Menunjukkan macam – macam gelombang elektromagnetik. Menyebutkan dan mengelompokkan berbagai gelombang elektromagnetik dalam spektrum. Menjelaskan karakteristik khusus masing – masing gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari – hari. Memberi contoh penerapan masing – masing gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari – hari. Menghitung besaran – besaran gelombang elektromagnetik. Mendeskripsikan konsep gelombang elektromagnetik.
Besaran Gelombang
Frekuensi, f (Hertz)
Panjang Gelombang, λ (m)
c = f λ
GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Cepat Rambat, c (3 x 108 m/s)
Gelombang Radio Gelombang Televisi Radar / Gel. Mikro
Spektrum Gelombang Refraksi
Gejala Gelombang
Refleksi Difraksi
Radiasi Inframerah
Cahaya Tampak Radiasi Ultraviolet Sinar – X Sinar Gamma
Gejala – gejala kelistrikan dan kemagnetan tampak pada gejala – gejala sebagai berikut : 1. Muatan medan listrik dapat menghasilkan medan listrik disekitarnya, yang besarnya diperlihatkan oleh hukum Coulumb. 2. Arus listrik / muatan yang mengalir dapat menghasilkan medan magnet disekitarnya, yang arah dan besarnya ditunjukkan oleh hukum Bio-Savart atau hukum Ampere. 3. Perubahan medan magnetik dapat menimbulkan GGL induksi yang dapat menghasilkan medan listrik dengan aturan yang diberikan oleh hukum induksi Faraday.
Teori Maxwell
Teori Hertz
Gelombang elektromagnetik merupakan perubahan medan magnet pada dinamo yang menimbulkan medan listrik dan sebaliknya perubahan medan listrik yang menimbulkan medan magnet. Pernyataan tersebut merupakan hipotesis Maxwell karena belum dibuktikan dengan eksperimen. Hipotesis tersebut dibuktikan oleh Heinrich Rudolph Hertz (1857 – 1894). Dalam percobaan yang lain, Hertz berhasil menghitung laju perambatan gelombang elektromagnetik. Selain itu, Hertz juga berhasil membuktikan bahwa gelombang cahaya merupakan suatu gelombang elektromagnetik yang dapat berinterferensi, difraksi, polarisasi, serta berlaku hukum – hukum pemantulan dan pembiasan. Jangkauan radiasi elektromagnet yang dipancarkan atau diserap oleh bahan dalam keadaan khusus disebut spektrum. Macam spektrum yaitu spektrum gelombang elektromagnetik, spektrum emisi (pancaran), spektrum serap (absorpsi), dan spektrum matahari.
Menurut perhitungan Maxwell kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik hanya bergantung pada dua besaran, yaitu permitivitas listrik (ε0) dan permeabilitas magnet 1 (μ0). Secara matematis dapat ditulis : v = ε0 𝑥μ0 Nilai ε0 = 8,85 x 10-12 C2/Nm2 dan nilai μ0 = 12,6 x 10-6 wb/A. Jika kedua nilai ini kita masukkan dalam persamaan di atas, dapat diperoleh nilai kecepatan gelombang elektromagnetik sebesar 3 x 10-8 𝑚 𝑠. Besar kecepatan ini sama dengan besar kecepatan perambatan cahaya di ruang hampa.
Sifat – sifat gelombang elektromagnetik : 1. Dapat merambat di ruang hampa. 2. Merupakan gelombang transversal. 3. Mengalami pemantulan (Refleksi). 4. Mengalami pembiasan (Refraksi). 5. Mengalami interverensi. 6. Mengalami lenturan (Difraksi). 7. Arah rambatnya tidak ditentukan oleh medan listrik maupun medan magnet.
Hubungan kecepataan perambatan gelombang, frekuensi, dan panjang gelombang dinyatakan sebagai berikut :
Perbedaan interval / jarak panjang gelombang dan frekuensi gelombang yang disusun dalam bentuk tabel panjang gelombang dan frekuensi secara berurutan c=fλ disebut spektrum. Gelombang Keterangan : memiliki frekuensi c = cepat rambat gelombang radio elektromagnetik (3 x 108 𝑚 𝑠) terendah, sedangkan sinar gamma memiliki frekuensi f = frekuensi (Hz) tertinggi. λ = panjang gelombang (m)
Perbedaan interval / jarak panjang gelombang dan frekuensi gelombang yang disusun dalam bentuk tabel panjang gelombang dan frekuensi secara berurutan disebut spektrum. Gelombang radio memiliki frekuensi terendah, sedangkan sinar gamma memiliki frekuensi tertinggi. Spektrum gelombang elektromagnetik meliputi cahaya tampak, sinar inframerah, sinar ultraviolet, gelombang radio, gelombang mikro, sinar-X, dan sinar gamma.
1. Sinar Gamma Sinar gama merupakan gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi tertinggi dalam spektrum gelombang elektromagnetik, yaitu antara 1020 Hz 1025 Hz. Panjang gelombangnya antara 10 -5 nm - 0,1 nm. Sinar gama berasal dari radio aktifitas nuklir / atom - atom yang tidak stabil dalam waktu reaksi inti. Sinar gama memiliki daya tembus yang sangat kuat, sehingga mampu menembus logam yang memiliki ketebalan beberapa cm. Jika diserap pada jaringan hidup, akan menyebabkan efek yang berbahaya seperti mandul dan kanker.
2. Sinar X Mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz. Panjang gelombangnya antara 10 -11 - 10 -18 m. Sinar X ditemukan oleh Wilhelm Conrad Rontgen (1895). Untuk menghormatinya, sinar X juga disebut sinar rontgen. Sinar X dihasilkan dari elektron - elektron yang terletak dibagian dalam kulit elektron atom / dapat dihasilkan dari elektron dengan kecepatan tinggi yang menumbuk logam. Sinar X banyak dimanfaatkan di bidang kedokteran seperti untuk memotret kedudukan tulang dan di bidang industri untuk menganalisis struktur kristal. Sinar ini mampu menembus zat padat seperti kayu, kertas dan daging manusia. Akan tetapi, jika dilakukan pemeriksaan anggota tubuh terlalu lama akan berbahaya.
3. Sinar Ultraviolet Mempunyai frekuensi antara 1015 Hz - 1016 Hz. Panjang gelombangnya antara 10 nm - 100 nm. Sinar ultraviolet dihasilkan dari atom dan molekul dalam nyala listrik. Sinar ini juga dapat dihasilkan dari reaksi sinar matahari. Sinar ultraviolet violet dapat diaplikasikan untuk membunuh kuman, memeriksa apakah tanda tangan anda di slip penarikan uang sama dengan tanda tangan dalam buku tabungan (bidang perbankan).
4. Cahaya Tampak Spektrum cahaya tampak mempunyai λ dari 4.000 Å sampai 7.000 Å (400 nm - 800 nm). Dikatakan cahaya tampak karena cahaya tersebut mempunyai efek yang dapat dilihat oleh mata. Cahaya tampak mempunyai frekuensi sekitar 1015 Hz.
5. Sinar inframerah. Frekuensinya antara 1011 Hz - 1014 Hz. Frekuensi gelombang ini dihasilkan oleh getaran - getaran elektron pada suatu atom atau bahan yang dapat memancarkan gelombang elektromagnetik pada frekuensi khas. Bidang kedokteran => terapi medis, seperti penyembuhan penyakit encok dan terapi saraf. Bidang militer => dibuat teleskop inframerah yang digunakan untuk melihat di tempat gelap / berkabut, dimanfaatkan satelit untuk memotret permukaan bumi meskipun terhalang oleh kabut / awan.
6. Radar atau Gelombang Mikro Merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi sekitar 1010 Hz dan panjang gelombangnya sekitar 3 mm. Gelombang mikro dimanfaatkan pada pesawat radar. Bisa diaplikasikan untuk mendeteksi suatu obyek , memandu pendaratan pesawat terbang, membantu pengamatan dari kapal laut dan pesawat terbang pada malam hari atau cuaca kabut serta untuk menentukan arah dan posisi yang tepat. c Δݐ s= 2 Ket : s = jarak sasaran dari pemancar radar (m) Δ = ݐselang waktu dipancarkan dan diterima radar (s) c = kecepatan perambatan radar (m/s)
7. Gelombang televisi. Gelombang televisi membawa informasi gambar dan suara. Gelombang ini tidak dipantulkan oleh ionosfer bumi, sehingga diperlukan penghubung dengan satelit / permukaan bumi untuk tempat yang sangat jauh.
8. Gelombang Radio a. Gelombang radio AM Informasi yang dipancarkan oleh antena yang berupa suara dibawa gelombang radio berupa perubahan amplitudo yang disebut amplitudo modulasi (AM). Gelombang AM mempunyai frekuensi antara 10 4 Hz - 10 7 Hz. Gelombang tersebut memiliki sifat mudah dipantulkan oleh lapisan ionosfer bumi, mempunyai jangkauan yang sangat jauh dari stasiun pemancar radio. Kelemahannya => sering terganggu oleh gejala kelistrikan di udara, sehingga gelombang yang ditangkap pesawat radio kadang terdengar berisik. b. Gelombang radio FM Mempunyai frekuensi sekitar 10 8 Hz. Gelombang FM digunakan sebagai pembawa berita atau informasi. Gelombang tersebut memiliki sifat dan kelemahan => pemancar FM lebih jernih dibandingkan dengan pemancar AM, tidak dapat dipantulkan oleh ionosfer bumi, tidak terpengaruh oleh gejala kelistrikan di udara, tidak dapat menjangkau tempat - tempat yang jauh di permukaan bumi. Supaya jangkauannya jauh diperlukan stasiun penghubung (relai) yang ditempatkan di satelit / permukaan bumi.
Suatu besaran yang menentukan laju cahaya dalam suatu bahan dinamakan indeks bias.
n=
𝑐 𝑐𝑚
=
𝑓𝜆 𝑓 𝜆𝑚
=
Indeks beberapa bahan (medium), menggunakan cahaya dengan 𝜆 = 589 nm dalam vakum.
𝜆 𝜆𝑚
Dengan n = indeks bias bahan (tanpa satuan) c = laju cahaya dalam ruang hampa (𝑚 𝑠) cm = laju cahaya dalam bahan / medium (𝑚 𝑠) 𝜆 = panjang gelombang dalam ruang hampa (m) 𝜆m = panjang gelombang dalam bahan (m) INDEKS BIAS
PEMBIASAN
SERAT OPTIK
PEMANTULAN
TEORI KLASIK
PRISMA
Hukum Snellius tentang pembiasan :
Syarat terjadinya pembiasan cahaya :
1. Sinar datang, garis normal, dan sinar Laju cahaya pada kedua medium itu berbeda. bias terletak pada satu bidang datar. Arah datang cahaya tidak tegak lurus terhadap bidang batas kedua medium. 2. Perbandingan sinus sudut datang dan sinus sudut bias pada dua medium Gejala pembiasan cahaya = > Hukum Snellius. tertentu merupakan bilangan tetap. ni sin θi = nr sin θr ni = indeks bias medium tempat cahaya datang nr = indeks bias medium yang dituju cahaya Θi = sudut datang cahaya diukur dari arah tegak lurus bidang batas kedua medium Θr = sudut bias cahaya diukur dari arah tegak lurus bidang batas kedua medium
INDEKS BIAS
PEMBIASAN
SERAT OPTIK
PEMANTULAN
TEORI KLASIK
PRISMA
Sudut Kritis untuk Pembiasan Pembiasan dengan sudut 900 berarti θr = 900 atau sin θr = 1. n Dengan menggunakan Hukum Snellius => sin θi = r => Jika ni cahaya datang dari medium dengan indeks bias besar menuju medium dengan indeks bias kecil maka, cahaya dibiaskan dengan sudut 900. Sudut θi yang memenuhi kondisi ini disebut sudut kritis, yang kita lambangkan dengan θc. Apabila sudut datang cahaya lebih besar daripada sudut kritis maka, cahaya tidak dibiaskan melainkan dipantulkan (pemantulan sempurna / pemantulan total internal).
θr
air kaca θi
(a) air kaca
900 θc
(b)
a) Sinar datang dengan sudut θi dibiaskan dengan sudut θr. air b) Sudut kritis adalah sudut datang yang menghasilkan sinar bias dengan kaca sudut 900. θc c) Sinar datang dengan sudut melebihi sudut – sudut kritis tidak (c) dibiaskan, melainkan dipantulkan semua. TEORI INDEKS BIAS PEMBIASAN SERAT OPTIK PEMANTULAN KLASIK PRISMA
Serat optik merupakan bahan transparant berbentuk silinder yang ukurannya sangat kecil. Serat optik terdiri dari 2 bagian utama, yaitu teras dan kladding. Teras berupa silinder yang sangat kecil dengan indeks bias n1 dan kladding yang membungkus teras memiliki indeks bias n2. agar fenomena pemantulan sempurna terjadi maka n1 > n2.
a.
Serat optik dalam komunikasi Semakin besar frekuensi gelombang yang digunakan untuk mengirim data, maka makin banyak data yang dapat dikirim tiap detiknya. Sistem serat optik dapat membawa percakapan telepon, TV kabel, sambungan internet, sinyal video telekonferensi, dll.
b.
Serat optik dalam kedokteran Prinsip kerja endoskopi => Organ tubuh bagian dalam dapat dilihat dengan mengirim cahaya ke organ tersebut dan menangkap kembali cahaya yang dipantulkan, cahaya yang dikirim dan dipantulkan oleh organ ditangkap kembali melalui sistem serat optik. Peralatan endoskopi => Bundelan pencahayaan (membawa cahaya dari luar => menyinari organ yang akan diambil gambarnya) dan Bundelan bayangan (membawa cahaya pantulan organ tubuh sehingga membentuk gambar).
INDEKS BIAS
PEMBIASAN
SERAT OPTIK
PEMANTULAN
Tampak depan
Teras Kladding Tampak samping
Pemantulan sempurna dalam kabel serat optik
TEORI KLASIK
PRISMA
Dalam hal pemantulan cahaya, terdapat beberapa fenomena yang menarik untuk diperhatikan : a) Bila bahan kedua tidak dapat ditembus oleh cahaya, maka cahaya hanya mengalami pemantulan. b) Bila bahan kedua dapat ditembus oleh cahaya, maka cahaya mengalami pemantulan dan pembiasan. c) Bila bahan kedua memiliki indeks bias lebih kecil daripada bahan pertama dan cahaya datang dengan sudut lebih besar daripada sudut kritis, maka cahaya dipantulkan seluruhnya. Sifat pemantulan cahaya yaitu sudut datang sama dengan sudut pantul memunculkan fenomena pemantulan yang berbeda antara permukaan batas yang rata dan tidak rata. a) Bila berkas cahaya sejajar jatuh pada bidang batas yang rata, maka berkas cahaya yang dipantulkan juga sejajar (pemantulan teratur).
b) Bila berkas cahaya sejajar jatuh pada bidang batas tidak sejajar (tidak teratur), maka berkas cahaya pantul memiliki arah yang tidak teratur pula (pemantulan bias). Sudut datang
Sudut pantul
i r Cermin datar
Garis Normal INDEKS BIAS
PEMBIASAN
Cermin datar Pemantulan Teratur SERAT OPTIK
PEMANTULAN
TEORI KLASIK
PRISMA
Teori Newton Menurut Isaac Newton, cahaya tersusun atas partikel – partikel. Peristiwa pemantulan dan pembiasan merupakan proses mekanika yang terjadi pada partikel cahaya pada bidang batas dua medium. Teori Huygens
Menurut Huygens, cahaya merupakan gelombang. Setiap titik pada muka gelombang berperilaku sebagai sumber gelombang titik yang baru. Perbandingan proses pemantulan dan pembiasan berdasarkan teori Newton dan Huygens a. Pemantulan Newton => Partikel yang menuju bidang batas dua medium mengalami pertambahan laju karena ditarik oeh bidang batas tersebut. Pada saat akan menumbuk bidang batas, laju partikel lebih besar daripada ketika jauh dari bdang batas. Partikel yang menumbuk bidang batas dipantulkan, kemudian mendapat perlambatan karena ditarik oleh bidang batas. Setelah menjauhi bidang A’ D cahaya sama batas, maka laju partikel kembali seperti semula. Kesimpulan => Sudut datang 2 1 dengan sudut pantul.
A’
Huygens => Menggunakan aturan trigonometri. D i r
sin θi =
𝐴′ 𝐶 𝐴𝐶
dan sin θr =
(a) INDEKS BIAS
PEMBIASAN
𝐴𝐷 𝐴𝐶
i θi = sin θr atauθθ dan mengingat A’C = AD maka θ sin r i = θr
A
C
SERAT OPTIK
A
(b) TEORI PEMANTULAN KLASIK
C
PRISMA
b. Pembiasan Newton => Pada saat mendekati bidang batas, partikel cahaya mengalami pertambahan laju ke arah bidang, sehingga arah gerak partikel sedikit membelok ke arah bidang. Akibatnya, ketika masuk ke bahan kedua, arah partikel membentuk sudut yang lebih kecil dari pada arah datang.
Huygens => Berdasarkan geometri segitiga AA’C dan ABC maka sin θi =
𝑣1Δ𝑡 dan 𝐴𝐶
sin θr =
𝑣2Δ𝑡 𝐴𝐶
1
atau sin θi
sin θr
=
udara gelas
𝑣1 𝑣2 𝑐
𝑐
Mengingat 𝑣1 = 𝑛 dan 𝑣2 = 𝑛 maka sin θi
sin θr
atau
=
𝑐 𝑛𝑖 𝑐 𝑛𝑟
𝑖
=
𝑟
2 A’
v1Δt
𝑛𝑟 𝑛𝑖
𝑛𝑖 sin θi = 𝑛𝑟 sin θr => Hukum Snellius
INDEKS BIAS
PEMBIASAN
SERAT OPTIK
PEMANTULAN
B
θr
θi
v1Δt C
TEORI KLASIK
PRISMA
Ketika cahaya putih melewati prisma, maka terjadi 2 kali proses pembiasan. Pembiasan pertama terjadi ketika cahaya masuk dari udara ke prisma. Pembiasan kedua terjadi ketika cahaya keluar dari sisi lain prisma dan masuk kembali ke udara. Setiap kali mengalami pembiasan, cahaya dengan panjang gelombang berbeda dibiaskan dengan sudut yang berbeda. Akibatnya, ketika meninggalkan prisma maka berkas dengan panjang gelombang yang berbeda merambat ke arah yang sedikit berbeda.
INDEKS BIAS
PEMBIASAN
SERAT OPTIK
PEMANTULAN
TEORI KLASIK
PRISMA
1. Sebuah pemancar radio
A. 250 m dan 3,3 m
bekerja pada daerah frekuensi
B. 500 m dan 3,3 m
600 KHz dan 900 MHz. Berapa
C. 3,3 m dan 500 m
panjang gelombang siaran yang
D. 3,3 m dan 250 m
diterima pesawat radio ?
E. 500 m dan 250 m
2. Sebuah gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan 3 x 108 𝒎 𝒔. Jika panjang gelombangnya 30 m, maka tentukan frekuensi gelombang tersebut
A. 1014 Hz B. 103 Hz C. 106 Hz D. 107 Hz E. 108 Hz
A. Sinar Gamma
3. Gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi dan energi tertinggi serta panjang gelombang terpendek adalah...
B. Gelombang Radio C. Sinar Inframerah D. Sinar X E. Sinar Ultraviolet
A. 15 km
4. Melalui antena sebuah radar pesawat terbang, dipancarkan pulsa gelombang radar. Pulsa gelombang yang pertama dipancarkan diterima kembali oleh antena pesawat setelah 2 x 10-4 s. Berapa jarak obyek dari pesawat ?
B. 7,5 km C. 30 km D. 45 km E. 37,5 km
A. 1011 Hz – 1020 Hz
5. Pada spektrum gelombang elektromagnetik, maka daerah gelombang radio berfrekuensi antara...
B. 108 Hz - 1010 Hz C. 1011 Hz - 1014 Hz D. 1015 Hz - 1016 Hz E. 104 Hz - 107 Hz
