Pemahaman konsep: Teori Maxwell Tentang Gelombang Elektromagnetik

Cepat rambat gelombang elektromaghnetik dalam ruang vakum telah dirumuskan oleh Maxwell dengan persamaan

Denganµo = permeabilitas vakum ( udara ) = 12,6 x 10-6 Wb A-1m-1 dan εo = permitivitas vakum ( udara ) = 8,85 x 10-12 C2N-1m-2

Kita subsitusikan konstanta-konstanta tersebut ke dalam persamaan di atas, yaitu:

Didapatkan cepat rambat cahaya yaitu 2,99 x 108 m/s, dan jika dilakukan pendekatan yaitu 3x108 m/s.

Tugas Siswa: Kerjakan soal berikut.

Buktikan bahwa ruas kiri dan ruas kanan persamaan memiliki dimensi yang sama.

Kompetensi dasar:Mendeskripksikan spektrum gelombang elektromagnetikMenjelaskan aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari

Jawab:

Dimensi dilihat dari satuannya untuk µo = Wb A-1m-1

=

Untuk εo = C2N-1m-2

= = A2kg-1m-3s4

=

µo X εo =

Substitusi ke persamaan :

=

= Terbukti

= Terbukti

+ + + +

- - - -

Pada pelajaran Fisika di bangku SMP telah Anda pelajari bahwa gelombang dapat terjadi karena ada sumber getar. Nah, sebagai salah satu bentuk gelombang, tentu saja gelombang elektromagnetik memiliki sumber getar. Berikut ini adalah rangkaian rantai induktor dan kapasitor (L-C) yang berfungsi dapat menggetarkan elektron-elektron dan pada rangkaian tersebut ternyata akan menghasilkan gelombang yang kita namakan sebagai gelombang elektromagnetik.

B

L C

B B

B B B

Pada kapasitor C terdapat muatan listrik positif dan negatif yang dapat bergetar secara periodik sehingga akan menimbulkan perubahan medan listrik dan medan magnet yang dirambatkan ke dalam ruang berupa gelombang elektromagnetik.

Gagasan tentang sumber getar gelombang elektromagnetik hanya merupakan hipotesis James Clerk Maxwell setelah mempelajari secara mendalam mengenai hal-hal berikut ini:a. Hukum Coulomb dan Gauss tentang listrik statis berkaitan dengan medan listrik di sekitar muatan listrik.b. Hukum Biot-Savart dan Ampere mengenai kuat medan magnetc. Hukum faraday berdasarkan hasil percobaannya bahwa . perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik

Dengan memadukan hukum-hukum tersebut dalam bentuk persamaan matematika yang dikenal dengan persamaan Maxwell, dia berkesimpulan sebagai berikut:1. Jika perubahan medan magnet dapat menimbulkan perubahan medan listrik, maka sebaliknya perubahan medan listrik akan dapat

pula menimbulkan perubahan medan magnet. Perubahan medan listrik dan medan magnet ini dapat menimbulkan suatu gelombang yang disebut gelombang elektromagnetik

2. Medan listrik memancar dari muatan listrik3. Kutub-kutub magnet tidak ada yang terpisah4. Gelombang elektromagnetik adalah jenis gelombang transversal ( arah getar medan listrik dan medan magnet tegak lurus dengan arah

rambatnya )5. Bergetar secara sinusioda ( lihat gambar 9.2 ! )

E

B

6. Cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya

Pemahaman konsep: Percobaan Hertz tentang Gelombang Elektromagnetik

Jika Maxwell hanya melakukan hipotesis tentang cepat rambat gelombang elektromagnetik, maka Hertz adalah ilmuwan yang berhasl mem-verifikasi hipotesis Maxwell melalui percobaannya. Rangkaian percobaan Hertz digambarkan pada diagram berikut

saklar

sumber

tegangan

Penalaran: Jelaskan proses terjadinya gelombang elektromagnetik berdasarkan rangkaian eksperimen yang dilakukan Hertz.

Beberapa sifat dari gelombang elektromagnetik, yaitu:1. dapat merambat dalam ruang hampa2. merupakan gelombang transversal3. merambat dalam arah radial4. tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan medan magnet5. dapat mengalami polarisasi6. dapat mengalami difraksi7. dapat mengalami pemantulan8. mengalami pembiasan

kumparan

Jawab: Mengacu pada diagram skematik peralatan Hertz dihalaman sebelumnya, ketika scalar S ditutup, kumparan Ruhmkorf yang ada mengindukasikan pulsa tegangan pada elektroda bola dekat kumparan sehingga terjadi percikan bunga api karena pelepasan muatan. Kedua elektroda pada loop kawat juga kam menampakan percikan bunga api. Hal ini berarti terjadi pemindahan energi gelombang elektromagnetik dari elektroda dekat kumparan sebagai loop pengirim ke loop kawat sebagai penerima.

Pemahaman konsep: Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik terdiri dari berbagai gelombang dengan panjang gelombang () dan frekuensi (f) yang berbeda-beda.

10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5

λ (m) λ bertambah

CT = cahaya tampak

Violet, biru, hijau, kuning, orange, merah f bertambah

f (Hz) 1021 1020 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 109 108 107 106 105

Berdasarkan pertambahan panjang gelombang, maka gelombang elektromagnetik terdiri dari:1. sinar gamma (disimbolkan γ)2. sinar X 3. sinar ultraviolet 4. sinar tampak (cahaya)5. sinar inframerah6. gelombang TV7. gelombang radio

Sinar tampak juga terbagi menjadi beberapa bagian gelombang, yaitu merah, jingga, kuning, hijau, biru, ungu. Warna yang memiliki panjang gelombang terbesar adalah warna merah, sedangkan yang memiliki panjang gelombang terkecil adalah warna ungu.

Manfaat gelombang elektromagnetik

1. Gelombang radio dan TV ( 103 Hz - 109 Hz )Dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut rangkaian osilasi , dimanfaatkan sebagai alat

komunikasi jarak jauh tanpa menggunakan kabel. Gelombang ini dapat dipantulkan oleh ion-ion yang terdapat pada lapisan ionosfer, sehingga jangkauannya sangat luas.

2. Gelombang Mikro Gelombang mikro adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi (SHF = super high frekuency),

yaitu di atas 3 GHz. Dimanfaatkan pada pesawat RADAR digunakan untuk membantu pendaratan pesawat komersial, memasak makanan dengan cepat dan ekonomis, mengetahui kedalaman laut dll. Radar memanfaatkan sifat pemantulan gelombang mikro. Antena Radar bertindak sebagai pemancar dan penerima sinyal gelombang mikro.

Sinar gamma

Sinar-X

Ultra viol

CT

CT

Imfra merah

Gelombang mikro (radar)

Gelombang radio & TV

Radar memancarkan pulsa mengenai pesawat terbang, maka badan pesawat terbang memantulkan kembali ke

Radar. Karena cepat rambat gelombang elektromagnetik c = 3 108 m/s, maka dengan mengetahui selang waktu antara

Pemancaran dan penerimaan Δt, maka kita dapat menghitung jarak pesawat terbang s yang tertangkap pada layar dengan persamaan :

dengan s = jarak c = cepat rambat cahaya ( 3 x 108 m/s )Δt = selang waktu penerimaan dan pemancarann = indeks bias medium yang dilalaui pulsa radar ( n udara = 1 )

3. Sinar Inframerah ( 3 1011 Hz - 4 1014 Hz )Sinar inframerah dibangkitkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang digetarkan. Sinar ini dimanfaatkan untuk a. terapi medis, b. penerangan tempat gelap/berkabut, c. pengeringan cat mobil, dan d. mengetahui struktur molekul.

4. Cahaya tampak ( 4 1014 Hz – 8 1014 Hz )Cahaya tampak adalah alat bantu indra mata untuk dapat melihat benda-benda di sekitar kita ,

5. Sinar ultra-ungu (ultraviolet) ( 8 1014 Hz – 3 1017 Hz )Sinar Ultraviolet dibangkitkan oleh atom atau molekul dalam matahari , nyala listrik , seperti lampu merkuri. Matahari adalah sumber pancaran sinar ultraviolet . Sinar ini dapat menyebabkan hangus pada kulit , dapat digunakan dalam bidang kedokteran , misalnya proses sterilisasi.

6. Sinar-X ( Rontgen ) (3 1017 Hz - 5 1019 Hz )Sinar-X dibangkitkan oleh tumbukan antara elektron dengan logam yang mempunyai berat atom besar. Sinar ini banyak digunakan dalam bidang kedokteran, yaitu untuk diagnosis dan dalam bidang industri, yaitu untuk pendeteksi logam atau isi dari suatu bejana besar yang tertutup.

7. Sinar gamma ( 3 1012 Hz - 3 1019 Hz )Sinar gamma dihasilkan dari bahan-bahan radioaktif karena aktivitas inti atomnya. Pemanfaatan sinar gamma yaitu:a. dalam bidang industri, yaitu untuk deteksi kebocoran alat,b. dalam bidang lingkungan, yaitu untuk mengetahui sterilisasi makanan, c. dalam bidang kedokteran, yaitu untuk terapi kanker, dan d. dalam bidang pertanian, yaitu untuk mendapatkan bibit unggul dengan mutasi.

Tugas Siswa: Jawablah pertanyaan berikut ini !

1. Persamaan di atas hanya berlaku untuk ruang hampa dan udara, peridiksi cepat rambat gelombang

elektromagnetik jika melewati medium tertentu dengan permitivitas relatif ( ε ) dan permeabilitas relatif ( μ ) !

2. Apakah dengan menggunakan persamaan dasar dari gelombang yaitu v = λ f , sehingga Hertz menarik kesimpulan bahwa perubahan medan magnet yang tegak lurus medan listrik dapat digolongkan sebagai gelombang elektromagnetik . Jelaskan!

ε = εo x k1 = εo

=

µ = µo X k2 = µo =

dengan k adalah konstanta bahan, sehingga

3. Suatu sistem radar mengirim pulsa-pulsa gelombang radio dengan panjang gelombang sangat pendek. Hitunglah lama waktu yang diperlukan sebuah radar untuk mendeteksi keberadaan sebuah pesawat terbang yang berada pada jarak 60 km!

4. Seorang pelaut mengukur kedalaman laut dari atas kapalnya dengan mengirim gelombang elektromagnetik sampai ke dasar laut yang indeks bias air laut = 4/3. Ternyata gelombang elektromagnetik itu kembali setelah selang waktu 0,5 μs. Berapa kedalaman laut itu ?

Tugas Siswa: Analisislah beberapa kalimat di bawah ini. Tuliskan kesalahan-kesalahan konseptual yang mungkin ada.

1. Seorang anak membuat sinyal-sinyal gelombang elektromagnetik dengan peralatan elektronik. Jika frekuensi yang dihasilkan semakin besar, maka panjang gelombangnya juga semakin besar.

2. Semakin besar indeks bias suatu bahan, semakin besar pula cepat rambat cahaya di dalam bahan tersebut.

Dik : s= 60 kmDit : ΔtJawab

Dik = n = 4/3 Δt = 0,5 µsDit = sJawab

= 56,25 m

Salah. Semakin besar indeks bias menunjukkan semakin rapatnya suatu medium. Pada medium yang rapat, gelombang akan sulit bergerak sehingga cepat rambatnya aka lebih kecil.

Berarti

Sehingga tidak benar, karena jika panjang gelombang membesar maka frekuensi membesar

3. Menurut persamaan c = f, terlihat bahwa cepat rambat cahaya berbanding lurus dengan frekuensi gelombang. Dengan demikian, semakin besar frekuensi suatu gelombang makin besar pula cepat rambat gelombang tersebut.

4. Lampu pada mouse infra merah berbahaya bagi tubuh manusia karena menimbulkan potensi kanker.

5. Gelombang ultraviolet yang dipancarkan oleh matahari merambat sejajar dengan arah rambatnya menuju bumi dan mempunyai panjang gelombang lebih kecil daripada cahaya tampak.

Diskusi dan penulusuran informasi

Gelombang mikro biasa digunakan untuk memenaskan makanan dalam sebuah oven microwave. a. Bagaimana proses ini berlangsung?b. Apakah jenis gelombang lain (misalnya gelombang inframerah, sinar gamma) dapat melakukan hal yang

sama? Jika dapat, mengapa jenis gelombang tersebut tidak digunakkan?

Jelaskan jawaban Anda melalui diskusi dengan rekan-rekan Anda. Carikan informasi terkait melalui buku-buku, situs-situs fisika, artikel, dan sumber informasi lainnya,

a.

b,

Tidak benar karena cepat rambat gelombang elektromagnetik adalah konstan, yang akan berubah adalah frekuensi terhadap perubahan panjang gelombang.

Tidak benar, karena frekuensi infra merah tergolong kecil dan cukup jauh dari kemampuan merusak yaitu frekuensi ≥ 1016 Hz. Bahkan frekuensi infra merah lebih kecil daripada cahaya tampak. Inframerah hanya akan menimbulkan panas.

Gelombang ultraviolet merupakan gelombang transversal, yaitu yang arah getarnya tegak lurus dengan arah rambatnya