Dokumen ini membahas tentang aplikasi gelombang dalam sains dan teknologi. Gelombang adalah getaran yang merambat melalui medium dan memindahkan energi. Terdapat berbagai jenis gelombang seperti gelombang elektromagnet, bunyi, air. Gelombang elektromagnet memiliki spektrum yang luas dan digunakan dalam berbagai aplikasi seperti telekomunikasi, radar, pemanasan.

1. APLIKASI GELOMBANG DALAM SAINS DAN TEKNOLOGI
Siti Paridah Bt Juhari
Jabatan Kejuruteraan Elektrik
Politeknik Merlimau, Melaka
1.0 PENGENALAN KEPADA GELOMBANG
Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal bagi sesebuah gelombang adalah
mengikuti gerak sinusoide. Terdapat beberapa jenis gelombang seperti gelombang
elektromagnet, gelombang graviti, gelombang bunyi, gelombang air, gelombang infra merah
dan gelombang sinar-x. Gelombang juga terdapat pada medium di mana ia dapat bergerak
dan dapat memindahkan tenaga dari satu tempat ke tempat yang lain. Gelombang
mempunyai panjang yang menentukan frekuensi. Panjang gelombang boleh diilustrasikan
seperti rajah 1.0. Rajah 1.0 menunjukkan gelombang air laut yang sedang mendekati pantai.
Panjang gelombang akan berubah apabila semakin dekat dengan pantai.
Rajah 1.0 : Ilustrasi Panjang Gelombang
Rajah 1.1 : Ilustrasi Pergerakan Gelombang

2. 2.0 GELOMBANG MELINTANG DAN GELOMBANG MEMBUJUR
Gelombang melintang ialah gelombang yang menyebabkan zarah-zarah medium bergetar
berserenjang dengan arah gerakan gelombang. Gelombang membujur pula menyebabkan
getaran zarah-zarah medium selari dengan arah gerakan gelombang. Gelombang mempunyai
ciri tertentu seperti amplitud yang memberikan kekuatan gelombang, panjang gelombang dan
tempoh yang akan memberikan maklumat berkenaan frekuensi dan halaju gelombang. Rajah
2.0 memberikan gambaran mengenai ciri-ciri sesebuah gelombang.
Rajah 2.0 : Ciri-ciri sebuah gelombang
• Amplitud, ialah jarak maksimum/minimum dari keseimbangan;
• Tempoh, ialah masa yang diperlukan untuk satu kitaran lengkap;
• Panjang gelombang, ialah jarak diantara puncak atau lurah gelombang; dan
• Laju gelombang pula ialah hasil darab frekuensi dan panjang gelombang.
(1)
Nombor gelombang, pula:
(2)

3. Frekuensi, (dalam hertz) ialah tempoh per unit masa:
(3)
dan frekuensi sudutnya ialah:
(4)
2.1 Gelombang bentuk sinus
Persamaan gelombang bentuk sinus bergerak ke arah positif x dalam paksi xy ialah:
(5)
Manakala bagi gerakan gelombang ke arah negatif x ialah:
(6)
2.2 Halaju dan Pecutan Zarah bagi Gelombang Bentuk Sinus
Halaju zarah-zarah (Bukan Laju Gelombang)dalam gelombang bentuk sinus ialah:
(7)
manakala pecutannya ialah:
(8)

4. 2.3 Persamaan gelombang
Persamaan gelombang ialah persamaan pembezaan yang menyentuh sifat-sifat fizikal
gelombang yang melalui suatu medium. Kerana tidak semua gelombang berbentuk sinus,
maka persamaan am gelombang ialah:
(9)
3.0 GELOMBANG EELEKTROMAGNET
Gelombang elektromagnetik pada awalnya diramal oleh James Clerk Maxwell dan
kemudiannya disahkan oleh Heinrich Hertz. Maxwell menghasilkan persamaan bentuk
gelombang magnetik dan elektrik, mendedahkan sifat semula jadi seperti gelombang medan
elektrik dan magnetik, dan bentuk simetrinya. Disebabkan kepantasan gelombang EM
diramal oleh persamaan gelombang menyamai dengan kelajuan cahaya yang diukur,
Maxwell merumuskan bahawa cahaya itu sendiri adalah gelombang EM.
Menurut persamaan Maxwell, medan elektrik berbeza masa menghasilkan medan magnetik
dan sebaliknya. Dengan itu, sebagai medan elektrik berayun menghasilkan medan elektrik
berayun, medan magnetik sebaliknya menghasilkan medan elektrik berayun dan seterusnya.
Ayunan medan ini bersama-sama menghasilkan gelombang elektromagnet.
Teori kuantum, berkenaan interaksi antara radiasi elektromagnetik dan jisim seperti elektron
digambarkan oleh teori elektrodinamik kuantum.
Rajah 3.0 : Gelombang Elektromagnet

5. Gelombang elektromagnetik boleh dibayangkan sebagai gelombang berayun melintang
menerus sendiri (self-propagating) yang terdiri dari medan magnet dan elektrik. Gambarajah
ini menunjukkan laras melintang gelombang mengutub bergerak dari kiri ke kanan.
Sinaran elektromagnet (electromagnetic radiation atau EM radiation) merupakan
gelombang perambatan di angkasa dengan komponen elektrik dan magnet. Komponen ini
berayun pada sudut tepat sesama sendiri pada arah perambatan; dan dengan berfasa sesama
sendiri. Radiasi elektromagnetik dikelaskan menurut jenis menurut frekuensi gelombang:
jenis ini termasuk, kadar peningkatan frekuensi, gelombang radio, mikrogelombang,
sinaranan terahertz, sinaran inframerah, cahaya nampak, sinaran ultraungu, sinar-X dan sinar
gamma. Dalam sesetengah konteks keseluruhan julat dirujuk hanya sebagai 'cahaya'. Radiasi
EM membawa tenaga dan momentum, yang boleh dipindahkan apabila ia berinteraksi
dengan jisim.
3.1 Ciri-ciri Gelombang Elektromagnet
Gelombang elektromagnet mempunyai ciri-ciri yang tersendiri. Diantara ciri-ciri
gelombang elektromagnet adalah:
• Gelombang sinaran elektromagnet dihasilkan oleh pergerakan zarah bercas (elektrik).
• Gelombang ini digelar “sinaran elektromagnet" kerana mereka memancar dari zarah
bercas. Mereka bergerak melalui ruang kosong dan juga menerusi udara & bahan-bahan
lain.
• Ahli sains mendapati bahawa sinaran elektromagnet mempunyai dwi-“sifat” (sifat
penduaan). Selain dari bertindak sebagai gelombang, ia juga bertindak selaku aliran zarah
(digelar "foton") yang tidak berjisim.
• Foton dengan tenaga paling tinggi adalah berkaitan dengan panjang gelombang paling
pendek.
• Julat sepenuhnya panjang gelombang (& tenaga foton) digelar “spektrum elektromagnet”.
• Pancaran sinaran elektromagnet ialah satu gelombang merambat di dalam ruang dengan
juzuk elektrik & magnet. Juzuk ini berayun pada sudut tepat di antara satu dengan yang
lain & dengan arah perambatan (propagation).
• Istilah pancaran sinaran elektromagnet juga digunakan sebagai satu sinonim untuk
gelombang sinaran elektromagnet secara am, walaupun mereka tidak memancar atau
bergerak bebas di dalam ruang. Contoh: cahaya bergerak menerusi serat optik, atau
tenaga elektrik bergerak di dalam kabel sepaksi.
• Pancaran sinaran elektromagnet membawa tenaga & momentum yang boleh dilepaskan
apabila bertindak-balas dengan jirim.

6. 3.2 Sumber Gelombang Elektromagnetik
1. Osilasi listrik.
2. Sinar matahari → menghasilkan sinar infra merah.
3. Lampu merkuri → menghasilkan ultra violet.
3.3 Spektrum elektromagnet
Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang
dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum 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.
Rajah 3.1 : Gambarajah Spektrum Elektomagnet

7. Rajah 3.2 : Gambarajah Spektrum Elektomagnet mengikut pengkelasan
3.4 Aplikasi Gelombang Elektromagnetik
Gelombang Radio
Gelombang radio dikelaskan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika
panjang gelombang tinggi, maka frekuensinya menjadi rendah dan sebaliknya. Frekuensi
gelombang radio bermula dari 30 kHz ke atas dan dikelaskan berdasarkan lebar
frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh osilasi listrik yang dipercepat melalui
talian penghantaran. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh
antena pula. Gelombang ini perlu dimodulasi oleh penerima radio dan ditukar daripada
gelombang radio menjadi gelombang bunyi.

8. Gelombang Mikro
Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi
iaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah objek, maka akan muncul
kesan pemanasan pada objek tersebut. 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.
Rajah 3.3 : Penggunaan Gelombang Mikro pada Ketuhar
Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and
Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan
menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan
gelombang mikro. Oleh kerana kepantasan perambatan glombang elektromagnetik c = 3
X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan
penerimaan, sesebuah objek dapat dikesan oleh radar.

9. Gelombang ini juga sangat luas penggunaanya dalam bidang telekomunikasi.
Rajah 3.4 : Penggunaan Gelombang Mikro dalam bidang telekomunikasi
Sinar Inframerah
Sinar inframerah meliputi julat frekuensi 1011Hz hingga 1014 Hz atau julat panjang
gelombang 10-4
cm hingga 10-1
cm. Jika spektrum yang dihasilkan oleh sebuah lampu
pijar dengan detektor yang dihubungkan pada miliampermeter, maka jarum ampermeter
sedikit diatas ujung spektrum merah. Sinar ini tidak dapat dilihat tetapi dapat dikesan di
atas spektrum merah dan ini dikenali sebagai radiasi inframerah.
Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena
benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Jumlah
sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda.
Rajah 3.5 : Penggunaan Gelombang inframerah pada bar kod

10. Cahaya Tampak
Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik dapat didefinisikan sebagai sebahagian
dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat dikesan oleh mata manusia.
Panjang gelombang tampak bergantung kepada warnanya bermula dari panjang
gelombang kira-kira 4 x 10-7
m untuk cahaya violet (ungu) sampai 7x 10-7
m untuk
cahaya merah. Kegunaan cahaya salah satunya adalah penggunaan laser dalam serat optik
pada bidang telekomunikasi dan bidang perubatan.
Sinar Ultraviolet
Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam julat 1015 Hz hingga 1016 Hz atau dalam
julat panjang gelombang 10-8
m 10-7
m. Matahari adalah sumber utama yang
memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi, lapisan ozon yang ada dalam lapisan
atas atmosfera yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan meneruskan sinar
ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup di bumi.
Sinar X
Sinar X mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa
sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm.
Sinar Gamma
Sinar gamma juga mempunyai daya tembus paling besar, yang menyebabkan kesan yang
serius jika diserap oleh jaringan tubuh.
4.0 KESIMPULAN
Gelombang adalah suatu fenomena yang alami dan mempunyai banyak kegunaan untuk
kebaikan dan kemakmuran manusia. Ciri-ciri yang ada padanya telah memudahkan
manusia dalam urusan komunikasi dan perubatan. Namun, ia juga boleh mendatangkan
kerosakkan apabila digunakan secara yang tidak berhemah.