Hipotesis Maxwell Spektrum Gelombang Elektromagnetik- Gelombang
bunyi, gelombang tali, gelombang permukaan air merupakan gelombang
mekanik, karena dalam perambatannya memerlukan zat perantara. Cahaya
termasuk dalam spektrum gelombang elektromagnetik, karena perambatan
cahaya dapat terjadi tanpa zat perantara. Bagaimana gelombang
elektromagnetik terbentuk? Apa sajakah yang termasuk dalam spektrum
gelombang elektromagnetik? Perhatikan uraian di bawah ini.
Ada tiga aturan penting yang mendasari munculnya konsep gelombang elektromagnetik.
1) Muatan listrik menghasilkan medan listrik di sekitarnya dengan kuat yang dilukiskan oleh hukum Coulomb.
2) Aliran muatan (arus) listrik menghasilkan medan magnet di sekitarnya dengan kuat yang dilukiskan oleh hukum Biot-savart.
3) Perubahan medan magnet menghasilkan medan listrik dengan aturan seperti dilukiskan oleh hukum induksi Faraday.
James Clark Maxwell (1831
– 1879) terdorong untuk melengkapi aturan-aturan tersebut di atas sebab
ia yakin bahwa aturan-aturan alam ini mestinya sederhana dan rapi.
Maxwell berpikir “Kalau perubahan medan magnet menghasilkan medan
listrik, mengapa perubahan medan listrik tidak menghasilkan medan
magnet?” Menurut aturan Faraday, perubahan medan magnet B menghasilkan
medan listrik E yang arahnya tegak lurus B dan besarnya bergantung pada
laju perubahan B terhadap waktu. Dengan aturan Faraday tersebut Maxwell
meyakini perubahan medan listrik E akan menghasilkan medan magnet B yang
tegak lurus E dan besarnya bergantung pada laju perubahan E terhadap
waktu. Keyakinan Maxwell ini dikemukakan pada tahun 1864 sebagai
hipotesis karena tidak mudah untuk ditunjukkan dengan percobaan. Sebagai
gambaran untuk membuktikan hipotesis Maxwell perhatikan uraian berikut.
Gambar
6.2 menyatakan dua bola isolator yang satu diberi muatan positif dan
yang lain muatan negatif. Kedua bola diikatkan pada pegas. Jika kedua
bola digetarkan, maka jarak kedua muatan itu berubah-ubah terhadap
waktu. Perubahan jarak kedua muatan menunjukkan perubahan medan listrik
yang ditimbulkan. Dengan perubahan medan listrik ini, Maxwell meyakini
akan terjadi medan magnet. Medan magnet yang terjadi akan mengalami
perubahan terhadap waktu.
Kita tahu
bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan medan listrik.
Perubahan-perubahan medan magnet dan medan listrik itu terjadi secara
berkala dan berantai yang menjalar ke segala arah. Karena perubahan
berkala yang menjalar lazimnya disebut dengan gelombang, maka gejala
tersebut dapat dinamakan gelombang eletromagnetik. Penggambaran
perambatan gelombang elektomagnetik seperti tampak pada gambar 6.3
berikut.
Gambar 6.3 Rambatan gelombang elektromagnetik
Dari
gambar 6.3 terlihat besar medan listrik berubah-ubah (ditunjukkan oleh
simpangan gelombang E) dan besar medan magnet juga berubah-ubah
(ditunjukkan oleh simpangan gelombang B). Berapakah kecepatan merambat
gelombang elektromagnetik? Maxwell ternyata tidak hanya meramalkan
adanya gelombang elektromagnetik, tetapi ia juga mampu menghitung
kecepatan merambat gelombang elektomagnetik. Menurut perhitungan,
kecepatan merambat (C) dari gelombang ini hanya bergantung pada dua
besaran yaitu permitivitas listrik εo dan permeabilitas magnet μo menurut hubungan:
C = [√(εo.μo)]½
εo = 8,85 x 10-12 C2/Nm2
μo = 4π x 10-7 wb/Am
Jika harga itu dimasukkan dalam persamaan di atas, diperoleh:
C = 3 x 108 m/s
Betapapun
indahnya hipotesis Maxwell namun tetap tidak akan diterima sebelum ada
eksperimen yang sanggup menguji kebenaran ramalan-ramalannya. Setelah
beberapa tahun Maxwell meninggal dunia, Heinrich Rudolfh Hertz (1857
– 1894), seorang fisikawan Jerman, untuk pertama kali berhasil
melakukan eksperimen yang dapat menunjukkan gejala perambatan gelombang
elektromagnetik. Dalam percobaannya, sebagai penghasil gelombang
digunakan alat yang serupa dengan induktor Ruhmkoff. Perhatikan gambar
6.5 di bawah ini.
Jika
P digetarkan, maka terjadi getaran pada rangkaian kawat Q yang nampak
sebagai loncatan bunga api di A. Jika kawat B yang tidak bermuatan
didekatkan dengan Aternyata di B terjadi juga loncatan bunga api. Ini
menunjukkan bahwa ada pemindahan energi (perambatan) elektromagnetik
dari Ake B. Gelombang elektromagnetik adalah suatu bentuk energi,
umumnya dihasilkan oleh elektron-elektron yang bergetaran. Gelombang
elektromagnetik dipancarkan oleh benda alam, seperti matahari. Ada juga
yang dapat dihasilkan oleh alat buatan manusia, misalnya gelombang
radio. Yang membedakan gelombang-gelombang elektromagnetik adalah
panjang gelombangnya. Gelombang elektromagnetik ini memiliki spektrum
yang amat lebar dari λ = 108 m sampai λ = 10-17 m, perhatikan gambar 6.6 di bawah ini.
Hubungan antara frekuensi (f) dan panjang gelombang (λ) dinyatakan dengan:
λ = C/f
C = cepat rambat gelombang elektromagnetik di udara.
Contoh soal
1.
Sebuah pemancar radio bekerja pada frekuensi 5 MHz. Berapakah panjang
gelombang radio yang terpancar dari pemancar radio tersebut?
Penyelesaian :
Diketahui: f = 5 MHz = 5.106 Hz
Ditanya: λ = …?
Jawab:
Λ = C/f = 3.108/3.106 = 60m