PANDUAN DAN KUMPULAN MODUL PRAKTIKUM FISIKA...

PANDUAN DAN KUMPULAN MODUL PRAKTIKUM

FISIKA EKSPERIMEN LANJUT

PROGRAM STUDI FISIKA

LABORATORIUM FISIKA EKSPERIMEN

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

1

KATA PENGANTAR

Panduan Praktikum dan Kumpulan Modul Fisika Eksperimen Lanjut

adalah buku panduan yang disusun sebagai pedoman para mahasiswa untuk

melakukan praktikum Fisika Eksperimen Lanjut. Kumpulan modul yang dimuat

dalam buku ini merupakan modul revisi ataupun modul tambahan dari modul-

modul sebelumnya. Untuk menambah keterampilan mahasiswa dalam

merancang suatu eksperimen, mengamati dan memahami fenomena fisika.

Untuk lebih menyempurnakan isi, Panduan dan Kumpulan Modul

Praktikum ini akan terus dikaji dan apabila diperlukan akan direvisi setiap

tahun.

Kepala Laboratorium Fisika

Material

Dr. Annisa Aprilia

NIP. 19820411 200406 2 002

2

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ....................................................................................................... 1

DAFTAR ISI...................................................................................................................... 2

PETUNJUK UNTUK MAHASISWA ............................................................................. 5

1. Tujuan dan Format Praktikum ............................................................................................ 5

2. Hal-hal yang Perlu Dikerjakan Sebelum Datang ke Laboratorium................................... 5

3. Tata Tertib Praktikum ........................................................................................................ 7

4. Format Log Book ............................................................................................................... 8

5. Penilaian Praktikum ......................................................................................................... 10

MODUL 1: LINTASAN ELEKTRON DALAM MEDAN MAGNET ..................... 11

I. Tujuan Percobaan............................................................................................................. 11

II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 11

III. Alat-alat Percobaan .......................................................................................................... 11

IV. Prosedur Percobaan .......................................................................................................... 12

V. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 13

MODUL 2: DERET BALMER PADA SPEKTRUM HIDROGEN .......................... 14

I. Tujuan Percobaan ............................................................................................................ 14

II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 14



V. Tugas Pendahuluan .......................................................................................................... 16

VI. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 16

MODUL 3: PERCOBAAN FRANK HERTZ .............................................................. 17


II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 17

III. Peralatan yang Digunakan ............................................................................................... 19

IV. Prosedur Percobaan.......................................................................................................... 19


VI. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 21

MODUL 4: HUKUM STEFAN BOLTZMANN .......................................................... 22


3

II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 22

III. Prosedur Percobaan.......................................................................................................... 22

IV. Tugas Pendahuluan .......................................................................................................... 24

V. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 24

MODUL 5: RESONANSI ELASTIS GAS ................................................................... 25


II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 25

III. Prosedur Percobaan.......................................................................................................... 26

IV. Tugas Pendahuluan .......................................................................................................... 27

V. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 27

MODUL 6: SEL SURYA ................................................................................................ 29

I. Tujuan Percobaan............................................................................................................. 29

II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 29




VI. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 32

MODUL 7: EFEK FARADAY (MENENTUKAN KONSTANTA VERDET) ......... 34


II. Teori Dasar ...................................................................................................................... 34

III. PROSEDUR PERCOBAAN ............................................................................................ 36

IV. Tugas Akhir ..................................................................................................................... 38

MODUL 8: PENGUJIAN ARUS DAN TEGANGAN PANEL SURYA.................... 39

I. Tujuan .............................................................................................................................. 39

II. Dasar Teori ...................................................................................................................... 39

III. Prosedur Percobaan .......................................................................................................... 43

IV. Analisa ............................................................................................................................. 48

V. Kesimpulan ...................................................................................................................... 49

MODUL 9: MENGENAL KONVERSI DATA ADC .................................................. 50

I. Tujuan .............................................................................................................................. 50

II. Tugas Pendahuluan .......................................................................................................... 50

III. Alat- alat Percobaan ......................................................................................................... 43

IV. Tugas Laporan Akhir ..................................................................................................... 548

4

MODUL 10: ANALISIS FOURIER WAKTU DISKRIT ........................................... 55

I. Tujuan .............................................................................................................................. 55

II. Dasar Teori dan Latihan ................................................................................................... 55

III. Percobaan Laporan Akhir ................................................................................................ 80

5

PETUNJUK UNTUK MAHASISWA

1. Tujuan dan Format Praktikum

Fisika Eksperimen Lanjut adalah praktikum yang didesain untuk mahasiswa Fisika

semester ke lima. Agar mahasiswa (praktikan) dapat mengikuti praktikum dengan

baik, sebelum memasuki praktikum, praktikan harus memiliki kemampuan dasar

untuk praktikum. Praktikan yang tidak memiliki kemampuan dasar sebelum

mengikuti praktikum yang lebih komplek berada dalam kondisi kerugian. Oleh

karena itu langkah pertama yang harus dipersiapkan adalah mengikuti satu persatu

praktikum pendahuluan dengan tujuan pengenalan konsep-konsep, alat-alat dan

prosedur yang akan digunakan dalam praktikum yang akan diikuti.

Fisika Ekperimen Lanjut terdiri dari topik Fisika Modern dan aplikasi. Setiap

eksperimen yang didesain membutuhkan w a k t u tiga jam (150 menit)

kegiatan di laboratorium dan enam jam pekerjaan di rumah untuk mendapatkan

hasil yang akan dipresentasikan.

2. Hal-hal yang Perlu Dikerjakan Sebelum Datang ke Laboratorium

Dalam penyelenggaraan Fisika Eksperimen Lanjut tidak diadakan perkuliahan

regular. Sepintas penjelasan umum mengenai teori yang relevan ditampilkan di

dalam panduan laboratorium. Oleh karena itu, di dalam panduan hanya akan

ditemukan sepintas intisari dari praktikum dan untuk menggali latar belakang teori

praktikan harus mencarinya di dalam text book atau referensi lain yang tersedia.

Sebelum memulai eksperimen, praktikan harus membaca panduan, text book dan

menulis jawaban soal-soal pendahuluan yang diberikan. Dengan

mempertimbangkan waktu kerja di laboratorium yang sangat terbatas, disarankan

agar praktikan merencakan kerja sebelum praktikum, meliputi:

1. Membuat daftar tujuan praktikum,

2. Membuat daftar hal-hal yang harus dilakukan dan data yang harus

diperoleh pada praktikum,

6

3. Mengenali alat-alat yang perlu dikalibrasi,

4. Mengerti masalah-masalah khusus yang mungkin dihadapi

Praktikan harus mencatat informasi yang cukup mengenai hal-hal yang dilakukan

dan data-data yang diperoleh secara lengkap sehingga informasi tersebut dapat

dipublikasikan tanpa harus mengulang eksperimen. Catatan eksperimen (Log Book)

harus mencantumkan tanggal, diagram, narasi, tabel data mentah, formula,

perhitungan, data yang direduksi, analisa kesalahan (error), dan simpulan secara

ringkas dan cermat dalam susunan yang rapi.

7

3. Tata Tertib Praktikum

1) Praktikan harus hadir sesuai dengan jadwal kelompok masing-masing

(tidak ada toleransi waktu keterlambatan).Praktikan harus berpakaian sopan

dan rapih.

2) Tidak diperbolehkan memakai sandal, memakai baju tanpa kerah, makan,

minum dan merokok di Laboratorium.

3) Sebelum melakukan percobaan, pada pertemuan awal, praktikan harus

menyerahkan Laporan Awal yang dikerjakan dengan tulisan tangan di Buku

Jurnal (Log Book) sesuai dengan modul yang telah ditentukan kepada

Dosen/Asisten pengawas praktikum. Praktikan yang tidak membawa Log Book

tidak diperbolehkan mengikuti praktikum.

4) Praktikan harus memeriksakan rangkaian alat praktikum kepada

Dosen/Asisten Pengawas sebelum rangkaian dihubungkan dengan sumber

tegangan PLN.

5) Laporan yang berisi data-data hasil praktikum dan analisa data

sementara dikerjakan di Buku Jurnal dan di Acc oleh Dosen/Asisten Pengawas

15 menit sebelum waktu praktikum berakhir dan menyerahkan copy data

hasil praktikum kepada Dosen/Asisten pengawas.

6) Setelah percobaan selesai, praktikan harus melepas stop-kontak dan

mengembalikan alat-alat yang telah digunakan pada tempatnya.

7) Praktikan yang tidak masuk lebih dari 2 modul (empat kali pertemuan)

dianggap mengundurkan diri.

8) Pada waktu praktikum berlangsung praktikan tidak diperkenankan keluar

Laboratorium tanpa adanya ijin dari Dosen/Asisten pengawas.

9) Praktikan harus mengumpulkan Laporan Akhir sesuai dengan format yang

telah ditentukan dengan menggunakan komputer seminggu setelah pertemuan

kedua selesai (Pertemuan pertama modul selanjutnya). Praktikan yang tidak

menyerahkan Laporan Akhir dianggap gagal mengikuti modul yang

bersangkutan.

Catatan:

Asisten berhak mengeluarkan praktikan yang tidak mentaati tata tertib

praktikum.

8

4. Format Log Book

Log Book ditulis dalam buku Campus diberi Nama, NPM, Partner & NPM

Partner, Jadwal Praktikum dan disampul seragam.

Log Book

Fisika Eksperimen Lanjut

Nama :

NPM :

Partner :

NPM :

Jadwal :

Praktikum :

Laboratorium Fisika Eksperimen Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Padjadjaran Tahun

Isi Log Book Judul

Praktikum :

Hari/Tanggal :

I. Latar Belakang

II. Tujuan Percobaan

Kolom Uraian (I & II) dicantumkan point-point penting yang

berhubungan dengan praktikum modul yang bersangkutan.

III. Teori Dasar dan Rumus yang Digunakan dicantumkan konsep dasar,

hukum-hukum fisika dan rumus yang digunakan

9

IV. Tugas Pendahuluan diisi dengan jawaban tugas pendahuluan yang terdapat

pada modul yang bersangkutan, tanpa dibatasi jumlah halamannya

V. Prosedur Percobaan urutan Prosedur Percobaan dan Kalibrasi Alat

dengan menggunakan kalimat aktif

VI. Data dan Analisa Sementara data-data hasil pengukuran dalam percobaan

sesuai dengan Prosedur Percobaan termasuk Data Kalibrasi dan Konversi.

Analisa data yang diperoleh selama praktikum sesuai dengan urutan Prosedur

Percobaan

15 menit sebelum waktu praktikum selesai, praktikan wajib menyerahkan Buku

Kerjanya masing-masing kepada Asisten yang bersangkutan.

10

5. Penilaian Praktikum

Penilaian praktikum untuk semua modul dilakukan berdasarkan komponen

sebagai berikut:

No Komponen Penilaian Dasar Penilaian Prosentase

1

Kehadiran, sikap aktif,

menulis catatan (logbook)

dan perencanaan

Tugas Pendahuluan,

Presentasi tahap awal ,

komunikasi dengan asisten

selama praktikum dan

penilaian logbook.

30

2

Pengertian eksperimen

secara fisis, metode dan

susunan alat

Jumlah dan kualitas data,

struktur laporan,

penyajian data dalam

laporan

Membaca laporan yang

dikumpulkan dan diskusi

akhir saat presentasi hasil

praktikum

30

3

Pemikiran pendekatan

tujuan praktikum,

analisis data secara kritis

dan pengambilan

simpulan yang akurat,

mengerti kesalahan data

Diskusi akhir data hasil

eksperimen yang disajikan

dalam laporan dan logook

40

11

MODUL 1: LINTASAN ELEKTRON DALAM MEDAN MAGNET

I. Tujuan Percobaan

Menghitung muatan spesifik e/m melalui defleksi sinar elektron oleh medan magnetik

homogen.

II. Teori Dasar

Jika suatu elektron dengan massa m dan muatan e bergerak dengan kecepatan konstan v

melewati medan magnet homogen dengan rapat fluks B yang arahnya tegak lurus terhadap

arah gerakan elektron, maka pada keadaan demikian muncul gaya Lorentz yang

diungkapkan oleh persamaan (1).

𝐹 = 𝑒. v. 𝐵 (1)

Akibatnya lintasan elektron akan membentuk lingkaran dengan jari-jari r. Gaya Lorentz

ini bekerja sebagai gaya sentripetal, dengan ungkapan persamaan (2).

𝐹𝑠 = 𝑚 .v2

𝑟 (2)

Kecepatan elektron dipengaruhi oleh besarnya tegangan anoda yang diberikan

(U) dan mempengaruhi nilai r, maka dari persamaan (1) dan (2) akan didapatkan

ungkapan pada persamaan (3).

𝑒

𝑚=

v

𝑟.𝐵 (3)

Energi Kinetik yang bekerja pada elektron tersebut ditunjukan pada persamaan (4).

𝑒. 𝑈 = 𝑚

2. v2 (4)

Sehingga muatan spesifik e/m dapat dihitung dengan persamaan (5).

𝑒

𝑚=

2 .𝑈

(𝑟.𝐵)2 (5)

III. Alat-alat Percobaan

Alat-alat yang dipakai pada percobaan ini diantaranya:

1. Fine Beam Tube (FBT)

2. Helmholtz Coil With Holder (HC)

3. Tesla Meter

4. Tangential B-Probe

12

5. Stabilizer Power Supply (SPS) 300v / 50 mA,

6. Volt meter

7. Controllable Curent Source

8. AV meter

9. Jangka Sorong

10

.

Kabel-kabel penghubung

IV. Prosedur Percobaan

Kalibrasi Arus terhadap Medan Magnet (B = f (I))

1. Mengangkat fine beam tube dengan hati-hati, dan menyimpan di tempat yang aman

2. Menempatkan tangential B-probe yang sudah dihubungkan dengan Tesla

meter di tengah-tengah antara kedua kumparan Helmholtz

3. Menghubungkan input kumparan Helmholtz dengan Controllable Curent Source

(Gambar 1)

4. Menghubungkan Tesla meter dan Controllable Curent Source dengan jaringan

PLN 220 V

5. Menyalakan Tesla meter dan Controllable Curent Source, dan mencatat angka

yang ditunjukkan tesla meter untuk setiap variasi arus yang diberikan (0 – 2 A).

Gambar 1. Rangkaian kalibrasi medan magnet sebagai fungsi arus.

Pengamatan jari-jari lintasan elektron sebagai fungsi dari medan magnet dan

tegangan.

1. Memastikan sumber arus dan sumber tegangan dalam keadaan mati.

2. Membuat rangkaian seperti pada Gambar 3.

3. Mengangkat Tangential B-probe, tempatkan dengan hati-hati Fine Beam Tube pada

tempat semula.

4. Menyalakan Stabilizer Power Supply dan Controllable Curent Source.

5. Memvariasikan besar tegangan anoda dan arus pada koil (kumparan) untuk

13

menetapkan diameter lintasan sebesar 8 cm (Gambar 2).

Gambar 2. Mengatur diameter orbit sebesar 8 cm, dengan variasi arus koil dan tegangan pada anoda.

6. Memvariasikan tegangan (100V – 300V), dengan arus koil tetap sebesar 1 mA, dan

mencatat ukuran diameter lintasan.

7. Memvariasikan arus pada koil (1A - 2 A) pada tegangan yang tetap dan mencatat

ukuran diameter lintasan.

Gambar 3. Rangkaian defleksi elektron pada medan magnet.

V. Tugas Akhir

1. Hubungkanlah hasil percobaan dengan teori.

2. Buatlah grafik kalibrasi B = f(I).

3. Hitunglah besarnya harga e/m dari setiap prosedur

4. Buatlah grafik, hubungan antara tegangan (U) dengan jari-jari (r), Medan magnet (B)

dengan r, dan arus pada koil (I) dengan (r).

5. Hitung besarnya e/m dari masing-masing grafik.

14

MODUL 2: DERET BALMER PADA SPEKTRUM HIDROGEN

I. Tujuan Percobaan

Menentukan panjang gelombang Hα (merah), Hβ (hijau kebiru-biruan) dan H (biru).

II. Teori Dasar

Deret Balmer merupakan bentuk fisis dari spektrum atom Hidrogen yang diperlihatkan

dengan keberadaan empat garis diskrit yang terlihat dari pendaran spektrum lampu

Hidrogen. Spektrum diskrit tersebut diperankan oleh proses transisi elektron menuju kulit

utama ke-2. Bagian utama dari peralatan ini adalah lampu Balmer yang berisi

molekul H2O yang terurai menjadi H dan OH oleh proses discharge/pelepasan dan

rekombinasi. Kedua proses tersebut difasilitasi dengan bantuan katalis untuk menjaga

kekontinuan “water circuit” dalam tube lampu Balmer.

Gambar 1. Model atom Bohr untuk atom H, tanda panah menunjukan proses transisi elektron yang

menghasilkan spektrum Balmer (Deret Balmer).

Dalam eksperimen ini, pengukuran panjang gelombang dari spektrum lampu Hidrogen

(deret Balmer) telah diketahui bahwa faktor kesalahannya sekitar 3 – 5 %. Tujuan utama

dari praktikum ini adalah menentukan panjang gelombang Hα, Hβ dan Hγ dari deret

Balmer oleh spektrum penguraian cahaya yang berasal dari lampu Balmer. Dalam

eksperimen ini, panjang gelombang tiga garis pertama dari deret Balmer dapat

ditentukan dari nilai frekuensi (ν) yang diungkapkan oleh persamaan (1).

𝜈 = 𝑅𝐻 (1

22 −1

𝑛2) (𝑛 = 3,4,5, … ) (1)

Rh merupakan konstanta Rydberg, sedangkan nilai n merupakan bilangan bulat yang

menyatakan kulit kedudukan elektron awal sebelum bertransisi ke kulit ke n=2, di dalam

atom H. Panjang gelombang dapat ditentukan dengan bantuan kisi yang memecah

spektrum lampu Balmer. Intensitas maksimum pada orde 1 (k=1) tampak pada sudut 𝜗

melalui persamaan (2).

sin 𝜗 = 𝑘.𝜆

𝑑 ∶ 𝑘 = 0, 1, 2, 3, … .. (2)

15

d merupakan konstanta kisi, diketahui nilai k adalah 1 maka,

𝜆 = 𝑑 . sin 𝜗 (3)

Nilai 𝜗 didapatkan dari pengukuran jarak seperti yang terlihat pada Gambar 2, melalui

persamaan (4).

𝜗 = arc tan𝑏

𝑎 (4)

Gambar 2. Penentuan panjang gelombang dari spektrum kisi


Nama Alat

1 Balmer lamp

1 Balmer lamp, power supply unit

1 Bench top clamp

1 Small optical bench

6 Leybold multiclamps

1 Adjustable slit

1 Spring clamp holder

1 Copy of the Rowland grating

1 Lens f = 50 mm

1 Lens f = 100 mm

1 Translucent screen

16

Gambar 3. Susunan Peralatan dalam Pengukuran Panjang Gelombang dari Deret Balmer. (a) Lampu

Balmer, (b) lensa fokus 50 mm, (c) adjustable slit, (d) lensa fokus 100mm, (e) Kisi, (f) Papan layar

(transluscent screen).


1. Menyusun peralatan optis seperti pada Gambar 2.

2. Setelah lampu dinyalakan, tunggu sekitar 1-2 menit untuk memulai mengukur pita

spektrum biru, biru-hijau dan merah dari terang pusat.

3. Pertajam spektrum garis yang terlihat pada papan layar dengan mengatur celah pada

perangkat adjustable slit.

4. Jika diperlukan tutuplah/halangi cahaya lain yang keluar dari lampu dengan membuat

penghalang.

5. Tandai spektrum garis orde pertama pada papan layar.

6. Ukur dan catatlah jarak b dan a.

7. Variasikan jarak antar (a) kisi ke layar (24 variasi).

V. Tugas Pendahuluan

1. Jelaskan secara singkat perkembangan model Atom, hingga Bohr mengemukakan

model atom untuk Hidrogen!

2. Ungkapkan hubungan matematis antara energi, panjang gelombang dan frekuensi,

jelaskan secara singkat!

3. Berapakah nilai konstanta Rydberg (RH) ?

VI. Tugas Akhir

1. Hitung panjang gelombang untuk garis spektrum biru Hα, biru-hijau Hβ, dan Hγ.

2. Membuat grafik hubungan b tarhadap a untuk masing-masing garis spektrum dan

menghitung panjang gelombang. Membandingkan hasil perhitungan (2) dengan hasil

perhitungan (1)

3. Menghitung panjang gelombang masing-masing garis spectrum berdasarkan

teori dan membandingkan dengan hasil percobaan

17

MODUL 3: PERCOBAAN FRANK HERTZ

Topik terkait:

Kuantum energi, tumbukan elektron dan eksitasi energi

Prinsip eksperimen:

Elektron dipercepat dalam sebuah tabung yang berisi gas merkuri. Eksitasi energi

merkuri dinyatakan dari jarak antara equidistant minima arus elektron dalam

variabel medan listrik berlawanan arah.

I. Tujuan Percobaan

1. Memahami prinsip eksitasi atom dari model atom Bohr

2. Memahami munculnya eksitasi atom melalui peristiwa tumbukan elastik dan

inelastik.

3. Memahami proses percobaan Franck-Hertz.

4. Menunjukkan kebenaran teori kuantum bahwa energi elektron atom

terkuantisasi.

5. Menentukan tegangan eksitasi atom merkuri.

II. Teori Dasar

Terdapat dua mekanisme utama yang dapat mengeksitasikan sebuah atom ke tingkat

energi di atas tingkat dasar, sehingga menyebabkan atom tersebut memancarkan

radiasi. Salah satu mekanisme ialah melalui tumbukan dengan partikel lain, sehingga

sebagian energi kinetik partikel penumbuk diserap oleh atom. Atom yang tereksitasi

melalui tumbukan ini akan kembali ke tingkat dasar dalam waktu rata-rata 10 detik

dengan me-mancarkan foton. Kondisi tereksitasi ini dapat terjadi misalnya dalam

tabung lucutan muatan listrik (discharge tube) dalam gas bertekanan rendah, yaitu

atom suatu unsur tertentu ditumbuk oleh elektron yang sedang bergerak dari katoda ke

anoda. Pada proses ini, gerak elektron dipercepat oleh kehadiran medan magnet

eksternal sampai energi kinetiknya mampu mengeksitasikan atom ketika terjadi

tumbukan. Tumbukan ini dapat menyebabkan pindahnya enegi kinetik elektron ke

atom (tumbukan tak elastik).

Contoh yang biasa dijumpai adalah lampu merkuri (Hg). Dalam lampu merkuri,

mekanisme medan listrik kuat yang terpasang di antara elektoda dalam tabung berisi

gas menimbulkan emisi radisi spktral karakteristik dari gas tersebut, yaitu berwarna

kebiru-biruan untuk Hg. Potensial henti U2 dipasang antara kisi G dan keping

pengumpul (P) (Gambar 1) sehingga setiap elektron yang mempunyai energi lebih

besar dari harga minimum tertentu memberikan kontribusi pada arus IA yang melalui

18

amparemeter. Saat potensial pemercepat U1 (yang dipasang antar katoda dan kisi)

bertambah, elektron yang datang pada keping juga bertambah sehingga arus listrik IA

juga meningkat. Dalam tabung, tekanan udara relatif lebih rendah dari tekanan

lingkungan (laboratorium), sehingga elektron dalam tabung dapat menumbuk atom

Hg tanpa kehilangan energi. Dengan kata lain, tumbukan pada tabung bersifat

elastik (lenting sempurna). Satu-satunya mekanisme agar elektron kehilangan

energinya setelah tumbukan ialah besar energi elektron penumbuk telah mencapai

harga tertentu yang menyebabkan atom Hg melakukan transisi dari keadaan dasar ke

keadaan tereksitasi.

Berdasarkan percobaan Franck-Hertz, saat energi elektron telah melampaui harga A

eV, elektron kemudian menumbuk Hg secara inelastik sehingga energinya diserap

oleh atom Hg (yang kini berada dalam keadaan tereksitasi) tersebut dengan besar

energi yang sama dan elektron penumbuk tersebut terpantul dengan energi yang kecil.

Dengan kata lain, pada saat energi telah melampaui A eV, arus pada keping

akan menurun. Seiring pembesaran harga potensial pemercepat arus pada keping akan

kembali membesar dan menurun kembali seperti peristiwa di atas yaitu pada saat

energi sebesar 2A eV dan 3A eV.

Gambar 1. Skema prinsip percobaan Frank Hertz. G adalah kisi, P adalah keping pengumpul.

Pada saat potensial pemercepat U1 kembali dinaikan hingga 2 A V, elektron kembali

menumbuk atom secara inelastik dan mengakibatkan atom kembali tereksitasi,

sehingga elektron hasil tumbukan tersebut kembali kehilangan energi sebesar A

eV. Pada saat (V) 3A V maupun kelipatan A V lainnya maka mekanisme serupa akan

kembali terjadi. Contoh kurva Frank Hertz Hg yang direkam pada 175oC dan U2 =

2V dimuat dalam Gambar 2.

19

Gambar 2. Kurva Frank Hertz yang direkam pada T 175oC dan U2 = 2 V.

III. Peralatan yang Digunakan

1. Franck-Hertz Control Unit

2. Tabung Franck –Hertz berisi Hg (mercury) dilengkapi dengan oven

3. Osiloskop

4. Komputer (jika memungkinkan)


1. Susunlah alat-alat pada percobaan Franck-Hertz seperti pada Gambar 3.

2. Kalibrasi osciloscope

3. Hidupkan Control Unit (CU) dengan menekan switch on/off yang terletak di

bagian belakang CU

4. Set parameter-parameter di bawah ini dengan memutar rotary swtich :

Suhu atomisasi (Tnominal) = 175oC

Tegangan pemercepat (U1) = 30V

Tegangan henti (U2) = 1V

5. Panaskan oven dengan menekan tombol No.4 pada CU dan atur pemanasan hingga

mencapai Tnominal dengan memutar saklar putar pada bagian bawah (max skala 7).

20

Gambar 3. Susunan Alat Frank – Hertz Experiment

Gambar 4. Susunan Control Unit Frank-Hertz.

6. Setelah suhu mencapai Tnominal (175 oC), tunggu 15 – 30 menit. Setelah LED

indikator tidak berkedip, tekan tombol No. 5 pada CU untuk mulai

pengukuran.

7. Plot grafik yang ditampilkan osciloscope pada milimeter blok.

8. Tentukan U1 (Sumbu-x) dan IA (Sumbu-y) dari grafik yang diperoleh.

9. Ulangi prosedur 4 – 8 dengan memvariasikan U1 = 35V & 40V dengan U2 =

1,5V & 2V.

21


1. Sebutkan dan jelaskan postulat Bohr.

2. Turunkan persamaan tingkat energi atom menurut Bohr.

3. Sebutkan dan jelaskan beberapa sifat fisik dari Hg (nomor atom, nomor massa,

konfigurasi atomnya, titik didih dan titik leleh).

4. Sebagai unsur yang ditumbuk mengapa pada percobaan Franck-Hertz

digunakan Hg, tidak menggunakan hidrogen.

5. Bawalah kertas grafik milimiter blok sebanyak 3 lembar.

VI. Tugas Akhir

1. Gambarkan grafik Franck –Hertz yang tertera pada osiloskop untuk masing-

masing set parameter.

2. Tentukan tegangan kritisnya.

3. Tentukan potensial eksitasi Hg dari hasil percobaan.

4. Bandingkan energi eksitasi dari hasil eksperimen dan dari perhitungan

menurut teori dengan menggunakan pendekatan Bohr.

5. Apa yang bisa anda ungkapkan setelah melakukan percobaan Franck-Hertz

22

MODUL 4: HUKUM STEFAN BOLTZMANN

Topik terkait:

Energi pada tingkat partikel dengan temperatur yang teramati pada tingkat makroskopik.

Prinsip eksperimen:

Setiap benda meradiasikan panas. Intensitas eksitasi elektromagnetik secara termal ini

meningkat dengan temperatur benda hitam dan juga bergantung pada permukaan

benda hitam.

I. Tujuan Percobaan

1. Memahami teori radiasi Stefan Baltzman (black body).

2. Menentukan konstanta Stefan Baltzman.

3. Menentukan konstanta emisifitas.

II. Teori Dasar

Hukum radiasi benda hitam atau Stefan Baltzmann menerangkan bahwa emisi

(pancaran) total radiasi benda hitam, yaitu energi radiasi total yang terpancarkan

suatu benda hitam pada luas permukaan yang terkena radiasi benda hitam tiap

satuan waktu adalah sebanding dengan T4.

Dinding bagian dalam benda hitam pada oven tabung pemanas listrik yang digunakan

adalah sebagai benda hitam, dan radiasi yang terpancarkan melalui termokopel dapat

terlihat suhu dari benda hitamnya.

Jika temperatur termokopel absolut, maka tegangan keluaran (output) akan

sebanding dengan energi radiasi yang terjadi setiap satuan waktu. Oleh karena itu,

dimulai dari suhu kamar bahwa tegangan output yang terukur adalah konstan dan

relatif kecil, yaitu:

𝑉𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 ~ 𝑇4𝑇04 (1)

dengan

Ttermal : tegangan output dari termokopel

T4 : temperatur alat radiasi benda hitam

T04 : temperatur kamar

III. Prosedur Percobaan

3.1 Peralatan yang Digunakan

1. Bangku Optikal

2. Termokofel Mall

3. Mikrovoltmeter

23

4. Tabung Oven

5. Meja Tabung Oven

6. Perlengkapan Benda Hitam (Black Body)

7. Probe Suhu (temperatur)

8. Alat Ukur Suhu Digital

9. Biks Penghubung Junction

10. Statif yang besar

11. Multiclamp 4 buah

12. Kabel Penghubung (kuning) 2 buah (@ 1 meter)

13. Clamp (jepitan) bunsen

14. Diapragma pinhall

3.2 Prosedur Percobaan

1. Susunlah alat-alat seperti pada Gambar 1, dan terlebih dulu periksakan

susunan alat-alat pada asisten sebelum disambungkan pada sumber

tegangan PLN 220 volt.

Gambar 1. Susunan alat penentuan radiasi benda hitam.

2. Ukurlah suhu ruangan tempat percobaan dan luas luas pinhall

3. Kalibrasi mikrovoltmeter

4. Setelah diperiksa pada asisten barulah alat-alat dihubungkan pada sumber

PLN.

5. Catat tegangan pada mikrovoltmeter sebagai tegangan awal. Biarkan

pemanasan alat benda hitam selama 5 menit supaya panasnya tetap stabil.

Ukur suhu dan tegangan setelah 5 menit tersebut.

6. Untuk setiap kenaikan suhu, catatlah kenaikan tegangan yang ditunjukkan

mikrovoltmeter hingga suhu benda hitam mencapai 400oC.

7. Lakukan percobaan di atas untuk jarak oven dan termokopel mall

yang berbeda.

24

IV. Tugas Pendahuluan

1. Apa perbedaan antara konstanta radiasi benda hitam (konstanta Stefan

Boltzmann) dengan konstanta Boltzmann(kB)?

2. Adakah hubungan antara keduanya? Jelaskan.

V. Tugas Akhir

1. Konversikan tegangan yang ditunjukkan mikrovolt meter ke dalam daya

dengan faktor konversi k = 1/1,16 Watt/Volt!

2. Dari data yang diperoleh, hitunglah konstanta stefan boltzman.

a. Buatlah grafik terhadap (T4 – T04).

b. Hitunglah konstanta boltzman berdasarkan grafik.

c. Bandingkan hasil No. 2 dan No. 3 dengan literature. Hitung kesalahan

relatifnya.

3. Dengan menggunakan konstanta stefan boltzman literatur, hitung P untuk

setiap kenaikan suhu. Badingkan dengan percobaan, hitung emisifitas benda

hitam.

25

MODUL 5: RESONANSI ELASTIS GAS

I. Tujuan Percobaan

Menentukan konstanta perbandingan panas jenis Cp dan Cv gas (konstanta γ).

II. Teori Dasar

Nilai perbandingan panas jenis Cp dan Cv untuk gas dapat ditentukan berdasarkan

peralatan resonansi elastis gas. Untuk tujuan ini, piston magnetik dimasukkan ke

dalam tabung gelas yang berisi gas tertentu. Dengan memberikan medan magnet

listrik yangsesuai, maka piston magnet akan bergerak pada suatu kolom gas,

sedemikian hingga gas berresonansi, dimana gas ditekan dan dimuaikan secara

periodik dalam keadaan adiabatis. Sistem ini dapat diasumsikan sebagai osilasi

massa m dari suatu pegas elastis gas. Apabila frekuensi medan listrik sama dengan

frekuensi alamiah dari osilasi pegas gas tersebut, maka akan terjadi osilasi

harmonis kontinue dengan amplitudo yang maksimum. Periode osilasi ini akan

memenuhi persamaan (1).

𝑇 = 2𝜋

𝐴 √

𝑚 𝑉

𝛾 𝑃 (1)

dengan

T = periode osilasi pegas

A = luas penampang kolom gas m = massa piston magnetik

P = tekanan gas

𝛾 = Cp / Cv.

Berdasarkan Persamaan (1) variabel T, A, m, V dan P dapat diukur sehingga nilai 𝛾

dapat ditentukan dengan metode percobaan yang didasarkan atas :

1. Metode 1 : T = f(V); m, P konstan

2. Metode 2 : T = f(m); V, P konstan

3. Metode 3 : T = f(P); m, V konstan

26


4.1 Alat dan Bahan

1. Tabung gelas berskala dilengkapi pemegang tabung, kran pembuka/penutup

tabung dan statif.

2. Piston magnetik

3. Kumparan dan pemegangannya

4. Osiloskop RC

5. Amperemeter dan kabel-kabel penghubung

6. Pembersih tabung dan piston magnetic

7. Beberapa jenis gas dan peralatan untuk memasukkan gas ke dalam tabung.

4.2 Rangkaian Peralatan

Gambar 1. Rangkaian peralatan percobaan resonansi elastis gas.

Keterangan gambar:

1. Tabung gelas berskala,

2. Piston magnetik

3. Kumparan dan pemegangnya

4. Kran pembuka/penutup tabung

5. Pemegang tabung dan karet penutup tabung

6. Amperemeter

7. Osilator RC

8. Knob pengatur frekuensi

4.3 Persiapan

1. Bersihkan tabung gelas dan piston magnetik menggunakan peralatan yang

tersedia.

2. Bersihkan kran pembuka/penutup tabung dan olesi dengan silikon gel sehingga

27

mudah diputar.

3. Rangkaikan peralatan percobaan sesuai dengan Gambar 1 (Mintalah asisten untuk

memeriksa rangkaian terlebih dahulu)

4.4 Pengamatan dan Pengukuran

(Bacalah petunjuk di bawah ini, kemudian rancanglah terlebih dahulu sebuah tabel

untuk memuat semua data yang akan diamati dan diukur).

Dalam percobaan ini akan dilakukan dua metode pengamatan dan pengukuran, yaitu

Metode 1 dan Metode 2.

4.4.1 Metode 1

1. Masukkan satu buah piston magnetik ke dalam tabung dengan hati-hati (posisi

kedua kran pembuka/penutup tabung dalam kondisi terbuka).

2. Posisikan piston magnetik pada skala 70, menggunakan alat pendorong,

kemudian tutuplah kedua kran tersebut.

3. Letakkan kumparan sedemikian hingga ujung bawah piston bersesuai dengan

ujung atas kumparan.

4. Hidupkan osilator RC, dan aturlah frekuensinya sehingga diperoleh osilasi dengan

amplitudo yang maksimum. Catatlah harga frekuensi tersebut!

5. Lakukan langkah a, b, c, dan d untuk variasi posisi piston yang berbeda.

(Minimal 6 variasi).

6. Lakukan minimal 3 kali percobaan untuk masing-masing volume.

7. Lakukan percobaan b s/d f untuk dengan jumlah piston yang berbeda.

4.4.2 Metode 2

Lakukan langkah-langkah pada metode 1 untuk posisi tabung horizontal.

4.5 Perhitungan

Konstanta perbandingan panas jenis gas Cp dan Cv ditentukan berdasarkan

persamaan (1). Beberapa nilai parameter yang digunakan adalah :

Tekanan udara = 1,027 x 105 Pa.

Diameter dalam tabung gelas = 1,385 + 0,005 cm.

Tinggi tabung = 52,00 + 0,05 cm

IV. Tugas Pendahuluan

1. Buatlah rangkuman teori resonansi gas dari berbagai referensi dan turunkan

Persamaan 1.

V. Tugas Akhir

1. Hitunglah 𝛾 dan sesatannya dari data yang diperoleh.

28

2. Buatlah grafik T2 atau f2 terhadap volume tabung atau tinggi tabung untuk setiap

massa untuk masing-masing posisi tabung.

3. Hitunglah 𝛾 berdasarkan grafik.

4. Bandingkan hasil b dan d dengan literatur (5/3 untuk mono atomik). Hitung

kesalahan relatifnya.

29

MODUL 6: SEL SURYA

I. Tujuan Percobaan

1. Mempelajari efek fotovoltaik.

2. Menentukan Karakteristik Sel Surya.

3. Mengoptimisasi Konversi Energi Surya menjadi Energi Listrik.

II. Teori Dasar

Sel energi surya atau sel surya (solar cell) adalah piranti elektronik yang dapat

mengubah cahaya (matahari) menjadi tegangan listrik, fenomena ini dikenal dengan efek

fotovoltaik. Komponen dasar untuk piranti ini adalah bahan semikonduktor, sedangkan

strukturnya pada umumnya memanfaatkan fenomena persambungan semikonduktor

(semicoductor junction) seperti dioda p-n (persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-

n), dioda Schottky (persambungan logam dan semikonduktor) dan sel fotoelektrokimia

(persambungan semikonduktor dengan elektrolit). Pada eksperimen ini digunakan

sambungan dioda p-n dari bahan dasar silikon dengan konstruksi seperti pada Gambar 1.

(a) (b)

Gambar 1. (a) Konstruksi Sel Surya Silikon, (b) Prinsip kerja sel surya yang terlihat pada bagian

penampang dari gambar (a).

Untuk kerja solar sel ditentukan oleh karakteristik elektrik dari persambungan ini yang

dapat dipelajari melalui diagram pita energi seperti diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Diagram pita energi sambungan p-n -: akseptor, +: donor, UD:potensial difusi, EF: tingkat

Energi Fermi dan e: muatan elektron

30

Pada keadaan setimbang (tanpa medan luar), tingkat energi Fermi EF diseluruh bagian

sama. Perbedaan konsentrasi elektron dan hole di daerah-p dan daerah-n menyebabkan

difusi elektron ke daerah-p dan hole ke daerah- n. Atom-atom pengotor akan

membentuk daerah arus muatan terbatas (charge-limited current), pada saat arus difusi

dan field current offset dalam keseimbangan satu sama lain.

Potensial difusi UD pada sambungan p-n tergantung pada jumlah doping dan berkaitan

dengan perbedaan tingkat energi Fermi pada daerah p dan n pada keadaan terpisah.

Jarak antara pita valensi dan pita konduksi dalam silikon pada temperature kamar adalah

E=1,1 eV dan potensial difusinya adalah UD= 0,5 sampai 0,7 V.

Jika cahaya/foton jatuh mengenai sambungan p-n, akan terbentuk pasangan elektron-

hole yang dipisahkan oleh ruang-muatan. Elektron tertarik ke daerah-n dan hole

ke daerah-p. Foton diserap tidak hanya pada sambungan p-n, tetapi juga di daerah-p

diatasnya (Gambar 1). Elektron yang dihasilkan adalah minoritas didaerah itu,

konsentrasinya berkurang sangat banyak karena rekombinasi dan oleh karena itu

efisiensinya juga berkurang. Karena itu ketebalan lapisan-p harus cukup tipis untuk

elektron berdifusi sepanjang LE untuk memasuki lapisan-n.


1. Modul Sel Surya

2. Rheostat/Potensiometer

3. Multimeter digital, dua buah

4. Power Supply

5. Sumber cahaya

6. Detektor Cahaya (Thermopile)

7. Air blower

8. Perlengkapan lainnya

31

Gambar 3. Susunan peralatan pengukuran kurva arakteristik solar sel.


1. Menentukan Intensitas cahaya:

a. Menempatkan sumber cahaya dan detektor pada jarak tertentu (minimal 50 cm),

mengukur intensitas cahaya dengan menggunakan detektor cahaya

(Thermopile).

b. Memvariasikan jarak sumber cahaya dengan detektor untuk

mendapatkan titik dengan intensitas yang berbeda

2. Menentukan Arus Hubung Singkat dan Tegangan Terbuka:

b. Merangkai sel surya seperti pada Gambar 3.

Gambar 4. Rangkaian untuk menentukan karakteristik Sel Surya.

c. Menempatkan sumber cahaya sedemikian rupa sehingga seluruh permukaan

panel Sel Surya tersinari

d. Mengatur potensiometer/hambatan geser pada posisi resistansi maksimum.

Catat nilai yang ditunjukkan masing-masing alat ukur (Volt-meter dan Ampere-

32

meter)

e. Menurunkan resistansi hambatan geser secara perlahan, dan catat nilai

pembacaan pada masing-masing alat ukur untuk setiap perubahan resistansi.

melakukan sampai nilai resistansi mencapai harga minimum. (Cat. Arus hubung

singkat dan Tegangan terbuha dipengaruhi temperatur, untuk

mempertahankannya pada temperatur kamar gunakan Air Blower dingin)

3. Menentukan Ketergantungan Arus Hubung Singkat dan Tegangan Terbuka terhadap

Temperatur:

b. Tiupkan udara panas ke permukaan sel surya, ukur temperature permukaan

secara langsung menggunakan thermometer. (!!! Jangan menyentuh permukaan

sel surya, lapisan p-nya mudah rusak).

c. Mengulangi Prosedur (2)

4. Menentukan Kurva karakteristik pada Intensitas cahaya yang berbeda:

a. Mengulangi Prosedur (2), untuk jarak antara sumber cahaya dan sel surya

(Intensitas cahaya telah diukur pada 2.1) yang berbeda. melakukan untuk

beberapa variasi jarak.

5. Menentukan Kurva karakteristik pada Kondisi Lingkungan yang berbeda:

a. Mengulangi prosedure (2), dengan:

b. Pendinginan dengan Blower

c. Tanpa Pendinginan

d. Cahaya terlebih dahulu dilewatkan melalui pelat kaca.

6. Menggunakan sumber cahaya yang berbeda (untuk mengetahui pengaruh panjang

gelombang terhadap rapat arus.


1. Mempelajari prinsip kerja dan karakteristik dioda P-N biasa, bahas

perbedaannya dengan Sel Surya Sambungan P-N.

2. Membuat/menurunkan perumusan untuk menentukan daya maksimum

dan efisiensi konversi sebuah Sel Surya.

3. Apakah yang dimaksud dengan Fill Factor?

VI. Tugas Akhir

1. Buat Grafik antara Intensitas cahaya dari sumber dengan posisi detektor.

2. Buat Kurva Karakteristik (Arus-Tegangan) dari prosedur 2, 3, 4, 5, 6 dan 7

kemudian menentukan:

a. Arus hubung singkat dan tegangan terbuka

b. Arus dan tegangan yang menghasilkan daya keluaran maksimum c. Harga Fill

Factor dan efisiensi konversi

c. Kurva panjang gelombang dan rapat arus.

3. Pada eksperimen ini sebagai bahan dasar sel surya digunakan bahan semikonduktor.

33

Bahas mekanisme konversi cahaya menjadi tegangan listrik oleh bahan

semikonduktor. Berdasarkan mekanisme tersebut berikan prediksi apakah efek

fotovoltaic ini juga dapat terjadi pada bahan lain (non-semikonduktor).

4. Buat perencanaan bagaimana modul-modul sel surya (4 modul) disusun

untuk mendapatkan daya maksimum. Dari segi instrumentasi yang digunakan pada

eksperimen ini, faktor apa saja yang dapat menurunkan efisiensi/daya maksimum.

Bagaimana cara mengatasinya.

5. Bagaimana/dimana modul sel surya harus dipasang agar diperoleh daya

maksimum (bahas keterkaitannya dengan letak geografis dan posisi bumi

terhadap matahari/musim, dll.)

6. Dari perangkat eksploitasi energi surya yang ada apa kelebihan dan kekurangan

sel fotovoltaik.

7. Dari segi keselamatan lingkungan bahas keuntungan dan kerugian penggunaan sel

surya sebagai sarana pemanfaatan energi surya.

34

MODUL 7: EFEK FARADAY (MENENTUKAN KONSTANTA

VERDET)

I. Tujuan Percobaan

Mengamati rotasi bidang polarisasi cahaya monokromatik ketika melalui media kaca

flinta dalam medan magnet.

Menentukan konstanta Verdet dan ketergantungannya terhadap panjang gelombang.

II. Teori Dasar

Ketika bahan isotropik transparan ditempatkan dalam medan magnet kuat dan cahaya

yang terpolarisasi linear dilewatkan melalui medium searah medan magnet, terjadi rotasi

bidang polarisasi cahaya dengan sudut φ (Gambar 1).

Gambar 1. Skema efek Faraday: rapat flux magnet B sejajar dengan arah rambat cahaya, E adalah medan

listrik dan L panjang medium isotropic transparan.

Sudut putar φ sebanding dengan kerapatan fluks magnet B dan panjang medium L yang

dilalui cahaya, seperti tercantum pada persamaan (1).

φ = V B L (1)

dimana,

L: panjang medium transparan

B: fluks magnet

V: konstanta Verdet

Fenomena ini dapat dijelaskan oleh pencitraan cahaya terpolarisasi linear sebagai

superposisi koheren dari dua komponen terpolarisasi berlawanan σ + dan σ-.

Dalam fisika atom medan magnet mempengaruhi gerak elektron-elektron dalam atom.

Medan magnet menyebabkan muatan berosilasi untuk melakukan gerak presesi

tambahan dengan frekuensi presesi sama dengan frekuensi Lamor:

𝜔𝐿 =𝑒

𝑚𝐵 (2)

dimana,

e = muatan dari partikel yang berosilasi

35

m = massa partikel yang berosilasi

B = kerapatan fluks magnet

Komponen σ+ dan σ- dari cahaya terpolarisasi memiliki frekuensi berbeda relatif

terhadap gerakan presesi yang dilakukan muatan.

Satu komponen memiliki frekuensi 𝜔 + 𝜔𝐿 dan componen yang lain memiliki

frekuensi 𝜔 − 𝜔𝐿. Indeks bias n+ dan n- serta kecepatan fase v+ dan v- berbeda sesuai

dengan aktivitas optik.

Persamaan berikut dapat diturunkan untuk sudut rotasi dari bidang polarisasi sebagai

fungsi dari panjang media yang dilalui cahaya.

φ =ω(𝑛+−𝑛−)B

2c (3)

dimana,

𝜔 = frekuensi cahaya yang ditransmisikan

𝑛+, 𝑛− = indek bias

c = kecepatan cahaya

Karena indeks bias n merupakan fungsi dari panjang gelombang λ, konstanta Verdet

dapat dihitung dengan menggunakan asumsi di atas:

𝑉 = (𝑒𝜆

2𝑚𝑐2)𝑑𝑛

𝑑𝜆 (4)

e = muatan elektron

m = massa elektron

c = kecepatan cahaya

Persamaan (4) berlaku untuk banyak rentang spektral. Dalam eksperimen ini digunakan

kaca flinta. Untuk jenis kaca ini berlaku pendekatan berikut:

𝑑𝑛

𝑑𝜆= −(1.8𝑥10−14)/𝜆3𝑚3 (5)

Berdasarkan persamaan tersebut konstanta Verdet menurun terhadap panjang gelombang

sebagai 1/λ2:

𝑉 = −(𝑒𝜆

2𝑚𝑐2)(1.8𝑥10−14)/𝜆3𝑚3 (6)

Hubungan e/m dapat diturunkan dari pengukuran optik murni dan dengan mengetahui

kecepatan cahaya. Nilai e/m yang diperoleh untuk beberapa bahan agress dengan baik

dengan nilai-nilai yang diketahui. Hal ini menunjukkan bahwa osilasi alami dari elektron

sebenarnya bertanggung jawab untuk efek Faraday.

Dalam percobaan ini medan magnet homogen yang cukup kuat yang memungkinkan

untuk memverifikasi persamaan (1) dan (4) secara kuantitatif tidak tersedia. Oleh karena

itu percobaan akan dibatasi untuk:

a. Membuktikan proporsionalitas antara rotasi bidang polarisasi dan medan magnet B.

36

b. Menunjukkan penurunan konstanta Verdet V terhadap kenaikan panjang gelombang

λ.

III. PROSEDUR PERCOBAAN

1. Alat dan Bahan

Komponen peralatan terdiri dari:

1. kaca flinta segi empat/kotak dengan

holder

2. kaca flinta segi empat/kotak dengan

holder

3. dua coil dengan 250 lilitan

4. Lampu halogen, 12 V / 90

5. Filter monokromatis, (kuning, biru-

hijau, biru-violet, violet

6. 1 Lensa f = 50

7. 2 Filter Polarisasi

8. Layar

9. Multimeter digital-analog

METRAHit 24S

10. Instrumen fisika pengukur

universal

11. Mobile-Cassy

12. Combi B-Sensor S

13. Kabel Penghubung

2. Prosedur Percobaan

Gambar 2. Susunan Peralatan Efek Faraday.

Persiapan Alat

1. Sebuah benang silang di lekatkan pada analisator dan diproyeksikan ke layar

transparan sehingga sudut rotasi Δφ dapat ditentukan secara tepat.

2. Lengkapi salah satu filter polarisasi dengan benang silang seperti pada Gambar 2.

Pastikan, bahwa salib persis di sudut kanan dan ditempatkan tepat di tengah

analiser. Gunakan busur derajat untuk menyelaraskannya. Bahan terbaik untuk

melakukan ini adalah benang sutra.

3. Susun lampu halogen pada bangku optik sesuai dengan Gambar 3. Pasang slider

layar dengan filter pengisolasi panas pada kondensor.

4. Tempatkan polarizer menutup lampu halogen pada bangku optik.

5. Tempatkan U-core transformator dengan dua kumparan yangg dpt dibongkar

pasang pada rel penggerak dasar dengan benang dan sesuaikan dengan holder

untuk kaca flinta.

37

6. Tempatkan tiang-tiang bore pada U-core sedemikian rupa sehingga kaca flinta

dapat diletakkan pada dudukan

7. Dorong tiang tepat kearah kaca flinta tetapi tidak menyentuhnya.

8. Gunakan penjepit untuk menyatukan tiang pada U-core.

9. Pasang analyzer (polarizer) menutupi U-core pada bangku optik.

10. Pasang layar tembus cahaya berlawanan dengan analyzer.

11. Pasang lensa f = 50 mm antara analiser dan layar transparan.

a) Kalibrasi Medan Magnet

Lepaskan kotak kaca flinta.

Sambungkan B-Sensor S Combi dengan multimeter menggunakan kabel

penghubung.

Tempatkan probe B tangensial dari B-Sensor S Combi, diantara tiang-tiang seperti

pada Gambar. 4. Gunakan alat penyangga untuk menahan probe magnetik diantara

tiang.

Catat medan magnet B sebagai fungsi arus I yang melalui kumparan.

b) Rotation bidang polarisasi φ sebagai fungsi dari medan magnet B

Sisipkan filter dengan λ = 450 nm (468 11) pada slider.

Tempatkan kaca flinta sehingga tepat diantara kedua lubang cahaya.

Tentukan medan magnet yang diinginkan dengan cara mengatur arus listrik.

Tempatkan analser pada posisi 0°.

Putar polarizer sampai diperoleh intensitas minimum.

Balik polaritas medan magnet tanpa mengubah arus. Untuk melakukannya, matikan

medan magnet, balik polaritas arus kumparan, nyalakan kembali medan magnet.

Putar analiser sampai diperoleh intensitas minimum.

Matikan medan magnet dan cari intensitas maksimum dengan memutar polarizer.

Singkirkan filter warna dari lintasan cahaya untuk meningkatkan kontras proyeksi

benang salib.

Baca posisi benang silang.

Ulangi langkah-langkah pengukuran ini untuk berbagai medan magnet dengan

memvariasikan arus magnetic.

Gambar 3. Calibration of the magnetic field schematically.

c) Konstanta Verdet sebagai fungsi panjang gelombang λ

38

Tempatkan filter warna dengan panjang gelombang yang diinginkan pada penjepit

lampu halogen dalam slider.

Atur benang silang pada posisi nol.

Tempatkan filter pada jalur berkas dan berikan medan magnet maksimum.

Ukur rotasi bidang polarisasi 2φ sebagaimana diuraikan pada percobaan b).

Singkirkan filter warna dari jalur berkas sebelum membaca posisi benang silang.

Ulangi pengukuran untuk filter yang lain.

IV. Tugas Akhir

1. Hitung panjang gelombang untuk garis spektrum biru H, biru-hijau H, dan merah

H .

2. Buat grafik e tarhadap a untuk masing-masing garis spektrum, hitung panjang

gelombangnya. Bandingkan dengan hasil perhintungan (1).

3. Hitung panjang gelombang masing-masing garis spektrum berdasarkan teori

bandingkan dengan hasil percobaan.

4. Hitung energi foton untuk ketiga garis spektrum diatas.

39

MODUL 8: PENGUJIAN ARUS DAN TEGANGAN PANEL SURYA

I. Tujuan

1. Mahasiswa mampu mengidentifikasi bagian-bagian dan sistem panel surya

2. Mahasiswa mampu mengukur arus dan tegangan panel surya

3. Mahasiswa mampu menganalisa hasil pengukuran panel surya

II. Dasar Teori

1. Panel Surya

Panel surya fotovoltaik merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi sinar

matahari secara langsung menjadi energi listrik. Pada asasnya panel tersebut merupakan

suatu dioda semikonduktor yang bekerja menurut suatu proses khusus yang

dinamakan proses tidak seimbang (non-equilibrium pocess) dan berlandaskan efek

(photovoltaic effect).

Panel surya atau biasa disebut juga panel fotovoltaik merupakan suatu P-N junction dari

silikon kristal tunggal. Dengan menggunakan photo-electric effect dari bahan

semikonduktor sehingga dapat mengumpulkan radiasi surya dan mengkonversinya

menjadi energi listrik. Enegi listrik hasil dari panel surya tersebut berupa arus DC dan

bisa langsung digunakan atau bisa juga menggunakan baterai sebagai sistem

penyimpan sehingga dapat digunakan pada saat dibutuhkan terutama pada malam

hari.

Beberapa karakteristik penting panel surya terdiri dari tegangan open circuit (Voc), arus

hubungan singkat (Isc), efek perubahan intensitas cahaya matahari efek perubahan

temperatur serta karakteristik tegangan-arus pada panel surya. Tegangan open circuit

(Voc) adalah tegangan yang dibaca pada saat arus tidak mengalir atau bisa disebut juga

arus sama dengan nol. Cara untuk mencapai open circuit (Voc) yaitu dengan

menghubungkan kutub positif dan kutub negatif modul surya dengan voltmeter, sehingga

akan terliat nilai tegangan open circuit panel surya pada voltmeter.

Arus short circuit (Isc) adalah arus maksimal yang dihasilkan oleh modul panel

surya dengan cara menge-short-kan kutub positif dengan kutub negatif pada modul surya.

Dan nilai Isc akan terbaca pada amperemeter. Arus yang dihasilkan modul surya

dapat menentukan seberapa cepat modul tersebut mengisi sebuah baterai. Panelain itu,

arus dari modul surya juga menentukan daya maksimum dari alat yang digunakan. Efek

perubahan intensitas cahaya matahari terjadi apabila jumlah energi cahaya matahari yang

diterima panel surya berkurang atau intensitas cahayanya melemah, lihat pada Gambar 1.,

40

maka besar tegangan dan arus listrik yang dihasilkan juga akan menurun. Penurunan

tegangan relatif lebih kecil dibandingkan penurunan arus listriknya.

Gambar 1. Kurva tegangan dan arus panel surya terhadap intensitas cahaya matahari (Sumber: Satwiko,

2012).

Efek perubahan suhu pada Panel Surya. Panel surya akan bekerja secara optimal pada

suhu konstan yaitu 25º C. Jika suhu disekitar panel surya meningkat melebihi 25º C,

maka akan mempengaruhi fill factor sehingga tegangan akan berkurang seperti pada

Gambar 2. Panelain itu, efisiensi panel surya juga akan menurun beberapa persen.

Sedangkan sebaliknya, arus yang dihasilkan akan meningkat seiring dengan

meningkatnya suhu pada Panel Surya.

Gambar 2. Kurva Tegangan Dan Arus Panel Surya Terhadap Perubahan Suhu (Sumber: Satwiko, 2012).

2. Solar Charge Controller

Proses pengisian arus listrik dengan Panel Surya ke baterai tidak sama dengan

pengisi baterai konvensional (battery charger) yang menggunakan listrik. Hal ini

disebabkan karena arus listrik yang dihasilkan Panel Surya bisa besar, bisa juga kecil

tergantung dari penyinaran/radiasi matahari. Proses pengisian akan berlangsung

panelama ada radiasi matahari, tidak melihat apakah baterai tersebut sudah penuh atau

belum. Pengisian arus listrik dari panel surya dikontrol oleh Solar Charge Controller .

Skema Solar Charge Controller terlihat pada Gambar 3.

41

Gambar 3. Skema Solar Charge Controller (Sumber: www.panelsurya.com).

Fungsi Solar Charge Controller:

a. Mengatur transfer energi dari modul PV baterai beban, secara efisien dan

semaksimal mungkin

b. Mencegah baterai dari pengisian arus listrik dan pengeluaran arus listrik dari

baterai secara berlebih

c. Membatasi daerah tegangan kerja baterai

d. Menjaga/memperpanjang umur baterai

e. Mencegah beban berlebih dan hubung singkat

f. Melindungi dari kesalahan polaritas terbalik

g. Memberikan informasi kondisi sistem pada pemakai

3. Inverter

Inverter adalah perangkat elektronika yang dipergunakan untuk mengubah tegangan

DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternating Curent). Output suatu Inverter

dapat berupa tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus (sine wave), gelombang

kotak (square wave) dan sinus modifikasi (sine wave modified).

Sumber tegangan input Inverter dapat menggunakan baterai, tenaga surya, atau

sumber tegangan DC yang lain. Inverter dalam proses konversi tegangan DC menjadi

tegangan AC membutuhkan suatu penaik tegangan berupa step up transformer.

Rangkaian dasar inverter setengah jembatan satu fasa dengan beban resitif dan bentuk

gelombangnya dapat dilihat pada Gambar 4.

42

Gambar 4. Rangkaian Dasar Inverter Dan Gelombang Tegangan Masukan Dan Keluaran Inverter: (a)

Sinyal Carrier Dan Modulasi; (b) Kondisi Pensaklaran S+; (c) Kondisi Pensaklaran S-; (d) Sinyal Keluaran

AC (Sumber: Rashid, 2001).

Pada Gambar 4. diperlukan dua buah kapasitor untuk menghasilkan titik Netral agar

tegangan pada setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan. Sakelar S+ dan S-

mempresentasikan sakelar elektronis yang mencerminkan komponen semikonduktor

daya. Sakelar S+ dan S- tidak boleh bekerja secara serempak/simultan karena akan

terjadi hubung singkat rangkaian. Kondisi ON dan OFF dari sakelar S+ dan S- ditentukan

dengan teknik modulasi, yaitu membandingkan antara sinyal modulasi Vc (dalam hal ini

tegangan bolak-balik luaran yang diharapkan) dengan sinyal pembawa dengan bentuk

gelombang gigi gergaji (VΔ). Secara praktis, jika Vc > VΔ maka sakelar S+ akan ON

dan sakelar S- akan OFF, dan jika Vc < VΔ maka sakelar S+ akan OFF dan sakelar S-

akan ON. Untuk menghasilkan tegangan luaran (Vo) satu fasa, terdapat tiga kondisi

jika sakelar S+ dan S- dioperasikan sebagaimana ditunjukan tabel berikut:

Tabel 1. Variasi kondisi saklar terhadap komponen yang aktif.

4. Baterai

Baterai adalah alat penyimpan tenaga listrik arus searah (DC). Secara garis besar, baterai

dibedakan berdasarkan aplikasi dan konstruksinya. Berdasarkan aplikasi maka baterai

43

dibedakan untuk automotif, marine dan deep cycle. Deep cycle itu meliputi baterai yang

biasa digunakan untuk PV (Photovoltaic) dan back up power. Baterai kering Deep

Cycle dirancang untuk menghasilkan tegangan yang stabil dan konsisten. Penurunan

kemampuannya tidak lebih dari 1-2% per bulan tanpa perlu di-charge. Bandingkan

dengan baterai konvensional yang bisa mencapai 2% per minggu untuk panelf discharge.

Konsekuensinya untuk charging pengisian arus ke dalam baterai Deep Cycle harus

lebih kecil dibandingkan baterai konvensional sehingga butuh waktu yang lebih lama

untuk mengisi muatannya. Karena tidak ada cairan yang dapat membeku maupun

mengembang, membuat baterai Deep Cycle tahan terhadap cuaca ekstrim yang

membekukan. Itulah sebabnya mengapa pada cuaca dingin yang ekstrim, kendaraan

yang menggunakan baterai konvensional tidak dapat distart alias mogok.

Gambar 5. Konstruksi Baterai (Sumber: Datasheet).


3.1 Alat dan Bahan

1. Panel Surya dengan Rotasi Dinamis 1 unit

2. AVO Meter Digital 2 unit

3. Kabel jumper 10 buah

3.2 Langkah Percobaan

1. Tempatkan panel surya di luar ruangan yang terdapat sinar matahari langsung!

2. Siapkan peralatan praktikum yang akan digunakan

3. Pasanglah kabel jumper seperti pada Gambar 6.

4. Konsultasikan ke dosen atau asisten praktikum terkait pengakabelan, apabila

sudah di setujui mulailah praktikum

5. Ukurlah tegangan Panel Surya pada Blok “Solar Charge Controller” di port yang

bertuliskan Panel Surya, seperti pada Gambar 7.

44

Gambar 6. Skema Rangkaian.

Gambar 7. Pengukuran Tegangan panel Surya.

6. Catat hasil pengukuran tegangan panel surya yang diperoleh pada Tabel 2.

Tabel 2. Tegangan panel surya.

Jam/5 menit Tegangan panel

surya (Volt)

45

7. Ukurlah Tegangan Baterai pada Blok “Solar Charge Controller” di port yang

bertuliskan Baterai. Seperti pada Gambar 8.

Gambar 8. Pengukuran Tegangan pada Baterai.

8. Catat data hasil pengukuran tegangan pada baterai dalam Tabel 3.

Tabel 3. Tegangan Baterai.

Jam/5 menit Tegangan Baterai

(Volt)

9. Ukurlah Arus Pengisian Pada Baterai pada Blok “Solar Charge Controller” di

port yang bertuliskan Baterai. Seperti pada Gambar 9.

10. Catat data hasil pengukuran arus pengisian pada baterai dalam Tabel 4.

Tabel 4. Pengukuran Arus Pengisian Pada Baterai.

Jam/5 menit Arus Pengisian

Baterai (Ampere)

46

11. Ukurlah tegangan keluaran pada Blok “Solar Charge Controller” di port yang

bertuliskan DC output. Seperti pada Gambar 1.10. dengan catatan kabel Panel

Surya tidak dipasang.

Gambar 9. Pengukuran Arus Pengisian pada Baterai.

Gambar 10. Pengukuran Tegangan Keluaran DC.

47

12. Catat data hasil pengukuran Tegangan Keluaran pada Tabel 5.

Tabel 5. Pengukuran Tegangan Keluaran.

Jam/5 menit Tegangan keluaran

DC (Volt)

13. Ukurlah tegangan AC pada Blok “Inverter” di port yang bertuliskan AC Output.

Seperti pada Gambar 1.11. dengan catatan kabel Panel Surya tidak dipasang.

Gambar 11. Pengukuran Tegangan AC Inverter.

14. Catat data hasil pengukuran Tegangan AC Inverter pada Tabel 6.

Tabel 6. Tegangan keluaran AC.

Jam/5 menit Tegangan keluaran

AC Inverter (Volt)

15. Setelah semua data pengukuran diperoleh maka masukkan data tersebut ke dalam

Tabel 7.

48

Tabel 7. Data Pengukuran Panel Surya Jam/5

menit

Tegangan

panel surya

(Volt)

Tegangan

Baterai

(Volt)

Arus Pengisian

pada Baterai

(Ampere)

Tegangan

keluaran DC

(Volt)

Tegangan

Inverter

(Volt)

Daya

Keluaran

DC (Watt)

16. Ketika ingin menguji lampu apakah menyala, pada Solar Charge Controller tekan

tombol power hingga 5 detik dan pilih opsi kontrol di angka “6.” Karena pada

mode tersebut berfungsi sebagai ON/OFF mode. Penjelasan lebih lanjut terkait

Solar Charge Controller ada pada manual book Trainer.

17. Setelah semua selesai Analisa keterkaitan variabel berdasarkan data yang

diperoleh selama praktikum. Misal hubungan yang terjadi antara pengaruh waktu

dengan arus dan tegangan yang dihasilkan oleh panel surya.

18. Buat plot data : Arus tehadap waktu, tegangan panel surya terhadap waktu dan

daya terhadap wantu

IV. Analisa

Dari data hasil pengukuran yang telah diuji maka dapat dianalisa sebagai berikut:

49

................................................................................................................................................

................................................................................................................................................

................................................................................................................................................

................................

Buat grafik tegangan terhadap arus dan berikan analisa terhadap kurva tersebut.

V. Kesimpulan

Setelah dilakukan suatu proses pengujian arus dan tegangan panel surya pada sistem statis

dapat disimpulkan sebagai berikut:

................................................................................................................................................

................................................................................................................................................

................................................................................................................................................

.................................

I. Latihan Soal

1. Sebut dan jelaskan beberapa karakterisitik penting pada panel surya!

2. Sebutkan dan jelaskan fungsi masing-masing bagian komponen dibawah ini:

3. Daya listrik yang digunakan untuk kebutuhan sehari-hari adalah sebagai berikut:

1 unit Kulkas 100 Watt dipakai 24 Jam =2400 Wh

1 unit LCD 32″ 80 Watt dipakai 5 jam =400 Wh

10 lampu LED 7 Watt dipakai 10 Jam =700 Wh

Total 187 Watt/Hour dan 3500 Wh per hari.

Hitung kebutuhan panel surya dan baterai pada penggunaan daya listrik pada kebutuhan

tersebut!

MODUL 10

PANDUAN DAN KUMPULAN MODUL PRAKTIKUM FISIKA...

Documents

Transcript of PANDUAN DAN KUMPULAN MODUL PRAKTIKUM FISIKA...