Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak memerlukan medium untuk merambat. Gelombang radio dan Sinar X atau Rontgen merupakan salah satu contoh gelombang elektromagnetik. Manfaat gelombang elektromagnetik sangat banyak diantaranya sebagai media komunikasi dan dimanfaatkan dalam bidang kesehatan seperti sinar X tersebut.

Teori Gelombang Elektromagnetik

Faraday menemukan bahwa perubahan medan magnet dapat menghasilkan gaya gerak listrik terinduksi atau medan listrik. Maxwell berpendapat bahwa perubahan medan listrik akan menimbulkan medan magnet. Perubahan medan magnet dijelaskan pada gambar berikut.

Perubahan medan magnet yang dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik

Perubahan magnet listrik dan medan magnet ditimbulkan dengan cara dua bola isolator bermuatan positif dan negatif digetarkan sehingga jaraknya berubah-ubah sesuai dengan frekuensi getaran tersebut. Perubahan medan magnet tersebut juga menimbulkan medan listrik. Timbulnya medan listrik ini ditandai dengan dipancarkannya gelombang elektromagnetik. Pada gambar dibawah ditunjukkan perubahan medan listrik dan medan magnet yang menimbulkan adanya gelombang elektromagnetik.

Perambatan gelombang elektromagnetik yang tegak lurus arah medan listrik dan magnet

Dari gambar diatas dijelaskan bahwa arah medan magnet selalu saling tegak lurus terhadap arah medan listrik, sedang arah rambat gelombang elektromagnetik selalu tegak lurus baik terhadap medan listrik mampu terhadap medan magnet sehingga gelombang elektromagnetik ini termasuk gelombang transversal. Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini ditentukan oleh mediumnya yaitu :

dengan:

μ_o = permeabilitas ruang hampa,
ε_o = permitivitas ruang hampa,
c = laju perambatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa.

Sebagai contoh perhitungan kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini diperoleh dengan memasukkan nilai μ_o = 4 x 10^-7 Wb/Am (tetapan yang sering muncul pada hukum Gauss) dan nilai ε_o = 8,85 x 10^-12 C/Nm² (tetapan yang sering muncul pada hukum Biot-Savart dan hukum Ampere) ke persamaan diatas sehingga diperoleh nilai:

c = 2,998 x 10⁸ m/s atau sering didekati dengan 3 x 10⁸ m/s.

Nilai kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini ternyata sama dengan nilai kecepatan perambatan cahaya dalam ruang hampa, dan menerka dengan benar bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik.

Percobaan Gelombang Elektromagnetik

Sampai akhir hayatnya ternyata Maxwell belum bisa membuktikan hipotesa tentang teori gelombang elektromagnetiknya.

Pada tahun 1887, Heinrich Hertz ilmuwan fisika yang pertama kali menguji hipotesa Maxwell ini dengan kumparan Ruhmkorf seperti ditunjuk-kan pada gambar berikut.

Kumparan Ruhmkorf untuk membangkitkan dan mendeteksi gelombang elektromagnetik

Jika sakelar S digetarkan maka kumparan Ruhmkorf akan menginduksikan pulsa tegangan pada kedua elektrode bola di sisi A sehingga terjadi percikan api karena adanya pelepasan muatan. Percikan bunga api di sisi A diikuti percikan bunga api pada kedua elektrode bola di sisi B. Berdasarkan pengamatan ini, disimpulkan terjadi pengiriman tenaga gelombang elektro-magnetik dari sisi A (loop pengirim) ke sisi B (loop penerima).

Dalam percobaan-percobaan selanjutnya, Hertz berhasil mengukur bagian gelombang elektromagnetik yang lain, seperti gelombang elektromagnetik frekuensi radio dengan nilai frekuensi 100 MHz. Dengan nilai kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik ini seperti yang diramalkan oleh Maxwell. Sifat-sifat cahaya seperti pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi dan polarisasi telah dibuktikan oleh Hertz terjadi juga pada gelombang elektromagnetik. Untuk menghargai jasa-jasa Hertz maka nama Hertz dipakai sebagai satuan frekuensi dalam sistem SI.

Berdasarkan pada uraian di atas, dapat disimpulkan beberapa sifat gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut:

• Perubahan medan listrik dan medan magnet terjadi pada saat yang bersamaan. Arah medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus.
• Kuat medan listrik dan magnet besarnya berbanding lurus satu dengan yang lain, yaitu menurut hubungan E = c.B.
• Arah perambatan gelombang elektromagnetik selalu tegak lurus arah medan listrik dan medan magnet.
• Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa.
• Gelombang elektromagnetik merambat dengan laju yang hanya bergantung pada sifat-sifat listrik dan magnet medium.
• Laju rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa merupakan tetapan umum dan nilainya c = 3 x 10⁸ m/s.
• Gelombang elektromagnetik adalah berupa gelombang transversal.
• Gelombang elektromagnetik dapat mengalami proses pemantulan, pembiasan, polarisasi, interferensi, dan difraksi (lenturan).
• Gelombang elektromagnetik merambat dalam arah garis lurus.
• Gelombang elektromagnetik tidak disimpangkan oleh medan listrik maupun medan magnet karena tidak bermuatan listrik.

Spektrum Gelombang Elektromagnet

Gelombang elektromagnet terdiri atas bermacam-macam gelombang yang frekuensi dan panjang gelombangnya berbeda, tetapi semua gelombang-gelombang penyusun ini mempunyai kecepatan rambat yang sama yaitu :

c = 3 x 10⁸ m/s. Hubungan antara frekuensi gelombang f atau u, panjang gelombang λ dan kecepatan perambatan c adalah sebagai berikut :

c = f . λ

Spektrum gelombang elektromagnetik diurutkan mulai panjang gelombang paling pendek sampai paling panjang adalah sebagai berikut :

•  Sinar gamma (γ)
• Sinar (rontgen)
• Sinar ultra violet (UV)
• Sinar tampak (cahaya tampak)
• Sinar infra merah (IR)
•  Gelombang radar (gelombang mikro)
• Gelombang televisi
• Gelombang radio

Spektrum gelombang elektromagnetik ditunjukkan pada gambar berikut.

Spektrum gelombang elektromagnetik

Energi Gelombang Elektromagnetik

Kalau kita berada di tepi pantai, kita melihat ombak air laut menghantam karang di pantai dan mendengar deburan ombak. Kita mengetahui bagaimana bencana alam, tsunami (gelombang air laut) merobohkan bangunan-bangunan yang diterjangnya. Kita kena cahaya matahari, kita merasakan kepanasan artinya kita menerima energi panas. Hal ini menunjukkan bahwa gelombang laut membawa energi. Bagaimana halnya dengan gelombang elektromagnetik ini?

Gelombang elektromagnetik ini juga membawa energi yaitu dalam bentuk medan listrik dan medan magnet, seperti ditunjukkan pada gambar perambatan gelombang elektromagnetikdiatas. Kita tinjau suatu gelombang elektromagnetik yang menjalar ke arah sumbu x maka medan listrik dan medan magnet sesaatnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

E = E_m sin (kx – ωt)

B = B_m sin (kx – ωt)

dengan:

E_m = amplitudo medan listrik,
B_m = amplitudo medan magnet,
k = tetapan angka gelombang, 
ω = frekuensi sudut, ω = 2 πf

Maxwell berhasil menemukan hubungan antara amplitudo medan listrik dan amplitudo medan magnet yaitu:

dengan:

c = laju perambatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa. (c = 3 x 10⁸ m/s).

Perbandingan antara amplitudo medan listrik dengan amplitudo medan magnetik dari suatugelombang elektromagnetik selalu sama dengan laju perambatan cahaya dalam ruang hampa.