Bahan magnetik,dielektrik, dan optik (kelompok)

BAHAN MAGNETIK, DIELEKTRIK DAN OPTIK

Oleh: • Prapti Jaziroh, S.Pd • Fathur Rosi , S.Pd.• Masfufatullailiyah, S.TP

MATA KULIAH: FISIKADIAMPU OLEH Prof. Dr. DJUMADI

2

MATERIAL MAGNET• Magnet pertama ditemukan adalah lodestones

yaitu batuan yang telah dimagnetisasi secara alami. Sejak zaman Yunani kuno mempelajari magnet hingga saat ini magnet telah dipelajari hingga level atom dan elektron.

• Bumi merupakan magnet raksasa• Apa sebenarnya magnet itu?

Sifat dasar bahan magnetik

3

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

1. Spin elektron 2. Spin nukleus

4

Gerak mengorbit dan gerak spin elektron dalam atom menimbulkan momen dipol magnetik spin

+

-

v

S

S

U

U

Kombinasi kedua medan magnet bisa saling menguatkan atau saling melemahkan dan menghasilkan medan magnet atom

Momen dipol magnet atom

5

6

Domain Magnetik Pada besi, medan magnet atomnya sangat kuat sehingga atom-atom besi yang berdekatan membentuk “domain magnetik” dengan medan magnet yang cenderung searah

Tiap domain magnetik mengandung milyaran atom.

Pada batang besi biasa arah-arah medan magnet dari domain-domain magnetik ini acak.

Domain-domain magnetik

7

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

©20

03 B

roo

ks/C

ole

, a d

ivis

ion

of T

hom

son

Lea

rnin

g, I

nc.

Th

omso

n L

earn

ing

™ is

a t

rade

ma

rk u

sed

here

in u

nde

r lic

ense

.

Jenis-jenis material magnetik

• Diamagnetik• Paramagnetik• Feromagnetik• Antiferomagnetik• Ferimagnetik• Supermagnetik

9

Diamagnetik

• Setiap atom memiliki momen magnetik permanen μo 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

10

Paramagnetik

• Setiap atom memiliki momen magnetik permanen μo 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

11

Feromagnetik

• Setiap atom memiliki momen magnetik permanen μo 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

12

Karakteristik materi magnet

Klasifikasi Momen magnetik Nilai B Keterangan

DiamagnetikParamagnetikFeromagnetikAntiferomagnetik

Ferimagnetik

superparamagnetik

M orbit + m spin = 0M orbit +m spin = kecilm spin >> m orbitm spin >> m orbit

m spin >> m orbit

m spin >> m orbit

B in < B eksB in > B eksB in >> B eksB in = B eks

B in > B eks

B in > B eks

DomainMomen berlawananMomen berlawanan tapi tidak sama besarMatrik non magnetik

13

Contoh bahan

• Antiferomagnetik: senyawa oksida, sulfida, klorida

• Ferimagnetik: besi oksida, nikel-seng ferit, nikel ferit

• Superparamagnetik: kaset audio, kaset vidio

14

BAHAN DIELEKTRIK

• 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.

Sifat Dielektrik

• 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

Perhatikan gambar

• Dari gambar diatas, Medan Listrik dapat dirumuskan:

• Bila diantara kedua plat tersebut terdapat ruangan kosong maka rapat muatan Do pada tiap pelat sebanding dengan medan listrik ξ.

• 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 ) . ξ

• Bila pada gambar diatas ditempatkan bahan, maka rapat muatan dapat ditingkatkan dari Do menjadi Dm, perbandingan antara Dm/Do disebut konstanta dielektrik K dari bahan yang ditempatkan diantara elektroda :

K = Dm/Do atau K = E/Eo

Kekuatan Dielektrik• Kekuatan dielektrik adalah gradien tegangan yang menghasilkan tegangan tembus

listrik atau "breakdown”.• Suatu bahan dielektrik tidak mempunyai elektron bebas, tetapi mempunyai elektron-

elektron yang terikat pada inti atom unsur yang membentuk dielektrik tersebut.

• Pada Gambar, Bila elektroda diberi tegangan DC, maka timbul medan elektrik (E) di dalam dielektrik. Medan elektrik ini memberi gaya kepada elektron-elektron agar terlepas dari ikatannya dan menjadi elektron bebas. Dengan kata lain, medan elektrik merupakan suatu beban bagi dielektrik yang menekan dielektrik agar berubah menjadi konduktor.

• Beban yang dipikul dielektrik ini disebut juga terpaan medan elektrik (Volt/cm). Setiap dielektrik mempunyai batas kekuatan untuk memikul terpaan elektrik.

• Jika terpaan elektrik yang dipikulnya melebihi batas yang diizinkan dan berlangsung cukup lama, maka dielektrik akan menghantarkan arus atau gagal melaksanakan fungsinya sebagai isolator. Dalam hal ini dielektrik dikatakan tembus listrik atau "breakdown". Terpaan elektrik tertinggi yang dapat dipikul suatu dielektrik tanpa menimbulkan dielektrik tembus listrik disebut kekuatan dielektrik.

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.• Waktu tunda tembus (time lag) adalah waktu yang

dibutuhkan sejak mulai terjadinya ionisasi sampai terjadinya tembus listrik

POLARISASI LISTRIK

• Tempat kedudukan (rata-rata) dari elektron akan bergeser mendekati elektroda positif, sedang inti atom sendiri, yang mengandung proton, akan bergeser mendekati elektroda negatif. Peristiwa ini disebut sebagai polarisasi.

MACAM-MACAM POLARISASI1. Polarisasi Elektronik • merupakan pergeseran ion negatif ke

elektroda positif dan ion positif ke elektroda negatif.

• terjadi pada frekuensi sangat tinggi ≈ 1016hz

a. Tanpa medan luar, elektron terbagi rata disekitar inti.

b. Ada medan listrik, terjadi polarisasi

2. Polarisasi Ionik

• Sama dengan polarisasi elektronik• Polarisasi ionik ditimbulkan oleh medan listrik

luar.• Frekuensi maksimum 1013Hz berada dibawah

frekuensi sinar biasa (≈1015Hz)

3. Polarisasi molekul

• Terjadi apabila molekul polar berada dalam medan listrik.

• Terjadi karena pengutuban pada molekul• Bersifat tetap, karena merupakan bagian dari

struktur molekul• Frekuensi mksimum berbeda-beda sesuai jenis

bahan, tetapi selalu lebih kecil dari pada polarisasi elektonik dan ionik

• Polarisasi ini sangat peka terhadap temperatur.

• Polarisasi molekul CH3Cl, molekul asimetrik memiliki ujung positif dan negtif dan mengatur diri dalam medan listrik

4. Polarisasi antar permukaan (muatan ruang)

• Terjadi bila ada penghantaran muatan lokal dalam dielektrik

• Tiap partikel akan mempunyai sisi bermuatan positif dan negatif dalam medan listrik

KONSTANTA DIELEKTRIK RELATIFBEBERAPA JENIS BAHAN

04/13/2023

Sifat Dielektrik Pada Bahan

• Keramik merupakan bahan dielektrik yang tersusun dari komposisi 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, silikon dan

oksigen mempunyai elektron dalam struktur tetrahedral SiO4.

Keramik

Konstanta Dielektrik Keramik

Kaca

• Kaca pada umumnya terdiri dari campuran silikat (SiO2 )dan beberapa senyawa antara lain, borat, phospat.

• Kaca dibuat dengan cara melelehkan beberapa senyawa silikat (pasir), alkali (Na dan K) dengan bahan lain (kapur, oksida timah hitam).

• 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

Sifat Kelistrikan Kaca

• Sifat kelistrikan kaca pada suhu normal adalah sebagai berikut : resistivitas berkisar antara 108 hingga 1017 Ohmcm, permitivitas relatif berkisar antara 3,8 hingga 16,2

• Kaca silika mempunyai sifat kelistrikan paling baik, pada suhu kamar besarnya resistivitas adalah 107 Ohm-cm, permitivitas relatif 3,8.

• Jika kaca ditambahkan bahan natrium dan kalium, maka resistivitasnya akan menurun.

Kapasitor

• 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.

• Jenis kondensator diberi nama sesuai dengan dielektrikumnya, Yaitu : kertas, mika, keramik dan sebagainya.

• Jika lempeng kondensator/kapasitor dihubungkan pada sumber tegangan DC, terjadi perpindahan elektron dari kutub ( - ) lempeng B dan ke kutub (+) lempeng A.

• Hal ini berlangsung sampai beda potensial antara lempeng A dan lempeng B sama dengan GGL sumber tegangan DC. Jika hal ini terjadi artinya kondensator sudah bermuatan penuh.

Medan listrik kapasitor• (a) tanpa dielektrik

dan • (b) diberi Dielektrik

Muatan permukaan pada dielektrik akan memperlemah medan listrik awal antar keeping

Kapasitas Kapasitor

• Kapasitas kapasitor yaitu besarnya muatan listrik yang dapat disimpan tiap satuan beda potensial antara bidang-bidangnya.

• Dinyatakan dalam persamaan :

Untuk kondensator plat sejajar, kapasitasnya tergantung pada luas dan jarak antara plat serta jenis / macam zat yang berada diantara dua plat tersebut. Dinyatakan dalam persamaan :

MATERIAL OPTIK

OPTIK

BENDACAHAYA

OPTIK

• 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, gelombang radio, dan bentuk lain dari radiasi elektromagnetik.

SIFAT CAHAYA

• Cahaya merambat lurus• Cahaya dipantulkan• Cahaya dibelokkan (pembiasan cahaya)• Cahaya diuraikan (dispersi cahaya)

BENDA

• Benda yang bisa memancarkan cahaya sendiri (benda terang) contoh matahari, bintang

• Benda yang tidak memancarkan cahaya sendiri (benda gelap)

BERDASARKAN KEMAMPUAN SUATU BENDA UNTUK DILEWATI CAHAYA

1. Benda tidak tembus cahaya (benda-benda gelap yang menghalangi cahaya untuk melewatinya disebut opaque) contoh Kayu, besi, dan sebagian besar bagian tubuh memantulkan atau menyerap energi cahaya

2. Benda bening (Benda-benda yang membiarkan cahaya melewatinya dengan mudah disebut transparans) contoh Air, udara, dan beberapa jenis kaca meneruskan cahaya dan tidak menyerap cahaya

3. Benda tembus cahaya (Benda-benda yang membiarkan sebagian cahaya melewatinya, namun menyebarkan sebagian cahaya lainnya disebut translusens) contoh beberapa jenis plastik

PERSYARATAN BAHAN OPTIK

• Bahan memiliki kemampuan transmisi tanpa distorsi, artinya bahan dapat dipenuhi apabila permukaan datar dan sejajar serta tanpa cacat dalam

• Bahan harus dapat menyaring (filter) radiasi inframerah atau ultraviolet

• Untuk lensa optik harus dapat membiaskan cahaya

SIFAT BAHAN OPTIK

• Bahan-bahan yang sifatnya membelokkan cahaya memiliki indeks bias yang berbeda,

• Indeks bias dipengaruhi oleh kerapatan suatu bahan

• Daftar indeks bias

LANJUTAN

• Secara matematis, indeks bias dapat ditulis:• dimana:• n = indeks bias• c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa

(299,792,458 meter/detik)• = cepat rambat cahaya pada suatu medium• Indeks bias tidak pernah lebih kecil dari 1

atau (n ≥ 1).

04/13/2023

BAHAN ABSORPSI

• Pada spektrum elektromagnetik berada di sekitar 5 x 1014 HzDaerah ini berada di bawah batas polarisasi normal dan di atas limit polarisasi ionik, bahan ionik dan kovalen sederhana biasanya transparan karena kehilangan energi yang berkaitan dengan selisis fasa tidak ada

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

PERISTIWA DISPERSI CAHAYA

Soal 1

Dari jenis bahan berikut yang merupakan bahan non magnetik adalah....A. FeromagnetikB. Diamagnetik C. Paramagnetik D. Ferimagnetik

49

Soal 2

Mengapa baja biasa dipilih sebagai bahan magnet tetap?

Jawab: baja jika berada pada medan magnet luar, maka medan magnet bahan akan menjadi jauh lebih besar dan tidak kembali ke nol jika medan luar ditiadakan (=histerisis)

50

Soal 3

Bahan berikut ini yang merupakan bahan feromagnetik adalah ....A. CobaltB. KeramikC. HeliumD. Aluminium

51

Soal 4

Berikut ini adalah bahan – bahan dielektrik, kecuali….a. Kacab. Keramikc. Mikad. Silikon

Polarisasi merupakan ukuran dari…a. Konstanta dielektrik persatuan volumeb. Gradien tegangan untuk menimbulkan

kegagalan listrikc. Hasil kali muatan dengan jarakd. Perbandingan tegangan tanpa dielektrik

dengan tegangan yang dipasang dielektrik

Soal 5

Yang bukan merupakan macam-macam polarisasi listrik pada bahan dielektrik adalah…a. Polarisasi ionb. Polarisasi molekulc. Polarisasi linierd. Muatan ruangan

Soal 6

Kapasitor plat sejajar mempunyai luas A = 250 cm2. Kapasitor ini diberi muatan dengan beda potensial Vo=150 volt. Kemudian baterai diputus (muatan Q pada plat tidak berubah), lalu suatu lembaran dielektrik (K = 3,5).Besar medan listrik pada dielektrik adalah…

a. 36,73x10-5 V/mb. 10,49x10-5 V/mc. 1,071x10-5 V/md. 5,83 V/me. 2,1 V/m

Jawaban:• Eo= Q/εoA

=1,66x10-19/8,85x10-12x 2,5x10-2

=36,73x10-5

Pada dielektrik• E = Eo/K = 36,73x10-5/3,5 = 10,49x10-5 V/m

Soal 7

SOAL 8

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/sB. 2,2 X 10-8 m/sC. 4,08 X 108 m/sD. 4,08 X 10-8 m/s

PENYELESAIANDiketahui:n = 1,36c = 3 x 108 m/sDitanyakan: v = ?Jawab:n = c/vv = c/nv = 3 x 108/1,36v = 2,2 x 108 m/s• Jadi, cepat rambat cahaya di dalam etil alkohol adalah

sebesar 2,2 x 108 m/sJAWAB: A

SOAL 9

Cahaya natrium memiliki frekuensi 5,09 x 1014 Hz pada gelas dengan n = 1,56 maka panjang gelombang cahaya natrium adalah.....A. 270 x 10-9 mB. 378 x 10-9 mC. 440 x 10-9 mD. 540 x 10-9 m

PENYELESAIANDiketahui:f = 5,09 x 1014 Hzn = 1,56Ditanya : λ....?Jawab:n = C/Vp Vp = C/n = 3x 108/1,09 = 2,75 x 108 m/s λ = V/f λ = 2,75 x 108/ 5,09 x 1014

λ = 0,54 x 10-6 m = 540 x 10-9 m

JAWAB: D

SOAL 10

• Benda bening adalah benda-benda yang membiarkan cahaya melewatinya dengan mudah yang disebut transparans. Berikut contoh benda bening, kecuali ...

A. AirB. PlastikC. KacaD. Udara

PENYELESAIAN

Benda bening; Benda-benda yang membiarkan cahaya melewatinya, meneruskan cahaya dan tidak menyerap cahaya contoh Air, udara, dan beberapa jenis kaca

Benda tembus cahaya ; Benda-benda yang membiarkan sebagian cahaya melewatinya, namun menyebarkan sebagian cahaya lainnya contoh beberapa jenis plastik

JAWAB : B

04/13/2023

Terimakasih