Energi elektromagnetik akrab bagi kebanyakan orang sebagai cahaya dan panas, tetapi dapat mengambil banyak bentuk lain, seperti gelombang radio dan sinar-X. Ini semua adalah jenis radiasi yang berasal dari gaya elektromagnetik, yang bertanggung jawab untuk semua fenomena listrik dan magnet. Radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya dengan cara yang menyerupai gelombang.
Tidak seperti gelombang suara, gelombang elektromagnetik tidak memerlukan media untuk bergerak dan dapat merambat melintasi ruang kosong. Panjang gelombang dapat bervariasi dari ratusan yard (meter) hingga skala subatomik. Rentang panjang gelombang penuh dikenal sebagai spektrum elektromagnetik, di mana cahaya tampak hanya membentuk sebagian kecil. Terlepas dari karakter radiasi elektromagnetik (EMR) seperti gelombang yang diamati, ia juga dapat berperilaku seolah-olah terdiri dari partikel kecil, yang dikenal sebagai foton.
Cahaya, Listrik, dan Magnetisme
Hubungan antara cahaya dan elektromagnetisme terungkap pada abad ke-19 oleh karya fisikawan James Clerk Maxwell tentang medan listrik dan magnet. Dengan menggunakan persamaan yang dia kembangkan, dia menemukan bahwa kecepatan medan bergerak melalui ruang sama persis dengan kecepatan cahaya dan menyimpulkan bahwa cahaya adalah gangguan medan ini, yang merambat dalam bentuk gelombang. Persamaannya juga menunjukkan bahwa bentuk lain dari EMR dengan panjang gelombang yang lebih panjang dan lebih pendek adalah mungkin; ini kemudian diidentifikasi. Temuan Maxwell memunculkan studi elektrodinamika, yang menurutnya EMR terdiri dari medan listrik dan magnet yang berosilasi pada sudut kanan satu sama lain dan ke arah gerak. Ini menjelaskan sifat gelombang seperti cahaya, seperti yang diamati dalam banyak percobaan.
Panjang gelombang, Frekuensi dan Energi
Radiasi elektromagnetik dapat digambarkan dalam panjang gelombangnya — jarak antara puncak gelombang — atau frekuensinya — jumlah puncak yang melewati suatu titik tetap selama interval waktu yang tetap. Saat bergerak melalui ruang hampa, EMR selalu bergerak dengan kecepatan cahaya; oleh karena itu, laju di mana puncak perjalanan tidak bervariasi dan frekuensi hanya bergantung pada panjang gelombang. Panjang gelombang yang lebih pendek menunjukkan frekuensi yang lebih tinggi dan energi yang lebih tinggi. Ini berarti bahwa sinar gamma energi tinggi tidak bergerak lebih cepat daripada gelombang radio energi rendah; sebaliknya, mereka memiliki panjang gelombang yang jauh lebih pendek dan frekuensi yang jauh lebih tinggi.
Dualitas Gelombang-Partikel
Elektrodinamika sangat berhasil dalam menggambarkan energi elektromagnetik dalam bentuk medan dan gelombang, tetapi pada awal abad ke-20, penyelidikan Albert Einstein tentang efek fotolistrik, di mana cahaya melepaskan elektron dari permukaan logam, menimbulkan masalah. Dia menemukan bahwa energi elektron sepenuhnya bergantung pada frekuensi, dan bukan intensitas, dari cahaya. Peningkatan frekuensi menghasilkan elektron energi yang lebih tinggi, tetapi peningkatan kecerahan tidak membuat perbedaan. Hasilnya hanya dapat dijelaskan jika cahaya terdiri dari partikel-partikel diskrit — yang kemudian dinamai foton — yang mentransfer energinya ke elektron. Ini menciptakan teka-teki: diamati dalam skala besar, EMR berperilaku sebagai gelombang, tetapi interaksinya dengan materi pada skala terkecil hanya dapat dijelaskan dalam bentuk partikel.
Ini dikenal sebagai dualitas gelombang-partikel. Itu muncul selama pengembangan teori kuantum dan berlaku untuk segala sesuatu pada skala subatomik; elektron, misalnya, dapat berperilaku sebagai gelombang dan juga partikel. Tidak ada konsensus menyeluruh di antara para ilmuwan mengenai apa arti sebenarnya dari dualitas ini tentang sifat energi elektromagnetik.
Elektrodinamika kuantum
Sebuah teori baru, yang dikenal sebagai elektrodinamika kuantum (QED), akhirnya muncul untuk menjelaskan perilaku seperti partikel EMR. Menurut QED, foton adalah partikel yang membawa gaya elektromagnetik, dan interaksi benda bermuatan listrik dijelaskan dalam hal produksi dan penyerapan partikel ini, yang tidak membawa muatan. QED dianggap sebagai salah satu teori paling sukses yang pernah dikembangkan.
Bagaimana Energi Elektromagnetik Dihasilkan
Elektrodinamika klasik menggambarkan produksi ESDM dalam hal pergerakan muatan listrik, tetapi penjelasan yang lebih modern – sejalan dengan teori kuantum – didasarkan pada gagasan bahwa partikel subatom yang terdiri dari materi hanya dapat menempati tingkat energi tetap tertentu. Radiasi elektromagnetik dilepaskan oleh perubahan dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah. Dibiarkan sendiri, materi akan selalu berusaha mencapai tingkat energi terendahnya.
EMR dapat dihasilkan ketika materi menyerap energi untuk sementara — misalnya, ketika dipanaskan — kemudian melepaskannya untuk turun ke tingkat yang lebih rendah. Keadaan energi yang lebih rendah juga dapat dicapai ketika atom atau molekul bergabung satu sama lain dalam reaksi kimia. Pembakaran adalah contoh yang umum: biasanya, sebuah molekul bergabung dengan oksigen dari udara, membentuk produk yang secara kolektif memiliki energi lebih sedikit daripada molekul aslinya. Hal ini menyebabkan energi elektromagnetik dilepaskan dalam bentuk nyala api.
Di inti Matahari, empat inti hidrogen bergabung, dalam serangkaian langkah, untuk membentuk inti helium yang memiliki massa sedikit lebih kecil, dan oleh karena itu lebih sedikit energi. Proses ini dikenal sebagai fusi nuklir. Kelebihan energi dilepaskan sebagai sinar gamma frekuensi tinggi yang diserap oleh materi lebih jauh, yang kemudian memancarkan energi ini, sebagian besar dalam bentuk cahaya tampak dan panas.
Energi Elektromagnetik, Kehidupan, dan Teknologi
Energi dari Matahari sangat penting untuk kehidupan di Bumi. Sinar matahari memanaskan permukaan bumi, yang pada gilirannya memanaskan atmosfer, mempertahankan suhu yang sesuai untuk kehidupan dan menggerakkan sistem cuaca planet ini. Tumbuhan memanfaatkan energi elektromagnetik Matahari untuk fotosintesis, metode yang digunakan untuk menghasilkan makanan. Energi matahari diubah menjadi energi kimia yang menggerakkan proses yang memungkinkan tanaman membuat glukosa yang mereka butuhkan untuk bertahan hidup dari karbon dioksida dan air. Produk sampingan dari reaksi ini adalah oksigen, jadi fotosintesis bertanggung jawab untuk menjaga tingkat oksigen di planet ini.
Sebagian besar bentuk teknologi sangat bergantung pada energi elektromagnetik. Revolusi Industri ditenagai oleh panas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar fosil, dan baru-baru ini, radiasi matahari telah digunakan secara langsung untuk menyediakan tenaga “bersih” dan terbarukan. Komunikasi modern, penyiaran, dan Internet sangat bergantung pada gelombang radio dan cahaya yang disalurkan melalui kabel serat optik. Teknologi laser menggunakan cahaya untuk membaca dan menulis ke CD dan DVD. Sebagian besar dari apa yang para ilmuwan ketahui tentang alam semesta berasal dari analisis EMR dari berbagai panjang gelombang dari bintang dan galaksi yang jauh.
Efek pada Kesehatan
EMR frekuensi tinggi, seperti sinar gamma, sinar-X, dan sinar ultraviolet, membawa energi yang cukup untuk menyebabkan perubahan kimia dalam molekul biologis. Ini dapat memutuskan ikatan kimia atau menghilangkan elektron dari atom, membentuk ion. Ini dapat merusak sel dan mengubah DNA, meningkatkan risiko kanker. Kekhawatiran juga telah diungkapkan tentang efek kesehatan dari EMR frekuensi rendah, seperti gelombang radio dan gelombang mikro yang digunakan oleh ponsel dan perangkat komunikasi lainnya. Meskipun bentuk radiasi ini tampaknya tidak memiliki efek langsung pada kimia kehidupan, mereka dapat menyebabkan jaringan menjadi panas di area lokal dengan paparan yang lama. Sejauh ini, tampaknya tidak ada bukti konklusif bahwa ini dapat membuat orang sakit.