ELEKTROMAGNETIKA TERAPAN
GELOMBANG DATAR SERBASAMA
D W I A N D I N U R M A N T R I S U N A N G S U N A R YA
H A S A N A H P U T R I AT I K N O V I A N T I
POKOK BAHASAN
1. Definisi Gelombang Datar ( Plane Wave) 2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave) 3. Vector Poynting
4.Gerak Gelombang dalam Ruang Hampa
5. Gerak Gelombang dalam Dielektrik Sempurna
6. Penjalaran Gelombang pada Konduktor yang Baik
7. Polarisasi Gelombang
1. Definisi Gelombang Datar ( Plane Wave)
Gelombang datar adalah gelombang yang apabila sebuah bidang tegak lurus dengan arah perambatannya, maka titik-titik potong gelombang tersebut pada bidang yang tegak lurus itu memiliki sudut fasa yang sama. Jika jarak antara sumber gelombang dan penerima sangat jauh ( d>>) maka sumber gelombang dapat dianggap sebagai sumber titik dan muka gelombang seolah membentuk bidang datar.
Sumber
gelombang
Muka gelombang
hampir
membentuk
bidang datar
1. Definisi Gelombang Datar ( Plane Wave)
Gelombang datar memiliki sifat perambatan yang berbeda ketika gelombang tersebut merambat di medium perambatan yang berbeda. Sifat gelombang datar akan berbeda ketika harus merambat pada ruang bebas, medium dielektrik sempurna atau pada medium konduktor dan konduktor merugi .
Pada ruang bebas atau pada medium dielektrik sempurna memiliki factor atenuasi ( 𝑒 −𝛼𝑥 ) hampir mendekati satu (≅ 1) dengan konstanta redaman mendekati nol (𝛼 ≅ 0). Sedangkan pada medium dielektrik merugi dan konduktor sempurna memiliki factor atenuasi yang besar dimana konstatnta redaman 𝛼 > 0 , sehingga jika gelombang datar merambat pada medium dielektrik merugi atau pada medium konduktor sempurna akan mengalami redaman yang cukup besar sehingga akan muncul istilah skin depth atau kedalaman kulit atau kedalaman penetrasi.
Gelomabang datar serbasama menunjukan salah satu pemakaian yang paling sederhana dari
persamaan Maxwell dan memberi ilustrasi mengenai prinsip penjalaran, panjang gelombang,
impedansi gelombang, fasa dan konstanta fasa.
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Adapun penurunan persamaan gelombang dapat diambil dari salah-satu medium (selanjutnya disebut kasus yang paling umum) yang dapat mewakili semua medium. Hal tersebut didasari perbedaan parameter primer atau sekunder setiap medium. Selanjutnya medium yang bisa dijadikan kasus umum untuk persamaan gelombang adalah medium dielektrik merugi. Pada medium ini mengandung sifat dielektrik tetapi dengan konduktivitas lebih besar dari 0.
Pada medium dielektrik merugi memiliki karaktreristik ( 𝜍 > 0, 𝜌
𝑣= 0, 𝜀
𝑟> 1, 𝑑𝑎𝑛 𝜇
𝑟> 1 )
Dengan memingat kembali persamaan Maxwell bentuk fashor, maka pada medium dielektrik merugi dapat ditulikan sebagai berikut.
𝛻 × 𝐸
𝑠= −𝑗𝜔𝜇𝐻
𝑠 𝛻 × 𝐻
𝑠= (𝜍 + 𝑗𝜔𝜀)𝐸
𝑠 𝛻 ∙ 𝐸
𝑠= 0
𝛻 ∙ 𝐻
𝑠= 0
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Selanjutnya, Keempat persamaan Maxwel tersebut menjadi dasar dari penurunan gelombang. Dari identitas vector didapatkan :
𝛻 × 𝛻 × 𝐸 𝑠 = 𝛻 ∙ 𝛻 ∙ 𝐸 𝑠 − 𝛻 2 𝐸 𝑠
karena 𝛻 ∙ 𝐸 𝑠 = 0 , maka persamaan menjadi 𝛻 × 𝛻 × 𝐸 𝑠 = −𝛻 2 𝐸 𝑠 pers.1 Dari persamaan Maxwell 1
𝛻 × 𝛻 × 𝐸 𝑠 = −𝑗𝜔𝜇𝛻 × 𝐻 𝑠
karena 𝛻 × 𝐻 𝑠 = (𝜍 + 𝑗𝜔𝜀) 𝐸 𝑠 , maka menjadi 𝛻 × 𝛻 × 𝐸 𝑠 = = −𝑗𝜔𝜇(𝜍 + 𝑗𝜔𝜀) 𝐸 𝑠 pers.2 Dari pers.1 dan pers.2 , didapat :
𝛻 2 𝐸 𝑠 = 𝑗𝜔𝜇(𝜍 + 𝑗𝜔𝜀) 𝐸 𝑠 , -> Persamaan Diferensial vector Gelombang Helmholtz pers.3
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Dari pers. 3 dapat pula dituliskan sebagai berikut :
𝛻 2 𝐸 𝑠 = 𝛾 2 𝐸 𝑠 pers.4 sehingga 𝛾 2 = 𝑗𝜔𝜇(𝜍 + 𝑗𝜔𝜀)
𝛾 = 𝑗𝜔𝜇(𝜍 + 𝑗𝜔𝜀) , selanjutnya 𝛾 disebut konstanta propagasi 𝛾 = 𝑗𝜔 𝜇𝜀 1 − 𝑗 𝜔𝜀 𝜎
dapat ditulis pula 𝛾 = 𝛼 + 𝑗𝛽 , dimana 𝜶 adalah konstanta redaman dan 𝜷 konstatnta fasa
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Dengan asumsi bahwa gelombang menjalar ke satu arah , maka arah lainnya dapat dianggap tidak berpengaruh. Sehingga pada pers. 4 dapat ditulis :
𝛻 2 𝐸 𝑠 = 𝜕 𝜕𝑧
2𝐸
2𝑥𝑠= 𝑗𝜔𝜇(𝜍 + 𝑗𝜔𝜀) 𝐸 𝑥𝑠 , fasor dari medan listrik berpolarisasi ke sb x.
𝜕 𝜕𝑧
2𝐸
𝑥𝑠2= 𝛾 2 𝐸 𝑥𝑠
Dapat ditulis menjadi : 𝐸 𝑥𝑠 = 𝐸 𝑥0 𝑒 −𝛾𝑧
Atau dapat juga ditulis dalam persamaan bentuk waktu medan Listrik 𝐸(t).
𝐸(t)= 𝑅𝑒 𝐸 𝑥0 𝑒 − 𝛼+𝑗𝛽 𝑧 . 𝑒 𝜔𝑡 𝑎 𝑥
Sehingga persamaan akhir menjadi : 𝐸(t)= 𝐸 𝑥0 𝑒 −𝛼𝑧 cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎 𝑥 pers.5
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Jika medan listrik 𝐸 dinyatakan dalam satuan Volt/ meter dan medan magnet 𝐻 dinyatakan dalam Amper /meter, maka perbandingan dari medan listrik 𝐸 dan medan magnet 𝐻 adalah merupakan impedansi ( selanjutnya disebut impedansi karakteristik ɳ ) dinyatakan dalam Ohm dapat ditulis menjadi :
ɳ =
𝐻𝐸=
(𝜎+𝑗𝜔𝜖)𝑗𝜔𝜇=
𝜇𝜀.
11−𝑗𝜔𝜀𝜎
; ( ɳ < 𝜃
𝑛) untuk ɳ kompleks pers.6 dimana 𝜀 = 𝜀
𝑟𝜀
0dan 𝜇 = 𝜇
𝑟𝜇
0Dengan 𝜀
0=
1×10−936𝜋 𝐹
𝑚
𝜇
0= 4𝜋 × 10
−7𝐻
𝑚
Sehingga dari pers.5 medan magnet H dapat ditulis :
𝐻(t)=
𝐸ɳ𝑥0𝑒
−𝛼𝑧cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 − 𝜃
𝑛𝑎
𝑦pers.7
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Nilai perbandingan antara konduktivitas medium ( 𝜍) dengan 𝜔𝜀, yang dinamakan “Loss Tangen / tangen kerugian” (tan 𝜃) , dapat menjadi indicator apakah suatu medium termasuk dielektrik, quasi konduktor, atau konduktor ( Krauss dan Carver ).
tan 𝜃 = 𝜔𝜀 𝜎 < 10 −2 ; termasuk medium dielektrik 10 −2 < tan 𝜃 < 100 ; termasuk quasi konduktor tan 𝜃 > 100 ; termasuk medium konduktor Dimana :
𝜍 = Konduktivitas medium (Mho/m) 𝜔 = Frekuensi Sudut (rad/s)
𝜀 = Permitivitas medium ( F/m)
2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
Dengan melihat pers. 4 dimana : 𝛾 = 𝑗𝜔 𝜇𝜀 1 − 𝑗 𝜎
𝜔𝜀 , dapat diuraikan akar yang kedua dengan teorema binomial (1 + 𝑥) 𝑛 = 1 + 𝑥𝑛 + 𝑛(𝑛−1) 2! 𝑥 2 + 𝑛(𝑛−1)(𝑛−2)
2! 𝑥 3 + … ; untuk 𝑥 < 1 , dimana x= -j 𝜔𝜀 𝜎 dan n adalah = 1 , didapatkan pendekatan sebagai berikut : 2
𝛼 ≈
𝜎2 𝜇𝜀 𝛽 ≈
𝜔𝑐=
2𝜋λ ɳ ≈
𝜇𝜀1 + 𝑗
𝜔𝜀𝜎2. Persamaan Gelombang Datar ( Plane Wave)
x
z
xo e cos t z aˆ
E
E
Amplituda medan
= konstanta redaman (neper/meter)
= konstanta fasa (radian/meter)
Tanda ( - ) berarti gelombang merambat ke arah sumbu-z positif.
Jika ( + ) berarti gelombang merambat ke arah sumbu-z negatif Gelombang bergetar searah sumbu-x
meter Volt
= + j =
Konstanta
Propagasi
3. Vector Poynting
Vector Poynting (𝑃) didefinisikan sebagai produk vector dari vector intensitas medan listrik E dengan vector medan magnet H pada suatu gelombang elektromagnetik. Dapat ditulis sebagai berikut :
𝑃 = 𝐸 × 𝐻 pers.8
Vektor Poynting merupakan besaran vector yang menggambarkan arah perambatan gelombang dan besarnya kerapatan energi gelombang persatuan waktu atau laju energy gelombang dalam satuan joule persekon permeter persegi (MKS).
E
H P
Arah perambatan
gelombang
3. Vector Poynting
Karena vector intensitas medan listrik dan vector intensitas medan magnet saling tegak lurus satu sama lainnya, maka cross product dari E dan H menghasilkan vector lain yang arahnya tegak lurus terhadap E dan H. Misal jika vector intensitas medan listrik bergetar ke arah sumbu x dan vector instensitas medan magnet bergetar kearah sumbu y maka vector pointing akan ke arah sumbu z. Dapat diiliustrasikan sebagai berikut :
H
E
y y x
x z
z a E a H a
P ˆ ˆ ˆ
3. Vector Poynting
Jika diketahui persamaan intensitas medan listrik E dan medan magnet H sebagai berikut : 𝐸(t)= 𝐸 𝑥0 𝑒 −𝛼𝑧 cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎 𝑥
𝐻(t)= 𝐸 ɳ
𝑥0𝑒 −𝛼𝑧 cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 − 𝜃 𝑛 𝑎 𝑦
Maka persamaan untuk vector pointing dapat ditulis sebagai berikut : 𝑃 = 𝐸 × 𝐻
= 𝐸
𝑥0Ƞ
2𝑒 −2𝛼𝑧 cos(𝜔𝑡 − 𝛽𝑧) cos(𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 − 𝜃 𝑛 )𝑎 𝑧
= 𝐸 2 Ƞ
𝑥02𝑒 −2𝛼𝑧 cos 𝜃 𝑛 + cos(2𝜔𝑡 − 2𝛽𝑧 − 𝜃 𝑛 ) 𝑎 𝑧 𝑊𝑎𝑡𝑡 𝑚
2pers.9
3. Vector Poynting
Dan untuk daya rata-rata dapat dihitung dengan persamaan berikut :
𝑃
𝑧,𝑎𝑣=
𝑇1𝑃
0𝑇 𝑧𝑑𝑡 =
𝐸2 Ƞ𝑥02𝑒
−2𝛼𝑧cos 𝜃
𝑛pers.10
Dimana pada pers.10 dapat dilihat bahwa :
𝒆
−𝟐𝜶𝒛merupakan besarnya factor redaman kerapatan daya
𝒄𝒐𝒔 𝜽
𝒏merupan bagian yang timbul karena pengaruh impedansi karakterstik dan juga
dapat menentukan kerapatan daya
.4.Gerak Gelombang dalam Ruang Hampa
Adapun karakteristik medium ruang hampa adalah sebagai berikut : 𝜍 = 0, 𝜌 𝑣 = 0, 𝜀 𝑟 = 1, 𝑑𝑎𝑛 𝜇 𝑟 = 1 ,
jika 𝜀 𝑟 = 1 maka 𝜀 = 𝜀 0 = 1×10
−936𝜋 𝐹 𝑚
𝜇 𝑟 = 1 maka 𝜇 = 𝜇 0 = 4𝜋 × 10 −7 𝐻 𝑚
Maka konstanta propagasi 𝛾 pada pers.4 menjadi :
𝛾 = 𝑗𝜔 𝜇𝜀 atau dapat ditulis 𝛾 = 0 + 𝑗𝜔 𝜇 0 𝜀 0 , dimana konstanta fasa 𝛼 = 0.
Adapun impedansi instrinsik menajdi : Ƞ = 𝜇 𝜀
00
=120𝜋 = 377 < 0 𝑜
4.Gerak Gelombang dalam Ruang Hampa
Dengan konstanta redaman 𝛼 = 0 , maka persamaan intensitas medan listrik dan medan magnet menjadi :
𝐸(t)= 𝐸
𝑥0cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎
𝑥𝐻(t)=
377𝐸𝑥0cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎
𝑦Vektor pointing :
𝑃 =
𝐸377𝑥02𝑐𝑜𝑠
2(𝜔𝑡 − 𝛽𝑧)𝑎
𝑧Daya rata-rata :
𝑃
𝑧,𝑎𝑣=
12 𝐸𝑥02
377
Dengan kecepatan peopagasi : 𝑣 =
𝜀1𝑟𝜇𝑟
= 3 × 10
8𝑚
𝑠
5. Gerak Gelombang dalam Dielektrik Sempurna
Adapun karakteristik medium Dielektrik sempurna adalah sebagai berikut : 𝜍 = 0, 𝜌 𝑣 = 0, 𝜀 𝑟 > 1 𝑑𝑎𝑛 𝜇 𝑟 > 1 ,
Maka konstanta propagasi 𝛾 pada pers.4 menjadi :
𝛾 = 𝑗𝜔 𝜇𝜀 atau dapat ditulis 𝛾 = 0 + 𝑗𝜔 𝜇 0 𝜇 𝑟 𝜀 0 𝜀 𝑟 , dimana konstanta fasa 𝛼 = 0.
Adapun impedansi instrinsik menajdi : Ƞ = 𝜇 𝜀
0𝜇
𝑟0
𝜀
𝑟=120𝜋 𝜇 𝜀
𝑟𝑟
= 377 𝜇
𝑟𝜀
𝑟< 0 𝑜
5. Gerak Gelombang dalam Dielektrik Sempurna
Dengan konstanta redaman 𝛼 = 0 , maka persamaan intensitas medan listrik dan medan magnet menjadi : 𝐸(t)= 𝐸
𝑥0cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎
𝑥𝐻(t)=
𝐸𝑥0377 𝜇𝑟
𝜀𝑟
cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎
𝑦Vektor pointing :
𝑃 =
𝐸𝑥02377 𝜇𝑟
𝜀𝑟
𝑐𝑜𝑠
2(𝜔𝑡 − 𝛽𝑧)𝑎
𝑧Daya rata-rata :
𝑃
𝑧,𝑎𝑣=
12 𝐸𝑥02377 𝜇𝑟
𝜀𝑟
Dengan kecepatan peopagasi :
𝑣 =
𝜀𝐶𝑟𝜇𝑟
, 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝐶 = 3 × 10
8𝑚
𝑠
6. Penjalaran Gelombang pada Konduktor yang Baik
Adapun karakteristik medium Dielektrik sempurna adalah sebagai berikut : 𝜍 ≫, 𝜌 𝑣 ≠ 0, 𝜀 𝑟 > 1 𝑑𝑎𝑛 𝜇 𝑟 > 1 ,
Pada pers.4 konstanta propagasi diturunkan sebagai berikut :
𝛾 = 𝑗𝜔 𝜇𝜀 1 − 𝑗 𝜔𝜀 𝜎 , dengan mengingat bahwa 𝜍 ≫ 1, maka persamaan konstanta propagasi dapat ditulis menjadi :
𝛾 = 𝑗𝜔 𝜇𝜀 −𝑗 𝜔𝜀 𝜎
= 𝑗 −𝑗𝜔𝜇𝜍
= 𝑗 −𝑗 𝜔𝜇𝜍
6. Penjalaran Gelombang pada Konduktor yang Baik
Dengan menggunakian De Moivre Teorema didapat : 𝛾 = 𝑗 1
2 + 𝑗 1
2 2𝜋𝑓𝜇𝜍
= 𝜋𝑓𝜇𝜍 + 𝑗 𝜋𝑓𝜇𝜍 , jika 𝛾 = 𝛼 + 𝑗𝛽 maka 𝛼 = 𝛽 = 𝜋𝑓𝜇𝜍
Pada konduktor yang baik memiliki 𝜍 ≫, hal ini berpengaruh pada efek kedalaman penetrasi Dimana kedalaman penetrasi ( skin depth) 𝛿 = 1
𝜋𝑓𝜇𝜎 , hal tersebut dapat menjadikan persamaan konstanta propagasi ditulis sebgai berikut :
𝛾 = 𝛿 1 + 𝑗 1
𝛿
6. Penjalaran Gelombang pada Konduktor yang Baik
Sedangkan untuk impedansi instrinsik (Ƞ), dengan mengingat 𝜍 ≫ , dan jika 𝜍 ≫ 𝜔𝜀 , maka impedansi instrinsik dapat ditulis sebagai berikut :
Ƞ = 𝑗𝜔𝜇
𝜎 = 𝑗 2𝜋𝑓𝜇 𝜎 = 𝜎𝛿 2 < 45 0 = 𝜎𝛿 2 𝑒 −𝑗45
0Dengan konstanta redaman 𝛼 ≠ 0 , maka persamaan intensitas medan listrik dan medan magnet menjadi :
𝐸(t)= 𝐸 𝑥0 𝑒 −𝛼𝑧 cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎 𝑥 𝐸(t)= 𝐸 𝑥0 𝑒 −
1𝛿𝑧 cos 𝜔𝑡 − 𝛿 1 𝑧 𝑎 𝑥 𝑉 𝑚
𝐻(t)=
𝐸𝑥02𝜍𝛿 𝑒
−𝛼𝑧cos 𝜔𝑡 − 𝛽𝑧 𝑎
𝑦 𝐻(t)=
𝐸𝑥02𝜍𝛿 𝑒
−1𝛿𝑧cos 𝜔𝑡 −
𝛿1𝑧 −
𝜋4𝑎
𝑦𝐴
𝑚
6. Penjalaran Gelombang pada Konduktor yang Baik
Vektor pointing :
𝑃 =
𝐸2 2𝑥02𝛿𝜍 𝑒
−𝛿2𝑧cos
𝜋4+ 𝑐𝑜𝑠 2𝜔𝑡 −
2 𝑧𝛿−
𝜋4𝑎
𝑧Daya rata-rata :
𝑃
𝑧,𝑎𝑣=
14σ𝛿𝐸
𝑥02𝑒
−2 𝛿𝑧