GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

2.1 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. Gelombang Panjang gelombang λ gelombang radio 1 mm-10.000 km infra merah 0,001-1 mm cahaya tampak 400-720 nm ultra violet 10-400nm sinar X 0,01-10 nm sinar gamma 0,0001-0,1 nm

2.2 CIRI-CIRI/SIFAT 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 bias dipelajari lewat hasil pemikiran Maxwell.

 2.3 SUMBER GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

1.      Osilasi listrik. menghasilkan sinarinfra merah. ®

2.      Sinar matahari  menghasilkanultra violet. ®

3.      Lampu merkuri

4.      Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen). Inti atom yang ® tidak stabil menghasilkan sinar gamma.

2.4 SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray.

Contoh spektrum elektromagnetik

1.        Gelombang Radio

 Gelombang radio dikelompokkan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika panjang gelombang tinggi, maka pasti frekuensinya rendah atau sebaliknya. Frekuensi gelombang radio mulai dari 30 kHz ke atas dan dikelompokkan berdasarkan lebar frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh muatan-muatan listrik yang dipercepat melalui kawat-kawat penghantar. Muatan-muatan ini dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator. Gelombang radio ini dipancarkan dari antenna dan diterima oleh antena pula. Kamu tidak dapat mendengar radio secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah terlebih dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.

Berdasarkan Persamaan Maxwell dapat diturunkan Persamaan-persamaan Turunan yang  lain

2.      Gelombang mikro (radar)

Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi yaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, maka makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis. Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan gelombang mikro. Karena cepat rambat glombang elektromagnetik c = 3 X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan penerimaan.

3.      Sinar Inframerah

Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 1011Hz sampai 1014Hz atau daerah panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. jika kamu memeriksa spektrum yang dihasilkan oleh sebuah lampu pijar dengan detektor yang dihubungkan pada miliampermeter, maka jarum ampermeter sedikit diatas ujung spektrum merah. Sinar yang tidak dilihat tetapi dapat dideteksi di atas spektrum merah itu disebut radiasi inframerah. Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda.

4.       Cahaya tampak

Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik yang paling dikenal oleh kita dapat didefinisikan sebagai bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Panjang gelombang tampak nervariasi tergantung warnanya mulai dari panjang gelombang kira-kira 4 x 10-7 m untuk cahaya violet (ungu) sampai 7x 10-7 m untuk cahaya merah. Kegunaan cahaya salah satunya adalah penggunaan laser dalam serat optik pada bidang telekomunikasi dan kedokteran.

5.      Sinar ultraviolet

Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 1015 Hz sampai 1016 Hz atau dalam daerah panjang gelombagn 10-8 m 10-7 m. gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. Matahari adalah sumber utama yang memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi,lapisan ozon yang ada dalam lapisan atas atmosferlah yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan meneruskan sinar ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup di bumi.

6.      Sinar X

Sinar X mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz . panjang gelombangnya sangat pendek yaitu 10 cm sampai 10 cm. meskipun seperti itu tapi sinar X mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm.

7.      Sinar Gamma

Sinar gamma mempunyai frekuensi antara 10 Hz sampai 10 Hz atau panjan gelombang antara 10 cm sampai 10 cm. Daya tembus paling besar, yang menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh.

2.5 Penerapan Gelombang Elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari :

 a. 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.

 b. 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.

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.

d. Ultraviolet Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh kuman- kuman penyakit kulit. e. 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.

2.6 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 - ) nilai maksimum amplitude medan LISTRIK

 B = cos (kx – ) nilai maksimum amplitude medan magnetic

K = , dengan adalah panjang gelombang = 2 , dengan f adalah frekuensi getaran

Perbandingan antara dan k adalah = f = c, sehingga kita dapatkan persamaan: Dari persamaan di depan, dapat diperoleh kesebandingan antara induksi magnetic dengan kuat medan listri, yaitu: 2.7 Rapat Energi Listrik dan Magnetik Energi yang tersimpan dalam sebuah kapasitor W, dalam bentuk medan listrik dinyatakan oleh: W = CV2 C adalah kapasitas kapasitor dan V adalah beda potensial antar keping. Energi per satuan volume atau rapat energy listrik dirumuskan sebagai berikut: Ue = E2 Keterangan: Ue : rapat energy listrik (J/m3 ) permitivitas listrik = 8,85 10-12 C2 N-1 m-2 E : kuat medan listrik (N/C) Sedangkan rapat energy magnetic atau energy magnetic per satuan volume (Um) dalam bentuk medan magnetic yaitu: Um = Keterangan: Um : rapat energy magnetik (J/m3 ) B : induksi magnetic (Wb/m2 = T) : permeabilitas magnetic = 4 10-7 WbA-1 m-1 Seperti halnya gelombang yang lain, ketika merambat gelombang elektromagnetik dapat memindahkan energinya ke benda-benda yang berada pada lintasannya. Intensitas gelombang elektromagnetik atau laju energy yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik disebutVektor Pointing dan didefinisikan oleh persamaan vector: S = = E B Arah S searah dengan arah perambatan gelombang elektomagnetik dan dinyatakan dalam satuan J/sm2 . Sedangkan laju energy rata-rata per m2 gelombang elektromagnetik S adalah sebagai berikut: S = Bm 2 = c Keterangan: S : laju energy rata-rata per m2 yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik (J/sm2 atau W/m2 )

: amplitude maksimum kuat medan listrik (N/C) Bm : amplitude maksimum induksi magnetic (Wb/m2 atau T) C : cepat rambat gelombang elektromagnetik = 3 108 m/s Dalam suatu volume tertentu, energi gelombang elektromagnetik terdiri atas energy medan magnetic dan energi medan listrik yang sama besar, sehingga rapat energy sesaat total U dari gelombang elektromagnetik sama dengan jumlah rapat energy medan listrik dan medan magnetic, yaitu: U = Ue + Um = 2Um = Rapat energy total rata-ratanya adalah sebagai berikut, U = Jika kita gabung persamaan tersebut maka akan didapatkan: S = cU Jadi, laju rata-rata per m2 atau biasa disebut dengan intensitas gelombang yang dipindahkan melalui gelombang elektromagnetik (S) sama dengan rapat energi rata-rata (U) dikalikan dengan cepat rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Sehingga dapat dituliskan : S = = = = = I Keterangan: I : intensitas radiasi (W/m2 ) S : intensitas gelombang = laju energi rata-rata per m2 (W/m2 ) P : daya radiasi (W) A : luas permukaan (m2 )

A. Pemanfaatan gelombang elektromagnetik
1) Gelombang radio (MF dan HF)
-Untuk komunikasi radio
(memanfaatkan sifat gelombang MF dan HF yang dapat dipantulkan oleh lapisan ionosfer, hingga dapat mencapai tempat yang jauh)
2) Gelombang radio (UHF dan VHF)
-Untuk komunikasi satelit
( memanfaatkan sifat gelombang UHF dan VHF yang dapat menembus lapisan atmosfer (ionosfer), hingga dapat mencapai satelit)

3) Gelombang Mikro
-Untuk pemanas microwave
-Untuk komunikasi RADAR (Radio Detection and Ranging)
-Untuk menganalisa struktur atomik dan molekul
-Dapat digunakan untuk mengukur kedalaman laut
-Digunakan pada rangkaian Televisi
-Gelombang RADAR diaplikasikan untuk mendeteksi suatu objek, memandu pendaratan pesawat terbang, membantu pengamatan di kapal laut dan pesawat terbang pada malam hari atau cuaca kabut, serta untuk menentukan arah dan posisi yang tepat.
4) Sinar Inframerah
-Untuk terapi fisik, menyembuhkan penyakit cacar dan encok (physical therapy)
-Untuk fotografi pemetaan sumber daya alam, mendeteksi tanaman yang tumbuh di bumi dengan detail
-Untuk fotografi diagnosa penyakit
-Digunakan pada remote control berbagai peralatan elektronik, alarm pencuri
-Mengeringkan cat kendaraan dengan cepat pada industri otomotif
-Pada bidang militer,dibuat teleskop inframerah yang digunakan melihat di tempat yang gelap atau berkabut.
-Sinar infra merah dibidang militer dimanfaatkan satelit untuk memotret permukaan bumi meskipun terhalang oleh kabut atau awan.
5) Sinar tampak
-Membantu penglihatan mata manusia
-Salah satu aplikasi dari sinar tampak adalah penggunaan sinar laser dalam serat optik pada bidang telekomunikasi.
6) Sinar ultraviolet
-Untuk proses fotosintesis pada tumbuhan
-Membantu pembentukan vitamin D pada tubuh manusia
-Dengan peralatan khusus dapat digunakan untuk membunuh kuman penyakit, menyucihamakan ruangan operasi rumah sakit berikut instrumen-instrumen pembedahan
-Untuk memeriksa keaslian tanda tangan di bank-bank
7) Sinar X (Sinar Rontgen)
-Dimanfaatkan di bidang kesehatan kedokteran untuk memotret organ-organ dalam tubuh (tulang), jantung, paru-paru, melihat organ dalam tanpa pembedahan, foto Rontgen
-Untuk analisa struktur bahan / kristal
-Mendeteksi keretakan / cacat pada logam
-Memeriksa barang-barang di bandara udara / pelabuhan
8) Sinar gamma
-Dimanfaatkan dunia kedokteran untuk terapi kanker
-Dimanfaatkan untuk sterilisasi peralatan rumah sakit
-Untuk sterilisasi makanan, bahan makanan kaleng
-Untuk pembuatan varietas tanaman unggul tahan penyakit dengan produktivitas tinggi
-Untuk mengurangi populasi hama tananaman (serangga)
-Untuk medeteksi keretakan /cacat pada logam (seperti kegunaan sinar X juga)
-Untuk sistem perunut aliran suatu fluida (misalnya aliran PDAM), mendeteksi kebocoran

B. Bahaya-bahaya yang bisa ditimbulkan gelombang elektromagnetik
1) Dapat menyebabkan kanker kulit (Sinar ultraviolet)
2) Dapat menyebabkan katarak mata(Sinar ultraviolet)
3) Dapat menyebabkan rendahnya produk ganggang (Sinar ultraviolet)
4) Dapat menghitamkan warna kulit (Sinar ultraviolet)
5) Dapat melemahkan sistem kekebalan tubuh (Sinar ultraviolet)
6) Dapat menyebabkan kemandulan (Sinar gamma)
7) Dapat menyebabkan kerusakan sel/jaringan hidup manusia (Sinar X dan terutama sinar gamma)

CONTOH SOAL GELOMBANG ELEKTROMAGNETIC:

 1.Gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan 3×108 ms-1. Apabila frekuensi gelombang tersebut 20MHz, maka panajang gelombangnya adalah ….    a. 5m        b. 10m     c. 15m     d. 20m      e. 25m 

 2. Gelombang elektromagnetik yang mempunyai daerah frekuensi 104 sampai 107 Hz adalah ….  a. gelombang mikro          b. gelombang radio                                                                      c. gelombang tampak                          d. sinar inframerah                e. sinar gamma

3. Rentang panjang gelombang radio VHF adalah ….                                                                        a. 30.000m – 3.000m                      b. 3.000m – 300m                                                                              c. 300m – 30 m                               d. 3m – 0,3m        e. 30m – 3m

      4.Gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi paling tinggi adalah ….                                      a. gelombang mikro        b. gelombang radio                                                                                             c. cahaya tampak            d. sinar inframerah            e. sinar gamma

 5. Matahari merupakan sumber utama dari ….                                                                                    a. gelombang radio            b. sinar ultraviolet                                                                                        c. cahaya tampak               d. sinar inframerah          e. sinar gamma

 6.Penghantar panjangnya 40 cm digerakan di dalam medan magnet 0,5 tessla dengan kecepatan 2 m/s. Hitung beda potensial pada ujung- ujung penghantar…                                             a. – 0,8           b. – 0,3    c. – 0,2     d.  – 0,4     e.  – 0,9

7. Sebuah kumparan digerakan di dalam medan magnet dengan kecepatan tertentu. Akibatnya pada kumparan terjadi perubahan fluks magnet Jika jumlah kumparam 200 lilitan, berapa ggl induksi pada kumparan selama 4 s…                                                                          a.  – 12800       b.  – 13800   c.  – 28000       d. – 23900       e.  – 39200

 8. Sebuah pesawat panjang sayap depannya 4m. Pesawat tersebut terbang dengan kecepatan 200 m/s memotong medan magnet bumi yang besarnya 0, 0025 T. Berapa ggl induksi pada ujung- ujung sayap pesawat…                                                                                                      a.  -8              b. -2             c. -10           d. -4             e. -3

 9.Kumparan dengan 1000 lilitan mengitari pusat selenoida yang panjangnya 2m, luas penampang 2 x 10^-3, dan terdiri dari 50000 lilitan. Selenoida dialiri arus 10 A. Bila arus dalam selenoida diputus dalam waktu 0,1 sekon, besar GGL induksi yang timbul pada kumparan adalah ...volt.      a. Pi         b. 2pi        c. 3pi       d.4pi       e. 5pi

 10.. Suatu kumparan dengan 600 lilitan mengalami perubahan arus listrik dari 10 A menjadi 4 A, dalam waktu 0,1 detik. Jika dihasilkan beda potensial sebesar 2,4 volt, maka induksi diri kumparan tersebut adalah...                                                                                       a.10mH            b.20mH           c.40mH        d.30mH        e.50mH