Makalah Gelombang Elektromagnetik

BAB 1

PENDAHULUAN

A.              Latar Belakang

                     James Clerk Maxwell (1831-1879), adalah orang pertama yang menghitung besar laju rambatan gelombang elektro-magnet dalam ruang hampa.

Gelombang elektromagnetik sebenarnya selalu ada disekitar kita, salah satu contohnya adalah sinar matahari, gelombang ini tidak memerlukan medium perantara dalam perambatannya. Contoh lain adalah gelombang radio. Tetapi spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya, yang dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya. Untuk itu disini kita akan mempelajari tentang rentang spektrum gelombang elektromagnetik, karakteristik khusus masing-masing gelombang elektromagnetik di dalam spektrum dan contoh dan penerapan masing-masing gelombang elektromagnetik.

B.              Rumusan Masalah

1.      Apa pengertian gelombang elektromagnetik ?

2.      Apakah kegunaan gelombang elektromagnetik ?

3.      Jelaskan tentang spektrum gelombang elektromagnetik ?

4.      Bagaimanakah pemanfaatan gelombang elektromagnetik ?

BAB II

PEMBAHASAN

1.Pengertian Gelombang Elektromagnetik

James Clerk Maxwell (1831-1879), adalah orang pertama yang menghitung besar laju rambatan gelombang elektro-magnet dalam ruang hampa. Cahaya termasuk gelombang elektro-magnetik. Cepat rambat gelombang elektromagnetik (c) tergantung dari permitivitas (ε ) dan permeabilitas ( µ) zat.

εr = permeabilitas relatif

εo = permeabilitas udara

Untuk medium hampa udara, Untuk medium hampa udara, εr dan µr masing-masing sama dengan 1. Cepat rambat gelombang elektromagnetik dengan εo= 8,85 x 10-12 dan µo = 4x 10-7 diperoleh sebesar c = 3 x 108 m/s. Dengan demikian dapat dihitung cepat rambat gelombang elektromagnetik pada suatu medium, jika diketahui permitifitas dan permeabilitas relatifnya.

Hubungan panjang gelombang () dan frekuensi gelombang (f) dinyatakan dengan rumus

C = cepat rambat gelombang

= panjang gelombang

 f = frekuensi

Hubungan antara medan listrik (E), medan magnet (B), dan arah rambatan (c) gelombang elektromagnetik dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri.

Elektromagnetik dari kata “Elektro” dan “Magnetik” yang berarti gelombang yang terdiri dari energy Listrik dan Magnet yang memancar dengan sumber Muatan yang bergerak bolak-balik. System kerja elektromagnetik merambat dengan system tangan kanan manusia yaitu arah jari keatas adalah Medan Listrik, arah telapak tangan adalah Medan Magnet, dan arah jempol adalah arah merambat vektor gelombang.

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 berbeda-beda. 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.

2.      Kegunaan Gelombang Elektromagnetik

Saat ini hampir semua manusia memiliki peralatan yang satu ini. Dia begitu kecil yang bisa dengan nyaman diletakkan di dalam saku, namun dianggap memiliki fungsi yang sangat besar terutama untuk berkomunikasi. Ya, benda itu adalah sebuah ponsel (telepon seluler). Saat ini ponsel tidak hanya digunakan untuk menelpon saja tetapi juga untuk fungsi lain seperti mengirim dan menerima pesan singkat (sms), mendengarkan musik, atau mengambil foto. Bagaimana perangkat ponsel dapat terhubung dengan perangkat ponsel yang lain padahal mereka saling berjauhan?

Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan, konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang bisa sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar-x.

Sebagaimana yang telah dibahas sebelumnya bahwa 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.

   Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik:

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 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.

James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik:

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.

3.      Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik yang dirumuskan oleh Maxwell ternyata terbentang dalam rentang frekuensi yang luas. Sebagai sebuah gejala gelombang, gelombang elektromagnetik dapat diidentifikasi berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik sebagaimana gelombang radio atau sinar-X.

Masing-masing memiliki penggunaan yang berbeda meskipun mereka secara fisika menggambarkan gejala yang serupa, yaitu gejala gelombang, lebih khusus lagi gelombang elektromagnetik. Mereka dibedakan berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya. Gambar di atas  menunjukkan spektrum gelombang elektromagnetik.

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Akan tetapi, spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya, yang dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya. Spektrum gelombang elektromagnetik, menurut ITU berdasarkan besar frekuensinya dapat dibagi menjadi: Extramely low freguency, Very low freguncy, low freguency, medium freguensi, high freguency, very high freguency (VHF), ultrahigh freguency (UHF), superhigh freguency (SHF), extremely high freguency (EHF), dan tremendously high freguency (THF).

4.      Pemanfaatan Gelombang Elektromagnetik

Pemanfaatan Spektrum Gelombang Elektromagnetik dalam Kehidupan- Jauh sebelum Maxwell meramalkan gelombang elektromagnetik, cahaya telah dipandang sebagai gelombang. Akan tetapi, tidak seorang pun tahu jenis gelombang apakah cahaya itu. Baru setelah adanya hasil perhitungan Maxwell tentang kecepatan gelombang elektromagnetik dan bukti eksperimen oleh Hertz, cahaya dikategorikan sebagai gelombang elektromagnetik. Tidak hanya cahaya yang termasuk gelombang elektromagnetik melainkan masih banyak lagi jenis-jenis yang termasuk gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik telah dibangkitkan atau dideteksi pada jangkauan frekuensi yang lebar. Jika diurut dari frekuensi terbesar hingga frekuensi terkecil, yaitu sinar gamma, sinar-X, sinar ultraviolet, sinar tampak (cahaya), sinar inframerah, gelombang mikro (radar), gelombang televisi, dan gelombang radio. Gelombang-gelombang ini disebut spektrum gelombang elektromagnetik. Berikut adalah pemanfaatan gelombang elektromagnetik pada spektrum tersebut:

Ø  Sinar Gamma

Sinar gamma merupakan salah satu spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi paling besar atau panjang gelombang terkecil. Frekuensi yang dimiliki sinar gamma berada dalam rentang 10²⁰ Hz sampai 10²⁵ Hz. Sinar gamma dihasilkan dari peristiwa peluruhan inti radioaktif. Inti atom unsur yang tidak stabil meluruh menjadi inti atom unsur lain yang stabil dengan memancarkan sinar radioaktif, di antaranya sinar alfa, sinar beta, dan sinar gamma. Di antara ketiga sinar radioaktif ini, yang termasuk gelombang elektromagnetik adalah sinar gamma. Sementara dua lainnya merupakan berkas partikel bermuatan listrik. Jika dibandingkan dengan sinar alfa dan sinar beta, sinar gamma memiliki daya tembus yang paling tinggi sehingga dapat menembus pelat logam hingga beberapa sentimeter. Sekarang, sinar gamma banyak dimanfaatkan dalam bidang kedokteran, diantaranya untuk mengobati penyakit kanker dan mensterilkan peralatan rumah sakit. Selain itu, sinar gamma dapat digunakan untuk melihat kerusakan pada logam.

Ø  Sinar-X

Sinar-X, dikenal juga sebagai sinar Röntgen. Nama ini diambil dari penemunya, yaitu Wilhelm C. Röntgen (1845 – 1923). Sinar-X dihasilkan dari peristiwa tumbukan antara elektron yang dipercepat pada beda potensial tertentu. Sinar-X digunakan dalam bidang kedokteran, seperti untuk melihat struktur tulang yang terdapat dalam tubuh manusia. Jika Anda pernah mengalami patah tulang, sinar ini dapat membantu dalam mencari bagian tulang yang patah tersebut. Hasil dari sinar ini berupa sebuah film foto yang dapat menembus hingga pada bagian tubuh yang paling dalam. Orang yang sering merokok dengan yang tidak merokok akan terlihat bedanya dengan cara menyinari bagian tubuh, yaitu paru-paru. Paru-paru orang yang merokok terlihat bercak-bercak berwarna hitam, sedangkan pada normalnya paru-paru manusia cenderung utuh tanpa bercak.

Ø  Sinar Ultraviolet

Sinar ultraviolet dihasilkan dari radiasi sinar Matahari. Selain itu, dapat juga dihasilkan dari transisi elektron dalam orbit atom. Jangkauan frekuensi sinar ultraviolet, yaitu berkisar diantara 10⁵ hertz sampai dengan 10¹⁶ hertz. Sinar ultraviolet dapat berguna dan dapat juga berbahaya bagi kehidupan manusia. Sinar ultraviolet dapat dimanfaatkan untuk mencegah agar bayi yang baru lahir tidak kuning warna kulitnya. Selain itu, sinar ultraviolet yang berasal dari Matahari dapat merangsang tubuh manusia untuk memproduksi vitamin D yang diperlukan untuk kesehatan tulang. Sinar ultraviolet tidak selamanya bermanfaat. Lapisan ozon di atmosfer Bumi (pada lapisan atmosfer) berfungsi untuk mencegah supaya sinar ultraviolet tidak terlalu banyak sampai ke permukaan Bumi. Jika hal tersebut terjadi, akan menimbulkan berbagai penyakit pada manusia, terutama pada kulit.

Ø  Sinar Tampak

Sinar tampak atau cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yang dapat dilihat dan sangat membantu dalam penglihatan. Anda tidak akan dapat melihat apapun tanpa bantuan cahaya. Sinar tampak memiliki jangkauan panjang gelombang yang sempit, mulai dari 400 nm sampai dengan 700 nm. Sinar tampak terdiri atas tujuh spektrum warna, jika diurutkan dari frekuensi terkecil ke frekuensi terbesar, yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu (disingkat mejikuhibiniu). Sinar tampak atau cahaya digunakan sebagai penerangan ketika di malam hari atau ditempat yang gelap. Selain sebagai penerangan, sinar tampak digunakan juga pada tempat-tempat hiburan, rumah sakit, industri, dan telekomunikasi.

Ø  Sinar Inframerah

Sinar inframerah memiliki jangkauan frekuensi antara 10¹¹ hertz sampai 10¹⁴ hertz. Sinar inframerah dihasilkan dari transisi elektron dalam orbit atom. Benda yang memiliki temperatur yang lebih relatif terhadap lingkungannya akan meradiasikan sinar inframerah, termasuk dari dalam tubuh manusia. Sinar ini dimanfaatkan, di antaranya untuk pengindraan jarak jauh, transfer data ke komputer, dan pengendali jarak jauh (remote control). Seorang tentara yang sedang berperang dapat melihat musuhnya dalam kegelapan dengan bantuan kacamata inframerah yang dapat melihat hawa panas dari seseorang. Dengan menggunakan kacamata ini dengan sangat mudah seseorang dapat ditemukan dalam ruangan gelap. Sinar inframerah dapat digunakan juga dalam bidang kedokteran, seperti diagnosa kesehatan. Sirkulasi darah dalam tubuh Anda dapat terlihat dengan menggunakan bantuan sinar inframerah. Selain itu, penyakit seperti kanker dapat dideteksi dengan menyelidiki pancaran sinar inframerah dalam tubuh Anda.

Ø  Gelombang Mikro

Gelombang mikro dihasilkan oleh rangkaian elektronik yang disebut osilator. Frekuensi gelombang mikro sekitar 10¹⁰ Hz. Gelombang mikro disebut juga sebagai gelombang radio super high frequency. Gelombang mikro digunakan, di antaranya untuk komunikasi jarak jauh, radar (radio detection and ranging), dan memasak (oven). Di pangkalan udara, radar digunakan untuk mendeteksi dan memandu pesawat terbang untuk mendarat dalam keadaan cuaca buruk. Antena radar memiliki dua fungsi, yaitu sebagai pemancar gelombang dan penerima gelombang. Gelombang mikro yang dipancarkan dilakukan secara terarah dalam bentuk pulsa. Ketika pulsa dipancarkan dan mengenai suatu benda, seperti pesawat atau roket pulsa akan dipantulkan dan diterima oleh antena penerima, biasanya ditampilkan dalam osiloskop. Jika diketahui selang waktu antara pulsa yang dipancarkan dengan pulsa yang diterima Δt dan kecepatan gelombang elektromagnetik c = 3 × 108 m/s, jarak antara radar dan benda yang dituju (pesawat atau roket), dapat dituliskan dalam persamaan berikut

s = ½ c.Δt

dengan: s = jarak antara radar dan benda yang dituju (m),

c = kecepatan gelombang elektromagnetik (3 × 108 m/s), dan

Δt = selang waktu (s).

Angka 2 yang terdapat pada Persamaan muncul karena pulsa melakukan dua kali perjalanan, yaitu saat dipancarkan dan saat diterima. Saat ini radar sangat membantu dalam pendaratan pesawat terbang ketika terjadi cuaca buruk atau terjadi badai. Radar dapat berguna juga dalam mendeteksi adanya pesawat terbang atau benda asing yang terbang memasuki suatu wilayah tertentu.

Ø  Gelombang Radio

Mungkin Anda sudah tahu atau pernah mendengar gelombang ini. Gelombang radio banyak digunakan, terutama dalam bidang telekomunikasi, seperti handphone, televisi, dan radio. Di antara spektrum gelombang elektromagnetik, gelombang radio termasuk ke dalam spektrum yang memiliki panjang gelombang terbesar dan memiliki frekuensi paling kecil. Gelombang radio dihasilkan oleh elektron pada kawat penghantar yang menimbulkan arus bolak-balik pada kawat. Kenyataannya arus bolak-balik yang terdapat pada kawat ini, dihasilkan oleh gelombang elektromagnetik. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena pemancar (transmitter) dan diterima oleh antena penerima (receiver). Jika dibedakan berdasarkan frekuensinya, gelombang radio dibagi menjadi beberapa band frekuensi. Nama-nama band frekuensi beserta kegunaannya dapat Anda lihat pada tabel berikut ini.

Rentang Frekuensi Gelombang Radio, berikut nama band, singkatan, frekuensi, panjang gelombang, dan Contoh Penggunaan:

1. Extremely Low Frequency(ELF)=(3 – 30GHz),(105 – 104km),Komunikasi dengan bawah laut

2. Super Low Frequency(SLF)=(30 – 300GHz),(104 – 103km),Komunikasi dengan bawah laut

3. Ultra Low Frequency(ULF)=(300 – 3000Hz),(103 – 102km),Komunikasi dalam pertambangan

4. Very Low Frequency(VLF)=(3 – 30GHz),(102 – 104km),Komunikasi di bawah laut

5. Low Frequency(LF)=(30 – 300GHz),(10 – 1km)   Navigasi

6. Medium Frequency(MF)=(300 – 3000GHz),(1 – 10–1km),Siaran radio AM

7. High Frequency(HF)=(3 – 30GHz),(10–1 – 10–2km),Radio amatir

8. Very High Frequency(VHF)=(30 – 300GHz),(10–2 – 10–3km),Siaran radio FM dan televisi

9. Ultra High Frequency(UHF)=(300 – 3000Hz),(10–3 – 10–4km),Televisi dan handphone

10. Super High Frequency(SHF)=(3 – 30GHz),(10–4 – 10–5km),Wireless LAN

11. ExtremelyHighFrequency(EHF)=(30 – 300GHz),(10–5 – 10–6km),Radio astronomi

Manfaat Gelombang Elektromagnetik di bidang teknologi (Fisika):

Perlu diketahui. Rentang/spektrum Gelombang Elektromagnetik (GEM). Terdiri dari beberapa urutan, yakni sinar gamma, sinar X, ultra violet, cahaya tampak, infra merah, gelombang mikro, gelombang TV dan gelombang radio, dst dalam urutan ini frekuensinya makin kecil, tapi panjang gelombangnya makin besar.

BAB III

PENUTUP

A.    Kesimpulan

Begitu besar peranan gelombang elektromagnetik yang bermanfaat dalam kehidupan kita sehari-hari, tanpa kita sadari keberadaannya.

Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan :

Spektrum elektromagnetik dapat dibagi dalam beberapa daerah yang terentang dari sinar gamma gelombang pendek berenergi tinggi sampai pada gelombang mikro dan gelombang radio dengan panjang gelombang sangat panjang. Pembagian ini sebenarnya tidak begitu tegas dan tumbuh dari penggunaan praktis yang secara historis berasal dari berbagai macam metode deteksi. Biasanya dalam mendeskripsikan energi spektrum elektromagnetik dinyatakan dalam elektronvolt untuk foton berenergi tinggi (di atas 100 eV), dalam panjang gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (? = 0,5 mm). Istilah “spektrum optik” juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (320 – 700 nm)[1].

Dan beberapa contoh spektrum elektromagnetik seperti :

§  Radar (Radio Detection And Ranging),digunakan sebagai pemancar dan penerima gelombang)

§  Infra Merah

§  Dihasilkan dari getaran atom dalam bahan dan dimanfaatkan untuk mempelajari struktur molekul

§  Sinar tampak

§  Mempunyai panjang gelombang 3990 Aº – 7800 Aº.

§  Ultra ungu

§  Dimanfaatkan untuk pengenalan unsur suatu bahan dengan teknik spektroskopi.

§   

B.     Saran

Dengan adanya gelombang elektromagnetik, kita  dimudahkan dalam berbagai bidang kehidupan. Seperti dibidang kesehatan, industry, bahkan teknologi. Maka dari itu, sudah selayaknya kita menggunakannya serta memanfaatkan seefektif dan seefisien mungkin gelombang elektromagnetik tersebut.

3. Teori Elektromagnetik
     James Clerk Maxweel (1831-1879), ilmuwan Skotlandia yang telah menekuni listrik dan magnet selama bertahun-tahun, kemudian mengajukan suatu teori gelombang elektromagnetik.
     Di kelas IX telah dipelajari bahwa arus listrik (medan listrik) dapat menimbulkan medan magnetik (fenomena yang ditemukan oleh Oersted). Fenomena kebalikannya adalah perubahan medan magnetik dapat menimbulkan arus listrik (medan listrik), disebut arus induksi (ditemukan oleh Faraday). Berdasarkan kedua fenomena ini, Maxwell menyatakan bahwa suatu medan listrik yang berubah-ubah menginduksikan kembali medan listrik yang berubah-ubah. Demikian sterusnya, sehingga diperoleh proses berantai dari pembentukan medan listrik dan medan magnetik yang merambat ke segala arah. Hasilnya adalah kehadiran gelombang elektromagnetik.

Gambar 7.  Pada gelombang elektromagnetik, medan listrik E selalu tegak lurus arah

medan magnetik B dan keduanya tegak lurus arah rambat gelombang.

 Energi gelombang elektromagnetik terbagi sama dalam bentuk medan magnetik dan medan listrik. Medan listrik dan medan magnetik selalu saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Jadi, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal.
dengan :
       c  = cepat rambat gelombang elektromagnetik (m/s)
       µo = permeabilitas vakum =4πx10^-7Wb A^-1m^-1
       εo = permitivitas vakum = 8,85418x10^-12 C²N^-1m^-2
Bila nilai µo dan εo kita masukkan ke persamaan 1.1, kita peroleh :
                                       c = 3,0 x 10⁸ m/s
Nilai c = 3,0 x 10⁸ m/s tepat sama dengan cepat rambat cahaya dalam vakum. Maxwell tidak percaya hasil hitungan persamaanya ini adalah kebetulan belaka. Karena itu dengan yakin Maxwell dengan yakin mengajukan hipotesis bahwa "cahaya adalah suatu gelombang elektromagnetik".