Gelombang Elektromagnet

GELOMBAN

ELEKTROMA G

GNET

APA ITU GELOMBANG ? APA ITU GELOMBANG ?

Gelombang adalah getaran yang merambat Gelombang adalah getaran yang merambat

Apakah dalam perambatannya perlu medium/zat Apakah dalam perambatannya perlu medium/zat perantara ?

perantara ? Tidak harus ! Tidak harus !

Berdasarkan ada/tidak adanya medium : Berdasarkan ada/tidak adanya medium : 1. Gelombang Mekanik

1. Gelombang Mekanik perlu medium perlu medium 2. Gelombang Elektromagnetik

2. Gelombang Elektromagnetik

3 3

 MACAM GELOMBANG 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

Gelombang adalah osilasi yang merambat. Contohnya:

•Gelombang air adalah perambatan osilasi permukaan air.

•Gelombang tali adalah perambatan osilasi bagian tali.

•Gelombang bunyi di udara adalah perambatan osilasi molekul-molekul gas di udara.

Gelombang elektromagnetik adalah perambatan osilasi medan listrik dan medan magnet. Dapat merambat walau tanpa medium

BAGAIMANA GELOMBANG BAGAIMANA GELOMBANG

ELEKTROMAGNETIK TERJADI?

ELEKTROMAGNETIK TERJADI?

Keberadaan gelombang Keberadaan gelombang

elektromagnetik didasarkan pada elektromagnetik didasarkan pada hipotesis Maxwell

hipotesis Maxwell (James Clark (James Clark Maxwell) : “Jika medan magnet Maxwell) : “Jika medan magnet dapat menimbulkan medan

dapat menimbulkan medan listrik, maka sebaliknya,

listrik, maka sebaliknya,

perubahan medan listrik dapat perubahan medan listrik dapat menyebabkan medan magnet.”

menyebabkan medan magnet.”

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 membuktikan 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

Didasarkan pada penemuan Faraday “Perubahan Fluks magnetik dapat menimbulkan medan listrik” dan arus pergeseran yang sudah dihipotesakan Maxwell

sebelumnya, maka Maxwell mengajukan suatu hipotesa baru : “Jika perubahan fluks magnet dapat

menimbulkan medan listrik maka perubahan Fluks

listrik juga harus dapat menimbulkan medan magnet”

Hipotesa ini dikenal dengan sifat simetri medan listrik dengan medan magnet.

Bila Hipotesa Maxwell benar, konsekuensinya perubahan medan listrik akan mengakibatkan medan magnet yang juga berubah serta sebaliknya dan keadaan ini akan terus berulang. Medan magnet atau medan listrik yang muncul akibat perubahan medan listrik atau medan magnet sebelumnya akan bergerak (merambat) menjauhi tempat awal kejadian. Perambatan

medan listrik dan medan magnet inilah yang disebut sebagai gelombang elektromagnetik.

E E E E

B B B B

Ilustrasi perambatan gem

Arah rambatan

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

Heinrich menemukan cara menghasilkan

gelombang radio dan

menentukan kelajuannya

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 

Gelombang elektromagnetik merupakan jenis gelombang yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya. Di dalam ruang hampa gelombang elektromagnetik menjalar dengan kecepatan 3x10⁸m/s, yaitu sama dengan kecepatan cahaya. Sumbernya yaitu akibat gerakan muatan listrik.

Gelombang elektromagnetik mempunyai dua komponen, yaitu medan listrik E dan medan magnet B. Kedua medan ini saling tegak lurus arah perambatannya, sehingga gelombang elektromagnetik termasuk dalam jenis gelombang transversal.

Persamaan gelombang medan listrik:

2 2 2

2

1

dx d dt

d

o o

E E



 

2 2 2

2

μ ε

1

dx d dt

d

o o

B B 

Persamaan gelombang magnetnya ^:

a) Gelombang Radio

Frekuensi berkisar antara beberapa Hertz hingga 10⁹ Hz. Sedangkan energi fotonnya berkisar dari hampir 0 - 10^-5 eV, digunakan pada televisi dan pemancar radio.

b) Gelombang Mikro

Daerah frekuensi berkisar antara 10⁹ Hz – 3x10¹¹ Hz dan 10^-3 < < 10λ ^-1 m.

Energi fotonnya berkisar 10^-5 eV- 10^-3 eV, digunakan pada radar dan sistem komunikasi. Daerah gelombang mikro juga disebut sebagai UHF (Ultra Frequency Relative to Radio Frequency)

c) Gelombang Inframerah

Daerah frekuensi berkisar antara 3x10¹¹ Hz. Energi fotonnya berkisar dari 10^-3 eV-1,6 eV. Digunakan dalam bidang industri, kedokteran, dan astronomi.

Dimana kecepatan gelombangnya

Spektrum gelombang elektromagnetik berkisar antara 10² Hz hingga 10²³ Hz. Beberapa contoh gelombang elektromagnetik :

o o

c  . 

 1

d) Cahaya Tampak

Daerah frekuensinya sama dengan frekuensi sensitif retina mata manusia, yaitu 4x10¹⁴ Hz - 8x10¹⁴ Hz, Energi fotonnya berkisar dari 1,6 eV – 3,2 eV

e) Ultraviolet

Daerah frekuensinya berkisar antara 8x10¹⁴ Hz - 3x10¹⁷ Hz, Energi

fotonnya berkisar dari 3 eV – 2x10³ eV, energi ini berhubungan dengan efek kimia pada mahluk hidup.

f) Sinar-X

Daerah frekuensinya berkisar antara 3x10¹⁷ Hz -5x10¹⁹ Hz. Energi fotonnya berkisar dari 1,2x10³ eV- 2x10³ eV. Sumber sinar-X adalah Bremsstrahlung atau perlambatan radiasi dalam atom. Biasa

digunakan dalam bidang kedokteran.

g) Sinar Gamma

Daerah frekuensinya berkisar antara 3x10¹⁸ Hz -5x10²² Hz. Energi fotonnya berkisar dari 10⁴ eV- 10^-7 eV, energi ini berhubungan dengan proses nuklir.

laju perambatan gelombang elektromagnetik adalah ( dalam ruang Hampa)

c = 2,997 924 58 × 10⁸ m/s

Hubungan antara laju, frekuensi, dan panjang gelombang diberikan oleh

f

c  

2. Energi dalam GEM

Hubungan antara kuat medan listrik dg medan magnetik :

Dimana :

Dengan :

E_m, B_m = nilai max amplitudo medan listrik dan magnetik c = cepat rambat cahaya

B c E B

E

m

m

  

t) -

(kx cos

t) -

(kx cos





m x

m y

B B

E E





3. Rapat Energi Listrik dan Magnetik

Rapat energi listrik dan magnetik dinyatakan dengan :

Dengan :

u_e = rapat energi listrik (J/m³) ε₀ = 8,85 x 10^-12 C² N^-1m^-2

E = kuat medan listrik (N/C)

u_B = rapat energi magnetik (J/m³) B = besar induksi magnetik (Wb/m²) μ₀ = 4π x 10^-7 Wb/A

2 2 0

1

E

u

_e

 

0 2

2 

u

_B

 B

4. Intensitas GEM

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

Dengan intensitas rata-rata :

B x E S  

0

1

 

0 2

0

) (

cos







t kx

B E

S  EB  ^{m m} 

2^m0^m

B S  E

Hubungan Intensitas Gelombang dengan Energi Rata-rata

Dengan menggunakan hubungan dan

rapat energi magnetik adalah

Rapat energi total adalah

c B  E

0 0

1



  c

e

B B E c E E u

u     ₀ ² 

0 0 0 2

0 2 2

0 2

2 1 2

2 /

2 











0 2

2 

u B u

u

u  _B  _e  _B 

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)

c B u E^{m m}

20

 

u c S 

0 2

0 2

0 2 2

2^m ^m ^m ^m cB c

E B

E A

I P

S     

Contoh:

Gelombang elektromagnetik mempunyai amplitudo medan E = 500 V/m.Berapa amplitude medan

magnetiknya?

Penyelesaian:

B c E B

E

m

m

  

0 H

0 H

B

0 E

0 E

0 D

H t j

H t

E B

E t j

E t

H D



















































 

 



 

 









 

 

 

 









 t j

H B

E D

 







0 B

0 D

t E B

t H D















 









 





 PERSAMAAN MAXWELL

0 B

D

t E B

t J D

H

v

















 









 







0 B

0 D

0

t E B

t H D

0 E

J 0

v





















 









 



















 RUANG HAMPA

 ^{E  . d S   q}



0

 ^{B  . d S   0}

 ^{E  . d l    d} _dt ^

^B

 ^{B  . d l   }

⁰

ⁱ

Hukum Gauss Untuk Listrik

Hukum Gauss Untuk Kemagnetan

Hukum induksi Faraday

Hukum Ampere

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

2. Medan listrik maksimum suatu gelombang elektromagnetdi suatu tempat

adalah 200 N/C. Cepat rambat gelom-bang elektromagnetik dalam ruang hampa 3 x 10⁶ m/s dan permitivitas listrik untuk ruang hampa 8,85 x 10^-12C/Nm².

Hitung laju energi rata-rata tiap satuan luas gelombang elektromagnetik!

3. Medan listrik dalam suatu gelombang elektromagnetik dapat dinyatakandengan persamaan gelombang berjalan: Ey = 100 sin (10⁷x - wt) (dalam SI).Tentukan amplitude dari medan magnetik yang terkait, panjang gelombangserta

frekuensinya!

4. Sebuah sumber titik dari radiasi EM memiliki daya rata² keluaran P = 1000 W.

Tentukan :

a. Amplitudo max medan listrik E_m dan medan magnetik B_m 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

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

6. Hitung rapat energi listrik rata-rata pada jarak 1 m dari sumber 7. Hitung rapat energi magnetik rata-rata pada jarak 1 m dari sumber 8. Tentukan intensitas gelombang pada lokasi tsb