Teori Maxwell

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat tanpa membutuhkan medium. Gelombang elektromagnetik dapat merambat di ruang hampa.

Sementara itu, radiasi elektromagnetik merupakan radiasi yang dipancarkan oleh gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik terdiri atas medan listrik dan medan magnet yang merambat saling tegak lurus.

Beberapa gelombang elektromagnetik dipancarkan oleh sumber dengan ukuran nuklir atau atomik, di mana berlaku fisika kuantum.

Maxwell mengembangkan empat persamaan yang menjadi dasar teori elektromagnetik, yaitu sebagai berikut:

1. Muatan listrik menghasilkan medan listrik yang dinyatakan dalam Hukum Gauss.
2. Magnet selalu memiliki dua kutub.
3. Medan magnet dihasilkan oleh arus listrik atau perubahan medan listrik yang dinyatakan dalam Hukum Ampere.
4. Medan listrik dihasilkan oleh perubahan medan magnet yang dinyatakan dalam Hukum Faraday.

Dari keempat teori tersebut, Maxwell membuat hipotesis bahwa perubahan medan listrik akan menghasilkan medan magnet. Sementara perubahan medan magnet akan menghasilkan medan listrik.

Ketika Maxwell bekerja dengan persamaan tersebut, dia menemukan bahwa interaksi perubahan medan listrik dan medan magnet dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik.

Pembentukan gelombang elektromagnetik dapat dijelaskan sebagai berikut.

Kelajuan gelombang elektromagnetik dapat ditentukan berdasarkan persamaan berikut.

Keterangan:

• c merupakan simbol khusus kelajuan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa.
• E dan B adalah besar medan magnet dan medan listrik pada tiap titik yang sama dalam ruang.

Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan:

Maka, rumus kecepatan gelombang elektromagnetik adalah:

Nilai ini sama dengan kelajuan cahaya dalam vakum secara eksperimen.

Contoh Soal dan Pembahasan Jawaban

Berikut contoh soal dan cara penyelesaian seputar gelombang elektromagnetik

Sifat Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah berupa gelombang transversal:

• Perubahan medan listrik E dan medan magnet B terjadi pada saat yang bersamaan.
• Arah medan listrik E dan medan magnet B saling tegak lurus.
• Kuat medan listrik E dan medan magnet B besarnya berbanding lurus satu dengan yang lain.
• Arah perambatan gelombang elektromagnetik selalu tegak lurus arah medan listrik E dan medan magnet B.
• Gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang hampa.
• Laju rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa merupakan tetapan umum (konstanta) c = 3 x 10⁸ m/s (meter/second = meter/detik)
• Gelombang elektromagnetik dapat mengalami proses pemantulan, pembiasan, polarisasi, interferensi, dan difraksi (lenturan)

Spektrum Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik pertama kali dibangkitkan dan dideteksi secara eksperimen oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887.

Hertz menggunakan peralatan yang memancarkan muatan. Muatan tersebut dibuat bergerak bolak balik dalam waktu yang sangat singkat.

Hertz mendeteksi gelombang dari jarak tertentu menggunakan loop kawat. Loop kawat digunakan untuk menghasilkan ggl ketika perubahan medan magnet melewatinya.

Gelombang yang dihasilkan merambat dengan kelajuan yang sama dengan kelajuan cahaya, yaitu 3 × 10⁸ m/s. Gelombang ini memiliki karakter yang sama dengan cahaya, yaitu bisa dipantulkan, dibiaskan, dan berinterferensi. Hal ini mendukung teori Maxwell.

Panjang gelombang cahaya tampak diukur pada awal abad ke-19, jauh sebelum ditemukan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Panjang gelombang cahaya tampak berkisar antara 4 × 10^-7 m dan 7,5 × 10^-7 m atau 400 nm sampai dengan 750 nm. Frekuensi cahaya tampak dapat ditentukan berdasarkan persamaan berikut.

Keterangan:
f = frekuensi (Hz)
c = kelajuan cahaya (m/s)
λ = panjang gelombang

Cahaya tampak ini ternyata hanya salah satu dari gelombang elektromagnetik.

Hertz kemudian menemukan gelombang elektromagnetik lainnya yang berfrekuensi rendah, yaitu sekitar 10⁹ Hz yang disebut gelombang radio.

Gelombang ini biasanya digunakan untuk memancarkan sinyal radio dan televisi.

Gelombang elektromagnetik atau sering disebut radiasi gelombang elektromagnetik ternyata diproduksi atau dideteksi melalui rentang frekuensi yang dinyatakan sebagai spektrum elektromagnetik.

Spektrum elektromagnetik ini terdiri atas gelombang radio, gelombang mikro, sinar inframerah, cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar X, dan sinar gamma.

Gelombang Radio

Gelombang radio termasuk ke dalam spektrum yang memiliki panjang gelombang terbesar dan frekuensi terkecil.

Gelombang radio dihasilkan oleh elektron pada kawat penghantar yang menimbulkan arus bolak-balik pada kawat.

Gelombang radio ini dipancarkan dari antena pemancar (transmitter) dan diterima oleh antenna penerima (receiver).

Gelombang Mikro

Gelombang mikro merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi sekitar 10¹⁰ Hz. Sementara panjang gelombangnya sekitar 3 mm.

Gelombang mikro ini dimanfaatkan pada pesawat radar (radio detection and ranging).

Gelombang radar diaplikasikan untuk mendeteksi suatu objek, memandu pendaratan pesawat terbang, membantu pengamatan di kapal laut dan pesawat terbang pada malam hari atau cuaca kabut, serta untuk menentukan arah dan posisi yang tepat.

Sebagai contoh, jika gelombang mikro yang dipancarkan radar mengenai benda, gelombang mikro akan memantul kembali ke radar.

Sinar Inframerah

Sinar inframerah mempunyai frekuensi antara 10¹¹ Hz sampai 10¹⁴ Hz. Panjang gelombang sinar inframerah lebih besar daripada panjang gelombang sinar tampak.

Frekuensi gelombang ini dihasilkan oleh getaran-getaran elektron pada suatu atom atau bahan yang dapat memancarkan gelombang elektromagnetik.

Di bidang kedokteran, radiasi inframerah diaplikasikan sebagai terapi medis, seperti penyembuhan penyakit encok dan terapi saraf.

Pada bidang militer, terdapat teleskop inframerah yang dapat digunakan untuk melihat di tempat gelap atau berkabut. Hal ini memungkinkan karena sinar inframerah tidak banyak dihamburkan oleh partikel udara.

Pada bidang militer, sinar inframerah juga dimanfaatkan satelit untuk memotret permukaan Bumi, meskipun terhalang oleh kabut atau awan.

Di bidang elektronika, sinar inframerah dimanfaatkan pada remote control peralatan elektronik seperti televisi dan VCD. Unit kontrol berkomunikasi dengan peralatan elektronik melalui reaksi yang dihasilkan oleh dioda pancar cahaya (LED).

Cahaya Tampak

Cahaya tampak mempunyai frekuensi sekitar 10¹⁵ Hz. Sementara panjang gelombangnya antara 400 nm sampai 800 nm.

Mata manusia sangat peka terhadap radiasi cahaya tersebut, sehingga cahaya tampak sangat membantu penglihatan manusia. Panjang gelombang sinar tampak yang terpendek dalam spectrum bersesuaian dengan cahaya ungu dan yang terpanjang bersesuaian dengan cahaya merah.

Semua warna pelangi terletak di antara kedua batas warna tersebut. Salah satu aplikasi dari sinar tampak adalah penggunaan sinar laser dalam serat optic pada bidang telekomunikasi.

Sinar Ultraviolet

Sinar ultraviolet merupakan gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 10¹⁵ Hz sampai dengan 1016 Hz. Sementara panjang gelombangnya antara 10 nm sampai 100 nm.

Sinar ultraviolet dihasilkan dari atom dan molekul dalam nyala listrik. Sinar ini juga dapat dihasilkan dari reaksi sinar Matahari.

Sinar ultraviolet dari Matahari dalam kadar tertentu dapat merangsang tubuh untuk menghasilkan vitamin D.

Secara khusus, sinar ini dapat diaplikasikan untuk membunuh kuman. Lampu yang menghasilkan sinar ultraviolet juga dapat digunakan dalam perawatan medis.

Sinar ultraviolet juga dapat dimanfaatkan dalam bidang perbankan, yaitu untuk memeriksa apakah tanda tangan di slip penarikan uang sama dengan tanda tangan dalam buku tabungan.

Sinar X

Sinar X mempunyai frekuensi antara 10¹⁶ Hz sampai 10²⁰ Hz. Sementara panjang gelombangnya antara 10^–11 m sampai 10^–8 m.

Sinar X ditemukan oleh Wilhelm Conrad Rontgen pada tahun 1895. Untuk menghormatinya, sinar X juga disebut sinar rontgen.

Sinar X dihasilkan dari elektron-elektron yang terletak di bagian dalam kulit atom. Sinar X juga dapat dihasilkan dari elektron dengan kecepatan tinggi yang menumbuk logam.

Sinar X banyak dimanfaatkan dalam bidang kedokteran seperti untuk memotret kedudukan tulang.

Pada bidang industri, sinar X dimanfaatkan untuk menganalisis struktur kristal. Sinar X mempunyai daya tembus yang sangat kuat.

Sinar ini mampu menembus zat padat seperti kayu, kertas, dan daging manusia. Pemeriksaan anggota tubuh dengan sinar X tidak boleh terlalu lama, karena dapat membahayakan.

Sinar Gamma

Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi tertinggi, yaitu antara 10²⁰ Hz sampai 10²⁵ Hz. Sementara panjang gelombangnya berkisar antara 10^–4 nm sampai 0,1 nm.

Sinar gamma berasal dari radioaktivitas nuklir atau atom-atom yang tidak stabil dalam reaksi inti.

Sinar gamma memiliki daya tembus yang sangat kuat, sehingga mampu menembus logam yang memiliki ketebalan beberapa sentimeter.

Jika diserap jaringan hidup, sinar gamma akan menyebabkan efek yang serius, seperti mandul dan kanker.

Keterangan:
E = energi radiasi (J)
h = konstanta Planck = 6,6 × 10^-34Js

f = frekuensi (Hz)
c = kelajuan cahaya = 3 × 10⁸ m/s

λ = panjang gelombang (m)

Usai menyimak pemaparan diatas, kini kamu makin mahir menguasai seputar teori Maxwell dan spektrum gelombang elektromagnetik.

Oiya, Minco alias Mimin KOCO juga mau kasih bocoran, nih kalau KOCO Star juga menyediakan media pembelajaran jika kamu masih butuh penjelasan yang lebih lengkap lagi. Langsung klik gambar banner ini, ya!

Dapatkan juga akses ke ribuan materi atau video belajar Matematika, IPA, IPS, Bahasa Indonesia, Bahasa Inggris, serta bantuan langsung dari para guru secara live online dengan berlangganan KODIO Learning.