GELOMABNG ELEKTROMAGNETIK

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK Hukum Ampere- Maxwell memprediksikan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu menciptakan medan magnet, sama seperti yang dinyatakan oleh hukum Faraday bahwa medan magnet, sama seperti yang dinyatakan oleh hukum Faraday bahwa medan magnet yang berubah terhadap waktu menciptakan medan listrik. Persanaan-persamaan Maxwell juga memprediksikan adanya gelombang elektromagnetik yang merambat dalam ruang pada kelajuan cahaya, c. pada tingkat konseptual, Maxwell menyatukan pembahasan mengenai cahaya dan elektromagnetisme dengan mengembangkan gagasan bahwa cahaya merupakan suatu bentuk dari radiasi elektromagnetik. Gelombang terdiri atas medan listrik dan medan magnet yang berosilasi pada sudut siku-siku satu sama lain dan terhadap arah rambat gelombangnya. Oleh karena itu, gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal. Gelombang-gelombang yang dipancarkan dari muatan yang berosilasi dapat dideteksi pada jarak-jarak yang jauh. Terlebih lagi, gelombang elektromagnetik membawa energy dari momentum, dan oleh karena itu, bisa memberikan tekanan pada suatu permukaan. 34.1 Persamaan-persamaan Maxwell dan Penemuan Hertz Maxwell menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan sebuah konsekuensi alamiah dari hukum-hukum fundamental yang ditulis dalam keempat persamaan berikut: Perangkat eksperimen yang digunakan oleh Hertz untuk mendeteksi gelombang elektromagnetik pada sebuah kumparan induksi yang terhubung dengan pemancar yang terdiri atas dua electrode berbentuk bola yang dipisahkan oleh jarak yang pendek. Kumparan induksi memberikan lonjakan tegangan singkat pada electrode-elektrodenya, serta menjadikan yang satunya positif dan yang lainnya negatif. Percikan api tercipta diantara bola-bola tersebut ketika medan listrik yang dekat dengan salah satu electrode melampaui kekuatan dielektrik udara (3 x 106 ) V/m. dalam medan listrik yang kuat, percepatan electron-elektron bebas menyediakan energy yang memadai untuk mengionisasi setiap molekul yang ditabraknya. Sewaktu udara di dalam sela mengalami ionisasi, udara ini menjadi konduktor yang jauh lebih baik, dan pengosongan muatan antara electrode-elektrode tersebut memperlihatkan perilaku osilasi pada frekuensi yang sangat tinggi. Dari sudut pandang rangkaian listrik, hal ini equivalen dengan rangkaian LC yang induktansinya berasal dari kumparan dan yang kapasitansinya bergantung dengan elektrode-elektrode berbentuk bolanya. Hertz mampu mendeteksi gelombang-gelombang ini menggunakan loop kawat tunggal dengan sela percikan apinya tersendiri (alat penerima). Loop penerima seperti itu, ditempatkan beberapa meter dari pemancar, memiliki induktansi, kapasitansi, dan frekuensi alamiah osilasinya tersendiri. Dalam percobaan Hertz, percikan-percikan api diinduksikan pada sela dari electrode-elektrode penerima ketika frekuensi dari alat penerima diubah agar sesuai dengan frekuensi pemancar. Hertz memperagakan bahwa arus osilasi yang diinduksikan pada alat penerima dihasilkan oleh gelombang elektromagnetik yang di pancarkan oleh pemancar. Pengalamannya merupakan analog bagi fenomena mekanik dimana sebuah garbu tala merespon getaran akustik dari sebuah garbu tala yang sama, yang juga berosilasi. Selain itu, Hertz menunjukkan dalam serangkaian percobaannya bahwa sinar yang dihasilkan oleh perangkat sela percik apinya memperlihatkan sifat-sifat gelombang, yaitu interferensi, difraksi, pantulan, refraksi, dan polarisasi, yang semuanya merupakan sifat-sifat yang ditunjukkan oleh cahaya. Dari percobaan sinar yang dilakukan oleh Hertz ini gelombang-gelombang dengan frekuensi yang diketahui dipantulkan dari lembar logam dan menghasilkan sebuah pola interferensi gelombang berdiri, yang titik-titik nodusnya bisa dideteksi. Jarak yang diukur di antara titik-titik nodus memungkinkan Hertz untuk menentukan panjang gelombang λ. Dengan menggunakan hubungan v = λf , Hertz menemukan bahwa v mendekati 3 x 108 m/s, kelajuan yang diketahui dari cahaya tampak, c. 34.2 Gelombang Elektromagnetik Bidang Untuk memahami prediksi dari gelombang elektromagnetik secara lebih lengkap, kita harus memperhatikan sebuah gelombang elektromagnetik yang merambat dalam arah x (arah rambatnya). Dalam gelombang ini, medan listrik E berada dalam arah y, dan bidang magnetik B berada dalam arah z. Gelombang-gelombang seperti ini, dimana medan listrik dan medan magnetnya dijaga agar sejajar dengan sepasang sumbu yang saling tegak lurus, disebut sebagai gelombang terpolarisasi secara liner. Lebih jauh lagi, kita asumsikan bahwa di setiap titik dalam ruang, besar E dan B dari medan bergantung hanya pada x dan t saja, serta tidak bergantung pada koordinat y atau z. Sumber gelombang elektromagnetik adalah seperti gelombang yang dipancarkan dari posisi manapun dibidang yz (dan bukan hanya dari titik asalnya, yang merambat dalam arah x, dan semua gelombang seperti itu dipancarkan sefase. Apabila kita mendefinisikan sinar sebagai garis dimana gelombangnya merambat, maka semua sinar untuk gelombang-gelombang ini adalah sejajar. Keseluruhan kumpulan gelombang ini sering kali disebut sebagai gelombang bidang. Permukaan yang menghubungkan titik-titik yang sefase pada semua gelombang yang disebut muka gelombang. Suatu permukaan yang menghubungkan titik-titik yang untuk situasi ini adalah sebuah bola, jadi hal ini disebut gelombang bola. Kita dapat mengaitkan E dan B satu sama lain dengan persamaan 34.3 dan 34.4. dalam ruang hampa, dimana q = 0 dan I = 0, sehingga menjadi dengan menggunakan persamaan 34.4 dan 34.5 serta asumsi gelombang bidang, kita akan memperoleh persamaan-persamaan diferensial berikut yang menghubungkan E dan B. Turunan disini adalah turunan parsial. Dengan menghitung turunan dari persamaan 34.6 sehubungan dengan x dan menggabungkan hasilnya dengan persamaan 34.7, kita akan memperoleh Dengan cara yang sama, ketika kita menghitung turunan dari persamaan 34.7 terhadap x dan menggabungkannya dengan persamaan 34.6, akan didapatkan Dari persamaan 34.8 dan 34.9 keduanya memiliki bentuk persamaan gelombang dengan kelajuan gelombang v digantikan oleh c, dimana dengan μ0 = 4π x 10-7 T. m/A dan ε0 = 8,85419 x 10-12 C2/N.m2 dalam persamaan 34.10, kita menemukan bahwa c = 2,99792 x 108 m/s. oleh karena kelajuan ini tepat sama dengan kelajuan cahaya dalam ruang hampa, kita akhirnya dibuat yakin bahwa cahaya merupakan sebuah gelombang elektromagnetik. Solusi paling sederhan auntuk persamaan 34.8 dan 34.9 adalah gelombang sinusoidal, dimana besar medan listrik E dan B berubah seiring x dan t menurut persamaan E = Emaks cos (kx - t) (34.11) B = Bmaks cos (kx - t) (34.12) Dimana Emaks dan Bmaks adalah nilai-nilai maksimum dari medan-medannya. Bilangan gelombang sudutnya adalah k = 2π/λ, dimana λ adalah panjang gelombang. Frekuensi sudutnya dalah = 2πf, dimana f adalah frekuensi gelombang. Rasio /k sama dengan kelajuan gelombang elektromagnetik, c: Dimana kita telah menggunakan persamaan 16.12, v = c = λf, yang menghubungkan kelajuan,frekuensi, dan panjang gelombang untuk semua gelombang yang kontinu. Jadi, untuk gelombang elektromagnetik, panjang gelombang dan frekuensinya dihubungkan oleh maka dari persamaan 34.11 dan 34.12, dapat dilihat bahwa Emaks/Bmaks = E/B = c (34.14) Artinya, pada setiap waktu, rasio besarnya medan listrik terhadap besarnya medan magnet pada gelombang elektromagnetik sama dengan kelajuan cahaya. Jadi, sifat-sifat dari gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut: Solusi-solusi dari persamaan Maxwell yang ketiga dan keempat adalah seperti persamaan untuk gelombang. Baik E maupun B memenuhi persamaan gelombang. Gelombang elektromagnetik merambat melalui ruang hampa pada kelajuan cahaya c = 1/√μoεo Komponen-komponen medan listrik dan medan magnet dari gelombang elektromagnetik bidang tegak lurus satu sama lain dan tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal. Besar dari E dan B dalam ruang hampa dihubungkan oleh persamaan E/B = c. Gelombang elektromagnetik memenuhi prinsip superposisi.   34.3 Energi yang Dibawa oleh Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik membawa energy seiring gelombang tersebut merambat melalui ruang. Gelombang tersebut bisa memindahkan energy kepada benda-benda yang ditempatkan pada lintasannya. Laju aliran energy dalam sebuah gelombang elektromagnetik yang dijelaskan oleh vector S, disebut sebagai vector pointing, yang didefinisikan oleh persamaan S ≡ 1/μo E x B (34.19) Besarnya vector pointing merepresentasikan laju aloran energy yang menembus suatu luas permukaan yang tegak lurus arah rambat gelombang. Jadi besarnya vector Poynting mempresentasikan daya per satuan luas. Arah vektor ini adalah sepanjang arah rambat gelombang. Satuan SI dari vektor Poynting adalah J/s . m2 . Intensitas gelombang dinyatakan sebagi berikut Rapat energi sesaat total u sama dengan jumlah rapat energi sesaat yang disebabkan oleh medan listrik. Rapat energi sesaat total u sama dengan jumlah rapat energi dari medan listrik dan rapat energi dari medan magnet: u = ¬uE + uB = ε0 E2 = B/2μo Rapat energi rata-rata dari gelombang elektromagnetik Urata-rata = ε0 (E2)rata-rata = 1/2 ε0E2maks = (B maks)/2μo   Nilai rata-rata S I =Srata-rata = curata-rata Dengan kata lain, intensitas dari sebuah gelombang elektromagnetik sama dengan rapat energi rata-rata dikalikan dengan kelajuan cahaya. 34.4 Momentum dan Tekanan Radiasi Gelombang elektromagnetik membawa momentum linier, seperti halnya ia membawa energi. Maxwell menyatakan bahwa jika permukaannya menyerap seluruh energi yang datang U dalam selang waktu ini, besarnya momentum total p yang dihantarkan pada permukaan adalah (absorbsi sempurna). Untuk momentum yang dipindahkan kepada permukaan penyerap sempurna P = U/c (absorbsi sempurna) Tekanan radiasi pada permukaan penyerap sempurna P = 2U/c (Pemantulan Sempurna) 34.5 Pemantulan Gelombang Elektromagnetik oleh Sebuah Antena Mekanisme dasar yang menggerakkan radiasi ini adalah percepatan dari partikel bermuatan. Setiap kali partikel yang bermuatan bergerak dipercepat, partikel ini pastilah memancarkan energi. Gelombang elektromagnetik juga bisa menginduksi arus-arus dalam antenna penerima. Respons dari sebuah antenna penerima dipole pada posis tertentu adalah maksimum ketika sumbu antenna sejajar dengan medan listrik pada titik tersebut dan nol ketika sumbunya tegak lurus medan listriknya. 34.6 Spektrum Gelombang Elektromagnetik Gelombang radio, panjang gelombangnya berkisar lebih dari 104 m hingga sekitar0,1 m, diakibatkan oleh muatan-muatan yang bergerak dipercepat melalui kawat-kawat konduktor. Gelombang ini dihasilkan oleh alat-alat listrik seperti osilator LC dan digunakan dalam berbagai sistem komunikasi radio dan televise. Gelombang mikro, panjang gelombangnya berkisar dari sekitar 0,3 m hingga 10-4 m dan juga dihasilkan oleh alat-alat listrik. Oleh karena panjang gelombangnya kecil, gelombang mikro sangat cocok untuk berbagai sistem radar serta untuk mempelajari sifat-sifat atom dan molekul dari bahan. Gelombang Inframerah, panjang gelombangnya berkisar dari 10-3m hingga panjang gelombang terpanjang dari cahaya tampak, yaitu 7 x 10-7m. Cahaya tampak, sebagai bentuk yang paling ideal dari gelombang elektromagnetik, merupakan bagian dari spectrum elektromagnetik yang bisa dideteksi oleh mata manusia (tanpa alat bantu penglihatan). Cahaya dihasilkan oleh penataan ulang electron-elektron da dalam atom-atom dan molekul-molekul. Berbagai panjang gelombang dari cahaya tampak bersesuaian dengan warna-warna yang berbeda, mulai dari merah hingga ungu. Gelombang Ultraviolet meliputi panjang gelombang yang panjangnya berkisar antara kira-kira 4 x 10-7m hingga 6 x 10-10m. Matahari merupakan sumber penting dari sinar ultraviolet (UV), yang merupakan penyebab utama dari terbakarnya kulit kita. Sinar X memiliki panjang gelombang dalam kisaran 10-8m hingga 10-12m. Sumber paling umum dari sinar X adalah penghentian elektron-elektron berenergi tinggi pada penembakan suatu sasaran logam. Sinar X dapat mematikan dan merusak jaringan-jaringan dan organism-organisme yang hidup. Sinar Gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh inti radioaktif dan dalam reaksi-reaksi nuklir tertentu. Sinar Gamma sangat berbahaya, oleh karena itu mereka yang bkerja dekat sinar yang berbahaya semacam itu harus dilindungi dengan bahan-bahan yang bisa menyerap sejumlah besar sinar tersebut, misalnya lapisan timbal yang tebal.