Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Bukti Hipotesis Maxwell, Rumus Kecepatan dan Sifat-Sifat Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Berikut ini merupakan artikel yang akan membahas gelombang elektromagnetik, gelombang elektromagnetik kelas x, spektrum gelombang elektromagnetik, gelombang elektromagnetik fisika, gelombang elektromagnetik, elektromagnetik ,sifat gelombang elektromagnetik, sifat-sifat gelombang elektromagnetik, hipotesis maxwell, james clerk maxwell, hukum coulomb, hukum biot-savart, hukum ampere, hukum faraday, eksperimen hertz, kecepatan gelombang elektromagnetik, rumus kecepatan gelombang elektromagnetik, permitivitas listrik.

Gelombang Elektromagnetik

Ketika Anda sedang mendengarkan acara di salah satu stasiun radio kesayangan Anda, pernahkah Anda berpikir bagaimana caranya suara yang keluar dari radio dapat Anda dengar dengan jelas? 

Gelombang yang diterima pada radio Anda adalah gelombang radio dan termasuk ke dalam gelombang
elektromagnetik.

Selain gelombang radio, masih banyak lagi jenis gelombang yang termasuk ke dalam gelombang elektromagnetik. Teknologi komunikasi saat ini tidak dapat lepas dari peranan gelombang elektromagnetik. 

Pemakaian telepon selular (telepon genggam) sebagai sarana telekomunikasi menjadikan komunikasi lebih mudah dan efisien. Dalam komunikasi menggunakan telepon selular dan teknologi satelit yang menjadi pembawa informasi adalah gelombang elektromagnetik. 

Tahukah Anda apa yang dimaksud dengan gelombang elektromagnetik? Bagaimanakah gelombang elektromagnetik merambat? Dapatkah Anda menjelaskan sifat-sifatnya? 

Dewasa ini, penggunaan gelombang elektromagnetik semakin luas. Sistem komunikasi radio, televisi, telepon genggam, dan radar merupakan beberapa contoh penggunaan gelombang elektromagnetik. 

Dunia terasa begitu kecil sehingga berbagai peristiwa yang terjadi di belahan bumi, tidak peduli jauhnya, dapat segera diketahui dan disebarluaskan melalui sarana yang memanfaatkan gelombang elektromagnetik, bahkan dunia di luar bumi. 

Berbeda dengan gelombang mekanik yang telah Anda pelajari, gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk merambat.

Hipotesis Maxwell

Tahukah Anda, siapakah yang kali pertama mengemukakan teori gelombang elektromagnetik? Teori gelombang elektromagnetik kali pertama dikemukakan oleh James Clerk Maxwell (1831–1879). 

Ini berawal dari beberapa hukum dasar yang telah dipelajari, yakni Hukum Coulomb, Hukum Biot-Savart atau Hukum Ampere, dan Hukum Faraday

Hukum Coulomb memperlihatkan bagaimana muatan listrik dapat menghasilkan medan listrik, Hukum Biot-Savart atau Hukum Ampere menjelaskan bagaimana arus listrik dapat menghasilkan medan magnet, dan Hukum Faraday menyatakan bahwa perubahan medan listrik dapat menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) induksi. 

Maxwell melihat adanya keterkaitan yang sangat erat antara gejala kelistrikan dan kemagnetan. Ia mengemukakan bahwa jika perubahan medan magnetik menghasilkan medan listrik, seperti yang dikemukakan oleh hukum Faraday, dan hal sebaliknya dapat terjadi, yakni perubahan medan listrik dapat menimbulkan perubahan medan magnet.

Maxwell menurunkan beberapa persamaan yang berujung pada hipotesisnya mengenai gelombang elektromagnetik. 

Persamaan tersebut dikenal sebagai Persamaan Maxwell, tetapi Anda tidak perlu menurunkan atau membahas secara mendalam persamaan tersebut. Menurut Maxwell, ketika terdapat perubahan medan listrik (E), akan terjadi perubahan medan magnetik (B).

Perubahan medan magnetik ini akan menimbulkan kembali perubahan medan listrik dan seterusnya. Maxwell menemukan bahwa perubahan medan listrik dan perubahan medan magnetik ini menghasilkan gelombang medan listrik dan gelombang medan magnetik yang dapat merambat di ruang hampa.

Gelombang medan listrik (E) dan medan magnetik (B) inilah yang kemudian dikenal dengan nama gelombang elektromagnetik. Perambatan gelombang elektromagnetik dapat dilihat pada gambar berikut:
Bukti Hipotesis Maxwell, Rumus Kecepatan dan Sifat-Sifat Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Medan listrik dan medan magnetik
dalam gelombang
Perhatikan bahwa arah getar dan arah rambat gelombang medan listrik dan medan magnetik saling tegak lurus sehingga gelombang elektromagnetik termasuk gelombang transversal. 

Akan tetapi, gelombang elektromagnetik adalah gelombang medan dan bukan gelombang partikel, seperti pada air atau pada tali. Oleh karena gelombang medan inilah, gelombang elektromagnetik dapat merambat di ruang hampa. 

Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik bergantung pada permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik medium. Maxwell menyatakan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik memenuhi persamaan:
Bukti Hipotesis Maxwell, Rumus Kecepatan dan Sifat-Sifat Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Besar kecepatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa sama dengan kecepatan cahaya yang terukur.

Contoh Soal:

Bukti Hipotesis Maxwell, Rumus Kecepatan dan Sifat-Sifat Spektrum Gelombang Elektromagnetik


Bukti Hipotesis Maxwell (Eksperimen Hertz)

Anda telah mempelajari hipotesis Maxwell tentang gelombang elektromagnetik. Apakah Anda ingin mengetahui pembuktian dari hipotesis Maxwell tersebut? 

Pada pembahasan ini, Anda akan mempelajari tentang bukti hipotesis Maxwell melalui eksperimen yang dilakukan oleh Heinrich Hertz. 

Kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik di ruang hampa yang dihitung oleh Maxwell, memiliki besar yang sama dengan kecepatan perambatan cahaya. 

Berdasarkan hasil ini, Maxwell mengemukakan bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Gagasan ini secara umum diterima oleh para ilmuwan, tetapi tidak sepenuhnya hingga akhirnya gelombang elektromagnetik dapat dideteksi melalui eksperimen. 

Gelombang elektromagnetik kali pertama dibangkitkan dan dideteksi melalui eksperimen yang dilakukan oleh Heinrich Hertz (1857–1894) pada tahun 1887, delapan tahun setelah kematian Maxwell. Hertz menggunakan peralatan, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Bukti Hipotesis Maxwell, Rumus Kecepatan dan Sifat-Sifat Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Bagan percobaan Hertz.
Dengan menggetarkan pemutus arus, terjadi getaran listrik
pada rangkaian sekunder yang nampak sebagai loncatan bunga api A.
Pada kawat yang dilekukkan sampai ujung-ujungnya berdekatan
tampak terlihat adanya loncatan bunga api B.
Ketika sakelar S digetarkan, induktor (kumparan) Ruhmkorf menginduksikan pulsa tegangan pada kumparan kedua yang terhubung pada dua buah elektrode bola. 

Akibatnya, muatan listrik loncat secara bolak-balik dari satu bola ke bola lainnya dan menimbulkan percikan. Ternyata, kedua elektrode bola pada cincin kawat di sebelahnya juga menampakkan percikan. 

Ini menunjukkan bahwa energi gelombang yang dihasilkan oleh gerak bolak-balik muatan pada kedua elektrode pertama telah berpindah kepada elektrode kedua pada cincin kawat. 

Gelombang ini kemudian diukur kecepatannya dan tepat sama dengan hasil perhitungan Maxwell, yakni 3 × 108 m/s. 

Selain itu, gelombang ini juga menunjukkan semua sifat cahaya seperti pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. 

Hasil eksperimen Hertz ini merupakan pembuktian dari teori Maxwell. Sifat-sifat gelombang elektromagnetik yang didasarkan dari eksperimen, yaitu sebagai berikut.

  1. Merupakan perambatan getaran medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus terhadap arah rambatnya dan termasuk gelombang transversal,
  2. Tidak bermuatan listrik sehingga tidak dipengaruhi atau tidak dibelokkan oleh medan listrik atau medan magnet,
  3. Tidak bermassa dan tidak dipengaruhi medan gravitasi,
  4. Merambat dalam lintasan garis lurus,
  5. Dapat merambat di ruang hampa,
  6. Dapat mengalami pemantulan, pembiasan, interferensi, difraksi, serta polarisasi, dan
  7. Kecepatannya di ruang hampa sebesar 3 × 108 m/s.