1. 1. BAHAN MAGNETIK, DIELEKTRIK DAN OPTIK Dwi Astuti Dian Kurniasari Faturrahman
2. 2. Gejala kemagnetan merupakan cikal bakal berkembangnya pengetahuan tentang kelistrikan. Ditemukan sejak 2000 tahun yang lalu di Yunani pada sejenis batuan yang dinamakan magnetit dikotamagnesia. Awal abad ke 12, magnet mulai digunakan sebagai kompas karena sifatnya yang selalu menunjuk arah utara dan selatan bumi. Sifat kutub magnet mulai diselidiki ilmuwan,diantaranya: Historis Magnet
3. 3. Pierre de Maricourt (1269) menemukan garis medan magnet pada magnet berbentuk bola. William Gilbert (1600) menemukan sifat kemagnetan bumi. John Michell (1750) menemukan hubungan gaya magnet dengan jarak antar magnet. HC. Oersted, Marie Ampere, Biot dan Savart (awal abad 19) menemukan hubungan listrik dan magnetisme. M. Faraday dan J. Henry (1830) menemukan hubungan medan magnet dengan medan listrik. J. C. Maxwell (1860) menyusun teori dan konsep elektromagnetik.
4. 4. Magnet terbaik umumnya mengandung besi metalik. Namun, ternyata unsur lainpun menampilkan sifat magnetik. Dalam teknologi modern kini digunakan magnet logam dan keramik. Selain itu dimanfaatkan pula unsur lain untuk meningkatkan kemampuan magnet sehingga memenuhi persyaratan. Bahan magnet
5. 5. Tiap electron atom akan memiliki momen magnetic pm, yang disebut spin electron oleh ahli fisika. Momen magnetic disebut magneton Bohr, dan sama dengan 9,27x1027 A.m2. Elektron biasanya berpasangan dalam orbit dan membentuk spin atas dan bawah. Jadi, efek luar dari momen tersebut tidak ada. Atom akan bersifat magnet bila ada ketidak seimbangan dalam spin elektron. Akhirnya, diketahui bahwa hanya beberapa electron memiliki spin electron yang tidak seimbang, dan dengan demikian memiliki momen magnetik. Gejala Kemagnetan Pada Atom
6. 6. Momen dipol magnet atom 6
7. 7. 1. Magnet alam (dahulu disebut batu magnet) Magnet alam adalah mineral, Fe3O4 dalam fasa keramik alamiah dengan ion O2 dalam kisi kps. Ion besi berada dalam lokasi intertisial rangkap 4 dan rangkap 6. Secara lebih terinci dapat dilihat ion Fe2+ berada pada lokasi rangkap 6,sedangkan ion Fe3+ terbagi rata pada rangkap 6 dan rangkap 4. Struktur ini termasuk jenis struktur NiFe2O4 yang disebut spinnel. Sel satuan ini bersifat magnetic karena momen magnet ion pada lokasi rangkap 6 sama arahnya dan yang berada pada lokasi rangkap 4 Komposisi Bahan Magnetik
8. 8. 2. Magnet logam, Besi merupakan bahan magnet logam yang sering dijumpai. Bahan logam lain yang memiliki permeabulitas maksimum yang sangat tinggi, adalah permalloy, dan medanoersif (Hc) yang tinggi adalah Alnico V. 3. Magnet Keramik. Magnet keramik seperti, ferit terdiri dari senyawa ionik. Jadi besi berbentuk Fe2+ atau Fe3+. Ion feros kehilangan dua elektron, yaitu dua electron 4s dan satu electron 3d, jadi tersisa lima electron yang tidak berpasangan. Contoh :BeFe12+O19
9. 9. Diamagnetik Paramagnetik Feromagnetik Antiferomagnetik Ferimagnetik Jenis-jenis material magnetik
10. 10. Setiap atom memiliki momen magnetik permanen o sebesar nol Medan magnet eksternal tidak akan menyebabkan timbulnya torsi pada atom-atom Medan magnet eksternal juga tidak akan merubah arah medan dari dipol-dipol magnet. Contoh: Hidrogen, helium, bismuth Diamagnetik
11. 11. Setiap atom memiliki momen magnetik permanen o yang kecil tetapi bukan nol Medan magnet eksternal akan menyebabkan timbulnya torsi pada atom-atom. Medan magnet eksternal akan merubah sedikit arah medan dari dipol-dipol magnet. Contoh: potassium, oksigen, tungsten. Minyak jelantah Paramagnetik
12. 12. Setiap atom memiliki momen magnetik permanen o yang besar kuat Medan magnet eksternal akan menyebabkan timbulnya torsi yang kuat pada atom-atom. Medan magnet eksternal akan merubah arah medan dari dipol-dipol magnet dengan mudah. Contoh: Besi, Nikel, Cobalt Feromagnetik
13. 13. Bahan anti ferromagnetik mempunyai suscepbilitas positif yang kecil pada segala suhu, tetapi perubahan suscepbilitas karena suhu adalah keadaan yang sangat khusus. Susunan dwikutubnya adalah sejajar tetapi berlawanan arah. Contohnya hematite Anti ferromagnetik
14. 14. Bahan ferrimagnetik memiliki resisitivitas yang jauh lebih tinggi dibanding bahan ferromagnet, Karena itu ferrimagnet (ferrit) layak digunakan pada peralatan yang menggunakan frekuensi tinggi disamping arus-eddy yang terjadi padanya kecil. contohnya ferrit , seng , dan nikel Ferrimagnetik
15. 15. Antiferomagnetik: senyawa oksida, sulfida, klorida Ferimagnetik: besi oksida, nikel-seng ferit, nikel ferit Superparamagnetik: kaset audio, kaset vidio Contoh bahan
16. 16. Bahan dielektrik yaitu bahan yang apabila diberikan medan potensial (tegangan) dapat mempertahankan perbedaan potensial yang timbul diantara permukaan yang diberikan potensial tersebut. Bahan dielektrik memisahkan dua konduktor listrik tanpa ada aliran listrik diantaranya. Fungsi dari bahan listrik dielektrik diantaranya: Menyimpan energi listrik (dalam bentuk muatan) misalnya pada kapasitor. Memisahkan bagian bertegangan dengan bagian yang tidak bertegangan (isolator). Misal: plastik, celah udara transformator, mika, gelas, porselin, karet, dll. Bahan dielektrik
17. 17. Sifat dielektrik muncul pada isolator listrik yang tidak dapat melakukan muatan listrik akan tetapi ia peka terhadap suatu medan listrik. Hal ini dapat dibuktikan dengan memisahkan dua pelat elektroda sejarak d dan memberikan tegangan E diantara kedua pelat tersebut Sifat Dielektrik
18. 18. Dari gambar diatas, Medan Listrik dapat dirumuskan:
19. 19. Bila diantara kedua plat tersebut terdapat ruangan kosong maka rapat muatan Do pada tiap pelat sebanding dengan medan listrik . Untuk setiap volt/m medan terdapat muatan sebesar 8,85 x 10-12 Coulomb permeter persegi pelat elektroda. Sehingga: Do = (8,85 x 10-12 C/V . m ) .
20. 20. Kekuatan dielektrik adalah gradien tegangan yang menghasilkan tegangan tembus listrik melalui isolator. umumnya konstanta dielektrik nilainya lebih tinggi sedikit pada bahan kramik, karena ion dan bukan dwikutub molekuler yang dipengaruhi oleh medan listrik. konstanta dielektrik seperti juga isolator dan polimer peka terhadap frekuensi. akan tetapi, dalam daerah suhu biasanya hanya ada sidikit variasi pada isolator kramik Kekuatan Dielektrik
21. 21. Ada dua syarat yang harus dipenuhi untuk tembus listrik, yaitu : 1. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan kekuatan dielektriknya. 2. Lama terpaan elektrik berlangsung lebih besar atau sama dengan waktu tunda tembus dari dielektrik. 3. Waktu tunda tembus (time lag) adalah waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadinya ionisasi sampai terjadinya tembus listrik
22. 22. Sifat Dielektrik Pada Bah
23. 23. Keramik Komposisi keramik MgO Al2O3 SiO2. Bahan ini adalah isolator yang baik karena elektron valensi dari atom logam pindah secara tetap ke atom oksigen, membentuk ion O2-. Ion Al3+ dari Al2O3 kehilangan semua elektron valensi yang membawa muatan dalam aluminium logam. Elektron-elektron tersebut sekarang diikat oleh ion oksigen. Dalam bahan ionisasi lainnya, elektron Mg2+ diikat oleh O2- dalam MgO, dan silikon dan oksigen mempunyai elektronnya dalam struktur tetrahedral SiO4. Meskipun demikian, bahan isolator keramik dapat juga rusak dibawah pengaruh tegangan tinggi. Biasanya kerusakan merupakan gejala permukaan. Sebagai contoh, busi kendaraan bermotor dapat tidak berfungsi oleh karena terdapat uap lembab pada permukaan isolator
24. 24. Kaca pada umumnya terdiri dari campuran silikat (SiO2 )dan beberapa senyawa antara lain, borat, pospat. Kaca dibuat dengan cara melelehkan beberapa senyawa silikat (pasir), alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timah hitam). Karena itu sifat dari kaca tergantung dari komposisi bahan-bahan pembentuknya tersebut. Massa jenis kaca berkisar antara 2 dan 8,1 g/cm3, kekuatan tekanannya 6000 hingga 21000 kg/cm2, kekuatan tariknya 100 hingga 300 kg/cm2. Karena kekuatan tariknya relatif kecil, maka kaca adalah termasuk bahan yang regas. Kaca
25. 25. Sifat kelistrikan kaca pada suhu normal adalah sebagai berikut : a. resistivitas berkisar antara 108 hingga 1017 Ohmcm, b. permitivitas relatif berkisar antara 3,8 hingga 16,2 c. kerugian sudut dielektriknya 0,00003 hingga 0,01, d. tegangan break-down 25 hingga 50 KV/mm. Kaca silika mempunyai sifat kelistrikan paling baik, pada suhu kamar besarnya resistivitas adalah 107 Ohm-cm, permitivitas relatif 3,8 dan dan kerugian sudut dielektriknya 1 MHz adalah 0,0003. Sifat Kelistrikan Kaca
26. 26. Kapasito
27. 27. Kapasitor atau disebut juga kondensator adalah alat/perangkat untuk menyimpan muatan listrik untuk sementara waktu. Sebuah kapasitor/kondensator sederhana tersusun dari dua buah lempeng logam paralel yang disekat satu sama lain oleh bahan isolator yang disebut dielektrikum. Saat kapasitor diberi tegangan, kapsitor akan menjadi bermuatan. Satu pelat menjadi bermuatan positif dan pelat yang lainnya bermuatan negatif. Jumlah masing-masing muatan pada kedua pelat tersebut sama.
28. 28. Jumlah muatanQ yang terdapat pada muatan sebanding dengan beda potensial V sesuai dengan persamaan : Q= CV C menunjukkan kapasitansi kapasitor. Kapasitansi kapasitor adalah kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi listrik. Jenis kondensator diberi nama sesuai dengan dielektrikumnya, yaitu : kertas, mika, film, keramik dan sebagainya.
29. 29. Kapasitor ini digunakan untuk tuning pesawat radio atau mencari gelombang radio. Kapasitor ini menggunakan udara sebagai bahan dielektriknya. Kapasitor jenis ini menggunakan pelat yang tidak dapat digerakkan (stator) dan pelat yang dapat digunakan (rotor). Varco biasanya terbuat dari bahan aluminium. Dengan memutar tombol, luas pelat yang berhadapan dapat diataur sehingga kapasitas kapasitor dapat diubah. Dengan mengubah kapasitas kapasitor, frekuensi sirkuit yang dicari dapat distel. Berikut ditunjukkan suatu varco. a. Kapasitor variabel (Varco)
30. 30. Kapasitor keramik mempunyai dielektrik yang terbuat dari keramik. Kapasitor ini memiliki elektroda logam dan dielektritnya terdiri atas campuran titanium oksida dan oksida lain. Kekuatan dielektriknya baik sekali sehingga mempunyai kapasitas yang besar. Meskipun demikian, ukuran kapasitor keramik relatif kecil. Kapasitor keramik digunakan untuk meredam bunga api, seperti pada bunga api yang timbul pada platina kendaraan bermotor. b. Kapasitor keramik
31. 31. Kapasitor ini mempunyai dielektrik yang terbuat dari kertas. Kapasitor kertas mempunyai lapisan-lapisan kertas setebal 0,05-0,02 mm di antara dua lembaran kertas aluminium. Kertas tersebut diresapi dengan minyak untuk memperbesar kapasitas dan kekuatan dielektriknya. c. Kapasitor kertas
32. 32. Kapasitor plastik mempunyai selaput plastik sebagai dielektriknya. Kapasitor ini mempunyai elektroda logam dan lapisan dielektrik yang terbuat dari bahan polisterina, milar atau teflon dengan tebal 0,0064 mm. Kapasitor plastik digunakan untuk koreksi faktor daya dalam sisitem daya listrik pada fisi nuklir, pembentukan logam hidrolik, d. Kapasitor plastik
33. 33. e. Kapasitor elektrolit (Elco) Kapasitor elektrolit mempunyai dielektrik berupa oksida aluminium. Elektroda positif terbuat dari bahan logam, seperti aluminium dan tantalum, sedangkan elektroda negatif terbuat dari bahan elektrolit. Bahan dielektrik digunakan untuk melapisi elektroda negatif. Tebal lapisan oksida sekitar 0,0001 mm. Kapasitor ini hanya digunakan pada tegangan DC pada rangkaian radio, televisi, telefon, telegraf, peluru kendali, dan perlengkapan komputer. Fungsi elco adalah sebagai perata denyut arus listrik.
34. 34. Kapasitas Kapasitor Kapasitas kapasitor yaitu kemampuan kapasitor untuk menyimpan energi listrik. Dinyatakan dalam persamaan :
35. 35. Untuk kapasitor/kondensator plat sejajar, kapasitasnya tergantung pada luas dan jarak antara plat serta jenis /macam zat yang berada diantara dua plat tersebut. Dinyatakan dalam persamaan :
36. 36. KONSTANTA DIELEKTRIK RELATIF BEBERAPA JENIS BAHAN 4 5
37. 37. Optik
38. 38. Optik adalah cabang fisika yang menggambarkan kelakuan dan sifat cahaya dan interaksi cahaya dengan materi. Bidang optik biasanya menggambarkan sifat cahaya tampak, inframerah dan ultraviolet, tetapi karena cahaya adalah gelombang elektromagnetik, maka gejala yang sama juga terjadi di sinar-X, gelombang mikro,
39. 39. BENDA a. Benda yang bisa memancarkan cahaya sendiri (benda terang) contoh matahari, bintang b. Benda yang tidak memancarkan cahaya sendiri (benda gelap) Berdasarkan kemampuan suatu benda untuk dilewati cahaya 1. Benda tidak tembus cahaya 2. Benda bening 3. Benda tembus cahaya
40. 40. Benda tidak tembus cahaya atau Opaque, adalah benda-benda gelap yang menghalangi cahaya untuk melewatinya. Opaque memantulkan semua cahaya yang mengenainya. Benda semacam ini contohnya adalah buku, kayu, besi, tembok, air keruh. dan sebagian besar bagian tubuh memantulkan atau menyerap energi cahaya
41. 41. Benda Transluent Benda transluent adalah benda-benda yang dapat meneruskan sebagian cahaya yang datang dan menyebarkan sebagian cahaya yang lainnya. Contohnya kain gorden tipis, dan beberapa jenis plastik.
42. 42. Benda Bening, yakni benda-benda yang dapat ditembus cahaya. Benda bening juga sering disebut benda transparant. Benda transparant meneruskan semua cahaya yang mengenainya. Contohnya kaca yang bening dan air jernih
43. 43. PERSYARATAN BAHAN OPTIK 1. Bahan memiliki kemampuan transmisi tanpa distorsi, artinya bahan dapat dipenuhi apabila permukaan datar dan sejajar serta tanpa cacat dalam 2. Bahan harus dapat menyaring (filter) radiasi inframerah atau ultraviolet 3. Untuk lensa optik harus dapat membiaskan cahaya SIFAT BAHAN OPTIK 1. Bahan-bahan yang sifatnya membelokkan cahaya memiliki indeks bias yang berbeda, 2. Indeks bias dipengaruhi oleh kerapatan suatu bahan
44. 44. SIFAT CAHAYA Cahaya merambat lurus Cahaya dipantulkan Cahaya dibelokkan (pembiasan cahaya) Cahaya diuraikan (dispersi cahaya)
45. 45. PEMANTULAN CAHAYA A. Hukum pemantulan cahaya sinar datang (i), garis normal dan sinar pantul (r) terletak pada satu bidang datar sudut datang sama dengan sudut pantul (i = r)
46. 46. SIFAT BAHAN OPTIK Ketika seberkas cahaya mengenai permukaan suatu benda, maka cahaya tersebut ada yang dipantulkan dan ada yang diteruskan. Jika benda tersebut transparan seperti kaca atau air, maka sebagian cahaya yang diteruskan terlihat dibelokkan, dikenal dengan pembiasan. Perambatan cahaya dalam ruang hampa udara memiliki kelajuan c. Ketika cahaya merambat di dalam suatu bahan, kelajuannya akan turun sebesar suatu faktor yang ditentukan oleh karakteristik bahan yang dinamakan indeks bias (n). Indeks bias merupakan perbandingan (rasio) antara kelajuan cahaya di ruang hampa terhadap kelajuan cahaya di dalam bahan seperti dinyatakan : (299,792,458 meter/deti
47. 47. No Medium Indeks 1 Vakum 1 2 Udara 1 3 Air (20C) 1,33 4 Kuarsa 1,46 5 Kerona 1,52 6 Flinta 1,58 7 Kaca plexi 1,51 8 Intan 2,42 Indeks bias dari beberapa medium
48. 48. A. Hukum Pembiasan Cahaya 1. sinar datang, garis normal dan sinar bias terletak pada satu bidang datar. 2. perbandingan sinus sudut datang (i) dan
49. 49. Pada pembiasan cahaya berlaku: n1 sin i = n2 sin r n1 V1 = n2 V2 n1 . 1 = n2 . 2 f1 = f2 Keterangan: n1 , n2 = indek bias medium 1 dan 2 v1 , v2 = cepat rambat cahaya dalam medium 1 dan 2 f1 , f2 = frekuensi cahaya dalam medium 1 dan 2 i = sudut datang r = sudut bias
50. 50. BAHAN DISPERSI Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik (putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (me, ji, ku, hi, bi, ni, u) pada prisma lewat pembiasan atau pembelokan. Hal ini membuktikan bahwa cahaya putih terdiri dari harmonisasi berbagai cahaya warna dengan berbeda- beda panjang gelombang
51. 51. 1. Bahan berikut ini yang merupakan bahan feromagnetik adalah .... A. Cobalt B. Keramik C. Helium D. Aluminium Soal Jawaban : A
52. 52. 2. Bahan logam yang memiliki permeabulitas maksimum yang sangat tinggi ... A. Permalloy B. Alnico C. Nikel D. Cobalt Jawaban : A
53. 53. 3. Bahan-bahan magnitik... 1. Cobalt 2. oksigen 3. Helium 4. Aluminium 5. Hidrogen Diantara bahan-bahan diatas manakah bahan diamagnetik. a. 3 dan 2 b. 3 dan 5 c. 3 dan 4 d. 1dan 5 Jawaban : B
54. 54. 4. Disebut apakah suatu bahan yang apabila diberikan medan potensial (tegangan) dapat mempertahankan perbedaan potensial yang timbul diantara permukaan yang diberikan potensial tersebut. A. magnetik B. dielektrik C. polarisator D. feromagnetik Jawaban : B
55. 55. 5. Sebuah kondensator 4,7 F dihubungkan pada tegangan 100 V. Berapakah muatan konsendatornya?? a. 470.10-6 b. 470. 10-5 c. 470. 10-7 d. 470. 10-3 Jawaban : A Q= u C Q= 100 x 4,7.10-6 Q= 470. 10-6
56. 56. 6. Perhatikan pernyataan berikut ini: 1. Dapat menyaring (filter) radiasi inframerah 2. Terpaan elektrik yang dipikul dielektrik harus lebih besar atau sama dengan kekuatan dielektriknya. 3. Memiliki kemampuan transmisi tanpa distorsi 4. Waktu tunda tembus (time lag) adalah waktu yang dibutuhkan sejak mulai terjadinya ionisasi sampai terjadinya tembus listrik Dari pernyataan diatas yang merupakan syarat yang harus dipenuhi untuk tembus listrik ... a. 1 dan 2 b. 1 dan 3 c. 2 dan 3 d. 2 dan 4 Jawaban : D
57. 57. 7. Berikut ini adalah bahan bahan dielektrik, kecuali. a. Kaca b. Keramik c. Mika d. Silikon Jawaban : D
58. 58. 8. Perhatikan pernyataan dibawah ini: 1. Bahan memiliki kemampuan transmisi tanpa distorsi 2. Bahan dapat dipenuhi apabila permukaan datar dan sejajar serta tanpa cacat dalam 3. Bahan yang sifatnya membelokkan cahaya memiliki indeks bias yang berbeda 4. Bahan harus dapat menyaring (filter) radiasi inframerah atau ultraviolet Pernyataan diatas merupakan persyaratan bahan optik, kecuali ... a. 1 b. 2 c. 3 d. 4 Jawaban : C
59. 59. 9. Yang merupakan benda transulent adalah ... a.Buku dan plastik b.Kaca bening dan besi c. Gorden tipis dan plastik d.Kaca bening dan air jernih Jawaban : C
60. 60. 10. Ali sedang melakukan eksperimen untuk menentukan kecepatan cahaya di dalam etil alkohol. Ia melepaskan seberkas cahaya pada permukaan cairan etil alkohol. Jika indeks bias mutlak etil alkohol (n = 1,36) dan kecepatan cahaya di udara 3 x 108 m/s, maka cepat rambat cahaya di dalam etil alkohol adalah? a. 2,2 x 108 m/s b. 2,2 X 10-8 m/s c. 4,08 X 108 m/s d. 4,08 X 10-8 m/sJawaban : A
61. 61. Diketahui: n = 1,36 c = 3 x 108 m/s Ditanyakan: v = ? Jawab: n = c/v v = c/n v = 3 x 108/1,36 v = 2,2 x 108 m/s Jadi, cepat rambat cahaya di dalam etil alkohol adalah sebesar 2,2 x 108 m/s