APLIKASI GELOMBANG DALAM SAINS DAN TEKNOLOGI

Siti Paridah Bt Juhari

Jabatan Kejuruteraan Elektrik

Politeknik Merlimau, Melaka

1.0 PENGENALAN KEPADA GELOMBANG

Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal bagi sesebuah gelombang adalah

mengikuti gerak sinusoide. Terdapat beberapa jenis gelombang seperti gelombang

elektromagnet, gelombang graviti, gelombang bunyi, gelombang air, gelombang infra merah

dan gelombang sinar-x. Gelombang juga terdapat pada medium di mana ia dapat bergerak

dan dapat memindahkan tenaga dari satu tempat ke tempat yang lain. Gelombang

mempunyai panjang yang menentukan frekuensi. Panjang gelombang boleh diilustrasikan

seperti rajah 1.0. Rajah 1.0 menunjukkan gelombang air laut yang sedang mendekati pantai.

Panjang gelombang akan berubah apabila semakin dekat dengan pantai.

Rajah 1.0 : Ilustrasi Panjang Gelombang

Rajah 1.1 : Ilustrasi Pergerakan Gelombang

2.0 GELOMBANG MELINTANG DAN GELOMBANG MEMBUJUR

Gelombang melintang ialah gelombang yang menyebabkan zarah-zarah medium bergetar

berserenjang dengan arah gerakan gelombang. Gelombang membujur pula menyebabkan

getaran zarah-zarah medium selari dengan arah gerakan gelombang. Gelombang mempunyai

ciri tertentu seperti amplitud yang memberikan kekuatan gelombang, panjang gelombang dan

tempoh yang akan memberikan maklumat berkenaan frekuensi dan halaju gelombang. Rajah

2.0 memberikan gambaran mengenai ciri-ciri sesebuah gelombang.

Rajah 2.0 : Ciri-ciri sebuah gelombang

• Amplitud, ialah jarak maksimum/minimum dari keseimbangan;

• Tempoh, ialah masa yang diperlukan untuk satu kitaran lengkap;

• Panjang gelombang, ialah jarak diantara puncak atau lurah gelombang; dan

• Laju gelombang pula ialah hasil darab frekuensi dan panjang gelombang.

(1)

Nombor gelombang, pula:

(2)

Frekuensi, (dalam hertz) ialah tempoh per unit masa:

(3)

dan frekuensi sudutnya ialah:

(4)

2.1 Gelombang bentuk sinus

Persamaan gelombang bentuk sinus bergerak ke arah positif x dalam paksi xy ialah:

(5)

Manakala bagi gerakan gelombang ke arah negatif x ialah:

(6)

2.2 Halaju dan Pecutan Zarah bagi Gelombang Bentuk Sinus

Halaju zarah-zarah (Bukan Laju Gelombang)dalam gelombang bentuk sinus ialah:

(7)

manakala pecutannya ialah:

(8)

2.3 Persamaan gelombang

Persamaan gelombang ialah persamaan pembezaan yang menyentuh sifat-sifat fizikal

gelombang yang melalui suatu medium. Kerana tidak semua gelombang berbentuk sinus,

maka persamaan am gelombang ialah:

(9)

3.0 GELOMBANG EELEKTROMAGNET

Gelombang elektromagnetik pada awalnya diramal oleh James Clerk Maxwell dan

kemudiannya disahkan oleh Heinrich Hertz. Maxwell menghasilkan persamaan bentuk

gelombang magnetik dan elektrik, mendedahkan sifat semula jadi seperti gelombang medan

elektrik dan magnetik, dan bentuk simetrinya. Disebabkan kepantasan gelombang EM

diramal oleh persamaan gelombang menyamai dengan kelajuan cahaya yang diukur,

Maxwell merumuskan bahawa cahaya itu sendiri adalah gelombang EM.

Menurut persamaan Maxwell, medan elektrik berbeza masa menghasilkan medan magnetik

dan sebaliknya. Dengan itu, sebagai medan elektrik berayun menghasilkan medan elektrik

berayun, medan magnetik sebaliknya menghasilkan medan elektrik berayun dan seterusnya.

Ayunan medan ini bersama-sama menghasilkan gelombang elektromagnet.

Teori kuantum, berkenaan interaksi antara radiasi elektromagnetik dan jisim seperti elektron

digambarkan oleh teori elektrodinamik kuantum.

Rajah 3.0 : Gelombang Elektromagnet

Gelombang elektromagnetik boleh dibayangkan sebagai gelombang berayun melintang

menerus sendiri (self-propagating) yang terdiri dari medan magnet dan elektrik. Gambarajah

ini menunjukkan laras melintang gelombang mengutub bergerak dari kiri ke kanan.

Sinaran elektromagnet (electromagnetic radiation atau EM radiation) merupakan

gelombang perambatan di angkasa dengan komponen elektrik dan magnet. Komponen ini

berayun pada sudut tepat sesama sendiri pada arah perambatan; dan dengan berfasa sesama

sendiri. Radiasi elektromagnetik dikelaskan menurut jenis menurut frekuensi gelombang:

jenis ini termasuk, kadar peningkatan frekuensi, gelombang radio, mikrogelombang,

sinaranan terahertz, sinaran inframerah, cahaya nampak, sinaran ultraungu, sinar-X dan sinar

gamma. Dalam sesetengah konteks keseluruhan julat dirujuk hanya sebagai 'cahaya'. Radiasi

EM membawa tenaga dan momentum, yang boleh dipindahkan apabila ia berinteraksi

dengan jisim.

3.1 Ciri-ciri Gelombang Elektromagnet

Gelombang elektromagnet mempunyai ciri-ciri yang tersendiri. Diantara ciri-ciri

gelombang elektromagnet adalah:

• Gelombang sinaran elektromagnet dihasilkan oleh pergerakan zarah bercas (elektrik).

• Gelombang ini digelar “sinaran elektromagnet" kerana mereka memancar dari zarah

bercas. Mereka bergerak melalui ruang kosong dan juga menerusi udara & bahan-bahan

lain.

• Ahli sains mendapati bahawa sinaran elektromagnet mempunyai dwi-“sifat” (sifat

penduaan). Selain dari bertindak sebagai gelombang, ia juga bertindak selaku aliran zarah

(digelar "foton") yang tidak berjisim.

• Foton dengan tenaga paling tinggi adalah berkaitan dengan panjang gelombang paling

pendek.

• Julat sepenuhnya panjang gelombang (& tenaga foton) digelar “spektrum elektromagnet”.

• Pancaran sinaran elektromagnet ialah satu gelombang merambat di dalam ruang dengan

juzuk elektrik & magnet. Juzuk ini berayun pada sudut tepat di antara satu dengan yang

lain & dengan arah perambatan (propagation).

• Istilah pancaran sinaran elektromagnet juga digunakan sebagai satu sinonim untuk

gelombang sinaran elektromagnet secara am, walaupun mereka tidak memancar atau

bergerak bebas di dalam ruang. Contoh: cahaya bergerak menerusi serat optik, atau

tenaga elektrik bergerak di dalam kabel sepaksi.

• Pancaran sinaran elektromagnet membawa tenaga & momentum yang boleh dilepaskan

apabila bertindak-balas dengan jirim.

3.2 Sumber Gelombang Elektromagnetik

1. Osilasi listrik.

2. Sinar matahari → menghasilkan sinar infra merah.

3. Lampu merkuri → menghasilkan ultra violet.

3.3 Spektrum elektromagnet

Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang

dan frekuensinya disebut spektrum elektromagnetik. Gambar spectrum elektromagnetik

di bawah disusun berdasarkan panjang gelombang (diukur dalam satuan _m) mencakup

kisaran energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang tinggi dan frekuensi

rendah, seperti gelombang radio sampai ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang

gelombang rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan Gamma Ray.

Rajah 3.1 : Gambarajah Spektrum Elektomagnet

Rajah 3.2 : Gambarajah Spektrum Elektomagnet mengikut pengkelasan

3.4 Aplikasi Gelombang Elektromagnetik

Gelombang Radio

Gelombang radio dikelaskan menurut panjang gelombang atau frekuensinya. Jika

panjang gelombang tinggi, maka frekuensinya menjadi rendah dan sebaliknya. Frekuensi

gelombang radio bermula dari 30 kHz ke atas dan dikelaskan berdasarkan lebar

frekuensinya. Gelombang radio dihasilkan oleh osilasi listrik yang dipercepat melalui

talian penghantaran. Gelombang radio ini dipancarkan dari antena dan diterima oleh

antena pula. Gelombang ini perlu dimodulasi oleh penerima radio dan ditukar daripada

gelombang radio menjadi gelombang bunyi.

Gelombang Mikro

Gelombang mikro (mikrowaves) adalah gelombang radio dengan frekuensi paling tinggi

iaitu diatas 3 GHz. Jika gelombang mikro diserap oleh sebuah objek, maka akan muncul

kesan pemanasan pada objek tersebut. Jika makanan menyerap radiasi gelombang mikro,

maka makanan menjadi panas dalam selang waktu yang sangat singkat. Proses inilah

yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat.

Rajah 3.3 : Penggunaan Gelombang Mikro pada Ketuhar

Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada pesawat RADAR (Radio Detection and

Ranging) RADAR berarti mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan

menggunakan gelombang mikro. Pesawat radar memanfaatkan sifat pemantulan

gelombang mikro. Oleh kerana kepantasan perambatan glombang elektromagnetik c = 3

X 108 m/s, maka dengan mengamati selang waktu antara pemancaran dengan

penerimaan, sesebuah objek dapat dikesan oleh radar.

Gelombang ini juga sangat luas penggunaanya dalam bidang telekomunikasi.

Rajah 3.4 : Penggunaan Gelombang Mikro dalam bidang telekomunikasi

Sinar Inframerah

Sinar inframerah meliputi julat frekuensi 1011Hz hingga 1014 Hz atau julat panjang

gelombang 10-4

cm hingga 10-1

cm. Jika spektrum yang dihasilkan oleh sebuah lampu

pijar dengan detektor yang dihubungkan pada miliampermeter, maka jarum ampermeter

sedikit diatas ujung spektrum merah. Sinar ini tidak dapat dilihat tetapi dapat dikesan di

atas spektrum merah dan ini dikenali sebagai radiasi inframerah.

Sinar infamerah dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena

benda diipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar inframerah. Jumlah

sinar inframerah yang dipancarkan bergantung pada suhu dan warna benda.

Rajah 3.5 : Penggunaan Gelombang inframerah pada bar kod

Cahaya Tampak

Cahaya tampak sebagai radiasi elektromagnetik dapat didefinisikan sebagai sebahagian

dari spektrum gelombang elektromagnetik yang dapat dikesan oleh mata manusia.

Panjang gelombang tampak bergantung kepada warnanya bermula dari panjang

gelombang kira-kira 4 x 10-7

m untuk cahaya violet (ungu) sampai 7x 10-7

m untuk

cahaya merah. Kegunaan cahaya salah satunya adalah penggunaan laser dalam serat optik

pada bidang telekomunikasi dan bidang perubatan.

Sinar Ultraviolet

Sinar ultraviolet mempunyai frekuensi dalam julat 1015 Hz hingga 1016 Hz atau dalam

julat panjang gelombang 10-8

m 10-7

m. Matahari adalah sumber utama yang

memancarkan sinar ultraviolet dipermukaan bumi, lapisan ozon yang ada dalam lapisan

atas atmosfera yang berfungsi menyerap sinar ultraviolet dan meneruskan sinar

ultraviolet yang tidak membahayakan kehidupan makluk hidup di bumi.

Sinar X

Sinar X mempunyai daya tembus kuat, dapat menembus buku tebal, kayu tebal beberapa

sentimeter dan pelat aluminium setebal 1 cm.

Sinar Gamma

Sinar gamma juga mempunyai daya tembus paling besar, yang menyebabkan kesan yang

serius jika diserap oleh jaringan tubuh.

4.0 KESIMPULAN

Gelombang adalah suatu fenomena yang alami dan mempunyai banyak kegunaan untuk

kebaikan dan kemakmuran manusia. Ciri-ciri yang ada padanya telah memudahkan

manusia dalam urusan komunikasi dan perubatan. Namun, ia juga boleh mendatangkan

kerosakkan apabila digunakan secara yang tidak berhemah.