Sifat & Energi Gelombang Elektromagnetik: Medan E, B, dan Foton — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menjelaskan sifat gelombang elektromagnetik sebagai medan E dan B yang saling tegak lurus, merambat tanpa medium, dan menghitung energi fotonnya lewat $E = hf$ .

Matahari mengirim panas dan cahaya ke Bumi melintasi vakum luar angkasa sejauh 150 juta kilometer. Tidak ada udara, tidak ada tali — bagaimana energi itu sampai? Jawabannya: gelombang elektromagnetik, getaran medan listrik dan medan magnet yang saling menopang dan merambat sendiri tanpa medium apa pun. Inilah kenapa cahaya matahari bisa menembus ruang hampa, sementara bunyi tidak bisa. Coba lihat sendiri di bawah bagaimana kedua medan itu berosilasi saling tegak lurus.

Geser slider frekuensi dan amati medan listrik (biru) dan medan magnet (oranye) berosilasi tegak lurus sepanjang arah rambat.

Gelombang transversal dua medan

Gelombang elektromagnetik bukan getaran partikel seperti gelombang tali atau bunyi. Ia adalah getaran dua medan — medan listrik E dan medan magnet B — yang merambat bersamaan. Kedua medan ini berosilasi tegak lurus terhadap arah rambat, dan juga tegak lurus satu sama lain. Karena getarannya tegak lurus arah rambat, GEM adalah gelombang transversal.

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang terdiri dari medan listrik E dan medan magnet B yang berosilasi saling tegak lurus dan tegak lurus pula terhadap arah perambatan, merambat tanpa medium dengan cepat rambat cahaya $c$ .

Bayangkan tiga sumbu ruang: arah rambat ke depan, medan E ke atas-bawah, medan B ke kiri-kanan. Ketiganya saling tegak lurus membentuk sudut siku-siku tiga dimensi. Inilah sebabnya cahaya bisa terpolarisasi (sumbu E bisa disaring) — bukti bahwa GEM transversal, bukan longitudinal.

Pada segitiga siku di bawah, dua sisi siku mewakili arah medan E dan arah medan B, sementara sisi miring mewakili arah rambat. Geser titik untuk mengubah sudut — sisi siku selalu tegak lurus.

Merambat tanpa medium

Berbeda dari gelombang bunyi atau gelombang tali, GEM tidak butuh medium. Getaran medan listrik yang berubah menimbulkan medan magnet (hukum Faraday), dan medan magnet yang berubah menimbulkan medan listrik (hukum Maxwell-Ampere). Kedua medan ini saling membangkitkan, sehingga gelombang bisa terus merambat meski di ruang hampa.

Bayangkan dua penari yang saling melempar tali — selama mereka terus menangkap dan melempar, tarian terus berjalan tanpa lantai. Begitulah medan listrik dan medan magnet: keduanya saling membangkitkan tanpa butuh “lantai” (medium). Inilah kenapa cahaya bintang yang berusia miliaran tahun masih bisa mencapai Bumi melintasi vakum kosmik.

Inilah temuan besar James Clerk Maxwell (1865): persamaanpersamaannya memprediksi adanya gelombang elektromagnetik yang merambat dengan kecepatan $c = 1/\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0} \approx 3 \times 10^8$ m/s — persis sama dengan cepat rambat cahaya yang sudah diukur. Kesimpulannya: cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Intensitas berbanding terbalik kuadrat jarak

Gelombang elektromagnetik membawa energi. Besaran yang menyatakan daya per satuan luas yang diterima sebuah permukaan tegak lurus arah rambat disebut intensitas ( $I$ , satuan W/m²). Karena energi menyebar merata ke segala arah dari sumber titik, intensitas melemah seiring jarak mengikuti hukum kuadrat terbalik.

$I = \frac{P}{4\pi r^2}$

Arti tiap simbol: $I$ = intensitas pada jarak $r$ (W/m²), $P$ = daya sumber (W), $r$ = jarak dari sumber (m). Saat jarak dua kali lipat, intensitas tinggal seperempat.

Grafik di bawah memperlihatkan kurva $I \propto 1/r^2$ . Geser slider jarak dan amati intensitas merosot tajam saat kamu menjauhi sumber — inilah kenapa senter terlihat terang dekat, tapi redup dari jauh.

Energi foton: kuantisasi cahaya

Pada skala atom, energi gelombang elektromagnetik tidak terdistribusi kontinu, melainkan terkemas dalam paket-paket diskret yang disebut foton. Energi satu foton bergantung hanya pada frekuensi gelombangnya — makin tinggi frekuensi, makin besar energi per foton.

$E = h \cdot f = \frac{hc}{\lambda}$

Arti tiap simbol: $E$ = energi satu foton (joule), $h$ = konstanta Planck $\approx 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s, $f$ = frekuensi (Hz), $c$ = cepat rambat cahaya $\approx 3 \times 10^8$ m/s, $\lambda$ = panjang gelombang (m). $1$ eV $= 1{,}6 \times 10^{-19}$ J.

Grafik di bawah menunjukkan energi foton terhadap frekuensi. Geser slider $f$ dan amati energi foton naik linier. Untuk cahaya tampak ( $f \approx 5 \times 10^{14}$ Hz), energi per foton sekitar $3{,}3 \times 10^{-19}$ J $\approx 2$ eV.

Intensitas dan amplitudo

Sementara energi per foton bergantung frekuensi, intensitas total cahaya bergantung amplitudo medan listrik dan jumlah foton per detik. Makin besar amplitudo, makin banyak energi yang dibawa per satuan luas. Hubungannya kuadratik.

$I = \frac{1}{2} c \varepsilon_0 E_0^2$

Arti tiap simbol: $I$ = intensitas rata-rata (W/m²), $c$ = cepat rambat cahaya, $\varepsilon_0$ = permitivitas vakum $\approx 8{,}85 \times 10^{-12}$ F/m, $E_0$ = amplitudo puncak medan listrik (V/m). Intensitas sebanding kuadrat amplitudo.

Grafik di bawah memperlihatkan kurva $I \propto E_0^2$ . Geser slider amplitudo dan amati intensitas naik kuadratik — dua kali amplitudo berarti empat kali intensitas.

Sifat dan energi gelombang elektromagnetik termasuk cakupan TKA Fisika, elemen gelombang (kerangka TKA 045/H/AN/2025, sub-elemen “karakteristik GEM”). Soal sering menguji: (1) GEM transversal dengan E dan B tegak lurus, (2) hitung energi foton $E = hf$ , (3) hubungan intensitas dengan jarak ( $1/r^2$ ) atau amplitudo ( $E_0^2$ ). Jebakan klasik: mengira GEM butuh medium seperti bunyi, atau mengira intensitas sebanding amplitudo (bukan kuadratnya).

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah lampu natrium memancarkan cahaya kuning pada panjang gelombang $589$ nm. (a) Berapa energi satu fotonnya dalam joule? (b) Berapa dalam eV? ( $h = 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s, $c = 3{,}0 \times 10^8$ m/s, $1$ eV $= 1{,}6 \times 10^{-19}$ J.)

$E = hc/\lambda$ . Konversi: $\lambda = 589$ nm $= 5{,}89 \times 10^{-7}$ m.

$E = \dfrac{(6{,}626 \times 10^{-34})(3{,}0 \times 10^8)}{5{,}89 \times 10^{-7}} = \dfrac{1{,}988 \times 10^{-25}}{5{,}89 \times 10^{-7}} \approx 3{,}37 \times 10^{-19}$ J.

$E = \dfrac{3{,}37 \times 10^{-19}}{1{,}6 \times 10^{-19}} \approx 2{,}11$ eV. Jadi tiap foton cahaya kuning natrium berenergi sekitar $2{,}1$ eV — di pita cahaya tampak, di bawah ambang pengionisasi 10 eV. Itulah sebabnya lampu natrium aman, tidak mengionisasi atom.

Jebakan: mengira gelombang elektromagnetik butuh medium seperti gelombang bunyi. Yang benar: GEM merambat tanpa medium karena medan listrik dan medan magnet saling membangkitkan — inilah sebabnya cahaya matahari bisa menembus vakum luar angkasa, sedangkan bunyi tidak.

Jebakan: mengira intensitas sebanding dengan amplitudo medan listrik. Yang benar: intensitas sebanding dengan kuadrat amplitudo, $I \propto E_0^2$ . Menggandakan amplitudo menggandakan energi empat kali lipat, bukan dua kali.

Jebakan: keliru menyamakan energi per foton dengan intensitas total. Yang benar: energi per foton ( $E = hf$ ) bergantung frekuensi saja, sedangkan intensitas total juga bergantung jumlah foton per detik (amplitudo). Cahaya merah terang (banyak foton) bisa berintensitas tinggi meski energi per foton kecil.

GEM = getaran medan listrik E dan medan magnet B yang saling tegak lurus dan tegak lurus arah rambat.
GEM merambat tanpa medium dengan $c = 3 \times 10^8$ m/s.
Intensitas dari sumber titik: $I = P/(4\pi r^2)$ (kuadrat terbalik jarak).
Energi satu foton: $E = hf = hc/\lambda$ , dengan $h = 6{,}626 \times 10^{-34}$ J·s.
Intensitas sebanding kuadrat amplitudo medan listrik: $I \propto E_0^2$ .