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

• Muatan atomik Max Planck (1858-1947)

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

SOME EXAMPLES :

INTERFERENSI GELOMBANG

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.

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.

POLARISASI CAHAYA

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 kedua tidak merubah warna berkas sinarnya.

Elektrostatik

Dr. rer.nat. Wiwit Suryanto

PENDAHULUAN

• Di abad ke-19, ilmuwan banyak mengeksplorasi sifat-sifat fisik 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 electricity”)

ELEKTRIFIKASI MELALUI GESEKANKata 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 gravitasi.

• Dua tongkat kaca yang digesek pada kain sutra akan tolak menolak.

• Tongkat resin (atau karet, amber) yang digesekkan pada baju sutra. Tongkat tsb akan tarik menarik dgn sutra, namun tolak menolak dengan tongkat kaca

• Dua tongkat resin digesek pada sutra, ternyata tongkat resin tersebut akan tolak menolak

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

EKSP

ERIM

EN

HASIL

• Dua benda yang netral dapat saling mengisi muatan dengan cara gesekan, namun harus dengan muatan yang berlawanan

• Hanya terdapat dua jenis muatan yang dapat berinteraksi, positif (+) dan negatif (-). Muatan positif terdapat pada kaca yang digesek dengan sutra, muatan negatif terdapat pada resin yang digesek pada sutra (atau bulu)

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 menyamai massa total atom tersebut dengan diameter 10-14m), dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif dengan jarak yang relatif jauh(10-10m). 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 menjadi dua jenis

Material yang dapat menahan muatan ketika diletakkan ke suatu tempat dimana muatan berada sebelumnya

Material yang, ketika diletakkan pada material lain yang bermuatan akan saling tolak menolak, dan mengalirkan serta mendistribusikan semua muatan yang ada, dimanapun material tersebut diletakkan

INSULATOR KONDUKTOR

Kaca Bulu Resin Sutra Metal Grafit

INSULATOR DAN KONDUKTOR (CONTD.)

Nonkonduktor yang didekatkan pada benda bermuatan.

ELEKTROSKOP

Leaf Electroscope

Mengisi muatan elektroskop

HUKUM COULOMB UNTUK ELEKTROSTATIS

𝑭=𝒌𝒆𝒒𝟏𝒒𝟐

𝒓𝟐

Dengan,F Gaya tarik menarik/tolak menolakke Koefisien proporsionalitas (tergantung medium)q1 , q2 Muatan relatif untuk benda 1 dan benda 2r2 Jarak kedua benda

MEDAN ELEKTROSTATIS

Vektor gaya listrik dari benda bermuatan listrik sederhana. Di sekitar benda bermuatan positif

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

𝐸𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑃=𝑔𝑎𝑦𝑎𝐹 h𝑜𝑙𝑒 𝑚𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑓 𝑞𝑝𝑎𝑑𝑎𝑃

𝑞

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 menggambarkan arah gayanya saja, bukan besarnya.

BEDA POTENSIAL (V)Kualitatif Kuantitatif

Beda potensial VAB antara dua titik A dan B adalah perbandingan yang didapatkan ketika muatan positif q berpindah dari B ke A dibagi dengan besar besar muatan q. Secara definisi 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, bumi digunakan sbg titik referensi (benda besar dan tak bermuatan)

𝑉 𝐴𝐵=𝑘𝑒 (𝑄 /𝑟 𝐴 )−𝑘𝑒(𝑄/𝑟 𝑏)

𝑉 𝐴=𝑘𝑒 (𝑄 /𝑟 𝐴 )

PENGGUNAAN KONSEP POTENSIAL𝑽 𝑨=𝒌𝒆 (𝑸 /𝒓 𝑨 )

• Jika tanda (jenis) muatan Q diikutsertakan dalam perhitungan, VA akan muncul dalam tanda + atau – yang benar.

• Dikarenakan satuan ke adalah N-m2/coulomb2, satuan VA adalah N-m/coulomb. Hal ini konsisten pada pernyataan sebelumnya dimana dinyatakan beda potensial memiliki satuan joules/coul, karena 1 joule = 1 N-m

• 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 terletak tepat di permukaan bola tersebut, dalam kasus ini, potensial dari bola, VS, adalah perbandingan antara muatannya dengan jari-jarinya rS, yaitu VS=keQ/rS.

PENGGUNAAN KONSEP POTENSIAL (CONTD.)𝑽 𝑨=𝒌𝒆 (𝑸 /𝒓 𝑨 )

• Kita dapat dengan mudah menentukan energi potensial dari sebuah titik muatan q pada jarak rA dari sebuah titik muatan Q.

• Kita tahu bahwa gaya listrik FE pada muatan diantara dua plat yang sama namun berlawanan muatan adalah konstan (gambar di atas). Konsekwensinya, intensitas elektrisitas E juga konstan.

karena FE/q=E, maka:

𝑃𝐸=(𝑘¿¿𝑒 (𝑄 /𝑟 𝐴 ))×𝑞¿

𝐹𝐸×𝑠=𝑉 ×𝑞

/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/fisika. 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:

𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑙𝑒𝑝𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑑𝑎(𝑔)=𝑚𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔𝑑𝑖𝑙𝑒𝑤𝑎𝑡𝑘𝑎𝑛 (𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏)

96500 (𝑐𝑜𝑢𝑙𝑔 −𝑎𝑡 .𝑤𝑡 )× 𝑎𝑡 .𝑤𝑡𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

MUATAN ATOMIK

𝒆=𝟗𝟔𝟓𝟎𝟎 /𝑵

Dengan,e Muatan dalam coulomb/electron96500 Konstanta, usaha yang dibutuhkan untuk mengelektrolisis 1 mol dengan elemen monovalensi dalam coulomb/molN Jumlah atom tiap molnya

REFERENSI