LAPORAN PENELITIAN HIBAH PENELITIAN PROGRAM SP4 Tahun anggaran 2004
RANCANG-BANGUN PIRANTI IDENTIFIKASI RADIASI ELEKTROMAGNETIK (KASUS DI SEKITAR BERKAS SINAR KATODA)
Oleh: Agus Purwanto Slamet MT Sumarna Restu Widiyatmono Pujianto
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA 2004 Penelitian ini dibiayai dengan dana Proyek SP4 UNY Nomor Kontrak:27/Skr.SP4/Ktr.RG/2004
1
ABSTRAK
Tujuan dari penelitian ini adalah membuat piranti untuk menyelidiki keberadaan dan sifat-sifat radiasi elektromagnetik (kasus di sekitar berkas sinar katoda). Sifat-sifat radiasi elektromagnetik dibatasi pada intensitas dan orientasi arah. Bagian-bagian pokok dari piranti tersebut adalah kumparan (yang dapat menangkap radiasi elektromagnetik) dan penampil (display). Sumber radiasi elektromagnet berupa sinar katoda yang bergerak lurus dipercepat. Tegangan pemercepat diperoleh dari induktor Ruhmkorff. Radiasi elektromagnetik ditangkap dengan menggunakan kumparan dari kawat berdiameter 1 mm, jumlah lilitan 100, dan jari-jari kumparan 15 cm. Intensitas radiasi teramati sebagai beda tegangan diantara ujung-ujung kumparan (dalam orde milivolt). Intensitas radiasi yang terukur tergantung pada jarak kumparan (sebagai sensor) terhadap sumber radiasi, kuat arus berkas muatan yang dipercepat dan tegangan pemercepat. Orientasi radiasi atau pola medan magnet, dan juga medan listrik, dapat diselidiki dengan cara memutar kumparan.
2
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji hanya untuk Allah. Kami bersyukur atas karunia kesehatan dan kesempatan
yang telah diberikan oleh Allah sehingga kami dapat
melakukan penelitian untuk mengetahui keberadaan radiasi elektromagnetik di sekitar muatan yang bergerak dipercepat. Setelah melakukan penelitian ini kami semakin menyadari bahwa kajian tentang radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh muatan yang bergerak dipercepat merupakan bidang kajian yang sangat luas dan sangat rumit. Kerumitan tersebut diawali dengan tidak tampaknya radiasi elektromagnetik, sehingga untuk mendeteksinya diperlukan langkah-langkah yang bersifat deduktif. Keabsahan kesimpulan yang diperoleh tergantung pada seberapa jauh kita bisa mengeliminasi faktor-faktor tak penting yang mempengaruhi hasil pengukuran. Kami berharap bahwa langkah awal ini dapat membuka jalan untuk penelitianpenelitian lebih lanjut di bidang radiasi elektromagnetik. Harapan ini didasari keyakinan bahwa bidang ini dapat menyediakan ajang berlatih bagi mahasiswa agar mereka terlatih berpikir secara analitis dan kritis, disamping mereka dapat memperoleh pengalaman yang sangat berharga di bidang instrumentasi. Semoga laporan ini bermanfaat!
3
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ..................................................................................................... i ABSTRAK ..................................................................................................................... ii KATA PENGANTAR .................................................................................................... iii DAFTAR ISI................................................................................................................... iv BAB I: PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah ……………………………………………………… 1 B. Rumusan Masalah ……………………………………………………………. 1 C. Tujuan Penelitian …………………………………………………………….. 2 D. Manfaat Penelitian …………………………………………………………… 2 BAB II: KAJIAN PUSTAKA A. Radiasi Elektromagnet Dari Muatan Bergerak Lurus Dipercepat …………… 3 B. Kumparan Sebagai Sensor Radiasi Elektromagnet ………………………….. 4 BAB III: METODE PENELITIAN A. Lokasi Penelitian ……………………………………………………………. 5 B. Prosedur Penelitian ………………………………………………………….. 5 BAB IV: HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian ……………………………………………………………… 8 B. Pembahasan ………………………………………………………………….
9
BAB V: KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ………………………………………………………………….. 11 B. Saran ………………………………………………………………………… 11 DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………………. 12
4
BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG MASALAH Beberapa fenomena alam mengindikasikan adanya radiasi energi ataupun penggenerasian suatu kuantitas fisik. Medan magnetik dapat dijumpai di sekitar muatan listrik yang bergerak (atau di sekitar kawat berarus). Elektron yang mengalami peristiwa deeksitasi akan meradiasikan energi yang berupa gelombang elektromagnetik. Energi (terkait dengan frekuensi) gelombang elektromagnetik yang diradiasikan pada peristiwa tersebut tergantung dari perbedaan antara tingkat energi eksitasi dengan tingkat energi orbit stabil elektron. Muatan listrik yang mengalami percepatan juga menghasilkan radiasi elektromagnetik. Mengingat sejauh ini belum terlalu besar perhatian yang ditujukan pada upaya untuk meneliti dan memahami radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh muatan yang bergerak dipercepat, maka kami memandang perlu untuk melakukan penelitian di bidang tersebut. Hal ini didorong oleh keyakinan bahwa bidang elektrodinamika, dalam hal ini khusus terkait dengan radiasi elektromagnetik, mampu menghasilkan dan memicu penelitian-penelitian lain di bidang instrumentasi, misalnya, dan juga bisa menjadi sarana bagi mahasiswa untuk berlatih berpikir kritis dan analitis.
B. RUMUSAN MASALAH 1. Seperti apakah model piranti (alat) yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi keberadaan radiasi elektromagnetik di sekitar berkas muatan yang dipercepat? 2. Dapatkah alat tersebut mengidentifikasi keberadaan radiasi elektromagnetik di sekitar berkas muatan yang dipercepat dan dapat digunakan untuk mempelajari sifat-sifatnya? Sifat-sifat tersebut terbatas pada intensitas dan orientasi arah.
5
C. TUJUAN 1. Merancang model piranti (alat) yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi keberadaan radiasi elektromagnetik di sekitar berkas muatan yang dipercepat. 2. Dengan
piranti
tersebut
kemudian
dapat
dipelajari
sifat-sifat
radiasi
elektromagnetik yang telah teridentifikasi. Sifat-sifat tersebut terbatas pada intensitas dan orientasi arah.
D. MANFAAT PENELITIAN 1. Mengetahui rancang-bangun alat yang dapat mendeteksi keberadaan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh berkas muatan yang bergerak lurus dipercepat. 2. Mengetahui besaran yang terkait dengan intensitas radiasi dan orientasi arah radiasi elektromagnetik. 3. Memicu munculnya penelitian-penelitian di bidang radiasi elektromagnetik.
6
BAB II KAJIAN PUSTAKA
A. RADIASI ELKTROMAGNET DARI MUATAN BERGERAK LURUS DIPERCEPAT
Terkait dengan muatan listrik yang mengalami percepatan, dikenal suatu potensial skalar dan potensial vektor yang dihasilkan oleh muatan yang bergerak yaitu potensial Lienard-Wiechert. Potensial skalar ( ) yang terkait dengan distribusi muatan yang bergerak, pada titik dan pada waktu t, dinyatakan sebagai :
( ,t) =
1 4 0
(r ' , t ' ) ’ r ' dv .
Solusi potensial skalar tersebut pada kasus muatan titik yang bergerak uniform (lintasan lurus dan kecepatan konstan) pada suatu titik P dengan koordinat = ( ,, ) menghasilkan potensial skalar dan potensial vektor berturut-turut adalah :
( ,t) =
q
1
4 0
( vt) ( 2 )(1 v 2 / c 2 )
q A ( ,t) = 0 4
2
2
v ( vt)2 ( 2 2 )(1 v 2 / c 2 )
Sedangkan solusi potensial skalar dan potensial vektor yang dikenakan dalam kasus radiasi pada muatan titik yang dipercepat menghasilkan formulasi untuk medan listrik dan medan magnetik masing-masing sebagai berikut :
1 ' R 'v ' v '2 R 'v ' v.R ' v R ' ' (R )(1 2 ) ( R ) E ( ,t) = . c c c R3c 2 R2c 2 4 0 R3 q
7
q B ( ,t) = 0 4
' ' ' ' R 'v ' ' v 2 R' v R 3 (1 2 ) 3 ' R ( R v ) . c R cR c R
Dari nilai E dan B di atas dapat diperoleh daya radiasi elektromagnetik per satuan sudut ruang yang dipancarkan oleh muatan yang bergerak lurus dipercepat sebagai berikut:
q2 a 2 sin 2 dP 1 = ( ) d 4 o 4c 3 (1 cos ) 5
B. KUMPARAN SEBAGAI SENSOR RADIASI ELEKTROMAGNET Untuk mendeteksi keberadaan radiasi elektromagnet yang dipancarkan oleh muatan yang bergerak lurus dipercepat digunakan kumparan dengan 100 lilitan, dan jari-jari kumparan 15 cm. Jika terjadi perubahan fluks magnet pada kumparan karena adanya radiasi elektromagnet dari muatan yang bergerak lurus dipercepat, maka akan timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi ini akan diukur dengan menggunakan voltmeter digital. Besar GGL induksi tergantung pada laju perubahan fluks magnet. Untuk laju perubahan konstan, besar GGL induksi dipengaruhi oleh orientasi arah kumparan terhadap berkas muatan yang bergerak dipercepat. Dengan cara ini dapat diketahui orientasi arah medan elektromagnet yang dihasilkan oleh muatan yang bergerak dipercepat.
8
BAB III METODE PENELITIAN
Lokasi Penelitian Penelitian mengenai rancang bangun alat deteksi radiasi elektromagnetik pada berkas elektron yang dipercepat lurus ini dilaksanakan di Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi pada Jurusan Pendidikan Fisika FMIPA UNY.
Prosedur Penelitian Untuk tahap awal, merancang peralatan yang diperlukan untuk mengidentifikasi radiasi elektromagnetik di sekitar berkas elektron yang dipercepat. Setelah melalui ujicoba berbagai kemungkinan rancangan, maka ditemukan seperangkat peralatan yang dimaksudkan, yaitu : 1.
Sensor radiasi elektromagnetik yang berupa kumparan kawat tembaga (diameter kawat 1 mm, 100 lilitan, dan diameter lilitan 15 cm dengan inti udara).
2.
Sumber sinar katoda (berkas elektron) berupa induktor Ruhmkorff (elektron mengalami percepatan pada lintasan lurus).
3.
DVM (voltmeter digital).
Besaran yang diselidiki pada penelitian awal ini adalah intensitas radiasi dan orientasinya. Kedua besaran tersebut terdeteksi dalam bentuk tegangan pada ujungujung kumparan sensor. Tegangan tersebut dalam orde milivolt yang diukur dengan voltmeter digital.
1. Pengukuran Intensitas Radiasi : a.
Sumber berkas elektron diletakkan pada posisi tertentu,
b.
Sensor diletakkan dengan orientasi tertentu terhadap berkas elektron (normal bidang kumparan sejajar berkas elektron),
c.
Mengatur jarak anoda dan katoda, kuat arus dan tegangan pada keadaan tertentu,
9
d.
Mengubah-ubah jarak pusat sensor ke sumbu berkas elektron,
e.
Mengukur tegangan yang timbul pada ujung-ujung kumparan pada setiap jarak yang ditentukan.
Sudut Orientasi : Jarak Anoda – Katoda : Kuat Arus : Tegangan : No.
Jarak (Cm)
Tegangan (mV)
a.
Sumber berkas elektron diletakkan pada posisi tertentu,
b.
Sensor diletakkan dengan orientasi tertentu terhadap berkas elektron (normal bidang kumparan sejajar berkas elektron), dan jarak tertentu,
c.
Mengatur jarak anoda dan katoda, dan tegangan pada keadaan tertentu,
d.
Mengubah-ubah kuat arus,
e.
Mengukur tegangan yang timbul pada ujung-ujung kumparan pada setiap kuat arus yang ditentukan.
Sudut Orientasi : Jarak Anoda – Katoda : Jarak pusat sensor ke berkas elektron : Tegangan : No.
Kuat Arus (Putaran)
Tegangan (mV)
a.
Sumber berkas elektron diletakkan pada posisi tertentu,
b.
Sensor diletakkan dengan orientasi tertentu terhadap berkas elektron (normal bidang kumparan sejajar berkas elektron), dan jarak tertentu,
c.
Mengatur jarak anoda dan katoda, dan kuat arus pada keadaan tertentu,
10
d.
Mengubah-ubah tegangan pemercepat,
e.
Mengukur tegangan yang timbul pada ujung-ujung kumparan pada setiap tegangan yang ditentukan.
Jarak pusat sensor ke berkas elektron : Jarak Anoda – Katoda : Kuat Arus : Sudut Orientasi : No.
Tegangan (Putaran)
Tegangan (mV)
2. Pengukuran Orientasi Radiasi : a.
Sumber berkas elektron diletakkan pada posisi tertentu,
b.
Sensor diletakkan dengan orientasi tertentu terhadap berkas elektron (normal bidang kumparan sejajar berkas elektron), dan jarak tertentu,
c.
Mengatur jarak anoda dan katoda, kuat arus dan tegangan pada keadaan tertentu,
d.
Mengubah-ubah orientasi (sudut) bidang sensor terhadap sumbu berkas elektron,
e.
Mengukur tegangan yang timbul pada ujung-ujung kumparan pada setiap sudut yang ditentukan.
Jarak pusat sensor ke berkas elektron : Jarak Anoda – Katoda : Kuat Arus : Tegangan : No.
Sudut (derajat)
11
Tegangan (mV)
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. HASIL PENELITIAN Besaran yang diukur pada penelitian ini adalah intensitas radiasi elektromagnet dan orientasinya. Kedua besaran tersebut terdeteksi dalam bentuk tegangan pada ujungujung kumparan sensor. Berikut ini adalah hasil pengukuran intensitas radiasi sebagai fungsi dari jarak sensor terhadap sumber radiasi, kuat arus berkas elektron sebagai sumber radiasi dan sebagai fungsi dari tegangan pemercepat berkas elektron. Orientasi radiasi elektromagnet diselidiki dengan cara memutar sensor, yang berupa kumparan dan dengan menggunakan diameter sensor sebagai sumbu putar, pada sudut tertentu. Hasil pengukuran dapat dilihat pada tabel terakhir. 1.
Pengukuran Intensitas Radiasi : Ketergantungan terhadap jarak dari sumber : Sudut Orientasi : 0o Jarak Anoda – Katoda : 0,5 cm Kuat Arus : 0 putaran (minimum) Tegangan : 0 putaran (minimum) No.
Jarak (Cm)
Tegangan (mV)
1. 2. 3. 4. 5.
24 34 44 54 64
5,9 2,4 1,1 0,5 0,3
Ketergantungan terhadap kuat arus sumber berkas elektron : Sudut Orientasi : 0o Jarak Anoda – Katoda : 0,5 cm Jarak pusat sensor ke berkas elektron : 24 cm Tegangan : 0 putaran (minimum) No.
Kuat Arus (Putaran)
Tegangan (mV)
1. 2.
0 putaran 0,25 putaran
6,1 6,9
12
3. 4.
0,5 putaran 1 putaran
8,9 25,4
Ketergantungan terhadap tegangan pemercepat berkas elektron : Jarak pusat sensor ke berkas elektron : 24 cm Jarak Anoda – Katoda : 0,5 cm Kuat Arus : 0 putaran (minimum) Sudut Orientasi : 0o
2.
No.
Tegangan (Putaran)
Tegangan (mV)
1. 2. 3. 4.
0 putaran 0,25 putaran 0,5 putaran 1 putaran
6,0 12,1 15,3 16,7
Pengukuran Orientasi Radiasi : Jarak pusat sensor ke berkas elektron : 24 cm Jarak Anoda – Katoda : 0,5 cm Kuat Arus : 0 putaran (minimum) Tegangan : 0 putaran (minimum) No.
Sudut (derajat)
Tegangan (mV)
1. 2. 3. 4.
0 30 60 90
6,0 3,5 2,5 1,3
B. PEMBAHASAN Data hasil penelitian menunjukkan bahwa: 1. Semakin jauh dari sumber radiasi, maka intensitas radiasi semakin kecil. Hal ini ditunjukkan oleh semakin kecilnya tegangan di ujung-ujung kumparan jika kumparan tersebut semakin jauh dari sumber radiasi. Untuk menjawab pertanyaan, apakah intensitas radiasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, masih diperlukan penelitian lebih lanjut.
13
2. Semakin banyak elektron per satuan waktu yang melompat dari katoda ke anoda, maka semakin besar intensitas radiasi elektromagnet. Perlu disampaikan bahwa kami belum mengukur secara kuantitatif besar arus tersebut, namun secara kualitatif diperoleh fakta yang sangat meyakinkan untuk menarik kesimpulan seperti tersebut di atas. Di samping itu, eksperimen bisa diulang dengan posisi tombol pengatur kuat arus yang sama untuk menghasilkan kesimpulan yang sama. 3. Semakin tinggi tegangan pemercepat berkas elektron, maka semakin besar intensitas radiasi elektromagnet. Hal ini terkait dengan energi kinetik yang dimiliki oleh berkas elektron; semakin tinggi tegangan pemercepat, semakin cepat gerak elektron, semakin tinggi energi kinetik yang dimiliki elektron dan semakin besar porsi energi yang berubah bentuk menjadi energi yang dibawa oleh radiasi elektromagnet. 4. Orientasi kumparan dan seberapa besar tegangan yang terukur pada ujung-ujung kumparan memberi gambaran awal tentang pola medan magnet, dan juga medan listrik, pada radiasi elektromagnet yang dihasilkan oleh muatan yang bergerak dipercepat. Masih diperlukan studi yang lebih mendalam untuk menentukan pola medan listrik dan medan magnet dengan menggunakan sensor (kumparan) yang lebih kecil.
14
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A.
KESIMPULAN Beberapa kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian tentang rancang bangun
piranti identifikasi radiasi elektromagnetik (kasus di sekitar sinar katoda) adalah sebagai berikut: 1. Radiasi elektromagnetik dapat dihasilkan dari berkas muatan bergerak lurus yang dipercepat. Tegangan pemercepat diperoleh dari induktor Ruhmkorff. 2. Untuk mendeteksi radiasi elektromagnetik yang dihasilkan dapat digunakan kumparan dengan kawat berdiameter 1 mm, jumlah lilitan 100, dan jari-jari kumparan 15 cm. Intensitas radiasi teramati dalam bentuk beda tegangan (dalam milivolt) diantara ujung-ujung kumparan. 3. Intensitas radiasi terukur tergantung pada: a. jarak kumparan (sensor) dengan sumber radiasi b. kuat arus berkas muatan yang dipercepat c. tegangan pemercepat. 4. Orientas atau pola medan magnet, dan juga medan listrik, dapat diselidiki dengan cara memutar kumparan.
B.
SARAN 1. Penelitian
ini
dapat
dikembangkan
untuk
menyelidiki
frekuensi
radiasi
elektromagnetik yang dipancarkan dengan menggunakan metode resonansi. 2. Selain variasi variabel sebagaimana telah dilakukan, penelitian ini dapat pula dilengkapi dengan variasi variabel lain seperti : a. Jarak antara anoda dan katoda pada sumber berkas elektron, b. Tekanan gas di antara anoda dan katoda, c. Kelembaban gas di antara anoda dan katoda, 3. Besaran-besaran yang telah diselidiki perlu dikalibrasi secara kuantitatif.
15
DAFTAR PUSTAKA
1. Griffiths, David J., 1984, Introduction to Electrodynamics, Prentice-Hall of India, New Delhi, India. 2. Reitz, J.R., Milford, F.J., 1960, Fundations Of Electromagnetic Theory, Addison-Wisley Publishing Company Inc., Massachusetts, USA.
16
