A.
Hakikat Cahaya
Pada bab ini kita lebih banyak membicarakan tentang hakikat cahaya.
Apakah sebenarnya cahaya itu? Cahaya adalah kesan (dalam bentuk energi) yang
diterima oleh indra mata. Kita mengenal beberapa teori tentang hakikat cahaya,
antara lain:
a.
Teori
kospulkuler menurut Newton (The corpuscular theory of light)
Teori
ini mengatakan bahwa cahaya adalah partikel-partikel atau korpuskel-korpuskel
yang dipancarkan oleh sumber cahaya dan merambat menurut garis lurus dengan
kecepatan besar. Teori ini dianggap benar sampai kira-kira pertengahan abad 17.
Teori ini dapat menerangkan dengan jelas peristiwa pemantulan dan pembiasan,
tetapi tidak dapat dipakai untuk menerangkan terjadinya peristiwa interferensi.
Peristiwa interferensi hanya dapat diterangkan dengan teori gelombang,
sedangkan menurut Newton cahaya merupakan partikel.
b.
Kemudian
pada awal pertengahan abad 17, Christian Huygens mengemukakan teori gelombang
atau teori undulasi.
Menurut
Huygens, cahaya adalah gelombang yang berasal dari sumber yang bergetar.
Gelombang yang berasal dari sumber yang bergetar ini merambat dalam medium yang
disebut eter, yaitu zat yang mengisi seluruh ruangan termasuk ruang vakum.
Padahal sebenarnya zat eter ini tidak ada, hanya merupakan model saja supaya
teorinya dapat diterima. Jadi teori ini sebenarnya belum sempurna benar, tetapi
diterima karena teori ini dapat menerangkan kejadian-kejadian interferensi,
difraksi, dan polarisasi, tetapi teori ini tidak dapat menerangkan mengapa
cahaya dapat merambat pada garis lurus.
c.
Teori
gelombang elektromagnetik menurut Maxwell (The electromagnetic wave theory of
light). Kira-kira awal abad 19, Maxwell mengemukakan teori, bahwa cahaya adalah
gelombang elektromagnetik.[1]
B.
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Cahaya dan
gelombang radio, adalah sebagian dari spektrum gelombang elektro magnet (gem)
sehingga kedua jenis gelombang itu juga memiliki komponen getar berupa medan
listrik dan medan magnet. Cahaya dan gelombang radio merupakan gelombang
transversal. Demikian pula halnya dengan komponen spectrum gem lainnya.
Komponen spectrum gem berenergi lebih besar bila
Gambar 2.1 kawasan spectrum gelombang electromagnet.
Spektrum
gelombang elektromagnetik diurutkan mulai panjang
gelombang paling pendek
sampai paling panjang adalah sebagai berikut:
1. Sinar
gamma (γ)
2. Sinar
X (rontgen)
3. Sinar
ultra violet (UV)
4. Sinar
tampak (cahaya tampak)
5. Sinar
infra merah (IR)
6. Gelombang
radar (gelombang mikro)
7. Gelombang
televisi
8. Gelombang
radio
Gelombang radio memiliki panjang
gelombang terpanjang pada spectrum gem dalam orde meter, yang berarti tenanga
gelombangnya terendah. Berhubung energinya terendah sehingga daya tembusnya
juga rendah, sehingga gelombang radio tidak dapat menembus lapisan ionosfir.
Gelombang radio mudah terdifraksi oleh tebing, lorong, ataupun jendela. Itu
menyebabkan gelombang radio mudah masuk ke semua ruangan dan sebarannya luas.
Hanya saja, tenaga gelombang radio menjadi semakin kecil pada jarak dari sumber yang begitu jauh.
Gelombang ini dibedakan menjadi 3, yaitu: LW (long wave, berpanjang gelombang
orde 103 meter), MW (medium wave, orde 100 m), dan SW (short wave,
mencapai orde 10 m). LW dan MW biasa digunakan oleh stasiun radio, sedangkan SW
untuk komunikasi lewat HT.
Sementara itu, gelombang TV
berenergi lebih besar dari gelombang radio, , karenanya berdaya tembus lebih
besar dan dapat menembus lapisan ionosfir. Itu berakibat sebaran gelombang TV
relative terbatas. Untuk memperluas sebarannya, diperlukan sejumlah pemantul
gelombang, dan umumnya diletakkan di bukit atau lereng gunung. Gelombang TV
terbagi menjadi 2, yaitu: VHF (very high frequency, panjang gelombangnya
berorde 1 meter) dipakai oleh stasiun TVRI, dan UHF (ultra high frequency,
dalam orde 0,1 meter) yang dipakai oleh sejumlah stasiun TV swasta.
Mikrogelombang (microwave) biasa
dipakai untuk komunikasi telepon, dan radar. Panjang gelombang berorde 1 cm.
gelombang ini, pada nilai frekuensi tertentu dapat menyebabkan pemanasan bahan
secara cepat, sehingga biasa dimanfaatkan juga sebagai dasar pembuatan oven
microwave.
Komponen spectrum lain yang
energinya di atas mikrogelombang adalah inframerah (infrared). Gelombang ini
tidak dapat dilihat mata, panjang gelombangnya antara 1µm sampai dengan 0,1 cm.
Keberadaanya ditandai oleh rasa panas di kulit kita. Cahaya berenergi terendah,
dapat berubah menjadi infremerah ketika energinya sedikit berkuran. Udara di
dalam mobil tertutup dapat menjadi begitu panas karena sejumlah cahaya berubah
menjadi inframerah dan terjebak di situ.
Cahaya
merupakan sebagian dari spectrum gem yang dapat dilihat mata (visible) dengan
komponennya mulai cahaya warna merah, kuning, sampai dengan ungu. Panjang
gelombang cahaya berada pada kisaran antara 0,2 sampai dengan 0,5 µm, yang
bersesuaian dengan frekuensi antara 6x1015 hingga 20x1015
Hz. Cahaya didefinisikan sebagai bagian dari spectrum gem yang dapat dilihat
oleh mata-mata telanjang. Dari definisi itu berarti infra merah (IR) dan
ultraviolet (UV) tidak termasuk kelompok cahaya. Artinya tidak ada istilah
cahaya infra merah atau cahaya UV sebab IR dan UV tidak bisa dilihat dengan
mata. Bukankah infra merah berupakan sebagian dari gem yang keberadaanya
ditunjukkan adanya rasa panas di kulit, tidak terlihat oleh mata, dan
berpanjang gelombang lebih panjang dibanding cahaya merah.
UV juga tidak terlihat mata,
berpanjang gelombang lebih pendek dibanding cahaya ungu (antara 2x10-9
sampai dengan 0,6x10-6 meter) sehingga UV berbahaya bagi retina
mata. UV bermanfaat untuk memperkeras tulang, memberi pigmen kulit, dan dapat
juga untuk membunuh bakteri. Namun intensitas UV yang terlalu besar bisa
menyebabkan kanker kulit. Jika UV pada benda yang mengandung fosfor atau flour,
maka pada benda itu dapat terjadi peristiwa fosforesensie atau flouresensie.
Pada kedua peristiwa itu, UV yang diserapnya kemudian dipancarkan kembali dalam
bentuk cahaya sehingga dapat terlihat oleh mata. Fosfor dan flour biasanya
dicampurkan pada sabun cuci, pasta gigi dan cat. Itu menyebabkan pakaian yang
baru saja dicuci dengan sabun cuci, gigi yang disikat dengan pasta gigi, dan
papan yang dicat tampak bersih dan berkilau. Mata uang kertas Rp.50.000,00 yang
asli, pada bagian tertentu juga diolesi dengan flour sehingga kalau dijatuhi
UV, dari lampu UV, tampak berpendar.
Komponen spectrum gem lainnnya yang
berenergi lebih besar dari UV berturut-turut adalah sinar X (10-10
sampai dengan 3x10-9 meter) dan sinar Y (10-13 sampai 10-10
meter, bersesuaian dengan frekuensi antara 5x1018 sampai 1022
Hz). Sinar X bersumber dari emisi cahaya oleh transisi electron ke arah dasar,
sedangkan sinar Y oleh transisi nukleon di inti atom. Untuk
panjang gelombang gem itu a,
frekuensi V,
dan kelajuan rambatan di udara atau vakum adalah c,
selalu dipenuhi kaitan c = av.
Kelajuan gelombang ini di medium berkerapatan optis lebih besar adalah lebih
lambat. Pada setiap perambatan gelombang, frekuensi gelombang (v) selalu bernilai tetap, sehingga yang berubah
adalah kelajuan gelombang, dan panjang gelombangnya.[2]
Aplikasi Gelombang Elektromagnetik pada Kehidupan
Sehari-hari
1. Sinar Gamma ( γ )
·
Sinar gamma
termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 1020 Hz -
1025 Hz.
·
Sinar gamma
merupakan hasil reaksi yang terjadi dalam inti atom yang tidak stabil.
·
Sinar gamma
mempunyai daya tembus yang paling kuat dibanding gelombang elektromagnetik yang
lain.
·
Sinar gamma
dapat menembus pelat besi yang tebalnya beberapa cm.
·
Penyerap yang
baik untuk sinar gamma adalah timbal (Pb).
·
Aplikasi sinar
gamma dalam bidang kesehatan adalah untuk mengobati pasien yang menderita
penyakit kanker atau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan pada pengobatan
penyakit ini adalah Cobalt-60 atau sering ditulis Co-60. Salah satu alat untuk
mendeteksi sinar gamma adalah detektor Geiger - Muller. Ada jenis detektor
sinar gamma yang lain yaitu detektor sintilasi NaI-TI.
2. Sinar-X (Rontgen)
·
Sinar-X
ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen pada tahun 1895 sehingga sering disebut
sebagai sinar Rontgen.
·
Sinar-X termasuk
gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz.
·
Sinar-X
merupakan hasil transisi elektron-elektron di kulit bagian dalam atom.
·
Sinar-X
mempunyai daya tembus terbesar kedua sesudah sinar gamma.
·
Sinar-X dapat
menembus daging manusia.
·
Aplikasi Sinar-X
Dalam bidang kesehatan untuk mengecek pasien yang mengalami patah tulang.
·
Sinar-X juga
digunakan di bandara pada pengecekan barang-barang penumpang di pesawat.
·
Di pelabuhan
digunakan untuk mengecek barang-barang (peti kemas) yang akan dikirim dengan
kapal laut.
3. Sinar Ultraviolet (UV)
·
Sinar
ultraviolet termasuk gelombang elektromagnetik
·
yang mempunyai
frekuensi antara 1015 Hz - 1016 Hz.
·
Sinar
ultraviolet ini merupakan hasil transisi electron elektron pada kulit atom atau
molekul.
·
Sinar
ultraviolet tidak tampak dilihat oleh mata telanjang tetapi sinar ini dapat
dideteksi dengan menggunakan pelat-pelat film tertentu yang peka terhadap
gelombang ultraviolet.
·
Matahari
merupakan sumber radiasi ultraviolet yang alami. Sinar ultraviolet yang
dihasilkan oleh matahari tidak baik pada kesehatan khususnya kulit jika
mengenai manusia. Manusia terlindungi dari sinar ultraviolet dari matahari
karena adanya lapisan ozon di atmosfer yang berfungsi menyerap sinar
ultraviolet ini.
·
Aplikasi sinar
ultraviolet ,banyak dipakai di laboratorium pada penelitian bidang spektroskopi,
salah contohnya untuk mengetahui unsur-unsur yang ada dalam bahan-bahan
tertentu.
4. Sinar Tampak (Cahaya)
·
Sinar tampak
sering juga disebut sebagai cahaya.
·
Sinar tampak
termasuk gelombang elektromagnetik yang
·
mempunyai
frekuensi antara 4,3 x 1014 Hz - 7 x 1014 Hz.
·
Matahari
merupakan sumber cahaya tampak yang alami Sinar tampak ini terdiri dari
berbagai warna, dari warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu. Kita
semua bisa melihat warna benda karena benda memantulkan warna-warna ini dan
masuk kembali ke mata kita.
·
Aplikasi ,dengan
cahaya kita bisa melihat indahnya pemandangan,kita dapat memotret sehingga
gambarnya menjadi berwarna seperti aslinya,kita dapat melihat televisi
berwarna, dan sebagainya. sinar tampak juga banyak dipakai dalam bidang spektroskopi
untuk mengetahui unsur-unsur yang ada dalam bahan.
5. Sinar Inframerah (IR)
·
Sinar inframerah
ini merupakan hasil transisi vibrasi atau rotasi pada molekul.
·
Sinar inframerah
termasuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai frekuensi di bawah 4,3 x 1014
Hz sampai sekitar 3 Ghz.
·
Sinar inframerah
tidak tampak dilihat oleh mata telanjang tetapi sinar infra merah dapat
dideteksi dengan menggunakan pelat-pelat film tertentu yang peka terhadap
gelombang inframerah.
·
Aplikasi ,Pesawat
udara yang terbang tinggi ataupun satelit-satelit dapat membuat potret-potret
permukaan bumi, dengan mempergunakan gelombang inframerah.
·
Sinar inframerah
juga banyak dipakai dalam bidang spektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang
ada dalam bahan.
6. Gelombang Radar (Gelombang Mikro)
·
Gelombang mikro
(microwave) mempunyai frekuensi di kisaran 3 GHz.
·
Aplikasi ,Gelombang
mikro ini dapat digunakan untuk alat komunikasi, memasak (microwave), dan radar
(Radio Detection and Ranging ).
·
Dalam bidang
transportasi, gelombang radar dipakai untuk membantu kelancaran lalu lintas
pesawat di pangkalan udara atau bandara.
·
Gelombang radar
digunakan juga pada bidang pertahanan yaitu untuk melengkapi pesawat tempur sehingga
bisa mengetahui keberadaan pesawat musuh.
7. Gelombang Televisi
·
Gelombang
televisi mempunyai frekuensi yang lebih tinggi dari gelombang radio.
·
Gelombang
televisi ini merambat lurus, tidak dapat dipantulkan oleh lapisan-lapisan
atmosfer bumi.
·
Aplikasi ,Gelombang
televisi banyak dipakai dalam bidang komunikasi dan siaran.
8. Gelombang Radio
·
Gelombang radio
ini dipancarkan dari antena pemancar dan diterima oleh antena penerima. Luas
daerah yang dicakup dan panjang gelombang yang dihasilkan dapat ditentukan
dengan tinggi rendahnya antena.
·
Gelombang radio
tidak dapat secara langsung didengar, tetapi energi gelombang ini harus diubah
menjadi energy bunyi oleh pesawat radio sebagai penerima.
·
Aplikasi, gelombang
radio sering digunakan untuk komunikasi yaitu penggunaan pesawat telepon,
telepon genggam (hand phone), dan sebagainya.
C.
Persamaan Maxwell
Apakah sebenarnya cahaya itu?
Pertanyaan ini telah ditanyakan manusia selama berabad-abad. Tetapi tidak ada jawaban
yang memuaskan sampai listrik dan
magnet disatukan kedalam disiplin tunggal elektromagnetisme, seperti yang
dijelaskan oleh persamaan maxwell.
Setelah william
herschel menemukan adanya cahaya inframerah di luar ujung merah spektrum yang
kasat mata, pakar fisika Denmark, Hans Christian Oersted 1771-1851, menemukan
bahwa arus listrik dapat membuat jarum kompas berubah arah. Pada tahun yang
sama, ilmuan Prancis André-Marie Ampére
1775-1836, menunjukan bahwa dua kawat yang bermuatan arus listrik dapat dibuat
saling menarik atau saling menolak, persis seperti magnet. Lebih banyak
eksperimen dilakukan berulang-ulang, dan hasilnya menunjukkan bahwa jelaslah
listrik dan magnetisme itu memang saling berkaitan. Padan tahun 1865
ilmuan skotlandia, James Clerk Maxwell, menggunakan matematika untuk menerangkan
hubungan keduanya.[3]
Persamaan ini memperlihatkan bahwa
sebuah medan magnetik yang berubah
terhadap waktu bertindak sebagai sebuah sumber medan listrik dan bahwa sebuah medan listrik yang
berubah terhadap waktu bertindak
sebagai sumber medan magnetik. Medan E dan medan B ini dapat saling menopang, yang membentuk
sebuah gelombang elektromagnetik yang merambat melalui ruang.
Cahaya tampak yang dipancarkan
oleh filamen bola lampu yang menyala adalah salah satu contoh gelombang elektromagnetik; macam lain dari gelombang elektromagnetik
yang dihasilkan oleh sumber seperti stasiun TV dan stasiun radio, isolator
gelombang mikro untuk oven dan radar mesin sinar-x, dan inti radio aktif.
medan listrik dan
medan magnet yang tidak berubah seiring waktu, seperti medan listrik yang dihasilkan oleh
muatan yang diam atau medan magnetik dari sebuah arus tunak, maka kita dapat
menganalisis medan listrik dan
medan magnetik secara bebas satu sama lain tanpa meninjau interaksi diantara medan-medan itu. Tetapi
bila medan-medan itu berubah terhadap waktu, medan-medan itu tidak lagi bebas
satu sama lain. Hukum Faraday mengatakan bahwa medan magnetik yang berubah
terhadap waktu betindak sebagai
sumber medan listrik, seperti yang diperlihatkan oleh
tge induksi dalam induktor dan transformator. Hukum Ampere, termasuk arus pergeseran yang
ditemukan oleh Maxwell memperlihatkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap
waktu bertindak sebagaisumber
medan magnetik. Interaksi bersama antara kedua medan itu dirangkumkan secara rapi oleh
persamaan Maxwell.
http://perdetik.com/entries/view/94009/dunia/biografi-james-clerk-maxwell-ilmuwan-terkenal-asal-skotlandia.html
http://www.biography.com/people/james-c-maxwell-9403463
Pada masa awal teori elektromagnetik(
awal abad ke sembilan belas),
digunakan dua satuan muatan listrik yang berbeda, satu untuk elektrostatik dan yang lainnya untuk
fenomena magnetik yang melibatkan arus. Dalam sistem satuan yang digunakan pada
waktu itu, kedua satuan muatan ini
memiliki dimensi fisika yang berbeda. Rasionya mempunyai satuan kecepatan, dan pengukuran
memperlihatkan bahwa nilai banding itu
mempunyai nilai numerik yang persis sama dengan laju cahaya, 3,OOx1O8.
Pada waktu itu, fisikawan memandang ini sebagai kebetulan yang luar biasa saja dan tidak ada pemikiran
tentang bagaimana untuk menjelaskannya.
Dalam pencarian pemahaman hasil ini, Maxwell membuktikan dalam tahun 1865, bahwa
gangguan elektromagnetik harus merambat dalam ruang bebas dengan laju yang sama
dengan laju cahaya sehingga gelombang
cenderung merupakan gelombang elektromagnetik dalam alam. Pada waktu bersamaan, dia
menemukan bahwa prinsip dasar elektromagnetisme dinyatakan dalam empat
persamaan yang sering kita namakan
Persamaan Maxwell (Maxwell’s equation).
Menurut persamaan Maxwell, sebuah
muatan titik yang diam akan menghasilkan sebuah medan E statis tetapi tidak ada
medan B. Sebuah muatan titik yang
bergerak dengan kecepatan konstan, menghasilkan kedua medan Edan B. Persamaan Maxwell
juga dapat digunakan untuk memperlihatkan
bahwa supaya sebuah muatan titik menghasilkan gelombang elektromagnetik,
makamuatan itu harus dipercepat. Tiap-tiap muatan yang dipercepat akan
meradiasikan energi gelombang elektromagnetik.
`Gelombang elektromagnetik dengan
panjang gelombang makroskopis mula” dihasilkan dalam
laboratorium pada tahun 1887 oleh fisikawan
jerman, Heinrich Hertz. Sebagai sumber gelombang dia menggunakan muatan yang berosilasi
dalam rangkaian L-C;dia mendeteksi
gelombang elektromagnetikyang dihasilkan dengan rangkaian lain yang disetel
pada frekuensi yang sama. Hertz juga menghasilkan gelombang berdiri ( standing wave )
elektromagnetik dan mengukur jarak antara titik-titik simpul yang berdekatan
(setengah panjang gelombang) untuk
menunjukan panjang gelombang tersebut. Dengan mengetahui frekuensi resonansi dari rangkaiannya,
maka dia memperoleh laju gelombang
itu dari hubungan panjang gelombang dan frekuensi, v = a f.Dia mendapatkan bahwa lajunya sama seperti
laju cahaya; ini secara langsung
membuktikan ramalan teori Maxwell.
D.
Energi Dalam Gelombang Elektromagnetik
Pada pembahasan
elektrostatika telah dibahas tentang energi di dalam medan elektrostatik, yaitu
:
Dan pada
pembahasan tentang magnetostatika di bahas energi di dalam medan magnetostatik,
yaitu :
Dengan demikian
energi total yang tersimpan di dalam medan elektromagnetik adalah
Selanjutnya,
pada bagian ini akan diturunkan perumusan energy dalam konteks hukum kekekalan
energy untuk elektrodinamika. Misal, suatu konfigurasi muatan dan arus listrik
pada saat t menghasilkan medan E dan B. Beberapa saat
kemudian (dt), muatan-muatan tersebut bergerak terhadap suatu titik . Sesuai
gaya Lorentz , kerja yang dilakukan pada suatu elemen muatan dq adalah
Dengan demikian
, E . J adalah kerja
yang dilakukan per satuan waktu per satuan volume, atau disebut juga daya per
satuan volume. Dengan menggunakan hukum Ampere yang telah dikoreksi Maxwell
(persamaan IV Maxwell) maka J pada E . J dapat dieleminasikan , sehingga diperoleh
Dimana s adalah
permukaan yang menyelimuti volume V. persamaan (7.19) disebut Teorema Poynting,
yang merupakan teorema kerja energy dari elektrodinamika. Teorema Poynting
menyatakan bahwa kerja yang dilakukan pada muatan oleh gaya elektromagnetik
adalah sama dengan penurunan energy yang disimpan di dalam medan dan dikurangi
energy yang mengalir keluar melalui permukaan.
Energy per
satuan waktu per satuan luas yang di transportasikan oleh medan disebut vector
Poynting (S) yang dirumuskan sebagai berikut :
Bandingkan
persamaan dari teorema Poynting dengan persamaan kontinuitas yang dinyatakan
sebagai berikut
Gelombang
elektromagnetik membawa energi dalam bentuk medan listrik dan medan magnet.
Kita tinjau suatu gelombang elektromagnetik yang menjalar ke arah sumbu x, maka
medan listrik dan medan magnet sesaatnya dapat dinyatakan dengan persamaan
berikut.
Maxwell
berhasil menemukan hubungan antara amplitudo medan listrik dan amplitudo medan
magnet yaitu :
Dengan
:
C=
laju perambatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa (3x108m/s)
Suatu
gelombang elektromagnetik mempunyai medan listrik dan medan magnet, sehingga
gelombang elektromagnetik ini juga membawa tenaga atau rapat energi (besar
energi per satuan volume).
Rapat
energi listrik dinyatakan sebagai berikut :
Rapat
energy magnet dinyatakan sebagai berikut :
DAFTAR PUSTAKA
Burnie
David, Jendela Iptek :Cahaya 2, thn 2000, Jakarta ,PT Balai Pustaka
Jati, Bambang Murdaka Eka, Tri Kuntoro Priyambodo. 2010. Fisika Dasar. Yogyakarta: ANDI OFFSET.
Sarojo, Ganijanti Aby. 2011. Gelombang dan Optika. Jakarta: Salemba Teknika.
Wiyanto, 2008,
Elektromagnetika,Graha Ilmu :Yogyakarta
Tidak ada komentar:
Posting Komentar