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