Pekerjaan Rumah-3 SOLUTION FI- 3101...
Transcript of Pekerjaan Rumah-3 SOLUTION FI- 3101...
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
PROGRAM STUDI FISIKA Jl. Ganesha No. 10 Bandung, 40132 Telp. (022) 2500834, 2534127, Fax. (022) 2506452
Homepage : http://www.fi.itb.ac.id E-mail : [email protected]
Pekerjaan Rumah-3 FI- 3101 Gelombang
1. Diberikan pers. Maxwell berikut:
(1) ∇ ∙ 𝑬 =𝜌
𝜖0 (2) ∇ × 𝑬 = −
𝜕𝑩
𝜕𝑡 (3) ∇ ∙ 𝑩 = 0 (4) ∇ × 𝑩 = 𝜇0𝑱 + 𝜇0𝜖0
𝜕𝑬
𝜕𝑡
dan persamaan konstitutif 𝑩 = 𝜇𝑯 dan 𝑫 = 𝜖𝑬. a. Turunkan persamaan gelombang bagi E dan H bilamana tak ada sumber muatan maupun sumber arus. b. Jika 𝑬(𝒓, 𝑡) = 𝑬𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) adalah solusi gelombang bisang yang menjalar dalam arah-Z, gunakan persamaan Maxwell di atas untuk mendapatkan ungkapan bagi 𝑯(𝒓, 𝑡), serta nyatakan amplitudo H0 dinyatakan dalam 𝑬𝟎, 𝜇 𝑑𝑎𝑛 𝜖. (point:20)
Jawab: Mulai dengan pers Maxwell tanpa sumber arus dan sumber muatan, 𝜌 = 0 𝑱 = 𝟎:
(1) ∇ ∙ 𝑬 = 0 (2) ∇ × 𝑬 = −𝜕𝑩
𝜕𝑡 (3) ∇ ∙ 𝑩 = 0 (4) ∇ × 𝑩 = 𝜇𝜖
𝜕𝑬
𝜕𝑡
Ambil curl pada (2) ∇ × ∇ × 𝑬 = −𝜕∇ ×𝑩
𝜕𝑡 ∇ (∇ ∙ 𝐄) − ∇
2𝑬 = −
𝜕∇ ×𝑩
𝜕𝑡
Pakai (1) dan (4) :
−∇ 2
𝑬 = −𝜇𝜖𝜕
𝜕𝑡(
𝜕𝑬
𝜕𝑡)
Re-arrange , we obtain the wave equation for the E field :
∇ 2
𝑬 − 𝜇𝜖𝜕2𝑬
𝜕𝑡2= 0
Selanjutnya mulai dengan curl (4) : ∇ × ∇ × 𝑩 = 𝜇𝜖𝜕∇ ×𝑬
𝜕𝑡 ∇ (∇ ∙ 𝑩) − ∇
2𝑩 = 𝜇𝜖
𝜕∇ ×𝑬
𝜕𝑡
Pakai (2) dan (3):
−∇ 2
𝑩 = −𝜇𝜖𝜕2𝑩
𝜕𝑡2 → ∇
2𝑩 − 𝜇𝜖
𝜕2𝑩
𝜕𝑡2 = 𝟎
dengan 𝑩 = 𝜇𝑯:
∇ 2
𝑯 − 𝜇𝜖𝜕2𝑯
𝜕𝑡2 = 𝟎
b. Jika 𝑬(𝒓, 𝑡) = 𝑬𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) maka B akan berbentuk serupa: 𝑩(𝒓, 𝑡) = 𝑩𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) dan 𝑯 =𝑩
𝜇
maka memakai (2)
SOLUTION
(2) ∇ × 𝑬 = −𝜕𝑩
𝜕𝑡→ ∇ × {𝑬𝟎 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝑘𝑧])} = −
𝜕
𝜕𝑡 𝑩𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧])
∇ exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) × 𝑬𝟎 = −𝑖𝜔 𝑩𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧])
−𝑖 �̂�𝑘 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) × 𝑬𝟎 = −𝑖𝜔 𝑩𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧])
−𝑖 �̂�𝑘 × 𝑬𝟎 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) = −𝑖𝜔 𝑩𝟎 exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) jadi
�̂�𝑘 × 𝑬 = 𝜔 𝑩 atau �̂�𝑘 × 𝑬𝟎 = 𝜔 𝑩𝟎 secara umum :
𝒌 × 𝑬 = 𝜔 𝑩 dengan 𝒌 = �̂� 𝑘. Memakai hubungan konstitutif 𝑩 = 𝜇𝑯, maka
𝑯 =𝑘
𝜇𝜔�̂� × 𝑬 → 𝑯 =
𝑘
𝜇𝜔�̂� × 𝑬𝟎 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝑘𝑧]) = 𝑯𝟎 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝑘𝑧])
𝑯𝟎 =𝑘
𝜇𝜔�̂� × 𝑬𝟎 =
1
𝜇𝑐�̂� × 𝑬𝟎 = √
𝜖
𝜇�̂� × 𝑬𝟎
2. Gelombang datar EM di vakum dinyatakan oleh fungsi gelombang sbb:
𝑬(𝒓, 𝑡) = 𝒊 0,02 cos([𝜔𝑡 + 𝑘𝑧]) semua satuan SI. Frekuensinya diberikan oleh 𝑓 = 108 ℎ𝑧 dan laju propagasinya 𝑐 = 3𝑥108 𝑚/𝑠. a. Apakah jenis polarisasinya dan arah jalarnya? (point:4) b. Berapakah 𝜔, 𝒌 dan 𝜆 ? (point:4) c. Carilah medan H terkait. (point:4) d. Hitunglah rapat energi rata-ratanya. (point:4) e. Hitunglah rapat arus energi rata-ratanya. (point:4) Jawab: a. Polarisasi linear, menjalar arah Z
b. 𝜔 = 2𝜋𝑓 = 2𝜋 × 108 𝑟𝑎𝑑
𝑠 = 6,28 × 108 𝑟𝑎𝑑
𝑠
𝑘 =𝜔
𝑐= 2𝜋 ×
108
𝑐
𝑟𝑎𝑑
𝑚=
2𝜋
3
𝑟𝑎𝑑
𝑚= 2,09 𝑟𝑎𝑑/𝑚
𝜆 =2𝜋
𝑘=
2𝜋𝑐
2𝜋×108=𝑐10−8 𝑚 = 3𝑚
c. Medan H diberikan oleh
𝑯 = √𝜖0
𝜇0 �̂� × 𝑬
𝑯 = √𝜖0
𝜇0 𝒌 × 𝒊 𝐸 = 𝒋 √
𝜖0
𝜇0𝐸 = 𝒋 √
𝜖0
𝜇0 0,02 ∗ cos (2𝜋 × 108 [𝑡 +
𝑥
𝑐])
Amplitudo 𝐻0 = (0,02)√𝜖0
𝜇0
d. Rapat energi rata-rata : < 𝑢 >= 𝜖0 < 𝑬 ∙ 𝑬 >= 𝜖0𝐸02 < cos2(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) > =
1
2𝜖0𝐸0
2 =1
2𝜖0(0,022) = 2𝑥10−4𝜖0
𝐽
𝑚3
Atau bisa juga dihitung melalui:
< 𝑢 > = < 𝑩 ∙ 𝑩 >
𝜇0= 𝜇0𝐻0
2 < cos2(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) > =1
2𝜇0(0,022) (
𝜖0
𝜇0) = 2𝑥10−4𝜖0
𝐽
𝑚3
f. Rapat arus energinya (karena tidak pakai representasi komplek, jadi bisa langsung memakai rumus berikut):
𝑵 =< (𝑬 × 𝑯) > = < 𝐸0 𝒊 × 𝒋 𝐻0 cos2(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) > = 𝒌 𝐸0𝐻0 < cos2(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) > = 𝒌 1
2𝐸0𝐻0
𝑵 = 𝒌 1
2√
𝜖0
𝜇0𝐸0
2 = 𝒌1
2(0,022)√
𝜖0
𝜇0= 𝒌 2𝑥104√
𝜖0
𝜇0
𝑤𝑎𝑡𝑡
𝑚2
3. Gelombang EM datar di medium 1 (indek bias n1=1) dinyatakan oleh :
𝑬(𝒓, 𝑡) = (𝐸𝑜𝒌) exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝒌 ∙ 𝒓]) datang ke bidang batas dengan medium 2 (indek bias n2=1,5) dengan sudut datang 𝜃1 = 30. Gelombang ini menjalar di bidang XY dengan bidang batas medium 1 dan 2 adalah z=0. a. Tentukan apakah ini kasus TE, TM atau bukan keduanya? (point:4) b. Jika 𝒌𝟏′ dan 𝒌𝟐 adalah bilangan gelombang pantul dan bias, turunkan ungkapan bagi vektor 𝒌𝟏′ dan 𝒌𝟐 dinyatakan dalam k (yaitu besar bilangan gelombang datang) dan vektor satuan i,j dan k. (point:4) c. Hitunglah koefisien refleksi (r) dari medium 1 ke 2, dan koefisien transmisi t. (point:4) d. Hitunglah reflektansi R dan transmitansinya T. (point:4) e. Pakailah hasil-hasil di atas untuk menuliskan bentuk medan E1’ dan E2 yaitu gelombang pantul dan transmisi dinyatakan dalam 𝐸0, 𝜔, 𝑡, 𝑘, 𝑥, 𝑦, 𝑧, n1 dan n2. (point:4) Jawab: a. Lihat gambar. Karena arah polarisasi medan E tegak lurus bidang datang maka ini kasus TE. b. Untuk gelombang pantul 𝑘1 = 𝑘, sehingga:
𝒌𝟏′ = 𝑘(𝒊 sin 𝜃1 + 𝒋 cos 𝜃1) = 𝑘(𝒊 sin 30° + 𝒋 cos 30°) = 𝑘(0.5 𝒊 + 0.5√3𝒋) = 𝑘(0.5𝒊 + 0.87𝒋)
Untuk gelombang transmisi, memakai hukum snellius:
𝑛1𝑠𝑖𝑛𝜃1 = 𝑛2 sin 𝜃2 or 𝑛1
𝑛2𝑠𝑖𝑛𝜃1 = sin 𝜃2 →
1
1.5sin 30° = sin 𝜃2 → 𝜃2 = arcsin (
1
3) = 19.47°
(atau sin 𝜃2 =1
3 cos 𝜃2 =
2
3√2). Dan vektor gelombang 𝑘2 =
𝜔
𝑣2=
𝜔
𝑐𝑛2 = 𝑘𝑛2 = 1.5𝑘
𝒌𝟐 = 𝑘2(𝒊 sin 𝜃2 − 𝒋 cos 𝜃2) = 1.5𝑘 (𝒊1
3− 𝒋
2
3√2) = 𝑘 (𝒊
3
2− 𝒋√2)
c. Koefisien refleksi TE (r )
X
k
2 k2
1 1 k’1
Y
n1
n2
𝑟𝑇𝐸 =𝑛1 cos 𝜃1 − 𝑛2 cos 𝜃2
𝑛1 cos 𝜃1 + 𝑛2 cos 𝜃2=
1 ∗ cos 30° − 1.5 cos 19.47°
1 ∗ cos 30° + 1.5 cos 19.47°=
√3 − 2√2
√3 + 2√2= −0.2404
Koefisien transmisi (t) :
𝑡𝑇𝐸 =2𝑛1 cos 𝜃1
𝑛1 cos 𝜃1 + 𝑛2 cos 𝜃2=
2 ∗ 1 ∗ cos 30°
1 ∗ cos 30° + 1.5 cos 19.47°=
√3
12 √3 + √2
= 0.7596
Lihat bahwa 𝑡𝑇𝐸 = 1 + 𝑟𝑇𝐸 → 0.7596 = 1 − 0.2404
d. Reflektansi 𝑅𝑇𝐸 = 𝑟𝑇𝐸2 = (−0.2404)2 = 0.0578
Transmitansi ditentukan dari 𝑅𝑇𝐸 + 𝑇𝑇𝐸 = 1 → 𝑇𝑇𝐸 = 1 − 0.0578 = 0.9422 e. Gelombang pantul:
𝑬𝟏′ (𝒓, 𝑡) = (𝑟𝑇𝐸𝐸𝑜𝒌) exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝒌𝟏
′ ∙ 𝒓]) = (−0.2404𝐸𝑜𝒌) exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘(0.5𝑥 + 0.87𝑦)] ) Gelombang transmisi:
𝑬𝟐 (𝒓, 𝑡) = (𝑡𝑇𝐸𝐸𝑜𝒌) exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝒌𝟐 ∙ 𝒓]) = (0.7596𝐸𝑜𝒌) exp(𝑖 [𝜔𝑡 − 𝑘(1.5x − √2y )] )
4.a Buktikan bahwa 1 + 𝑟𝑇𝐸 = 𝑡𝑇𝐸 berlaku untuk seluruh sudut datang 𝜃1 (point:10) b. Buktikan bahwa 1 − 𝑟𝑇𝑀 = 𝑡𝑇𝑀 hanya berlaku untuk sudut datang normal 𝜃1 = 0 (point:10) Jawab: a. Untuk kasus TE , Dari kontinutas syarat batas : 𝐸1 + 𝐸1
′ = 𝐸2
Artinya : 1 +𝐸1
′
𝐸1=
𝐸2
𝐸1 → 1 + 𝑟𝑇𝐸 = 𝑡𝑇𝐸 dengan memakai definisi 𝑟𝑇𝐸 dan 𝑡𝑇𝐸. Hasil ini jelas tak bergantung sudut 𝜃1.
b. Untuk kasus TM penerapan syarat batas kontinutas memberikan:
𝐸1 cos 𝜃1 − 𝐸1′ cos 𝜃1 = 𝐸2 cos 𝜃2 atau cos 𝜃1 −𝐸1
′
𝐸1cos 𝜃1 =
𝐸2
𝐸1cos 𝜃2 → cos 𝜃1 − 𝑟𝑇𝑀 𝑐𝑜𝑠 𝜃1 = 𝑡𝑇𝑀 cos 𝜃2
Or 1 − 𝑟𝑇𝑀 = 𝑡𝑇𝑀cos 𝜃2
cos 𝜃1
Memakai hukum snellius maka 𝜃1 = 0 dan 𝜃2 = 0, sehingga untuk kasus ini : 1 − 𝑟𝑇𝑀 = 𝑡𝑇𝑀. 5. Total internal reflection. Sebuah gelombang TM datang dari medium dengan indek bias n1 ke n2 (dengan n1>n2) dan sudut datang 𝜃1. Besar medan datang dan transmisi adalah :
𝐸1(𝒓, 𝑡) = 𝐸1 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝒌𝟏 ∙ 𝒓]) 𝐸2(𝒓, 𝑡) = 𝐸2 exp(𝑖[𝜔𝑡 − 𝒌𝟐 ∙ 𝒓])
Definisikn 𝑛 =𝑛2
𝑛1 < 1, dan bidang batas kedua medium adalah di z=0 dan bidang datang XY.
a. Carilah sudut kritis 𝜃𝑐 yaitu sudut datang yang terkait dengan sudut bias 𝜃2 =𝜋
2 𝑟𝑎𝑑 (point:5)
b. Misal sudut datangnya 𝜃1 > 𝜃𝐶, tunjukkan bahwa gelombang transmisinya akan memiliki amplitudo mengalami atenuasi sebesar 𝑒−𝛼𝑦 dengan :
𝛼 = 𝑘2√(
sin 𝜃1
𝑛)
2
− 1
dan gelombang transmisinya menjalar sepanjang bidang batas (inilah gelombang evanescence).(point:15) Answer:
a.Menurut hukum Snellius, sudut kritis ditentukan dari 𝑛1 sin 𝜃1 = 𝑛2 sin 𝜃2 → dengan 𝜃2 =𝜋
2 , sehingga
𝑛1 sin 𝜃𝑐 = 𝑛2 sin𝜋
2→ sin 𝜃𝑐 =
𝑛2
𝑛1= 𝑛 atau 𝜃𝑐 = arcsin (𝑛).
Karena 𝑛1 > 𝑛2 maka n=n2/n1 < 1, jadi 𝜃𝑐 sudut real. b. Misal vektor gelombang transmisi k2, atau secara eksplisit berarti : 𝒌𝟐 = 𝑘2(𝐢 sin 𝜃2 − 𝐢 cos 𝜃2) (lihat gambar).
atau 𝒌𝟐 = 𝑘2(𝐢 sin 𝜃2 − 𝐣 √1 − sin2 𝜃2). (1)
Jika sudut datang1 > c maka sin 𝜃1 > sin 𝜃𝑐 = 𝑛. Menurut hukum Snellius 𝑛1 sin 𝜃1 = 𝑛2 sin 𝜃2 .
Sehingga sudut bias 2 dihitung dari : sin 𝜃2 =sin 𝜃1
𝑛> 1. (2)
Akibatnya sudut 2 kompleks, Tapi nilai sinusnya tetap bisa diperoleh! (lihat 2) :
𝒌𝟐 = 𝑘2 (𝐢 sin 𝜃1
𝑛− 𝐣 √1 − (
sin 𝜃1
𝑛)
2
)
Karena sin𝜃1
𝑛> 1 maka nilai di bawah akar negatif, jadi k2 adalah vektor gelombang kompleks! Jadi gelombang
transmisinya menjadi: 𝐸2(𝒓, 𝑡) = 𝐸2 exp 𝑖( 𝜔𝑡 − 𝑘2𝑥 sin 𝜃2 − 𝑘2 𝑦 cos 𝜃2)
𝐸2(𝒓, 𝑡) = 𝐸2 exp 𝑖 ( 𝜔𝑡 − 𝑘2 [𝑥sin 𝜃1
𝑛− 𝑖 𝑦 √(
sin 𝜃1
𝑛)
2
− 1 ])
Definisikan konstanta 𝛼 = 𝑘2√(sin 𝜃1
𝑛)
2− 1 yang berharga real, maka :
𝐸2(𝒓, 𝑡) = 𝐸2𝑒−𝛼𝑦 exp 𝑖 (𝜔𝑡 −𝑘2sin 𝜃1
𝑛𝑥)
Hal ini berarti gelombang transmisi menjalar sepanjang perbatasan (sejajar X) tetapi amplitudonya mengalami atenuasi di arah tegak lurus perbatasan (Y).
&&&&&&&&&&& NOV 2017 &&&&&&&&&&&&
Y
X
k1
2 k2
1
n1
n2