FISIKA KELAS XDrs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

BAB IXKONSEP DASAR GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Advance Organizer

Pernahkah kamu membayangkan jika dunia ini tanpa cahaya? Akankah kamu dapat melakukan aktivitas? Tentu jawabnya tak mungkin ada aktivitas, karena untuk melakukan aktvitas manusia perlu tahu tentang keadaan di sekelilingnya. Benda-benda untuk dapat terlihat harus memantulkan cahaya. Tanpa cahaya kamu tak pernah tahu dan tak pernah melihat apa sebenarnya yang ada di sekitarmu. Cahaya termasuk salah satu spektrum gelombang elektromagnetik dapat dilihat oleh mata. Gelombang elektromagnetik memiliki rentang spektrum dari sinar gamma sampai gelombang radio. Banyak aplikasi teknologi yang berdasar konsep gelombang elektromagnetik ini. Pulsa handphone antara lain dikirim dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Ketika kamu berkomunikasi dengan HP gelombang suaramu diubah menjadi gelombang elektromagnetik oleh sistem relay sehingga pihak yang kamu ajak komunikasi dapat mendengar suaramu. Di bab akan diperdalam gelombang elektromagetik

BAB IX

242

KONSEP DASAR GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

243

Bermula dari banyak pendapat mulai dari Al hasan, Aristoteles, Newton, Planck, Maxwell dan yang lain diyakini spektrum gelombang elektromagnetik adalah berkecepatan cahaya. Perkembangan teori, prinsip, dan konsep gelombang elektromagnetik menghasilkan teknologi tentang gelombang elektromagnetik yang bermanfaat. Aplikasi gelombang elektromagnetik pada berbagai bidang memungkinkan manusia berbuat banyak. Diantaranya bidang telekomunikasi antar wilayah global, bahkan menembus ruang angkasa. Peranan satelit komunikasi relai yang menangkap gelombang elektromagnetik dan memantulkannya kembali bermanfaat bagi penyiaran gelombang TV, gelombang radio dan gelombang mikro. Dalam bab ini kamu akan memperdalam spektrum dan aplikasi gelombang elektromagnetik.

244

Standar Kompetensi Memahami konsep dan prinsip gelombang elektromagnetikKompetensi DasarMendeskripsikan spektrum gelombang elektromagnetikMenjelaskan aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari.

P eta Konsep Bab 9

245

TEORI EMISI

KERAPATAN ENERGI

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

ENERGI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

TEORI KUANTUM

APLIKASI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

TEORI ELEKTROMAGNETIK

INTENSITAS ENERGI

MOMENTUM RADIASI

TEKANAN RADIASI

RADIASI GEM

TEORI GELOMBANG

HUKUM WIEN

Penelaahan dalam jangka waktu lama dari gelombang elektromagnetik seiring penyelidikan tentang cahaya mendatangkan pemahaman benar tentang hakekat gelombang elektromagnetik. Spektrum gelombang elektromagnetik telah berhasil dipetakan antara lain terdiri dari sinar gamma, sinar X, sinar ultraviolet, cahaya tampak, sinar inframerah, gelombang mikro, gelombang radar, gelombang TV, dan gelombang radio.Masing-masing memiliki karakteristik yang spesifik dan memiliki kegunaan tertentu.

A. Spektrum Gelombang Elektromagnetik

1. Hakikat Gelombang Elektromagnetik

Pada pertengahan abad ke sepuluh seorang ilmuwan Mesir di Iskandaria yang

bernama Al Hasan (965-1038) mengemukakan pendapat bahwa mata dapat melihat

benda-benda di sekeliling karena adanya cahaya yang dipancarkan atau dipantulkan oleh

benda-benda yang bersangkutan masuk ke dalam mata. Teori ini akhirnya dapat diterima

oleh orang banyak sampai sekarang ini.

Beberapa teori-teori yang mendukung pendapat Al Hasan diantaranya adalah

a. Teori Emisi atau Teori Partikel

Sir Isaac Newton (1642-1727) merupakan ilmuwan

berkebangsaan Inggris yang mengemukakan pendapat

bahwa dari sumber cahaya dipancarkan partikel-partikel

yang sangat kecil dan ringan ke segala arah dengan

Tujuan Pembelajaran• Mendeskripsikan spektrum gelombang elektromagnetik

• Menerapkan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari

246

kecepatan yang sangat besar. Bila partikel-partikel ini mengenai mata, maka manusia

akan mendapat kesan melihat benda tersebut.

Alasan dikemukakanya teori ini adalah sebagai berikut:

• Karena partikel cahaya sangat ringan dan berkecepatan tinggi maka cahaya dapat

merambat lurus tanpa terpengaruh gaya gravitasi bumi.

• Ketika cahaya mengenai permukaan yang halus maka cahaya akan

akan dipantulkan dengan sudut sinar datang sama dengan sudut

sinar pantul sehingga sesuai dengan hukum pemantulan Snellius. Peristiwa

pemantulan ini dijelaskan oleh Newton dengan menggunakan bantuan sebuah

bola yang dipantulkan di atas bidang pantul.

• Alasan berikutnya adalah pada peristiwa pembiasan cahaya yang disamakan

dengan peristiwa menggelindingnya sebuah bola pada papan yang berbeda

ketinggian yang dihubungkan dengan sebuah bidang miring. Dari permukaan

yang lebih tinggi bola digelindingkan dan akan terus menggelinding melalui

bidang miring sampai akhirnya bola akan menggelinding di permukaan yang

lebih rendah. Jika diamati perjalanan bola, maka sebelum melewati bidang

miring lintasan bola akan membentuk sudut α terhadap garis tegak lurus pada

bidang miring. Setelah melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk

sudut β terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Jika permukaan atas

dianggap sebagai udara dan permukaan bawah dianggap sebagai air serta bidang

miring merupakan batas antara udara dan air, gerak bola dianggap sebagai

jalannya pembiasan cahaya dari udara ke air, maka Newton menganggap bahwa

kecepatan cahaya dalam air lebih besar dari pada kecepatan cahaya dalam udara.

Pendapat ini masih bertahan hingga akhirnya seorang ahli fisika Prancis, Jean Focault

(1819 – 1868) melakukan percobaan tentang pengukuran kecepatan cahaya dalam

berbagai medium. Dalam percobaannya Jeans Focault mendapatkan kesimpulan bahwa

kecepatan cahaya dalam air lebih kecil dari pada kecepatan cahaya dalam udara.

b. Teori Gelombang

247

Gambar 1. Newton salah seorang yang meneliti gelombang cahaya

Gambar 4. Tahun 1887 dua ilmuwan Amerika, Albert Michelson dan James Morley, membuat mesin untuk menguji teori James Clerk Maxwell, ternyata kecepatan gelombang cahaya adalah tetap

Menurut Christian Huygens (1629-1695) seorang ilmuwan berkebangsaan

Belanda, bahwa cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan berupa gelombang.

Perbedaan cahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang gelombang dan frekuensinya.

Pada teori ini Huygens menganggap bahwa setiap titik pada sebuah muka gelombang

dapat dianggap sebagai sebuah sumber gelombang yang baru dan arah muka gelombang

ini selalu tegak lurus tehadap muka gelombang yang bersangkutan.

Pada teori Huygens ini peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, ataupun difraksi

cahaya dapat dijelaskan secara tepat, namun dalam teori Huygens ada kesulitan dalam

penjelasan tentang sifat cahaya yang merambat lurus.

c. Teori Elektromagnetik

Percobaan James Clerk Maxwell (1831 – 1879) seorang

ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa

cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat

cahaya yaitu 3x108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan

bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan

Maxwell ini di dukung oleh :

• Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman,

Heinrich Rudolph Hertz (1857 – 1894) yang membuktikan bahwa

gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal.

Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat

menunjukkan gejala polarisasi.

• Percobaan seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, Peter

Zeeman (1852 – 1943) yang menyatakan bahwa medan magnet

yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya.

• Percobaan Stark (1874 – 1957), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang

mengungkapkan bahwa medan listrik yang sangat kuat dapat mempengaruhi

berkas cahaya.

248

Gambar 2. JC. Maxwell

Gambar 3. HR.Hertz

d. Teori Kuantum

Teori kuantum pertama kali dicetuskan pada tahun 1900 oleh

seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang bernama Max Karl

Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947). Dalam percobaannya Planck

mengamati sifat-sifat termodinamika radiasi benda-benda hitam

hingga ia berkesimpulan bahwa energi cahaya terkumpul dalam

paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Dan pada tahun

1901 Planck mempublikasikan teori kuantum cahaya yang

menyatakan bahwa cahaya terdiri dari peket-paket energi yang disebut kuanta atau foton.

Akan tetapi dalam teori ini paket-paket energi atau partikel penyusun cahaya yang

dimaksud berbeda dengan partikel yang dikemukakan oleh Newton . Karena foton tidak

bermassa sedangkan partikel pada teori Newton memiliki massa

Pernyataan Planck ternyata mendapat dukungan dengan adanya percobaan Albert

Einstein pada tahun 1905 yang berhasil menerangkan gejala fotolistrik dengan

menggunakan teori Planck. Fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari suatu

logam yang disinari dengan panjang gelombang tertentu. Akibatnya percobaan Einstein

justru bertentangan dengan pernyataan Huygens dengan teori

gelombangnya.Pada efek fotolistrik, besarnya kecepatan elektron

yang terlepas dari logam ternyata tidak bergantung pada besarnya

intensitas cahaya yang digunakan untuk menyinari logam tersebut.

Sedangkan menurut teori gelombang seharusnya energi kinetik

elektron bergantung pada intensitas cahaya.

Kemudian dari seluruh teori-teori cahaya yang muncul

dapat disimpulkan bahwa cahaya mempunyai sifat dual (dualisme

249

Gambar 5. Max Planck

Gambar 6. Albert Einstein menjelaskan efek foto listrik

cahaya) yaitu cahaya dapat bersifat sebagai gelombang untuk menjelaskan peristiwa

interferensi dan difraksi tetapi di lain pihak cahaya dapat berupa materi tak bermassa

yang berisikan paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton sehingga dapat

menjelaskan peristiwa efek fotolistrik.

2. Gelombang Elektromagnetik

Beberapa kaidah tentang kemagnetan dan kelistrikan yang mendukung

perkembangan konsep gelombang elektromagnetik antara lain:

1. Hukum Coulomb mengemukakan : “Muatan listrik statik dapat menghasilkan

medan listrik.”.

2. Hukum Biot & Savart mengemukakan : “Aliran muatan listrik (arus listrik) dapat

menghasilkan medan magnet”.

3. Hukum Faraday mengemukakan : “Perubahan medan magnet dapat menghasilkan

medan listrik”.

Berdasarkan Hukum Faraday, Maxwell mengemukakan hipotesa

sebagai berikut: ”Perubahan medan listrik dapat menimbulkan

medan magnet”. Hipotesa ini sudah teruji dan disebut dengan Teori

Maxwell. Inti teori Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik

adalah:

a. Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet.

b. Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik. Cepat rambat gelombang

elektromagnetik (c) tergantung dari permitivitas (ε) dan permeabilitas (μ) zat.

Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dirumuskan sebagai

berikut c = ooμε

1

250

Gambar 7. Michael Faraday

Ternyata perubahan medan listrik menimbulkan medan magnet yang tidak tetap

besarannya atau berubah−ubah. Sehingga perubahan medan magnet tersebut akan

menghasilkan lagi medan listrik yang berubah−ubah.

Proses terjadinya medan listrik dan medan magnet berlangsung secara bersama−sama dan

menjalar kesegala arah. Arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak

lurus. Jadi gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan

medan magnet dan medan listrik secara berurutan, dimana arah getar vektor medan listrik

dan medan magnet saling tegak lurus.

E = medan listrik (menjalar vertikal)

B = medan magnet (menjalar horizontal.)

Gejala seperti ini disebut terjadinya gelombang elektromagnetik (= gelombang yang

mempunyai medan magnet dan medan listrik).

251

Vektor Medan Listrik

Vektor Medan Magnet

Gelombang Elektromagnetik

Gambar 8.Penjalaran gelombang elektromagnetik sebagai gelombang transversal

B

E

Bila dalam kawat PQ terjadi perubahan-perubahan

tegangan baik besar maupun arahnya, maka dalam

kawat PQ elektron bergerak bolak-balik, dengan kata

lain dalam kawat PQ terjadi getaran listrik. Perubahan

tegangan menimbulkan perubahan medan listrik dalam

ruangan disekitar kawat, sedangkan perubahan arus

listrik menimbulkan perubahan medan magnet.

Perubahan medan listrik dan medan magnet itu merambat ke segala jurusan. Karena

rambatan perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik maka rambatan

perubahan medan listrik dan medan magnet lazim disebut gelombang elektromagnetik.

(GEM)

Percobaan-percobaan yang teliti membawa kesimpulan :

1. Pola gelombang

elektromagnetik sama dengan

pola gelombang transversal

dengan vektor perubahan

medan listrik tegak lurus

pada vektor perubahan

medan magnet.

2. Gelombang elektromagnetik menunjukkan gejala-gejala pemantulan, pembiasan,

difraksi, polarisasi seperti halnya pada cahaya.

3. Diserap oleh konduktor dan diteruskan oleh isolator.

Gelombang elektromagnetik lahir sebagai paduan daya imajinasi dan ketajaman

akal pikiran berlandaskan keyakinan akan keteraturan dan kerapian aturan-aturan alam.

Hasil-hasil percobaan yang mendahuluinya telah mengungkapkan tiga aturan gejala

kelistrikan , antara lain sebagai berikut.

Hukum Coulomb : Muatan listrik menghasilkan medan listrik yang kuat.

Hukum Biot-Savart : Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet

252

Gambar 9. Vektor perubahan medan listrik tegak lurus vektor perubahan medan magnet

disekitarnya.

Hukum Faraday : Perubahan medan magnet (B) dapat menimbulkan medan

listrik (E).

Didorong oleh keyakinan atas keteraturan dan kerapian

hukum-hukum alam, Maxwell berpendapat bahwa masih ada

kekurangan satu aturan kelistrikan yang masih belum terungkap

secara empirik. Jika perubahan medan magnet dapat menimbulkan

perubahan medan listrik maka perubahan medan listrik pasti dapat

menimbulkan perubahan medan magnet, demikianlah keyakinan

Maxwell.

Dengan pengetahuan matematika yang dimilikinya, secara cermat Maxwell

membangun teori yang dikenal sebagai teori gelombang elektromagnetik. Baru setelah

bertahun-tahun Maxwell tiada, teorinya dapat diuji kebenarannya melalui percobaan-

percobaan. Menurut perhitungan secara teoritik, kecepatan gelombang elektromagnetik

hanya bergantung pada permitivitas ruang hampa ( oε ) dan permeabilitas ruang hampa (

oμ ).

Dengan memasukkan 10 9.9

1.

4π

1oε −= = 8,85 . 10−12 C2/N.m2 dan μo = 4π.10−7 Wb/A.m

diperoleh nilai c = 3.108 m/s, nilai yang sama dengan kecepatan cahaya.

Oleh sebab itu Maxwell mempunyai cukup alasan untuk menganggap cahaya adalah

gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu konsep gelombang elektromagnetik ini

merupakan penyokong teori Huygens tentang cahaya sebagai gerak gelombang.

3. Energi Gelombang Elektromagnetik.

Karena gelombang elektromagnetik mengandung medan listrik dan medan

magnetik, maka kedua medan mempunyai persamaan gelombang.

253

00 με .

1 c =

Gambar 10. Maxwell

Persamaan kuat medan listrik E dan kuat medan magnetik B, berbentuk persamaan

sinusoidal,

E = Emaks sin ω t dan B = Bmaks sin ω t

harga efektifnya : Eef = 2

Emaks dan Bef = 2

Bmaks

Kuat medan listrik E dan kuat medan magnetik B, mempunyai hubungan :

Bmaks =c

Emaks → B =c

Eatau B . c = E

E = kuat medan listrik (N/c)

B = induksi magnetic (T)

c = kecepatan cahaya = 3 . 108 m/s

Dari persamaan c = ooεμ

1

maka c2 = ooεμ

1→ µoεo = 2c

1

sehingga B =c

E

B2 =2

2

c

E

B2 = E2 . 2c

1

B2 = E2 . µo εo

a. Energi Medan Listrik

Pada kapasitor (alat yang dapat menyimpan energi listrik) berlaku persamaan energi

W = ½ C.V2 , dari kuat medan listrik E = d

V V = E . d

maka

W = ½ C . E2 . d2 , dari rumus kapasitas kapasitor C = d

.Aoε

254

sehingga W = ½ . εo . A . d . E2 disebut dengan energi medan listrik (joule)

Volume V = A . d

maka : W = ½ εo . V . E2 joule

Kerapatan energi listrik (= energi listrik per satuan volume) :

UE = ½ εo .E2 dengan satuan 3m

joule

Gelombang energi listrik bergerak dengan kecepatan cahaya c maka

UE = ½ εo .E2.c dengan satuan 2m

watt

b. Energi Medan Magnetik

Induktor / kumparan dengan luas penampang A dan panjangnya l dilalui arus listrik i

maka energi magnetiknya :

W = ½ L i2 , dengan L = l

AN2oµ

diperoleh :

W = ½ l

AN2oµ

. i2

Jika lilitan per satuan panjang n = l

N N = n . l N2 = n2 . l2

maka : W = ½ µo l

Ailn 222

W = ½ µo n2 l A i2 joule

Volume kumparan : V = A . l

W = ½ µo n2 V i2 joule

255

Dari persamaan induksi magnetik kumparan / solenoida

B = l

iNμ o atau B = μo i n i = nμ

B

o

Sehingga :

W = ½ µo . n2 . V . 22o

2

nμ

B

W =o

2

2μ

VB joule

Kerapatan energi magnetik (= energi magnetik per satuan volume) :

UB =o

2

μ2

B dengan satuan 3m

joule

Gelombang energi magnet bergerak dengan kecepatan cahaya c maka

UB =o

2

μ2

cB dengan satuan 2m

watt

Kerapatan energi gelombang elektromagnetik :

U = UE + UB

= ½ εo E2.c + ½ o

2

μ

cB

U = ½ (εo E2 .c + o

2

μ

cB)

Karena E = B . c, maka penulisan dalam bentuk lain adalah sebagai berikut.

U = ½ (εo . B2 c3 + o

2

μ

cB)

= ½ εo . B2 .c. ooμε

1 + ½

o

2

μ

cB

= ½ o

2

μ

cB + ½

o

2

μ

cB

U = o

2

μ

cB satuan 2m

watt

256

Karena B = c

E, maka dapat ditulis juga sebagai berikut.

U = ½ (εo . E2 .c + 2o

2

cμ

cE)

= ½ ( 2ocμ

1 . E2 + 2

o

2

cμ

E)

= ½ (2 2o

2

cμ

E)

U = 2o

2

cμ

E satuan 2m

watt

Contoh :

Cahaya dari laser terpancar mengarah pada sumbu Z. Amplitudo medan listrik dalam

gelombang cahaya adalah 6 x 103 V/m, dan arah medan listrik searah sumbu X. Kemana

arah dan berapa amplitudo medan magnet ?

Jawab :

Bila arah gerak gelombang cahaya pada sumbu Z, arah E pada sumbu X maka arah B

pada sumbu Y.

Bo = c

E o = 8

3

10 . 3

10 . 6 = 2 . 10−5 T

4. Intensitas Gelombang Elektromagnetik.

Energi rata-rata per satuan luas yang dirambatkan oleh gelombang

elektromagnetik disebut dengan intensitas gelombang elektromagnetik. Intensitas tersebut

sebanding dengan harga maksimum medan magnet (B) dan sebanding pula dengan harga

maksimun medan listriknya (E).

257

Kedua medan listrik dan medan magnet tersebut saling tegak lurus, merambat kearah

sumbu X.

Kedua gelombang tersebut dapat dituliskan menjadi :

Ey = Eo sin (kx-ωt)

Bz = Bo sin (kx-ωt)

Kecepatan gelombang diberikan dengan persamaan

c = k

ω

Intensitas gelombang elektromagnetik dituliskan sebagai berikut.

o

μ

z.B

yE

S =

ωt)-(kx 2sino

μo

.Bo

ES =

Jadi harga intensitas (S) tergantung dari sin2 (kx-ωt), S akan berharga maksimum bila

harga sin2 (kx-ωt) = 1, atau

258

Gambar 11. Penjalaran Ey dan Bz gelombang elektromagnetik

o

μo

.Bo

E

maksS =

Sedangkan S akan berharga minimum bila harga sin2 (kx-ωt) adalah nol.

Smin = 0

Secara umum intensitas atau energi per satuan luas dapat dituliskan dengan

oμ

B x E S = disebut dengan vektor poynting.

Intensitas rata-rata (S ) gelombang elektromagnetik adalah :

2

minS

maksS

S+

=

2

0o

μo

Bo

E

S

+

=

o2μ

oB.

oE

S =

Karena : Eo = c Bo dan

oεoμ1 c =

Maka selain itu S juga dapat dituliskan sebagai fungsi Eo menjadi :

c 2o

E o

ε2

1 S =

Nilai S juga dapat dituliskan dalam bentuk :

o

2o

μ c 2

E S =

Selain itu S juga dapat dituliskan sebagai fungsi Bo menjadi :

259

3c 2o

B o

ε2

1 S =

Nilai S juga dapat dituliskan dalam bentuk :

o

2o

μ 2

.cB S =

Gejala gelombang elektromagnetik baru dapat ditunjukkan beberapa

tahun setelah Maxwell meninggal oleh H.R. Hertz.

Contoh :

Intensitas rata-rata cahaya matahari pada siang hari yang cerah sekitar 1

kW/m2. Anggaplah gelombang elektromagnetik cahaya matahari berupa

gelombang sinusoidal konstan. Berapa solar sel yang harus diperlukan

untuk menangkap dan mengumpulkan energi matahari hingga setara dengan pemanaskan

air 5 kW ? Anggap tiap sel memiliki luas 2 m2 dan efisiensi 50% serta tegak lurus

menghadap sinar matahari.

Penyelesaian:

Jawab:

Medan listrik sebesar

o

2o

μ c 2

E S =

Eo = Scμ2 o

Eo = .1x103x10 .10 x π.24 38-7

Eo = 900 V/m

Bo = c

E o = T10.310.3

900 68

−=

260

Gambar 12. HR.Hertz

Pada 1 kW/m2 diperlukan solar sel seluas 5 m2 dengan efisiensi 100 % untuk

mwmproduksi 5 kW. Bila efisiensi hanya 50 %, maka memerlukan 10 m2 luas solar sel.

Karena tiap sel seluas 2 m2. Jadi banyaknya solar sel = 52

10 = sel

Latihan

Kerjakan soal-soal berikut di buku latihanmu!

1. Sebuah gelombang radio mempunyai Em = 10-4 V/m Berapakah besar medan

magnet Bm dan intensitas gelombang tersebut.

2. Cahaya matahari menumbuk bumi dengan intensitas sebesar 20 kal/cm2-menit.

Hitunglah besarnya medan listrik Em dan medan magnet Bm untuk cahaya

tersebut.

3. Sebuah stasiun radio menerima gelombang elektromagnetik sinusoida dari satelit

pemancar dengan kekuatan 50 KW. Berapakah amplitudo maksimum E dan B

yang diterima satelit jika jarak antara antena stasiun radio dan satelit 100 km.

4. Sebuah stasiun radio mentranmisikan sinyal 10 KW dengan frekwensi 100 MHz.

Carilah pada jarak 1 Km :

a. Amplitudo medan listrik dan medan magnetnya.

b. Energi yang diterima oleh sebuah panel yang berukuran 10 cm x 10 cm

dalam waktu 5 menit.

4. Spektrum Gelombang Elektromagnetik.

Hasil kali panjang gelombang (λ) dengan frekuensi gelombang (f) sama dengan

cepat rambat gelombang ( c ). Dirumuskan sebagai berikut.

c = λ . f

Beberapa contoh sumber gelombang elektromagnetik antara lain sebagai berikut.

• Osilasi listrik.

• Sinar matahari yaitu menghasilkan sinar infra merah.

261

• Lampu merkuri dapat menghasilkan ultra violet.

• Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam dapat

menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen).

• Inti atom yang tidak stabil dapat menghasilkan sinar gamma (.γ)

Beberapa sifat gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut.

• Dapat merambat dalam ruang hampa.

• Merupakan gelombang transversal (arah getar tegak lurus arah rambat), jadi dapat

mengalami polarisasi.

• Dapat mengalami refleksi, refraksi, interferensi dan difraksi.

• Tidak dibelokkan dalam medan listrik maupun medan magnet.

Setiap spektrum gelombang elektromagnetik memiliki fenomena yang berbeda-beda

sesuai dengan karakteristiknya masing-masing. Karakteristik gelombang ini

berhubungan dengan frekuensi. Dengan kecepatan yang sama gelombang

elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang besar akan memiliki frekuensi kecil.

Sebaliknya spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang

pendek akan memiliki frekuensi besar. Berdasarkan panjang gelombang (λ) dan frekuensi

(f) dapat disusun diagram spektrum gelombang elektromagnetik sebagai berikut.

f(Hz) λ(Å)

1025

Sinar Gamma 10-15

1020

10-10

Sinar X

Sinar Ultra

Ungu

262

1015

CAHAYA

Gelombang 10-5

Infra merah

1010

Radar

&

Televisi

105 Gelombang 105

Radio

100

Dari spektrum tersebut dapat disimpulkan bahwa makin pendek panjang gelombang (λ)

makin tinggi fekuensinya (f) dan makin besar pula daya tembusnya.

Untuk mengurutkan spektrum dari frekuensi tinggi ke frekuensi rendah dapat diingat

dengan cara sebagai berikut.

1. Sinar gamma (γ)

2. Sinar X (Rontgen)

3. Sinar ultra ungu

4. Cahaya tampak:

Ungu

Biru

Hijau

Kuning

Jingga

Merah

5. Sinar infra merah

6. Gelombang Radar

7. Gelombang TV

263

Urutan dari atas kebawah:frekuensi (f) makin kecilPanjang gelombang (λ) makin besarCepat rambat (c) sama.

c = λ . f

8. Gelombang Radio

Diantara gelombang-gelombang yang terdapat pada spektrum tersebut, yang dapat dilihat

oleh mata hanyalah gelombang cahaya yang mempunyai panjang gelombang antara 7800

Å (merah) – 3990 Å (ungu).

Gelombang yang mempunyai daya tembus yang sangat besar adalah sinar X dan sinar γ.

Dimana sinar X dihasilkan dengan cara emisitermionik, sedangkan sinar γ dihasilkan oleh

inti-inti yang tidak stabil (bersifat radioaktif). Manfaat gelombang elektromagnet dapat

diterangkan sesuai urutan spektrumnya :

1. Daerah frekuensi antara 104 sampai 107 Hz dikenal sebagai gelombang radio,

yaitu sebagai salah satu sarana komunikasi. Karena sifat gelombangnya yang

mudah dipantulkan ionosfer, yaitu lapisan atmosfir bumi yang mengandung

partikel-partikel bermuatan, maka gelombang ini mampu mencapai tempat-tempat

yang jaraknya cukup jauh dari stasiun pemancar.

Informasi dalam bentuk suara dibawa oleh gelombang radio sebagai perubahan

amplitudo (modulasi amplitudo).

2. Daerah frekuensi sekitar 108 Hz, gelombang elektromagnetik mampu menembus

lapisan ionosfer sehingga sering digunakan sebagai sarana komunikasi dengan

satelit-satelit. Daerah ini digunakan untuk televisi dan radio FM (frekuensi

modulasi) dimana informasi dibawa dalam bentuk perubahan frekuensi (modulasi

frekuensi).

Jadi ada dua macam cara modulasi gelombang elektromagnetik pada daerah 104 −

108 Hz:

a. Modulasi Amplitudo (AM)

Amplitudo gelombang radio disesuaikan dengan frekuensi gelombang

bunyi yang dibawa dengan frekuensi tetap.

b. Modulasi Frekuensi (FM)

Frekuensi gelombang radio disesuaikan dengan frekuensi gelombang

bunyi yang dibawa dengan amplitudo tetap.

264

Sistem FM lebih unggul daripada AM karena FM dapat mengurangi desau akibat

kelistrikan diudara, walaupun jangkauannya terbatas sekali.

3. Daerah frekuensi sekitar 1010 Hz, digunakan oleh pesawat RADAR (Radio

Detection and Ranging). Radar adalah suatu alat yang sistemnya memancarkan

gelombang elektromagnetik berupa gelombang radio dan gelombang mikro.

Pantulan dari gelombang yang dipancarkan tadi digunakan untuk mendeteksi

obyek. Informasi yang dikirim ataupun yang diterima berbentuk sebagai pulsa.

Bila pulsa ini dikirim oleh pesawat radar dan mengenai suatu sasaran dalam

selang waktu ∆t, maka jarak antara radar ke sasaran :

s = 2

Δt . c

c = kecepatan cahaya (3 . 108 m/det). Selang waktu yang diperlukan

oleh gelombang tersebut dinamakan time delay

4. Daerah frekuensi 1011 – 1014 Hz, ditempati oleh radiasi infra merah, dimana

gelombang ini lebih panjang dari gelombang cahaya tampak dan tidak banyak

dihamburkan oleh partikel-partikel debu dalam atmosfir sehingga mengurangi

batas penglihatan manusia.

5. Daerah frekuensi 1014 – 1015 Hz, berisi daerah cahaya tampak (visible light), yaitu

cahaya yang tampak oleh mata manusia dan terdiri dari deretan warna-warna

merah sampai ungu.

6. Daerah frekuensi 1015 – 1016 Hz, dinamakan daerah ultra ungu (ultra violet).

Dengan frekuensi ultra ungu memungkinkan kita mengenal lebih cepat dan tepat

unsur-unsur yang terkandung dalam suatu bahan.

7. Daerah frekuensi 1016 – 1020 Hz, disebut daerah sinar X. Gelombang ini dapat

juga dihasilkan dengan menembakkan elektron dalam tabung hampa pada

kepingan logam. Karena panjang gelombangnya sangat pendek, maka gelombang

ini mempunyai daya tembus yang cukup besar sehingga selain digunakan di

265

Gambar 12. Peralatan sinar X atau sinar rontgen. ditemukan oleh seorang Profesor Fisika bangsa Jerman di Universitas Wurzburg, Bavaria, Wilhelm Conrad Röntgen pada tanggal 8 November 1895. Beliau mengamati sinar ini mampu menghasilkan gambar di film fotografi setelah menembus tisu, pakaian dan logam.

rumah sakit, banyak pula digunakan di lembaga-lembaga penelitian ataupun

industri.

Bagaimana sinar X dihasilkan?

Sinar X dihasilkan apabila elektron bergerak pada kelajuan yang tinggi dan secara

tiba-tiba menumbuk logam anoda. Hal ini terjadi di dalam sebuah tabung sinar X.

Di dalam sebuah tabung sinar X terdapat katoda (-) yang merupakan sebuah

filamen yang dipanaskan oleh tenaga listrik. Pemanasan yang terjadi

menyebabkan elektron dihasilkan dari filamen, dan bergerak menumbuk anoda

(+). Akibat tumbukan elektron ini terpancarlah sinar X dari anoda. Sinar-sinar itu

oleh Rontgen diberi nama sinar X karena saat itu masih misterius. Namun

sekarang disebut dengan sinar Rontgen. Prinsip dihasilkannya sinar X ini

berlawanan dengan efek fotolistrik.

8. Daerah frekuensi 1020 – 1025 Hz, disebut daerah sinar gamma. Gelombang ini

mempunyai daya tembus yang lebih besar daripada sinar X, dan dihasilkan oleh

inti-inti atom yang tidak stabil.

266

Contoh Soal :

Suatu kapal diperlengkapi pemancar dan penerima gelombang radar untuk menduga

dalamnya laut. Jika frekuensi gelombang radar yang dikirim 5.109 Hz, kecepatan cahaya

di udara 3.108 m/det dan waktu yang dibutuhkan gelombang radar bolak- balik (dari

permukaan laut kembali ke permukaan lagi) = 2.10-3 det. Tentukan:

a. panjang gelombang radar

b. kedalaman laut

Penyelesaian :

Diketahui:

f = 5.109 Hz

∆t = 2.10-3 s

Ditanya :

a. λ = .....?

267

Gambar 13. Laser dihasilkan dari berkas cahaya tampak monokrom yang dipadatkan sehingga memiliki intensitas tinggi. Aplikasi laser dijumpai dalam bidang industri, militer, hiburan, maupun kedokteran

Gambar 14. Laser dipakai untuk percobaan militer oleh militer Amerika Serikat. Penggunaan laser sebagai senjata misalnya pistol / senapan atau meriam laser dikembangkan oleh militer untuk kepentingan pertahanan negara atau menghadapi perang.

b. s = ......?

Jawab :

a. λ = f

c

λ = 9

8

5.10

3.10

λ = 0,06 m

b. s = 2

t . c ∆

s = 2

2.10 .3.10 -38

s = 3.105 m

Latihan

Kerjakan soal berikut di buku latihanmu!

1. Dari atas permukaan sebuah danau seseorang melepaskan gelombang radar

kedasar danau. Gelombang tersebut kembali kepermukaan setelah 8.10-6 detik.

Berapa kedalaman danau tersebut.

2. Sebuah kapal laut yang memiliki radar hendak mengukur kedalam laut. Waktu

yang dibutuhkan gelombang radar bolak- balik dari dasar laut kepermukaan laut

6.10-5 detik. Hitung kedalaman laut (indeks bias air laut = 3/4).

5. Radiasi Gelombang Elektromagnetik

268

Gelombang elektromagnetik juga dipanaskan atau diradiasikan oleh setiap benda pijar

bersuhu tertentu. Pancaran dari benda tersebut berupa radiasi gelombang

elektromagnetik.

Benda-benda yang dipanasi mengemisikan gelombang yang tidak nampak (sinar ultra

ungu dan infra merah). Benda-benda yang dapat menyerap seluruh radiasi yang datang

disebut benda hitam mutlak, sebuah kotak yang mempunyai lubang sempit dapat

dianggap sebagai benda yang hitam mutlak.

Menurut Stefan dan Boltzman radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh

tiap satuan luas permukaan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak (T) benda

tersebut.

Intensitas radiasi I = R = e .σ.T4

R adalah intensitas radiasi dalam watt/m2.

e adalah koefisien emisivitas yang nilainya bergantung pada warna jenis permukaan.

Untuk benda hitam mutlak e = 1

σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang harganya 5,672 .10-8 Watt/m2 K.

Daya radiasi P = R .A

P = e. σ.T4.A dengan satuan : watt

A = Luas permukaan (m2).

Energi radiasi E = W = P . t

E = e . σ . T4. A . t dengan satuan joule

t = waktu (s)

Pada suhu tertentu kekuatan radiasi tiap panjang gelombang mempunyai nilai yang

berbeda-beda.

269

Ketergantungan kekuatan

radiasi suatu benda terhadap

panjang gelombangnya disebut

spektrum radiasi (spektrum

gelombang pancaran).

Eksperimen-eksperimen untuk

mengamati spektrum radiasi

telah dilakukan, hasil spektrum

radiasi carbon pada berbagai

suhu seperti terlukis pada

gambar 15.

Dari diagram itu Wien

mengambil kesimpulan yang

dikenal sebagai Hukum

Pergeseran Wien.Menurut Wien panjang gelombang maksimum berbanding terbalik dengan suhu

mutlak benda.

Dirumuskan

λm . T = C persamaan ini disebut hukum pergeseran Wien.

C = konstanta Wien = 2,898 . 10-3 m.K

Intensitas radiasi yang dipancarkan berbanding lurus dengan suhu, berbanding lurus

dengan frekuensi pancaran, dan berbanding terbalik dengan panjang gelombang.

Energi pancaran tiap panjang gelombang semakin besar, jika suhu semakin tinggi,

sedangkan energi maksimumnya begeser kearah gelombang yang panjang

gelombangnya kecil.

λm = T

C

270

Gambar 15 . Diagram hubungan intensitas dan radiasi carbon pada berbagai suhu.

Perhatikan gambar berikut ini.

6. Tekanan Radiasi Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik merambat membawa energi sekaligus membawa

momentum. Metode sederhana untuk mengetahui momentum gelombang

elektromagnetik adalah menggunakan hubungan rumus kesetaraan massa dan energi

Albert Einstein sebagai berikut.

E = m c2

Dengan demikian persamaan tersebut dapat diubah menjadi

m c = c

E

dimana massa dikali dengan kecepatan adalah sama dengan momentum, sehingga

P = c

Edengan satuan kg m/s

Bila kedua ruas berlangsung tiap satuan waktu dan tiap satuan luas permukaan maka

dimensi momentum akan berubah menjadi dimensi tekanan, dan energi akan berubah

271

Gambar 15 . (a) Diagram hubungan intensitas gelombang elektromagnetik dan radiasi carbon pada berbagai suhu (B) diagram hubungan intensitas

gelombang elektromagnetik dengan frekuensi

( a ) ( b )

Gambar 17. Teleskop angkasa Hubble, yang bekerja pada cahaya tampak, sedangkan teleskopChandra X-Ray bekerja pada daerah frekuensi sinar X untuk mencari black hole.

menjadi intensitas energi gelombang elektromagnetik. sehingga dapat ditulis sebagai

berikut.

cA.t

E

A.t

P = ↔ 1-

2

2

1-

m.sm

watt

.sm

kg.m.s = ↔ kg.m-1.s-2 = 1-

2

m.sm

watt

Jadi diperoleh persamaan tekanan radiasi adalah : p = c

S

Dalam hal ini S adalah vektor poynting yaitu intensitas gelombang elektromagnetik.

Persamaan p = c

S ini berlaku untuk tekanan radiasi radiasi gelombang

elektromagnetik yang diserap oleh suatu permukaan. Sedangkan mengingat

momentum adalah besaran vektor maka untuk tekanan radiasi gelombang

elektromagnetik yang dipantulkan oleh suatu permukaan adalah sebesar p = c

2.S

B. Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan

Sehari-hari

Beberapa contoh aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari

diuraikan sebagai berikut.

1. Teleskop Satelit Inframerah

Sebuah teleskop infra merah Space

Infrared Telescope Facility (SIRTF) atau

272

Gambar 16. Teleskop satelit inframerah yang dipasang di orbit akan menghasilkan gambar-gambar foto alam semesta dengan lebih baik kualitasnya.

Fasilitas Teleskop Infra Merah Ruang Angkasa. SIRTF adalah sistem peneropongan

bintang keempat yang diluncurkan NASA. Sebelumnya badan angkasa luar Amerika

Sserikat itu telah meluncurkan Teleskop Angkasa Hubble, diorbitkan pesawat ulang

alik tahun 1990; Gamma Ray Observatory, diluncurkan tahun 1991; dan Chandra X-

Ray Observatory diluncurkan tahun 1999.

Masing-masing sistem peneropongan itu digunakan untuk mengamati cahaya-cahaya

dengan warna yang berbeda, yang tidak dapat dilihat dari permukaan Bumi. Masing-

masing sistem juga memiliki fungsi berbeda satu dengan lainnya.

Dengan Teleskop Hubble, para peneliti mencari obyek "paling merah" yang berarti

jaraknya sangat jauh. Dengan SIRTF akan bisa melihat populasi bintang di dalam

obyek sangat jauh tersebut karena SIRTF akan bekerja dalam gelombang cahaya infra

merah.

Sebelum itu pada tahun 1983 kerja sama antara Amerika Serikat, Belanda, dan Inggris

telah meluncurkan IRAS (the Infrared Astronomical Satellite) atau Satelit Astronomi

Inframerah, yang juga masih berfungsi sampai dengan sekarang.

2. Diagnosa Menggunakan sinar X

Patah tulang, penyakit dalam dapat dideteksi dan didiagnosa oleh

dokter dengan akurat dengan bantuan sinar X atau sinar Röntgen.

Sejak ditemukan sinar X pada tahun 1895 oleh Wilhelm Conrad Röntgen , dunia

medis mendapatkan kemajuan pesat untuk mengobati penyakit dalam atau sakit patah

tulang. Dengan hasil images film sinar X tim dokter mendapat informasi jelas bagian

mana yang harus mendapatkan penanganan.

3. Teleskop Radio

273

GAMBAR TENTANG FOTO SINAR RONTGEN

Gambar 18. Potret sinar Rontgen membantu dokter mendiagnosa masalah klinis dengan tepat.

Teleskop radio untuk menangkap gelombang radio dan mendeteksi sinyal-

sinyal lain (pulsar) dari angkasa luar. Penemuan gelombang radio yang datang dari

angkasa luar dan berhasil dideteksi di bumi oleh Karl Jansky seorang insinyur listrik

dari laboratorium Telepon Bell pada tahun 1931, telah berhasil mengembangkan

astronomi radio. Deretan teleskop radio sebanyak 27 buah dibangun dekat Socorro di

New Meksiko. Untuk beberapa dekade astronomi radio mengalami kemajuan pesat

dan berhasil memberikan gambaran tentang alam semesta dengan banyak

dideteksinya spektrum gelombang lain yang datang dari angkasa luar seperti infa

merah, ultraungu, sinar X, sinar gamma, dan pulsar-pulsar lain hingga berhasil

ditemukannya bintang netron. Lebih jauh lagi bahkan berhasil menguak banyak hal

tentang sinar-sinar kosmik yang akhirnya diteliti mendalam oleh ilmuwan-ilmuwan

fisika inti khususnya partikel elementer.

274

Gambar 19. Kumpulan teleskop radio sebanyak 27 buah di dekat Socorro, di New Meksiko

4. Pemanfaatan Solar Sel Untuk Menangkap Energi Cahaya Matahari

Gelombang elektromagnetik dari matahari dalam bentuk cahaya tampak pada siang hari

dapat ditangkap oleh sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor misalnya silikon.

Sel surya akan mengubah energi panas ini menjadi energi listrik dan dapat menghasilkan

tegangan listrik. Pada siang hari tegangan listrik disimpan dalam baterei atau accumulator

sehingga pada malam hari dapat dimanfaatkan untuk menyalakan peralatan listrik atau

memanaskan air. Solar sel juga dikembangkan untuk menggerakkan mobil tanpa bahan

bakar migas.

5. Oscilator Penghasil Gelombang Elektromagnetik

Gambar 20. Solar sel merupakan komponen dari bahan semikonduktor yang mampu menangkap energi panas gelombang elektromagnetik dari matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik sehingga dapat disimpan di dalam baterai atau accu.

275

Gambar 19. Kumpulan teleskop radio sebanyak 27 buah di dekat Socorro, di New Meksiko

Gelombang elektromagnetik telah diketahui keberadaannya. Permasalahannya dapatkah

gelombang elektromagnetik diproduksi terus-menerus. Berdasarkan hukum Ampere dan

hukum Faraday berhasil diketemukan bahwa rangkaian oscilasi listrik dapat

menghasilkan gelombang elektromagnetik terus menerus. Frekuensi yang dihasilkan

gelombang elektromagnetik disebut frekuensi resonansi, untuk rangkaian LC dirumuskan

f = LC

1

2π

1

Prinsip ini dipakai dalam teknologi penyiaran baik gelombang TV , gelombang radar,

gelombang mikro, maupun gelombang radio. Gambar 21 menunjukkan rangkaian

pengirim gelombang elektromagnetik. Di sisi lain gelombang elektromagnetik yang

terpancar itu dapat ditangkap melalui rangkaian penerima gelombang elektromagnetik.

Masih banyak lagi aplikasi gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-

hari yang tersebar dalam berbagai bidang. Kamu dapat lebih memperdalam pemahaman

aplikasi gelombang elektromagnetik dengan mengerjakan tugas akhir bab ini.

276

Sumberenergi

Sirkuit LC

Antena

i

Gambar 21. Rangkaian/sirkuit oscilasi LC dihubungkan dengan sumber energi dan antena dapat menghasilkan perubahan medan listrik AC dan pada antena akan terpancar gelombang elektromagnetik

Tugas Akhir Bab

• Carilah contoh-contoh aplikasi atau penerapan gelombang

elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari untuk beberapa topik,

usahakan lebih dari tiga macam.

• Buatlah tugas ini dalam bentuk kliping dengan deskripsinya, dan

berilah komentarmu untuk tiap-tiap topik.

• Gunakan majalah ilmiah atau search engine di internet dengan

mengunjungi topik applied electromagnetism wave sebagai

referensimu.

Rangkuman

1. Al Hasan (965-1038) mengemukakan pendapat bahwa mata dapat melihat benda-

benda di sekeliling karena adanya cahaya yang dipancarkan atau dipantulkan oleh

benda-benda yang bersangkutan masuk ke dalam mata.

2. Pendapat Newton dengan teori emisi adalah dari sumber cahaya dipancarkan

partikel-partikel yang sangat kecil dan ringan ke segala arah dengan kecepatan

yang sangat besar. Bila partikel-partikel ini mengenai mata, maka mata akan

mendapat kesan melihat benda tersebut.

3. Menurut Christian Huygens cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan

berupa gelombang. Perbedaan cahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang

gelombang dan frekuensinya.

4. James Clerk Maxwell menyatakan bahwa Cepat rambat gelombang

elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3x108 m/s.

5. Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik

dan merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa

cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi.

6. Max Karl Ernst Ludwig Planck menyatakan bahwa cahaya terdiri dari peket-

paket energi yang disebut kuanta atau foton.

277

7. Hukum Coulomb mengemukakan bahwa muatan listrik statik dapat menghasilkan

medan listrik..

8. Hukum Biot & Savart mengemukakan bahwa aliran muatan listrik (arus listrik)

dapat menghasilkan medan magnet.

9. Hukum Faraday mengemukakan bahwa perubahan medan magnet dapat

menghasilkan medan listrik.

10. Maxwell mengemukakan bahwa perubahan medan listrik dapat menimbulkan

medan magnet.

11. Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dirumuskan

sebagai berikut c = ooμε

1

12. Gelombang elektromagnetik adalah rambatan perubahan medan listrik dan medan

magnet yang saling tegak lurus.

13. Kerapatan energi listrik (= energi listrik per satuan volume) :

UE = ½ εo .E2 dengan satuan 3m

joule

UE = ½ εo .E2.c dengan satuan 2m

watt

14. Kerapatan energi magnetik (= energi magnetik per satuan volume) :

UB =o

2

μ2

B dengan satuan 3m

joule

UB =o

2

μ2

cB dengan satuan 2m

watt

15. Kerapatan energi gelombang elektromagnetik :

U = UE + UB

U = ½ (εo E2 .c + o

2

μ

cB)

Karena E = B . c, maka penulisan dalam bentuk lain adalah sebagai berikut.

U = o

2

μ

cB satuan 2m

watt

278

Karena B = c

E, maka dapat ditulis juga sebagai berikut.

U = 2o

2

cμ

E satuan 2m

watt

16. Secara umum intensitas atau energi per satuan luas dapat dituliskan dengan

oμ

o.B

oE

S = atau

oμ

B x E S = disebut dengan vektor poynting.

17. Intensitas rata-rata (S ) gelombang elektromagnetik adalah :

o2μ

oB.

oE

S = atau

c 2o

E o

ε2

1 S = atau

o

2o

μ c 2

E S = atau

3c 2o

B o

ε2

1 S = atau

o

2o

μ 2

.cB S =

18. Cepat rambat gelombang elektromagnetik diberikan dengan persamaan

c = k

ω atau c = λ . f

19. Urutan spektrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi tinggi ke frekuensi

rendah.

• Sinar gamma (γ)

• Sinar X (Rontgen)

279

Urutan dari atas kebawah:frekuensi (f) makin kecilPanjang gelombang (λ) makin besarCepat rambat (c) sama.

c = λ . f

• Sinar ultra ungu

• Cahaya tampak:

Ungu

Biru

Hijau

Kuning

Jingga

Merah

• Sinar infra merah

• Gelombang Radar

• Gelombang TV

• Gelombang Radio

20. Jarak antara sensor radar ke sasaran :

s = 2

Δt . c

21. Menurut Stefan dan Boltzman radiasi gelombang elektromagnetik adalah

Intensitas radiasi I = R = e .σ.T4

Daya radiasi P = R .A

P = e. σ.T4.A

Energi radiasi E = W = P . t

E = e . σ . T4. A . t

σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,672 .10-8 Watt/m2 K.

22. Menurut Wien panjang gelombang maksimum berbanding terbalik dengan suhu

mutlak benda.

λm . T = C .

C = konstanta Wien = 2,898 . 10-3 m.K

23. Beberapa contoh aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari

280

• Teleskop Satelit Inframerah

• Diagnosa Menggunakan sinar X

• Teleskop Radio

• Pemanfaatan Solar Sel Untuk Menangkap Energi Cahaya Matahari

• Oscilator Penghasil Gelombang Elektromagnetik

Soal LatihanUlangan Bab 9

Soal Pilihan Ganda

Pilihlah jawaban yang benar!

1. Gelombang elektromagnet yang mungkin memiliki panjang gelombang

menggeser antara 0,01 Å – 10 Å adalah:

a. infra merah

b. ultra violet

c. sinar X

d. sinar

e. gelombang tv

2. Energi dari gelombang elektromagnet adalah berbanding lurus terhadap

frekwensinya, maka dari pancaran gelombang elektromagnet di bawah ini yang

paling besar energinya adalah:

a. sinarmerah

b. sinar ungu

c. sinar gamma

d. sinar X

e. gelombang radio

3. Suatu pemancar radio terdiri dari rangkaian L – C masing- masing besarnya 1/6

henry dan 1,5 pikofarad, kecepatan cahaya dalam udara ialah 3.108 m/det. Maka

panjang gelombang radio yang dipancarkan adalah:

a. 100 π m

281

b. 150 π m

c. 200 π m

d. 250 π m

e. 300 π m

4. Suatu lampu gas yang berpijar memancarkan energi maksimum terletak pada

sinar merah dengan panjang gelombang 8000 Å. Maka suhu gas pijar itu, jika

konstanta Wien = 2,898 x 10-3 m.K adalah:

a. 3326,5º C

b. 3327,5º C

c. 3328,5º C

d. 3329,5º C

e. 3330º C

5. Suatu kapal diperlengkapi pemancar dan penerima gelombang radar untuk

menduga dalamnya laut. Jika indek bisa air laut = 4/3, kecepatan cahaya di udara

3.108 m/det dan waktu yang dibutuhkan gelombang radar bolak- balik (dari

permukaan laut kembali ke permukaan lagi) = 8.10-5 det. Maka dalamnya laut

adalah:

a. 9 km

b. 6 km

c. 4 km

d. 2 km

e. 0,5 km

6. Sebuah keping logam yang emisivitasnya = 0,05 luas permukaannya 2 cm2

berpijar dan memancarkan tenaga selama 5 det. Jika konstanta Stefan-Boltzmann

= 5,67 x 10-8 watt/m2 (K)4 dan suhu permukaannya 1727º C. Maka energi total

yang dipancarkan selama itu adalah:

a. 45,24 joule

b. 45,32 joule

c. 45,36 joule

d. 45,42 joule

e. 45,84 joule

282

7. Jika frekuensi pada intensitas radiasi maksimum dari matahari 6.1014 Hz,

konstante Wien = 2,9 x 10-3 m.K. Kelajuan cahaya dalam hampa 3.108 m/det

maka

suhu permukaan matahari adalah:

a. 1450 K

b. 2900 K

c. 4350 K

d. 5800 K

e. 7250 K

8. Suhu filament sebuah lampu pijar (e = 0,7) adalah 1.000 K. σ = 6.10-8 watt/m2.K4.

Untuk lampu 25 watt maka luas permukaan filamennya….

a. 0,06 cm2

b. 0,06 m2

c. 0,6 m2

d. 0,6 cm2

e. 6 cm2

9. Suhu di permukaan suatu bintang 11.810º C. Tenaga pancar maksimum yang

datang dari cahaya bintang tersebut terletak pada panjang gelombang….

a. 1.500 Å

b. 2.000 Å

c. 2.400 Å

d. 2.750 Å

e. 3.050 Å

10. Sebuah benda hitam mempunyai tenaga pancar maksimum yang terletak pada

panjang gelombang 2.10-6 m. Suhu benda tersebut adalah….

a. 700 K

b. 950 K

c. 1.050 K

d. 1.450 K

e. 1.750 K

11. Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan dalam bentuk radiasi tiap sekon

oleh benda hitam pada suhu 600 K dan 300 K adalah….

283

a. 2 : 1

b. 4 : 1

c. 8 : 1

d. 16 : 1

e. 25 : 1

12. Jumlah kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda yang suhunya lebih besar dari

0 K, berbanding lurus dengan….

a. suhunya

b. pangkat dua dari suhunya

c. suhu sekitarnya

d. massa benda itu

e. luas permukaan benda

13. Gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi tertinggi adalah….

a. sinar gamma

b. sinar X

c. sinar inframerah

d. sinar ultra ungu

e. gelombang radio

14. Pernyataan di bawah ini merupakan sifat gelombang elektromagnetik, kecuali….

a. gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa

b. gelombang elekromagnetik adalah gelombang transversal

c. frekwensi gelombang elektromagnetik sama dengan frekuensi cahaya

d. gelombang elektromagnetik dapat dipolarisasikan

e. pada gelombang elektromagnetik berlaku hokum pemantulan

15. Bila sinar ultraungu, sinar infra merah, dan sinar X berturut- turut ditandai dengan

U, I dan X, maka urutan yang menunjukkan paket (kuantum) energi makin besar

adalah….

a. U, I, X

b. U, X, I

c. I, X, U

d. I, U, X

284

e. X, I, U

Catatan: energi sebanding dengan frekuensi

16. Sinar X mempunyai panjang gelombang yang….

a. sedikit lebih besar daripada 700 nm

b. di antara 400 – 700 nm

c. jauh lebih besar daripada 400 nm

d. sama besar dengan 400 nm

e. jauh lebih kecil daripada 400 nm

17. Mna satu di antara contoh radiasi elektromagnetik berikut ini yang memiliki

panjang gelombang terpendek?

a. Gelombang radio

b. Cahaya tampak

c. Infra merah

d. Sinar X

e. Ultra violet

18. Pada suatu saat terlihat kilat dan 10 detik kemudian terdengar suara gunturnya.

Apabila kecepatan cahaya besarnya 3 x 108 m/detik dan kecepatan bunyi 340

m/detik, maka jarak antara tempat asal kilat dan pengamat adalah….

a. 34 m

b. 3400 m

c. 10200 m

d. 3 x 108 m

e. 3 x 109 m

19.

285

Berdasarkan grafik intensitas (I) terhadap frekuensi (f) seperti gambar di atas

ini, dapat disimpulkan bahwa….

a. λ1 = λ2

b. λ1 > λ2

c. λ1 < λ2

d. λ1 = ½ λ2

e. λ1 = 2 λ2

20. Jumlah kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda yang suhunya lebih besar dari

10 K, berbanding lurus dengan:

a. suhunya

b. pangkat dua dari suhunya

c. suhu sekelilingnya

d. massa benda itu

e. luas permukaan benda

21. Lamu pijar dapat dianggap bentuk bola. Jari- jari lampu pijar pertama adalah dua

kali dari jari- jari lampu kedua. Suhu lampu pijar pertama dan kedua masing-

masing 27º C dan 127º C, maka daya lampu pertama berbanding lampu kedua

adalah:

a. 1 : 1

b. 3 : 2

c. 9 : 8

d. 16 : 9

286

e. 81 : 64

22. Setiap detik di matahari terjadi perubahan 4 x 109 kg materi menjadi energi

radiasi, bila laju cahaya dalam vakum adalah 3 x 1010 cm/detik, daya yang

dipancarkan oleh matahari adalah….

a. 3,6 x 103 watt

b. 5,0 x 1010 watt

c. 1,2 x 1018 watt

d. 3,6 x 1026 watt

e. 4720 watt

Petunjuk: Energi setara dengan massa menurut E = m c2 (c = kecepatan cahaya)

23. Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan dalam bentuk radiasi per detik oleh

sebuah benda hitam yang dipanaskan pada suhu 4000 K dan 2000 K adalah….

a. 1 : 1

b. 2 : 1

c. 4 : 1

d. 8 : 1

e. 16 : 1

24. Bola dengan jari- jari 2,5 cm yang berada dalam keadaan seimbang dengan

kelilingnya, ternyata menyerap daya 61,44 watt dari lingkungannya. Tetapan

Stefan-Boltzman σ = 6 x 10-8 watt/m2K4, emisivitas e = 1/π, maka suhu bola itu

adalah….

a. 200 K

b. 400 K

c. 600 K

d. 800 K

e. 1000 K

25. Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan dalam bentuk radiasi per detik

oleh sebuah benda hitam yang dipanaskan pada suhu 4000 K dan 2000 K adalah

….

a. 1 : 1

b. 2 : 1

287

c. 4 : 1

d. 8 : 1

e. 16 : 1

Soal Uraian

Jawablah dengan benar!

1. Sebuah stasiun pemancar radio memancarkan gelombang pada frekuensi 8800 Å.

Berapa panjang gelombang dari gelombang tersebut ?

2. Gelombang radio ditemukan memiliki tekanan 10-8 N/m2 pada permukaan

pemantul. Berapa daya per satuan luas dari rambatan gelombang tersebut? Berapa

besar intensitas maksimum gelombang listrik dan intensitas maksimum kerapatan

fluks magnetiknya ?

3. Untuk penerimaan yang bagus gelombang radio seharusnya memiliki intensitas

maksimum medan listrik paling sedikit 10-4 volt/m ketika tiba di antena penerima.

a. Berapa kerapatan fluks maksimum medan magnet gelombang seperti ini ?

b. Berapa vektor poynting gelombang seperti ini ?

c. Berapa tekanan radiasi gelombang ini ketika diserap?

4. Sebuah pemancar radio memakai gelombang radio 20 m. Kapasitas kondensator

di dalam rantai oscilator 5 μF. Berapakah kapasitas kondensator jika panjang

gelombangnya diubah menjadi 100 m ? ( Tips : gunakan frekuensi resonansi

f = LC

1

2π

1 )

5. Sebuah pemancar radio frekuensinya 4000 Hz. Kapasitas kapasitor yang

dihubungkan seri dengan antena = 5000 μF. Jika kuat arus di dalam antena 0,15

ampere, berapakah tegangan pada kapasitor itu?

6. Daya emisi suatu permukaan 113 Watt/m2, koefisien emisivitasnya 0,03. σ =

5,67.10-8 Watt m-2(K)-4. Berapa suhu mutlaknya?

288

7. Berapakah daya radiasi matahari jika suhunya 5500 K dan matahari dianggap

benda hitam sempurna.

8. Berapakah suhu suatu benda jika energi radiasi maksimum berada pada cahaya

yang panjang gelombangnya :

a. 8000 Å

b. 6000 Å

9. Pada suhu berapa derajat Celcius energi radiasi maksimum benda hitam sempurna

berada pada sinar yang panjang gelombangnya 2000 Å

10. Sebuah lampu busur memancarkan cahaya pada suhu 3000 0C.

a. Berapa panjang gelombang sinar yang energi radiasinya maksimum.

b. Berapa besar energi radiasi tiap detik tiap satuan luas.

11. Sepotong platina menjadi merah pijar pada suhu 550 0C dan putih pijar pada suhu

1600 0C.

Berapakah panjang gelombang yang energi radiasinya maksimum pada suhu-suhu

tersebut.

12. Sebuah bola berdiameter 2 cm bersuhu 700 0C. Anggap benda tersebut benda

hitam sempurna. Berapakah energi yang dipancarkan tiap detik dari bola tersebut?

13. Berapakah energi yang diradiasikan oleh 1 cm2 timah tiap detik?. Emisivitas suhu

tersebut 427 K.

14. Tenaga radiasi dari suatu benda hitam 4 kW. Hitung suhu benda tersebut jika luas

permukaannya 0,2 m2

15. Berapa perbandingan radiasi dari dua benda sejenis yang bersuhu 327 0C dan 270

C?

16. Berapa besar energi yang dipancarkan oleh permukaan seluas 1 cm2, dalam waktu

1 detik dari suatu benda hitam, jika panjang gelombang yang sesuai dengan energi

pancar maksimum ialah 4840 Å

17. Suatu bola hitam dipanaskan dari 20 0C ke 27 0C.

289

a. Berapa perubahan panjang gelombang yang sesuai dengan energi panas

maksimum?

b. Hitung perbandingan energi pancarnya

18. Sebuah radar memancarkan sinyal ke sebuah obyek di udara dengan frekuensi

6 . 109 Hz. Bila dalam selang waktu 3.10-3 s, sinyal yang dipancarkan radar

diterima kembali, hitunglah :

a. panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik yang dipancarkan,

b. jarak radar ke obyek

19. Pada grafik pergeseran Wien, bila suhunya naik dari 1500 K ke 2500 K, tentukan

selisih panjang gelombang maksimumnya !

20. Perhatikan tabel berikut!

Benda Suhu (K)

T

Emisivitas

e

Luas (cm2)

A

Energi pancar tiap detik (W/m2)

Benda I

Benda II

2000

1000

1

0,5

4

4

R1

R2

Tentukan perbandingan R1 : R2 !

290