Rekayasa Fotonika: Prinsip Penjalaran Cahaya

1. Pinsip Huygens pada Proses Penjalaran Cahaya      

 Prinsip ini analisis gelombang, yang diajukan oleh fisikawan Christiaan Huygens (1629-1695), pada dasarnya menyatakan bahwa:

   “Setiap titik dari gelombang depan dapat dianggap sebagai sumber sekunder wavelet yang tersebar di segala penjuru dengan kecepatan sama dengan kecepatan propagasi gelombang.”

   Prinsip Huygens menerangkan bahwa setiap wave front (muka gelombang) dapat dianggap memproduksi wavelet atau gelombang-gelombang baru dengan panjang gelombang yang sama dengan panjang gelombang sebelumnya. Wavelet bisa diumpamakan gelombang yang ditimbulkan oleh batu yang dijatuhkan ke dalam air.

   Prinsip Huygens bisa dipakai untuk menerangkan terjadinya difraksi cahaya pada celah kecil seperti yang terlihat pada gambar kanan. Pada saat melewati celah kecil, muka gelombang (wave front) akan menimbulkan wavelet-wavelet baru yang jumlahnya tak terhingga sehingga gelombang tidak mengalir lurus saja, tetapi menyebar dan merambat keluar dari celah.

                       

Jadi proses penjalaran cahaya menurut prinsip Huygens disebabkan oleh partikel cahaya yang cenderung menggandakan diri tiap satuan waktu dengan arah lurus sehingga mampu mencapai jarak tertentu.

B.     Prinsip Fermat pada Proses Penjalaran Cahaya

Pernyataan asli prinsip Fermat adalah:

 "Sebenarnya jalan antara dua titik yang diambil oleh seberkas cahaya adalah salah satu yang dilalui dalam waktu minimal." 

 Hukum snell dan hukum refleksi mengikuti langsung dari pernyataan ini: "Mungkin diformulasikan sedikit dalam hal panjang jalur optik sebagai cahaya, untuk pergi antara dua titik, melintasi rute yang memiliki panjang lintasan optik terkecil."

  

Bentuk modern-nya adalah "Sebuah sinar terang, untuk pergi antara dua titik, harus menempuh jalan panjang sebagai optik yang stasioner sehubungan dengan variasi jalan."

                 

Hukum refleksi memberikan gambar yang akrab tercermin dalam pesawat gambar cermin, di mana jauh di belakang cermin sama dengan jarak benda di depan cermin.

3. Hukum Snellius pada Pemantulan dan Pembiasan

Hukum Snellius adalah rumus matematika yang memerikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas.

Hukum ini menyebutkan bahwa sinus sudut datang dan sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada medium. Perumusan lain yang ekivalen adalah sudut datang dan sudut bias sama dengan kecepatan gelombang pada kedua media, yang sama dengan kebalikan  indeks bias.

Perumusan matematis hukum Snellius adalah

                                    

                                                                                               

                                                                                   

Lambang θ₁,θ₂ merujuk pada sudut datang dan sudut bias, v₁ dan v₂ pada kecepatan gelombang sinar datang dan sinar bias. Lambang n₁ merujuk pada indeks bias medium yang dilalui sinar datang, sedangkan n₂ adalah indeks bias medium yang dilalui sinar bias.

1.      Pada Proses Pembiasan

Jika n₂ > n₁ maka n₂/ n₁ > 1 dan kita dapatkan sin Φ1 > sin Φ2 atau Φ1 > Φ2.

n₁ = indeks bias air                              Φ1 = sudut datang

n₂  = indeks bias kaca                          Φ2 = sudut bias

                                                          

Jika n₂ < n₁ maka n₂/ n₁ < 1 dan kita dapatkan sin Φ1 < sin Φ2 atau Φ1 < Φ2.

n₁ = indeks bias air                              Φ1 = sudut datang

n₂  = indeks bias kaca                          Φ2 = sudut bias

Dapat disimpulkan bahwa :  

“jika sinar dating dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat, sinar akan dibelokkan mendekati garis normal. Jika sinar dating dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, sinar akan dibelokkan menjauhi garis normal.”     (Dengan catatan sudut datang harus kurang dari sudut kritis)

                          

2. Pada Proses Pemantulan

 Perhatikan sumber cahaya O di dasar danau. Telah diketahui sinar datang dari medium lebih rapat (air) ke medium kurang rapat (udara) akan dibiaskan menjauhi garis normal. Sinar B jdengan sudut datang I memiliki sinar bias B’ dengan sudut bias r , dan selalu berlaku r > i . tentu saja sinar B juga mengalami pemantulan dalam air dan bagian sinar pantul adalah B” . sinar c dengan sudut datang i’ > i dibiaskan sejajar dengan permukaan air. Ini berarti sudut datang i’ (disebut sudut kritis) menghasilkan sudut bias sama dengan 90°.

Sudut kritis antara dua medium adalah sudut datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat, yang menghasilkan sudut bias 90°.

Jika sinar D dengan sudut datang lebih besar dari sudut kritis maka sinar akan dipantulkan.

Untuk memperoleh sudut kritis:      n₁ sin Φ1 =  n₂ sin Φ2

                                                                         n₁ sin i’ =  n₂ sin 90°.

                                                                            n₁ sin i’ =  n₂  x 1

                                                                        sin i’ =  n₂ /  n₁ 

D.    Prinsip Malus

"Ketika dua polarizer memiliki sumbu transmisi dengan membentuk sudut teta, maka intensitas cahaya yang ditransmisikan olehpolarizer kedua akan berkurang dengan factor cos kuadrat teta."

Rekayasa Energi: Efisiensi Mesin Pendingin

EFISIENSI MESIN PENDINGIN

Efisiensi mesin pendingin dinyatakan dengan istilah COP (Coeficient Of Performance), biasannya disebut koefisien prestasi atau koefisien kinerja atau koefisien performa. COP merupakan ukuran standar efisiensi refrigerasi bagi sistim refrigerasi yang ideal. Nilai COP ini didapatkan dari perbandingan antara kapasitas pendingin ( Q ) dengan konsumsi arus kompresor ( W ). Jika nilai COP suatu mesin pendingin, maka semakin efisien juga mesin pendingin tersebut.

Bentuk umum persamaan efisiensi mesin pendingin:

Daya untuk setiap kilowatt mesin pendingin merupakan kebalikan dari koefisien performasi, dan suatu sistem mesin pendingin yang efisien akan memiliki nilai daya per kilowatt yang rendah, tetapi mempunyai koefisien performa yang tinggi.

(sumber :Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia – www.energyefficiencyasia.org ©UNEP 10)

 

Coeficient of Performance (COP)

Coeficient of Performance merupakan koefisien unjuk kerja dari siklus refrijerasi atau pendingin yang menunjukan kualitas unjuk kerja suatu sistem refrijerasi dan dinyatakan dengan  suatu angka hasil perbandingan antara energi yang diserap dari udara ruang dan energi yang digunakan untuk mengkompresi gas di kompresor.

Rekayasa Instrumentasi: Digital to Analog Converter (DAC)

Prinsip Kerja Digital to Analog Converter

    Agar masukan berupa sinyal digital dapat diubah ke bentuk sinyal analog maka diperlukan beberapa block berupa input register, DAC dasar, tegangan acuan, pembangkit arus keluar ke bentuk tegangan.

    Prinsip kerja dari DAC merupakan kumpulan beberapa saklar yang diberi masukan paralel. Kemudian dari saklar itu akan diperoleh  keluaran analog dari bit-bit masukan yang berupa nilai 1 atau nol. Jadi tidak semua masukan akan dilanjutkan, yang dilewatkan hanya yang dihubungkan oleh saklar saja. Sehingga dari masukan yang berupa digital yang berupa bit-bit akan dihasilkan keluaran yang berupa analog yang bernilai 1, 0 dan  -1  berupa sinusoidal.

 

Gambar 4.5 Prinsip Kerja DAC

   Adapun fungsi/ prinsip kerja masing-masing block yaitu:
• Input Register : mencuplik data berupa sinyal digital pada saat yang tepat setelah ada pengaturan input strobe dan menahan data dalam bentuk sinyal digital paralel untuk digunakan sebagai masukan pada Basic DAC.
• Reference Voltage : sumber tegangan yang digunakan untuk mensuplai tenaga ke generator arus.
• Basic DAC : jaringan generator arus (resistor) dan sakelar-sakelar, yang dipakai untuk membagi proporsi arus ke bobot setiap bit dikalikan nilai binernya.
• Summing Current to Voltage Converter : penguat operasi yang digunakan untuk menjumlah arus dari semua bit dan mengkonversikan bit-bitnya ke bentuk tegangan. Offset and gain controls digabungkan untuk menyesuaikan jumlah bit berlebih pada fungsi alih tegangan yang dikehendaki.

Aplikasi DAC
Beberapa aplikasi DAC antara lain:
a. Current Booster
Biasanya digunakan push-pull class B amplifier.

 

Gambar 4.6 Rangkaian current booster

   Pada rangkaian di atas arus terdorong dikarenakan impedansi output pada op-amp dibypass, dan digunakan sebagai driver untuk basis pada NPN dan PNP transistor. Kedua dioda menggantikan VBE transistor, yang basisnya dibias oleh 2 resistor off. Output pada stage booster merupakan fedback pada resistor feedback di D/A untuk melengkapi loop feedback. Impedansi output dipengaruhi oleh karakteristik output dari transistor dan resistor pada emitter. Transistor mempunyai respon frekuensi yanng tinggi yang memungkinkan rangkaian berosilasi. RC dan induktor yang terhubung seri dengan beban  dapat meredam osilasi atau bahkan menghilangkan osilasinya.

b. Voltage Booster

Gambar 4.7  Rangkaian voltage booster

   Pada gambar di atas R3 dan R2 digunakan untuk memastikan tegangan feedback yang menuju D/A terdapat Rf tidak akan melewati batas D/A. R3 dan R2 harus diberikan daya yang tepat khususnya untuk pemilihan R2, jika terbakar loop feedback akan memberikan tegangan bahaya ke D/A. Jika kombinasi tegangan dan daya tidak dapat seimbang, salah satu jalannya adalah dengan menghilangkan tahanan feedback loop.

Puisi :: Sajak Ujung & Kamal::

Melintas ke pulau sebrang

Melarikan diri dari hidup yang tampak jalang

Di gugur siang beramai-ramai

Menyulam selat dengan kapal tak berlayar

Menghirup bau garam, bau petualangan

Tanah baru dijajaki di rapatan

Udara atmosfer berlomba-lomba, berjejalan masuk ke lubang hidung kami

Dan memperkenalkan diri sebagai

jejak perjuangan para penjerat ikan

Tanah merah, semakin merah

Sapa kami di ranah pelecut sapi karapan mesti disudahi

tatkala senja telah mati,

memberi tanda dengan semburat darahnya di cakrawala

Meski cuma sebentar saja

hadir kami dirindukan lagi

Buih pantai yang tak rela

terus-menerus melambai

pada punggung lelah kami

Laksana mengucap perpisahan

“Terima kasih dan selamat jalan, datanglah kembali suatu saat nanti,

sambangilah kami lagi”

Dengan menumpang kapal itu lagi

Letih, kami bawa pulang ke istana kami

Sambil membawa kenangan

lembayung sore menutup hari

Di hadapan kami

Sang jendral laksamana laut

berdiri tegap menyambut kami:

“Selamat Datang

di Kota Perjuangan,

Kota Para Pahlawan,

Surabaya...”

Perpus Pusat ITS, 6 Desember 2011

(Made Dani Pradipta)

Playing w/ my Samsung SGH-E590: Insects

Puisi :: Hari Pengorbanan ::

Di hari yang cerah

aku diikat

dikekang

Banyak orang di sekelilingku

sambil membawa bilah yang licin dan tajam

Di telingaku

Aku dengar

kumandang manusia

Aku tak tahu untuk siapa

Tapi suara itu

sangat menyayat hatiku

menimbulkan keikhlasan atas hidupku

Dan ayat-ayat itu

yang mengantarkanku

menuju sabana abadi

Saat bilah pisau menggenggam leherku

dan menyimpan nafasku

bersama cucuran darah yang mengalir

Idul Adha, 2007

Rekayasa Energi: Energy Storage Device (Baterai)

Baterai adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (dapat berbalikan). Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel, adalah didalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi energi listrik dan sebaliknya dari energi listrik menjadi energi kimia. Jenis baterai yang dapat digunakan berulangkali disebut storage battery. Tiap sel baterai terdiri dari dua macam elektroda yang berlaianan, yaitu elektroda positif dan elektroda negatif yang dicelupkan dalam suatu larutan kimia.   ·        Proses Fisis dalam Baterai

Proses pengosongan baterai (discharge)

Proses pengisian baterai (charge)

        

Bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda. Aliran elektron menjadi terbalik, mengalir dari anoda melalui power suplai ke katoda. Ion-ion negatif rnengalir dari katoda ke anoda, sedangkan ion-ion positif mengalir dari anoda ke katoda. Contoh reaksi kimia dalam baterai Ni-Cd atau nikel kadmium yang menggunakan elektrolit berupa potasium hidroksida:

Bila sel dihubungkan dengan beban (misalnya rangkaian elektronik), maka elektron mengalir dari anoda (kutub negatif) melalui beban ke katoda (kutub positif). Setelah terjadi aliran elektron tersebut, reaksi kimia kemudian terjadi dalam baterai untuk menghasilkan elektron sehingga aliran elektron dapat terus terjadi. Ion negatif mengalir dari katoda menuju anoda, sedangkan ion positif mengalir dari anoda ke katoda.