Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik

Pengertian Gelombang Elektromagnetik

Gelombang Elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat  walau

tidak ada medium. Energi elektromagnetik merambat dalam gelombang dengan

beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu: panjang gelombang/wavelength, frekuensi,

amplitude/amplitude, kecepatan. Amplitudo adalah tinggi gelombang, sedangkan

panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah

gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu. Frekuensi tergantung

dari kecepatan merambatnya gelombang. Karena kecepatan energi elektromagnetik

adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan frekuensi berbanding

terbalik. Semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah frekuensinya, dan

semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi frekuensinya.

Energi elektromagnetik dipancarkan, atau dilepaskan, oleh semua masa di

alam semesta pada level yang berbedabeda. Semakin tinggi level energi dalam suatu

sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang

dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Perbedaan karakteristik

energi gelombang digunakan untuk mengelompokkan energi

elektromagnetik.

Ada dua hukum dasar yang menghubungkan gejala kelistrikan dan

kemagnetan. Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi)

medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar

konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara

eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala

induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.

Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu

dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk

arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi

elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara

eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap

James Clerk Maxwell

peletak dasar teori

gelombang

elektromagnetik

oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai

Hukum Faraday-Henry.

Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan

mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk

Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa

jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik

maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell

mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan

(menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga

yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.

Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu

dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh

Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere.

Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell.

Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat

adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat

membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan

listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika

proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan

medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara

serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan

gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang

elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat

dalam ruang.

Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari

Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan

dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C

Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang

elektromagnetik.

Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik

Ramalan Maxwell tentang gelombang elektromagnetik ternyata benar-benar

terbukti. Adalah Heinrich Hertz yang membuktikan adanya gelombang

elektromagnetik melalui eksperimennya. Eksperimen Hertz sendiri berupa

pembangkitan gelombang elektromagnetik dari sebuah dipol listrik (dua kutub

bermuatan listrik dengan muatan yang berbeda,

positif dan negatif yang berdekatan) sebagai

pemancar dan dipol listrik lain sebagai penerima.

Antena pemancar dan penerima yang ada saat ini

menggunakan prinsip seperti ini.

Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil

membangkitkan gelombang elektromagnetik dan

terdeteksi oleh bagian penerimanya. Eksperimen ini

berhasil membuktikan bahwa gelombang

elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-

benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang

elektromagnetik.

diagram skematik eksperimen Hertz

Karakteristik Dan Penerapan Tiap Gelombang Elektromagnetik

1. Gelombang Radio dan Televisi

Gelombang televise yang mempunyai frekuensi sedikit lebih tinggi dari

gelombang radio merambat secara lurus dan tidak dapat dipantulkan oleh lapisan

ionosfer (suatu lapisan dalam atmosfer bumi). Agar dapat ditangkap atau diterima di

suatu daerah yang jauh dari pemancarnya diperlukan adanya stasiun relai atau stasiun

penghubung. Gelombang mikro, gelombang televise, dan gelombang radio dapat

dihasilkan dari rangkaian osilator RLC arus bolak-balik. Gelombang ini juga dapat

dihasilkan pada radiasi matahari hanya yang sampai ke bumi kecil.

2. Gelombang Mikro

Gelombang yang merupakan gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi

yaitu 3GHz Gelombang ini dapat menimbulkan efek pemanasan pada benda yang

menyerapnya. Jadi, jika suatu mekanan menyerap radiasi gelombang mikro maka

makanan tersebut menjadi panas dalam waktu yang sangat singkat. Hal inilah yang

dimanfaatkan dalam oven mikro wave untuk memasak makanan dengan cepat dan

lebih ekonomis. Kegunaan lain dari gelombang ini adalah pada pesawat

RADAR (Radio Detection And Ranging). RADAR digunakan sebagai pemancar dan

penerima gelombang elektromagnetik, posisi atau jarak sasaran dari pemancar radar

dapat ditentukan dengan persamaan berikut.

3. Sinar Infra Merah

Sinar infra merah memiliki daerah dengan jangkauan frekuensi  sampai  atau

daerah dengan panjang gelombang  sampai  Sinar infra merah dapat dihasilkan oleh

electron dalam molekul yang bergetar karena dipanaskan. Apabila suatu benda

dipanaskan akan memancarkan sinar infra merah yang jumlah sinarnya bergantung

pada suhu dan warna benda. Dengan menggunakan prinsip ini, suatu satelit pengamat

dapat mendeteksi tumbuh-tumbuhan yang ada di suatu daerah tertentu. Penggunaan

lain sinar infra merah adalah untuk menyelidiki suatu penyakit dalam tubuh dengan

pancaran sinar infra merah atau dapat pula digunakan untuk mengetahui struktur

suatu molekul.

4.Cahaya Tampak

Mempunyai daerah frekuensi yang cukup sempit dengan panjang

gelombang  cm sampai   cm. sinar tampak memiliki spectrum warna dimulai dari

frekuensi terkecil sampai terbesar yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan

ungu. Warna merah memiliki frekuensi terkecil dan panjang gelombang terbesar

sedangkan warna ungu memiliki frekuensi terbesar dan panjang gelombang terkecil.

Cahaya mutlak digunakan agar mata dapat menangkap atau melihat benda-benda

yang ada di sekitar kita.

5.Sinar Ultra Violet

Sinar ultra violet atau sinar ultra ungu merupakan gelombang elektromagnetik

yang memiliki frekuensi di atas sinar tampak (sinar ungu) dan di bawah sinar-X.

rentang frekuensi adalah antara Hz - Hz. Sinar ini selain dihasilkan oelh radiasi

matahari, juga dapat dihasilkan dari tabung lucutan. Pada tabung lucutan dapat terjadi

penembakan electron pada atom-atom seperti gas Hidrogen, gas Neon, dan gas-gas

mulia yang lain. Sinar ultra violet dapat digunakan dalam teknik spektroskopi yaitu

unutk mengetahui kandungan unsur-unsur pada suatu bahan. Dalam

perkembangannya sinra ultra violet diketahui dapat mempengaruhi kecepatan

pertumbuhan sel. Sisi negatifnya dapat menyebabkan kanker kulit tapi sisi positifnya

dapat digunakan untuk memicu perkembangan ternak seperti babi.

6.Sinar-x

Dapat dihasilkan oleh electron-elektron yang terletak di bagian dalam kulit

electron atau dapat pula dihasilakn dari pancaran radiasi yang keluar ketika electron

yang berkecepatan tinggi menumbuk permukaan logam.

Sinar-x mempunyai daerah frekuensi Hz sampai  atau daerah panjang

gelombang cm sampai  cm. dengan panjang gelombang yang pendek dan frekuensi

yang besar, sinra-x mempunyai daya tembus yang kuat. Karena kekuatan daya

tembus ini, sinra-x dapat digunakan untuk memotret susunan tulang dalam tubuh,

misalnya untuk menentukan letak tulang yang patah. Sinar-x pertama kali ditemukan

oleh Wilhelm Conrad Rontgen. Oleh karena itu sering disebut dengan sinar Rontgen.

7.Sinar- Gamma

Dalam spektrumnya, sinar gamma menempati tingkatan dengan frekuensi

terbesar yaitu Hz - Hz. Sifat yang dimiliki sinar gamma adalah energy yang besar

sehingga daya tembusnya sangat kuat. Sinar gamma ditemukan dari radiasi inti-inti

atom tidak stabil yang merupakan pancaran zat radioaktif. Sinar gamma juga dapat

dihasilkan seperti sinar-X yaitu tumbukan electron dengan atom-atom berat seperti

timbal (Pb). Sinar gamma dapat digunakan sebagai system perunut aliran suatu fluida

(misalnya aliran PDAM). Tujuannya untuk mendeteksi adanya kebocoran pipa. Jika

zat radioaktif di bawah ambang batas dideteksi. Sekarang sinar gamma banyak

digunakan sebagai bahan sterilisasi bahan makanan kaleng dan pendeteksi keretakan

batang baja. Radiasi sinar gamma dapat diketahui dengan suatu alat yaitu detector

Geiger Muller

Ciri-ciri Gelombang Elektromagnetik

Dari uraian tersebut diatas dapat disimpulkan beberapa ciri gelombang

elektromagnetik adalah sebagai berikut:

1.      Perubahan medan listrik dan medan magnetik terjadi pada saat yang bersamaan,

sehingga kedua medan memiliki harga maksimum dan minimum pada saat yang sama

dan pada tempat yang sama.

2.      Arah medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus dan keduanya tegak lurus

terhadap arah rambat gelombang.

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

transversal.

4.      Seperti halnya gelombang pada umumnya, gelombang elektromagnetik mengalami

peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, dan difraksi. Juga mengalami

peristiwa polarisasi karena termasuk gelombang transversal.

5.      Cepat rambat gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada sifat-sifat listrik

dan magnetik medium yang ditempuhnya.

Cahaya yang tampak oleh mata bukan semata jenis yang memungkinkan

radiasi elektromagnetik. Pendapat James Clerk Maxwell menunjukkan bahwa

gelombang elektromagnetik lain, berbeda dengan cahaya yang tampak oleh mata

dalam dia punya panjang gelombang dan frekuensi, bisa saja ada. Kesimpulan teoritis

ini secara mengagumkan diperkuat oleh Heinrich Hertz, yang sanggup menghasilkan

dan menemui kedua gelombang yang tampak oleh mata yang diramalkan oleh

Maxwell itu. Beberapa tahun kemudian Guglielmo Marconi memperagakan bahwa

gelombang yang tak terlihat mata itu dapat digunakan buat komunikasi tanpa kawat

sehingga menjelmalah apa yang namanya radio itu. Kini, kita gunakan juga buat

televisi, sinar X, sinar gamma, sinar infra, sinar ultraviolet adalah contoh-contoh dari

radiasi elektromagnetik. Semuanya bisa dipelajari lewat hasil pemikiran Maxwell.

Energi dalam Gelombang Elektomagnetik

Gelombang elektromagnetik merambatkan energinya dalam bentuk medan

listrik dan medan magnetic yang saling tegak lurus satu sama lain.

Kita menganggap bahwa gelombang elektromagnetik adalah suatu gelombang

bidang yang merambat pada sumbu-x, medan listrik E merambat pada sumbu Y, dan

medan magnet B pada sumbu Z. Medan E dan B hanya bergantung pada X dan Y dan

tidak bergantung pada koordinat Y dan Z. Bedsarakan persamaan Maxwell,

penyelesaian terbaik dari gelombang bidang elektomagnetik adalah suatu gelombang

sinusoidal, di mana amplitude E dan B berubah terhadap x dan t sesuai persamaan:

E = cos (kx - )                 

B =  cos (kx – )               

Contoh penerapan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari

1. Radio

Radio energi adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan kisaran

panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter. Penggunaan

paling banyak adalah komunikasi, untuk meneliti luar angkasa dan sistem radar.

Radar berguna untuk mempelajari pola cuaca, badai, membuat peta 3D permukaan

bumi, mengukur curah hujan, pergerakan es di daerah kutub dan memonitor

lingkungan. Panjang gelombang radar berkisar antara 0.8 – 100 cm. 

2. Microwave

Panjang gelombang radiasi microwave berkisar antara 0.3 – 300 cm. Penggunaannya

terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi melalui ruang terbuka,

memasak, dan sistem PJ aktif. Pada sistem PJ aktif, pulsa microwave ditembakkan

kepada sebuah target dan refleksinya diukur untuk mempelajari karakteristik target.

Sebagai contoh aplikasi adalah Tropical Rainfall Measuring Mission’s (TRMM)

Microwave Imager (TMI), yang mengukur radiasi microwave yang dipancarkan dari

Spektrum elektromagnetik Energi elektromagnetik atmosfer bumi untuk mengukur

penguapan, kandungan air di awan dan intensitas hujan.

3. Infrared

Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran

inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan untuk

mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Radiasi inframerah

dapat juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa sepengetahuannya

akan menghalangi sinar dan menyembunyikan alarm. Remote control berkomunikasi

dengan TV melalui radiasi sinar inframerah yang dihasilkan oleh LED ( Light

Emiting Diode ) yang terdapat dalam unit, sehingga kita dapat menyalakan TV dari

jarak jauh dengan menggunakan remote control.

4. Ultraviolet

Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kuman-kuman

penyakit kulit. 

5.  Sinar X

Sinar X ini biasa digunakan dalam bidang kedokteran untuk memotret kedudukan

tulang dalam badan terutama untuk menentukan tulang yang patah. Akan tetapi

penggunaan sinar X harus hati-hati sebab jaringan sel-sel manusia dapat rusak akibat

penggunaan sinar X yang terlalu lama.

Rumus yang lazim digunakan dalam gelombang elektromagnetik

Hubungan antara kuat medan listrik dg medan magnetik :

Dimana:

Dengan :

Em, Bm = nilai max amplitudo medan listrik dan magnetik

c = cepat rambat cahaya

Rapat energi listrik dan magnetik dinyatakan dengan :

Dengan :

ue = rapat energi listrik (J/m3)

Em

Bm

=−EB=c

E y=Em cos (kx-ωt )Bx=Bm cos (kx- ωt )

uB=B2

2 μ0ue=

12

ε 0 E2

ε0 = 8,85 x 10-12 C2 N-1m-2

E = kuat medan listrik (N/C)

uB = rapat energi magnetik (J/m3)

B = besar induksi magnetik (Wb/m2)

μ0 = 4π x 10-7 Wb/A

Intensitas GEM atau laju energi yg dipindahkan melalui GEM disebut pointing (S).

Dengan intensitas rata-rata :

HUBUNGAN INTENSITAS GELOMBANG DENGAN ENERGI RATA-RATA

Dengan menggunakan hubungan

rapat energi magnetik adalah

dan

S= 1μ0

E x B S= EBμ0

=Em Bmcos2(kx−ωt )

μ0

S=Em Bm

2μ0

c= 1

√ μ0 ε0

B= Ec

uB=B2

2 μ0

=E2/c2

2 μ0

=E2 μ0ε0

2 μ0

=12

ε0 E2=ue

Rapat energi total adalah

Rapat energi total rata-rata adalah

Intensitas gelombang (laju energi rata2 per m2) yg dipindahkan melalui GEM sama dg rapat enrgi rata2 dikalikan dengan cepat rambat cahaya.

Dengan :

I = intensitas radiasi (W/m2)

S = intensitas gelombang = laju energi rata2 per m2 (W/m2)

P = daya radiasi (W)

A = luas permukaan (m2)

u=uB+ue=2uB=B2

μ0

u=Em Bm

2 μ0c

S=I=PA=

Em Bm

2μ0

=E

m2

2 μ0 c=

cBm2

2μ0S=c u

= 1 √00

Jika mediumnya adalah ruang hampa maka cepat rambat gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan:

c =

Keterangan:

c= cepat rambat gelombang (3 X 108 m/s)

= frekuensi gelombang (Hz)

= panjang gelombang (m)

DAFTAR PUSTAKA

http://syahrunicorlettasoler.blogspot.com/2012/06/makalah-fisika-kelas-

xgelombang.html diunggah pada 26 agustus 2015.

Tugas makalah gelombang elektromagnetik fauzan fakhrul arifin. Diunggah

pada tanggal 26 agustus 2015.