Gelombang Elektromagnet

1. 1
BAB 6 : GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Jika gelombang elektromagnet tidak diprediksi keberadaannya oleh Maxwell dan dibuktikan oleh
Heinrich Rudolph Hertz, peristiwa/benda-benda di atas tidak akan pernah ada
A. HIPOTESA MAXWELL TENTANG GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Hipotesis Maxwell, mengacu pada tiga hukum dasar listrik-magnet yaitu:
1. Muatan listrik dapat menghasilkan medan listrik (E) di sekitarnya (Hukum Coulomb).
2. Arus listrik atau muatan listrik yang mengalir dapat menghasilkan medan magnet (B) di
sekitarnya (Hukum Biot-Savart).
3. Perubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik (Hukum Faraday).
Berdasarkan aturan tersebut, Maxwell mengemukakan sebuah hipotesis sebagai berikut:
“Karena perubahan medan magnet dapat menimbulkan medan listrik, maka perubahan medan
listrik pun akan dapat menimbulkan perubahan medan magnet”.
Menurut Maxwell, medan magnet dapat dihasilkan dalam ruang kosong asalkan ada perubahan
medan listrik. Jika perubahan medan listrik menghasilkan medan magnet, medan magnet yang
dihasilkan itu juga akan berubah-ubah (tidak konstan). Perubahan medan magnet ini akan
menghasilkan medan listrik yang juga berubah-ubah dan seterusnya. Maxwell menemukan
bahwa hasil akhir dari perubahan medan-medan yang saling berinteraksi ini dapat
menghasilkan gelombang medan listrik dan medan magnet yang benar-benar dapat merambat
melalui ruang. Gelombang ini dikenal dengan gelombang elektromagnetik.

2. 2
Jadi gelombang elektromagnet adalah perambatan medan listrik dan medan magnet
yang saling tegak lurus, sehingga dapat merambat tanpa medium. Maxwell menurunkan
persamaan-persamaannya dan mendapatkan bahwa cepat rambat gelombang
elektromagnet dalam ruang hampa adalah
c =
o
o

1
c = cepat rambat gelombang EM dalam ruang hampa
o = Permeabilitas ruang hampa
= 410–7 N/A2
o = Permitivitas ruang hampa
= 8,85x10–12 C2/Nm2
Hipotesis Maxwell sampai pada prediksi kecepatan gelombang elektromagnet pada waktu itu
belum didukung oleh eksperimen, sehingga ada juga ilmuwan yang meragukan.
Pada tahun 1887, delapan tahun setelah Maxwell meninggal, Heinrich Rudolph Hertz berhasil
membuktikan hipotesis Maxwell dengan eksperimen seperti berikut:
Eksperimen Heinrich Hertz
Heinrich Hertz melakukan eksperimen untuk menguji
hipotesis Maxwell dengan peralatan seperti di samping.
Alat tersebut menghasilkan dan mendeteksi gelombang
prediksi yang sekarang kita sebut radio, disarankan
sebagai "sinar" lain yang telah ditemukan sebelumnya
sebagai bagian dari gelombang elektromagnetik. Yang
membedakan mereka hanyalah panjang gelombang atau
frekuensinya.
Soal 1
Tunjukkan bahwa c mempunyai satuan kecepatan dalam SI.
Jawab:
c2 = 1/ (  oo ) = 1/(NA-2.C2.N-1 m-2 ) = A2 C-2 m2 = C2s-2 C-2 m2 = m2 s-2
c = m/s.
Jadi satuan dari kelajuan cahaya m/s.
Soal 2
Hitung kecepatan gelombang elektromagnetik sesuai dengan hipotesis Maxwell
Jawab:
c =
o
o

1
= 8
12
-
7
-
10
2,9986338x
x8,85x10
4x3,14x10
1
 m/s = 3x108 m/s

3. 3
Soal 3
Radio GKL bekerja pada frekuensi 106,4 MHz. Hitung panjang gelombang yang dipancarkan
stasiun radio GKL tersebut!
Penyelesaian :
 = c/f = 3x108 /1,064x108 = 2,8 m
B. SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNET
Dari hasil eksperimennya, Hertz menyarankan gelombang prediksi dimasukkan dalam
kelompok yang sama dengan cahaya yang sudah dikenal saat itu. Mereka memiliki kecepatan
yang sama, hanya berbeda dalam hal frekuensi atau panjang gelombangnya.
Kenyataanya adalah cahaya tampak hanyalah salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang
terdeteksi dalam interval yang lebar dalam spektrum elektromagnetik.
Sumber Gelombang Elektromaget
Gelombang radio dan gelombang mikro dapat dibuat di laboratorium menggunakan peralatan
elektronik. Gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang lebih tinggi sangat sulit dibuat
secara elektronik. Gelombang elektromagnetik dapat terbentuk secara alamiah, seperti
pancaran dari atom, molekul, dan inti atom. Misalnya, sinar-X dihasilkan oleh elektron
berkecepatan tinggi yang diperlambat secara mendadak ketika menumbuk logam. Sinar gamma
dihasilkan dalam peluruhan unsur radioaktif dan dari dari ruang angkasa (sinar kosmis)
Cahaya tampak yang dihasilkan melalui suatu pijaran juga disebabkan karena elektron yang
mengalami percepatan di dalam filamen panas.
Radiasi inframerah memegang peranan penting pada efek pemanasan Matahari. Matahari tidak
hanya memancarkan cahaya tampak, tetapi juga inframerah (IR) dan ultraviolet (UV) dalam
jumlah yang tetap. Manusia menerima gelombang elektromagnetik dengan cara yang berbeda-
beda tergantung pada panjang gelombangnya.

4. 4
Kegunaan Gelombang Elektromagnetik
1. Gelombang Radio
Gelombang radio terdiri atas osilasi (getaran) cepat pada medan elektrik dan magnetik.
Berdasarkan lebar frekuensinya, gelombang radio dibedakan menjadi Low Frequency
(LF), Medium Frequency (MF), High Frequency (HF), Very High Frequency (VHF), Ultra
High Frequency (UHF), dan Super High Frequency (SHF).
Gelombang radio MF dan HF dapat mencapai tempat yang jauh di permukaan bumi
karena gelombang ini dapat dipantulkan oleh lapisan ionosfer. Gelombang LF diserap oleh
ionosfer, sedang gelombang VHF dan UHF menembus ionosfer, sehingga dapat digunakan
untuk komunikasi dengan satelit.
Lebar Frekuensi Panjang
Gelombang
Penggunaan
Low (LF) 30 kHz-300
kHz
Low wave 1500 m Radio gelombang panjang dan komunikasi
melalui jarak jauh
Medium (MF) 300
kHz-3 MHz
Medium wave 300 m Gelombang medium lokal dan radio jarak
jauh
High (HF) 3 MHz-30
MHz
Short wave 30 m Radio gelombang pendek dan komunikasi
radio amatir dan CB
Very High (VHF) 30
MHz-300 MHz
Very Short wave 3 m Radio FM, polisi, dan pelayanan darurat
Ultra High (UHF) 30
MHz-3 GHz
Ultra Short wave 30
cm
Televisi
Super High (SHF)
diatas 3 GHz
Micro wave
kurang dari 30 cm
RADAR, komunikasi satelit, telephone, dan
saluran televisi
2. Gelombang Mikro
Gelombang mikro merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang
dalam selang antara 10-3 dan 0,03 m. Gelombang mikro dihasilkan oleh peralatan
elektronik khusus, misalnya dalam tabung Klystron. Gelombang ini dimanfaatkan dalam
alat microwave, sistem komunikasi radar, dan analisis struktur molekul dan atomik.
3. Infra Red
Radiasi inframerah merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang lebih
panjang daripada panjang gelombang cahaya merah, namun lebih pendek daripada panjang
gelombang radio. Dengan kata lain radiasi pada selang panjang gelombang 0,7 m hingga 1
mm. Sinar inframerah dapat dimanfaatkan dalam fotografi inframerah untuk keperluan
pemetaan sumber alam dan diagnosis penyakit.

5. 5
4. Cahaya Tampak
Cahaya tampak merupakan radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh
mata manusia. Cahaya tampak memiliki kisaran panjang gelombang antara 4x10-7 m s.d.
7x10-7 m.
5. Ultra Violet
Gelombang ultraviolet (1015 Hz s.d. 1016 Hz) mempunyai panjang gelombang yang pendek.
Matahari merupakan pemancar radiasi ultraviolet yang kuat, dan membawa lebih banyak
energi daripada gelombang cahaya yang lain. Karena inilah gelombang ultraviolet itu dapat
masuk dan membakar kulit. Kulit manusia sensitif terhadap sinar ultraviolet matahari.
Meskipun begitu, atmosfer bumi dapat menghambat sebagian sinar ultraviolet yang
merugikan itu. Terbakar sinar matahari juga merupakan risiko yang dapat menimbulkan
kanker kulit.
6. Sinar X
Sinar-X (1016 Hz s.d. 1020 Hz) merupakan radiasi elekromagnetik yang dihasilkan dari
penembakan atom-atom dengan partikelpartikel yang memiliki energi kuantum tinggi.
Panjang gelombang sinar-X berkisar antara 10-11 m hingga 10-9 m. Sinar-X dihasilkan oleh
elektron-elektron yang berada di bagian dalam kulit elektron atom, atau pancaran yang
terjadi karena elektron dengan kelajuan besar menumbuk logam. Sinar-X dapat melintas
melalui banyak materi sehingga digunakan dalam bidang medis dan industri untuk
menelaah struktur bagian dalam. Sinar-X dapat dideteksi oleh film fotografik, karena itu
digunakan untuk menghasilkan gambar benda yang biasanya tidak dapat dilihat, misalnya
patah tulang.
7. Sinar gamma
Sinar  atau gelombang gamma (1020 Hz s.d. 1025 Hz), merupakan sinar radioaktif yang
dikeluarkan oleh inti-inti atom tertentu, mempunyai panjang gelombang yang sangat
pendek. Sinar ini membawa energi dalam jumlah besar dan dapat menembus logam dan
beton. Sinar ini sangat berbahaya dan dapat membunuh sel hidup, terutama sinar gamma
tingkat tinggi yang dilepaskan oleh reaksi nuklir, seperti ledakan bom nuklir.
C. ENERGI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK
Gelombang EM terdiri atas medan listrik dan medan magnet, maka energi yang
dipindahkan juga terbawa dalam medan listrik dan medan magnet. Akan kita hitung intensitas
gelombang elektromagnet (energi per satuan waktu per satuan luas). Karena intensitas
gelombang dapat dihitung dengan mengalikan rapat energi rata-rata dengan kecepatan
gelombang, maka pembahasan ini kita mulai dari rapat energi rata-rata.

6. 6
Rapat energi rata-rata medan listrik: l = ½oE2
Rapat energi rata-rata medan magnet: m = ½B2/
Hubungankuat medan magnet dan medan listrik: B = E/c
Maka:
m = ½ ( E2/c2) / o = E2/ (2o c2 ) = E2 / ( 2 o /oo ) = ½ o E2
Ternyata: m = l .
Rapat energi rata-rata total :  = m + l = o E2 =
c
EB
B
o
o 


2
Intensitas sesaat: I = c = c o E2 =
o
o
EB
cB



2
Dalam bentuk vektor ditulis:
S =
o
ExB

Vektor ini disebut vektor poynting, sesuai dengan nama penemunya Sir John Poynting. s
merupakan intensitas sesaat gelombang elektromaget. Karena E dan B saling tegak lurus dalam
gelombang EM maka arah S berada dalam arah perambatan gelombangnya. Karena medan
magnet dan medan listrik sesaat dalam fungsi sinusoidal:
E = Em Sin ( kx - t )
B = Bm sin ( kx - t).
maka nilai E dan B diganti dengan nilai efektifnya, disebut juga nilai rms (root-mean-square)
E = Erms =
2
m
E
B = Brms =
2
m
B
maka rapat energi rata-rata :
 = ½ o Em
2 = ½
c
B
E
B
o
m
m
o
m

 2
2

Dan intensitasnya:
s = ½ c o Em2 = ½
o
m
m
o
m B
E
cB

 2
2


7. 7
Soal 4
Sebuah stasiun radio bekerja dengan daya rata-rata 50 kw. Hitung amplitudo kuat medan
listrik dan amplitudo medan magnet pada jarak 20 km dari stasiun radio tersebut.
Penyelesaian :
Diketahui : P = 50 kw
r = 2x104 m
Ditanya : Em dan Bm
Jawab
2
2
2
2
0
2
4
2
1
cr
P
E
r
P
E
c
A
P
S
o
m
m






 
nT
c
E
B
m
v
E
E
m
m
m
m
289
,
0
10
0289
,
0
10
3
0866
,
0
0866
,
0
07493
,
0
20000
10
85
,
8
10
3
2
10
5
8
8
2
12
8
4
2



















8. 8
D. UJI KOMPETENSI
1. Yang termasuk sifat gelombang elektromagnetik adalah … .
A. perambatannya memerlukan medium
B. dapat mengalami interferensi dan difraksi
C. dapat mengalami difraksi, tetapi tidak dapat dipolarisasikan
D. dapat mengalami polarisasi, tetapi tidak dapat berinterferensi
E. perambatannya memerlukan medium
2. Gelombang elektromagnetik yang mempunyai panjang gelombang terkecil adalah … .
A. sinar-X
B. sinar gamma
C. sinar ultraviolet
D. sinar inframerah
E. gelombang radio
3. Perubahan medan listrik dapat menyebabkan timbulnya … .
A. gelombang elektromagnetik
B. gelombang mekanik
C. medan magnet
D. medan gaya
E. radiasi
4. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik, teori ini dikemukakan oleh …
A. James Clerk Maxwell
B. Christian Huygens
C. Heinrich Rudolp Hertz
D. Robert Hooke
E. Isaac Newton
5. Besarnya frekuensi cahaya sebanding dengan … .
A. panjang gelombang
B. intensitas
C. laju cahaya
D. medan listrik
E. medan magnet
6. Urutan spektrum gelombang elektromagnetik dari frekuensi besar ke frekuensi
kecil adalah … .
A. radar, ultraviolet, dan sinar-X
B. sinar gamma, sinar-X, dan ultraviolet
C. inframerah, radar, dan cahaya tampak
D. cahaya tampak, ultraviolet, dan inframerah
E. gelombang radio, inframerah, dan ultraviolet

9. 9
7. Gelombang radio yang dipancarkan dengan frekuensi 5 MHz, memiliki panjang gelombang
sebesar … .
A. 20 m
B. 30 m
C. 40 m
D. 50 m
E. 60 m
8. Medan listrik maksimum dari sebuah gelombang elektromagnetik adalah 100 N/C. Berarti
intensitasnya adalah … .
A. 10,0 W/m2
B. 11,2 W/m2
C. 12,1 W/m2
D. 13,7 W/m2
E. 14,6 W/m2
9. Kuat medan listrik maksimum dari suatu gelombang elektromagnetik sebesar 6 × 104 N/C.
Maka induksi magnet maksimum adalah … .
A. 4 × 10-6 T
B. 3 × 10-5 T
C. 1 × 10- 4 T
D. 2 × 10- 4 T
E. 3 × 10- 4 T
10. Suatu gelombang elektromagnetik dengan frekuensi 50 MHz merambat di angkasa, di mana
pada berbagai titik dan waktu medan listrik maksimumnya 720 N/C. Maka panjang
gelombangnya adalah … .
A. 3 m
B. 4 m
C. 5 m
D. 6 m
E. 7 m
SOAL URAIAN
1. Jelaskan perbedaan antara gelombang elektromagnetik dan gelombang mekanik!
2. Sebuah benda pijar yang terbuat dari baja memancarkan energi maksimum pada panjang
gelombang cahaya 5.000 A. Hitunglah suhu sumber cahaya tersebut!
3. Sebuah mesin sinar-X menghasilkan berkas sinar-X dengan panjang gelombang 1,1 nm.
Tentukan frekuensi sinar-X tersebut!
4. Selang waktu yang digunakan pesawat radar untuk menangkap sinyal adalah 2 ms.
Berapakah jarak antara pesawat radar dengan sasaran yang dituju oleh pesawat tersebut?
5. Energi rata-rata tiap satuan luas tiap satuan waktu dari gelombang elektromagnetik adalah
2,125 W/m2. Tentukan besarnya kuat medan listrik pada tempat tersebut!

10. 10
6. Sinyal suara radio dikirim oleh astronout dari bulan diarahkan pada pendengarnya di bumi.
Seseorang berdiri pada jarak 100 m dari loudspeaker, berapa selang waktu antara saat dia
mendengar suara astronout dan saat astronout berbicara di bulan ? Jarak bumi – bulan
adalah 3,84x108 m .
7. Pada suatu saat gelombang EM sedang merambat diketahui memiliki medan magnet
maksimum berarah ke timur dan medan listrik maksimum berarah ke utara. Kemana arah
perambatan gelombang ?
8. Sebuah pulsa gelombang radar diarahkan ke suatu sasaran dan diterima kembali dalam
selang waktu 5  s. Tentukan jarak sasaran dari radar.
9. Jika Anda menyetel jam tangan dengan patokan jam dinding yang berjarak 10 m, berapa
selisih waktu jam Anda dengan jam dinding ?
10. Berapa waktu yang dibutuhkan cahaya matahari untuk mencapai bumi kita ?