri arus listrik berimpit dengan kawat yang ada di atasnya. (b) = penghantar dialiri arus listrik dari arah utara, kutub utara jarum kompas menyimpang ke timur. (c) = penghantar dialiri arus listrik dari arah selatan, kutub utara jarum kompas menyimpang ke barat.



2. Percobaan Faraday



Dalam percobaan Faraday atau sering dikenal dengan istilah Eksperimen Faraday ini, Michael Faraday mengambil sebuah magnet dan sebuah kumparan yang terhubungkan ke galvometer. Pada awalnya, magnet diletakkan agak berjauhan dengan kumparan sehingga tidak ada defleksi dari galvometer. Jarum



pada galvometer tetap menunjukan angka 0. Ketika magnet bergerak masuk ke dalam kumparan, jarum pada galvometer juga bergerak menyimpang ke satu arah tertentu (ke kanan). Pada saat magnet didiamkan pada posisi tersebut, jarum pada galvometer bergerak kembali ke posisi 0. Namun ketika magnet digerakan atau ditarik menjauhi kumparan, terjadi defleksi pada galvometer, jarum pada galvometer bergerak menyimpang berlawanan dengan arah sebelumnya (ke kiri). Pada saat magnet didiamkan lagi, jarum pada galvometer kembali ke posisi 0. Demikian juga apabila yang bergerak adalah Kumparan, tetapi Magnet pada posisi tetap, galvometer akan menunjukan defleksi dengan cara yang sama. Dari percobaan Faraday tersebut juga ditemukan bahwa semakin cepat perubahan medan magnet semakin besar pula gaya gerak listrik yang diinduksi oleh kumparan tersebut. Bunyi Hukum Faraday Berdasarkan percobaan yang dilakukannya tersebut, Michael Faraday menyimpulkannya dengan dua pernyataan seperti berikut ini yang juga sering disebut dengan Hukum Induksi Elektromagnetik Faraday 1 dan Hukum Induksi Elektromagnetik Faraday 2. Hukum Faraday 1 : Setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik (GGL) yang diinduksi oleh kumparan tersebut. Hukum Faraday 2 : Tegangan GGL induksi di dalam rangkaian tertutup adalah sebanding dengan kecepatan perubahan fluks terhadap waktu. Namun ada juga mengabungkan kedua hukum Faraday tersebut menjadi satu pernyataan yaitu : Setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik (GGL) Induksi yang sebanding dengan laju perubahan fluks. Hukum Faraday tersebut dapat dinyatakan dengan rumus dibawah ini :



𝜀 = −𝑁



𝑑∅ 𝑑𝑡



Keterangan : ɛ = GGL induksi (volt) N = Jumlah lilitan kumparan ΔΦ = Perubahan fluks magnetik (weber) ∆t = selang waktu (s) Tanda negatif menandakan arah gaya gerak listrik (ggl) induksi.



3. Percobaan Maxwell Didasarkan pada penemuan Faraday “Perubahan Fluks magnetik dapat menimbulkan medan listrik” dan arus pergeseran yang sudah dihipotesakan Maxwell sebelumnya, maka Maxwell mengajukan suatu hipotesa baru : “Jika perubahan fluks magnet dapat menimbulkan medan listrik maka perubahan Fluks listrik juga harus dapat menimbulkan medan magnet” Hipotesa ini dikenal dengan sifat simetri medan listrik dengan medan magnet. Bila Hipotesa Maxwell benar, konsekuensinya perubahan medan listrik akan mengakibatkan medan magnet yang juga berubah serta sebaliknya dan keadaan ini akan terus berulang. Medan magnet atau medan listrik yang muncul akibat perubahan medan listrik atau medan magnet sebelumnya akan bergerak (merambat) menjauhi tempat awal kejadian. Perambatan medan listrik dan medan magnet inilah yang disebut sebagai gelombang elektromagnetik.



Degan teori Maxwell tentang gelombang ekektromagnetik menyimpulkan bahwa sifat-sifat gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut: 1. Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi pada saat yang bersamaan sehingga kedua medan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang samadan pada tempat yang sama. 2. Arah medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. 3. Gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. 4. Mengalami peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi juga polarisasi. 5. Besar medan listrik dan medan magnet (E=cB) 6. Tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan medan magnet karena gelombang elektromagnetik tidak memiliki muatan. 7. Kecepatan dalam ruang hampa sama dengan kecepatan di udara 3 x 108 m/s 4. Percobaan Heinrich Hertz Maxwell menyatakan persamaan nya yang cukup mengejutkan dunia Fisika. Salah satunya menyatakan adanya gelombang elektromagnetik. Namun, saat itu belum dapat dibuktikan. Karna itu, Heinrich Hertz mencoba untuk membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik itu.



Secara teori, Hertz menyadari bahwa gelombang elektromagnetik yang dinyatakan Maxwell merupakan gabungan dari gelombang listrik dan gelombang magnetik secara saling tegak lurus. Begitu pula dengan arah geraknya. Karena gelombang tersebut mengantung gelombang listrik, maka Hertz mencoba membuktikan keberadaan gelombang elektromagnetik tersebut melalui keberadaan gelombang listriknya yang diradiasikan oleh rangkaian pemancar. Hertz mencoba membuat rangkaian pemancar sederhana dengan bantuan trafo untuk memperkuat tegangan dan kapasitor sebagai penampung muatannya. Karena ada arus pergeseran pada gap pemancar, diharapkan ada radiasi gelombang elektromagnetik yang akan dipancarkan. Karena secara teori, dari percikan yang muncul akan dihasilkan gelombang elektromagnetik. Alhasil, pada rangkaian loop penerima yang hanya berupa kawat berbentuk lingkaran yang tanpa diberikan sumber tegangan apapun, ternyata muncul percikan listrik pada gap-nya. Ini membuktikan ada listrik yang mengalir melalui radiasi suatu benda.yang akhirnya terhantarkan ke loop. Karena merasa belum puas, Hertz mencoba untuk menghitung frekuensi pada loop. Ternyata frekuensi yang dihasilkan sama dengan frekuensi pemancar. Ini artinya listrik pada loop berasal dari pemancar itu sendiri. Dengan ini terbuktilah adanya radiasi gelombang elektromagnetik Maxwell. Percobaan Hertz ini juga memicu penemuan telegram tanpa kabel dan radio oleh Marconi. Rangkaian ini ada dalam kaca quartz untuk menghindari sinar UV.



5. Persamaan Maxwell Hukum-hukum fisis dalam electromagnet 𝑞𝑒𝑛𝑐 ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝐴 = 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠 (1) 𝜀0 𝑑Φ𝐵 ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝑠 = − 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎𝑦 − 𝐿𝑒𝑛𝑧 (2) 𝑑𝑡 ⃗ . 𝑑𝑠 = 𝜇0 𝑖𝑒𝑛𝑐 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 ∮𝐵 (3) Hukum Gauss untuk medan magnet Karena magnet selalu ditemukan dalam bentuk dipol, maka ⃗ . 𝑑𝐴 = 0, ∮𝐵



(4)



(Hukum Gauss untuk medan magnet). ⇒ garis medan magnet yang masuk dan keluar suatu permukaan tertutup selalu sama. Medan magnet induksi 𝑑Φ Hukum Faraday ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝑠 = − 𝑑𝑡𝐵 menunjukkan bahwa medan listrik dapat dihasilkan dari perubahan fluks medan magnet. Menurut Maxwell, berlaku pula hal sebaliknya, ⃗ . 𝑑𝑠 = 𝜇0 𝜀0 ∮𝐵



𝑑Φ𝐸 𝑑𝑡



(5)



Pernyataan tersebut dapat digabung dengan hokum Ampere, menghasilkan 𝑑Φ𝐸 ⃗ . 𝑑𝑠 = 𝜇0 𝜀0 ∮𝐵 + 𝜇0 𝑖𝑒𝑛𝑐 (6) 𝑑𝑡 hukum Ampere-Maxwell. Arus pergeseran Dari persamaan Ampere-Maxwell 𝑑Φ𝐸 + 𝜇0 𝑖𝑒𝑛𝑐 (7) 𝑑𝑡 dapat didefinisikan arus pergeseran (displacement current) 𝑑Φ𝐸 𝑖𝑑 = 𝜀0 (8) 𝑑𝑡 ⃗ . 𝑑𝑠 = 𝜇0 𝜀0 ∮𝐵



Arus pergeseran pada kapasitor Dengan mengingat besar muatan yang tersimpan dalam kapasitor adalah q = CEd dan C = ε0A/d, diperoleh



𝑖𝑑 =



𝑑𝑞 𝑑𝐸 = 𝜀0 𝐴 𝑑𝑡 𝑑𝑡



(9)



Persamaan Maxwell: ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝐴 =



𝑞𝑒𝑛𝑐 𝜀0



⃗ . 𝑑𝐴 = 0 ∮𝐵 ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝑠 = −



𝑑Φ𝐵 𝑑𝑡



⃗ . 𝑑𝑠 = 𝜇0 (𝑖𝑑 + 𝑖𝑒𝑛𝑐 ) ∮𝐵



(10) (11) (12) (13)



Dengan 𝑖𝑑 = 𝜀0



𝑑Φ𝐸 𝑑𝑡



(14)



6. Persamaan Gelombang Elektromagnetik ⃗ , 𝐶 seperti Misal gelombang EM merambat ke arah 𝑖̂ dengan kecepatan c. Arah 𝐸⃗ , 𝐵 gambar.



Tinjau suatu luasan kecil pada bidang xy. Gunakan persamaan Faraday



Tinjau suatu luasan kecil pada bidang xy. Gunakan persamaan Faraday 𝑑Φ𝐵 ∮ 𝐸⃗ . 𝑑𝑠 = − , (15) 𝑑𝑡 Untuk mendapatkan 𝜕𝐵 𝜕𝐸 =− (16) 𝜕𝑥 𝜕𝑥 Tinjau suatu luasan kecil pada bidang xz.Gunakan persamaan Ampere-Maxwell untuk 𝑖𝑒𝑛𝑐 = 0 𝑑Φ𝐸 ⃗ . 𝑑𝑠 = 𝜇𝑜 𝜀𝑜 ∮𝐵 (17) 𝑑𝑡 Untuk mendapatkan 𝜕𝐵 𝜕𝐵 (18) = −𝜇𝑜 𝜀𝑜 𝜕𝑥 𝜕𝑥  Dari persamaan (16) dan (18), diperoleh 𝛿 2𝐸 1 𝛿 2𝐵 = (19) 𝛿𝑡 2 𝜇𝑜 𝜀𝑜 𝛿𝑥 2



𝛿 2𝐵 1 𝛿 2𝐵 = (20) 𝛿𝑡 2 𝜇𝑜 𝜀𝑜 𝛿𝑥 2  Dua persamaan terakhir adalah persamaan gelombang EM dengan kecepatan rambat 1 108 𝑚 𝑐= = 2,99792 𝑥 𝜇𝑜 𝜀𝑜 𝑠  Solusi cos untuk persamaan gelombang EM adalah 𝐸(𝑥, 𝑡) = 𝐸𝑚𝑎𝑥 cos(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥), 𝐵(𝑥, 𝑡) = 𝐵𝑚𝑎𝑥 cos(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥)  Dari (16), diperoleh 𝐸 𝐸𝑚𝑎𝑥 𝜔 = = =𝑐 𝐵 𝐵𝑚𝑎𝑥 𝑘



(21)



(22) (23) (24)



7. Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan Sehari-hari Berdasarkan kenyataan bahwa gelombang elektromagnetik terdiri atas banyak jenis sinar gamma (𝛾), sinar (Rontgen), sinar ultraviolet, sinar tampak, sinar infra merah, gelombang radar, gelombang televisi dan gelombang radio. Pada bagian ini akan dibahas tentang aplikasi gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari. 1. Sinar Gamma (𝛾)



Sinar gamma termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 1020 Hz - 1025 Hz. Sinar gamma merupakan hasil reaksi yang terjadi dalam inti atom yang tidak stabil. Sinar gamma mempunyai daya tembus yang paling kuat dibanding gelombanggelombang yang masuk dalam kelompok gelombang elektromagnetik. Sinar gamma dapat menembus pelat besi yang tebalnya beberapa cm. Penyerap yang baik untuk sinar gamma adalah timbal. Aplikasi sinar gamma dalam bidang kesehatan adalah untuk mengobati pasien yang menderita penyakit kanker atau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan pada pengobatan penyakit-penyakit ini adalah Cobalt-60 atau sering ditulis Co60. Salah satu alat untuk mendeteksi sinar gamma adalah detektor Geiger - Muller. Ada jenis detektor sinar gamma yang lain yaitu detektor sintilasi NaI-TI. Salah satu contoh penggunaan sinar gamma untuk pengobatan pasien ditunjukkan pada gambar diatas.



2. Sinar-X (Rontgen)



Sinar-X ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen pada tahun 1895 sehingga sering disebut sebagai sinar Rontgen. Sinar-X termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz. SinarX merupakan hasil transisi elektronelektron di kulit bagian dalam, transisi terjadi dalam atom. Sinar-X mempunyai daya tembus terbesar kedua sesudah sinar gamma. Sinar-X dapat menembus daging manusia. Sinar sering digunakan dalam bidang kesehatan untuk mengecek pasien yang mengalami patah tulang. Pasien yang mengalami patah tulang diambil fotonya dengan sinar-X. Sinar-X juga digunakan di bandara pada pengecekan barang-barang penumpang di pesawat. Di pelabuhan digunakan untuk mengecek barang-barang (peti kemas) yang akan dikirim dengan kapal laut. Salah satu contoh penggunaan sinar-X untuk pengobatan pasien ditunjukkan pada gambar disamping.



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 telanjang tetapi sinar ini dapat dideteksi dengan menggunakan pelat-pelat film tertentu yang peka terhadap gelombang ultraviolet. Matahari merupakan sumber radiasi ultraviolet yang alami. Sinar ultraviolet yang dihasilkan oleh matahari tidak baik pada kesehatan khususnya kulit jika mengenai manusia. Manusia terlindungi dari sinar ultraviolet dari matahari karena adanya lapisan ozon di atmosfer yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet ini. Aplikasi sinar ultraviolet ini banyak dipakai di laboratorium pada penelitian bidang spketroskopi, 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. Sinar ultraviolet ini merupakan hasil transisi elektron-elektron pada kulit atom atau molekul. Matahari merupakan sumber cahaya tampak yang alami. Sinar tampak ini terdiri dari berbagai warna, dari warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu. Kita semua



bisa melihat warna benda karena benda memantulkan warna-warna ini dan masuk kembali ke mata kita. Banyak sekali aplikasi dari cahaya pada kehidupan kita, antara lain dengan cahaya kita bisa melihat indahnya pemandangan, kita dapat memotret sehingga gambarnya menjadi berwarna seperti aslinya, kita dapat melihat televisi berwarna, dan sebagainya. Seperti juga sinar ultraviolet, sinar tampak banyak dipakai juga dalam bidang spektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang ada dalam 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 Hz sampai sekitar 3 Ghz. Sinar inframerah tidak tampak dilihat oleh mata telanjang tetapi sinar infra merah dapat dideteksi dengan menggunakan pelat-pelat film tertentu yang peka terhadap gelombang inframerah. Pesawat udara yang terbang tinggi ataupun satelitsatelit dapat membuat potretpotret permukaan bumi, dengan mempergunakan gelombang inframerah. Seperti juga sinar ultraviolet dan sinar tampak, sinar inframerah banyak dipakai juga dalam bidang spektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang ada dalam bahan. 6. Gelombang Radar (Gelombang Mikro) Gelombang mikro (microwave) mempunyai frekuensi 3 GHz. Gelombang mikro ini dapat digunakan untuk alat komunikasi, memasak, dan radar. Radar adalah singkatan dari Radio Detection and Ranging. Antena radar dapat bertindak sebagai pemancar dan penerima gelombang elektromagnetik. Di pangkalan udara, antena pemancar radar dapat berputar ke segala arah untuk mendeteksi adanya pesawat terbang yang menuju atau meninggalkan pangkalan udara. Dalam bidang transportasi, gelombang radar dipakai untuk membantu kelancaran lalu lintas pesawat di pangkalan udara atau bandara. Gelombang radar digunakan juga pada bidang pertahanan yaitu untuk melengkapi pesawat tempur sehingga bisa mengetahui keberadaan pesawat musuh. 7. Gelombang Televisi Gelombang televisi mempunyai frekuensi yang lebih tinggi dari gelombang radio. Gelombang televisi ini merambat lurus, tidak dapat dipantulkan oleh lapisan-lapisan atmosfer bumi. Gelombang televisi banyak dipakai dalam bidang komunikasi dan siaran. Pada proses penangkapan siaran televisi sering diperlukan stasiun penghubung (relay) agar penangkapan gambar dan suara lebih baik. Untuk televisi stasiun Jakarta, maka di wilayah Bandung diperlukan sebuah stasiun penghubung yang terletak di puncak gunung Tangkuban Perahu.



Penayangan siaran televisi untuk daerah yang lebih jauh lagi, misalnya untuk Indonesia bagian timur agar kualitas gambar dan suara bagus diperlukan sebuah satelit sebagai stasiun penghubung. Kita harus menyewa sebuah satelit yang bertindak sebagai stasiun penghubung, jika kita ingin melihat siaran langsung dari luar negeri, seperti pertandingan sepak bola, tinju, dan sebagainya. 8. Gelombang Radio Gelombang radio ini dipancarkan dari antena pemancar dan diterima oleh antena penerima. Luas daerah yang dicakup dan panjang gelombang yang dihasilkan dapat ditentukan dengan tinggi rendahnya antena. Gelombang radio tidak dapat secara langsung didengar, tetapi energi gelombang ini harus diubah menjadi energi bunyi oleh pesawat radio sebagai penerima. Penggunaan gelombang radio untuk komunikasi ditunjukkan pada gambar dibawah ini.



Di samping hal ini, gelombang radio sering digunakan untuk komunikasi yaitu penggunaan pesawat telepon, telepon genggam (hand phone), dan sebagainya.



Contoh Soal 1. Medan magnetik dalam suatu gelombang elektromagnetik memiliki puncak 1,77 x 108



J/Cs. Berapa besar energi yang diangkut oleh gelombang ini per meter persegi per sekon?



Penyelesaian: Diketahui: Bm = 1,77 x 10-8 J/Cs c = 3 × 108 m/s μo = 8,85 x 10-12 C/Nm2 Ditanyakan: S = ? Jawab: Bm = Em/c Em = c.Bm Em = (3 × 108 m/s).(1,77 x 10-8 J/Cs) Em = 5,31 N/C S = (Em.Bm)/2μo S = (5,31 . 1,77 x 10-8)/(2 . 8,85 x 10-12) S = (5,31 . 1,77 x 10-8)/(1,77 × 10-11) S = 5,31 × 103 W/m2 2. Gelombang elektromagnetik dalam suatu medium memiliki kelajuan 2,8 x 108 m/s. Jika permitivitas medium 12,76 x 10-7 wb/Am, tentukanlah permeabilitas medium tersebut? Jawab : Diketahui : c = 2,8 x 108 m/s 𝜀 = 12,76 x 10-7 wb/Am Dengan menggunakan persamaan Maxwell, diperoleh ∶



c= 𝜇=



1 √𝜇 𝜀 1 c2 𝜀



= (2,8



1 x 108 )2 (12,76 𝑥



10−7 )



= 2,7 x 10-3 wb/Am



3. Sebuah gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan 3 x 108 m/s. Jika panjang gelombang 30 m, maka tentukan frekuensi gelombang tersebut? Jawab : Diketahui : c = 3 x 108 m/s 𝜆 = 30 m/s



𝐹𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖 (f)



=



c λ 3 x 108



= 30 = 107 Hz 4. Medan listrik maksimum suatu gelombang elektromagnetik disuatu tempat adalah 300 N/C. Cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa 3 x 108 m/s dan permetivitas listrik untuk ruang hampa 8,85 x 10-12 C/Nm2. Hitung laju energi rata-rata tiap satuan luas gelombang elektromagnetik! Jawab : Diketahui : Em = 200 N/C c = 3 x 108 m/s 𝜇0 = 8,85 x 10-12 C/Nm2 Bm = Em/c Bm =



(300 N/C)



(3 x 108 𝑚/𝑠)



Bm = 1,0 x 10-6 J/Cs S=



S= S=



(Em .Bm)



2 𝜇0 200 .1,0 x 10−6 2 .8,85 𝑥 10−12 2,0 x 10−4 1,77 𝑥 10−11



S = 1,13 x 107 W/m2 5. Medan listrik dalam suatu gelombang elektromagnetik dapat dinyatakan dengan persamaan gelombang berjalan: Ey = 100 sin (107x - ωt) (dalam SI). Tentukan amplitudo dari



medan



magnetik



Penyelesaian: Diketahui: Ey = 100 sin (107x - ωt)



yang



terkait,



panjang



gelombang



serta



frekuensinya!



Ditanyakan: Bm, λ dan f = ? Jawab: Ey = 100 sin (107x - ωt) Ey = Em sin (kx - ωt) Jadi dari persamaan tersebut akan didapatkan: Em = 100 N/C k = 107 maka: Bm = Em/c Bm = (100 N/C)/(3 × 108 m/s) Bm = 3,33 × 105 W/C k = 2π/λ 107 = 2π/λ λ = 2π/107 λ = 6,28/107 λ = 6,28 × 10-7 m c = λ.f f = c/λ f = (3 × 108)/(6,28 × 10-7) f = 4,78 × 1014 Hz



Latihan Soal 1. Sebuah kumparan dengan 10 lilitan mengalami perubahan fluks magnetik dengan persamaan 0,02 t3 + 0,4 t2 + 5 dengan dalam satuan weber dan t dalam satuan sekon. Tentukan besar GGL induksi saat t=1 sekon 0,1



2. selidiki apakah 5 (x, t) = 4+(2𝑥−10𝑡)2 merupakan suatu gelombang, jika ya,berapakah cepat rambat, frekuensi dan amplitudonya ! 3. tentukan koefisien amplitude (=koef . refleksi dan koef. Transmisi ) pada jatuh normal, dan hitunglah untuk n2= 1,5 dan n1 = (udara)!



4. Seorang teknisi kedokteran gigi menggunakan cermin kecil yang memberikan perbesaran 4 kali bila dipegang 0,60 cm dari gigi. Berapakah jari-jari permukaan cermin? 5. Komponen medan listrik dari sebuah gelombang elektromagnetik diberikan oleh E(x,t) = E0 sin (kx - t) k Tentukan : (a) arah rambat gelombang. (b) Hitunglah S = E x B. (c) Tentukan komponen medan magnetik dari gelombang EM tersebut (d) Tentukan arah dari medan magnetik pada x = 0 dan t = 0 E = 2 sin [107x + 𝜔t] i V/m. 6. Besar komponen medan listrik pada suatu gelombang EM adalah Tentukanlah: a) arah rambat gelombang, b) frekuensi gelombang, c) panjang gelombang, d) komponen medan B, e) intensitas cahaya. 7. Suatu gelombang EM terpolarisasi dengan frekuensi 2.00x1014 Hz merambat dalam vakum pada arah positif dari sumbu x. Komponen medan E dari gelombang tersebut berosilasi pada arah sejajar sumbu y dengan amplitudo Em. Saat t = 0, medan listrik pada titik P yang terletak pada x=0 memiliki besar + Em/4 dan nilainya berkurang seiring waktu. Tentukan: a) panjang gelombang, b) nilai k dan 𝜔 , c) fungsi dan arah medan E dalam bentuk sinus, d) fungsi dan arah medan B dalam bentuk sinus.