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.
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.
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 panjang gelombangnya lebih pendek. Berikut ini
adalah susunan komponen spectrum gem, yang dimulai dari energi terendah: gelombang
radio dan TV, mikrogelombang, inframerah, cahaya, ultraviolet, sinar x, dan
sinar gamma (pada gambar dibawah). kelajuan rambat gelombang itu di vakum atau
udara adalah
Gambar 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
(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
oleh transisi nukleon di inti atom. Untuk
panjang gelombang gem itu
, frekuensi
, dan kelajuan
rambatan di udara atau vakum adalah
, selalu
dipenuhi kaitan. Kelajuan
gelombang ini di medium berkerapatan optis lebih besar adalah lebih lambat. Pada
setiap perambatan gelombang, frekuensi gelombang
selalu bernilai tetap, sehingga yang berubah
adalah kelajuan gelombang, dan panjang gelombangnya.
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 timbale (Pb).
· Aplikasi sinar
gamma dalam bidang kesehatan adalah untuk mengobati pasien yang menderita
penyakit kanker atau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan padapengobatan
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.
·
Dipelabuhan
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 electron 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 ataurotasi 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 dikisaran 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 dipangkalan 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 pemancardan diterima oleh antena penerima. Luas
daerah yangdicakup 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.
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.
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 sebagai sumber medan magnetik.
Interaksi bersama antara kedua medan itu dirangkumkan secara rapi oleh
persamaan Maxwell.
Pada masa awal
teori elektromagnetik (awal abad ke19), 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
pemahamanhasil 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-mula dihasilkan dalam
laboratorium pada tahun 1887 oleh fisikawan jerman, Heinrich Hertz. Sebagai
sumber gelombang dia menggunakan muatan yang berosilasi dalam rangkaian L-C; diamendeteksi
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 =
f. Dia mendapatkan bahwa lajunya sama seperti laju cahaya; ini
secara langsung membuktikan ramalan teori Maxwell.
Energi Dalam Gelombang
Elektromagnetik
Energy rata-rata persatuan luas
yang dirambatkan oleh gelombang elektromagnetik disebut dengan intensitas
gelombang elektromagnetik. Intensitas tersebut sebanding dengan harga maksimum
medan magnet (B) dan sebanding pula dengan harga maksimum medan listriknya (E). Gelombang elektromagnetik membawa energi dalam
bentukmedan listrik dan medan magnet. Kita tinjau suatu
gelombangelektromagnetik yang menjalar ke arah sumbu x, maka medanlistrik dan
medan magnet sesaatnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut. Energy
rata-rata persatuan luas yang dirambatkan oleh gelombang elektromagnetik
disebut dengan intensitas gelombang elektromagnetik. Intensitas tersebut
sebanding dengan harga maksimum medan magnet (B) dan sebanding pula dengan
harga maksimum medan listriknya (E).
http://fibriyanti.tripod.com/webTaqNew/materi/propagasi3.htm
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 danmedan magnet, sehingga gelombang
elektromagnetik ini jugamembawa 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
http://fibriyanti.tripod.com/webTaqNew/materi/propagasi3.htm
http://fibriyanti.tripod.com/webTaqNew/materi/propagasi3.htm
