GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK (GEM)

PERSAMAAN MAXWELL DAN GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat dan dapat merambat dalam ruang hampa Persamaan Maxwell meramalkan adanya gelombang elektromagnetik yang merambat dalam ruang hampa dengan laju yang sama dengan laju cahaya. Dalam suatu Gelombang bidang, E dan B adalah homogen pada setiap bidang tegak lurus terhadap arah perambatan. Hukum Faraday mengharuskan bahwa E = cB (gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa) Emaks= cBmaks Hukum Ampere mengharuskan B = Є0µ0cE (gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa) Di mana c adalah laju perambatan gelombang.

KECEPATAN GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Kecepatan gelombang elektromagnetik sama dengan kecepatan cahaya yang dirumuskan : c = 1/(Є0µ0)1/2 (laju gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa) Dimana, o = permitivitas ruang hampa (8.85 x 10-12 C2/Nm2 ) o = perbeabilitas ruang hampa (12.56 x 10-7 wb/amp.m) C = cepat rambat cahaya (m/s) Hubungan Frekuensi (f), Panjang Gelombang (lamda), dan cepat rambat gelombang elektromagnetik (c)

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

SKETSA GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

SIFAT-SIFAT PENTING GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK 1. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal; medan E dan medan B tegak lurus terhadap arah perambatan dan terhadap satu sama lain. Arah perambatan adalah arah dari E × B. 2. Ada rasio tertentu di antara besarnya E dan B : E = cB 3. Gelombang berjalan dalam ruang hampa dengan laju tertentu yang tidak berubah-ubah. 4. Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi secara bersamaan, sehingga medan listrik dan medan magnet sefase dan berbanding lurus 5. Gelombang elektromagnetik dapat mengalami pemantulan (refleksi), pembiasan (refraksi), perpaduan (interferensi), pelenturan (difraksi), pengutuban (polarisasi) 6. Tidak memiliki muatan listrik, sehingga bergerak lurus dalam medan magnet maupun medan listrik

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK SINUSODIAL Untuk sebuah gelombang elektromagnetik bidang sinusodial yang berjalan dalam ruang hampa dalam arah x positif E(x,t) = Emaks sin(ωt – kx), B(x, t) = Bmaks sin(ωt – kx), Emaks = cBmaks Kita juga dapat menuliskan fungsi gelombang itu dalam bentuk vektor : E(x, t) = Emaks ĵ sin (ωt – kx) B(x, t) = Bmaks k̂ sin(ωt – kx) Untuk sebuah gelombang elektromagnetik bidang sinusodial yang berjalan dalam ruang hampa dalam arah x negatif E(x,t) = -Emaks sin(ωt – kx), B(x, t) = Bmaks sin(ωt + kx),  

Hubungan antara kuat medan listrik dengan medan magnetik Dimana : Dengan : Em = nilai max amplitudo medan listrik Bm = nilai max amplitudo magnetik c = cepat rambat cahaya

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

ALIRAN ENERGI ELEKTROMAGNETIK DAN VEKTOR POYNTING Gelombang elektromagnetik adalah gelombang berjalan yang mengangkut energi dari satu daerah ke daerah lainnya. Kita dapat menjelaskan perpindahan energi ini sebagai energi yang dipindahkan per satuan waktu per satuan luas penampang atau daya persatuan luas, untuk sebuah luas yang tegak lurus terhadap arah perjalanan gelombang. Laju aliran energi (daya per satuan luas) dalam sebuah gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa diberikan oleh vektor Poynting S : (vektor Poynting dalam ruang hampa)

INTENSITAS RATA-RATA Nilai rata-rata terhadap waktu, dari besarnya EB/µ0 dari vektor Poynting itu dinamakan intensitas I (S) dari gelombang tersebut untuk sebuah gelombang sinusoidal dalam ruang hampa, I = Srata-rata = EmaksBmaks /2µ0 = Emaks2 /2µ0c = 1/2 (Є0/µ0)1/2 Emaks2 = 1/2 Є0c Emaks2

Hubungan Intensitas Gelombang dengan Energi Rata-rata Dengan menggunakan hubungan dan rapat energi magnetik adalah Rapat energi total adalah

Rapat energi total rata-rata adalah Intensitas gelombang (laju energi rata-rata per m2) yang dipindahkan melalui GEM sama dengan rapat energi rata-rata 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)

ALIRAN MOMENTUM ELEKTROMAGNETIK DAN TEKANAN RADIASI Dapat diperlihatkan juga bahwa gelombang elektromagnetik mengangkut momentum p, yang bersesuaian dengan kerapatan momentum ( momentum dp per volume dV) yang besarnya 1/A dp/dt = S/c = EB/µ0c (kecepatan aliran momentum elektromagnetik) Ini adalah momentum yang dipindahkan per satuan luas permukaan per satuan waktu. Momentum ini bertanggung jawab untuk fenomena tekanan radiasi. Bila sebuah gelombang elektromagnetik diserap seluruhnya oleh sebuah permukaan, maka momentum gelombang itu dipindahkan juga ke permukaan itu. Tekanan radiasi itu adalah Prad = Srata-rata/c = I/c (tekanan radiasi, gelombang seluruhnya diserap) jika gelombang itu seluruhnya direfleksikan maka perubahan momentum itu menjadi dua kali besarnya, dan tekanan itu menjadi Prad = 2Srata-rata/c = 2I/c (tekanan radiasi, gelombang seluruhnya direfleksikan)

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK DALAM MATERI Dalam sebuah dielektrik laju gelombang adalah tidak sama seperti dalam ruang hampa, dan kita nyatakan dengan v sebagai ganti dari c. Dan laju gelombang v adalah v = 1/(Єµ)1/2 = 1/(KKm)1/2 1/(Є0/µ0)1/2 = c/(KKm)1/2 (laju gelombang elektromagnetik dalam dielektrik) Dalam sebuah dielektrik vektor Poynting S dan intensitas I dari sebuah gelombang sinusoidal adalah S = 1/µ (E x B) (vektor Poynting dalam dielektrik) I = Srata-rata = Emaks Bmaks /2µ = Emaks2 /2µv = 1/2 (Є/µ)1/2 Emaks2 = 1/2 Єv Emaks2 (gelombang sinusodial dalam dielektrik)

GELOMBANG DIELEKTRIK BERDIRI Gelombang elektromagnetik dapat direfleksikan; permukaan sebuah konduktor (seperti pelat logam yang digosok) atau permukaan sebuah dielektrik (seperti lembar kaca) dapat berperan sebagai reflektor. Prinsip superposisi berlaku untuk gelombang elektromagnetik sama persis seperti untuk medan listrik dan medan magnetik. Superposisi dari sebuah gelombang masuk dan sebuah gelombang yang direfleksikan membentuk suatu gelombang berdiri. Jika sebuah permukaan yang merefleksikan gelombang secara sempurna ditempatkan di x = 0, maka gelombang yang masuk dan gelombang yang direfleksikan membentuk sebuah gelombang berdiri. Bidang-bidang simpul untuk E terjadi di kx = 0, π , 2π, ..., dan bidang-bidang simpul untuk B terjadi di kx = π/2, 3π/2, 5π/2, .... Disetiap titik, perubahan sinusoidal dari E dan B terhadap waktu berbeda fasa 90⁰.

SPEKTRUM ELEKTROMAGNETIK Spektrum gelombang elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin yang dapat diukur dari frekuensi, panjang gelombang dan energi photon yang terkandung. Spektrum elektromagnetik ini mencakup transmisi radio dan TV, cahaya tampak, radiasi infra merah dan ultraviolet, sinar-x dan sinar gamma. Hanya bagian yang sangat kecil dari spektrum ini yang dapat dideteksi secara langsung melalui indera penglihatan kita. Kita menamakan jangkauan ini cahaya tampak. Panjang gelombangnya kira-kira dari 480 sampai 700 nm, dengan frekuensi kira-kira 750 sampai 430 THz. Tabel 1. Panjang gelombang cahaya tampak Panjang gelombang ( nm ) Warna gelombang 400 sampai 440 Violet 440 sampai 480 Biru 440 sampai 560 Hijau 560 sampai 590 Kuning 590 sampai 630 Jingga 630 sampai 700 merah

Urutan spektrum gelombang electromagnetik berdasar kenaikan frekuensi atau penurunan panjang gelombang 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. 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 ultraviolet Dihasilkan dalam atom-atom dan molekul-molekul dalam loncatan listrik. Matahari adalah sumber utama sinar ini. Dibidang industri digunakan untuk proses sterilisasi. 6. Sinar X disebut 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. Sinar gamma Merupakan 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.

1. GELOMBANG RADIO

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

2. GELOMBANG MIKRO

3. 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.

4. 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)

5. 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.

6. 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.

7. 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.

RADIASI DARI SEBUAH ANTENA Sebuah alat yang menggunakan sebuah distribusi yang berosilasi untuk menghasilkan radiasi elektromagnetik dinamakan antena. Sebuah contoh sederhana dari antena adalah sebuah dipol listrik yang berosilasi, yakni sepasang muatan listrik yang berubah secara sinusoidal dengan waktu sehingga pada setiap saat kedua muatan itu mempunyai besar yang sama tetapi tandanya berlawanan. Sebuah dipol listrik yang berosilasi menghasilkan sebuah gelombang yang meradiasikan ke luar ke segala arah. Di titik-titik yang sangat jauh dari sumber itu, E dan B tegak lurus terhadap satu sama lain dan tegak lurus terhadap arah radial, sehingga gelombang ini adalah gelombang transversal. Intensitas itu bergantung pada arah, intensitas itu adalah nol sepanjang sumbu dipol dan paling besar berada dalam bidang yang membagi dua dipol itu secara tegak lurus.

CONTOH SOAL Medan listrik maksimum di suatu titik yang berjarak 8 meter dari suatu sumber titik adalah 2,3 V/m. Hitunglah : a. medan magnetik maksimumnya b. intensitas rata-rata c. daya sumber

Medan magnetik maksimum : Jawab : Medan magnetik maksimum : E=2,3 V/m r = 8 m Intensitas rata-2 : Daya sumber : r : jarak sumber ke titik yang dimaksud.

Medan magnetik maksimum b. Intensitas rata-rata c. Daya sumber

2. 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 : Diket : lamda = 4 x 6375 km Ditanya : f...?