Upload
ahmadherisetiyawan
View
42
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
MAKALAH MATA KULIAH GELOMBANG II
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK; TEORI DAN APLIKASINYA
Disusun oleh:
Bori Andes Putra 140310090049
UNIVERSITAS PADJADJARAN
SUMEDANG
2012
2
TEORI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Pengertian Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat
walau tidak ada medium. Gelombang elektromagnetik merupakan gelombang
transversal yang gangguannya berupa medan listrik E dan medan magnet B saling
tegak lurus dan keduanya tegak lurus arah rambat gelombang. Karena gangguan
gelombang elektromagenik adalah medan listrik dan medan magnetik maka
gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam vakum. Semua jenis
gelombang elektromagnetik merambat dalam vakum dengan kecepatan sama yaitu
c = 3 x 108
m/s yang disebut dengan tetapan umum.
Gambar.1 : Gelombang elektromagnetik: gelombang magnet (B) dan
medan listrik () beserta arah perambatannya
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang
gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar
spektrum elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang
(diukur dalam satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan
panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai
3
ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi
tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray.
1. Gelombang Radio
Gelombang radio dikelompokkan menurut panjang gelombang atau
frekuensinya. Jika panjang gelombang tinggi, maka pasti frekuensinya rendah
atau sebaliknya. Frekuensi gelombang radio mulai dari 30 kHz ke atas dan
dikelompokkan berdasarkan lebar frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh
muatan-muatan listrik yang dipercepat melalui kawat-kawat penghantar. Muatan-
muatan ini dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator.
Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula.
Kamu tidak dapat mendengar radio secara langsung, tetapi penerima radio akan
mengubah terlebih dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.
2. Gelombang mikro
Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan
frekuensi paling tinggi yaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh
sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan
menyerap radiasi gelombang mikro, maka makanan menjadi panas dalam selang
waktu yang sangat singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave
oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis.
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio
Detection and Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah
benda dengan menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat
pemantulan gelombang mikro. Karena cepat rambat gelombang elektromagnetik c
= 3 X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan
penerimaan.
3. Sinar Inframerah
Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 1011Hz sampai 1014 Hz atau
daerah panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. jika kamu memeriksa
spektrum yang dihasilkan oleh sebuah lampu pijar dengan detektor yang
dihubungkan pada miliampermeter, maka jarum ampermeter sedikit diatas ujung
4
spektrum merah. Sinar yang tidak dilihat tetapi dapat dideteksi di atas spektrum
merah itu disebut radiasi inframerah.
Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang
bergetar karena benda dipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan
sinar inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada
suhu dan warna benda.
4. Cahaya tampak
Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik yang paling dikenal oleh
kita dapat didefinisikan sebagai bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik
yang dapat dideteksi oleh mata manusia. Panjang gelombang tampak nervariasi
tergantung warnanya mulai dari panjang gelombang kira-kira 4 x 10-7 m untuk
cahaya violet (ungu) sampai 7x 10-7 m untuk cahaya merah. Kegunaan cahaya
salah satunya adlah penggunaan laser dalam serat optik pada bidang
telekomunikasi dan kedokteran.
5. Sinar Ultraviolet
Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 1015 Hz sampai 1016
Hz atau dalam daerah panjang gelombang 10-8 m 10-7 m. gelombang ini
dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. Matahari adalah sumber
utama yang memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi, lapisan ozon yang
ada dalam lapisan atas atmosferlah yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan
meneruskan sinar ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup
dibumi.
6. Sinar X
Sinar X mempunyai frekuensi yang besar, dan panjang gelombangnya
sangat pendek. meskipun seperti itu tapi sinar X mempunyai daya tembus kuat,
dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa sentimeter dan pelat aluminium
setebal 1 cm.
7. Sinar Gamma
Sinar gamma mempunyai frekuensi antara yang paling besar dan panjang
gelombang terkecil. Sinar Gama memliki daya tembus paling besar, yang
menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan tubuh.
5
Gambar.2: Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Sifat-Sifat Gelombang Elektromagnetik
Gelombang elektromagnetik memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
1. Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang tanpa medium
atau dalam ruang hampa udara.
2. Gelombang Elektromagnetik merupakan gelombang transversal.
3. Gelombang Elektromagnetik tidak memiliki muatan listrik sehingga
bergerak lurus dalam medan magnet maupun medan listrik.
4. Gelombang elektromagnetik 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.
Konsep Gelombang Elektromagnetik
Keberadaan gelombang elektromagnetik didasarkan pada hipotesis
Maxwell James Clark Maxwell dengan mengacu pada 3 fakta relasi antara
listrik dan magnet yang sudah ditemukan :
6
a. 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)
b. Percobaan Faraday yang berhasil membuktikan batang konduktor yang
menghasilkan GGL induksi pada kedua ujungnya bila memotong medan
magnet
c. Percobaan Faraday yang menunjukkan perubahan fluks magnetik pada
kumparan menghasilkan arus induksi dalam kuparan 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. Kebenaran
Hipotesa Maxwell tentang adanya gelombang elektromagnetik pada akhirnya
dibuktikan oleh Heinrich Hertz
Maxwell menyatakan bahwa gangguan pada gelombang elektromegnetik
berupa medan listrik dan medang magnetik yang selalu saling tegak lurus, dan
keduanya tegak lurus terhadap arah rambatan gelombang.
7
Gambar.3: Perambatan Gelombang Elektromagnetik
Rumus cepat rambat gelombang elektromagnetik Maxwell:
c : cepat rambat gelombang elektromagnetik = 2,99792 x 108 m/s = 3 x 10
8 m/s
: permeabilitas vakum = 4 x 10-7
Wb A-1
m-1
: permitivitas vakum = 8,85418 x 10-12
C2N
-1m
-2
Pada pembicaraan kita mengenai gelombang elektromagnetik, kita batasi
pada gelombang elektromagnetik yang mempunyai medan listrik sejajar sumbu
Y, induksi magnetik sejajar sumbu Z dan tegak lurus , sedangkan sumbu x
adalah arah rambat.
Ambil kontur : ABCDA pada medan listrik, maka:
Y+
x+
Z+
E dy
A
B C
D
dx
Vektor medan listrik dar gelombang
elektromegnetik sejajar sumbu y
Sumbu x merupakan arah
rambatgelombang elektromagnetik
8
( )
Menurut hukum Henry Farady
Lihat kontur PQRSP pada bidang X-Z (medan magnet) pada gambar di atas.
Y+
x+
Z+
B P
Q R
S
Vektor induksi magnetik dari gelombang elektromagnetik sejajar sumbu Z, sumbu X
mrupakan arah rambat
9
Menurut hukum Ampere- Maxwell:
( )
Jika (pers.1) kita turunkan terhadap x:
(
)
(
)
Dan (pers.2) kita turunkan tehadap t:
(
)
(
)
Kita peroleh:
(Pers.3) menunjukkan bahwa medan listrik merambat sepanjang sumbu x dengan
kecepatan:
10
Jika (pers.1) kita turunkan terhadap t:
(
)
(
)
Dan (pers.2)kita turunkan terhadap x:
(
)
(
)
(Pers.4) menunjukkan bahwa medan magnet merambat sepanjang sumbu x
dengan kecepatan
diberi notasi c (cepat rambat cahaya dalam vakum), karena secara
eksperimen, henry Hertz mandapatkan bahwa
, sama
denagn cepat rambat cahaya dalam vakum. (Pers.3) dan (pers.4) mempunyai
solusi umum :
(per. 5)
(pers.6)
Gelombang dari medan listrik dan medan magnet mempunyai fase sama, E
dan B adalah amplitudo dari masing-masing gelombang dan mempunyai
hubungan sebagai berikut.
Apabila (pers.5) dan (pers.6) masing-masing kita turunkan terhadap x dan t:
11
Sedangkan menurut (pers.1) :
Difraksi Cahaya
Difraksi maksimum
Difraksi merupakan pembelokan gelombang
di sekitar suatu penghalang atau pinggir celah.
Cahaya yang melewati sebuah celah sempit
yang seukuran dengan panjang gelombang cahaya,
mengalami lenturan atau Difraksi. Utuk difraksi celah
tunggal yang kita amati adalah pita gelap. Pita gelap
ke n terjadi jika,
Difraksi minimum
n = 1,2,3,
n = 1 untuk pita gelap ke 1, n = 2 untuk pita gelap ke
2,.
sin = ; = sin
y1
y1
L
d
| | | |
12
n = 0,1,2,3,
n = 0 untuk pita terang pusat, n = 1 untuk pita terang ke 1,.
= sudut simpang (Sudut Deviasi).
d= lebar celah
Lebar pita terang pusat = 2y1, dengan y1 adalah jarak pita gelap ke - 1 dari titik
tengah terang pusat , dihitung sebagai berikut :
Dengan L adalah jarak celah tunggal ke layar.
Perbesaran Sistem Alat Optik dibatasi oleh Difraksi
Suatu kriteria yang menyatakan bagaimana bayangan dari dua dua benda
titik yang masih dapat dipisahkan dengan baik oleh suatu lensa, pertama
diusulkan oleh Lord Rayleigh (1887-1905), disebut kriteria Rayleigh, yang
berbunyi sebagai berikut:
Dua benda titik tepat akan dapat pisahkan jika pusat dari pola difraksi benda
titik pertama berimpit dengan minimum pertama dari pada difraksi benda titik
dua
Ukuran sudut pemisahan agar dua benda titik masih dapat dipisahkan
secara tepat brdasarkan kriteria Rayleigh disebut batas sudut resolusi atau sudut
resolusi minimum (lambang m), dinyatakan oleh:
Karena sudut m sangat kecil maka sin m m , sehingga persamaan menjadi
Jarak pisah terpendek dari dua benda titik dimana bayangan yang dihasilkannya
masih dapat ditampilkan sebagai dua titik terpisah yang disebut btas resolusi atau
daya urai alat optik (dm)
Karena sudut m sangat kecil maka tan m m
13
Dengan : m = sudut resolusi minimum (radian)
= Panjang gelombang (m)
d = Diameter bukaan alat optik (m)
= batas resolusi atau daya urai lensa (m)
L = jarak benda dari lensa (m)
Interferensi Cahaya
Ketika kedua gelombang yang berpadu sefase (beda fase 0, 2, 4 ,..../ 0,
, 2 , 3 ,....) maka yang terjadi adalah interferensi konstruktif9 saling
menguatkan) dan gelombang memiliki amplitudo maksimum. Sedangkan ketika
gelombang yang berpadu berlawanan fase ( beda fase: , 3 , 5 , .../ , 1
,...) maka yang terjadi adalah interferensi destruktif ( saling melemahkan) an
gelombang memiliki amplitudo nol.
Sudut OQP = sudut S2 S1R karena di depan sudut adlah 90 (sama)
sehingga nya juga sama.
Q
Intensitas cahaya di P adaah resultan
intensitas cahaya datang dari S1 dan S2.
Lintasan S1P lebih pendek
daripada lintasan S2P.
Selisihnya disebut beda
lintasan.
Apabila S2P dipotong di titik R
maka lintasan S1P= RP
S2P- S1P = S2R
Sumber
cahaya
d
S1
S2 R
P
y
L
Layar
o
14
Interferensi maksimum terjadi jika fase sama, karena sefase maka ini
terjadi pada pita terang ( interferensi konstruktif) sehingga beda
lintasannya;
Interferensi minimum terjadi jika berlawana fase (Destruktif) atau beda
lintasannya , 1 , 2 ,...
Jarak pita terang dan gelap ke ke-n ke terang pusat
Kisi Difraksi
Kisi difraksi merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan
pola interferensi yang lebih tajam pada layar yang memiliki celah dengan lebar
sama dan jarak antar celah yang berdekatan juga sama.
Tetapan kisi garis terang
n= 0 menyatakan maksimum orde ke nol atau pusat terang, n =1 menyatakan
maksimum orde ke-1(garis terang ke-1), dan seterusnya.
n= 0, 1,2,3,...
n = , 1 , 2 ,...
Untuk pita terang
, sin tan
Untuk pita gelap
15
Polarisasi Cahaya
Polarisasi cahaya yaitu merupakan terserapnya sebagian arah getar cahaya.
Cahaya yang mempunyai satu arah getar saja disebut cahaya terpolarisasi linear.
Polarisasi hanya terjadi pada gelombang transversal. Ada empat cara untuk
memperoleh cahaya terpolarisasi:
1. Penyerapan selektif
2. Pemantulan
3. Pembiasan ganda
4. Hamburan
Polarisasi dengan penyerapan selektif,
Menurut hukum malus:
Maka intensitas cahaya yang diteruskan oleh sistem polaroid mencapai
maksimum kedua sumbu transmisi atau polarisasi adaah sejajar (= 0/ 180) dan
mencapai minimum jika kedua sumbu polarisasi saling tegak lurus (= 90).
Bahan
polarisasi
Intensitas cahaya
terpolarisasi (I1)
Sumbub
transmisi
Arah rambat
gelombang
Intensitas cahaya
terpolarisasi (I0)
16
Polarisasi dengan pemantulan
Malus menemukan cahaya terpolarisasi akibat pemantulan yaitu melalui dua
medium. Ada tiga kemungkinan yang terjadi pada cahaya yang dipantulkan yaitu:
1. Cahaya pantul tak terpolarisasi ( sudut datang 0/90)
2. Cahaya pantul terpolarisasi sebagian (sudut datang 0<
17
Efek Dopler Pada Gelombang Elektromagnetik
Efek dopler pada gelombang elektromagnetik misalnya cahaya adalah
perubahan frekuensi jika sumber cahaya bergerak. Frekuensi akan menjadi rendah
jika sumber cahaya menjauhi pengamat, berarti menjadi besar. Untuk cahaya
tampak, besar berada pada daerah warna merah, berarti jika terjadi
pergerakan sumber cahaya yang menjauh maka spektrum cahaya akan
bergeser ke arah warna merah. Misal: sebuah bintang di langit yang bergerak
menjauhi bumi,maka warna bintang akan beralih ke warna merah.
Dalam efek Doppler untuk gelombang bunyi, kecepatan bunyi
berperan penting dan kecepatan ini bergantung pada medium sebagai acuan.
Misalnya, kecepatan bunyi terhadap acuan udara bergerak berbeda dengan
kecepatan bunyi terhadap acuan udara diam. Kontras dengan gelombang bunyi,
kecepatan rambat gelombang elektromagnetik juga sama, baik diukur relatif
terhadap pengamat bergerak maupun relatif terhadap pengamat yang bergerak
dengan kecepatan tetap.
Ketika gelombang elektromagnetik, sumber gelombang, dan pengamat
bergerak sepanjang garis lurus yang sama melalui vakum, maka untuk vrell
18
1. Radar untuk menentukan kecepatan gerak (radar Doppler)
2. Menentukan posisi pesawat udara atau benda-benada
lain(mengukur jarak).
3. Mengamati lalu lintas untuk kendaraan yang melebihi kecepatan
maksimum yang diizinkan.
APLIKASI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Dengan memanfaatkan gelombang elektromagnetik, manusia dapat
melakukan pengiriman informasi jarak jauh. Guglielmo Marconi (1874 - 1937)
pada tahun 1890-an menemukan dan mengembangkan telegraf tanpa kabel.
Dengan alat ini, pesan dapat dikirim sejauh ratusan kilo-meter tanpa memerlukan
kabel.
Sinyal yang pertama hanya terdiri atas pulsa panjang dan pendek yang
dapat diterjemahkan menjadi kata-kata melalui kode, seperti (.) dan (-) dalam
kode Morse ada dekade berikutnya dikembangkan tabung vakum, sehingga
tercipta radio dan televisi. Proses pengiriman (kata-kata atau suara) oleh stasiun
radio ditunjukkan pada Gambar 8.10. Informasi suara (audio) diubah menjadi
sinyal listrik dengan frekuensi sama oleh mikrofon atau head tape recorder.
Sinyal listrik ini dinamakan sinyal frekuensi audio (AF), karena frekuensi berada
di dalam interval audio ( 20 Hz - 20.000 Hz).
Sinyal ini diperkuat secara elektronis, kemudian dicampur dengan sinyal
frekuensi radio (RF) yang ditentukan oleh nilai L dan C dalam rangkaian
resonansi RLC, dan dipilih sedemikian rupa hingga menghasilkan frekuensi khas
dari setiap stasiun, dinamakan frekuensi pembawa (carrier).
19
Pencampuran frekuensi audio dan pembawa dilakukan dengan dua cara,
yaitu modulasi amplitudo dan modulasi frekuensi. Pada modulasi amplitudo
(AM), amplitudo gelombang pembawa yang frekuensinya lebih tinggi dibuat
bervariasi mengikuti sinyal audio, tampak seperti pada Gambar diatas.
Sementara itu, modulasi frekuensi (FM), frekuensi gelombang pembawa
diubah-ubah mengikuti sinyal audio, tampak seperti pada Gambar dibawah
Pemancar televisi, bekerja dengan cara yang sama dengan pemancar radio
dengan menggunakan modulasi frekuensi (FM), tapi yang dicampur dengan
frekuensi pembawa adalah sinyal audio dan video.
20
Contoh lain dari aplikasi gelombang elektromagnetik :
Gelombang Mikro
Panjang gelombang radiasi gelombang mikro berkisar antara 0,3 300 cm.
Penggunaannya terutama dalam bidang komunikasi dan pengiriman informasi
melalui ruang terbuka, memasak, dan sistem PJ aktif. Pada sistem PJ aktif, pulsa
microwave ditembakkan kepada sebuah target dan refleksinya diukur untuk
mempelajari karakteristik target. Sebagai contoh aplikasinya adalah Tropical
Rainfall Measuring Missions (TRMM) Microwave Imager (TMI), yang
21
mengukur radiasi microwave yang dipancarkan dari Spektrum elektromagnetik
atmosfer bumi untuk mengukur penguapan, kandungan air di awan dan intensitas
hujan.
Inframerah
Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran
inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan
untuk mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Radiasi
inframerah dapat juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa
sepengetahuannya akan menghalangi sinar dan membunyikan alarm. Remote
control terkoneksi dengan TV melalui radiasi sinar inframerah yang dihasilkan
oleh LED ( Light Emiting Diode ) yang terdapat dalam unit, sehingga kita dapat
menyalakan TV dari jarak jauh dengan menggunakan remote control.
Ultraviolet
Sinar UV diperlukan dalam asimilasi tumbuhan dan dapat membunuh
kuman-kuman penyakit kulit.
Sinar X
Sinar X ini biasa digunakan dalam bidang kedokteran untuk memotret
kedudukan tulang dalam badan terutama untuk menentukan tulang yang patah.
Akan tetapi penggunaan sinar X harus hati-hati sebab jaringan sel-sel manusia
dapat rusak akibat penggunaan sinar X yang terlalu lama.
Teleskop Satelit Inframerah
Teleskop yang dilengkapi dengan piranti sinar inframerah, digunakan
untuk memindai kosmos, dan benda luar angkasa yang belum ditemukan, seperti
asteroid dan komet yang mungkin mengancam bumi. Kamera inframerah
digunakan untuk mendeteksi cahaya dan benda yang memancarkan panas.
Aplikasi Gelombang Elektromagnetik yang lain contohnya adalah solar
cell dan teleskop radio.
22
DAFTAR PUSTAKA
Fitriyana.dkk. 2011. Makalah Gelombang Elektromagnetik.doc.
www.scrib.com diakses pada tanggal 7 November 2012
olympusmicro.com
ig.utexas.edu
noname.2012.Aplikasi Gelombang Elektromagnetik.doct.
www.scrib/40996793.com diakses pada tanggal 7 November 2012.
Noname.2012 Gelombang Elektromagnetik.pdf. www.scrib.com diakses
pada tanggal 7 November 2012