Arus Listrik dan Kerapatan Arus

Arus listrik didefinisikan sebagai laju aliran muatan listrik yang melalui suatu luasan penampang lintang. Arah arus listrik diperjanjikan sebagai arah gerakan muatan positif. Jika pada suatu penampang konduktor lewat muatan positif 10 C ke kanan dan muatan negatif 20 C ke kiri, maka dikatakan pada penampang tersebut lewat muatan positif sebesar 30 C ke kanan. Bentuk sederhana pernyataan matematis dari definisi arus dituliskan sebagai:

i = Q/t

tetapi dengan mempertimbangkan besaran-besaran dalam media transmisi (kawat penghantar) dan besaran-besaran grak lainnya, maka perhatikan suatu konduktor dengan luas penampang A yang dikenai medan listrik E (seperti Gambar 1.). Karena medan listrik E ke arah kanan maka menyebabkan muatan-muatan positif dalam konduktor bergerak ke kanan dengan kecepatan v. Bila dalam selang waktu dt telah mengalir melewati luasan A sejumlah muatan positif sebesar dQ, maka dQ adalah jumlah muatan total yang terdapat di dalam tabung bervolume (A.v.dt), dengan v adalah kecepatan rata-rata partikel pembawa muatan.

Gambar 1. Segmen dari sebuah kawat penghantar arus listrik.

Bila jumlah partikel persatuan volume n, dan muatan tiap-tiap partikel q, maka

dQ = A.v.dt.n.q.

Kuat arus i yang didefinisikan sebagai jumlah muatan positif yang lewat penampang dalam satu satuan waktu adalah:

Bila satuan muatan adalah coulomb, dan satuan waktu adalah detik, maka satuan arus listrik disebut ampere (A). Kalau muatan yang lewat terdiri dari bermacam-macam partikel dengan jumlah partikel persatuan volume, kecepatan, dan muatan yang berlainan, maka

dQ = Adt (n₁v₁ q₁ + n₂ v₂ q₂ + ... ) dan

Rapat arus J didefinisikan sebagai kuat arus i dibagi luas penampang A, yaitu

Hukum Coulomb

Adanya gaya interaksi antara dua buah benda yang bermuatan listrik, terjadi gaya tarik-menarik antara dua buah muatan yang tidak sejenis, begitu juga sebaliknya. Yang menjadi pertanyaan adalah : faktor-faktor apa yang mempengaruhi besar gaya ini?

Seorang fisikawan Perancis Charles Coulomb (1736 – 1806) menyelidiki adanya gaya listrik pada tahun 1780-an dengan menggunakan pengimbang torsi. Walaupun peralatan yang khusus yang mengukur muatan listrik tidak ada pada masa Coulomb, ia menyiapkan bola-bola kecil dengan muatan yang berbeda dan rasio kedua muatan diketahui. Hasil eksperimennya menyimpulkan bahwa:

1. Gaya interaksi antara dua muatan se-banding dengan hasil kali dua muatan.

2. Gaya interaksi antara dua muatan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara ke dua

muatan (Gambar 1)

Gambar 1. Dua buah muatan berjarak R

Secara matematis hasil pengamatan secara eksperimen dapat dinyatakan dengan persamaan :

 dengan k adalah konstanta pembanding yang besarnya (8,988 x 109) N.m2/C2 (biasanya dibulatkan menjadi 9 x 109 N.m2/C2 ).

Gaya F pada hukum Coulomb menyatakan besar gaya listrik yang diberikan masing-masing benda bermuatan kepada yang lainnya, dan hukum ini hanya berlaku untuk muatan yang diam. Arah gaya listrik selalu sepanjang garis yang menghubungkan ke dua benda tersebut. Jika ke dua benda muatannya sejenis, maka gaya pada masing-masing benda berarah menjauhi muatan (tolak-menolak).

Sebaliknya jika ke dua benda muatannya tidak sejenis, maka gaya pada masing-masing benda mempunyai arah menuju benda yang lain (tarik-menarik), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9.

Gambar 2. Arah gaya tergantung jenis muatan (a) sejenis (b) tidak sejenis

Konstanta k seringkali ditulis dalam bentuk besaran yang berhubungan dengan sifat kelis-trikan εo yang disebut dengan permitivitas ruang hampa. Konstanta ini dihubungkan dengan k=1/4πεo. dengan demikian hukum Coulomb dapat dituliskan

Dengan

Gaya listrik, seperti gaya-gaya yang lain adalah besaran vektor. Suatu besaran vektor mempunyai besar dan arah. Akan tetapi hukum Coulomb yang dituliskan dalam persamaan di atas hanya akan memberikan besarnya gaya. Untuk menentukan arah, perlu menggam-bar diagram dan menginterpretasikan hubungan dengan muatan secara hati-hati. Ketika menghitung dengan hukum Coulomb, kita biasanya mengabaikan tanda muatan-muatan dan menentukan arah berdasarkan pada apakah gaya tersebut tarik-menarik atau tolak-menolak.

Sumber : buku - Draf Modul Fisika

Muatan Konduksi dan Induksi

Cara memperoleh muatan listrik adalah dengan cara melebihkan salah satu muatan. Ada dua cara yaitu: (1) cara konduksi dan (2) cara induksi.

Cara Konduksi

Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam logam yang netral akan tertarik menuju logam yang bermuatan positif, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Karena sekarang logam ke dua tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan cara sentuhan, dan akhirnya ke dua benda memiliki muatan dengan tanda yang sama.

Gambar 1. Memberi muatan dengan cara konduksi (a) Batang logam netral (b) Batang logam dimuati dengan cara sentuhan

Cara Induksi

Bila benda bermuatan positif didekatkan pada batang logam yang netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak meninggalkan batang logam, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam batang logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positif pada ujung yang berlawanan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

Gambar 2. Memberi muatan dengan cara induksi. (a) Batang logam netral (b)Batang logam tetap netral, tetapi dengan pemisahan muatan

Proses seperti Gambar 2. dikatakan, muatan di-induksikan pada ke dua ujung batang logam. Pada proses ini tidak ada muatan total yang dihasilkan pada batang logam, muatan hanya dipisahkan, sehingga muatan batang logam tetap nol. Meskipun demikian, jika batang logam dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan, satu bermuatan positif dan yang satunya bermuatan negatif.

Cara lain untuk menginduksi muatan total pada benda logam adalah dengan menghubung-kannya dengan kawat penghantar ke tanah (ground) sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 3(a). (berarti “ground”). Selanjutnya benda dikatakan di-ground-kan atau dibumikan. Karena bumi sangat besar dan dapat menyalurkan elektron, maka bumi dengan mudah dapat menerima ataupun memberi elektron-elektron; oleh karena itu, bumi dapat bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk

muatan. Jika suatu benda bermuatan, misalnya muatan negatif didekatkan ke sebuah logam, maka elektron-elektron bebas dalam logam akan menolak dan beberapa elektron akan bergerak menuju bumi melalui kawat (Gambar 3(b)). Hal ini menyebakan logam tersebut bermuatan positif. Jika sekarang kawat dipotong, logam akan memiliki muatan induksi positif (Gambar 3(c)), dan setelah benda negatif dijauhkan, elektron-elektron seluruhnya akan kembali ke logam dan benda akan netral.

Gambar 3. Menginduksi muatan ke sebuah benda yang terhubung ke tanah. (a) Grounding (b) Mengalirkan muatan ke tanah (c) Benda netral kembali

Sumber : Buku - Draf Modul Fisika

Muatan Listrik dalam Atom

Konsep kelistrikkan semakin menunjukkan kemajuan ketika konsep kelistrikan dimulai dari dalam atom itu sendiri. Konsep ini berkembang baru pada dua abad terakhir. Pada bagian ini akan dibahas struktur atom dan gagasan-gagasan yang membawa kita terhadap pandangan atom yang saat ini lebih rinci.

Gambar 1. Model atom sederhana

Perkataan atom berasal dari bahasa Yunani atomos yang berarti tak dapat dibagi. Partikel sub atom yang membentuk atom ada tiga macam yakni elektron, proton, dan netron, dengan model atom seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Atom memiliki inti bermuatan positif yang berat, dan dikelilingi oleh satu atau lebih elektron bermuatan negatif. Inti terdiri dari proton yang bermuatan positif, dan netron tidak bermuatan (netral). Besarnya muatan negatif (elektron) sama dengan besarnya muatan positif (proton) dan tidak ada muatan yang lebih kecil dari kedua muatan partikel ini, sehingga seringkali disebut dengan satuan dasar muatan (e). Semua muatan benda merupakan kelipatan bilangan bulat dari satuan dasar muatan, dengan demikian muatan bersifat terkuantisasi (diskrit).

Setiap muatan Q yang ada di alam dapat dituliskan dalam bentuk Q = ± Ne. Kuantisasi muatan listrik kadangkala tidak teramati karena biasanya N memiliki harga yang sangat besar, seperti misalkan pada batang plastik yang digosokkan pada kain wol maka akan berpindah sejumlah elektron sebanyak sekitar 10¹⁰ . Sedangkan proses berkurang atau bertambahnya elektron pada suatu benda disebut dengan ionisasi. Besarnya satuan dasar muatan listrik e adalah

e =1,60×10⁻¹⁹C

Massa proton dan netron besarnya hampir sama, dan massanya 1840 kali massa elektron. Jadi, praktis seluruh massa atom terpusat di intinya. Karena satu kilomol hydrogen beratom tunggal terdiri atas 6,02x10²⁶ partikel (bilangan Avogadro) dan massanya 1,008 kg, maka massa atom hydrogen adalah

Atom hydrogen adalah satu-satunya pengecualian dari dalil bahwa setiap atom terdiri dari 3 macam partikel sub atom. Inti atom hydrogen hanya sebuah proton, dikitari oleh satu elektron dan selebihnya merupakan massa atom hydrogen, (1/1840) bagian adalah massa elektron dan selebihnya merupakan massa proton. Dinyatakan dengan tiga angka penting maka massa elektron adalah

Massa proton = 1,67x10⁻²⁷ kg

Karena massa proton dan massa neutron hampir sama, maka

Massa neutron = 1,67x10⁻²⁷ kg

Dalam susunan berkala atom (tabel periodik), setiap unsur ditulis dalam satu kotak dan di bagian bawahnya terdapat bilangan yang menyatakan nomor atom.

“Nomor atom menunjukkan banyaknya proton dalam inti, atau, dalam keadaan tidak terusik, merupakan banyaknya elektron di luar inti”.

Bila jumlah total proton sama dengan jumlah total elektron, maka benda yang bersangkutan sebagai suatu keutuhan netral secara listrik.

Ketika kita ingin melebihkan muatan negatif pada suatu benda, hal ini dapat dilakukan dengan dua cara, yakni cara pertama : tambahkan muatan negatif pada benda netral, atau cara ke dua: mengambil sejumlah muatan positif pada benda tersebut. Begitu pula, kalau muatan positif ditambahkan atau bila muatan negatif dikurangkan, maka akan terjadi kelebihan muatan positif.

Dalam kebanyakan kejadian, muatan negatiflah (elektron) yang ditambahkan atau dikurangi, dan benda yang disebut “bermuatan positif” adalah benda yang jumlah normal muatan elektronnya berkurang. Yang dimaksud dengan “muatan” suatu benda adalah muatan lebihnya, dibandingkan dengan jumlah muatan positif atau negatif dalam benda itu, muatan lebih tersebut jumlahnya jauh lebih sedikit.

Pada benda padat, inti cenderung berada pada posisi yang tetap, sementara elektron bergerak cukup bebas. Pemberian muatan pada benda padat dengan cara menggosok bisa dijelaskan sebagai perpindahan elektron dari satu benda ke benda yang lainnya. Penggaris plastik menjadi bermuatan negatif ketika digosok dengan handuk kertas, perpindahan elektron dari handuk ke plastik membuat handuk bermuatan positif yang sama besarnya dengan muatan negatif yang didapat oleh plastik. Biasanya muatan pada ke dua benda hanya bertahan dalam waktu yang terbatas dan akhirnya ke dua benda kembali ke-keadaan netral.

Gambar 2. Sebuah molekul polar H2O, mempunyai muatan yang berlawanan pada ujung yang berbeda

Pertanyaan yang muncul dalam benak kita adalah ke mana muatan itu pergi ? Dalam beberapa kasus, hal ini dinetralkan oleh ion-ion bermuatan di udara (misalnya, oleh tumbukan dengan partikel-partikel bermuatan, yang dikenal sebagai sinar kosmik dari ruang angkasa yang mencapai bumi). Hal yang penting diketahui, bahwa muatan dapat lepas ke inti air yang ada di udara. Ini karena molekulmolekul air adalah polar, sehingga elektron-elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas ke udara karena di tarik menuju molekul-molekul positif air, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

Di sisi yang lain, benda-benda yang dimuati secara positif, dapat dinetralkan oleh hilangnya elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke benda-benda bermuatan positif tersebut. Pada udara kering, listrik statis lebih mudah diperoleh karena udara berisi lebih sedikit molekul-molekul yang dapat berpindah. Pada udara lembab, lebih sulit untuk membuat benda bermuatan tahan lama.

 Sumber : buku - Draf Modul Fisika

Muatan Listrik dan Kekekalannya

Kata “listrik” berasal dari kata Yunani “elektron” yang berarti “ambar”. Ambar adalah suatu damar pohon yang telah membatu, dan jika digosok dengan kain wol akan diperoleh sifat yang dapat menarik benda-benda ringan. Perilaku batu ambar seperti ini sekarang dapat dikatakan bahwa “batu ambar terelektrifikasi atau memperoleh muatan listrik” atau secara listrik “dimuati”. Proses elektrifikasi ini sekarang kita sebut sebagai listrik statis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Untuk memberi muatan listrik pada benda padat, dapat dilakukan dengan menggosok-gosokkannya benda tersebut pada benda lain. Jadi, sebuah mobil yang sedang melaju akan memperoleh muatan listrik akibat geraknya menembus udara sekelilingnya; selembar kertas akan bermuatan listrik ketika bergerak dalam mesin cetak. Pada masing-masing kasus di atas sebuah benda menjadi bermuatan listrik karena proses penggosokan terhadap benda lain dan dikatakan memiliki muatan listrik total. Sesungguhnya, persinggungan yang rapat saja sudah akan menimbulkan muatan listrik. Menggosok artinya tidak lain adalah membuat persinggungan rapat antara permukaan dua benda.

Gambar 1. Proses elektrifikasi (a) penggosokan (b) sisir menarik benda-benda kecil, (c) penggaris menarik potongan kertas kecil

Apakah semua muatan listrik sama, atau mungkinkah ada lebih dari satu jenis muatan? Pada kenyataannya ada dua jenis muatan listrik berdasar kegiatan empiris, sebagaimana ditunjukkan oleh eksperimen seperti pada Gambar 2. Sebuah penggaris plastik yang digantungkan dengan tali dan digosokkan dengan keras pada kain untuk membuatnya bermuatan. Ketika penggaris ke dua yang juga telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan ke penggaris yang pertama, terlihat bahwa satu penggaris menolak penggaris plastik yang lainnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 2(a). Dengan cara yang sama, jika sebuah batang kaca yang telah digosok dan kemudian didekatkan dengan batang kaca lain yang telah bermuatan kembali menunjukkan adanya gaya tolak-menolak, seperti Gambar 2(b).

Sebaliknya jika batang kaca yang telah bermuatan didekatkan dengan penggaris plastik yang juga telah bermuatan (keduanya dimuatan dengan cara menggosok), maka terlihat bahwa kedua benda saling tarik-menarik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(c). Kejadian menunjukkan bahwa ada perbedaan muatan listrik antara muatan pada plastik dan muatan yang dibawa oleh kaca, dengan kata lain bahwa ada dua jenis muatan yang terbentuk pada benda yang digosok. Dari ketiga kejadian sederhana tadi maka gaya interaksi antara dua benda bermuatan menunjukkan bahwa muatan sejenis akan tolak-menolak dan sebaliknya muatan yang tidak sejenis akan saling tarik-menarik.

Seorang negarawan, filsuf, dan ilmuwan Amerika Benjamin Franklin (1706-1790) mengajukan argument bahwa ketika sejumlah muatan dihasilkan pada suatu benda dalam satu proses, maka muatan yang berlawanan dengan jumlah yang sama dihasilkan pada benda yang lainnya. Positif dan negatif diperlakukan secara aljabar, sehingga pada setiap proses, perubahan total jumlah muatan yang dihasilkan selalu nol. Sebagai contoh, ketika penggaris plastik digosok dengan handuk kertas, maka penggaris plastik mendapatkan muatan negatif sedangkan handuk akan mendapatkan muatan positif dengan jumlah yang sama. Muatan-muatan tersebut terpisah, tetapi jumlah keduanya nol. Ini merupakan contoh hukum yang dikenal sebagai hukum kekekalan muatan listrik yang menyatakan bahwa:

“jumlah total muatan listrik yang dihasilkan pada setiap proses adalah nol”.

Jika suatu benda atau bagian ruang mendapatkan muatan positif, mala muatan negatif dengan jumlah yang sama akan ditemukan di daerah sekitarnya atau benda di dekatnya. Tidak pernah ditemukan penyimpangan dari hukum ini, dan hukum kekekalan ini sama kuatnya seperti hukum kekekalan energi dan momentum.

(a) Dua penggaris plastik yang bermuatan saling tolak-menolak

(b) Dua batang kaca yang bermuatan saling tolak-menolak

(c) Batang kaca bermuatan menarik penggaris plastik bermuatan

Gambar 2. Muatan yang tidak sejenis akan tarik-menarik, sedangkan muatan yang sejenis akan tolak-menolak

Sumber : Buku - Draf Modul Fisika

Resistance Thermal Detector (RTD)

RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500^o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi.

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:

1. Tidak diperlukan suhu referensi
2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.
3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel
4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah
5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

Microwave

Sejak 60 tahun yang lalu, telah diperlihatkan bahwa cahaya berperilaku sebagai gelombang. Maxwell, didasari oleh perhitungan kecepatan gelombang elektromagnetik, mengatakan bahwa cahaya pasti merupakan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik pertama kali di bangkitkan dan dideteksi secara eksperimental oleh Heinrich Hertz (1857-1894) di tahun 1887. Hertz menggunakan perangkat celah-bunga-api dimana muatan digerakkan bolak - balik dalam waktu singkat, membangkitkan gelombang berfrekuensi sekitar 10⁹ Hz. Ia mendeteksi gelombang tersebut dari suatu kejauhan dengan menggunakan loop kawat yang bisa membangkitkan ggl jika padanya terjadi perubahan medan magnet. Gelombang ini kemudian dibuktikan merambat dengan kelajuan cahaya 3,00×10⁸ m/s dan menunjukkan karakteristik gelombang seperti pemantulan, pembiasan, polarisasi, difraksi dan interferensi.

 Dari dasar pemikiran para ilmuan tersebut yang telah meneliti terlebih dahulu dan diyakini kebenarannya, kita dapat membuktikan fenomena yang dikemukakannya melalui percobaan gelombang mikro yang merupakan salah satu jenis dari gelombang elektromagnetik.

Gelombang Elektromagnetik

 Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dihasilkan dari perubahan medan magnet dengan medan listrik secara berurutan, dimana arah getar vektor medan listrik dan medan magnet saling tegak lurus. Terjadinya gelombang elektromagnetik yaitu pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.

Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry. 

Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan. Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell. 


 Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.

Gelombang Mikro

Gelombang mikro atau dikenal sebagai microwave ialah gelombang elekromagnet yang mempunyai daerah frekuensi antara 10⁹ sampai 3 x 10¹¹ Hz (300 Ghz) atau daerah panjang gelombang dari 30 cm sampai dengan 1mm. Daerah frekuensi antara 1 Ghz sampai 3 Ghz disebut daerah UHF (Ultra High Frequency). Gelombang mikro banyak digunakan dalam radar, sistem komunikasi dan juga untuk mempelajari struktur molekul dalam bahan. Sumber gelombang mikro adalah alat khusus yang bekerja secara elektronik, seperti klistron, magnetron, dan Travelling Wave tube (TWT). Salah satunya yang dipergunakan dalam eksperimen ini adalah Gunn oscilator sebagai sumber gelombang elektromagnetik.

Pompa kalor (Heat pump)

Sekilas promosi efektif menggunakan media iklan inline.

Pompa panas pada dasarnya adalah sebuah refrigerator yang digunakan untuk memompa energi termal dari tandon dingin (udara dingin) ke tandon panas (udara panas). Tandon panas merupakan sistem ideal dengan kapasitor panas yang demikian besar sehingga dapat menyerap atau memberikan panas tanpa perubahan temperatur yang berarti.

Sistem pompa kalor itu tidak hanya berfungsi untuk mendinginkan atau mempertahankan temperatur sumber kalor yang rendah. Tetapi juga dapat mengalirkan energi kalor ke suatu benda atau penyerap kalor untuk menaikkan temperatur atau mempertahankan temperaturnya pada tingkat yang tinggi secara baik. Dalam ilmu termodinamika, refrigerator dan pompa kalor (heat pump) relatif sama. Perbedaannya, terletak hanya pada proses kerjanya. Mesin kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Misalnya pada mesin mobil, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu - sudu sebuah turbin, membuat sudu - sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Pada banyak penggunaan, untuk mesin yang sama dapat dipakai sebagai refrigerator dan juga sebagai pompa kalor. Pada beberapa situasi, baik efek pendinginan pada satu tingkat temperatur maupun efek pemanasan pada temperatur lain bisa saja dinginkan, dan dengan demikian sistem akan beroperasi serentak sebagai mesin refrigerasi dan sebagai pompa kalor.

Contoh penggunaan pompa kalor

Lemari es (Refrigerator) dapat dipandang sebagai mesin kalor yang bekerja terbalik. Mesin kalor mengambil panas dari sebuah wadah panas, mengubahnya sebagian menjadi usaha mekanik, dan membuang selebihnya ke sebuah wadah dingin. Akan tetapi refrigerator mengambil panas dari wadah dingin, kompresornya memberikan input usaha mekanik, dan panas dibuang ke wadah panasnya yakni dilingkungan sekitarnya. Bila untuk menjalankan suatu alat pendingin tidak diperlukan usaha, koefisien kerja (panas yang diambil dibagi oleh usaha yang dilakukan ) akan menjadi tak berhingga. Pengalaman membuktikan bahwa selalu diperlukan usaha untuk memindahkan panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas. Ungkapan negatif ini membawa kita kepada ungkapan lain hukum kedua Termodinamika, yaitu : ”Tidak mungkin ada proses yang hasilnya hanya memindahkan panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas ”.

Tinjauan hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor

”Tidak mungkin bagi sebuah mesin panas yang bekerja secara siklis untuk tidak menghasilkan efek lain selain menyerap panas dari suatu tandon dan melakukan sejumlah usaha-usaha yang ekivalen”. Pernyataan tersebut merupakan hasil eksperimen tentang rumusan Kelvin – Planck atau rumusan mesin kalor untuk hukum kedua termodinamika.

Penyertaan kata ”siklis” dalam rumusan ini merupakan hal yang penting karena mengubah panas seluruhnya menjadi usaha dalam proses yang non siklus, merupakan hal yang mungkin. Gas ideal yang mengalami ekspansi isotermis dapat melakukan hal ini. Namun, setelah ekspansi itu, gas tidak berada dalam keadaan awalnya. Untuk mengembalikan gas ke keadaan awalnya, usaha harus dilakukan pada gas , dan sejumlah panas yang akan dibuang.

Tinjauan hukum kedua termodinamika tentang refrigerator

”Sebuah refrigerator tak mungkin bekerja secara siklis dengan tidak menghasilkan efek lain diluar transfer panas dari benda dingin ke benda panas”. Walaupun rumusan hukum kedua termodinamika untuk mesin kalor dan refrigerator nampak cukup berbeda, sebenarnya keduanya ekuivalen. Itu berarti, bila salah satu rumusan itu benar, maka rumusan yang lain juga harus benar.

Mesin pendingin itu mempunyai 4 komponen utama yaitu kompresor, kondesor, katup ekspansi dan evaporator. Dengan demikian prinsip kerja dari mesin pompa kalor ini adalah dimulai refrigerator memasuki ke kompresor. Refrigerator meninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi, air dikumpulkan dan kemudian di dinginkan (terjadi pengembunan) atau mengalami kondensasi di kondensor, yang membuang panasnya ke lingkungan. Refrigerator kemudian memasuki tabung kapiler di mana tekanan refrigerator turun derastis. Refrigerator bertemperatur rendah, kemudian memasuki evaporator dimana disini refrigerator menyerap panas dari ruang refrigerasi, pemindahan kalor ini disebabkan oleh kompresornya sehingga terasa sangat panas pada eveporator, dan refrigerator kembali memasuki sebuah kompresor, dimana siklus ini dimulai kembali.

Sinar Gamma

Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek (dalam orde Angstrom) yang dipancarkan oleh inti atom yang tidak stabil yang bersifat radioaktif. Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi dalam bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu bahan, juga mengahasilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar melalui proses ionisasi sekunder. Jadi, sinar gamma berinteraksi dengan materi hanya beberapa pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya melakukan proses ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang terbentuk pada proses ionisasi primer.

Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan, yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan. Tiga interaksi utama sinar gamma dapat kehilangan energi ketika melewati suatu materi:

1.          Efek Fotolistrik

Efek Fotolistrik yaitu foton dapat mentransfer seluruh energinya pada electron atomic materil penyerap. Efek Fotolistrik merupakan peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom. Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron. Efek Fotolistrik terutama terjadi antara 0,01 MeV hingga 0,5 MeV.

Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar, seperti tembaga (Z = 29). Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat elektron.

2.          Hamburan Compton

Hamburan Compton yaitu foton dating memberikan sebagian energinya pada electron atomic penyerap, foton baru yang muncul memiliki frekuensi yang lebih rendah. Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron terluar dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi kinetik tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton lain ini dinamakan foton hamburan.

Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang datang bertambah dan bila Z bertambah. Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom diubah menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang gelombang foton hamburan dari λ menjadi λ’

3.          Produksi Pasangan

Produksi Pasangan yaitu foton dating yang berenergi sekurang-kurangnya 1.02 MeV dapat melakukan materialisasi menjadi pasangan electron - elektron ketika melewati dekat inti, kehadiran inti diperlukan supaya kekekalan momentum dipenuhi.

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen dengan energi 0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi foton ≥ 1,02 MeV.

Dalam semua kasus itu energi foton ditransfer pada electron yang diikuti dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh proses eksitasi atau ionisasi atom dalam penyerap.

Pada energi foton yang rendah, efek fotolistrik merupakan mekanisme utama dari kehilangan energi. Pentingnya efek fotolistrik berkurang dengan bertambahnya energi, diganti oleh hamburan Compton. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih tinggi pula energi ketika efek fotolistrik memegang peranan penting. Dalam unsur ringan, hamburan Compton berperan utama pada energi foton beberapa puluh keV, sedangkan pada unsur berat peranan utamanya baru terlihat pada energi 1 MeV. Produksi pasangan peluangnya lebih meningkat lebih besar energinya dari energi ambang 1.02 MeV. Lebih besar nomor atomic penyerapnya, lebih rendah ketika produksi pasangan mengambil alih mekanisme utama dari kehilangan energi oleh sinar gamma. Dalam unsur terberat energi persilangn ini ialah sekitar 4 MeV, tetapi untuk unsur yang lebih ringan energi itu melebihi 10 MeV. Jadi sinar gamma dalam daerah energi yang biasa terjadi dalam peluruhan radioaktif  berinteraksi dengan material terutama melalui hamburan Compton.

Teori Kuantum Einstein tentang Efek Fotolistrik

Dalam postulatnya Planck mengkuantisasikan energi yang dapat dimiliki osilator, tetapi tetap memandang radiasi thermal dalam rongga sebagai gejala gelombang. Einstein dapat menerangkan efek fotolistrik dengan meluaskan konsep kuantisasi Planck. Einstein menggambarkan bahwa apabila suatu osilator dengan energi pindah ke suatu keadaan dengan energi, maka osilator tersebut memancarkan suatu gumpalan energi elektromagnetik dengan energi, Einstein  menganggap bahwa gumpalan energi yang semacam itu yang kemudian dikenal sebagai foton, yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

1. Pada saat foton meninggalkan permukaan dinding rongga tidak menyebar dalam ruang seperti gelombang tetapi tetap terkonsentrasi dalam ruang yang terbatas yang sangat kecil.
2. Dalam perambatannya, foton bergerak dengan kecepatan cahaya c.
3. Energi faton terkait dengan frekuensinya yang memenuhi e = hv.
4. Dalam proses efek fotolistrik energi foton diserap seluruhnya oleh elektron yang berada di permukaan logam.

Lima tahun sesudah Planck mengajukan makalah ilmiahnya tentang teori radiasi thermal oleh benda hitam sempurna, yaitu pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan teori kuantum untuk menerangkan gejala fotolistrik. Secara eksperimental sahihnya teori kuantum itu dibuktikan oleh Millikan pada tahun 1914. Millikan secara eksperimental membuktikan hubungan linear antara tegangan pemberhentian elektron dan frekwensi cahaya yang mendesak elektron pada bahan katoda tertentu.

Pada tahun 1921 Albert Einstein memperoleh hadian Nobel untuk Fisika, karena secara teoritis berhasil menerangkan gejala efek fotolistrik.

Emisi Termionik

Kesahihan penafsiran Einstein mengenal fotolistrik diperkuat dengan telaah tentang emisi termionik. Telah alam diketahui bahwa dengan adanya panas akan dapat meningkatkan konduktivitas udara yang ada di sekelilingnya. Menjelang abad ke-19 ditemukan emisi elektron dari benda panas. Emisi termionik memungkinkan bekerjanya piranti seperti tabung televisi yang di dalamnya terdapat filamen logam atau katoda berlapisan khusus yang pada temperatur tinggi mampu menyajikan arus elektron yang rapat.

Jelaslah bahwa elektron yang terpancar memperoleh energi dari agitasi thermal zarah pada logam, dan dapat diharapkan bahwa elektron harus mendapat energi minimum tertentu supaya dapat lepas. Energi minimum ini dapat ditentukan untuk berbagai permukaan dan selalu berdekatan dengan fungsi kerja fotolistrik untuk permukaan yang sama. Dalam emisi fotolistrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedang dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya. Dalam kedua kasus itu proses fisis yang bersangkutan dengan timbulnya elektron dari permukaan logam adalah sama.

Mekanisme Terjadinya Efek Fotolistrik

Dalam eksperimennya Hertz menemukan bahwa latu pada celah transmiter terjadi bila cahaya ultraungu diarahkan pada salah satu bola logamnya. Ia tidak melanjutkan percobaan tersebut, akan tetapi ahli fisika yang lain melanjutkan percobaan tersebut. Mereka menemukan bahwa penyebab terjadinya latu adalah terpancarnya elektron pada frekuensi yang cukup tinggi. Gejala ini dikenal sebagai efek fotolistrik. Gajala ini merupakan salah satu ironi sejarah bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik.

Ilustrasi alat yang dipergunakan untuk membangkitkan gejala fotolistrik. Tabung yang divakumkan berisi dua elektrode yang dihubungkan dengan rangkaian eksternal. Keping logam yang permukaannya mengalami iradiasi, digunakan sebagaio anode. Sebagian dari gotoelektron yang muncul dari permukaan yang mengalami radiasi memiliki energi yang cukup untuk mencapai katode lebih sedikit dan arusnya menurun. Akhirnya ketika v sama dengan atau melebihi suatu harga Vo yang besarnya dalam orde beberapa volt, maka tidak ada elektron yang mencapai katode dan arusnya terhenti.

Gejala efek fotolistrik dapat diterangkan sebagai berikut : gelombang cahaya membawa energi, dan sebagian energi yang diserap logam dapat terkonsentrasi pada elektron tertentu dan muncul sebagai energi kinetik. Salah satu sifat yang menimbulkan pertanyaan pengamat adalah distribusi elektron yang dipancarkan (fotoelektron), ternyata tak bergantung pada intensitas cahaya. Berkas cahaya yang kuat menghasilkan fotoelektron lebih besar dari pada berkas cahaya yang lemah untuk frekuensi yang sama, akan tetapi energi elektron rata-ratanya sama saja. dalam batas ketelitian eksperimen (10^-9 s), tak terdapat kelambatan waktu antara datangnya cahaya pada permukaan logam dan terpancarnya elektron.  

Tebal Paruh Lempeng Lead dan Polyethylene

Sekilas promosi efektif menggunakan media iklan inline.

Dengan diketahuinya nilai koefisien serapan sinar gamma, maka kita dapat mengunakanya untuk memetukan harga tebal paruh (X1/2) dari lempeng Lead dan Polyethylene yang digunakan sebagai bahan penyerap. Tebal paruh merupakn sifat karakteristik dari suatu bahan, sehingga besarnya tergantung pada jenis bahannya. Sinar gamma yang terserap akan berinteraksi dengan elektron-elektron yang ada pada lempengan bahan serapan. Kita ketahui bahwa sinar gamma adalah radiasi gelombang elektromagnetik yang dapat pula ditinjau sebagai paket-paket catu tenaga yang dinamakan foton  gamma. Apabila sinar gamma berinteraksi dengan materi maka tenaga akan diserahkan pada atom-atom materi yang dilaluinya.

Dari berbagai proses tersebut hanya ada tiga proses yang penting untuk diperhatikan dalam serapan sinar gamma, yaitu : Hamburan Compton ( terjadi antara foton gamma dan sebuah elektron bebas atau yang terikat lemah ), Efek Fotolistrik ( adanya interaksi antara foton gamma dengan sebuah elektron yang terikat kuat ), dan Pembentukan Pasangan ( pasangan antara elektron dengan positron ). Ketiga proses tersebut menghasilkan pembebasan elektron dari atom-atom materi yang berinteraksi dengan sinar gamma. Efek fotolistrik penting pada daerah tenaga sinar gamma di bawah 1 MeV, Hamburan Compton penting pada daerah jangkauan tenaga yang sangat lebar, sedangkan pembentukan pasangan hanya penting untuk tenaga sinar gamma lebih besar dari 1,022 MeV. Pada peristiwa pembentukan pasangan harus memenuhi ketiga hukum kekekalan, yaitu:

1.    Hukum kekekalan massa dan tenaga

2.    Hukum kekekalan muatan listrik

3.    Hukum kekekalan momentum

Dengan demikian, efek pembentukan pasangan tidak akan terjadi kecuali jika tenaga sinar gamma yang berinteraksi lebih besar dari 2 X 0,511 MeV = 1,022 MeV. Apabila tenaga sinar gamma mula-mula adalah Eo MeV maka kelebihan tenaga sebesar ( Eo – 1,022 MeV ) akan dibagikan antara elektron dan positron dalam bentuk tenaga gerak.

  

Dari percobaan yang dilakukan diperoleh harga tebal paroh lempeng lead sebesar 0,70477 cm, maksudnya bahwa ketebalan bahan sebesar itu akan menyerap tepat separuh dari radiasi sinar gamma yang dating. Sehingga setelah melewati lempeng lead intensitas dari sinar gamma yang tercacah oleh detektor tinggal separuhnya.

Koefisien Serapan Sinar Gamma

Koefisien serapan sinar gamma merupakan suatu konstanta pembanding yang menghubungkan antara besarnya intensitas sumber radioaktif yang terserap dengan ketebalan suatu bahan penyerap. Besarnya koefisien serapan sinar gamma dapat ditentukan dengan mencacah intensitas sumber radioaktif 137 Cs yang memancarkan sinar gamma dengan detektor MCA. Untuk mendapat cacahan yang murni dari sinar gamma, maka dalam percobaan perlu dicari cacah latar terlebih dahulu. Setelah cacahan latar ini diperoleh maka cacahan latar ini nantinya digunakan untuk mengurangi dari jumlah cacahan atau intensitas yang diperoleh, maksudnya bahwa intensitas sebenarnya yang dapat dipakai dalam perhitungan adalah intensitas yang dihasilkan oleh isotop tanpa bahan penyerap ataupun isotop dengan bahan penyerap dikurangi dengan intensitas dari cacah latar. Hal ini dikarenakan bahwa di alam sekitar terdapat unsur-unsur radioaktif yang dapat terdeteksi oleh detektor.

Jika bahan penyerap yang berupa lempengan lead diletakkan diantara sumber sinar gamma 137 Cs dan detektor, maka intensitas yang terbaca pada MCA akan berkurang karena sebagian intensitas terserap oleh lempeng lead. Dapat dikatakan bahwa harga intensitas radiasi menurun secara ekponensial terhadap ketebalan bahan penyerap sinar gamma yang mempunyai tenaga tinggi akan menghasilkan pulsa yang tinggi sedangkan sinar gamma bertenaga rendah akan menghasilkan pulsa yang rendah pula. Di lain pihak intensitas sinar gamma yang terdeteksi mempengaruhi cacah elektron yang dibebaskan. Makin tinggi intensitas sinar gamma makin banyak elektron yang dibebaskan dan makin banyak pula pulsa yang dihasilkan oleh detektor.

Prinsip Percobaan Milikan

Prinsip yang digunakan pada percobaan milikan adalah pengaruh gaya gravitasi dan gaya listrik pada partikel bermuatan ( tetesan minyak ). Tetesan minyak yang dihamburkan dalam ruang pengamatan dipengaruhi oleh medan listrik, medan listrik sendiri yaitu efek yang ditimbulkan oleh keberadaan muatan listrik, seperti elektron, ion, atau proton dalam ruangan di sekitarnya. Medan listrik tersebut ditimbulkan dari beda potensial antara elektroda positif ( atas ) dan elektroda negatif ( bawah ) yang diberikan pada pelat kondensator. Pada saat gaya gravitasi sama dengan gaya listrik maka tetesan minyak tersebut akan mengambang. Tetesan minyak dalam medan listrik dipengaruhi oleh beberapa gaya yaitu gaya berat, gaya Stokes yang merupakan gaya penghambat, gaya dorong dan gaya elektrostatis.

Percobaan ini menggunakan dua metode yaitu metode statis ( keseimbangan ) dan metode dinamis. Untuk metode keseimbangan, karena tetesan minyak tersebut merupakan partikel bermuatan, sehingga setelah tegangannya dihilangkan maka tetesan minyak tersebut akan turun atau jatuh pada saat tetesan minyak tersebut jatuh, laju tetesan minyak tersebut nol. Dengan demikian gaya yang bekerja pada tetesan minyak tersebut hanya gaya berat atau gaya gravitasi dan gaya dorong yang arahnya berlawanan dengan gaya berat. Kemudian tetesan minyak akan mengalami resultan gaya ke bawah. Oleh karena itu, tetesan minyak akan mengalami percepatan sehingga kecepatannya bertambah. Seiring dengan bertambahnya kecepatan, gaya Stokes akan membesar dan pada suatu ketika akan terjadi keseimbangan antara ketiga gaya tersebut, resultan ketiga gaya tersebut nol. Oleh karena itu kecepatan tetesan minyak tersebut akan konstan. Dari sini tegangan dan kecepatan tetesan minyak tersebut dapat diketahui, berdasarkan pengamatan nilai beda potensial dan lamanya waktu yang dibutuhkan tetesan minyak untuk menempuh jarak S yang diperoleh bervariasi. Sehingga berdasarkan perhitungan dapat diperoleh nilai muatan rata-rata dari tetesan minyak tersebut yaitu, untuk metode statis q = 4.09 x 10^-17 C sedangkan untuk metode dinamis q = 8.62 x 10^-17 C . Nilai ini jelas jauh dari referensi, berdasarkan percobaan Millikan diperoleh bahwa muatan tetesan minyak selalu merupakan kelipatan bilangan 1,6 x 10^-19. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa satu elektronnya adalah 1,6 x 10^-19 C, muatan sebesar ini merupakan muatan elementer. Perbedaan tersebut dikarenakan kekurangtelitian praktikan dalam mengamati tetesan minyak yang disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya yaitu kekeliruan dalam melihat dan mengamati gerak satu tetesan minyak dari sekian banyak tetesan minyak yang terhambur dalam ruang pengamatan, selain itu faktor lainnya yaitu ketidak cermatan antara penglihatan dengan kecepatan tangan saat menghidupkan stop watch sehingga mengakibatkan kesalahan dalam mengukur waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak S.

Perbandingan Muatan Dan Massa Elektron

Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan Medan listrik dan Medan magnet. Harga e dapat didekati dengan harga perbandingan e/m yang diperoleh dari hubungan antara nilai arus (I), tegangan elektroda (∆V), dan radius lintasan elektron (r). Hubungan antar ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat elektron berbentu lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh Thompson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali hubungan-hbungan tersebut.

Percobaan mengenai sinar katoda adalah salah satu eksperimen untuk mengetahui karakteristik dari elektron yang merupakan partikel sub-atomik yang fundamental dalam terbentuknya arus listrik. Sehingga eksperimen ini penting dilakukan mengingat wilayah aplikasi kelistrikan yang sangat luas.

Konsep Dasar Fisika Kuantum

Di dalam suatu pertemuan para ahli fisika jerman pada tanggal 14 Desember 1900 Max Planck mengemukakan karya ilmiahnya yang berjudul “On the Theory of the energi Distribution Law of the Normal Spectrum”. Sekalipun karya ini pada mulanya tidak banyak menarik perhatian orang, namun disadari bahwa karya planck ini telah membawa perubahan besar dalam dunia fisika, sehingga tanggal pertemuan tersebut kini dianggap sebagai hari kelahiran fisika kuantum. Lahirnya teori kuantum yang disarankan oleh Planck karena teori klasik gagal menjelaskan distribusi tenaga dalam spectrum yang dipancarkan oleh benda hitam.

Munculnya teori kuantum memperluas jangkauan penyelidikan dunia fisika. Jika fisika klasik mempelajari fenomena fisika dalam dunia makroskopis, maka fisika kuantum mengkaji partikel-partikel elementer dan mencoba menemukan hukumhukum yang mengatur tingkah laku partikel-partikel ini.

Radiasi Thermal Dan Postulat Planck

Akhir abad ke-19 perhatian ahli fisika tertuju pada pemancaran cahaya oleh suatu permukaan logam yang dipanaskan, khususnya pada spektrum pemancaran tersebut. Kita ketahui bahwa jika sebuah logam dipanaskan akan terjadi perubahan warna cahaya yang terpancar dari warna merah hingga menjadi pijar apabila suhu logam terus dipanaskan sampai titik leburnya. Perubahan warna itu berarti pergeseran intensitas maksimum dari panjang gelombang panjang ke panjang gelombang pendek.

Spektrum radiasi thermal inilah yang menarik perhatian para ilmuwan akhir abad 19, terutama karena teori-teori fisika yang ada tidak dapat menerangkan bentuk lengkung radiasi thermal tersebut.

Radiasi Themal adalah pancaran suatu benda yang disebabkan oleh suhunya. Sebaran intensitasnya sebagai fungsi frekuensi atau fungsi panjang gelombang disebut spektrum radiasi thermal. Sebagai idealisasi dibataskan saja apa yang dinamakan Benda Sempurna Hitam (Black Body), yaitu suatu benda yang menyerap semua cahaya yang sampai dipermukaannya. Menurut teori termodinamika benda seperti ini, apabila pijar, akan memberikan pancaran total yang maksimum dibandingkan dengan benda-benda lain yang suhunya sama.

Secara teknis benda sempurna hitam dapat digambarkan sebagai sebuah bola logam dengan lubang sangat kecil, dinding dalam rongga tersebut bersuhu T. Apabila cahaya masuk ke dalam rongga melalui lubang kecil pada dindingnya maka akan mengalami berkali-kali pemantulan pada permukaan dinding. Kebolehjadian sangat kecil bahwa berkas cahaya tersebut dapat meninggalkan rongga tersebut. Pancaran oleh lubang yang ada pada dinding rongga secara praktis merupakan pancaran oleh suatu benda sempurna hitam.