Gelombang Elektromagnetik

 بِسْمِ اللهِ الّرحْمنِ الّرحِيْمِ

السَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ

Pengertian Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak membutuhkan medium untuk merambat. Artinya, gelombang elektromagnetik bisa merambat meskipun dalam ruang hampa seperti di luar angkasa.

Gelombang elektromagnetik dibentuk oleh medan magnet dan medan listrik yang saling merambat tegak lurus. Sumber penghasil gelombang elektromagnetik berbeda-beda. Beberapa di antaranya dihasilkan oleh nuklir atau atomik yang di dalamnya memuat fisika kuantum. Perhatikan ilustrasi gelombang elektromagnetik berikut ini.

Untuk kelajuan gelombang elektromagnetik bisa ditentukan dengan persamaan berikut.

Keterangan:

c = kelajuan gelombang elektromagnetik (m/s);

E = besar medan listrik (N/C); dan

B = besar medan magnet (T).

Spektrum Gelombang Elektromagnetik

1. Gelombang radio

Gelombang radio merupakan spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang terbesar dan frekuensi terkecil. Gelombang ini dihasilkan oleh elektron pada kawat penghantar. Elektron tersebut nantinya akan menghasilkan arus bolak-balik pada kawat. Gelombang radio dipancarkan melalui transmitter (antena pemancar) dan diterima oleh receiver (antena penerima).

Manfaat gelombang radio;

Gelombang yang digunakan sebagai gelombang pembawa audio (suara). Biasanya kamu kenal sebagai radio.

2. Gelombang mikro

Gelombang mikro merupakan spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi terkecil kedua setelah gelombang radio. Frekuensi gelombang mikro adalah 10¹⁰ Hz dengan panjang gelombang 3 mm. gelombang mikro biasa dimanfaatkan untuk kepentingan deteksi bawah laut menggunakan radar, membantu pendaratan pesawat, dan sebagainya.

Sehingga di antara manfaat gelombang mikro adalah:

• Pemanas makanan (microwave).
• Untuk komunikasi pada teknologi RADAR.
• Menganalisis struktur atomik dan molekul.
• Memandu pendaratan pesawat.
• Mendeteksi keberadaan suatu objek.

3. Sinar inframerah

Sinar inframerah memiliki frekuensi lebih besar daripada gelombang mikro. Frekuensi sinar inframerah berada di rentang 10¹¹ Hz – 10¹⁴ Hz. Artinya, panjang gelombang sinar inframerah lebih kecil daripada gelombang radio dan gelombang mikro. 

Sinar inframerah banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya di bidang kedokteran untuk terapi saraf dan penyembuhan penyakit encok, di bidang militer untuk melihat di tempat gelap atau berkabut, di bidang elektronika untuk remote control, dan masih banyak lainnya.

Sehingga di antara manfaat sinar inframerah adalah sebagai berikut:

• Untuk terapi fisik, misalnya menyembuhkan penyakit cacar dan encok.
• Untuk fotografi pemetaan sumber daya alam.
• Digunakan pada remote control.
• Mengeringkan cat kendaraan dengan cepat pada industri otomotif.

4. Cahaya tampak

Jika di spektrum sebelumnya kamu tidak bisa melihat wujud gelombangnya, tidak demikian dengan cahaya tampak. Warna-warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu merupakan bentuk spektrum cahaya tampak. Cahaya tampak memiliki frekuensi sekitar 10¹⁵ Hz dengan panjang gelombang 400 nm – 800 nm. 

Panjang gelombang terpendek dari cahaya tampak dimiliki oleh cahaya ungu. Artinya, cahaya ungu memiliki frekuensi dan energi terbesar dibandingkan warna lainnya. Sementara itu, panjang gelombang terpanjang dimiliki oleh cahaya merah. Aplikasi cahaya tampak bisa kamu lihat pada laser.

Untuk cahaya tampak, memiliki manfaat berikut ini:

• Sinar laser digunakan pada bidang telekomunikasi untuk menyalurkan suara, gambar, atau sinyal melalui serat optik.
• Sinar laser digunakan di bidang kedokteran sebagai alat untuk mendiagnosis penyakit.
• Di bidang industri, sinar laser digunakan untuk mengelas dan memotong lempengan baja.

5. Sinar ultraviolet

Sinar ultraviolet atau biasa disingkat sinar UV merupakan spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi 10¹⁵ – 10¹⁶ Hz. Panjang gelombang sinar UV adalah 10 – 100 nm. Sinar UV dihasilkan oleh radiasi sinar Matahari.

Sinar ultraviolet bisa dimanfaatkan untuk hal-hal berikut:

• Proses fotosintesis atau asimilasi pada tumbuhan.
• Pembentukan vitamin D.
• Membunuh kuman penyakit.
• Mensterilkan ruangan.
• Memeriksa keaslian tanda tangan di dunia perbankan.

6. Sinar X

Sinar X merupakan spektrum gelombang elektromagnetik dengan frekuensi atau energi terbesar kedua setelah sinar gamma. Frekuensi sinar X berada di kisaran 10¹⁶ – 10²⁰ Hz. Sinar ini ditemukan oleh Wilhelm Rontgen. Itulah mengapa sinar X juga biasa disebut sinar Rontgen. Sinar X dihasilkan oleh aktivitas elektron berkecepatan tinggi yang menumbuk logam. Tumbukan antara elektron dan logam disertai pelepasan energi dalam bentuk radiasi sinar X. Oleh karena energinya sangat besar, tak heran jika sinar X mampu menembus logam dan tulang manusia.

Sinar X bisa dimanfaatkan untuk hal-hal berikut:

• Memotret organ-organ dalam tubuh seperti tulang, jantung, dan paru-paru.
• Menganalisis struktur bahan atau kristal.
• Mendeteksi keretakan atau cacat pada logam.
• Memeriksa barang-barang di bandara.

7. Sinar gamma

Sinar gamma merupakan spektrum gelombang elektromagnetik dengan energi tertinggi. Hal itu dikarenakan sinar gamma memiliki frekuensi tertinggi di antara spektrum gelombang elektromagnetik lainnya, yaitu 10²⁰ – 10²⁵ Hz. Mengingat energi sinar gamma sangat besar, tak heran jika sinar ini bisa menembus logam beberapa sentimeter. Sinar gamma dihasilkan oleh aktivitas radioaktif atau atom-atom yang tidak stabil di reaksi inti.

Sinar gamma bermanfaat untuk hal-hal berikut:

• Terapi kanker.
• Sterilisasi peralatan rumah sakit.
• Sterilisasi makanan kemasan.
• Pembuatan varietas tanaman unggul tahan hama.
• Mengurangi populasi hama.

Tampilan di bawah ini sebagai perbandingan serta tambahan dari uraian mengenai gelombang elektromagnetik.

Gelombang cahaya

1. Difraksi

Apa yang terjadi apabila gelombang  permukaan air melalui celah yang sempit ?

Pengertian Difraksi

Jika sebuah gelombang permukaan air tiba pada suatu celah sempit, maka gelombang ini akan mengalami lenturan/pembelokan sehingga terjadi gelombang-gelombang setengah lingkaran yang melebar di daerah belakang celah tersebut. Gejala ini disebut difraksi.

Cahaya bila di jatuhkan pada celah sempit /penghalang, akan terjadi peristiwa difraksi

Difraksi Gelombang air Laut/sungai.

Difraksi pada gelombang air dilihat dari atas

a. Difraksi Celah Tunggal

Pola difraksi yang disebabkan oleh celah tunggal dijelaskan oleh Christian Huygens. Menurut Huygens, tiap bagian celah berfungsi sebagai sumber gelombang sehingga cahaya dari satu bagian celah dapat berinterferensi dengan cahaya dari bagian celah lainnya.

Bagaimana garis/pita gelap dan terang pada peristiwa difraksi bisa terjadi?

Mari kita analisis dengan memperhatikan gambar dan penjelasan berikut ini !

Analisis Pola Terang/Gelap pada Difraksi Celah Tunggal;
(a) Cahaya monokromatis yang melewati celah sempit akan menghasilkan pola terang/gelap; (b) Interferensi minimum terjadi jika gelombang 1 dan 3 atau 2 dan 4 memiliki beda lintasan sebesar d/2 sin θ dan beda fase kedua gelombang sebesar ½ panjang gelombang.

Interferensi minimum yang menghasilkan garis gelap pada layar akan terjadi jika gelombang 1 dan 3 atau 2 dan 4 berbeda fase ½, atau lintasannya sebesar setengah panjang gelombang.

Berdasarkan Gambar tersebut, diperoleh beda lintasan kedua gelombang (d sin θ)/2.

ΔS = (d sin θ)/2 dan ΔS = ½ λ, jadi d sin θ = λ

Jika celah tunggal itu dibagi menjadi empat bagian, pola interferensi minimumnya menjadi

ΔS = (d sin θ)/4 dan ΔS = ½ λ, jadi d sin θ = 2λ

Berdasarkan penurunan persamaan di atas maka Interferensi Minimum (destruktif) yang menghasilkan pita gelap dirumuskan dengan :

 .... (1)

dengan:
d = lebar celah
λ = panjang gelombang
m = 1, 2, 3, . . .
m = 1 untuk pita gelap ke–1
m = 2 untuk pita gelap ke-2, dst

untuk sudut θ yang kecil nilai sin θ » tan θ (dalam satuan radian).
Berdasarkan gambar, tan θ = p/L. Sehingga persamaan (1) di atas menjadi:

Untuk Jarak pita terang/gelap yang berurutan (Δp) dirumuskan dengan :

dimana :
p = jarak dari pita terang pusat ke pita gelap ke-m
Δp = jarak pita terang/gelap yang berurutan

L = jarak dari celah ke layar

b. Difraksi Kisi

Kisi adalah sebuah susunan dari sejumlah besar celah sejajar yang lebar dan jarak antar celahnya sama. Kisi-kisi dapat dibuat dengan menggunakan sebuah ujung intan untuk menggoreskan banyak alur yang berjarak sama (presisi tinggi) pada sebuah kaca atau permukaan logam. Jika seberkas cahaya monokromatis dilewatkan pada kisi, pola difraksi yang dihasilkan pada layar berupa garis terang dan garis gelap secara bergantian. Pola difraksi yang dihasilkan oleh kisi jauh lebih tajam dibandingkan dengan interferensi celah ganda. Semakin banyak celah pada sebuah kisi yang memiliki lebar yang sama, semakin tajam pola difraksi yang dihasilkan pada layar.

Perhatikan gambar berikut ini.

Skema Percobaan Difraksi pada Kisi

Interferensi maksimum terjadi bila beda lintasan cahaya datang dari dua celah yang berdekatan sebesar kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang.

Δs = d sin θ dan Δs = λ, 2λ, 3λ, ...

Sehingga interferensi maksimum yang terjadi pada kisi difraksi dapat dirumuskan sebagai berikut :

Dimana :

dengan:
d = jarak antar celah atau tetapan kisi
N = jumlah garis per satuan panjang
λ = panjang gelombang
m = orde dari difraksi = 1, 2, 3, . . .
m = 1 untuk pita terang ke–1
m = 2 untuk pita terang ke-2, dst

 2. Interferensi

a. Interferensi Celah Ganda

Interferensi adalah penjumlahan superposisi dari dua gelombang cahaya atau lebih yang koheren (memiliki beda fase, frekuensi dan amplitudo sama) dan menimbulkan pola gelombang yang baru. Interferensi dapat bersifat membangun/saling menguatkan (konstruktif) dan merusak/saling melemahkan (destruktif). Percobaan interferensi dilakukan oleh Thomas Young, seorang ahli fisika membuat dua sumber cahaya koheren dari satu sumber cahaya monokromatik yang dilewatkan melalui dua buah celah sempit.

Mari kita analisis bagaimana pita terang/gelap pada gejala interferensi cahaya bisa terjadi? Ayo perhatikan gambar dan penjelasan berikut ini!

Skema Percobaan Interferensi Celah Ganda Young

Interferensi maksimum atau minimum dapat terjadi karena panjang lintasan yang ditempuh gelombang S1 tidak sama dengan gelombang S2, kedua gelombang tersebut memiliki beda lintasan sebesar :

Δs = d sin θ ...  (2)

Interferensi Maksimum pada Percobaan Young

Interferensi maksimum terjadi bila kedua gelombang yang keluar dari celah bertemu pada suatu titik memiliki beda fase yang sama atau beda lintasan yang ditempuh kedua gelombang merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang (λ, 2λ, 3λ, ...) seperti yang diperlihatkan oleh gambar berikut.

Superposisi Dua Gelombang yang menghasilkan Interferensi Maksimum (Konstruktif)

ΔS = mλ ... (3)

Sehingga dari persamaan (2) dan (3), Interferensi maksimum dapat dirumuskan:

Untuks sudut θ yang kecil, berlaku nilai sin θ tan θ =p/L (dalam satuan radian).

dimana :
d = jarak antara kedua celah
p = jarak dari pita terang pusat ke pita terang ke-m
λ = panjang gelombang
m = orde interferensi  = 1, 2, 3, . . .
m = 1 untuk pita terang ke-1
m = 2 untuk pita terang ke-2, dst

Interferensi Minimum pada Percobaan Young

Interferensi minimum terjadi bila kedua gelombang yang keluar dari celah bertemu pada suatu titik memiliki beda fase yang berlawanan atau beda lintasan yang ditempuh kedua gelombang merupakan kelipatan dari setengah panjang gelombang seperti yang diperlihatkan oleh gambar berikut.

Superposisi Dua Gelombang yang menghasilkan Interferensi Minimum (Destruktif)

... (4)

Sehingga dari persamaan (2) dan (4), Interferensi minimum dapat dirumuskan:

Untuks sudut θ yang kecil, berlaku nilai sin θ tan θ =p/L (dalam satuan radian).

dimana :
d = jarak antara kedua celah
p = jarak dari pita terang pusat ke pita gelap ke-m
λ = panjang gelombang
m = orde interferensi  = 1, 2, 3, . . .
m = 1 untuk pita gelap ke-1
m = 2 untuk pita gelap ke-2, dst
Untuk Jarak pita terang/gelap yang berurutan (Δp) dirumuskan dengan:

 b. Interferensi pada Lapisan Tipis

Kamu pasti sering melihat pita-pita berwarna seperti pelangi bila cahaya terefleksikan dari sebuah gelembung sabun atau dari lapisan minyak tipis yang mengapung pada permukaan air. Tahukah kamu bahwa kejadian seperti diatas yang sering kamu lihat merupakan hasil interferensi?

Interferensi pada gelembung sabun

Ayo pelajari lebih lanjut, mengapa kejadian di atas bisa terjadi !
Gelombang cahaya direfleksikan (dipantulkan) dari permukaan-permukaan yang berlawanan dari film tipis seperti gambar di atas. Interferensi konstruktif di antara kedua gelombang yang direfleksikan itu (dengan panjang lintasan yang berbeda) terjadi di tempat yang berbeda untuk panjang gelombang yang berbeda.
Perhatikan gambar berikut ini !
Interferensi di antara sinar-sinar yang direfleksikan permukaan atas dan bawah dari sebuah film tipis 
(larutan air sabun)

Cahaya yang menyinari permukaan sebelah atas dari sebuah film tipis dengan tebal d sebagian direfleksikan di permukaan sebelah atas (lintasan ABD atau gelombang S1). Cahaya yang ditransmisikan melalui permukaan sebelah atas sebagian direfleksikan di permukaan sebelah bawah (lintasan ABCEF atau gelombang S2). Kedua gelombang (S1 dan S2) yang direfleksikan itu berkumpul di retina mata. Kedua gelombang itu dapat berinterferensi secara konstruktif atau destruktif, tergantung dari hubungan fasenya. Warna-warna yang berbeda mempunyai panjang gelombang yang berbeda pula, sehingga interferensi itu dapat konstruktif untuk beberapa warna dan destruktif untuk warna lainnya. Itulah sebabnya mengapa kita melihat cincin-cincin atau pita-pita yang berwarna seperti pelangi. Bentuk-bentuk yang rumit dari cincin-cincin berwarna dihasilkan dari perubahan ketebalan film minyak itu.
Beda lintasan antara gelombang S1 dan S2sebesar :

ΔS = S2-S1 = 2nd cos r ... (5)

Interferensi maksimum, terjadi bila beda lintasan ΔS harus merupakan kelipatan bulat dari panjang gelombang (0, λ, 2λ, 3λ, ... = mλ), tetapi karena sinar pantul di C mengalami perubahan fase sebesar ½ λ, maka:

ΔS = (m +1/2)λ ... (6)

Sehingga dari persamaan (5) dan (6), di dapatkan persamaan Interferensi maksimumpada Lapisan Tipis sebesar :

dimana :
n = indeks bias lapisantipis
d = tebal lapisan tipis
r = sudut bias
m = orde interferensi (0,1,2, ...)
λ = panjang gelombang

Interferensi minimum, terjadi bila beda lintasan ΔS harus merupakan kelipatan dari setengah panjang gelombang (1/2 λ, 3/2λ, 5/2λ, ... = ½ mλ), tetapi karena sinar pantul di C mengalami perubahan fase sebesar ½, maka:

ΔS = mλ ... (7)

Sehingga dari persamaan (5) dan (7), di dapatkan persamaan Interferensi minimumpada Lapisan Tipis sebesar:

dimana : m = 1,2,3, ...

Berikut adalah rumus-rumus fisika dari sumber lain, sebagai bahan perbandingan.
Rumus-rumus Fisika Cahaya, 12 SMA : Difraksi celah tunggal, interferensi celah ganda, kisi difraksi, daya urai optis, polarisasi cahaya.

Difraksi Celah Tunggal

dimana

d = lebar celah tunggal / celah sempit
y = jarak pita gelap ke - n dari pusat
L = jarak celah ke layar
θ = sudut simpang cahaya

Interferensi Celah Ganda



Kisi Difraksi



Daya Urai



Polarisasi Cahaya

from fis study center