Teori Gelombang Elektromagnetik

Siapakah Cristiano Ronaldo? Atau, siapakah vokalis band Peter Pan? Jika kamu dihadapkan pada pertanyaan semacam itu dapat dipastikan kamu bisa menjawabnya, bukan? Siapa yang tidak kenal CR7 (sebutan buat Cristiano Ronaldo) atau Ariel Peter Pan? Walaupun kamu tidak pernah bertemu secara langsung dengan keduanya, kamu pasti kenal dengan mereka, ya kan? Kok bisa ya! Walaupun kamu tidak pernah bertemu dengan mereka kamu pasti sering melihat mereka melalui TV, bukan begitu? Sekarang, apa yang membuat kamu bisa menonton TV untuk melihat pertandingan sepak bola yang sedang berlangsung di tempat lain yang sangat jauh? Tahukah kamu prinsip dan konsep apa yang melandasi teknologi dan fenomena ini?

Saat ini hampir semua orang memiliki peralatan yang satu ini. Dia begitu kecil yang bisa dengan nyaman diletakkan di dalam saku, namun dianggap memiliki fungsi yang sangat besar terutama untuk berkomunikasi. Ya, benda itu adalah sebuah ponsel (telepon seluler). Saat ini ponsel tidak hanya digunakan untuk menelpon saja tetapi juga untuk fungsi lain seperti mengirim dan menerima pesan singkat (sms), mendengarkan musik, atau mengambil foto. Bagaimana perangkat ponsel dapat terhubung dengan perangkat ponsel yang lain padahal mereka saling berjauhan?

Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan, konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang bisa sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar-x.

Sebagaimana yang telah dibahas sebelumnya bahwa ada dua hukum dasar yang menghubungkan gejala kelistrikan dan kemagnetan.

Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.

Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik

Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry.

Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.

James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik

Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell.

Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.

Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.

Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik

Ramalan Maxwell tentang gelombang elektromagnetik ternyata benar-benar terbukti. Adalah Heinrich Hertz yang membuktikan adanya gelombang elektromagnetik melalui eksperimennya. Eksperimen Hertz sendiri berupa pembangkitan gelombang elektromagnetik dari sebuah dipol listrik (dua kutub bermuatan listrik dengan muatan yang berbeda, positif dan negatif yang berdekatan) sebagai pemancar dan dipol listrik lain sebagai penerima. Antena pemancar dan penerima yang ada saat ini menggunakan prinsip seperti ini.

Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian penerimanya. Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang elektromagnetik.

Induksi Silang 

Dalam bidang kelistrikan ada konsep yang sangat berguna, yaitu konsep induksi silang (mutual induction) atau ada juga yang menyebutnya sebagai induksi timbal-balik. Konsep ini merupakan awal mula dari pengembangan elektronika telekomunikasi. Aplikasi induksi timbal-balik digunakan untuk mentransmisikan sinyal elektromagnet melalui ruang dari satu perangkat ke perangkat lain. Di sini akan dibahas konsep dasar dari induksi silang sebagai dasar pemahaman bagi pengertian lebih lanjut tentang elektronika komunikasi.

Sebelumnya, kamu sudah mempelajari tentang medan magnet, bukan? Dalam pembahasan tentang medan magnet kamu sudah belajar bagaimana muatan listrik yang bergerak atau arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Bukankah begitu? Apakah kamu masih ingat, siapakah tokoh yang memperkenalkan konsep ini? Ya, dia adalah Hans Christian Oersted, seorang ahli fisika yang berasal dari Denmark. Konsep medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik dirumuskan secara lengkap oleh Ampere, dan dikenal dengan hukum Ampere. Konsep arus listrik yang dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet dikenal sebagai induksi magnet.

Selain itu, sebelumnya kamu juga sudah mempelajari bagaimana medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan arus listrik, bukan? Apakah kamu masih ingat siapakah tokoh yang berjasa dalam mengembangkan konsep ini? ya, dia adalah Michael Faraday, seorang tokoh terkemuka dalam fisika yang berkebangsaan Inggris. Konsep medan listrik (dalam bentuk arus listrik) yang dihasilkan (diinduksi) dari medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dikenal sebagai induksi elektromagnet.

medan magnet yang berubah-ubah menghasilkan arus listrik

Kedua konsep ini sangat berguna untuk memahami pengertian induksi silang yang akan dijelaskan berikut ini.

Induksi silang dapat terjadi pada dua buah rangkaian listrik. Salah satu rangkaian tersebut dialiri arus listrik sedangkan rangkaian yang lain tidak. Melalui peristiwa induksi silang, rangkaian yang dialiri arus listrik dapat “menginduksi” (baca: mentransmisikan listrik ke) rangkaian yang lain sehingga arus listrik dapat dihasilkan dalam rangkaian ini. untuk lebih jelasnya, coba kamu perhatikan gambar berikut ini.

induksi silang antara dua rangkaian

Berdasarkan prinsip Ampere bahwa arus listrik dapat menginduksi medan magnet, pada rangkaian dua (#2) arus listrik (i) dalam rangkaian dapat menghasilkan medan magnet (B). arus listrik yang digunakan dalam rangkaian haruslah arus yang berubah-ubah besarnya (bisa dilakukan dengan menggunakan arus bolak-balik). Mengapa? Coba kamu cari alasannya. Selanjutnya medan magnet ini menghasilkan fluks magnet yang menembus rangkaian listrik satu (#1) secara tegak lurus. Karena medan magnet yang menginduksi rangkaian listrik berubah-ubah maka arus listrik akan dihasilkan dalam rangkaian kedua ini. (Jadi, pertanyaan tadi sudah terjawab, kan).

Dihasilkannya arus listrik pada rangkaian kedua yang disebabkan oleh medan magnet dari rangkaian listrik lain yang dialiri arus listrik ini di mana antara kedua rangkaian tidak saling berhubungan dan terpisah oleh ruang merupakan konsep dasar dari induksi silang. Bagaimana, sudah paham kan sekarang?

Prinsip induksi silang dapat juga dimanfaatkan untuk memahami cara kerja transformator (trafo). Tahukah kamu, apa yang dimaksud dengan transformator? Secara singkat dijelaskan di sini bahwa transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik. Pembahasan tentang trafo akan diberikan dalam bahasan tersendiri.

Apakah kamu dapat menghubungkan konsep induksi silang yang sudah dibahas di sini dengan bagaimana cara kerja telepon seluler, radio, atau TV? Telepon seluler dapat menerima sinyal listrik dari perangkat lain walaupun kedua perangkat tidak saling bersentuhan atau berhubungan. Demikian juga dengan radio dan TV. Secara luas juga mencakup perangkat wireless (tanpa kabel) yang saat ini sangat bermanfaat dan banyak digunakan sehari-hari. Tentu saja konsep induksi silang dapat digunakan untuk menjelaskan peristiwa tersebut. Penjelasan lebih lanjut tentang cara kerja baik telepon seluler, radio, TV, maupun perangkat wireless lainnya akan dibahas dalam materi gelombang Elektromagnetik.