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.
b. Teori
gelombang elektromagnetik menurut Maxwell (The electromagnetic wave theory of
light). Kira-kira awal abad 19,
Maxwell mengemukakan teori, bahwa cahaya adalah
gelombang elektromagnetik
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
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 
Spektrum
gelombang elektromagnetik diurutkan mulai panjang
gelombang paling pendek
sampai paling panjang adalah sebagaiberikut:
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.
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 yangmempunyai frekuensi antara 1020 Hz -
1025 Hz.
·
Sinar gamma
merupakan hasil reaksi yang terjadi dalaminti atom yang tidak stabil.
·
Sinar gamma
mempunyai daya tembus yang paling kuatdibanding gelombang elektromagnetik yang
lain.
·
Sinar gamma
dapat menembus pelat besi yang tebalnyabeberapa cm.
·
Penyerap yang
baik untuk sinar gamma adalah timbal(Pb).
·
Aplikasi sinar
gamma dalam bidang kesehatan adalahuntuk mengobati pasien yang menderita
penyakit kankeratau tumor. Sumber radiasi yang sering digunakan padapengobatan
penyakit ini adalah Cobalt-60 atau seringditulis Co-60. Salah satu alat untuk
mendeteksi sinargamma adalah detektor Geiger - Muller. Ada jenisdetektor sinar
gamma yang lain yaitu detektor sintilasiNaI-TI.
2. Sinar-X (Rontgen)
·
Sinar-X
ditemukan oleh Wilhem Conrad Rontgen padatahun 1895 sehingga sering disebut
sebagai sinarRontgen.
·
Sinar-X termasuk
gelombang elektromagnetik yangmempunyai frekuensi antara 1016 Hz - 1020 Hz.
·
Sinar-X
merupakan hasil transisi elektron-elektron di kulitbagian dalam atom.
·
Sinar-X
mempunyai daya tembus terbesar keduasesudah sinar gamma.
·
Sinar-X dapat
menembus daging manusia.
·
Aplikasi
Sinar-XDalam bidang kesehatan untuk mengecek pasien yangmengalami patah tulang.
·
Sinar-X juga
digunakan di bandara pada pengecekanbarang-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 elektronpada kulit atom atau
molekul.
·
Sinar
ultraviolet tidak tampak dilihat oleh mata telanjangtetapi sinar ini dapat
dideteksi dengan menggunakanpelat-pelat film tertentu yang peka terhadap
gelombangultraviolet.
·
Matahari
merupakan sumber radiasi ultraviolet yangalami. Sinar ultraviolet yang
dihasilkan oleh mataharitidak baik pada kesehatan khususnya kulit jika
mengenaimanusia. Manusia terlindungi dari sinar ultraviolet darimatahari karena
adanya lapisan ozon di atmosfer yangberfungsi menyerap sinar ultraviolet ini.
·
Aplikasi sinar
ultraviolet ,banyak dipakai di laboratorium pada penelitian bidangspektroskopi,
salah contohnya untuk mengetahui unsur-unsuryang 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 warnamerah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu. Kita
semuabisa melihat warna benda karena benda memantulkanwarna-warna ini dan masuk
kembali ke mata kita.
·
Aplikasi ,dengan
cahaya kita bisa melihat indahnyapemandangan,kita dapat memotret sehingga
gambarnya menjadiberwarna seperti aslinya,kita dapat melihat televisi berwarna,
dan sebagainya.sinar tampak juga banyak dipakai dalam bidangspektroskopi untuk
mengetahui unsur-unsur yang adadalam bahan.
1. Sinar Inframerah (IR)
·
Sinar inframerah
ini merupakan hasil transisi vibrasi ataurotasi pada molekul.
·
Sinar inframerah
termasuk gelombang elektromagnetikyang mempunyai frekuensi di bawah 4,3 x 1014
Hzsampai sekitar 3 Ghz.
·
Sinar inframerah
tidak tampak dilihat oleh mata telanjangtetapi sinar infra merah dapat
dideteksi denganmenggunakan pelat-pelat film tertentu yang pekaterhadap
gelombang inframerah.
·
Aplikasi ,Pesawat
udara yang terbang tinggi ataupun satelit-satelitdapat membuat potret-potret
permukaan bumi, denganmempergunakan gelombang inframerah.
·
Sinar inframerah
juga banyak dipakai dalam bidangspektroskopi untuk mengetahui unsur-unsur yang
adadalam bahan.
2. Gelombang Radar (Gelombang Mikro)
·
Gelombang mikro
(microwave) mempunyai frekuensi dikisaran 3 GHz.
·
Aplikasi ,Gelombang
mikro ini dapat digunakan untuk alatkomunikasi, memasak (microwave), dan radar
(RadioDetection and Ranging ).
·
Dalam bidang
transportasi, gelombang radar dipakaiuntuk membantu kelancaran lalu lintas
pesawat dipangkalan udara atau bandara.
·
Gelombang radar
digunakan juga pada bidangpertahanan yaitu untuk melengkapi pesawat
tempursehingga bisa mengetahui keberadaan pesawat musuh.
3. Gelombang Televisi
·
Gelombang
televisi mempunyai frekuensi yang lebihtinggi dari gelombang radio.
·
Gelombang
televisi ini merambat lurus, tidak dapatdipantulkan oleh lapisan-lapisan
atmosfer bumi.
·
Aplikasi ,Gelombang
televisi banyak dipakai dalam bidangkomunikasi dan siaran.
4. Gelombang Radio
·
Gelombang radio
ini dipancarkan dari antena pemancardan diterima oleh antena penerima. Luas
daerah yangdicakup dan panjang gelombang yang dihasilkan dapatditentukan 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 komunikasiyaitu penggunaan pesawat telepon,
telepon genggam(hand phone), dan sebagainya.
A. 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. 
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; 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.
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
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 equatio
Pada pembahasan elektrostatika
telah dibahas tentang energi di dalam medan elektrostatik, yaitu :
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
Karena
dan
maka kerja total yang dilakukan
pada semua muatan di dalam volume Vadalah
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
padaE . J
dapat dieleminasikan , sehingga diperoleh
Dengan mensubstitusikan persamaan
(7.18) ke dalam persamaan (7.17), dan dengan menerapkan teorema divergensi pada
suku kedua ruas kanan persamaan (7.18) maka akan 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 :
Dan, jika UEB adalah rapat energy dari suatu medan yang
dirumuskan sebagai berikut
Bandingkan persamaan dari teorema
Poynting dengan persamaan kontinuitas yang dinyatakan sebagai berikut
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.
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 :
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 :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar