GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Bagaimana alat-alat berikut bekerja?

Alat-alat tersebut bekerja menggunakan

gelombang elektromagnetik.

Apakah Gelombang Elektromagnetik ?

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat dan dapat merambat dalam ruang hampa.

4

Gelombang Sinusoidal Dalam Domain Ruang

)2(sin xAy

Amplituda

x

A

Panjang gelombang

Bilangan gelombang

)(sin xkAy

5

Gelombang Sinusoidal Dalam Domain Waktu

)2(sin tT

Ay

t

A

T

Perioda

Amplituda

)(sin tAy

)2(sin tfAy

Frekuensi sudut

Frekuensi

6

Dalam Domain Ruang Dan Waktu

FrekuensifsudutFrekuensif

gelombangPanjang

gelombangBilangank

AmplitudaA

2

2

)(sin txkAy

7

MACAM GELOMBANG

Gelombang Mekanik Memerlukan medium untuk menjalar Persamaan Newton Gelombang longitudinal dan transversal

Gelombang Elektromagnetik Tidak memerlukan medium untuk menjalar Persamaan Maxwell Gelombang transversal

8

GELOMBANG ELECTROMAGNETIK Cahaya tampak Sinar infra merah Sinar ultra ungu Gelombang radio AM Gelombang radio FM Gelombang televisi VHF Gelombang televisi UHF Sinar – x

9

GELOMBANG MEKANIK Gelombang tali Gelombang permukaan air Gelombang seismik Gelombang tegangan Gelombang akustik

• Gelombang infrasonik (f < 20 Hz)• Gelombang suara (20 Hz < f < 20 kHz)• Gelombang ultrasonik (f > 20 kHz)

10

Contoh 1.1 Frekuensi gelombang radio pendek (short wave

radio) seperti gelombang radio FM dan televisi VHF berkisar antara 1,5 MHz – 300 MHz. Tentukan daerah panjang gelombangnya.

Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara adalah 3x108 m/s.

Jawab :

fc

m1

10x30010x3

6

8

1

m20010x5,1

10x36

8

2

11

Contoh 1.2 Panjang gelombang dari cahaya tampak berkisar

antara 400 nm untuk warna ungu dan 700 nm untuk warna merah. Tentukan daerah frekuensi dari cahaya tampak ini.

Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara adalah 3x108 m/s.

Jawab :

cfHz10x3,4

10x70010x3f 14

9

8

merah

Hz10x5,710x400

10x3f 149

8

ungu

12

Contoh 1.3 Sinar-x mempunyai panjang gelombang yang

berkisar antara (0,01 – 5) nm. Tentukan daerah frekuensi dari sinar-x ini.

Kecepatan gelombang elektromagnetik di udara adalah 3x108 m/s.

Jawab :

cfHz10x6

10x510x3f 16

9

8

1

Hz10x310x01,0

10x3f 199

8

2

13

Contoh 1.4 Frekuensi dari gelombang akustik yang dapat

didengar oleh manusia berkisar antara 20 Hz – 20 kHz. Tentukan daerah panjang gelombangnya.

Kecepatan gelombang suara atau bunyi di udara adalah 343 m/s.

Jawab :

fc

mm15,17

10x20343

31

m15,1720

3432

14

Contoh 1.5 Gelombang akustik yang digunakan dalam uji tak

rusak (UTR) pada baja biasanya berfrekuensi tinggi antara 2 – 10 MHz yang disebut gelombang ultrasonik. Tentukan daerah panjang gelombang dari gelombang ultrasonik di dalam baja ini.

Kecepatan gelombang ultrasonik di dalam baja adalah 5850 m/s.

Jawab :

fc

mm585,0

10x105850

61

mm925,210x2

585062

15

Contoh 1.6 Gelombang ultrasonik yang digunakan dalam

pengukuran aliran gas biasanya berfrekuensi antara 40 -100 kHz. Tentukan daerah panjang gelombang dari gelombang ultrasonik di dalam gas ini.

Kecepatan gelombang ultrasonik di dalam gas adalah sekitar 400 m/s.

Jawab :

fc

mm4

10x100400

31

mm1010x40

40032

16

Contoh 1.7Suatu gelombang ultrasonik berfrekuensi 100 kHz menjalar di dalam gas yang mempunyai kecepatan gelombang sebesar 400 m/s. Gelombang ini berupa gelombang sinusoidal dengan amplituda tekanan akustik sebesar 2 Pa. Nyatakan gelombang tersebut secara matematis sebagai fungsi ruang dan waktu.

Jawab :

s/rad10x628,0)10x100(2f2 63

PaX10x571,1t10x628,0Sin2kXtSin2p 36

m10x410x100

400fc 3

3 m/rad10x57,1

10x422k 3

3

Beberapa Percobaan Gelombang Elektromagnetik• Percobaan Oersted yang berhasil membuktikan : arus

listrik dalam konduktor menghasilkan medan magnet disekitarnya (jarum kompas menyimpang bila di dekatkan pada kawat yang dialiri arus listrik)

• Percobaan Faraday yang berhasil mebuktikan batang konduktor yang menghasilkan GGL induksi pada kedua ujungnya bila memotong medan magnet

• Percobaan Faraday yang menunjukkan perubahan fluks magnetik pada kumparan menghasilkan arus induksi dalam kumparan tersebut

Kebenaran Hipotesa Maxwell tentang adanya gelombang elektromagnetik pada akhirnya dibuktikan oleh “Heinrich Hertz”

Heinrich menemukan cara menghasilkan gelombang radio dan menentukan kelajuannya

Sketsa gelombang elektromagnetik

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik

1. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang tanpa medium

2. Merupakan gelombang transversal

3. Tidak memiliki muatan listrik sehingga bergerak lurus dalam medan magnet maupun medan listrik

4. Dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan (refraksi), perpaduan (interferensi), pelenturan (difraksi), pengutuban (polarisasi)

5. Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi secara bersamaan, sehingga medan listrik dan medan magnet sefase dan berbanding lurus 

Spektrum GEMadalah rentang semua radiasi elektromagnetic yang

mungkin yang dapat diukur dari frekuensi, panjang gelombang dan energi photon yang terkandung.

SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Urutan spektrum gelombang electromagnetik berdasar

Kenaikan frekuensi atau penurunan panjang gelombang:

1. Gelombang radio

Jangkauan frekuensi cukup luas, memiliki 2 jenis modulasi, yaitu AM (jangkauan luas) dan FM (jangkauan sempit).

2. Gelombang mikro

Digunakan untuk alat-alat elektronik, alat komunikasi, alat memasak (oven) dan radar.

3. Sinar inframerah

Dihasilkan oleh molekul dan benda panas, digunakan di bidang industri, medis, dan astronomi (pemotretan bumi dari satelit).

4. Sinar tampak (cahaya)Adalah sinar yang dapat membantu penglihatan kita. Perbedaan frekuensi cahaya menimbulkan spektrum warna cahaya

5. Sinar ultravioletDihasilkan dalam atom-atom dan molekul-molekul dalam loncatan listrik. Matahari adalah sumber utama sinar ini. Dibidang industri digunakan untuk proses sterilisasi.

6. Sinar Xdisebut juga sinar Rontgen, sesuai penemunya. Sinar ini dihasilkan akibat tumbukan elektron berkecepatan tinggi di pemukaan logam. Dibidang kedokteran digunakan untuk diagnosa dan terapi medis, sedangkan di bidang industri, siner x digunakan untuk analisis struktur bahan.

7. Sinar gammaMerupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang terpendek dan frekuensi tertinggi, dihasilkan dari inti atom yang tidak stabil ataupun sinar kosmis. Daya tembus sangat besar, mampu menembus pelat timbal.

GELOMBANG RADIO

Gelombang Radio

• Radio adalah bentuk level energi elektromagnetik terendah, dengan kisaran panjang gelombang dari ribuan kilometer sampai kurang dari satu meter.

Name Frequency &Wavelength Aplications

ELF3–30 Hz

100,000 km – 10,000 km Communication with submarines

SLF30–300 Hz

10,000 km – 1000 km Communication with submarines

ULF300–3000 Hz

1000 km – 100 km Communication within mines

VLF3–30 kHz

100 km – 10 kmSubmarine communication, avalanche beacons, wireless heart rate

monitors, geophysic

LF30–300 kHz

10 km – 1 km Navigation, time signals, AM longwave broadcasting, RFID

MF 300–3000 kHz1 km – 100 m AM (Medium-wave) broadcasts

HF3–30 MHz

100 m – 10 mShortwave broadcasts, amateur radio and over-the-horizon aviation

communications, RFID

VHF30–300 MHz10 m – 1 m

FM, television broadcasts and line-of-sight ground-to-aircraft and aircraft-to-aircraft communications. Land Mobile and Maritime Mobile

communications

UHF300–3000 MHz1 m – 100 mm

television broadcasts, microwave ovens, mobile phones, wireless LAN, Bluetooth, GPS and Two-Way Radios such as Land Mobile, FRS and

GMRS Radios

Hasil analisa komparasi antara gelombang FM dan AM yang menunjukkan bahwa walaupun gelombang AM dapat menembus jangkauan yang lebih luas akan tetapi tidak seperti gelombang FM yang lebih tahan terhadap nois, maka gelombang FM dengan banyak karakteristik yang tidak dimiliki gelombang AM merupakan jenis modulasi yang lebih baik untuk digunakan dalam transver data audio dari pada gelombang AM.

GELOMBANG MIKRO

Gelombang MikroName Frequency and Wavelengths Aplications

SHF3–30 GHz

100 mm – 10 mm microwave devices, wireless LAN, most modern Radars

EHF30–300 GHz

10 mm – 1 mm Radio astronomy, high-frequency microwave radio relay

INFRA MERAH

Inframerah• Inframerah adalah radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang

lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang radio. Namanya berarti "bawah merah" (dari bahasa Latin infra, "bawah"), merah merupakan warna dari cahaya tampak dengan gelombang terpanjang.

• Frekuensi

• Pemanfaatan antara lain : terapi fisik (physical therapy), fotografi inframerah untuk keperluan pemetaan sumber alam dan diagnosa penyakit.

CAHAYA TAMPAK

Cahaya Tampak• Cahaya tampak (sering disebut cahaya) adalah radiasi gelombang

elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Berdasarkan dari urutan frekuensi terkecil, ia memiliki cahaya Merah, Jingga, Kuning, Hijau , Biru, Nila dan Ungu ( Me Ji Ku Hi Bi Ni U)

ULTRAVIOLET

Sinar Ultraviolet (UV)• Istilah ultraviolet berarti "melebihi ungu" (dari bahasa

Latin ultra, "melebihi"), sedangkan kata ungu merupakan warna panjang gelombang paling pendek dari cahaya dari sinar tampak.

Pemanfaatan UV• Gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul

dalam nyala listrik. Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuh-tumbuhan, dan dapat membunuh kuman penyakit.

SINAR - X

Sinar X (X-ray)• Sinar – X dihasilkan oleh elektron-elektron yang berada dibagian dalam kulit

elektron atom, atau pancaran yang terjadi karena elektron dengan kelajuan besar menumbuk logam. Sinar – x dapat digunakan untuk memotret kedudukan tulang-tulang dalam badan, khususnya untuk menentukan tulang yang patah.

SINAR - GAMMA

Gamma Ray• Sinar gamma (seringkali dinotasikan dengan huruf

Yunani gamma, γ) adalah sebuah bentuk berenergi dari radiasi elektromagnetik yang diproduksi oleh radioaktivitas atau proses nuklir atau subatomik lainnya seperti penghancuran elektron-positron.

Pemanfaatan Gamma Ray• Daya tembusnya yang sangat besar dapat menyebabkan efek

yang serius jika diserap oleh jaringan hidup. Dengan pengontrolan, sinar ini digunakan untuk membunuh sel-sel kanker dan mensterilkan peralatan rumah sakit.

Active Denial System• Sistem persenjataan yang menggunakan gelombang

elektromagnetik.• Non-Lethal Weapon, tidak menyebabkan

kematian,hanya bersifat melumpuhkan.• Menggunakan sebuah antenna segi delapan untuk

mengarahkan gelombang energi yang tidak terlihat kearah target.

• Gelombang elektromagnetik ini dipancarkan oleh sebuah transmitter dan kemudian merambat pada kecepatan cahaya (300.000 km per detik) sambil membawa energi yang hanya mampu menembus permukaan kulit sejauh 0,04 cm.

Kecepatan gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya yang dirumuskan :

oo

c .

1

o = 8.85 x 10-12 C2/Nm2

o = 12.56 x 10-7 wb/amp.mC = 3 . 108 m/s

o = permitivitas ruang hampao = perbeabilitas ruang hampaC = cepat rambat cahaya

Hubungan Frekuensi (f), Panjang Gelombang ( ), dan cepat rambat gelombang elektromagnetik (c)

.fc Contoh Soal:Sebuah gelombang radio dipancarkan pada frekuensi 150 MHz. Tentukan panjang gelombang yang dipancarkan!Jawab:

Hzxsmx

fcfc

4

8

1015/103

.

m2000

2. Energi dalam GEM

Hubungan antara kuat medan listrik dg medan magnetik :

Dimana :

Dengan :Em, Bm = nilai max amplitudo medan listrik dan magnetikc = cepat rambat cahaya

cBE

BE

m

m

t)-(kx cos

t)-(kx cos

mx

my

BB

EE

3. Rapat Energi Listrik dan Magnetik

Rapat energi listrik dan magnetik dinyatakan dengan :

Dengan :ue = rapat energi listrik (J/m3)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

202

1 Eue 0

2

2BuB

4. Intensitas GEM

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

Dengan intensitas rata-rata :

BxES

0

1

0

2

0

)(cos

tkxBEEBS mm

02mmBES

Hubungan Intensitas Gelombang dengan Energi Rata-rata

Dengan menggunakan hubungan dan

rapat energi magnetik adalah

Rapat energi total adalah

cEB

00

1

c

eB uEEcEBu 20

0

002

0

22

0

2

21

22/

2

0

2

2Buuuu BeB

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)

cBEu mm

02

ucS 0

2

0

2

0 222 mmmm cB

cEBE

APIS

Contoh Soal

1. Medan listrik maksimum di suatu titik yang berjarak 8 meter dari suatu sumber titik adalah 2,3 V/m.

Hitunglah :

a. medan magnetik maksimumnyab. intensitas rata-ratac. daya sumber

70

8

Jika diketahui : 4 10 Wb/A.m

dan 3 x 10 m/s c

• Jawab Medan magnetik maksimum :

E=2,3 V/m r = 8 m Intensitas rata-2 :

Daya sumber : r : jarak sumber ke titik yang dimaksud.

mmEBc

2 2

0 02 2m mcB EI

c

2 4P I A r I

298 / 107,7

10.33,2 mWbx

cE

B mm

2378

2

0

2

/ 1001,710410.32

3,22

mwattxxxc

EI m

2 2 34 4 8 .7, 01.10 5, 6 P r I watt

2. Jika program TV kita dapat ditangkap di -Centauri, bintang terdekat dari bumi. Jarak bumi ke bintang tersebut 4,3 tahun

cahaya. Jika stasiun TV di bumi mempunyai daya output 1000 kW, hitunglah : intensitas sinyal yang diterima di -Centauri -Centauri

r

• Jawab8

15

1 tahun cahaya (3 x 10 )(365 x 24 x 3600 )

9,4608 x 10

ms s

m

6

2 16 2

29 2

104 4(3,14)(4,07 x 10 )

4,8 x 10 watt/m

P PIA r

3. Ketika Badu berjalan menjauhi lampu jalanan sejauh 9 meter, dia mengukur intensitas cahaya disitu sebesar 0,8 kali intensitas mula-mula. Jika tinggi lampu 6 meter, berapakah jarak Badu (mendatar) dari lampu mula-mula?

y = 6 m r ro

x= ? 9 m

• Jawab

2

22 2 20

2 2 2 20 0 0

2

2

2

22

1,2

4/ 4/ 4 ( 9)

360,818 117

72 288 0

72 ( 72) 4.1.( 288)42 2

75,8

PIr

rI P r x yI P r r x y

xx x

x x

b b acxa

x m

4. Suatu GEM yang digunakan untuk komunikasi di kapal selam mempunyai panjang gelombang 4 kali jari-jari bumi (jari-jari bumi = 6375 km). Hitung berapa frekuensi gelombang ini !

Jawab :

8

6

.

3 x 10 11,8 m4 x 6,375 x 10

c f

cf

5. Intensitas yang diterima secara langsung dari matahari (tanpa penyerapan panas oleh atmosfir bumi) pada suatu hari terik sekitar

Berapa jauh Amir harus berdiri dari suatu pemanas yang mempunyai daya 0,9 kW agar intensitas panas yang dirasakan Amir sama dengan intensitas matahari.

Jawab :

2135 /W m

2

2

4

900 0,534 4(3.14)(135)

0,73 m

PIrPrI

r

Latihan :

1. Suatu GEM dalam vakum memiliki amplitudo medan listrik 360 V/m. Hitunglah amplitudo medan magnetiknya?

2. Sebuah sumber titik dari radiasi EM memiliki daya rata2 keluaran P = 1000 W. Tentukan :

a. Amplitudo max medan listrik Em dan medan magnetik Bm pada titik yg berjarak r = 4 m dari sumber radiasi

b. Rapat energi rata-rata pada titik yg berjarak r = 4 m dari sumber radiasi

3. Sebuah sumber cahaya monokromatik memancarkan daya EM 250 W merata ke segala arah.

a. Hitung rapat energi listrik rata-rata pada jarak 1 m dari sumber

b. Hitung rapat energi magnetik rata-rata pada jarak 1 m dari sumber

c. Tentukan intensitas gelombang pada lokasi tsb