Cahaya, menurut Teori Gelombang

  

Cahaya, menurut Teori Gelombang

  Wiwit Suryanto

ISI KULIAH

• Teori-teori refraksi dan kecepatan cahaya
• Perambatan gelombang periodik
• Teori Gelombang Young dan Frensnel •

  Warna

• Elektrostatik •

  Elektrifikasi oleh gesekan

• Model terkini dari elektrifikasi
• Insulator dan Konduktor
• Elektroskop
• Hukum Coulomb untuk elektrostatik
• Medan elektrostatik
• Garis-garis gaya
• Beda potensial listrik
• Pemakaian konsep potensial
• Elektrokimia

  Max Planck (1858-1947)

• Muatan atomik

KONSEP REFRAKSI (DESCARTES)

• Pada tahun 1637, Rene Descartes dalam bukunya Optics

  menyatakan bahwa perambatan cahaya mirip dengan perambatan impuls mekanik pada tongkat yang digunakan orang buta mengetahui obyek didepannya.
• Bola tenis digunakan untuk menggambarkan konsep pemantuan/pembiasan

KONSEP REFRAKSI (HUYGENS)

• Huygens dalam bukunya Treatise on Light (1690)

KONSEP REFRAKSI

• Cahaya merambat dengan kecepatan berhingga

PERAMBATAN GELOMBANG PERIODIK

  Perambatan gelombang transversal pada tali Perambatan gelombang bunyi di udara

INTERFERENSI GELOMBANG

  Interferensi dari dua gelombang yang sama namun bergerak ke arah berlawanan, menghasilkan gelombang baru

  SOME EXAMPLES :

TEORI GELOMBANG OLEH YOUNG DAN FRESNEL

  Gambar asli Thomas Young menunjukkan efek interferensi yang akan nampak dari celah sempit A dan B yang saling overlap. (Tempatkan mata di dekat ujung kiri gambar, dan lihat yang terjadi!) Pada sebelah kanan gambar, tidak ada sinar yang diterima dimana gelombang dari celah A berinterferensi destruktif dengan gelombang dari celah B. Perhatikan bahwa di tempat tersebut, muka gelombang (ditunjukkan berbentuk busur lingkaran) dari celahA jatuh tepat diantara muka gelombang dari celah B.

POISSON BRIGHT SPOT

  (a) (b)

  Poisson Bright Spot hasil experimen (a) dan hasil perhitungan komputer (b) menunjukkan pola difraksi akibat adanya penghalang kecil berbentuk lingkaran di tengah.

POLARISASI CAHAYA

  Berkas cahaya yang belum terpolarisasi (getaran ke semua arah pada bidang yang tegak lurus dengan arah penjalaran) melewati kristal (tourmaline contohnya), yang mana akan menghilangkan komponen horisontal dati getaran, dan hanya menyisakan komponen vertikalnya.

  WARNA

  Salah satu eksperimen Newton yang sangat penting adalah eksperimen yang menunjukkan bahwa cahaya putih terdiri dari berbagai macam berkas warna. Sinar matahari yang dilewatkan melalui lubang F kemudian melewati prisma ABS, berkas yang terrefraksikan menghasilkan banyak spektrum warna di papan DE. Salah satu berkas warnanya kemudian dilewatkan melalui lubang kecil di papan DE kemudian mengenai papan de, yang kemudian direfraksikan oleh prisma kedua (abc) dan mengenai tembok dan menghasilkan NM. Newton mendapatkan hasil bahwa refraksi

  Elektrostatik

  Dr. rer.nat. Wiwit Suryanto

  PENDAHULUAN

• Di abad ke-19, ilmuwan banyak mengeksplorasi sifat-sifat fsik atom (gaya mekanik, momentum, energi kinetik, tabrakan elastis, dll)
• Setelah elektron ditemukan, di abad ke-

  20, para ilmuwan mulai beralih untuk meneliti mengenai muatan, potensial listrik dan medan listrik.

• Menengok sejarah perkembangan ilmu listrik statis, Benyamin Franklin (1706- 1790) adalah ilmuwan Amerika yang mendalami fenomena kelistrikan (penangkal petir adl salah satu temuannya).
• Di Philadelphia, Franklin membuat klub debat, yang nantinya menjadi American

  Philoshophical Society

• Franklin juga membantu mendirikan

  Universitas Pennsylvania (dimana, Franklin dikenal sebagai “the Newton of

ELEKTRIFIKASI MELALUI GESEKAN

  Kata electricity berasal dari bahasa Yunani, electron (berarti amber), yang pada masa Yunani, ketika batu amber digesekkan pada pakaian akan menimbulkan listrik statis.

  Tongkat kaca yang digesekkan • dengan kain sutra, akan saling menarik tanpa pengaruh gaya

• Dua benda yang netral dapat saling gravitasi.

  mengisi muatan dengan cara Dua tongkat kaca yang digesek • N gesekan, namun harus dengan pada kain sutra akan tolak menolak.

  E muatan yang berlawanan

• Tongkat resin (atau karet, amber)

  IM

• Hanya terdapat dua jenis muatan yang digesekkan pada baju sutra.

  

HASIL

  HASIL

  R yang dapat berinteraksi, positif (+) Tongkat tsb akan tarik menarik dgn

  E dan negatif (-). Muatan positif

  P sutra, namun tolak menolak dengan

  S terdapat pada kaca yang digesek tongkat kaca

  K dengan sutra, muatan negatif Dua tongkat resin digesek pada

• terdapat pada resin yang digesek sutra, ternyata tongkat resin pada sutra (atau bulu) tersebut akan tolak menolak

  E

• Eksperimen lebih lanjut, tidak ada yang menunjukkan kain sutra ditolak oleh material yang baru saja digesekkan (diberi muatan), dan

HUKUM KONSERVASI MUATAN

  Hukum konservasi muatan (“conservation of charge”) menyatakan bahwa muatan listrik hanya bisa didapatkan oleh pasangan muatan positif dan negatif yang sama besarnya.

MODEL TERKINI DARI ELEKTROFIKASI

  Semua benda, baik padat, cair maupun gas adalah atomik pada struktur dasarnya. Tiap atomnya, pada umumnya dapat kita anggap bermuatan netral, namun sebenarnya atom sendiri tersusun dari inti yang sangat positif muatannya (sebagai pusat atom yang hampir

• 14

  menyamai massa total atom tersebut dengan diameter 10 m), dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif dengan jarak yang relatif jauh

• 10

  (10 m). Semua elektron adalah sama, dan sangat ringan dibanding dengan inti atom.

MODEL TERKINI DARI ELEKTROFIKASI (CONTD.)

  Sifat netral dari atom adalah konsekwensi dari keseimbangan muatan positif (dari inti atom) dan muatan negatif (dari elektron). Ketika elektron sedemikian sehingga terlepas dari atom asalnya, atom tersebut akan kekurangan muatan negatif elektron, atom tersebut yang dinamakan ion positif. Elektron yang terpisah, disebut elektron bebas; dan pada suatu waktu elektron bebas dapat tergabung dengan atom bermuatan netral, dan akan menjadikannya ion negatif.

INSULATOR DAN KONDUKTOR

  Melalui eksperimen, material dapat dibedakan Melalui eksperimen, material dapat dibedakan menjadi dua jenis menjadi dua jenis

  Material yang, ketika diletakkan

  Material yang dapat menahan

  Material yang, ketika diletakkan

  Material yang dapat menahan

  pada material lain yang bermuatan

  muatan ketika diletakkan ke pada material lain yang bermuatan muatan ketika diletakkan ke

  akan saling tolak menolak, dan akan saling tolak menolak, dan

  suatu tempat dimana muatan suatu tempat dimana muatan

  mengalirkan serta mengalirkan serta

  berada sebelumnya berada sebelumnya

  mendistribusikan semua muatan mendistribusikan semua muatan yang ada, dimanapun material yang ada, dimanapun material tersebut diletakkan tersebut diletakkan

  INSULATOR KONDUKTOR

  INSULATOR KONDUKTOR

  Kaca Bulu Resin Sutra Metal Graft

INSULATOR DAN KONDUKTOR (CONTD.)

  Nonkonduktor yang didekatkan pada benda bermuatan.

  ELEKTROSKOP

  Leaf Electroscope

  Mengisi muatan elektroskop

HUKUM COULOMB UNTUK ELEKTROSTATIS

  � � � �

   

  � =� � �

  �

  Dengan, F

  Gaya tarik menarik/tolak menolak k _e Koefsien proporsionalitas (tergantung medium) q , q _{1 2 Muatan relatif untuk benda 1 dan benda 2}

MEDAN ELEKTROSTATIS

  Vektor gaya listrik dari benda

  ��� ������������� ����� �  

  ������=����� h

  bermuatan listrik sederhana. Di

  �

  sekitar benda bermuatan positif (a), dan di sekitar benda bermuatan berlawanan (b)

  Tiga karakteristik penting dari konsep intensitas kelistrikan (E):

• Magnitudo dari E pada titik P dapat ditentukan dengan melakukan percobaan muatan.
• Arah E pada P, secara konvensi, adalah sama dengan arah gaya pada percobaan muatan positif pada P.
• Satuan dari E adalah satuan dari gaya/muatan, biasanya dalam N/coulomb.

GARIS-GARIS GAYA

  

Garis-garis gaya listrik oleh muatan tunggal (a), dan oleh muatan

berpasangan (b)

  Gambar di atas menunjukkan benda kecil bermuatan positif yang berada pada kondisi yang berbeda. Semua gaya selain gaya listrik diabaikann, dan inersia benda juga diabaikan. Dari situ nampak bahwa arah dari gaya (digambarkan oleh garis dengan anak panah) mengikuti arah gaya yang bekerja pada q di setiap titik sepanjang garis tersebut, dan menurut Faraday, kita dapat menyebut garis ini sebagai garis gaya. Pada setiap titik sepanjang garis, gaya yang bekerja pada q tangensial terhadap garis tersebut, namun garis tersebut hanya

  BEDA POTENSIAL (V) Kualitatif Kuantitat if

  Beda potensial V antara dua titik _AB A dan B adalah perbandingan yang didapatkan ketika muatan

    � = � ( �/� )

  �� � (� /� � ) −� � � positif q berpindah dari B ke A dibagi dengan besar besar muatan q. Secara defnisi 1 joule.coulomb =

  1 volt.

  � = � �/�  

  � � ( � ) Ketika kita membandingkan beda potensial antara A dan B akan lebih mudah daripada menentukan potensial dari A (gambar di atas), karena tidak adanya titik referensi. Karena itu,

PENGGUNAAN KONSEP POTENSIAL

  = �   � �/�

  ( ) � � �

• Jika tanda (jenis) muatan Q diikutsertakan dalam perhitungan, V _A

  akan muncul dalam tanda + atau – yang benar. _{2 2}

• Dikarenakan satuan k adalah N-m /coulomb , satuan V adalah _e
_A N-m/coulomb. Hal ini konsisten pada pernyataan sebelumnya dimana dinyatakan beda potensial memiliki satuan joules/coul, karena 1 joule = >Seperti konsep usaha itu sendiri, potensial adalah besaran skalar, karenanya operasi penambahan sederhanadapat dilakukan untuk menghitung potensial total di setiap titik pada keadaan yang memiliki lebih dari satu titik muatan. Oleh karena itu, sebuah titik yang berada di antara muatan berpasangan yang memiliki jarak yang sama dan muatan yang sama akan memiliki potensial sebesar 0 relatif terhadap bumi (namun gayanya tidak nol!)
• Sesuai dengan penurunan rumusnya, tidak ada batasan seberapa dekat benda (bola) bermuatan dengan titik A. Sebenarnya titik A bisa saja

PENGGUNAAN KONSEP POTENSIAL (CONTD.)

  = �   � �/�

  ( ) � � �

• Kita dapat dengan mudah menentukan energi potensial dari sebuah titik .

  muatan q pada jarak r dari sebuah titik muatan Q _A

  ¿ ��=(� � (�/� ))×�

  �   ¿¿

  Kita tahu bahwa gaya listrik F pada muatan diantara dua plat yang sama • _E namun berlawanan muatan adalah konstan (gambar di atas).

  Konsekwensinya, intensitas elektrisitas E juga konstan.

  � × �=� ×�   �

  karena F /q=E, maka: _E

  /s  

  

ELEKTROKIMIA

  Gambar di atas menunjukkan migrasi ion-ion ke arah elektroda pada proses elektrolisis. Elektrolisis adalah efek arus dekomposisi pada larutan/cairan tertentu. Arus listrik terbukti dapat menjadi alat untuk memisahkan molekul menjadi elemen-elemnnya yang tidak dapat dipisahkan dengan cara kimia/fsika. Gambar di atas menunjukkan proses elektrolisis pada larutan NaCl, dimana sodium (Na) akan menuju ke elektroda negatif, sementara gelembung gas klorida berada pada elektroda positif. Penentuan massa elemen yang dilepaskan pada prose elektrolisis dirumuskan sbb:

  ������ ��������������(�������) . �� ��������  

  ������������������������� �������������(�)= × �� ���������������

  96500( ���� � −�� .��)

MUATAN ATOMIK

    �=�����/�

  Dengan, e Muatan dalam coulomb/electron

  96500 Konstanta, usaha yang dibutuhkan untuk mengelektrolisis 1 mol dengan elemen monovalensi dalam coulomb/mol

  N Jumlah atom tiap molnya