Hamburan Compton

1. Hamburan Compton

1. Efek Compton

Pada tahun 1905 para ilmuwan menemukan pemikiran bahwa cahaya terdiri dari foton-foton dengan besar energi tertentu, namun pemikiran tersebut belum dapat membuktikan bahwa foton-foton tersebut juga membawa momentum. Dalam teori klasik, gambaran tentang gelombang adalah jika seberkas gelombang dengan frekuensi f1 bertumbukan dengan suatu bahan, maka elektron dalam bahan tersebut akan mengalami osilasi dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi gelombang yang menumbuknya. Akibat dari osilasi elektron tersebut, maka akan timbul radiasi yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi osilasi elektron yang tentunya juga sama dengan frekuensi gelombang datang yang menumbuk bahan.

Namun dari eksperimen yang dilakukan oleh Compton diperoleh hasil yang tidak sesuai dengan teori klasik.

Padatahun 1923, Compton menjelaskan hasil eksperimennya denganberasumsi bahwa berkas sinar (dalam hal ini sinar-x) yang digunakan untukmenembak bahan merupakan arus foton. Energi foton tersebut sebesar E = hν. Foton ini bertumbukan lenting dengan elektron yang ada pada target. Jika elektron mengambil sebagian energi yang dimiliki oleh foton, maka foton yang terhambur akan memiliki energi yang lebih kecil dibandingkan dengan energi foton yang datang. Hal ini menyebabkan foton yang terhambur akan memiliki frekuensi yang lebih kecil atau panjang gelombang yang lebih besar daripada foton yang datang.

Gambar 1 Skema percobaan tumbukan foton dengan elektron oleh Compton. Foton yang terhambur memiliki panjang gelombang lebih panjang  λ ‘ dan momentum p’. Electron terpental dengan momentum pe. Arah foton yang terhambur membentuk sudut 𝝦 dengan arah foton datang.

Gambar tersebut memperlihatkan sebuah tumbukan foton dan sebuah elektron, di mana elektron tersebut mula-mula dianggap diam dan dapat dianggap bebas, yakni tidak terikat kepada atom-atom penghambur. Ternyata, sinar X tersebut dihamburkan dengan sudut θ terhadap arah datangnya. Panjang gelombang sinar X yang terhambur menjadi lebih besar daripada panjang gelombang semula. Analisis teori gelombang mengharuskan panjang gelombang sinar X tidak berubah, sementara pada kenyataannnya memberikan hasil yang berbeda.

Foton-foton dalam sinar X bertumbukan dengan elektron bebas dan foton tersebut terhambur. Ketika tumbukan terjadi, foton kehilangan sebagian energinya karena diserap oleh elektron. Oleh karena itu, panjang gelombang foton yang terhambur menjadi besar karena energinya menjadi kecil. Karena terjadi tumbukan antara foton dan elektron mengharuskan foton memiliki momentum sehingga berlaku Hukum Kekekalan Momentum, besarnya momentum tersebut dapat dihitung dengan cara menurunkan momentum foton dari teori relativitas khusus Einstein yaitu :

Eistein menyatakan kesetaraan energi-massa dengan  E = m . c2 .  Dalam efek fotolistrik kita melihat bahwa cahaya yang dijatuhkan pada keping logam diperlukan sebagai paket – paket energiyang disebut foton dengan energi tiap foton sebesar E = hf.

E = m . c2

E = mc . c = p . c

Mengingat energi  foton Planck E = hf  maka momentum relativistic foton dapat ditentukan:

p=mc= hfc

Nilai λ=cf atau 1λ= fcsehingga persamaan diatas dapat ditulis sebagai berikut :

p=hλatau λ=hp

p = momentum sebuah foton (Ns)

c  = laju cahaya (m/s)

h = tetapan Planck (6,63 X 10-34 Js)

λ = panjang gelombang foton (m)

f = frekuensi cahaya (Hz)

Dengan menggunakan persamaan tersebut untuk momentum foton, Compton menerapkan Hukum Kekekalan Momentum dan Energi pada tumbukan antara foton dan elektron. Hasilnya adalah pergeseran panjang gelombang fotonsinar X yang  memenuhi persamaan:

Δλ = λ’ – λ = hm0 c ( 1- cos θ )

Dengan : Δλ = pergeseran panjang gelombang foton (m)

λ  = panjang gelombang foton datang (m)

λ’ = panjang gelombang foton hambur (m)

m0= massa diam elektron

h  = konstanta Plank (6,63 x 10-34 Js)

θ= suduthamburan(o)

DaftarPustaka

Kanginan,M.(2015).FISIKA untuk SMA/MA Kelas XII Kelsompok Peminatan Matematika dan Ilmu Alam.Jakarta: Erlangga

Drajat. (2009). FISIKA untuk SMA/MA Kelas XII. Bandung : Departemen PendidikanNasional

Sinaga,P.(2006).FISIKA Modern. Bandung : Departemen Pendidikan Fisika FPMIPA UPI

PPT Gejala Kuantum

Penelitian Ilmiah dan Latihan Penelitian

PPT Induksi Elektromagetik m, Hukum Faraday dan Hukum Lenz

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK HUKUM FARADAY DAN HUKUM LENZ

URAIAN MATERI INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

HUKUM FARADAY DAN HUKUM LENZ

Fisika Sekolah III

diajukan untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Fisika Sekolah yang diampu oleh

Dosen : Dr. Parlindungan Sinaga, M.Si.

Disusun oleh :

Nia Kurniasih (1403254)

Dhini Islamiati Karsa (1400045)

DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

2016

1. Induksi elektromagnetik

Induksi magnetik merupakan salah satu cara pembuatan magnet dengan cara mengaliri listrik pada konduktor untuk membuat medan magnet. Pembuatan medan magnet dengan cara induksi magnetik dikenalkan pertama kali oleh Hans Christian Oersted dengan pembuktian merubah arah yang ditunjuk oleh magnet kompas saat didekatkan pada batang konduktor berarus listrik, sehingga magnet kompas tidak mengarah ke kutub magnet utara dan selatan melainkan mengarah pada resultan dari medan kutub magnet dan medan magnet yang dibuat dari batang konduktor berarus listrik.

Prinsip induksi elektromagnetik ini dipelajari oleh Michael Faraday dalam mengahasilkan arus listrik dari medan magnetik. Setelah Oersted berhasil menemukan bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet, maka Michael Faraday (1791-1867) seorang ilmuwan dari Jerman bertanya-tanya dapatkah medan magnet menghasilkan arus listrik? Termotivasi hal tersebut, kemudian Faraday pada tahun 1822 memulai melakukan percobaan-percobaan. Setelah kurang lebih 9 tahun, barulah ia mendapatkan jawabannya yaitu pada tahun 1831 ia berhasil membangkitkan arus listrik dengan menggunakan medan magnet.

Induksi Elektromagnetik

Jarum galvanometer bergerak menyimpang ketika magnet dimasukkan ke dalam kumparan dan akan menyimpang ke arah berlawanan ketika magnet tersebut ditarik keluar dari kumparan. Pada saat magnet bergerak terhadap kumparan, pada ujung-ujung kumparan timbul tegangan listrik dan pada penghantar timbul arus listrik. Peristiwa tersebut dinamakan induksi elektromagnetik. Tegangan yang dihasilkan pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi dan arus listrik yang dihasilkan disebut arus induksi.

2. Fluks magnetik

Kuat medan magnetik dinyatakan dengan lambang B yang disebut dengan induksi magnet, induksi magnetik menyatakan kerapatan garis gaya magnet. Sedangkan fluks magnetik menyatakan banyaknya jumlah garis gaya yang menembus permukaan bidang secara tegak lurus, yang dapat dinyatakan dalam persamaan, sebagai berikut.

Gambar a Gambar b

Dalam hal ini , fluks magnetik didefinisikan sebagai pekalian medan magnetik B dengan luasan A yang dibatasi oleh rangkaiannya :

Karena medan magnetik sebanding dengan jumlah garis medan magnetik per satuan luas, fluks magnetik tersebut sebanding dengan jumlah garis yang melalui luasan tersebut .

Jika medan magnetik tidak tegak lurus terhadap permukaannya, seperti pada gambar b , fluks magnetik didefinisikan sebagai ,

Φ = fluks magnetik (Wb = weber)

B = induksi magnet (T atau WB.m-2)

A = luas permukaan bidang (m2)

θ = sudut yang dibentuk antara arah B dengan garis normal (radian atau derajat)

3. GGL(Gaya Gerak Listrik) induksi

Istilah GGL Induksi sering kita dengar dalam metode Induksi Elektromagnetik dengan menggerakkan batang magnet dalam kumparan. Ketika kutub utara batang magnet digerakkan masuk kedalam kumparan, maka jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat pada kumparan akan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis gaya pada ujung-ujung kumparan inilah yang dinamakan Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL Induksi. Namun, jarum galvanometer yang dihubungkan pada kumparan hanya bergerak saat magnet digerakkan keluar masuk kumparan. Sehingga Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, maka di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.

Faktor yang Mempengaruhi Besar GGL Induksi :

1. Kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet.
2. Jumlah lilitan kumparan.
3. Medan magnet.

Perumusan GGL Induksi :

Penghantar yang bergerak dalam medan magnet dengan kecepatan (v) akan menyapu luasan yang terus berubah. Perubahan luas inilah yang menyebabkan terjadinya induksi magnetik pada ujung-ujung penghantar. Induksi magnetik ini juga disebut sebagai GGL Induksi Perumusan GGL Induksi yang terjadi pada penghantar yang bergerak dalam medan magnet dinyatakan sebagai berikut:

:  GGL induksi (Volt)

: induksi magnet (Wb/m2)

: panjang penghantar (m)

: kecepatan gerak penghantar (m/s)

4. Hukum Faraday

Telah kita ketahui bahwa sebuah atau GGL akan mengalirkan arus listrik melalui suatu rangkaian tertutup. jika arus listrik mengalir didalam suatu rangkaian, disekitar arus tersebut akan timbul fluks magnet.

dari percobaan yang dilakukan faraday, diketahui bahwa GGL hasil induksi bergantung pada laju perubahan fluks magnet yang melalui suatu rangkaian. kesimpulan ini disebut hukum faraday, yang berbuyi :

“Ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar atau kumparan tersebut”

Dari persamaan GGL Induksi yang terjadi pada penghantar yang bergerak dalam medan magnet dinyatakan sebagai berikut :

, sehingga

jika bayaknya lilitan kumparan = N, maka indusi pada ujung ujung kumparan :

: GGL induksi antara ujung-ujung penghantar (Volt)

: Banyak lilitan kumparan

: Perubahan fluks magnet (Wb)

: Selang waktu untuk perubahan fluks magnet (s)

5. Hukum Lenz

Hukum Lenz ditemukan oleh ilmuwan fisika bernama Friederich Lenz pada tahun 1834. Hukum Lenz merupakan hukum fisika yang memberikan pernyataan tentang GGL (Gaya Gerak Listrik) Induksi. Hukum ini menjelaskan arah arus induksi akibat adanya GGL induksi tersebut.

Berdasarkan hukum Faraday, perubahan fluks magnetik akan menyebabkan timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua ujung kumparan itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan tertentu, maka akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial yang terjadi disebut ggl induksi. Faraday pada saat itu baru dapat menghitung besarnya ggl induksi yang terjadi, tetapi belum menentukan ke mana arah arus induksi yang timbul pada kumparan. Lenz menyatakan bahwa :

“Jika ggl induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus induksi yang dihasilkan sedemikian rupa sehingga menimbulkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha mempertahankan fluks magnetik totalnya konstan)”

Arah arus induksi berdasarkan hukum Lenz

(a) magnet mendekati kumparan, (b) magnet menjauhi kumparan.

Ketika kedudukan magnet dan kumparan diam, tidak ada perubahan fluks magnet dalam kumparan. Tetapi ketika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, maka timbul perubahan fluks magnetik yang semakin membesar akibatnya timbul fluks  magnetik yang menentang pertambahan fluks magnetik awal. Oleh sebab itu, arah fluks induksi harus berlawanan dengan fluks magnetik. sehingga fluks total yang dilingkupi kumparan selalu konstan.

Begitu juga pada saat magnet digerakkan menjauhi kumparan, maka akan terjadi pengurangan fluks magnetik dalam kumparan, akibatnya pada kumparan timbul fluks induksi yang menentang pengurangan fluks magnet, sehingga fluks totalnya selalu konstan.

Menentukan arah simpangan jarum galvanometer :

Arah simpangan galvanometer sesuai dengan arah arus yang masuk galvanometer

Karena ujung kumparan A didekati kutub magnet utara (U), maka ujung kumparan A menjadi kutub utara (U) dan B menjadi kutub selatan (S). Dengan aturan tangan kanan diperoleh arah arus listrik keluar dari ujung kumparan A. Sehingga jarum galvanometer menyimpang ke arah kanan.

Karena ujung kumparan A dijauhi kutub magnet utara (U), maka ujung kumparan A menjadi kutub selatan (S) dan B menjadi kutub utara (U). Dengan aturan tangan kanan menggenggam diperoleh arah arus listrik keluar dari ujung B. Sehingga jarum galvanomter menyimpang ke arah kiri.

Arah arus induksi dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan yaitu jika arah ibu jari menyatakan arah induksi magnet maka arah lipatan jari-jari yang lain menyatakan arah arus induksi.

6. Aplikasi dalam teknologi

1. Generator

Generator adalah alat untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik Prinsip kerja generator ada dua macam, yaitu:

• Magnet diputar di antara beberapa kumparan.
• Kumparan diputar di antara kutub-kutub magnet (dalam medan magnet).

Bagian generator yang berputar disebut rotor. Sedangkan bagian generator yang diam disebut stator. komponen-komponen generator :

• rotor : Komponen yang bergerak
• stator : Komponen yang diam
• cincin tembaga
• Sikat karbon : Penghubung rangkaian dalam dinamo dengan luar dinamo.

Generator Arus Bolak-balik

Generator arus bolak-balik sederhana terdiri dari sepasang kutub magnet kuat, sebuah kumparan, dua buah cincin geser, dan dua buah sikat penyambung arus induksi (arus yang keluar dari kumparan).

Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut:

• Pada saat kumparan diputar di antara celah kutub utara dan kutub selatan magnet.
• Saat posisi kumparan gambar (a), ab bergerak ke atas dan c bergerak ke bawah, sehingga arus mengalir dari a ke b dan c ke d maka jarum galvanometer menyimpang ke kiri.
• Saat posisi kumparan gambar (b), ab bergerak ke kanan, cd bergerak ke kiri, karena arah gerak sejajar dengan arah garis-garis gaya magnet, maka tidak ada perubahan garis gaya magnet yang masuk kumparan sehingga ggl induksinya nol. Jarum galvanomter tidak bergerak (nol).
• Saat posisi kumparan gambar (c), ab bergerak ke bawah dan cd bergerak ke atas, maka arus mengalir dari d ke c dan b ke a, sehingga jarum galvanometer menyimpang ke kanan.

Apabila diputar secara terus menerus dan kumparan dihubungkan dengan lampu maka akan menghasilkan arus bolak-balik dan lampu dapat menyala

Arus listrik sesaat keluar melalui sikat I, sesaat lagi keluar melalui sikat II, sesaat lagi keluar melalui sikat I, kemudian melalui sikat II secara terus menerus.

2. Dinamo

Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator.

Dinamo sepeda dengan kumparan rotor

Dinamo sepeda dengan kumparan stator

Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi  dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

3. Transformator

Transformator merupakan piranti untuk mengubah tegangan  ( menaikkan atau menurunkan) arus bolak – balik tanpa kehilangan daya yang cukup besar. Dasar timbulnya GGL induksi adalah karena adanya perubahan fluks magnetik yang menembus kumparan. Untuk menimbulkan perubahan fluks magnetik ini, kita dapat membangkitkannya dengan mengalirkan arus listrik yang berubah setiap saat. Prinsip seperti ini digunakan pada transformator (trafo).

Transformator terdiri atas dua kumparan kawat yakni kumparan primer dan kumparan sekunder yang mengelilingi inti besi yang berhubungan.  Fungsi inti besi ini adalah untuk meningkatkan medan magnetik untuk arus yang diketahui dan untuk mengarahkan medan magnetik  ini agar seluruh fluks magnetic yang melalui suatu kumparan masuk melalui kumparan lain.  

Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan arus bolak-balik. Sedangkan kumparan sekunder menghasilkan tegangan keluaran (output). Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan maka pada kumparan akan mengalir arus listrik. Arus listrik ini akan menyebabkan timbulnya medan magnetik induksi. Arus yang mengalir pada kumparan adalah arus bolak-balik yang harganya selalu berubah sehingga medan magnetik yang timbul akan selalu berubah seiring dengan perubahan arus pada kumparan primer.

Medan magnetik selalu diteruskan oleh teras kumparan sehingga kumparan sekunder akan ditembus oleh medan magnetik yang berubah. Akibatnya, pada ujung-ujung kumparan sekunder timbul GGL induksi. Jika jumlah lilitan kumparan primer adalah Np dan jumlah lilitan kumparan sekunder adalah Ns maka berlaku hubungan:

Keterangan:

Np : jumlah lilitan primer

Ns : jumlah lilitan sekunder

Vp : tegangan primer (input)

Vs : tegangan sekunder (output)

Ip : arus primer

Is  : arus sekunder

Jika Ns lebih besar daripada Np dan tegangan pada kumparan sekunder lebih tinggi daripada tegangan pada kumparan primer maka transformator ini disebut transformator penaik tegangan ( Step Up). Jika Ns lebih kecil daripada Np dan tegangan pada kumparan sekunder lebih kecil daripada tegangan pada kumparan primer maka transformator ini disebut transformator penurun tegangan ( Step  Down).

DAFTAR PUSTAKA

Dewabtara, Aldrin dkk. (2011). Makalah Induksi Elektromagnetik [online] diakses pada tanggal 8 Oktober 2016. Tersedia : https://www.academia.edu/9627333/54880347-Makalah-Induksi-Elektromagnetik-1?auto=download

Drajat. (2009). FISIKA untuk SMA/MA Kelas XII. Bandung : Departemen Pendidikan Nasional

Foster, Bob. (2012). Fisika untuk SMA/MA Kelas XII Semester I. Jakarta : Erlangga

Resnick, Halliday. (1985). FISIKA Jilid 2 Edisi Ketiga. Jakarta : Erlangga

Tipler, Paul A. (2001). Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta : Erlangga