Spektrum Gelombang Elektromagnetik

1 A. Spektrum Gelombang Elektromagnetik 1. Penemuan Gelombang Elektromagnetik Pada tahun 1804, Thomas Young (1773-1829), ilmuwan Inggris, berhasil mendemonstrasikan interferensi cahaya, yaitu fenomena di mana dua sumber cahaya koheren yang dihasilkan oleh celah ganda membentuk pita terang dan pita gelap secara bergantian pada layar. Augustin Fresnel (1788-1827), ilmuwan Perancis, melakukan percobaan yang mirip dengan percobaan interferensi Young. Bahkan, Fresnel-lah yang berjasa dalam memberikan teori matematika tentang interferensi dan difraksi cahaya. Untuk kerjanya ini, Fresnel menerima penghargaan dari Paris Academy pada tahun 1818. Kegagalan teori partikel cahaya Newton menjelaskan interferensi cahaya menyebabkan Young dan Fresnel mengemukakan teori gelombang transversal cahaya. Keduanya memandang cahaya sebagai gelombang transversal yang merambat melalui suatu medium. Keduanya memandang orang telah mengetahui bahwa cepat rambat cahaya dalam vakum adalah c = 3 x 108 m/s. Memandang cahaya sebagai gelombang transversal yang memerlukan medium untuk perambatan sungguh menyulitkan para ilmuwan. Bagaimana orang bisa percaya bahwa medium (disebut “eter”) memenuhi semua angkasa, padahal orang mengetahui bahwa planet-planet bergerak bebas melalui angkasa tepat seperti planet-planet ini bergerak melalui suatu vakum yang tanpa hambatan sama sekali. James Clerk Maxwell (1831-1879), ilmuwan Skotlandia yang telah menekuni listrik dan magnet selama bertahun-tahun, kemudian mengajukan suatu teori gelombang elektromagnetik.

Cepat rambat gelombang elektromagnetik

dengan c = cepat rambat gelombang elektromagnetik (3 x 108 m/s) μ0 = permeabilitas vakum = 4π x 10-7 Wb A-1 m-1 ε0= permitivitas vakum = 8,85418 x 10-12 C2 N-1 m-2 Nilai c = 3 x 108 m/s tepat sama dengan cepat rambat cahaya dalam vakum, Maxwell tidak percaya bahwa hasil hitungan persamaannya ini adalah kebetulan belaka. Karena itu, dengan yakin ia mengajukan hipotesis bahwa cahaya adalah suatu gelombang elektromagnetik. Hipotesis Maxwell akhirnya berhasil dibuktikan secara eksperimen oleh Heinrich Hertz (1857-1894), fisikawan Jerman, pada tahun 1888. Sayangnya, Maxwell tidak sempat menyaksikannya. Beliau dipanggil oleh Tuhan karena kanker yang ia derita pada tahun 1879, saat berumur 48 tahun. Atas jasa-jasanya dalam bidang fisika, beliau dipandang setara dengan Newton.

2. Spektrum Gelombang Elektromagnetik Kita telah mengetahui bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Akan tetapi, spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya, yang dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya. Seperti yang kita ketahui bahwa frekuensi terendah atau panjang gelombang terbesar adalah gelombang radio dan frekuensi tertinggi atau panjang gelombang terkecil adalah sinar gamma. Dapat kita ketahui pula bahwa panjang gelombang cahaya tampak mulai dari 4 x 10-7 m (violet) sampai dengan 7 x 10-7 m (merah). Lebar spektrum ini sangatlah sempit jika dibandingkan dengan rentang spektrum gelombang elektromagnetik. Semua gelombang elektromagnetik merambat dalam vakum dengan cepat rambat yang sama, yaitu :

Kemudian, untuk semua gelombang elektromagnetik yang merambat dalam vakum, berlaku :

Persamaan dasar gelombang elektromagnetik

B. Karakteristik dan Penerapan Tiap Gelombang Elektromagnetik 1. Gelombang Radio Gelombang radio dikelompokkan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika panjang gelombang tinggi, 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 kawatkawat penghantar. Muatan-muatan ini dibangkitkan oleh rangkaian elektronika yang disebut osilator. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh antena pula. Luas daerah yang hendak dicakup dan panjang gelombang yang akan dihasilkan dapat ditentukan dengan tinggi rendahnya antena. Kita dapat mendengar gelombang radio secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah terlebih dahulu energi gelombang menjadi energi bunyi.

a. Perbandingan antara Gelombang Medium dengan Gelombang VHF dan UHF Gelombang radio dengan frekuensi sekitar 1 MHz disebut gelombang medium. Gelombang ini dapat digunakan sebagai alat komunikasi yang dapat membawa informasi dari satu tempat ke tempat lain. Gelombang ini mudah dipantulkan oleh lapisan atmosfer Bumi (ionosfer), sehingga tempat-tempat yang jauh dari pemancar dapat dicapai. Informasi bunyi

yang dibawa oleh gelombang medium adalah dalam bentuk perubahan amplitudo atau modulasi amplitudo. Gelombang televisi (UHF) dan radio (VHF) tidak dipantulkan oleh lapisan atmosfer, sehingga luas daerah jangkauannya sempit. Karena dapat menembus lapisan atmosfer (ionosfer), gelombang ini sering digunakan sebagai alat komunikasi dengan satelit-satelit. Pesawat televisi dan radio FM menggunakan gelombang ini sebagai pembawa informasi. Informasi bunyi dibawa dalam bentuk perubahan frekuensi atau modulasi frekuensi.

b. Modulasi Amplitudo dan Modulasi Frekuensi Di dalam modulator pemancar radio terjadi penggabungan antara getaran listrik suara dengan getaran gelombang pembawa frekuensi radio sehingga menghasilkan gelombang radio termodulasi. Jika yang diproses dalam modulator adalah amplitudo dari getaran-getaran pembawa dan getaran listrik suara, gelombang radio yang dihasilkan disebut gelombang AM (Amplitude Modulation).Gelombang AM memiliki amplitudo yang berubah-ubah sesuai dengan amplitudo getaran listrik suara, sedangkan frekuensinya tetap. Jika yang diproses dalam modulator adalah frekuensi dari getaran-getaran pembawa dan getaran listrik suara, gelombang radio yang dihasilkan disebut gelombang FM (Frequency Modulation).Gelombang FM memiliki frekuensi yang berubah-ubah sesuai dengan frekuensi getaran listrik suara, sedangkan amplitudonya tetap. Pemancaran gelombang AM digunakan dalam penyiaran dengan gelombang medium dan gelombang panjang. Keunggulannya gelombang AM adalah dapat mencapai tempat yang jauh, karena gelombang medium mudah dipantulkan oleh lapisan ionosfer. Sedangkan pemancaran gelombang FM digunakan dalam penyiaran dengan gelombang VHF. Keunggulan gelombang FM adalah dapat menghasilkan suara musik yang lebih merdu (bebas dari interfensi listrik). Hal ini dikarenakan gelombang VHF tidak dipantulkan oleh lapisan ionosfer. c. Gelombang Mikro Gelombang mikro (microwaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi (Superhigh Frequency = SHF), yaitu di atas 3 GHz (3 x 109 Hz). Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwaves 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 radio (gelombang dengan frekuensi sekitar 1010 Hz). Pesawat radar memanfatkan sinar pemantulan gelombang mikro dalam bentuk pulsa-pulsa pendek. Jika pulsa tadi mengenai benda (misal, pesawat terbang), sebagian pulsa pantulan akan diterima kembali oleh antena radar. Karena cepat rambat gelombang elektromagnetik c = 3 x 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dan penerimaan, kita dapat mengetahui jarak benda yang ditangkap oleh radar.

Gelombang mikro juga digunakan dalam rangkaian televisi (closed-circuit television) untuk mengirim laporan gambar hidup televisi dari kendaraan-kendaraan penyiar yang berada di lapangan ke studio, misalnya untuk siaran langsung pertunjukan musik.

2. Sinar Inframerah Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 1011 Hz sampai 1014 Hz atau daerah panjang gelombang 10-6 m sampai 10-3 m. Radiasi inframerah adalah sinar yang tidak dapat dilihat tetapi dapat dideteksi di atas spektrum merah ( dapat dibuktikan oleh sebuah lampu pijar dengan detektor yang dihubungkan dengam miliamperemeter ). Sinar inframerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda dipanaskan. Jadi, setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Sesungguhnya, setiap benda yang bersuhu di atas nol Kelvin pasti memancarkan radiasi inframerah. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada susu dan warna benda. Satu penggunaan populer dari radiasi inframerah pada saat ini adalah remote control untuk banyak peralatan listrik, seperti televisi, AC, VCD, dan lain-lain. Unit remote control berkomunikasi dengan peralatan listrik melalui radiasi inframerah yang dihasilkan oleh Light Emitting Diode (LED) yang terdapat dalam unit. Radiasi inframerah juga digunakan dalam alarm pencuri. Seorang pencuri tanpa sepengetahuannya akan menghalangi sinar dan membunyikan alarm.

Pemantulan Sinar Inframerah Sebuah solder besi merupakan sebuah sumber inframerah. Jika sebuah detektor diletakkan dekat dengannya, detektor itu akan menunjukkan adanya pancaran sinar inframerah. Inframerah dapat dipantulkan kembali ke detektor dengan menyisipkan sebuah pemantul dan logam cekung di belakang solder besi. Ketika pemantul itu disisipkan, terjadi kenaikan penunjukan jarum amperemeter. Pemantul jenis ini digunakan pada pemanas listrik dalam rumah tangga. Ia juga digunakan dalam industri mobil untuk memantulkan inframerah dari lampu untuk mengeringkan cat mobil dengan cepat.

3. Cahaya Tampak Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik yang paling dikenal oleh kita dapat didefinisikan sebagai bagian dari spektrum gelombang elektromagentik yang dapat dideteksi (dikenal) oleh mata manusia. Panjang gelombang cahaya tampak bervariasi, bergantung pada warnanya, mulai dari panjang gelombang kira-kira 4 x 10 -7 m (violet) sampai dengan 7 x 10-7

m (merah). Beberapa penggunaan cahaya telah didiskusikan sebelumnya. Salah satunya adalah penggunaan cahaya (sinar laser) dalam serat optik pada bidang telekomunikasi dan kedokteran.

4. Sinar Ultraviolet Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam daerah 1015 Hz sampai 1016 Hz atau daerah panjang gelombang 10-8 m sampai 10-7 m. Sinar ultraviolet dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. Energi sinar ultraviolet kira-kira sama dengan energi yang diperlukan untuk reaksi kimia. Sinar ultraviolet dari Matahari juga merangsang badan kita untuk menghasilkan vitamin D yang kita perlukan untuk tulang yang sehat. Sinar ultraviolet juga membunuh bakteri dan virus. Karena itu, sinar ultraviolet digunakan untuk menyucihamakan ruangan operasi rumah sakit berikut instrumen-instrumen untuk pembedahan.

5. Sinar-X Sinar-X mempunyai daerah frekuensi antara 1016 Hz sampai 1020 Hz dengan panjang gelombang yang sangat pendek, yaitu 10-10 m sampai 10-6 m. Karena panjang gelombangnya sangat pendek, maka sinar-X memiliki daya tembus yang kuat. Daya tembusnya bergantung pada frekuensi. Makin tinggi frekuensi, makin tinggi daya tembusnya. Daya tembusnya juga bergantung pada jenis bahan yang ditembusnya. Sinar-X dapat menembus buku tebal, kayu setebal beberapa sentimeter, dan pelat aluminium setebal 1 cm, tetapi suatu lapisan besi, tembaga, dan terutama timbel dengan ketebalan beberapa millimeter tidak dapat ditembus sama sekali. Sinar-X ditemukan pada bulan November tahun 1895 oleh Wilhelm K. Rontgen (1845-1923) ketika ia sedang mempelajari sinar katoda. Ia menemukan apa yang disebutnya “suatu jenis cahaya baru”. Cahaya tersebut tak dapat dilihat, tetapi dapat menembus bahan-bahan zat padat. Sinar-X dihasilkan oleh elektron-elektron yang terletak di bagian dalam kulit elektron atom. Sumber lain sinar-X adalah pancaran yang keluar karena elektron dengan kecepatan tinggi ditumbukkan pada logam. Cara inilah yang dipakai untuk memproduksi sinar-X yang dipergunakan dalam keseharian, seperti proses rontgen, proses pengelasan, analisis struktur bahan, dan pemeriksaan keamanan di bandara.

6. Sinar Gamma Sinar gamma dibebaskan selama reaksi nuklir, memepunyai frekuensi dalam daerah antara 1020 Hz sampai 1025 Hz atau daerah panjang gelombang 10-15 m sampai 10-10 m. Daya tembusnya besar sekali, sehingga dapat menembus pelat timbel atau pelat besi setebal beberapa sentimeter. Daya tembusnya yang sangat besar ini menyebabkan efek yang serius jika diserap oleh jaringan hidup. Dengan pengontrolan, sinar ini digunakan untuk membunuh

sel-sel kanker dan menyeterilkan peralatan rumah sakit. Seperti sinar-X, sinar gamma dapat digunakan untuk memeriksa cacat-cacat pada logam.