Hipotesis Maxwell

Hipotesis Maxwell -  Kali ini kita akan membahasHipotesis Maxwell tentang gelombang elektromagnetik yang merupakan pelajaran Fisika SMA Kelas 10. 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 di atas  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 berikut.

Rambatan gelombang elektromagnetik

Dari gambar di atas 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 di bawah ini.

Perambatan gelombang elektromagnetik

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 di bawah ini.

 Spektrum gelombang elektromagnetik

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