FISIKA KUANTUM

Fisika kuantum mempelajari struktur dasar materi (fundamental element). Yaitu mempelajari susunan atom dan struktur pembentuk atom. Disebut kuantum karena dari kata dasar quanta/quantised = terukur. Maksudnya mempelajari ukuran-ukuran/nilai-nilai/sifat-sifat dasar dari "bahan" pembentuk "materi". Mulai dari massa atom, proton, neutron, elektron sampai yang dianggap terkecil saat ini adalah quark sebagai "bahan" penyusun proton, neutron maupun elektron. Tidak hanya nilai massanya saja yang dipelajari, tetapi juga orbitnya, spin-nya, weak-force, gravitasi, sifat gelombang elektromagnetnya, dll.

A.    Energi Foton

Foton adalah partikel elementer dalam fenomena elektromagnetik. Biasanya foton dianggap sebagai pembawa radiasi elektromagnetik, seperti cahaya, gelombang radio, dan Sinar-X. Foton berbeda dengan partikel elementer lain seperti elektron dan quark, karena ia tidak bermassa dan dalam ruang vakum foton selalu bergerak dengan kecepatan cahaya, c. Foton memiliki baik sifat gelombang maupun partikel ("dualisme gelombang-partikel").

Sebagai gelombang, satu foton tunggal tersebar di seluruh ruang dan menunjukkan fenomena gelombang seperti pembiasan oleh lensa dan interferensi destruktif ketika gelombang terpantulkan saling memusnahkan satu sama lain.

Sebagai partikel, foton hanya dapat berinteraksi dengan materi dengan memindahkan energi sejumlah:

di mana h adalah konstanta Planck, c adalah laju cahaya, dan λ adalah panjang gelombangnya.

B.     Teori Kuantum

Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang menunjukan sifat partikel dari gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap benda terjadi secara tidak kontinyu (discontinue) dipancarkan dalam satuan kecil yang disebut kuanta (energi kuantum).

1.      Max Planck

Planck berpendapat bahwa kuanta yang berbanding lurus dengan frekuensi tertentu dari cahaya, semuanya harus berenergi sama dan energi ini E berbanding lurus dengan frekuensi.

Jadi : E = h.f

            Dengan :    E = Energi kuantum

h = Tetapan Planck = 6,626 x 10^­34 J.s

f = Frekuensi

Planck menganggap hawa energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda, timbul secara terputus-putus walaupun penjalarannya melalui ruang merupakan gelombang elektromagnetik yang kontinyu.

Einstein mengusulkan bukan saja cahaya yang dipancarkan menurut suatu kuantum pada saat tertentu tetapi juga menjalar menurut kuanta individual. Hipotesis ini menerangkan efek fotolistrik, yaitu elektron yang terpancar bila frekuensi cahaya cukup tinggi, terjadi dalam daerah cahaya tampak dan ultraungu.

Hipotesa dari Max Planck dan Einstein menghasilkan rumusan empiris tentang efek fotolistrik yaitu :

hf = Kmaks + hfo

hf = Isi energi dari masing-masing kuantum cahaya datang

Kmaks = Energi fotoelektron maksimum

hfo = Energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan sebuah elektron    dari permukaan logam yang disinari

Tidak semua fotoelektron mempunyai energi yang sama sekalipun frekuensi cahaya yang digunakan sama. Tidak semua energi foton (hv) bisa diberikan pada sebuah elektron. Suatu elektron mungkin akan hilang dari energi awalnya dalam interaksinya dengan elektron lainnya di dalam logam sebelum ia lenyap dari permukaan. Untuk melepaskan elektron dari permukaan logam biasanya memerlukan separuh dari energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom bebas dari logam yang bersangkutan.

Penafsiran Einstein mengenai fotolistrik dikuatkan dengan emisi termionik. Dalam emisi foto listrik, foton cahaya menyediakan energi yang diperlukan oleh elektron untuk lepas, sedangkan dalam emisi termionik kalorlah yang menyediakannya.

Usul Planck bahwa benda memancarkan cahaya dalam bentuk kuanta tidak bertentangan dengan penjalaran cahaya sebagai gelombang. Sementara Einstein menyatakan cahaya bergerak melalui ruang dalam bentuk foton. Kedua hal ini baru dapat diterima setelah eksperimen Compton. Eksperimen ini menunjukan adanya perubahan panjang gelombang dari foton yang terhambur dengan sudut (f) tertentu oleh partikel bermassa diam (m₀). Perubahan ini tidak bergantung dari panjang gelombang foton datang (l).

Hasil pergeseran compton sangat kecil dan tidak terdeteksi. Hal ini terjadi karena sebagian elektron dalam materi terikat lemah pada atom induknya dan sebagian lainnya terikat kuat. Jika elektron d timbulkan oleh foton, seluruh atom bergerak, bukan hanya elektron tunggalnya.

Untuk lebih memahami tinjauan teori kuantum dan teori gelombang yang saling melengkapi, marilah kita amati riak yang menyebar dari permukaan air jika kita menjatuhkan batu ke permukaan air. Pernahkan Anda perhatikan hal ini? Riak yang menyebar pada permukaan air akan hilang dengan masuknya batu ke dasar.

Analogi ini dapat menjelaskan energi yang dibawa cahaya terdistribusi secara kontinyu ke seluruh pola gelombang. Hal ini menurut tinjauan teori gelombang sedangkan menurut teori kuantum, cahaya menyebar dari sumbernya sebagai sederetan konsentrasi energi yang teralokalisasi masing-masing cukup kecil sehingga dapat diserap oleh sebuah elektron.

a)      Teori gelombang cahaya menjelaskan difraksi dan interferensi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum. Sedangkan teori kuantum menjelaskan efek fotolistrik yang tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang.

b)      Teori gelombang cahaya menjelaskan difraksidan interferensi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori kuantum.

Teori kuantum menjelaskan efek fotolistrik yang tidak dapat di jelaskan oleh teori gelombang. Bila cahaya melalui celah-celah, cahaya berlalu sebagai gelombang, ketika tiba di layar cahaya berlalu sebagai partikel.

Berdasarkan data tersebut, dilakukan eksperimen lanjutan yang meneliti sifat dualisme gelombang dan partikel.

C.    Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah perambatan secara transversal antara medan listrik dan medan magnet ke segala arah. Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang bisa sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar-x.

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.

Yang termasuk gelombang elektromagnetik:

Gelombang	Panjang gelombang λ
gelombang radio	1 mm-10.000 km
infra merah	0,001-1 mm
cahaya tampak	400-720 nm
ultra violet	10-400nm
sinar X	0,01-10 nm
sinar gamma	0,0001-0,1 nm

Sinar kosmis tidak termasuk gelombang elektromagnetik; panjang gelombang lebih kecil dari 0,0001 nm. Sinar dengan panjang gelombang besar, yaitu gelombang radio dan infra merah, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih rendah. Sinar dengan panjang gelombang kecil, ultra violet, sinar x atau sinar rontgen, dan sinar gamma, mempunyai frekuensi dan tingkat energi yang lebih tinggi.

v  Sinar Gamma:

·         frekuensinya: 10²⁰ hz - 10²⁵ hz.

·         mempunyai daya daya tembus sangat besar.

·         dipakai pada bidang industry.

·         alat deteksi: Geiger Muller.

v  Sinar X (=sinar rontgen):

·         frekuensinya: 10¹⁶ hz – 10²⁰ hz.

·         daya tembus besar.

·         dipakai untuk mendeteksi organ organ dalam tubuh (misal: menentukan posisi tulang yang patah).

v  Ultra Violet:

·         frekuensinya: 10¹⁵ hz – 10¹⁶ hz.

·         sumber utamanya matahari.

·         diperlukan pada proses asimilasi tumbuhan.

·         membunuh beberapa jenis kuman penyakit kulit.

v  Cahaya Tampak (=sinar):

·         satu-satunya GEM yang dapat dilihat (teramati mata manusia).

·         panjang gelombangnya: 430 nm - 690 nm (rentang frekuensinya sempit).

·         manfaat/ fungsinya: membuat kita dapat melihat.

v  Infra Merah:

·         frekuensinya: 10¹¹ hz - 10¹⁴ hz.

·         digunakan pada fotografi (pemotretan dari udara atau satelit) untuk pemetaan permukaan bumi dan sumber-sumber alam.

·         dapat juga dipakai pada terapi fisik (physical therapy).

v  Gelombang Radar (Radio Detection and Ranging):

·         untuk mendeteksi pesawat yang bergerak mendekati/menjauhi pangkalan udara.

·         dapat juga dipakai pada sarana komunikasi.

v  Gelombang TV dan Gelombang Radio:

·         penggunaannya sebagian besar untuk pemancar radio dan TV.

D.    Sifat-sifat Gelombang Elektromagnetik

      Dari beberapa percobaan yang telah dilakukan, Hertz berhasil mengukur bahwa radiasi gelombang elektromagnetik frekuensi radio (100 MHz) yang dibangkitkan memiliki kecepatan rambat sesuai dengan nilai yang diramalkan oleh Maxwell. Di samping itu, eksperimen Hertz ini juga menunjukkan sifat-sifat gelombang dari cahaya, yaitu pemantuan, pembiasan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Dengan demikian, hipotesis Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik telah terbukti kebenarannya melalui eksperimen Hertz.

Dari uraian ini, dapat ditulis sifat-sifat gelombang elektromagnetik yaitu:

a.       Dapat merambat dalam ruang hampa,

b.      Merupakan gelombang transversal,

c.       Dapat mengalami polarisasi,

d.      Dapat mengalami pemantulan (refleksi),

e.       Dapat mengalami pembiasan (refraksi),

f.       Dapat mengalami interferensi,

g.      Dapat mengalami lenturan atau hamburan (difraksi),

h.      Merambat dalam arah lurus.Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan Maxwell, kecepatan gelombang elektromagnetik diruang hampa adalah sebesar 3 x 10⁸ m/s yang nilainya sama dengan laju cahaya terukur (Supriyono, 2006).

c = f x λ

Keterangan:     c = laju cahaya (3 x 10⁸)

                        f = frekuensi gelombang (Hz)

                        λ = panjang gelombang (m)

Berdasarkan persamaan tersebut, kita dapat menentukan frekuensi cahaya tampak bernilai antara 4 x 10¹⁴ Hz hingga 7,5 x 10¹⁴ Hz.

E.     Peranan Gelombang Elektromagnetik dalam Kehidupan

Gelombang elektromagnetik banyak dimanfaatkan dalam kehidupan di muka bumi. Pemanfaatan itu ada dalam berbagai bidang, yaitu bidang kedokteran, bidang industri, bidang astronomi, bidang seni, dan bidang sains fisika. Banyak sekali keuntungan yang diperoleh dari pemanfaatan gelombang elektromagnetik ini. Tetapi, gelombang elektromagnetik ini juga dapat memberikan dampak negatif yang dapat mengganggu kehidupan di muka bumi.

Fungsi elco

Fungsi elco dalam suatu rangkaian elektronika yaitu di pakai untuk mengetahui nilai kapasitas sebuah elco didalam satuan uf (mikro farad). Fungsi elco biasanya sering di sebut sebagai kapasitor polar. Dalam kapasitor polar mempunyai dua kutub yang berlainan pada setiap kakinya, sehingga didalam pemasangan komponen ini tidak bisa terbalik maupun salah didalam pemasangan.

Elco atau kondensator/kapasitor elektrolit yaitu komponen yang mempunyai dua kaki, yakni kaki ( – ) dan kaki ( + ). Fungsi elco juga bisa di sebut sebagai penyimpan arus listrik searah dc. Rangkaian elco biasanya di gunakan dalam rangkaian apa saja, misalnya pada power supply regulator dan rangkaian lainnya. Kapasitor elco di bagi jadi 2 type, yakni kapasitor polar dan kapasitor bipolar / non polar. Pembagian ini didasarkan pada polaritas ( kutub positif dan negatif ) dari masing-masing kapasitor.

Komponen elco juga dapat mengalami kerusakan, seandainya kerusakan tidak di ketahui maupun elco meletus maka untuk mengetesnya dapat kita gunakan avometer. Cara pemakaian avometer yaitu dengan menghubungkan kabel avo ke kaki elco, jika elco normal, jarum pada avometer akan menunjuk ke atas kemudian perlahan lahan akan turun sampai nilai 0. Bila komponen elco rusak, maka jarum pada avometer tidak dapat turun dan tetap naik ke atas.

Gambar 1. elco

Kapasitor elektrolit juga biasanya di sebut sebagai mempunyai fungsi elco, dikarenakan kapasitor ini mempunyai dua buah kaki yang di tandai dengan kaki panjang (positif) dan kaki pendek (negative). Nilai kapasitas dari kapasitor ini adalah 47 uf ( mikro farad ) sampai beberapa ribu mikro farad dengan voltase kerja dari beberapa volt sampai beberapa ribu volt.

Tak hanya kapasitor elektrolit yang memiliki polaritas pada kakinya, ada juga kapasitor yang berpolaritas yakni kapasitor solid tantalum. Kerusakan umum yang sering di temukan didalam.Fungsi Elco terlebih pada kapasitor elektrolit yaitu kering ( kapasitasnya berubah ), konsleting listrik dan meledak yang dikarenakan salah didalam pemasangan tegangan positif dan negatifnya, bila batas maksimum voltase di lampaui juga dapat mengakibatkan ledakan. Setiap elco mempunyai tegangan kerja yang berbeda-beda, umumnya batas maksimal tegangan yang diperbolehkan untuk suatu elco tertulis pada badannya. Tegangan kerja pada elco bisa dinyatakan didalam satuan volt.

RANGKAIAN PENGUAT KELAS A

Contoh dari penguat kelas A adalah adalah rangkaian dasar common
emiter (CE) transistor. Penguat tipe kelas A dibuat dengan mengatur
arus bias yang sesuai di titik tertentu yang ada pada garis bebannya.
Sedemikian rupa sehingga titik Q ini berada tepat di tengah garis
beban kurva VCE-IC dari rangkaian penguat tersebut dan sebut saja
titik ini titik A. Gambar berikut adalah contoh rangkaian common
emitor dengan transistor NPN Q1.

Garis beban pada penguat ini ditentukan oleh resistor Rc dan Re dari
rumus VCC = VCE + IcRc + IeRe. Jika Ie = Ic maka dapat disederhanakan
menjadi VCC = VCE + Ic (Rc+Re). Selanjutnya pembaca dapat menggambar
garis beban rangkaian ini dari rumus tersebut. Sedangkan resistor Ra
dan Rb dipasang untuk menentukan arus bias. Pembaca dapat menentukan
sendiri besar resistor-resistor pada rangkaian tersebut dengan pertama
menetapkan berapa besar arus Ib yang memotong titik Q.

Besar arus Ib biasanya tercantum pada datasheet transistor yang
digunakan. Besar penguatan sinyal AC dapat dihitung dengan teori
analisa rangkaian sinyal AC. Analisa rangkaian AC adalah dengan
menghubung singkat setiap komponen kapasitor C dan secara imajiner
menyambungkan VCC ke ground. Dengan cara ini rangkaian gambar-1dapat
dirangkai menjadi seperti gambar-3. Resistor Ra dan Rc dihubungkan ke
ground dan semua kapasitor dihubung singkat.

Dengan adanya kapasitor Ce, nilai Re pada analisa sinyal AC menjadi
tidak berarti. Pembaca dapat mencari lebih lanjut literatur yang
membahas penguatan transistor untuk mengetahui bagaimana perhitungan
nilai penguatan transistor secara detail. Penguatan didefenisikan
dengan Vout/Vin = rc / re`, dimana rc adalah resistansi Rc paralel
dengan beban RL (pada penguat akhir, RL adalah speaker 8 Ohm) dan re`
adalah resistansi penguatan transitor. Nilai re` dapat dihitung dari
rumus re` = hfe/hie yang datanya juga ada di datasheet transistor.
Gambar-4 menunjukkan ilustrasi penguatan sinyal input serta
proyeksinya menjadi sinyal output terhadap garis kurva x-y rumus
penguatan vout = (rc/re) Vin.

Ciri khas dari penguat kelas A, seluruh sinyal keluarannya bekerja
pada daerah aktif. Penguat tipe class A disebut sebagai penguat yang
memiliki tingkat fidelitas yang tinggi. Asalkan sinyal masih bekerja
di daerah aktif, bentuk sinyal keluarannya akan sama persis dengan
sinyal input. Namun penguat kelas A ini memiliki efisiensi yang rendah
kira-kira hanya 25% – 50%. Ini tidak lain karena titik Q yang ada pada
titik A, sehingga walaupun tidak ada sinyal input (atau ketika sinyal
input = 0 Vac) transistor tetap bekerja pada daerah aktif dengan arus
bias konstan. Transistor selalu aktif (ON) sehingga sebagian besar
dari sumber catu daya terbuang menjadi panas. Karena ini juga
transistor penguat kelas A perlu ditambah dengan pendingin ekstra
seperti heatsink yang lebih besar.