Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang satu sama lainnya saling tegak lurus dalam perambatannya dan tidak memerlukan medium.

Pada abad ke-19, teori elektromagnetik sudah berkembang dan pengembangan teori elektromagnetik ini dilakukan oleh Oersted dan Ampere. Namun pada saat itu perkembangannya tidak dibuat dalam konteks medan listrik dan medan magnet. Gagasan medan magnet sendiri dikemukakan oleh Faraday dan tidak digunakan secara umum.

Medan listrik dapat menimbulkan medan magnet (ditemukan oleh Oersted), sebaliknya perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (ditemukan oleh Faraday). Dari fenomena ini Maxwell menyatakan bahwa suatu medan listrik yang berubah-ubah menginduksikan medan magnet yang juga berubah-ubah, demikian seterusnya hingga diperoleh proses berantai dari pembentukan medan listrik dan medan magnet yang merambat ke segala arah.

Hipotesis yang dikemukakan oleh Maxwell, mengacu pada tiga aturan dasar listrik-magnet, yaitu:

1. Muatan listrik dapat menghasilkan medan listrik di sekitarnya (Hukum Coulomb).
2. Arus listrik atau muatan listrik yang mengalir dapat menghasilkan medan magnet di sekitarnya (Hukum Biot-Savart).
3. Perubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik (Percobaan Faraday)

Dari tiga aturan dasar ini, Maxwell mengemukakan hipotesisnya (1864) sebagai berikut: “Karena perubahan medan magnet menimbulkan medan listrik, maka perubahan medan listrik pun akan dapat menimbulkan medan magnet”.

Energi gelombang elektromagnetik terbagi sama dalam bentuk medan listrik dan medan magnet. Medan listrik dan medan magnet selalu tegak lurus terhadap arah permbatan gelombang. Sehingga gelombang elektromagnetik merupakan gelombang transversal.

Selanjutnya Maxwell menemukan bahwa cepat rambat gelombang elektromagnetik (c) dapat dinyatakan sebagai berikut:

keterangan:

c   =  cepat rambat gelombang elektromagnetik (m/s) 

μ₀ = permeabilitas vakum = 4π x 10^-7 Wb A^-1 m^-1

ε₀ = permitivitas vakum = 8,85418 x 10^-12 C² N^-1 m^-2

Bila nilai-nilai di atas dimasukkan ke dalam persamaan, hasilnya adalah:

c = 3,0 x 10⁸ m.s^-1

Nilai  cepat rambat gelombang elektromagnetik (c) ini tepat sama dengan cepat rambat cahaya dalam vakum. Oleh karena itu, Maxwell mengajukkan hipotesis bahwa cahaya adalah suatu gelombang elektromagnetik. Hipotesis Maxwell ini diperkuat dan dibuktikan oleh Heinrich Hertz (1857-1894) melalui eksperimennya.

Eksperimen Hertz berupa pembangkitan gelombang elektromagnetik dari sebuah dipol listrik (dua kutub bermuatan listrik dengan muatan yang berbeda, positif dan negatif yang berdekatan) sebagai pemancar dan dipol listrik lain sebagai penerima. Antena pemancar dan penerima yang ada saat ini menggunakan prinsip seperti ini.

Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian penerimanya. Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang elektromagnetik.

Hertz menggunakan perangkat celah bunga api dimana muatan digerakan bolak-balik secara singkat, membangkitkan gelombang berfrekuensi sekitar 10⁹ Hz. Kemudian mendeteksi gelombang dari jarak tertentu dengan menggunakan loop kawat yang bisa membangkitkan ggl jika terjadi perubahan medan magnet. Dari percobaan ini terbukti bahwa gelombang ini merambat dengan laju 3,0 x 10⁸ m.s^-1 dan menunjukkan karakteristik cahaya.

Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Sebagai ciri suatu gelombang, gelombang elektromagnetik juga memiliki frekuensi (f), panjang gelombang (λ), dan kecepatan perambatan gelombang (c). Hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (λ), dan kecepatan perambatan gelombang (c) memenuhi persamaan berikut:

c = f λ

keterangan:

c = kecepatan perambatan gelombang = 3,0 x 10⁸ m.s^-1

f  = frekuensi (Hz)

λ = panjang gelombang (m)

Panjang gelombang dan frekuensi gelombang elektromagnetik mempunyai rentang yang sangat besar. Seluruh rentang panjang gelombang dan frekuensi ini disebut spektrum gelombang elektromagnetik. Sebagian besar spektrum gelombang elektromagnetik ini tak dapat dilihat sehingga pengamatannya dilakukan secara tidak langsung, yaitu dengan alat yang dapat mengubah gelombang elektromagnetik menjadi bentuk energi, seperti energi listrik, energi kalor, dan energi kimia.

Telah diketahui bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Namun ternyata, spektrum gelombang elektromagnetik masih terdiri dari berbagai jenis gelombang lainnya. Jenis gelombang ini dibedakan berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya. Gelombang dengan frekuensi teredah atau panjang gelombang terpanjang adalah gelombang radio, sedangkan gelombang dengan frekuensi tertinggi atau panjang gelombangnya terpendek adalah sinar gamma.

1. Gelombang Radio

Gelombang radio memiliki frekuensi mulai dari 30 kHz ke atas dan dikelompokkan berdasarkan lebar frekuensinya. Gelombang radio dihaasilkan oleh muatan-muatan listrik yang dipercepat melalui kawat-kawat penghantar. Muatan-muatan ini dibangkitkan oleh rangkaian elektronika (osilator). Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima kembali oleh antena. Gelombang radio tidak dapat didengar secara langsung, tetapi penerima radio akan mengubah energi gelombang menjadi energi bunyi terlebih dahulu. 

Berikut adalah pengelompokkan tipe-tipe gelombang radio berdasarkan frekuensi dan panjang gelombangnya.

Tabel Pengelompokkan Gelombang Radio

Frekuensi	Panjang Gelombang
Low (LF) [30 kHz - 300 kHz]	Long wave [1500 m]
Medium (MF) [300 kHz - 3MHz]	Medium wave [300 m]
High (HF) [3 MHz - 30MHz]	Short wave [30 m]
Very high (VHF) [30 MHz - 300MHz]	Very short wave [3 m]
Ultra high (UHF) [300MHz - 3GHz]	Ultra short wave [30 cm]
Super high (SHF) [> 3 GHz]	Microwaves [3 cm]

Modulasi Amplitudo dan Modulasi Frekuensi 

Di dalam modulator pemancar radio, terjadi penggabungan antara getaran listrik setara dengan getaran gelombang pembawa frekuensi radio sehingga menghasilkan gelombang radio bermodulasi. Jika yang diproses dalam modulator adalah amplitudo, maka gelombang radio yang dihasilkan disebut gelombang AM (Amplitudo Modulation). Gelombang AM memiliki amplitudo yang berubah-ubah sesuai dengan amplitudo getaran listrik sedangkan frekuensinya tetap. Jika yang diproses pada modulator adalah frekuensi, gelombang radio yang dihasilkan disebut gelombang FM (Frequency Modulation). Gelombang FM memiliki frekuensi yang berubah-ubah sesuai dengan frekuensi getaran listrik suara sedangkan amplitudonya tetap.

Keunggulan gelombang AM dapat mencapai tempat yang jauh karena gelombang medium mudah dipantulkan oleh lapisan ionosfer sedangkan keunggulan gelombang FM adalah bebas dari interferensi listrik sehingga suara yang dihasilkan lebih merdu.

2. Sinar Inframerah

Sinar inframerah memiliki frekuensi antara 10¹¹ Hz sampai 10¹⁴ Hz dan panjang gelombang antara 10^-6 m sampai 10^-3 m. Sinar inframerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda dipanaskan. Jumlah sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna bendanya. 

3. Cahaya Tampak

Cahaya tampak memliki panjang gelombang antara 4x10^-7 m sampai 7x10^-7 m. Panjang gelombang cahaya ini menentukan warna yang dihasilkannya sehingga dapat dideteksi oleh mata manusia. 

4. Sinar Ultraviolet

Sinar ultraviolet memiliki frekuensi antara 10¹⁵ Hz sampai 10¹⁶ Hz dan panjang gelombang antara 10^-8 m sampai 10^-7 m. Sinar ultraviolet dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listrik.

5.  Sinar X

Sinar X memiliki frekuensi antara 10¹⁶ Hz sampai 10²⁰ Hz dan panjang gelombang antara 10^-10 m sampai 10^-6 m. Sinar X memiliki daya tembus yang kuat karena panjang gelombangnya yang sangat pendek. Semakin tinggi frekuensinya, maka daya tembusnya semakin kuat. Daya tembusnya bergantung pada jenis bahan yang ditembusnya. 

Sinar X ditemukan pada tahun 1895 oleh Wilhelm K. Rontgen (1845-1923) ketika ia sedang mempelajari sinar katoda. Ia menemukan apa yang disebutnya “suatu jenis cahaya biru”, cahaya tersebut tidak dapat dilihat, tetapi dapat menembus bahan-bahan yang padat. Ia juga menemukan bahwa sinar itu menghitamkan plat potret seperti halnya cahaya. Sinar X dihasilkan oleh elektron-elektron yang terletak di bagian dalam kulit elektron atom. Sumber lain Sinar X adalah pancaran yang keluar karena elektron dengan kecepatan tinggi ditimbulkan pada logam. 

6.  Sinar Gamma

Sinar gamma memiliki frekuensi antara 10²⁰ Hz sampai 10²⁵ Hz dan panjang gelombang antara 10^-15 m sampai 10^-10 m. Daya tebus sinar gamma sangat kuat karena frekuensinya sangat besar.

Sifat-sifat Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik memiliki karakteristik seperti cahaya, yaitu pemantulan, pembiasan, dan interferensi. Secara keseluruhan gelombang elektromagnetik memiliki sifat-sifat, yaitu:

1. Dapat merambat dalam ruang hampa.
2. Merupakan gelombang transversal.
3. Dapat mengalami pemantulan (refleksi).
4. Dapat mengalami pembiasan (refraksi).
5. Dapat mengalami penggabungan dua gelombang (interferensi).
6. Dapat mengalami lenturan (difraksi).
7. Dapat mengalami polarisasi.
8. Arah perambatan lurus.