Perhitungan Polaritas

	MODUL14 14

 

 

Perhitungan polarisasi

Momen dwikutub (dipole) p_e dari molekul (atau atom atau satua sel) yang terpolarisasi adalah hasil kali muatan Q dan jarak d_e antara pusat muatan positif dan negatif:

Hal ini dapat dilihat pada gambar dibawah, dimana CH3Cl mempunyai 26 elektron, masing-masing bermuatan 0,16X10^-18 C. bila medan listrik menimbulkan pergeseran rata-rata d_e = 0,01 nm antara pusat muatan positif dan muatan negatif, momen dwikutub permolekul adalah 26x(0,16x10^-18C)(10^-11)m = 40 x 10³⁰ C.m.

Polarisasi diukur dengan menjumlahkan momen dwikutub persatuan volume “

                        P = å_pe/V = åQd_e/V                                                               9.2

Jadi bila terdapat 10²⁰ molekul metil khlorida permeter kubik, polarisasi CH3Cl sama dengan :

                        10²⁴ (40x10^-30 C.m)(1 m³) = 40x10^-10 C/m²

Konstanta dielektrik

Medan listrik dapat menimbulkan polarisasi ionik dan elektronik dan dapat mengerahkan molekul terpolarisasi secara permanen. Sebaliknya, polarisasi menimbulkan peningkatan kerapatan muatan pada kapasitor (kondensator). Hal ini dapat dibuktikan dengan memisahkan kedua pelat kapasitor sejauh d dan diantara kedua pelat tadi terdapat tegangan E (gambar   ). Medan listrik x adalah gradient tegangan :

                        x = E/d                                                                                                9.3

Gambar 9.10. Rapat muatan

Bila ruang diantara pelat seperti gambar diatas kosong, rapat muatan pada tiap pelat sebanding dengan x, dengan kosntanta perbandingan e_o = 8,85x10^-12 C/V.m.

                        P_o = e_ox = (8,85 x 10^-12C?V.m) x                               9.4

Jadi bila gradien tagngan = 1 V/m, maka pada elektroda terdapat muatan sebesar 8,85x10^-12 C/m². Karena tiap elektron dapat membawa muatan sebesar 0,16x10^-18C, rapat elektron pada elektroda adalah 55x10⁶/m². Gradien tegangan dalam rangkaian listrik biasanya lebih tinggi, oleh karena itu rapat muatan jauh lebih besar.

Bila diantara kapasitor pelat terdapat bahan, maka rapat muatan pada pelat, seperti telah dijelaskan pada kulia terdahulu.

Polarisasi dapat juga diangap sebagai penambahan rapat muatan yang berasal dari dielektrik seperti terlihat pada gambar dibawah.

Gambar 9.11. Rapat muatan terhadap medan listrik

Dielektrik polimer

Konstanta dielektrik polimer berasal dari polarisasi elektronik dan orientasi molekular. Telah diperlihatkan pada gambar terdahulu dimanan konstanta dielektrik untuk frekuensi diatas 10⁸ Hz kurang dari 3,0 dan hanya ada polarisasi elektronik. Berikut ini dapat dilihat tabel yang memperlihatkan konstanta dielektrik pada 20^oC.

Tabel 9.5

Konstantan dielektrik relatif (20^oC)

Pada gambar dibawah secara skematis memperlihatkan pengaruh polarisai pada konstanta dielektrik relatif k sebagai fungsi daru frekuensi. Dibawah T_g, pergerakan molekul tidak mempengaruhi konstanta dielektrik. Bila T_g telah dilampaui, konstanta dielektrik akan meningkat seperti tampak pad gambar tersebut Akan tetapi, pada temperatur yang lebih tinggi, tercatat penurunan dalam konstanta dielektrik, karena agitasi termal yang kuat menghancurkan orientasi dwikutub molekul.

Kurva pada gambar 9.13 juga mengetengahkan suatu peristiwa lain. Tempratur jelas T_g berubah tergantung pada frekuensi.

Gambar 9.12. Konstanta dielektrik relatif.

Gambar 9.13. Konstanta dielektrik terhadap temperatur.

Bahan Piezoelektrik

Telah diketahui bahwa molekul tertentu memiliki dwikutub permanen, yaitu molekul polar. Sejalan dengan itu, kristal tertentu memiliki dwikutub listrik permanen karena pusat muatan positif dan negatif tidak berimpit dengan sel satuan. Sel satuan tersebut telah terpolarisasi. Sebagai contoh dapat dikemukakan BaTi)₃, Struktur BaTiO₃ diatas 120^oC. Titik ini disebut titik Curie, dibawah temperatur 120^oC terjadi pergeseran ion-ion yang kecil akan tetapi penting. Ion Ti⁴⁺ tergeser sekitar 0,006 nm terhadap ion sudut Ba²⁺. Ion 2^2- tergeser dalam arah berlawanan seperti terlihat pada gambar dibawah. Titik pusat muatan positif dan pusat muatan negatif terpisah sejauh d, yaitu panjang dwikutub.

BaTiO₃ berubah dimensinya bila berada dalam medan listrik karena muatan negatif akan tertarik kearah elektroda positif dan muatan positif akan tertarik ke arah elektroda negatif, sehingga panjang dwikutub d bertambah besar.

Ini berarti bahwa bahwa momen dwikutub Qd dan polarisasi p = åQd persatuan volume.

Efek beruntun tersebut diatas dapat digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi enersi listrik, demikian pula sebaliknya. Dari gambar 9.14(a)  untuk menjelaskan gejala ini. Pengarahan momen dwikutub dari sel-sel satuan menghasilkan polarisasi, yaitu muatan positif terhimpun pada salah satu sisi kristal dan muatan negatif berhimpun pada ujung lainnya.

Perhatikan dua alternatif seperti terlihat pada gambar b dan d. (1) tekanlah kristal dengan tegangan s. Akan terjadi regangan e, besar e tergantung pada modulus elastisitas. Regangan ini merubah panjang dwikutub d dan secara langsung mempengaruhi polarisai, karena Q dan V tetap konstan.

Gambar 9.14  BaTiO₃ Tetragonal

Bila pilarisasi kecil, terdapat kelebihan muatan pada kedua ujung krital. Bila kedua ujung diisolasi, terjadilah perbedaan tegangan (b). Bila ada hubungan listrik, elektron akan mengalir dari ujung yang satu keujung lainnya (c). (2) Pada gambar (d) tidak ada tekanan, pada kedua ujung terdapat tegangan (volt) yang meningkatkan rapat muatan pada kedua ujung.

Muatan negatif dalam BaTiO₃ tertarik kesatu pihak dan muatan positif tertarik keujung lainnya, sehingga tidak hanya panjang kutub d yang berubah akan tetapi dimensi kristal berubah pula.

Kedua keadaan ini menunjukkan bahwa gaya mekanik dan dimensi dapat diganti oleh muatan listrik dan/atau tegangan. Alat dengan kemampuan seperti ini disebut transducer. Bahan dengan karakteristik tersebut diatas disebut piezoelektrik (berasal dari tekanan listrik). Kristal jenis BaTiO₃ digunakan sebagai alat pengukur tekanan, untuk kartrid gramofon keramik, dan untuk pembangkit bunyi berfrekuensi tinngi.

Kristal kuarsa (SiO₂) juga bersifat piezoelektrik namun biasanya digunakan untuk yaitu rangkaian jam dan rangkaian kontrol untuk untuk siaran radio.

Bahan optik

Bahan untuk.  Keperluan optik umum berfungsi meneruskan cahaya. Kadang-kadang perlu meneruskan cahaya secara selektif atau bertindak sebagai filter. Pemamfaatan bahan bahan yang paling sering, adalah sebagai kaca bangunan atau jendela mobil, persyaratan optik yang harus dipenuhi adalah kemampuan transmissi tanpa distorsi. Hal ini dapat dipenuhi bila permukaan datar yang sejajar serta tanpa cacat dalam. Untuk pemamfaatan khusus, bahan harus dapat menyaring radiasi infra merah atau ultraviolet.

Lensa optik harus dapat membiaskan cahaya sepanjang jalur optik tertentu. Pada lensa kacamata, pembiasan diatur dengan mengosok permukaan sesuai dengan lengkungan tertentu. Indeks refraksi, yang merupakan sifat bahan, adalah faktor kedua yang harus diperhatikan pada spesifikasi lensa dan harus diperhitugkan dalam semua sistem optik.

Serat optik untuk saluran komunikasi merupakan inovasi baru. Jelas bahwa serat harus mempunyai daya absorpsi cahaya mendekati nol. Selain itu, indeks bias juga merupakan faktor.

Optik laser adalah penerapan teknologi tinggi dari cahaya yang mendorong perkembangan bahan mutahir.

Indeks bias

Indeks bias n suatau bahan adalah rasio kecepatan cahaya, v, dalam vakum dengan kecepatan dalam bahan. Indeks dihitung dengan Hukum Snell, yang mengkaitkan sudut jatuh dan sudut bias sebagai berikut :

Berkas cahaya dapat dibiaskan adalam berbagai arah. Namun, bila f₂ melampaui nilai kristal tertentu (yaitu f₁), berkas dipantulkan didalam cahaya.

Gambar 9.16. Pembiasan

Indeks bias tergantung pada frekuensi. Sebaran indeks bias antara biru dan merah disebut dispersi. Makin pendek panjang gelombang, makin besar indeks bias. Hal ini penting untuk disain sistem lensa, disini semua warnah harus memiliki bidang fokus yang sama. Pada tabel berikut dapat dilihat indeks bias dan dispersi beberapa bahan tertentu.

Tabel 9.6

Indeks bias

Indeks bias berkaitan pula dengan polarisasi, Polarisasi elektronik dapat terjadi pada frekuensi 10¹⁵Hz, hubungan antara indeks n dan konstanta dielektrik elektronik dapat dilihat pada persamaan berikut :

                                                                                                                   9.6

Dalam bahan gelas dan kubik, polarisasi elektronik pada semua arah sama. Bahan bukan kubik, memiliki polarisasi elektronik yang berbeda dengan perubahan arah getaran cahaya. Jadi, indeks bias bersifat anisotropik. Sebagai contoh, pada kalsit (CaCO₃), ion (CO₃)^2- memiliki orientasi sedenikian rupa sehingga empat buah atomnya terletak pada bidang (0001) yang sama dari kristal heksagonal.

Gambar 9.17. Anisotropi optik (CaCO₃).

Absorpsi

Bagian yang kasat mata dari spektrum elektromagnetik berada sekitar 5x10¹⁴ Hz. Daerah ini berada dibawah batas polarisasi normal dan daias limit polarisasi ionik. Oleh karena itu, bahan ionik dan kovalen sederhana biasanya transparan, karena kehilangan energi yang berkaitan dengan selisi fasa tidak ada.

Penyesuaian yang yang terjadi disebabkan disebabkan oleh cacat-cacat dalam bahan.

Warnah bahan timbul karena absorpsi parsial dari cahaya putih dan hasil transmissi selektif cahaya. Kini akan dibahas beberapa mekanisme absorpsi cahaya dan bahan yang seharusnya bersifat transparan-pusat warnah.

Serat optik

Pada perkembangan yang terakhir, pemakaian serat optik (optic fibre) sebagai saluran transmissi komunikasi jarak jauh lebih menguntungkan, jika dibandingkan dengan transmissi konvensional antara lain : saluran 2 kawat sejajar, kabel koaksial.

Beberapa keuntungan tersebut antara lain : dimensinya kecil dan ringan, bebas dari inteferensi elektromagnetis, tidak ada bahaya loncatan bunga api, tidak mungkin terjadi gangguan hubung singkat, kemungkinan terjadintya percakapan silang sangat kecil, umumnya tahan terhadap pengaruh kimia dan suhu sehingga cocok dengan kondisi daerah tropis.

Sistim komunikasi yang menggunakan transmissi serat optik harus mengubah sinyal-sinyal listrik menjadi sibyal cahaya pada sisi pengirim dan kemudian merubah sinyal cahaya menjadi listrik pada sisi penerima.

Sebuah serat optik umunya terdiri dari : inti, pelapis, penguat dan pembungkus luar.

Saluran transmissi serat optik dapat dilewati oleh satu atau lebih ragam gelombang optik. Berdasarkan jumlah ragam gelombang yang merambat padanya, serat optik dapat dibedakan menjadi 2 yaitu : serat optik ragam jamak (multi mode optic fibre) dan serat optik ragam tunggal (single mode optik fibre).

Disamping itu serat optik dapat pula dibedakan menurut susunan atau profil indeks biasnya yaitu : serat optik yang intinya mempunyai indeks bias homogen yang disebut dengan serat dengan indeks bertingkat dan serat optik yang intinya mempunyai indeks bias campuran sehingga indeks biasnya merupakan adalah campuran.

Berdasarkan konstruksinya, serta optik dapat dibedakan menjadi 3 yaitu :

1. Serat optik berbentuk batang dielektrik
2. Serat optik dengan inti yang mempunyai lapisan tunggal
3. Serat optik inti yang mempunyai lapisan ganda.

Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa sistim komunikasi saluran ganda modulasi cahaya yang baru memerlukan serat optik yang dapat meneruskan cahaya melalui jarak yang cukup jauh. Oleh karena itu komposisi, struktur dan pemrosesan serat gelas. Serat harus bebas oksida yang menyerap cahaya khususnya, semua oksida logam transisi seperti FeO. Kita tergantung pada refleksi internal total sehingga cahaya seluruhnya tetap berada dalam pemandu gelombang optik.

Sebetulnya hal ini sangat sederhana, karena besar sudut kritis dapat dihitung dari indeks biasa seperti pada rumus didepan. Akan tetapi, belokan tajam serat dapat menimbulkan kebocoran yang lebih penting, cacat permukaan, tidak boleh ada, karena dapat menimbulkan hamburan cahaya dengan sendirinya, setiap penanganan serat dapat menimbulkan cacat. Pengaruh cacat dapat ditiadakan bila gelas transmissi cahaya dilapisi dengan gelas yang mempunyai indeks gelas yang tinggi dan pipa gelas dengan indeks yang rendah. Pada gambar dibawah dapat dilihat gelas yang masih panas ditarik menjadi filamen komposit.

Gambar 9.19. Pemandu gelombang otik (serat ganda)

Laser

Laser ( Light Amplification Simulated Emission of Radiation) merupakan sumber cahaya koheren, yaitu, semua cahaya sefasa. Oleh karena itu, berkasnya monokromatik.

Bahan laser original masih tetap digunakan, terdiri dari batang kristal rubi, yaitu Al2O3 yang mengandung 0,5 persen ion Cr³⁺ dalam keadaan larutan padat. Kini telah dikembangkan berbagai bahan, antara lain, gas, cairan, dan bahan padat, gelas dan semi konduktor. Elektron atom mengalami eksitasi dan mencapai keadaan energi yang lebih tinggi atau keadaan energi puncak. Peningkatan elektron ke keadaan energi yang lebih tinggi dicapai foton dari lampu kilat.

Sama dengan perpendaran, elektron yang mengalami aktivasi akan kembali ke keadaan awal secara acak dan statistik dan akan melepaskan energi dalam bentuk foton cahaya. Laju relaksasi biasanya dinyatakan sebagai persamaan peluruhan. Akan tetapi, kembali kelevel semula dapat dipaksakan, bila elektron mengalami stimulasi oleh foton dengan energi sebesar energi pelepasan.nya. Dengan kata lain, satu foton dapat melepaskan foton lain dan seterusnya membentuk reaksi berangkai selama foton tersebut berada dalam bahan. Kemudian foton berikutnya dilepas dalam keadaan sefasa dengan elektron yang memacunya.

Bila tidak ada foton yang lepas, akan ada peningkatan seketika dan semua elektron yang diperkuat, dan terjadi kilatan cahaya. Prosedur untuk menyimpan foton untuk pemakaian ulang adalah adalah dengan memoles atau menyepuh ujung laser dengan perak agar terjadi reflekasi (lihat gambar dibawah).

Pada alat lasert terdapat pompa cahaya, biasanya berbentuk tabung pelepas gas, dikelilingi oleh reflektor untuk mengkonsentrasikan energi aktivasi dalam batang rubi (atau bahan laser lain). Berkas monokromatik, koheren dan sejajar yang dihasilkan disalurkan kereat optik suatu sistem komunikasi atau difokuskan kesuatu titk sasaran. Cara terakhir ini memungkinkan berbagai cara pemamfaatan laser, mulai dari operasi mata untuk melepas retina hingga kepengarasan permukaan.

Gambar 9.20. Alat laser.