Makalah Fisika Radiasi Elektromagnetik
BAB I : Pendahuluan Kemajuan teknologi saat ini semakin meningkat berikut dalam penggunaan gelombang elekromagnetik dalam kehidupan sehari-hari. Seperti
apakah
gelombang
elektromagnetik,
apa
contoh
gelombang
elektromagnetik
itu?
Gelombang elektromagnetik sebenarnya selalu ada disekitar kita, salah satu contohnya adalah sinar matahari, gelombang ini tidak memerlukan medium perantara dalam perambatannya. Contoh lain adalah gelombang radio. Tetapi spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya, yang dibedakan berdasarkan frekuensi atau panjang gelombangnya. Untuk itu disini kita akan mempelajari tentang rentang spektrum gelombang elektromagnetik, karakteristik khusus masing-masing gelombang elektromagnetik di dalam spectrum dan contoh dan penerapan masingmasing gelombang elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari.
Latar Belakang Gelombang Elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walau tidak ada medium. Energi elektromagnetik merambat dalam gelombang dengan beberapa karakter yang bisa diukur, yaitu: panjang gelombang/wavelength, frekuensi, amplitude/amplitude, kecepatan. Amplitudo adalah tinggi gelombang, sedangkan panjang gelombang adalah jarak antara dua puncak. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang melalui suatu titik dalam satu satuan waktu. Frekuensi tergantung dari kecepatan merambatnya gelombang. Karena kecepatan energi elektromagnetik adalah konstan (kecepatan cahaya), panjang gelombang dan frekuensi berbanding terbalik. Semakin panjang suatu gelombang, semakin rendah frekuensinya, dan semakin pendek suatu gelombang semakin tinggi frekuensinya.
Gelombang Eelektromagnetik Sinar dengan panjang gelombang besar, yaitu gelombang radio dan infra merah, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih rendah. Sinar dengan panjang gelombang kecil, ultra violet, sinar x atau sinar rontgen, dan sinar gamma, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih tinggi.
BAB II : Pembahasan Pengertian dan Sifat Gelombang Elektromagnetik Radiasi elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan medan magnet yangberosilasi dan merambat lewat ruang dan membawa energi dari satu tempat ke tempat yang lain.Cahaya tampak adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik.Penelitian teoritis tentang radiasi elektromagnetik diisebut elektrodinamik, sub-bidang elektromagnetisme
1. Hipotesis Maxwell Teori gelombang elektromagnetik kali pertama dikemukakan oleh James Clerk Maxwell (1831–1879). Ini berawal dari beberapa hukum dasar yang telah dipelajari, yakni Hukum Coulomb, Hukum Biot-Savart atau Hukum Ampere, dan Hukum Faraday. Hukum Coulomb memperlihatkan bagaimana muatan listrik dapat menghasilkan medan listrik, Hukum Biot-Savart atau Hukum Ampere menjelaskan bagaimana arus listrik dapat menghasilkan medan magnet, dan Hukum Faraday menyatakan bahwa perubahan medan listrik dapat menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) induksi. Maxwell melihat adanya keterkaitan yang sangat erat antara gejala kelistrikan dan kemagnetan. Ia mengemukakan bahwa jika perubahan medan magnetik menghasilkan medan listrik, seperti yang dikemukakan oleh hokum Faraday, dan hal sebaliknya dapat terjadi, yakni perubahan medan listrik dapat menimbulkan perubahan medan magnet.
Gambar 1. Medan listrik dan medan magnet dalam gelombang elektromagnetik Menurut Maxwell, ketika terdapat perubahan medan listrik ( E ), akan terjadi perubahan medan magnetik ( B ). Perubahan medan magnetik ini akan menimbulkan kembali perubahan medan listrik dan seterusnya. Maxwell menemukan bahwa perubahan medan listrik dan perubahan medan magnetik ini menghasilkan gelombang medan listrik dan gelombang medan magnetik yang dapat merambat di ruang hampa. Gelombang medan listrik ( E ) dan medan magnetik (B ) inilah yang kemudian dikenal dengan nama gelombang elektromagnetik.
Secara matematis, Maxwell menghitung kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik bergantung pada dua besaran, yaitu permitivitas listrik (E0=8,85x10-12 C2 /N.m2 ) dan permitivitas magnet x10-7wb/A.m). Dalam ruang hampa kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan berikut:
= 2,99 x 108m/s
c µ0 ε0
pers (1)
= kecepatan gelombang elektromagnetik (m/s) = permitivitas listrik di ruang hampa (8,85 x 10 -12 C2/Nm2) = permeanilitas magnet di ruang hampa (4π x 10-7Wb/Am)
Setiap muatan listrik yang memiliki percepatan memancarkan radiasi elektromagnetik. Waktu kawat menghantarkan sama dengan arus listrik. Bergantung pada situasi, gelombang elektromagnetik dapat bersifat seperti gelombang atau seperti partikel. Sebagai gelombang, dicirikan oleh kecepatan, panjang gelombang, dan frekuensi. Kalau dipertimbangkan sebagai partikel, mereka diketahui sebagai foton, dan masing-masing mempunyai energi berhubungan dengan frekuensi gelombang ditunjukan oleh hubungan Planck E = Hf , di mana E adalah energi foton, h ialah konstanta Planck 6,626 × 10 −34 J·s,dan f adalah frekuensi gelombang. Untuk menentukan hipotesis dan perhitungan Maxwell, Heinrich Rudolph Hertz membangkitkan dan mendeteksi gelombang elektromagnetik dengan menggunakan sumber-sumber listrik. Hasil percobaan Hertz mendukung hipotesis Maxwell tentang gelombang elektromagnetik. Selain itu Hertz juga menunjukkan bahwa gelombang elektromagnetik memiliki sifat cahaya,yaitu pemantulan, pembiasan, polarisasi, difraksi, dan merambat dalam ruang hampa. Dengan demikian terbukti bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Laju dan kecepatan gelombang elektromagnetik sama dengan laju cahaya diruang hampa. Akan tetapi, panjang gelombang dan frekuensi gelombang elektromagnetik tidak sama dengan panjang gelombang dan frekuensi cahaya.
Hubungan frekuensi dan panjang gelombang, yaitu sebagai berikut: pers (2)
c = cepat rambat diudara (3 X 10 8 m/s) f = frekuensi gelombang (Hz) λ = panjang gelombang (m)
2. Gelombang Elektromagnetik Sifat-Sifat Gelombang Elektromagnetik Sifat-sifat gelombang elektromagnetik yang didasarkan dari eksperimen yang dilakukan oleh Heinrich Hertz (1857– 1894) pada tahun 1887, yaitu sebagai berikut : 1. Merupakan perambatan getaran medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus terhadap arah rambatnya dan termasuk gelombang transversal, 2. Tidak bermuatan listrik sehingga tidak dipengaruhi atau tidak dibelokkan oleh medan listrik atau medan magnet, 3. Tidak bermassa dan tidak dipengaruhi medan gravitasi, 4. Merambat dalam lintasan garis lurus, 5. Dapat merambat di ruang hampa, 6. Dapat mengalami pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi, serta polarisasi, dan
7. Kecepatannya di ruang hampa sebesar 3 × 108 m/s.
Sumber Gelombang Elektromagnetik 1. Osilasi listrik. 2. menghasilkan sinarSinar matahari ultraviolet. 3. menghasilkanLampu merkuri infra merah. 4. Penembakan elektron dalam tabung hampa pada keping logam menghasilkan sinar X(digunakan untuk rontgen). 5. Inti atom yang tidak stabil menghasilkan sinar gamma.
Spektrum Gelombang Elektromagnetik Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spektrum elektromagnetik di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam satuan _m) mencakup kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray. Contoh spektrum elektromagnetik
1. Gelombang Radio Gelombang radio mempunyai panjang gelombang terbesar dan memiliki frekuensi paling kecil. Gelombang radio dihasilkan oleh eletktron pada kawat penghantar yang menimbulkan arus bolak balik pada kawat. Gelombang radio ini dipancarkan dari antenna pemancar (transmitter) dan diterima oleh antenna penerima (receiver) a. Daerah frekuensinya adalah 4 . 107 Hz sampai dengan 2 . 108 Hz b. Panjang gelombangnya adalah 1,5 m sampai dengan 7,5 m c. Gelombang radio dihasilkan oleh rangkaian alat elektronik (rangkaian osilator RF) d. Gelombang radio dapat menembus lapisan ionosfer dan daerah jangkauan nya pendek sehingga memerlukan stasiun penghubung (relay) e. Amplitudonya tetap, frekuensi berubah, dan tidak mengalami gangguan api listrik di udara. f. Ada dua cara membawa gelombang radio yaitu gelombang radio AM dan FM
2. Gelombang mikro Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi yaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro, maka makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat singkat. Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis.
3. Sinar Inframerah Sinar inframerah meliputi daerah frekuensi 10 11 Hz sampai 1014 Hz atau daerah panjang gelombang 10 -4 cm sampai 10-1 cm. Sinar inframerah ini dapat menembus kabut dan awan tebal. Karena itu, sinar inframerah dapat digunakan untuk memotret benda yang letaknya jauh dan tertutup kabut atau awan. Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda diipanaskan. Foton yang dipancarkan pada daerah inframerah dapat dipergunakan untuk mempelajari struktur molekul. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda. 4. Sinar ultraviolet sinar ultraviolet dihasilkan dari radiasi sinar matahari. Selain itu juga, dihasilkan dari transisi electron dalam orbit atom. a. Jangkauan frekuensi ultraviolet adalah antara 1011 Hz sampai dengan 1015Hz b. Panjang gelombang sinar ini adalah 10-9 m sampai dengan 10-6 m c. Gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik. d. Sinar ultraviolet memiliki sifat energi kimia yang cukup besar sehingga mampu untuk memendarkan fluoresensi (pada lampu TL/neon) dan mampu membunuh kuman. 5. Sinar X Sinar X mempunyai frekuensi antara 10 16 Hz sampai 1020 Hz . panjang gelombangnya sangat pendek yaitu 10 -9 cm sampai 106 cm. meskipun seperti itu tapi sinar X mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm. Akan tetapi,tidak dapat menembus logam dan tulang sehingga dapat dimanfaatkan manusia untuk melihat susunan tulang manusia. sinar x dihasilkan oleh tembakan dalam tabung ruang hampa pada permukaan keeping logam. 6. Sinar gamma sinar gamma merupakan salah satu spectrum gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi paling besar atau panjang gelombang terkecil. a. Frekuensi yang dimiliki oleh sinar gamma adalah 10 20 Hz sampai dengan 1025 Hz b. Sinar gamma dihasilkan dari suatu peristiwa peluruhan radioaktif. Inti atom yang tidak stabil meluruh menjadi inti atom unsure lain yang stabil dengan memancarkan sinar radioaktif, diantaranya sinar alfa,sinar beta, dan sinar gamma. Diantara ketiga sinar radioaktif tersebut yang termasuk gelombang elektromagnetik adalah sinar gamma, sementara dua lainnya merupakan berkas partikel bermuatan listrik c. Jika dibandingkan sinar alfa dan beta, sinar gamma memiliki daya tembus yang paling tinggi sehingga dapat menembus pelat logam timbale atau besi hingga beberapa sentimeter. Penyerap yang baik untuk sinar gamma adalah imbale d. Panjang gelombang sinar gamm adalah 10-13 m sampai dengan 10-10 m
Sumber radiasi 1.Radiasi Alam
a . S u m b e r R a d i a s i K o s m i k Radiasi kosmis berasal dari angkasa luar, sebagian berasal dari ruang antar bintang danmatahari. Radiasi ini terdiri dari partikel dan sinar yang berenergi tinggi dan berinteraksi dengan inti atom stabil di atmosfir. Atmosfir bumi dapat mengurangi radiasi kosmik yang diterima oleh manusia. Tingkat radiasi dari sumber kosmik ini bergantung kepada ketinggian,yaitu radiasi yang diterima akan semakin besar apabila posisinya semakin tinggi .b . S u m b e r R a d ia s i Te r e s t r i a l Radiasi terestrial secara natural dipancarkan oleh radionuklida di dalam kerak bumi. Radiasiini dipancarkan oleh radionuklida yang disebut primordial yang ada sejak terbentuknya bumi.Radionuklida yangada dalam kerak bumi terutama adalah deret Uranium. c. Su mb er Ra di as i I nt er na l Tu bu hSumber radiasi ini ada di dalam tubuh manusia sejak dilahirkan, dan bisa juga masuk kedalam tubuh melalui makanan, minuman, pernafasan, atau luka.
2.Radiasi Buatan a.Radon dan Thoron adalah $at radioaktif yang merupakan turunan dari Uranium dan Thorium.Radon dan Thoron yang ada didalam rumah berasal dari a.l. tanah, bahan bangunan (bata,semen, pasir, dll.0, air dan gas elpiji.' cara mengurangi dampak adalah dengan mengupayakan sirkulasi udara selancar mungkin.(dengan membuka jendela dan pentilasi setiap hari b..Sinar matahari mengandung Ultraviolet dan Infra merah. pada pagi hari sudut datang sinar lebar sehingga intensitasnya rendah. (alam intensitas yang rendah tidak merusak sel se ldalam tubuh, sebaliknya pada siang hari, intensitasnya tinggi dapat merusak kuli t. c'ara mencegah dangan berjemur pada siang hari dan gunakan pelindung seperti topi ,paying cream yang mengandung tabir surya .c.perala tan la s, menghasilkan panc aran sin ar Ultra violet, yangdapat menyebabkanpenyakit katarak .pencegahannya a. gunakan pelindung mata (kacamata las) b. jangan terus menerus bekerja dengan alat las
Manfaat Gelombang Elektromagnetik Berikut beberapa pemanfaatan gelombang elektromagnetik dalam kehidupan dan teknologi:
1. Gelombang Radio Gelombang radio digunakan dalam sistem pembicaraan jarak jauh yang tidak menggunakan kawat penghantar. Gelombang elektromagnetik bertindak sebagai pembawa gelombang audio (suara). Ada dua macam cara untuk membawa gelombang bunyi ke penerimanya, yaitu dengan sistem amplitiudo modulasi dan s istem frekuensi modulasi (AM dan FM).
2. Gelombang Mikro Beberapa pemanfaatan gelombang mikro dalam kehidupan,diantaranya:
a) Untuk pemanas microwave, b) Untuk komunikasi RADAR (Radio Detection and Ranging), c) Untuk menganalisa struktur atomik dan molekul, d) Dapat digunakan untuk mengukur kedalaman laut, e) Digunakan pada rangkaian Televisi, dan
f) 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.
3. Sinar Inframerah Kondisi-kondisi kesehatan dapat didiagnosis dengan menyelidiki pancaran inframerah dari tubuh. Foto inframerah khusus disebut termogram digunakan untuk mendeteksi masalah sirkulasi darah, radang sendi dan kanker. Untuk terapi fisik, menyembuhkan penyakit cacar dan encok. Beberapa pemanfaatan sinar inframerah adalah sebagai berikut
a)Untuk fotografi pemetaan sumber daya alam, mendeteksi tanaman yang tumbuh di bumi dengan detail, b)Untuk fotografi diagnosa penyakit, c)Digunakan pada remote control berbagai peralatan elektronik (alarm pencuri), d)Mengeringkan cat kendaraan dengan cepat pada industri otomotif, e)Pada bidang militer,dibuat teleskop inframerah yang digunakan melihat di tempat yang gelap atau berkabut, dan f)Sinar infra merah dibidang militer dimanfaatkan satelit untuk memotret permukaan bumi meskipun terhalang oleh kabut atau awan.
4. Sinar Ultraviolet Beberapa
pemanfaatan
sinar
ultraviolet
sebagai
suatu
gelombang elektromagnetik dalam kehidupan dan
teknologi adalah: a) Untuk proses fotosintesis/asimilasi pada tumbuhan. b) Membantu pembentukan vitamin D pada tubuh manusia.
Dengan peralatan khusus dapat digunakan untuk membunuh kuman penyakit, menyuci hamakan ruangan operasi rumah sakit berikut instrumen-instrumenpembedahan. d) Untuk memeriksa keaslian tanda tangan di bank-bank. c)
5. Sinar X (Sinar Rontgen) Berikut beberapa pemanfaatan sinar x dalam kehidupan dan teknologi :
Dimanfaatkan di bidang kesehatan kedokteran untuk memotret organ- organ dalam tubuh (tulang), jantung, paru-paru, melihat organ dalam tanpa pembedahan, foto Rontgen. b) Untuk analisa struktur bahan / kristal. c) Mendeteksi keretakan / cacat pada logam. d) Memeriksa barang-barang di bandara udara / pelabuhan. a)
6. Sinar Gamma Berikut beberapa pemanfaatan sinar gamma sebagai suatu gelombang elektromagnetik dalam kehidupan dan teknologi adalah:
1. 2. 3. 4. 5.
Dimanfaatkan di dunia kedokteran untuk terapi kanker, Dimanfaatkan untuk sterilisasi peralatan rumah sakit Untuk sterilisasi makanan, bahan makanan kaleng, Untuk pembuatan varietas tanaman unggul tahan penyakit dengan produktivitas tinggi, Untuk mengurangi populasi hama tananaman (serangga),
Bahaya Dampak Gelombang Elektromagnetik Paparan radiasi ultraviolet-B yang berlebih terhadap manusia, hewan, tanaman dan bahan-bahan bangunan dapat menimbulkan dampak negatif. Pada manusia, radiasi UV-B berlebihan dapat menimbulkan penyakit kanker kulit, katarak mata serta mengurangi daya tahan tubuh terhadap penyakit infeksi. Selain itu, peningkatan radiasi gelombang pendek UV-B juga dapat memicu reaksi kimiawi di atmosfer bagian bawah, yang mengakibatkan penambahan jumlah reaksi fotokimia yang menghasilkan asap beracun, terjadinya hujan asam serta peningkatan gangguan saluran pernapasan.
1..Pada tumbuhan, radiasi UV-B dapat menyebabkan pertumbuhan berbagai jenis tanaman menjadi lambat dan beberapa bahkan menjadi kerdil. Sebagai akibatnya, hasil panen sejumlah tanaman budidaya akan menurun serta tanaman hutan menjadirusak. 2..Pulsa microwaves dapat menimbulkan efek stres pada kimia syaraf otak. 3..Apabila terjadi lubang ozon, maka sinar UV, khususnya yang jenis UV tipe B yang memiliki panjang gelombang 290 nm, yang menembus ke permukaan bumi dan kemudian mengenai orang, dapat menyebabkan kulit manusia tersengat, merubahmolekul DNA, dan bahkan bila berlangsung menerus dalam jangka lama dapat memicu kanker kulit, termasuk terhadap mahluk hidup lainnya.
