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 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:
- 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
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
3×108 m/s, oleh karena itu Maxwell berkesimpulan bahwa cahaya merupakan
gelombang elektromagnetik. Kesimpulan 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 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.
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 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. Kemudian
dari seluruh teori-teori cahaya yang muncul dapat disimpulkan bahwa cahaya
mempunyai sifat dual (dualisme 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 adalah:
a. Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet.b. Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik. ( Cepat rambat gelombang ) dan permeabilitas e elektromagnetik (c) tergantung dari permitivitas (μ) zat.
Menurut Maxwell, kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dirumuskan sebagai berikut c = 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 sama dan menjalar kesegala arah. Arah getar vektor medan listrik-bersama 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.
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). 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 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 disekitarnya.
Hukum Faraday : Perubahan medan magnet (B) dapat menimbulkan medan listrik (E).
Hukum Biot-Savart : Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet 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 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 (εo) dan permeabilitas ruang hampa (µo ).
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 (εo) dan permeabilitas ruang hampa (µo ).
Dengan memasukkan 12 C2/N.m2 dan-εo
= 8,85 . 10 7 Wb/A.m-μo = 4π.10
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.
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.