FISIKA KELAS X Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.
BAB IX KONSEP DASAR GELOMBANG G ELOMBANG ELEKTROMAGNETIK ELEKTROMAGNETIK
Advance Organizer Pernahkah kamu membayangkan jika dunia ini tanpa cahaya? Akankah kamu dapat melak me lakuka ukan n akt aktivi ivitas tas? ? Ten entu tu jaw jawab abnya nya tak mu mung ngkin kin ad ada a ak aktiv tivita itas, s, ka karen rena a un untuk tuk melakukan aktvitas manusia perlu tahu tentang keadaan di sekelilingny sekelilingnya. a. Benda-benda untuk dapat terlihat harus memantulkan cahaya. Tanpa cahaya kamu tak pernah tahu dan tak pernah melihat apa sebenarnya yang ada di sekitarmu. Cahaya termasuk termasuk salah satu sat u spe spektr ktrum um ge gelom lomba bang ng ele elekt ktrom romag agne netik tik dap dapat at dil diliha ihatt ole oleh h ma mata ta.. Ge Gelom lomba bang ng elektromagnetik elektromag netik memiliki rentang spektrum dari sinar gamma sampai gelombang radio. Banyak aplikasi teknologi yang berdasar konsep gelombang elektromagnetik ini. Pulsa handphone antara lain dikirim dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Ketika kamu berk be rkom omun unik ikas asii de deng ngan an HP ge gelo lomb mban ang g su suar aram amu u di diub ubah ah me menj njad adii ge gelo lomb mban ang g elektromagnetik oleh sistem relay sehingga pihak yang kamu ajak komunikasi dapat mendengar suaramu. Di bab akan diperdalam gelombang elektromagetik
BAB IX
242
KONSEP DASAR GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
243
KONSEP DASAR GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
243
Standar Kompetensi
Memahami konsep dan prinsip gelombang elektromagnetik Kompetensi Dasar
Mendeskripsikan spektrum gelombang elektromagnetik Menjelaskan aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari.
Bermula Bermu la da dari ri ba bany nyak ak pe pend ndap apat at mu mulai lai da dari ri Al has hasan an,, Ari Aristo stote teles les,, New Newto ton, n, Pla Planc nck, k, Maxw Ma xwel elll da dan n ya yang ng la lain in di diya yaki kini ni sp spek ektr trum um ge gelo lomb mban ang g el elek ektr trom omag agne neti tik k ad adal alah ah berk be rkec ecep epat atan an ca caha haya ya.. Pe Perk rkem emba bang ngan an te teor ori, i, pr prin insi sip, p, da dan n ko kons nsep ep ge gelo lomb mban ang g elektrom elek tromagn agnetik etik men mengha ghasilka silkan n tekn teknolog ologii tent tentang ang gelo gelomba mbang ng elek elektrom tromagn agnetik etik yan yang g bermanfaat. bermanfaa t. Aplikasi gelombang elektromagnetik elektromagnetik pada berbagai bidang memun memungkinkan gkinkan manusia man usia berb berbuat uat ban banyak. yak. Dian Diantara taranya nya bida bidang ng tele telekomu komunika nikasi si ant antar ar wilay wilayah ah glob global, al, bahkan menembus ruang angkasa. Peranan satelit komunikasi relai yang menangkap gelombang elektromagnetik dan memantulkannya kembali bermanfaat bagi penyiaran gelombang TV, gelombang radio dan gelombang mikro. Dalam bab ini kamu akan memperdalam spektrum dan aplikasi gelombang elektromagnetik.
244
Peta Konsep Kon sep Bab 9
TEORI ELEKTROMAGNETIK
TEORI EMISI
SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
MOMENTUM RADIASI
TEKANAN RADIASI
TEORI GELOMBANG
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
ENERGI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
KERAPATAN ENERGI
INTENSITAS ENERGI
245
TEORI KUANTUM
APLIKASI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
RADIASI GEM
HUKUM WIEN
Tujuan Pembelajaran • Mendeskripsikan spektrum gelombang elektromagnetik
•
Menerapkan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari
Penelaahan dalam jangka waktu lama dari gelombang elektromagnetik seiring penyelidikan tentang cahaya mendatangkan pemahaman benar tentang hakekat gelombang elektromagnetik. Spektrum gelombang elektromagnetik telah berhasil dipetakan antara lain terdiri dari sinar gamma, sinar X, sinar ultraviolet, cahaya tampak, sinar inframerah , gelombang mikro, gelombang radar, gelombang TV, dan gelombang radio.Masing-masing memiliki karakteristik yang spesifik dan memiliki kegunaan tertentu. A. Spektrum Gelombang Elektromagnetik 1. Hakikat Gelombang Elektromagnetik
Pada pertengahan abad ke sepuluh seorang ilmuwan Mesir di Iskandaria yang bernama Al Hasan (965-1038) mengemukakan pendapat bahwa mata dapat melihat benda-benda di sekeliling karena adanya cahaya yang dipancarkan atau dipantulkan oleh benda-benda yang bersangkutan masuk ke dalam mata. Teori ini akhirnya dapat diterima oleh orang banyak sampai sekarang ini. Beberapa teori-teori yang mendukung pendapat Al Hasan diantaranya adalah a. Teori Emisi atau Teori Partikel
Sir Isaac Newton (1642-1727) merupakan ilmuwan berkebangsaan Inggris yang mengemukakan pendapat bahwa dari sumber cahaya dipancarkan partikel-partikel yang sangat kecil dan ringan ke segala arah dengan
246
kecepatan yang sangat besar. Bila partikel-partikel ini mengenai mata, maka manusia akan mendapat kesan melihat benda tersebut. Alasan dikemukakanya teori ini adalah sebagai berikut: • Gambar 1. Newton salah seorang yang meneliti gelombang cahaya
Karena partikel cahaya sangat ringan dan berkecepatan tinggi maka cahaya dapat merambat lurus tanpa terpengaruh gaya gravitasi bumi. •
Ketika cahaya mengenai permukaan yang halus maka cahaya akan akan dipantulkan dengan sudut sinar datang sama dengan sudut
sinar pantul sehingga sesuai dengan hukum pemantulan Snellius. Peristiwa pemantulan ini dijelaskan oleh Newton dengan menggunakan bantuan sebuah bola yang dipantulkan di atas bidang pantul. •
Alasan berikutnya adalah pada peristiwa pembiasan cahaya yang disamakan dengan peristiwa menggelindingnya sebuah bola pada papan yang berbeda ketinggian yang dihubungkan dengan sebuah bidang miring. Dari permukaan yang lebih tinggi bola digelindingkan dan akan terus menggelinding melalui bidang miring sampai akhirnya bola akan menggelinding di permukaan yang lebih rendah. Jika diamati perjalanan bola, maka sebelum melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk sudut α terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Setelah melewati bidang miring lintasan bola akan membentuk sudut β terhadap garis tegak lurus pada bidang miring. Jika permukaan atas dianggap sebagai udara dan permukaan bawah dianggap sebagai air serta bidang miring merupakan batas antara udara dan air, gerak bola dianggap sebagai jalannya pembiasan cahaya dari udara ke air, maka Newton menganggap bahwa kecepatan cahaya dalam air lebih besar dari pada kecepatan cahaya dalam udara.
Pendapat ini masih bertahan hingga akhirnya seorang ahli fisika Prancis, Jean Focault (1819 – 1868) melakukan percobaan tentang pengukuran kecepatan cahaya dalam berbagai medium. Dalam percobaannya Jeans Focault mendapatkan kesimpulan bahwa kecepatan cahaya dalam air lebih kecil dari pada kecepatan cahaya dalam udara. b. Teori Gelombang
247
Menurut Christian Huygens (1629-1695) seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, bahwa cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan berupa gelombang. Perbedaan cahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang gelombang dan frekuensinya. Pada teori ini Huygens menganggap bahwa setiap titik pada sebuah muka gelombang dapat dianggap sebagai sebuah sumber gelombang yang baru dan arah muka gelombang ini selalu tegak lurus tehadap muka gelombang yang bersangkutan. Pada teori Huygens ini peristiwa pemantulan, pembiasan, interferensi, ataupun difraksi cahaya dapat dijelaskan secara tepat, namun dalam teori Huygens ada kesulitan dalam penjelasan tentang sifat cahaya yang merambat lurus. c. Teori Elektromagnetik
Percobaan James Clerk Maxwell (1831 – 1879) seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris (Scotlandia) menyatakan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3x108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Kesimpulan Gambar 2. JC. Maxwell
Maxwell ini di dukung oleh : •
Seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman,
Heinrich Rudolph Hertz (1857 – 1894) yang membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi. •
Percobaan seorang ilmuwan berkebangsaan Belanda, Peter Zeeman (1852 – 1943) yang menyatakan bahwa medan magnet
Gambar 3. HR.Hertz
yang sangat kuat dapat berpengaruh terhadap berkas cahaya. •
Percobaan Stark (1874 – 1957), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang mengungkapkan bahwa medan listrik yang sangat kuat dapat mempengaruhi berkas cahaya.
248
Gambar 4. Tahun 1887 dua ilmuwan Amerika, Albert Michelson dan James Morley, membuat mesin untuk menguji teori James Clerk Maxwell, ternyata kecepatan gelombang cahaya adalah tetap
d. Teori Kuantum
Teori kuantum pertama kali dicetuskan pada tahun 1900 oleh seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman yang bernama Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 – 1947). Dalam percobaannya Planck mengamati sifat-sifat termodinamika radiasi benda-benda hitam hingga ia berkesimpulan bahwa energi cahaya terkumpul dalam Gambar 5. Max Planck
paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Dan pada tahun 1901 Planck mempublikasikan teori kuantum cahaya yang
menyatakan bahwa cahaya terdiri dari peket-paket energi yang disebut kuanta atau foton. Akan tetapi dalam teori ini paket-paket energi atau partikel penyusun cahaya yang dimaksud berbeda dengan partikel yang dikemukakan oleh Newton . Karena foton tidak bermassa sedangkan partikel pada teori Newton memiliki massa Pernyataan Planck ternyata mendapat dukungan dengan adanya percobaan Albert Einstein pada tahun 1905 yang berhasil menerangkan gejala fotolistrik dengan menggunakan teori Planck. Fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari suatu logam yang disinari dengan panjang gelombang tertentu. Akibatnya percobaan Einstein justru bertentangan dengan pernyataan Huygens dengan teori gelombangnya.Pada efek fotolistrik, besarnya kecepatan elektron yang terlepas dari logam ternyata tidak bergantung pada besarnya intensitas cahaya yang digunakan untuk menyinari logam tersebut. Sedangkan menurut teori gelombang seharusnya energi kinetik elektron bergantung pada intensitas cahaya. Gambar 6. Albert Einstein menjelaskan efek
Kemudian dari seluruh teori-teori cahaya yang muncul dapat disimpulkan bahwa cahaya mempunyai sifat dual (dualisme
249
cahaya) yaitu cahaya dapat bersifat sebagai gelombang untuk menjelaskan peristiwa interferensi dan difraksi tetapi di lain pihak cahaya dapat berupa materi tak bermassa yang berisikan paket-paket energi yang disebut kuanta atau foton sehingga dapat menjelaskan peristiwa efek fotolistrik.
2. Gelombang Elektromagnetik Beberapa kaidah tentang kemagnetan dan kelistrikan yang mendukung perkembangan konsep gelombang elektromagnetik antara lain: 1. Hukum Coulomb
mengemukakan :
“Muatan listrik statik dapat menghasilkan
medan listrik.”. 2. Hukum Biot & Savart mengemukakan : “Aliran muatan listrik (arus listrik) dapat menghasilkan medan magnet”. 3. Hukum Faraday mengemukakan :
“Perubahan medan magnet dapat menghasilkan
medan listrik”. Berdasarkan Hukum Faraday, Maxwell mengemukakan hipotesa sebagai berikut: ”Perubahan medan listrik dapat menimbulkan medan magnet”. Hipotesa ini sudah teruji dan disebut dengan Teori Maxwell. Inti teori Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik Gambar 7. Michael Faraday
adalah: a. Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet.
b. Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik. Cepat rambat gelombang elektromagnetik (c) tergantung dari permitivitas ( ε) dan permeabilitas (μ) zat. Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dirumuskan sebagai berikut
c=
1 ε oμ o
250
Ternyata perubahan medan listrik menimbulkan medan magnet yang tidak tetap besarannya atau berubah−ubah. Sehingga perubahan medan magnet tersebut akan menghasilkan lagi medan listrik yang berubah −ubah. Proses terjadinya medan listrik dan medan magnet berlangsung secara bersama −sama dan menjalar kesegala arah. Arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Jadi gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet dan medan listrik secara berurutan, dimana arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus.
Vektor Medan Listrik
Gambar 8. Penjalaran gelombang elektromagnetik sebagai gelombang transversal
Vektor Medan Magnet E B
Gelombang Elektromagnetik
E = medan listrik (menjalar vertikal) B = medan magnet (menjalar horizontal.) Gejala seperti ini disebut terjadinya gelombang elektromagnetik (= gelombang yang mempunyai medan magnet dan medan listrik).
251
Bila dalam kawat PQ terjadi perubahan-perubahan tegangan baik besar maupun arahnya, maka dalam kawat PQ elektron bergerak bolak-balik, dengan kata lain dalam kawat PQ terjadi getaran listrik. Perubahan tegangan menimbulkan perubahan medan listrik dalam ruangan disekitar kawat, sedangkan perubahan arus listrik
menimbulkan
perubahan
medan
magnet.
Perubahan medan listrik dan medan magnet itu merambat ke segala jurusan. Karena rambatan perubahan medan magnet dan medan listrik secara periodik maka rambatan perubahan medan listrik dan medan magnet lazim disebut gelombang elektromagnetik. (GEM) Percobaan-percobaan yang teliti membawa kesimpulan : 1. Pola
gelombang
elektromagnetik sama dengan pola gelombang transversal dengan
vektor
perubahan
medan listrik tegak lurus Gambar 9. Vektor perubahan medan listrik tegak lurus vektor perubahan medan magnet
pada
vektor
perubahan
medan magnet.
2. Gelombang elektromagnetik menunjukkan gejala-gejala pemantulan, pembiasan, difraksi, polarisasi seperti halnya pada cahaya. 3. Diserap oleh konduktor dan diteruskan oleh isolator. Gelombang elektromagnetik lahir sebagai paduan daya imajinasi dan ketajaman akal pikiran berlandaskan keyakinan akan keteraturan dan kerapian aturan-aturan alam. Hasil-hasil percobaan yang mendahuluinya telah mengungkapkan tiga aturan gejala kelistrikan , antara lain sebagai berikut. Hukum Coulomb
: Muatan listrik menghasilkan medan listrik yang kuat.
Hukum Biot-Savart
: Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet
252
disekitarnya. Hukum Faraday
: Perubahan medan magnet (B) dapat menimbulkan medan listrik (E). Didorong oleh keyakinan atas keteraturan dan kerapian hukum-hukum alam, Maxwell berpendapat bahwa masih ada kekurangan satu aturan kelistrikan yang masih belum terungkap secara empirik. Jika perubahan medan magnet dapat menimbulkan perubahan medan listrik maka perubahan medan listrik pasti dapat
Gambar 10. Maxwell
menimbulkan perubahan medan magnet, demikianlah keyakinan Maxwell.
Dengan pengetahuan matematika yang dimilikinya, secara cermat Maxwell membangun teori yang dikenal sebagai teori gelombang elektromagnetik. Baru setelah bertahun-tahun Maxwell tiada, teorinya dapat diuji kebenarannya melalui percobaan percobaan. Menurut perhitungan secara teoritik, kecepatan gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada permitivitas ruang hampa ( ε o ) dan permeabilitas ruang hampa ( μ o ). c
1 =
ε0.μ0
1 1 Dengan memasukkan εo = . .10−9 = 8,85 . 10−12 C2/N.m2 dan μo = 4π.10−7 Wb/A.m 4π 9 diperoleh nilai c = 3.108 m/s, nilai yang sama dengan kecepatan cahaya. Oleh sebab itu Maxwell mempunyai cukup alasan untuk menganggap cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu konsep gelombang elektromagnetik ini merupakan penyokong teori Huygens tentang cahaya sebagai gerak gelombang.
3. Energi Gelombang Elektromagnetik. Karena gelombang elektromagnetik mengandung medan listrik dan medan magnetik, maka kedua medan mempunyai persamaan gelombang.
253
Persamaan kuat medan listrik E dan kuat medan magnetik B, berbentuk persamaan sinusoidal, E = Emaks sin ω t harga efektifnya :
E ef =
dan
E maks 2
dan
B = Bmaks sin ω t Bef =
Bmaks 2
Kuat medan listrik E dan kuat medan magnetik B, mempunyai hubungan : Bmaks
E maks c
=
E c
B =
→
atau
B.c=E
E = kuat medan listrik (N/c) B = induksi magnetic (T) c = kecepatan cahaya = 3 . 108 m/s Dari persamaan c = maka sehingga
1 μoεo
c2 =
1 μoεo
B
=
E c
2
B
=
E2 c2
B2
=
E2 .
B2
=
E2 . µo εo
→
1 c2
=
µoεo
1 c2
a. Energi Medan Listrik
Pada kapasitor (alat yang dapat menyimpan energi listrik) berlaku persamaan energi W = ½ C.V2 , dari kuat medan listrik
E =
V d
V=E.d
maka W = ½ C . E2 . d2 , dari rumus kapasitas kapasitor C =
254
ε
o
.A
d
sehingga W = ½ . εo . A . d . E2
disebut dengan energi medan listrik (joule)
Volume V = A . d maka : W = ½ εo . V . E2 joule Kerapatan energi listrik (= energi listrik per satuan volume) : UE
½ εo .E2 dengan satuan
=
joule m3
Gelombang energi listrik bergerak dengan kecepatan cahaya c maka UE
½ εo .E2.c dengan satuan
=
watt m2
b. Energi Medan Magnetik
Induktor / kumparan dengan luas penampang A dan panjangnya l dilalui arus listrik i maka energi magnetiknya :
2
W = ½ L i , dengan L =
µ o N
2
A
l
diperoleh : W = ½
µ o N
l
2
A
. i2
Jika lilitan per satuan panjang n = maka :
N l
N=n.l
n 2l2 Ai2 W = ½ µo l W = ½ µo n2 l A i2 joule
Volume kumparan : V = A . l W = ½ µo n2 V i2 joule
255
N2 = n2 . l2
Dari persamaan induksi magnetik kumparan / solenoida B =
μ o iN l
atau B = μo i n
i =
B μon
Sehingga : W W
=
B2 ½ µo . n . V . 2 2 μon
=
VB 2 joule 2μ o
2
Kerapatan energi magnetik (= energi magnetik per satuan volume) : UB
=
B2 joule dengan satuan 2μ o m3
Gelombang energi magnet bergerak dengan kecepatan cahaya c maka UB
=
B2 c watt dengan satuan 2μ o m2
Kerapatan energi gelombang elektromagnetik : U
U
=
UE + UB
=
B2 c ½ εo E .c + ½ μo
=
B2 c ½ (εo E .c + ) μo
2
2
Karena E = B . c, maka penulisan dalam bentuk lain adalah sebagai berikut. U
U
=
B2 c ½ ( εo . B c + ) μo
=
1 B2 c ½ εo . B .c. +½ ε oμ o μo
=
B2 c B2 c ½ +½ μo μo
=
B2 c watt satuan 2 μo m
2
3
2
256
Karena B = U
U
E , maka dapat ditulis juga sebagai berikut. c =
E2c ½ (εo . E .c + ) μ oc2
=
1 E2 2 ½( .E + ) μ oc2 μ oc2
=
E2 ½ (2 ) μ oc2
=
E2 watt 2 satuan μ oc m2
2
Contoh :
Cahaya dari laser terpancar mengarah pada sumbu Z. Amplitudo medan listrik dalam gelombang cahaya adalah 6 x 103 V/m, dan arah medan listrik searah sumbu X. Kemana arah dan berapa amplitudo medan magnet ? Jawab :
Bila arah gerak gelombang cahaya pada sumbu Z, arah E pada sumbu X maka arah B pada sumbu Y. 6 . 10 3 Bo = = = 2 . 10−5 T 8 c 3 . 10 Eo
4. Intensitas Gelombang Elektromagnetik. Energi rata-rata per
satuan
luas
yang
dirambatkan
oleh
gelombang
elektromagnetik disebut dengan intensitas gelombang elektromagnetik . Intensitas tersebut sebanding dengan harga maksimum medan magnet (B) dan sebanding pula dengan harga maksimun medan listriknya (E).
257
Gambar 11. Penjalaran Ey dan Bz gelombang elektromagnetik
Kedua medan listrik dan medan magnet tersebut saling tegak lurus, merambat kearah sumbu X. Kedua gelombang tersebut dapat dituliskan menjadi : Ey = Eo sin (kx-ωt) Bz = Bo sin (kx-ωt) Kecepatan gelombang diberikan dengan persamaan c=
ω k
Intensitas gelombang elektromagnetik dituliskan sebagai berikut. E .B y z S= μ o S
=
E .B o o sin 2 (kx - ωt) μ o
Jadi harga intensitas (S) tergantung dari sin 2 (kx-ωt), S akan berharga maksimum bila harga sin2 (kx-ωt) = 1, atau
258
S
maks
=
E .B o o μ o
Sedangkan S akan berharga minimum bila harga sin 2 (kx-ωt) adalah nol. Smin = 0 Secara umum intensitas atau energi per satuan luas dapat dituliskan dengan S=
ExB μ o
disebut dengan vektor poynting.
Intensitas rata-rata ( S ) gelombang elektromagnetik adalah : S +S min S = maks 2 E B o o +0 μ o S= 2 E .B S= o o 2μ o Karena :
Eo = c Bo c=
dan
1 μ oεo
Maka selain itu S juga dapat dituliskan sebagai fungsi E o menjadi : 1 S = ε E2 c 2 o o Nilai S juga dapat dituliskan dalam bentuk : E o2 S= 2 c μo Selain itu S juga dapat dituliskan sebagai fungsi B o menjadi :
259
1 S = ε B 2 c3 2 o o Nilai S juga dapat dituliskan dalam bentuk : B o2 .c S= 2 μo Gejala gelombang elektromagnetik baru dapat ditunjukkan beberapa tahun setelah Maxwell meninggal oleh H.R. Hertz. Contoh :
Intensitas rata-rata cahaya matahari pada siang hari yang cerah sekitar 1 Gambar 12. HR.Hertz
kW/m2. Anggaplah gelombang elektromagnetik cahaya matahari berupa gelombang sinusoidal konstan. Berapa solar sel yang harus diperlukan
untuk menangkap dan mengumpulkan energi matahari hingga setara dengan pemanaskan air 5 kW ? Anggap tiap sel memiliki luas 2 m 2 dan efisiensi 50% serta tegak lurus menghadap sinar matahari. Penyelesaian: Jawab:
Medan listrik sebesar E o2 S= 2 c μo Eo =
2μ o cS
Eo =
24.π x 10 -7. 3x10 8.1x10 3
Eo = 900 V/m Bo =
Eo 900 = 3.10 −6 T = 8 3.10 c
260
Pada 1 kW/m2 diperlukan solar sel seluas 5 m 2 dengan efisiensi 100 % untuk mwmproduksi 5 kW. Bila efisiensi hanya 50 %, maka memerlukan 10 m 2 luas solar sel. Karena tiap sel seluas 2 m 2. Jadi banyaknya solar sel =
10 = 5 sel 2
Latihan Kerjakan soal-soal berikut di buku latihanmu!
1. Sebuah gelombang radio mempunyai Em = 10-4 V/m Berapakah besar medan magnet Bm dan intensitas gelombang tersebut. 2. Cahaya matahari menumbuk bumi dengan intensitas sebesar 20 kal/cm2-menit. Hitunglah besarnya medan listrik Em dan medan magnet Bm untuk cahaya tersebut. 3. Sebuah stasiun radio menerima gelombang elektromagnetik sinusoida dari satelit pemancar dengan kekuatan 50 KW. Berapakah amplitudo maksimum E dan B yang diterima satelit jika jarak antara antena stasiun radio dan satelit 100 km. 4. Sebuah stasiun radio mentranmisikan sinyal 10 KW dengan frekwensi 100 MHz. Carilah pada jarak 1 Km : a. Amplitudo medan listrik dan medan magnetnya. b. Energi yang diterima oleh sebuah panel yang berukuran 10 cm x 10 cm dalam waktu 5 menit.
4. Spektrum Gelombang Elektromagnetik. Hasil kali panjang gelombang (λ) dengan frekuensi gelombang (f) sama dengan cepat rambat gelombang ( c ). Dirumuskan sebagai berikut. c=λ
. f
Beberapa contoh sumber gelombang elektromagnetik antara lain sebagai berikut. •
Osilasi listrik.
•
Sinar matahari yaitu menghasilkan sinar infra merah. 261
•
Lampu merkuri dapat menghasilkan ultra violet.
•
Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam dapat menghasilkan sinar X (digunakan untuk rontgen).
•
Inti atom yang tidak stabil dapat menghasilkan sinar gamma (.γ)
Beberapa sifat gelombang elektromagnetik adalah sebagai berikut. •
Dapat merambat dalam ruang hampa.
•
Merupakan gelombang transversal (arah getar tegak lurus arah rambat), jadi dapat mengalami polarisasi.
•
Dapat mengalami refleksi, refraksi, interferensi dan difraksi.
•
Tidak dibelokkan dalam medan listrik maupun medan magnet.
Setiap spektrum gelombang elektromagnetik memiliki fenomena yang berbeda-beda sesuai
dengan
berhubungan
karakteristiknya dengan
masing-masing.
frekuensi.
Dengan
Karakteristik
kecepatan
yang
gelombang sama
ini
gelombang
elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang besar akan memiliki frekuensi kecil. Sebaliknya spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang pendek akan memiliki frekuensi besar. Berdasarkan panjang gelombang ( λ) dan frekuensi (f) dapat disusun diagram spektrum gelombang elektromagnetik sebagai berikut. f(Hz)
λ(Å)
1025 Sinar Gamma 10-15 1020 10-10 Sinar X Sinar Ultra Ungu
262
1015 CAHAYA Gelombang 10-5 Infra merah 1010 Radar & Televisi 105
Gelombang
105
Radio 100 Dari spektrum tersebut dapat disimpulkan bahwa makin pendek panjang gelombang ( λ) makin tinggi fekuensinya (f) dan makin besar pula daya tembusnya. Untuk mengurutkan spektrum dari frekuensi tinggi ke frekuensi rendah dapat diingat dengan cara sebagai berikut. 1. Sinar gamma (γ) 2. Sinar X (Rontgen) 3. Sinar ultra ungu 4. Cahaya tampak:
Ungu
Biru
Hijau
Kuning
Jingga
Merah
Urutan dari atas kebawah: frekuensi (f) makin kecil Panjang gelombang (λ) makin besar Cepat rambat (c) sama. c = λ . f
5. Sinar infra merah 6. Gelombang Radar 7. Gelombang TV
263
8. Gelombang Radio Diantara gelombang-gelombang yang terdapat pada spektrum tersebut, yang dapat dilihat oleh mata hanyalah gelombang cahaya yang mempunyai panjang gelombang antara 7800 Å (merah) – 3990 Å (ungu). Gelombang yang mempunyai daya tembus yang sangat besar adalah sinar X dan sinar γ . Dimana sinar X dihasilkan dengan cara emisitermionik, sedangkan sinar γ dihasilkan oleh inti-inti yang tidak stabil (bersifat radioaktif). Manfaat gelombang elektromagnet dapat diterangkan sesuai urutan spektrumnya : 1. Daerah frekuensi antara 10 4 sampai 107 Hz dikenal sebagai gelombang radio, yaitu sebagai salah satu sarana komunikasi. Karena sifat gelombangnya yang mudah dipantulkan ionosfer, yaitu lapisan atmosfir bumi yang mengandung partikel-partikel bermuatan, maka gelombang ini mampu mencapai tempat-tempat yang jaraknya cukup jauh dari stasiun pemancar. Informasi dalam bentuk suara dibawa oleh gelombang radio sebagai perubahan amplitudo (modulasi amplitudo). 2. Daerah frekuensi sekitar 108 Hz, gelombang elektromagnetik mampu menembus lapisan ionosfer sehingga sering digunakan sebagai sarana komunikasi dengan satelit-satelit. Daerah ini digunakan untuk televisi dan radio FM (frekuensi modulasi) dimana informasi dibawa dalam bentuk perubahan frekuensi (modulasi frekuensi). Jadi ada dua macam cara modulasi gelombang elektromagnetik pada daerah 10 4 − 108 Hz: a. Modulasi Amplitudo (AM) Amplitudo gelombang radio disesuaikan dengan frekuensi gelombang bunyi yang dibawa dengan frekuensi tetap. b. Modulasi Frekuensi (FM) Frekuensi gelombang radio disesuaikan dengan frekuensi gelombang bunyi yang dibawa dengan amplitudo tetap.
264
Sistem FM lebih unggul daripada AM karena FM dapat mengurangi desau akibat kelistrikan diudara, walaupun jangkauannya terbatas sekali. 3. Daerah frekuensi sekitar 1010 Hz, digunakan oleh pesawat RADAR (Radio Detection and Ranging). Radar adalah suatu alat yang sistemnya memancarkan gelombang elektromagnetik berupa gelombang radio dan gelombang mikro. Pantulan dari gelombang yang dipancarkan tadi digunakan untuk mendeteksi obyek. Informasi yang dikirim ataupun yang diterima berbentuk sebagai pulsa. Bila pulsa ini dikirim oleh pesawat radar dan mengenai suatu sasaran dalam selang waktu ∆t, maka jarak antara radar ke sasaran : s=
c . Δt 2
c = kecepatan cahaya (3 . 10 8 m/det). Selang waktu yang diperlukan oleh
gelombang tersebut dinamakan time delay
4. Daerah frekuensi 1011 – 1014 Hz, ditempati oleh radiasi infra merah, dimana gelombang ini lebih panjang dari gelombang cahaya tampak dan tidak banyak dihamburkan oleh partikel-partikel debu dalam atmosfir sehingga mengurangi batas penglihatan manusia. 5. Daerah frekuensi 1014 – 1015 Hz, berisi daerah cahaya tampak (visible light), yaitu cahaya yang tampak oleh mata manusia dan terdiri dari deretan warna-warna merah sampai ungu. 6. Daerah frekuensi 1015 – 1016 Hz, dinamakan daerah ultra ungu (ultra violet). Dengan frekuensi ultra ungu memungkinkan kita mengenal lebih cepat dan tepat unsur-unsur yang terkandung dalam suatu bahan. 7. Daerah frekuensi 1016 – 1020 Hz, disebut daerah sinar X. Gelombang ini dapat juga dihasilkan dengan menembakkan elektron dalam tabung hampa pada kepingan logam. Karena panjang gelombangnya sangat pendek, maka gelombang ini mempunyai daya tembus yang cukup besar sehingga selain digunakan di Gambar 12. Peralatan sinar X atau sinar rontgen. ditemukan oleh seorang Profesor Fisika bangsa Jerman di Universitas Wurzburg, Bavaria, Wilhelm Conrad Röntgen pada 265tanggal 8 November 1895. Beliau mengamati sinar ini mampu menghasilkan gambar di film fotografi setelah menembus tisu, pakaian dan logam.
rumah sakit, banyak pula digunakan di lembaga-lembaga penelitian ataupun industri.
Bagaimana
sinar
X
dihasilkan?
Sinar X dihasilkan apabila elektron bergerak pada kelajuan yang tinggi dan secara tiba-tiba menumbuk logam anoda. Hal ini terjadi di dalam sebuah tabung sinar X. Di dalam sebuah tabung sinar X terdapat katoda (-) yang merupakan sebuah filamen yang dipanaskan oleh tenaga listrik. Pemanasan yang terjadi menyebabkan elektron dihasilkan dari filamen, dan bergerak menumbuk anoda (+). Akibat tumbukan elektron ini terpancarlah sinar X dari anoda. Sinar-sinar itu oleh Rontgen diberi nama sinar X karena saat itu masih misterius. Namun sekarang disebut dengan sinar Rontgen. Prinsip dihasilkannya sinar X ini berlawanan dengan efek fotolistrik. 8. Daerah frekuensi 1020 – 1025 Hz, disebut daerah sinar gamma. Gelombang ini mempunyai daya tembus yang lebih besar daripada sinar X, dan dihasilkan oleh inti-inti atom yang tidak stabil.
266
Gambar 13. Laser dihasilkan dari berkas cahaya tampak monokrom yang dipadatkan sehingga memiliki intensitas tinggi. Aplikasi laser dijumpai dalam bidang industri, militer, hiburan, maupun kedokteran
Gambar 14. Laser dipakai untuk percobaan militer oleh militer Amerika Serikat. Penggunaan laser sebagai senjata misalnya pistol / senapan atau meriam laser dikembangkan oleh militer untuk kepentingan pertahanan negara atau menghadapi perang.
Contoh Soal :
Suatu kapal diperlengkapi pemancar dan penerima gelombang radar untuk menduga dalamnya laut. Jika frekuensi gelombang radar yang dikirim 5.10 9 Hz, kecepatan cahaya di udara 3.108 m/det dan waktu yang dibutuhkan gelombang radar bolak- balik (dari permukaan laut kembali ke permukaan lagi) = 2.10-3 det. Tentukan: a. panjang gelombang radar b. kedalaman laut Penyelesaian : Diketahui:
f = 5.109 Hz ∆t = 2.10-3 s Ditanya :
a. λ = .....? 267
b. s = ......? Jawab :
a. λ =
c f λ=
3.10
8
5.10
9
λ = 0,06 m
b. s =
c . ∆t 2 3.10 8. 2.10 -3 s= 2 s = 3.105 m
Latihan Kerjakan soal berikut di buku latihanmu!
1. Dari atas permukaan sebuah danau seseorang melepaskan gelombang radar kedasar danau. Gelombang tersebut kembali kepermukaan setelah 8.10 -6 detik. Berapa kedalaman danau tersebut. 2. Sebuah kapal laut yang memiliki radar hendak mengukur kedalam laut. Waktu yang dibutuhkan gelombang radar bolak- balik dari dasar laut kepermukaan laut 6.10-5 detik. Hitung kedalaman laut (indeks bias air laut = 3/4).
5. Radiasi Gelombang Elektromagnetik
268
Gelombang elektromagnetik juga dipanaskan atau diradiasikan oleh setiap benda pijar bersuhu
tertentu.
Pancaran
dari
benda
tersebut
berupa
radiasi
gelombang
elektromagnetik. Benda-benda yang dipanasi mengemisikan gelombang yang tidak nampak (sinar ultra ungu dan infra merah). Benda-benda yang dapat menyerap seluruh radiasi yang datang disebut benda hitam mutlak, sebuah kotak yang mempunyai lubang sempit dapat dianggap sebagai benda yang hitam mutlak. Menurut Stefan dan Boltzman radiasi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh tiap satuan luas permukaan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak (T) benda tersebut. Intensitas radiasi
I = R = e . σ.T4
R adalah intensitas radiasi dalam watt/m 2. e adalah koefisien emisivitas yang nilainya bergantung pada warna jenis permukaan. Untuk benda hitam mutlak e = 1 σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang harganya 5,672 .10-8 Watt/m2 K.
Daya radiasi
P = R .A P = e. σ.T4.A dengan satuan : watt A = Luas permukaan (m 2).
Energi radiasi
E=W=P.t E = e . σ . T4. A . t
dengan satuan joule
t = waktu (s) Pada suhu tertentu kekuatan radiasi tiap panjang gelombang mempunyai nilai yang berbeda-beda.
269
Ketergantungan
kekuatan
radiasi suatu benda terhadap panjang gelombangnya disebut spektrum radiasi
(spektrum
gelombang pancaran). Eksperimen-eksperimen untuk mengamati spektrum radiasi telah dilakukan, hasil spektrum radiasi carbon pada berbagai suhu seperti terlukis pada Gambar 15 . Diagram hubungan intensitas dan radiasi carbon pada berbagai suhu.
gambar 15. Dari
diagram
itu
Wien
mengambil kesimpulan yang dikenal
sebagai
Hukum
Pergeseran Wien. Menurut Wien panjang gelombang maksimum berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda. Dirumuskan λm . T = C
persamaan ini disebut hukum pergeseran Wien.
C = konstanta Wien = 2,898 . 10-3 m.K Intensitas radiasi yang dipancarkan berbanding lurus dengan suhu, berbanding lurus dengan frekuensi pancaran, dan berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Energi pancaran tiap panjang gelombang semakin besar, jika suhu semakin tinggi, sedangkan energi maksimumnya begeser kearah gelombang yang panjang gelombangnya kecil. λm =
C T
270
Perhatikan gambar berikut ini.
(b)
(a)
Gambar 15 . (a) Diagram hubungan intensitas gelombang elektromagnetik dan radiasi carbon pada berbagai suhu (B) diagram hubungan intensitas gelombang elektromagnetik dengan frekuensi
6. Tekanan Radiasi Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik merambat membawa energi sekaligus membawa momentum.
Metode
sederhana
untuk
mengetahui
momentum
gelombang
elektromagnetik adalah menggunakan hubungan rumus kesetaraan massa dan energi Albert Einstein sebagai berikut. E = m c2 Dengan demikian persamaan tersebut dapat diubah menjadi mc=
E c
dimana massa dikali dengan kecepatan adalah sama dengan momentum, sehingga P=
E c
dengan satuan kg m/s
Bila kedua ruas berlangsung tiap satuan waktu dan tiap satuan luas permukaan maka dimensi momentum akan berubah menjadi dimensi tekanan, dan energi akan berubah
271
menjadi intensitas energi gelombang elektromagnetik. sehingga dapat ditulis sebagai berikut. watt 2 kg.m.s -1 m = 2 m .s m.s -1
↔
Jadi diperoleh persamaan tekanan radiasi adalah :
p=
P = A.t
E
A.t c
↔
-1
-2
kg.m .s =
watt
m2 m.s -1
S c
Dalam hal ini S adalah vektor poynting yaitu intensitas gelombang elektromagnetik. Persamaan
p =
S c
ini berlaku untuk tekanan radiasi radiasi gelombang
elektromagnetik yang diserap oleh suatu permukaan. Sedangkan mengingat momentum adalah besaran vektor maka untuk tekanan radiasi gelombang elektromagnetik yang dipantulkan oleh suatu permukaan adalah sebesar p =
2.S c
B. Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan Sehari-hari Beberapa contoh aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari diuraikan sebagai berikut. 1. Teleskop Satelit Inframerah
Gambar 16. Teleskop satelit inframerah yang dipasang di orbit akan menghasilkan gambar-gambar foto alam semesta dengan lebih baik kualitasnya.
Sebuah teleskop infra merah Space Infrared Telescope Facility (SIRTF) atau
Gambar 17. Teleskop angkasa Hubble, yang bekerja pada cahaya tampak, sedangkan teleskopChandra X-Ray 272 bekerja pada daerah frekuensi sinar X untuk mencari black hole.
Fasilitas Teleskop Infra Merah Ruang Angkasa. SIRTF adalah sistem peneropongan bintang keempat yang diluncurkan NASA. Sebelumnya badan angkasa luar Amerika Sserikat itu telah meluncurkan Teleskop Angkasa Hubble, diorbitkan pesawat ulang alik tahun 1990; Gamma Ray Observatory, diluncurkan tahun 1991; dan Chandra XRay Observatory diluncurkan tahun 1999. Masing-masing sistem peneropongan itu digunakan untuk mengamati cahaya-cahaya dengan warna yang berbeda, yang tidak dapat dilihat dari permukaan Bumi. Masingmasing sistem juga memiliki fungsi berbeda satu dengan lainnya. Dengan Teleskop Hubble, para peneliti mencari obyek "paling merah" yang berarti jaraknya sangat jauh. Dengan SIRTF akan bisa melihat populasi bintang di dalam obyek sangat jauh tersebut karena SIRTF akan bekerja dalam gelombang cahaya infra merah. Sebelum itu pada tahun 1983 kerja sama antara Amerika Serikat, Belanda, dan Inggris telah meluncurkan IRAS (the Infrared Astronomical Satellite) atau Satelit Astronomi Inframerah, yang juga masih berfungsi sampai dengan sekarang. 2. Diagnosa Menggunakan sinar X
Patah tulang, penyakit dalam dapat dideteksi dan didiagnosa oleh dokter dengan akurat dengan bantuan sinar X atau sinar Röntgen.
GAMBAR TENTANG FOTO SINAR RONTGEN
Gambar 18. Potret sinar Rontgen membantu dokter mendiagnosa masalah klinis dengan tepat.
Sejak ditemukan sinar X pada tahun 1895 oleh Wilhelm Conrad Röntgen , dunia medis mendapatkan kemajuan pesat untuk mengobati penyakit dalam atau sakit patah tulang. Dengan hasil images film sinar X tim dokter mendapat informasi jelas bagian mana yang harus mendapatkan penanganan. 3. Teleskop Radio
273
Gambar 19. Kumpulan teleskop radio sebanyak 27 buah di dekat Socorro, di New Meksiko
Teleskop radio untuk menangkap gelombang radio dan mendeteksi sinyalsinyal lain (pulsar) dari angkasa luar. Penemuan gelombang radio yang datang dari angkasa luar dan berhasil dideteksi di bumi oleh Karl Jansky seorang insinyur listrik dari laboratorium Telepon Bell pada tahun 1931, telah berhasil mengembangkan astronomi radio. Deretan teleskop radio sebanyak 27 buah dibangun dekat Socorro di New Meksiko. Untuk beberapa dekade astronomi radio mengalami kemajuan pesat dan berhasil memberikan gambaran tentang alam semesta dengan banyak dideteksinya spektrum gelombang lain yang datang dari angkasa luar seperti infa merah, ultraungu, sinar X, sinar gamma, dan pulsar-pulsar lain hingga berhasil ditemukannya bintang netron. Lebih jauh lagi bahkan berhasil menguak banyak hal tentang sinar-sinar kosmik yang akhirnya diteliti mendalam oleh ilmuwan-ilmuwan fisika inti khususnya partikel elementer.
274
Gambar 19. Kumpulan teleskop radio sebanyak 27 buah di dekat Socorro, di New Meksiko
4. Pemanfaatan Solar Sel Untuk Menangkap Energi Cahaya Matahari
Gambar 20. Solar sel merupakan komponen dari bahan semikonduktor yang mampu menangkap energi panas gelombang elektromagnetik dari matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik sehingga dapat disimpan di dalam baterai atau accu.
Gelombang elektromagnetik dari matahari dalam bentuk cahaya tampak pada siang hari dapat ditangkap oleh sel surya yang terbuat dari bahan semikonduktor misalnya silikon. Sel surya akan mengubah energi panas ini menjadi energi listrik dan dapat menghasilkan tegangan listrik. Pada siang hari tegangan listrik disimpan dalam baterei atau accumulator sehingga pada malam hari dapat dimanfaatkan untuk menyalakan peralatan listrik atau memanaskan air. Solar sel juga dikembangkan untuk menggerakkan mobil tanpa bahan bakar migas.
5. Oscilator Penghasil Gelombang Elektromagnetik
275
Gelombang elektromagnetik telah diketahui keberadaannya. Permasalahannya dapatkah gelombang elektromagnetik diproduksi terus-menerus. Berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday berhasil diketemukan bahwa rangkaian oscilasi listrik dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik terus menerus. Frekuensi yang dihasilkan gelombang elektromagnetik disebut frekuensi resonansi, untuk rangkaian LC dirumuskan f=
1 1 2π LC
Antena
i Sumber energi
Sirkuit LC
Gambar 21. Rangkaian/sirkuit oscilasi LC dihubungkan dengan sumber energi dan antena dapat menghasilkan perubahan medan listrik AC dan pada antena akan terpancar gelombang elektromagnetik
Prinsip ini dipakai dalam teknologi penyiaran baik gelombang TV , gelombang radar, gelombang mikro, maupun gelombang radio. Gambar 21 menunjukkan rangkaian pengirim gelombang elektromagnetik. Di sisi lain gelombang elektromagnetik yang terpancar itu dapat ditangkap melalui rangkaian penerima gelombang elektromagnetik. Masih banyak lagi aplikasi gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehariTugas Akhir Bab hari yang tersebar dalam berbagai bidang. Kamu dapat lebih memperdalam pemahaman • Carilah contoh-contoh aplikasi atau penerapan gelombang aplikasi gelombang elektromagnetik dengan mengerjakan tugas akhir bab ini.
elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari untuk beberapa topik, usahakan lebih dari tiga macam. • Buatlah tugas ini dalam bentuk kliping dengan deskripsinya, dan
berilah komentarmu untuk tiap-tiap topik. •
Gunakan majalah ilmiah atau search engine di internet dengan mengunjungi referensimu.
topik applied 276electromagnetism
wave
sebagai
Rangkuman
1. Al Hasan (965-1038) mengemukakan pendapat bahwa mata dapat melihat benda benda di sekeliling karena adanya cahaya yang dipancarkan atau dipantulkan oleh benda-benda yang bersangkutan masuk ke dalam mata. 2. Pendapat Newton dengan teori emisi adalah dari sumber cahaya dipancarkan partikel-partikel yang sangat kecil dan ringan ke segala arah dengan kecepatan yang sangat besar. Bila partikel-partikel ini mengenai mata, maka mata akan mendapat kesan melihat benda tersebut. 3. Menurut Christian Huygens cahaya pada dasarnya sama dengan bunyi dan berupa gelombang. Perbedaan cahaya dan bunyi hanya terletak pada panjang gelombang dan frekuensinya. 4. James
Clerk
Maxwell
menyatakan
bahwa
Cepat
rambat
gelombang
elektromagnetik sama dengan cepat rambat cahaya yaitu 3x10 8 m/s. 5. Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik dan merupakan gelombang tranversal. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa cahaya dapat menunjukkan gejala polarisasi. 6. Max Karl Ernst Ludwig Planck menyatakan bahwa cahaya terdiri dari peket paket energi yang disebut kuanta atau foton.
277
7. Hukum Coulomb mengemukakan bahwa muatan listrik statik dapat menghasilkan medan listrik.. 8. Hukum Biot & Savart mengemukakan bahwa aliran muatan listrik (arus listrik) dapat menghasilkan medan magnet. 9. Hukum Faraday mengemukakan bahwa perubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik. 10. Maxwell mengemukakan bahwa perubahan medan listrik dapat menimbulkan medan magnet. 11. Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dirumuskan sebagai berikut
c=
1 ε oμ o
12. Gelombang elektromagnetik adalah rambatan perubahan medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. 13. Kerapatan energi listrik (= energi listrik per satuan volume) : joule m3
UE
=
½ εo .E2 dengan satuan
UE
=
½ εo .E2.c dengan satuan
watt m2
14. Kerapatan energi magnetik (= energi magnetik per satuan volume) : UB UB
=
B2 joule dengan satuan 2μ o m3
=
B2 c watt dengan satuan 2μ o m2
15. Kerapatan energi gelombang elektromagnetik : U U
=
UE + UB
=
B2 c ½ (εo E .c + ) μo 2
Karena E = B . c, maka penulisan dalam bentuk lain adalah sebagai berikut. U
=
B2 c watt satuan 2 μo m
278
Karena B =
E , maka dapat ditulis juga sebagai berikut. c
E2 watt U= 2 satuan μ oc m2 16. Secara umum intensitas atau energi per satuan luas dapat dituliskan dengan E .B S= o o μ o S=
atau
ExB μ o
disebut dengan vektor poynting.
17. Intensitas rata-rata ( S ) gelombang elektromagnetik adalah : S
=
E .B o o 2μ o
atau
1 S = ε E2 c 2 o o E o2 S= 2 c μo 1 S = ε B 2 c3 2 o o
atau
atau
atau
B o2 .c S= 2 μo 18. Cepat rambat gelombang elektromagnetik diberikan dengan persamaan c=
ω k
atau
c=λ
. f
19. Urutan spektrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi tinggi ke frekuensi Urutan dari atas kebawah: frekuensi (f) makin kecil rendah. Panjang gelombang (λ) makin besar • Sinar gamma (γ) Cepat rambat (c) sama. •
Sinar X (Rontgen) c = λ . f 279
•
Sinar ultra ungu
•
Cahaya tampak:
Ungu
Biru
Hijau
Kuning
Jingga
Merah
•
Sinar infra merah
•
Gelombang Radar
•
Gelombang TV
•
Gelombang Radio
20. Jarak antara sensor radar ke sasaran : s=
c . Δt 2
21. Menurut Stefan dan Boltzman radiasi gelombang elektromagnetik adalah Intensitas radiasi
I = R = e . σ.T4
Daya radiasi
P = R .A P = e. σ.T4.A
Energi radiasi
E=W=P.t E = e . σ . T4. A . t
σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,672 .10 -8 Watt/m2 K.
22. Menurut Wien panjang gelombang maksimum berbanding terbalik dengan suhu mutlak benda. λm . T = C
.
C = konstanta Wien = 2,898 . 10-3 m.K 23. Beberapa contoh aplikasi gelombang elektromagnetik pada kehidupan sehari-hari
280
•
Teleskop Satelit Inframerah
•
Diagnosa Menggunakan sinar X
•
Teleskop Radio
•
Pemanfaatan Solar Sel Untuk Menangkap Energi Cahaya Matahari
•
Oscilator Penghasil Gelombang Elektromagnetik
Soal LatihanUlangan Bab 9 Soal Pilihan Ganda Pilihlah jawaban yang benar!
1. Gelombang elektromagnet yang mungkin memiliki panjang gelombang menggeser antara 0,01 Å – 10 Å adalah: a.
infra merah
b.
ultra violet
c.
sinar X
d.
sinar
e.
gelombang tv
2. Energi dari gelombang elektromagnet adalah berbanding lurus terhadap frekwensinya, maka dari pancaran gelombang elektromagnet di bawah ini yang paling besar energinya adalah: a.
sinarmerah
b.
sinar ungu
c.
sinar gamma
d.
sinar X
e.
gelombang radio
3. Suatu pemancar radio terdiri dari rangkaian L – C masing- masing besarnya 1/6 henry dan 1,5 pikofarad, kecepatan cahaya dalam udara ialah 3.10 8 m/det. Maka panjang gelombang radio yang dipancarkan adalah: a.
100 π m 281
b.
150 π m
c.
200 π m
d.
250 π m
e.
300 π m
4. Suatu lampu gas yang berpijar memancarkan energi maksimum terletak pada sinar merah dengan panjang gelombang 8000 Å. Maka suhu gas pijar itu, jika konstanta Wien = 2,898 x 10-3 m.K adalah: a.
3326,5º C
b.
3327,5º C
c.
3328,5º C
d.
3329,5º C
e.
3330º C
5. Suatu kapal diperlengkapi pemancar dan penerima gelombang radar untuk menduga dalamnya laut. Jika indek bisa air laut = 4/3, kecepatan cahaya di udara 3.108 m/det dan waktu yang dibutuhkan gelombang radar bolak- balik (dari permukaan laut kembali ke permukaan lagi) = 8.10-5 det. Maka dalamnya laut adalah: a. b.
9 km 6 km
c.
4 km
d.
2 km
e.
0,5 km
6. Sebuah keping logam yang emisivitasnya = 0,05 luas permukaannya 2 cm2 berpijar dan memancarkan tenaga selama 5 det. Jika konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 watt/m2 (K)4 dan suhu permukaannya 1727º C. Maka energi total yang dipancarkan selama itu adalah: a.
45,24 joule
b.
45,32 joule
c.
45,36 joule
d.
45,42 joule
e.
45,84 joule 282
7. Jika frekuensi pada intensitas radiasi maksimum dari matahari 6.10 14 Hz, konstante Wien = 2,9 x 10-3 m.K. Kelajuan cahaya dalam hampa 3.10 8 m/det maka suhu permukaan matahari adalah: a. b.
1450 K 2900 K
c.
4350 K
d.
5800 K
e.
7250 K
8. Suhu filament sebuah lampu pijar (e = 0,7) adalah 1.000 K. σ = 6.10-8 watt/m2.K 4. Untuk lampu 25 watt maka luas permukaan filamennya…. a.
0,06 cm2
b.
0,06 m2
c.
0,6 m2
d.
0,6 cm2
e.
6 cm2
9. Suhu di permukaan suatu bintang 11.810º C. Tenaga pancar maksimum yang datang dari cahaya bintang tersebut terletak pada panjang gelombang…. a.
1.500 Å
b.
2.000 Å
c.
2.400 Å
d.
2.750 Å
e.
3.050 Å
10. Sebuah benda hitam mempunyai tenaga pancar maksimum yang terletak pada panjang gelombang 2.10-6 m. Suhu benda tersebut adalah…. a. b.
700 K 950 K
c.
1.050 K
d.
1.450 K
e.
1.750 K
11. Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan dalam bentuk radiasi tiap sekon oleh benda hitam pada suhu 600 K dan 300 K adalah….
283
a. b.
2:1 4:1
c.
8:1
d.
16 : 1
e.
25 : 1
12. Jumlah kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda yang suhunya lebih besar dari 0 K, berbanding lurus dengan…. a.
suhunya
b.
pangkat dua dari suhunya
c.
suhu sekitarnya
d.
massa benda itu
e.
luas permukaan benda
13. Gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi tertinggi adalah…. a.
sinar gamma
b.
sinar X
c.
sinar inframerah
d.
sinar ultra ungu
e.
gelombang radio
14. Pernyataan di bawah ini merupakan sifat gelombang elektromagnetik, kecuali…. a.
gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa
b.
gelombang elekromagnetik adalah gelombang transversal
c.
frekwensi gelombang elektromagnetik sama dengan frekuensi cahaya
d.
gelombang elektromagnetik dapat dipolarisasikan
e.
pada gelombang elektromagnetik berlaku hokum pemantulan
15. Bila sinar ultraungu, sinar infra merah, dan sinar X berturut- turut ditandai dengan U, I dan X , maka urutan yang menunjukkan paket (kuantum) energi makin besar
adalah…. a. b.
U, I, X U, X, I
c.
I, X, U
d.
I, U, X
284
e. Catatan:
X, I, U energi sebanding dengan frekuensi
16. Sinar X mempunyai panjang gelombang yang…. a.
sedikit lebih besar daripada 700 nm
b.
di antara 400 – 700 nm
c.
jauh lebih besar daripada 400 nm
d.
sama besar dengan 400 nm
e.
jauh lebih kecil daripada 400 nm
17. Mna satu di antara contoh radiasi elektromagnetik berikut ini yang memiliki panjang gelombang terpendek? a.
Gelombang radio
b.
Cahaya tampak
c.
Infra merah
d.
Sinar X
e.
Ultra violet
18. Pada suatu saat terlihat kilat dan 10 detik kemudian terdengar suara gunturnya. Apabila kecepatan cahaya besarnya 3 x 10 8 m/detik dan kecepatan bunyi 340 m/detik, maka jarak antara tempat asal kilat dan pengamat adalah…. a.
34 m
b.
3400 m
c.
10200 m
d.
3 x 108 m
e.
3 x 109 m
19.
285
Berdasarkan grafik intensitas (I) terhadap frekuensi (f) seperti gambar di atas ini,
dapat disimpulkan bahwa…. a.
λ1 = λ2
b.
λ1 > λ2
c.
λ1 < λ2
d.
λ1 = ½ λ2
e.
λ1 = 2 λ2
20. Jumlah kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda yang suhunya lebih besar dari 10 K, berbanding lurus dengan: a.
suhunya
b.
pangkat dua dari suhunya
c.
suhu sekelilingnya
d.
massa benda itu
e.
luas permukaan benda
21. Lamu pijar dapat dianggap bentuk bola. Jari- jari lampu pijar pertama adalah dua kali dari jari- jari lampu kedua. Suhu lampu pijar pertama dan kedua masingmasing 27º C dan 127º C, maka daya lampu pertama berbanding lampu kedua adalah: a. b.
1:1 3:2
c.
9:8
d.
16 : 9
286
e.
81 : 64
22. Setiap detik di matahari terjadi perubahan 4 x 109 kg materi menjadi energi radiasi, bila laju cahaya dalam vakum adalah 3 x 1010 cm/detik, daya yang dipancarkan oleh matahari adalah…. a.
3,6 x 103 watt
b.
5,0 x 10 10 watt
c.
1,2 x 1018 watt
d.
3,6 x 1026 watt
e.
4720 watt
Petunjuk: Energi setara dengan massa menurut E = m c2 (c = kecepatan cahaya) 23. Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan dalam bentuk radiasi per detik oleh sebuah benda hitam yang dipanaskan pada suhu 4000 K dan 2000 K adalah…. a. b.
1:1 2:1
c.
4:1
d.
8:1
e.
16 : 1
24. Bola dengan jari- jari 2,5 cm yang berada dalam keadaan seimbang dengan kelilingnya, ternyata menyerap daya 61,44 watt dari lingkungannya. Tetapan Stefan-Boltzman σ = 6 x 10-8 watt/m2K 4, emisivitas e = 1/π, maka suhu bola itu adalah…. a. b.
200 K 400 K
c.
600 K
d.
800 K
e.
1000 K
25. Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan dalam bentuk radiasi per detik oleh sebuah benda hitam yang dipanaskan pada suhu 4000 K dan 2000 K adalah …. a. b.
1:1 2:1
287
c.
4:1
d.
8:1
e.
16 : 1
Soal Uraian Jawablah dengan benar!
1. Sebuah stasiun pemancar radio memancarkan gelombang pada frekuensi 8800 Å. Berapa panjang gelombang dari gelombang tersebut ? 2. Gelombang radio ditemukan memiliki tekanan 10-8 N/m2 pada permukaan pemantul. Berapa daya per satuan luas dari rambatan gelombang tersebut? Berapa besar intensitas maksimum gelombang listrik dan intensitas maksimum kerapatan fluks magnetiknya ? 3. Untuk penerimaan yang bagus gelombang radio seharusnya memiliki intensitas maksimum medan listrik paling sedikit 10 -4 volt/m ketika tiba di antena penerima. a. Berapa kerapatan fluks maksimum medan magnet gelombang seperti ini ? b. Berapa vektor poynting gelombang seperti ini ? c. Berapa tekanan radiasi gelombang ini ketika diserap? 4. Sebuah pemancar radio memakai gelombang radio 20 m. Kapasitas kondensator di dalam rantai oscilator 5 μF. Berapakah kapasitas kondensator jika panjang gelombangnya diubah menjadi 100 m ? ( Tips : gunakan frekuensi resonansi f=
1 1 ) 2π LC
5. Sebuah pemancar radio frekuensinya 4000 Hz. Kapasitas kapasitor yang dihubungkan seri dengan antena = 5000 μF. Jika kuat arus di dalam antena 0,15 ampere, berapakah tegangan pada kapasitor itu? 6.
Daya emisi suatu permukaan 113 Watt/m2, koefisien emisivitasnya 0,03. σ = 5,67.10-8 Watt m-2(K)-4.
Berapa suhu mutlaknya?
288
7. Berapakah daya radiasi matahari jika suhunya 5500 K dan matahari dianggap benda hitam sempurna. 8. Berapakah suhu suatu benda jika energi radiasi maksimum berada pada cahaya yang panjang gelombangnya : a. 8000 Å b. 6000 Å 9. Pada suhu berapa derajat Celcius energi radiasi maksimum benda hitam sempurna berada pada sinar yang panjang gelombangnya 2000 Å 10. Sebuah lampu busur memancarkan cahaya pada suhu 3000 0C. a. Berapa panjang gelombang sinar yang energi radiasinya maksimum. b. Berapa besar energi radiasi tiap detik tiap satuan luas. 11. Sepotong platina menjadi merah pijar pada suhu 550 0C dan putih pijar pada suhu 1600 0C. Berapakah panjang gelombang yang energi radiasinya maksimum pada suhu-suhu tersebut. 12. Sebuah bola berdiameter 2 cm bersuhu 700 0C. Anggap benda tersebut benda hitam sempurna. Berapakah energi yang dipancarkan tiap detik dari bola tersebut? 13. Berapakah energi yang diradiasikan oleh 1 cm2 timah tiap detik?. Emisivitas suhu tersebut 427 K. 14. Tenaga radiasi dari suatu benda hitam 4 kW. Hitung suhu benda tersebut jika luas permukaannya 0,2 m2 15. Berapa perbandingan radiasi dari dua benda sejenis yang bersuhu 327 0C dan 270 C? 16. Berapa besar energi yang dipancarkan oleh permukaan seluas 1 cm2, dalam waktu 1 detik dari suatu benda hitam, jika panjang gelombang yang sesuai dengan energi pancar maksimum ialah 4840 Å 17. Suatu bola hitam dipanaskan dari 20 0C ke 27 0C.
289
