Fisika Kuantum - Gelombang Elektron

Pada tahun 1924, seorang mahasiswa Prancis, L. de Broglie, mengusulkan dalam disertasinya bahwa elektron mungkin memiliki sifat-sifat gelombang. Penalarannya didasarkan pada kesimetrian alam. Karena cahaya diketahui memiliki sifat  gelombang dan partikel, mungkin materi-khususnya elektron-juga memiliki karakteristik gelombang dan partikel. Usul ini agak spekulatif karena belum ada bukti pada saat itu aspek apapun tentang elektron. Untuk frekuensi dan panjang gelombang elektron, de Broglie memilih persamaan:

f = E / h (1) dan λ = h / p (2)

dengan p merupakan momentum dan E merupakan energi elektron. Persamaan (1) diatas sama seperti persamaan Planck-Einstein untuk energi foton. Persamaan (2) juga berlaku untuk foton, sebagaimana yang dilihat dari:

λ = c / f = (hc) / (hf) = (hc) / E

Karena momentum foton dihubungkan dengan energinya oleh E = pc, kita peroleh:

λ = (hc) / pc = h / p

Persamaan de Broglie dianggap berlaku untuk seluruh materi. Akan tetapi, untuk benda-benda makroskopik, panjang gelombang yang dihitung dari persamaan (2) demikian kecilnya  sehingga tidak mungkin untuk mengamati sifat interferensi dan difraksi gelombang yang lazim. Sekalipun partikel sekecil 1 μg terlalu massif agar karakteristik gelombang teramati. Namun, keadaan ini berbeda untuk elektron berenergi rendah. Perhatikan elektron yang berenergi kinetik K. Jika elektron ini tak relativistik, momentumnya diperoleh dari:

K = p² / 2 m, atau p = √2mK

Dengan demikian panjang gelombangnya menjadi:

λ = h / p = h / √2mK = hc / √2mc²K

Dengan menggunakan hc = 1240 eV.nm dan mc² = 0,511 MeV, kita akan peroleh:

λ = 1,226 / √K  nm, K dalam elektron volt (3)

Dari persamaan (3) di atas, kita lihat bahwa dengan enegi dalam orde 10 eV memiliki panjang gelombang de Broglie berorde nanometer. Ini merupakan orde besaran ukuran atom dan jarak-pisah atom dalam kristal. Dengan demikian, apabila elektron dengan energi berorde 10 eV datang pada suatu kristal, elektron ini akan dipancarkan dengan cara hampir sama dengan sinar X dengan panjang gelombang yang sama.

Pengujian penting yang menentukan keberdaan sifat gelombang elektron ini ialah pengamatan difraksi dan interferensi gelombang elektron. Ini dilakukan secara tak sengaja pada tahun 1927 oleh C. J. Davisson dan L. H. Germer sewaktu mereka sedang mengkaji elektron yang memancar dari sasaran nikel di Bell Telephone Laboratories. Setelah memanaskan sasaran untuk membuang lapisan oksida yang telah menumpuk selama kebocoran dalam sistem vakumnya. Davisson dan Gerner menemukan bahwa intensitas elektron yang dihamburkan sebagai fungsi sudut hamburan menunjukkan maksima dan minima. Sasaran mereka telah terkristalkan, dan secara tak sengaja mengamati adanya difraksi elektron. Mereka kemudian menyiapkan sasaran yang terdiri dari atas kristal tunggal nikel dan menyelidiki fenomena ini berkali-kali. Pada tahun yang sama G. P. Thomson (putra J. J. Thomson) juga mengamati difraksi elektron dalam menghantarkan elektron melalui lembaran tipis logam. Lembaran tipis logam terdiri atas kristal kecil yang diorientasikan secara acak. Pola difraksi yang terjadi dari lembar tipis menghasilkan lingkaran yang konsentris. Sejak Thomson melakukan percobaannya, difraksi telah teramati untuk neutron, proton, dan partikel lainnya.

Tidak lama setelah sifat gelombang elektron berhasil diperagakan melalui eksperimen, disarankan bahwa elektron dibandingkan dengan cahaya mungkin dapat digunakan untuk melihat benda kecil. Sekarang mikroskop elektron merupakan satu alat penelitian yang sangat penting. Alat ini bekerja dengan cara berkas elektron dibuat sejajar dan difokuskan oleh magnet yang didesain khusus berfungsi sebagai lensa. Energi elektron biasanya 100 keV, yang menghasilkan panjang gelombang kira-kira 0,004 nm. Spesimen sasaran sangat tipis agar berkas yang dihantarkan tidak diperlambat atau dihamburkan terlalu banyak. Bayangan akhir diproyeksikan ke dalam layar pendar atau film. Berbagai distorsi yang terjadi akibat masalah pemfokusan dengan lensa magnetik membatasi resolusi hingga sepersepuluh nm, yang kira-kira seribu kali lebih baik daripada yang dapat dicapai dengan cahaya tampak.

Akibat Rotasi Bumi

Rotasi bumi adalah gerak perputaran bumi pada sumbunya. Mengingat bentuk bumi yang bulat, rotasi bumi ini mengakibatkan terjadinya pergantian siang dan malam. Lamanya waktu dari satu siang ke siang berikutnya atau dari satu malam ke malam berikutnya disebut periode rotasi bumi. Besarnya periode rotasi bumi adalah 24 jam (tepatnya 23 jam 56 menit). Adapun rotasi bumi dimulai dari arah barat ke timur. Hal ini terbukti dengan matahari yang selalu terbit dari arah timur dan terbenam di arah barat. Selain pergantian siang dan malam, akibat yang ditimbulkan dari adanya rotasi bumi adalah sebagai berikut:

1. Gerak semu harian

Jika anda perhatikan matahari disiang hari atau bintang-bintang dilangit malam, semuanya tampak bergerak dari arah timur ke barat. Namun, sebenarnya benda-benda tersebut tidak bergerak dari arah timur ke barat, tetapi bumilah yang berputar pada sumbunya dari arah barat ke timur. Perputaran bumi inilah yang menyebabkan benda-benda tersebut tampak bergerak. Gerak seperti ini disebut dengan gerak semu harian.

2. Pembagian Waktu berdasarkan Garis Bujur

Dalam sekali putarannya, bumi menempuh sudut 360 derajat. Oleh karena itu, di seluruh permukaan bumi dapat dibuat 360 buah garis khayal yang membujur dari utara ke selatan. Garis yang membujur tersebut adalah garis bujur. Berdasarkan garis bujur inilah waktu di bumi ditetapkan. Misalnya, garis bujur yang melalui kota Greenwich, dekat London ditetapkan sebagai garis 0 derajat. Pada garis inilah waktu pangkal ditetapka. Karena 360 derajat ditempuh dalam waktu 24 jam, maka setiap 1 jam bumi berputar sejauh 15 derajat. Oleh karena itu, garis bujur yang jauhnya 15 derajat atau kelipatan 15 derajat disebelah barat atau timur dari garis 0 derajat, dapat dipakai sebagai bujur standar. Adapun waktu pada bujur standar disebut waktu lokal atau waktu standar.

3. Batas Penanggalan Internasional

Batas penanggalan internasional (International date line) ditetapkan pada garis bujur 180 derajat. Maksudnya, jika dibelahan barat (sebelah barat garis bujur 180 derajat) tanggal 10, dibelahan timur sudah tanggal 11. Jadi, penanggalan tersebut seolah-olah melompat satu hari. Itulah sebabnya jika pada tanggal 4 di Las Vegas, Amerika Serikat berlangsung pertandingan basket NBA, kita di Indonesia akan menyaksikannya pada tanggal 5 pada bulan itu.

4. Kepepatan bentuk bumi

Karena bumi berputar terus menerus pada sumbunya, daerah khatulistiwa bumi mengembung, Itulah sebabnya bentuk bumi tidak bulat seperti bola, melainkan bulat pepat (diameter khatulistiwa lebih besar daripada diameter kutub).

Tata Surya - Komet Halley

Komet adalah anggota tata surya yang mempunyai orbit sangat lonjong. Jumlah komet banyak sekali. Orbit komet membentuk sudut terhadap ekliptika. Ekliptika adalah bidang edar planet. Oleh karena itu, period komet sangat besar. Itulah sebabnya, komet terlihat pada selang waktu yang sangat lama. Misalnya komet Halley yang muncul setiap 75 atau 76 tahun sekali. Selang waktu kemunculan komet menunjukkan revolusi komet itu.

Gambar: komet Halley

Komet Halley ditemukan oleh Edmund Halley (1656 – 1742). Dialah orang pertama yang mengamati bahwa komet juga beredar mengelilingi matahari sebagaimana planet-planet. Terakhir kali komet Halley terlihat pada tahun 1986. Panjang ekor komet Halley mencapai ratusan juta kilometer.

Komet tersusun atas partikel-partikel es yang berwujud gas dan debu yang membeku. Partikel-partikel tersebut terdiri atas senyawa-senyawa hidrogen dengan unsur-unsur yang lebih berat, terutama karbon, nitrogen, dan oksigen. Sewaktu komet bergerak mendekati matahari, lapisan gas di permukaan terdesak oleh sinar matahari. Lapisan gas yang terdesak tersebut memanjang menyerupai ekor yang panjangnya ratusan juta km. Ekor tersebut selalu membelakangi matahari. Itulah sebabnya komet sering disebut sebagai bintang berekor. Ekor tersebut terus memanjang seiring dengan mendekatnya orbit ke komet matahari. Panjang ekor maksimum tercapai pada saat orbit komet mencapai titik perihelium. Setelah itu, panjang ekor makin pendek seiring dengan semakin jauhnya dari matahari sampai akhirnya gelap.

Fenomena Fisika dalam Kehidupan

Fisikawan berhasil menemukan detail menakjubkan semesta, dari radius lubang hitam hingga partikel subatom yang semuanya kasat mata. Bagaimana dengan yang di depan mata?

Anda mungkin akan terkejut menemukan kurangnya penjelasan untuk banyak fenomena yang terjadi di keseharian Anda. Beberapa hal paling misterius ini bahkan mungkin tampak biasa di mata Anda.

·         Kacang

Dalam mangkuk berisi kacang campur, kacang Brazil selalu tampak berada di paling atas. Ini dikenal sebagai ‘efek kacang Brazil’. Fenomena ini memang tampak biasa namun menjadi salah satu misteri terbesar fisika yang belum terpecahkan. Di antara bermacam barang dan mengabaikan gravitasi, benda yang lebih besar selalu berada di atas.

Arus konveksi diduga berperan pada kondensasi partikel yang lebih kecil. Semua kemungkinan ini berkontribusi dalam efek kacang Brazil. Namun hingga kini, tak seorang pun dan tak satu pun simulasi komputer berhasil menjelaskannya. Bahkan, fisikawan, astronom dan geolog hingga kini tak bisa memahami fenomena ini.

·         Busa

Sedang mencuci, cukuran, atau minum soda atau bir? Saat melakukan kegiatan itu, kadang Anda bisa menemukan busa dan kita sering mendapatkannya. Menurut profesor fisika Douglas Durian di UCLA, 95% bagian busa adalah udara dan 5% cairan. Gas pada busa memisahkan cairan untuk membentuk matriks gelembung kecil.

Sayangnya, hingga kini tak ada rumus yang bisa menjelaskan mengenai sifat busa. “Fisika busa belum bisa dipahami dengan baik,” ujarnya pada NASA Science.

·         Es

Penyelidikan satu setengah abad belum bisa menentukan mengapa es bisa membuat Anda terjatuh. Ilmuwan sepakat, lapisan tipis air cair di atas es solid menyebabkan kelicinannya. Namun, hingga kini tak ada konsensus mengapa es memiliki lapisan itu.

Teoris berpendapat, hal ini timbul akibat adanya kontak dengan permukaan es yang membuatnya meleleh. Mungkin Anda mengharapkan ada pihak yang disalahkan, namun hingga kini, para ilmuwan angkat tangan untuk hal ini.

·         Sereal

Sereal cenderung berkumpul menjadi satu atau menyingkir di pinggir mangkuk. Ilmuwan menjulukinya ‘efek cheerios’. Fenomena semacam ini juga berlaku untuk benda apa pun yang mengambang. Dominic Vella dari Cambridge University dan Laksminarayanan Mahadewan dari Harvard University menjadi orang pertama yang menjelaskan ini.

Menurut mereka, efek ini merupakan hasil geometri permukaan cairan. Tensi permukaan membuat permukaan susu mengumpul di tengah mangkuk karena molekul air dalam susu tertarik kaca, permukaan susu mencekung di ujung mangkuk. Hasilnya, jika tidak mengumpul di tengah, sereal akan berada di pinggir mangkuk.

·         Magnet

Profesor fisika Jearl Walker dari Cleveland State University menjelaskan, medan magnet secara alami memancar keluar dari partikel listrik yang menyusun atom, terutama elektron. Untuk memahami magnetisme sederhana masih bisa dilakukan namun tidak untuk yang lebih dalam.

Meski fisikawan memiliki ‘mekanik kuantum’ yang bisa menjelaskan perilaku partikel secara akurat termasuk magnetisme namun secara intuitif, tak mungkin memahami arti sebenarnya teori itu. “Itu hanyalah fitur semesta dan penjelasan matematika sebagai upaya menyelesaikan ‘tugas rumah’ alam dan mencari jawabannya,” ujar Walker.

·         Listrik Statis

Guncangan statis sangat misterius. Hal yang diketahui, hal ini terjadi saat ada arus negatif atau positif berlebihan muncul di tubuh dan menyetrum saat Anda menyentuh sesuatu. Atau, listrik statis bisa terjadi saat listrik statis terkumpul di sesuatu yang kemudian Anda sentuh. Penyebabnya hingga kini masih tak jelas.

Penjelasan umum menyatakan, dua obyek yang bergesekkan memukul electron di atom dari salah satu obyek dan membuat obyek itu menjadi terlalu positif atau negatif. Kedua obyek kemudian saling menyetrum. Namun mengapa electron mengalir dari satu obyek ke lainnya? Hal ini tak pernah bisa dijelaskan.

·         Pelangi

Pelangi terbentuk dari cahaya matahari di tetes air di atmosfer. Tetes air ini berperan sebagai prisma yang memisahkan cahaya menjadi komponen cahaya dan mengirimnya pada sudut 40-42 derajat berlawanan matahari.

Secara ilmiah, pelangi tak lagi misterius karena penjelasan munculnya pelangi telah muncul sejak abad 17 oleh fisikawan Isaac Newton. Namun, bayangkan seberapa mistis pelangi sebelumnya. Di zaman Yunani kuno misalnya, pelangi dianggap sebagai jalan yang dibuat utusan Tuhan untuk menjembatani Bumi dan langit.

Manfaat dan Bahaya Sinar X

Sinar X banyak digunakan dalam bidang kedokteran maupun bidang lain. Dalam bidang kedokteran sinar-X banyak digunakan untuk mengetahui kondisi tulang tubuh manusia. Dengan mengarahkan sinar-X ke tubuh manusia, sebagian sinar-X akan diteruskan dan sebagian diserap oleh tubuh manusia. Tulang akan menyerap sinar-X lebih banyak dibandingkan dengan bagian lain. Sinar yang telah menumbuk tubuh manusia akan ditangkap oleh sebuah pelat film. Perbahan akan dapat diamati pada pelat film. 

Karena intensitas sinar-X berubah-ubah sesuai dengan banyaknya sinar yang diserap, maka pada pelat film dapat diamati yang mana merupakan struktur tulang dan mana yang bukan tulang. Dengan peralatan konvensional tersebut hasil yang diperoleh masih tidak memuaskan karena diperoleh gambar yang tumpang tindih antara tulang yang satu dengan tulang yang lain.
Sejak komputer berkembang pesat, berkembang juga peralatan yang disebut computerized tomography (CT). Dengan peralatan ini komputerdapat menghilangkan gambar tulang sehingga diperoleh gambar tulang yang diinginkan, tidak tumpang tindih dengan gambar tulang yang lain.
Perkembangan teknologi yang berhubungan dengan sinar-X sudah berkembang pesat saat ini. Dalam ilmu kedokteran sudah terdapat spesialisasi menerjemahkan gambar yang diperoleh dari sinar-X (radiolog) dan ilmu khusus untuk mengoperasikan alat-alat sinar-X (Radiographer).
Dalam bidang industri, sinar-X banyak digunakan untuk mengetahui cacat yang ada dalam logam. Tentu saja logam yang bisa dideteksi cacatnya adalah logam yang dapat ditembus oleh sinar-X. Disamping itu, karena sinar-X adalah gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya kecil, sinar-X sering digunakan untuk percobaan difraksi pada kristal padat. 

Aplikasi Impuls dan Momentum

Fisika merupakan ilmu yang mempelajari materi dan interaksinya. Banyak konsep-konsep fisika yang bisa menjelaskan fenomena-fenomena di alam. Salah satunya penerapan konsep impuls dan momentum. Impuls adalah gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang relatif singkat, sedangkan momentum merupakan ukuran kesulitan untuk memberhentikan (mendiamkan) benda. Impuls dipengaruhi oleh gaya yang bekerja pada benda dalam selang waktu tertentu sedangkan momentum dipengaruhi oleh massa benda dan kecepatan benda tersebut. Berikut ini disajikan beberapa contoh penerapan konsep impuls dan momentum dalam kehidupan sehari-hari: 

Definisi Momentum

¨Momentum adalah sebuah nilai dari perkalian materi yang bermassa / memiliki bobot dengan pergerakan / kecepatan. Dalam fisika momentum dilambangkan dengan huruf ‘p’, secara matematis momentum dapat dirumuskan : 

p= m . v 
p = momentum, m = massa, v = kecepatan / viscositas (dalam fluida) 

Momentum akan berubah seiring dengan perubahan massa dan kecepatan. Semakin cepat pergerakan suatu materi/benda akan semakin besar juga momentumnya. Semakin besar momentum, maka semakin dahsyat kekuatan yang dimiliki oleh suatu benda. Jika materi dalam keadaan diam, maka momentumnya sama dengan nol. Sebaliknya semakin cepat pergerakannya, semakin besar juga momentumnya. (Filosofi : Jika manusia tidak mau bergerak / malas, maka hasil kerjanya sama dengan nol). 
Definisi Impuls

¨Impuls adalah selisih dari momentum atau momentum awal dikurangi momentum akhir. Dalam Fisika impuls dilambangkan dengan simbol / huruf "I". Secara matematis impuls dirumuskan : 

I = p2 – p1 = ∆p 
I = m.v2 – m.v1 
I = m(v2 – v1) 
I = m. ∆v 

Karena m = F/a , maka : 

I = F/a . ∆v 
I = [F/(∆v/∆t)] . ∆v 
I = F . ∆t 
F = I/∆t 

I = impuls, p1 = momentum awal, p2 = momentum akhir, F = gaya, ∆t = waktu sentuh, ∆v = selisih kecepatan 

Nah, dari rumus F = I/∆t inilah letak pemanfaatan aplikasi momentum dan impuls. Semakin kecil waktu sentuh, maka semakin besar gaya yang akan diterima benda. Semakin lama waktu sentuh, maka semakin kecil gaya yang diterima benda. 

APLIKASI IMPULS dan MOMENTUM : 
1. Mobil

 Kenapa desain mobil balap dibuat mudah hancur, padahal harganya

selangit?

Mobil  didesain mudah penyok dengan tujuan memperbesar waktu sentuh pada saat tertabrak. Waktu sentuh yang lamamenyebabkan gaya

yang diterima mobil atau pengemudi lebih kecil dan diharapkan keselamatan penggemudi lebih terjamin.

2. Balon udara pada mobil dan sabuk pengaman

Desain mobil yang mudah penyok tidak cukup untuk menjamin keselamatan pengemudi pada saat tetabrak. Benturan yang keras penggemudi dengan bagian dalam mobil dapat membahayakan keselamatan pengemudi. Untuk meminimalisir resiko kecelakaan tersebut, pabrikan mobil ternama menydiakan balon udara di dalam mobil (biasanya di bawah setir), Ketika terjadi kecelakaan pengemudi akan menekan tombol dan balon udara akan mengembang, sehingga waktu sentuh antara kepala atau bagian tubuh yang lain lebih lama dan gaya yang diterima lebih kecil. Sabuk pengaman juga didesain untuk mengurangi dampak kecelakaan. Sabuk pengaman didesain elastis. Sabuk pengaman juga fungsi dan cara kerjanya sama dengan balon udara  pada mobil, yakni untuk mengurangi waktu sentuh antara pengemudi dengan dashboard mobil pada saat bersentuhan.

3. Sarung Tinju

Sarung tinju yang dipakai oleh para petinju berfungsi untuk memperlama bekerjanya gaya impuls ketika memukul lawannya, pukulan tersebut memiliki waktu kontak yang lebih lama dibandingkan memukul tanpa sarung tinju. Karena waktu kontak lebih lama, maka gaya yang bekerja juga semakin kecil sehingga sakit terkena pukulan bisa dikurangi.

4. Palu

Kepala palu dibuat dari bahan yang keras misalnya besi atau baja. Kenapa tidak dibuat dari kayu atau bambu ya? Kan lebih mudah mendapatkan kayu dan bambu, nggak mahal lagi. Palu dibuat dengan bahan yang keras agar selang waktu kontak menjadi lebih singkat, sehingga gaya yang dihassilkan lebih besar. Jika gaya impuls besar maka paku yang dipukul dengan palu akan tertancap lebih dalam.

5. Matras

Matras sering dipakai ketika kita sedang berolahraga atau biasa dipakai para pejudo. Matras dimanfaatkan untuk memperlama selang waktu bekerjanya gaya impuls,

Sehingga tubuh kita tidak terasa sakit ketika di banting. Bayangkanlah ketika kita dibanting atau berbenturan dengan lantai? Hal itu di sebabkan karena waktu kontak antara tubuh dan lantai sangat singkat..

Tapi ketika kita di banting diatas matras maka waktu kontaknya lebih lama, dengan demikian gaya impuls yg bekerja jg relatif lebih kecil.

Matras digunakan untuk memperlambat waktu kontak. Waktu kontak yang relatif lebih lama menyebabkan gaya menjadi lebih kecil sehingga tubuh kita tidak terasa sakit pada saat jatuh atau dibanting di atas matras.

6. Helm

Kalau kita perhatikan bagian dalam helm, pasti akan terlihat lapisan lunak. Seperti gabus atau spons. lapisan lunak tersebut bertujuan untuk memperlama waktu kontak seandainya kepala kita terbentur ke aspal ketika terjadi tabrakan. Jika tidak ada lapisanlunak tersbut gaya impuls akan bekerja lebih cepat sehingga walaupun memakai helm, kita akan pusing-pusing ketika terbentur aspal.

7. Prinsip Kerja Roket

Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum III Newton dan Kekekalan momentum. Roket memiliki tangki yang berisi bahan bakar hodrogen cair dan oksigen cair. Bahan bakar tersebut dibakar dalam ruang pembakaran sehingga menghasilkan gas lalu dibuang melalui mulut pipa yang terletak dibelakang roket.

Akibatnya terjadi perubahan momentum pada gas selama selang waktu tertentu.

Berdasarkan hukum II Newton, perubahan momentum selama suatu selang waktu tertentu = gaya total. Jadi bisa dikatakan bahwa terdapat gaya total pada gas yang disemburkan roket ke belakang. Gaya total tersebut merupakan gaya aksi yang diberikan oleh roket kepada gas, di mana arahnya ke bawah. Sebagai tanggapan, gas memberikan gaya reaksi kepada roket, di mana besar gaya reaksi = gaya aksi, hanya arahnya berlawanan. Gaya reaksi yang diberikan oleh gas tersebut yang mendorong roket ke atas.

Serat Optik

Fiber optik adalah sebuah kaca murni yang panjang dan tipis serta berdiameter sebesar rambut manusia. Dan dalam pengunaannya beberapa fiber optik dijadikan satu dalam sebuah tempat yang dinamakan kabel optik dan digunakan untuk mengantarkan data digital yang berupa sinar dalam jarak yang sangat jauh.

Bagian-bagian fiber optik

Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari fiber optik yang dimana pengiriman sinar dilakukan. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan sinar kembali ke dalam inti(core).

Buffer Coating adalah plastic pelapis yang melindungi fiber dari kerusakan.

Jenis Fiber Optik

1.      Single-mode fibers

Mempunyai inti yang kecil (berdiameter 0.00035 inch atau 9 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 1300-1550 nanometer)

Struktur khas serat single-mode .
1. Core: 8 m diameter
2. Cladding: 125 diameter pM.
3. Buffer: 250 diameter pM.
4. Jaket: 400 diameter pM.

Serat dengan diameter inti kurang dari sekitar sepuluh kali panjang gelombang dari cahaya yang merambat tidak dapat dimodelkan menggunakan optik geometris. Sebaliknya, harus dianalisis sebagai elektromagnetik struktur, dengan solusi dari persamaan Maxwell sebagai direduksi menjadi persamaan gelombang elektromagnetik . Analisis elektromagnetik juga mungkin diperlukan untuk memahami perilaku seperti spekel yang terjadi ketika koherenpropagasi cahaya dalam multi-mode serat. Sebagai Waveguide optik, serat mendukung satu atau lebih terbatas mode melintang dimana cahaya dapat merambat sepanjang serat. Serat mendukung hanya satu modus disebut single-mode atau mono-mode serat. Perilaku yang lebih besar-core multi-mode serat juga dapat dimodelkan menggunakan persamaan gelombang, yang menunjukkan bahwa serat seperti mendukung lebih dari satu modus propagasi (maka nama). Hasil pemodelan seperti multi-mode serat sekitar setuju dengan prediksi optik geometris, jika inti serat cukup besar untuk mendukung lebih dari satu mode saja.

Analisis Waveguide menunjukkan bahwa energi cahaya dalam serat tidak sepenuhnya terkurung di inti. Sebaliknya, terutama dalam single-mode serat, fraksi yang signifikan dari energi dalam modus perjalanan terikat dalam kelongsong sebagai gelombang cepat berlalu dr ingatan .

Jenis yang paling umum dari serat single-mode memiliki diameter inti dari 8-10 mikrometer dan dirancang untuk digunakan dalam inframerah dekat . Struktur modus tergantung pada panjang gelombang dari cahaya yang digunakan, sehingga serat ini sebenarnya mendukung sejumlah kecil mode tambahan pada panjang gelombang terlihat. Multi-mode serat, sebagai perbandingan, diproduksi dengan diameter inti sekecil 50 mikrometer dan seluas ratusan mikrometer.Para frekuensi ternormalisasi V untuk serat ini harus kurang dari nol pertama dari fungsi Bessel J ₀ (sekitar 2,405).

2.      Multi-mode fibers

Mempunyai inti yang lebih besar(berdiameter 0.0025 inch atau 62.5 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 850-1300 nanometer)

Propagasi cahaya melalui serat optik multi-mode .

Laser memantul ke bawah sebuah akrilik batang, yang menggambarkan refleksi internal total cahaya dalam serat optik multi-mode.

Serat dengan diameter inti besar (lebih dari 10 mikrometer) dapat dianalisis dengan optik geometris . Serat seperti disebut multi-mode serat, dari analisis elektromagnetik (lihat di bawah). Dalam serat langkah-indeks multi-mode, sinar cahaya dipandu sepanjang inti serat oleh refleksi internal total. Sinar yang memenuhi batas core-cladding pada sudut tinggi (diukur relatif terhadap garis normal, untuk batas), lebih besar dari sudut kritis untuk batas ini, benar-benar tercermin. Sudut kritis (sudut minimum untuk refleksi internal total) ditentukan oleh perbedaan indeks bias antara inti dan bahan kelongsong. Sinar yang memenuhi batas pada sudut rendah dibiaskan dari inti ke dalam kelongsong, dan tidak menyampaikan informasi cahaya dan karenanya sepanjang serat.Sudut kritis menentukan sudut penerimaan serat, sering dilaporkan sebagai aperture numerik . Sebuah aperture numerik yang tinggi memungkinkan cahaya untuk merambat menuruni serat dalam sinar baik dekat dengan sumbu dan di berbagai sudut, yang memungkinkan kopling efisien cahaya ke dalam serat.Namun, hal ini aperture numerik yang tinggi meningkatkan jumlah dispersi sebagai sinar pada sudut yang berbeda memiliki panjang jalan dan karena itu mengambil waktu yang berbeda untuk melintasi serat.

Serat optik jenis.

Dalam dinilai-indeks serat, indeks bias dalam inti menurun terus menerus antara sumbu dan cladding. Hal ini menyebabkan sinar cahaya untuk menekuk lancar ketika mereka mendekati cladding, bukannya mencerminkan tiba-tiba dari batas core-cladding. Jalur melengkung sehingga mengurangi multi-jalan dispersi karena sinar sudut tinggi lulus lebih melalui pinggiran rendah indeks inti, bukan tinggi-indeks pusat. Profil indeks dipilih untuk meminimalkan perbedaan dalam kecepatan propagasi aksial dari sinar berbagai serat. Ini profil indeks ideal adalah sangat dekat dengan parabola hubungan antara indeks dan jarak dari sumbu.

Cara Kerja Fiber Optik

Sinar dalam fiber optik berjalan melalui inti dengan secara memantul dari cladding, dan hal ini disebut total internal reflection, karena cladding sama sekali tidak menyerap sinar dari inti. Akan tetapi dikarenakan ketidakmurnian kaca sinyal cahaya akan terdegradasi, ketahanan sinyal tergantung pada kemurnian kaca dan panjang gelombang sinyal.

Pada dasarnya, sistem komunikasi serat optik terdiri dari tiga bagian: pemancar (transmitter), saluran komunikasi, dan penerima (receiver). Transmitter (yang terdiri dari dioda laser dan LED) berfungsi mengubah sinyal elektronik ke dalam bentuk gelombang cahaya dan memasukkannya ke dalam serat optik. Dibandingkan kabel tembaga, sebatang kabel serat optik memiliki bandwidth lebih banyak (sampai dengan 1 Terabit/detik atau 10¹² bit/detik), material loss yang rendah, tidak menghasilkan electromagnetik noise, dan juga tidak terpengaruhi oleh gelombang elektromagnetik dari luar (electromagnetic interference). Dilihat dari segi bandwidth, serat optik jelas jauh lebih unggul daripada kabel tembaga atau nirkabel/satelit. Penerima (photodetector) berfungsi mengubah sinyal cahaya kembali ke dalam bentuk elektronik. Alat-alat opto-elektronik yang dipakai dalam sistem serat optik sebagian besar terbuat daripada bahan semikonduktor, khususnya senyawa yang terbentuk dari unsur-unsur golongan III (seperti Ga) dan golongan V (seperti As). Senyawa-senyawa yang terbentuk dari elemen-elemen golongan III-V mempunyai bandgap langsung yang memudahkan transisi elektron dari band konduksi ke band valensi dengan menghasilkan photon pada prosesnya. Akhir-akhir ini, kemajuan dalam ilmu nanoteknologi, khususnya di bidang eksperimen, telah memungkinkan para ilmuwan untuk membuat struktur dalam skala nanometer.

Keuntungan Fiber Optik

Murah : jika dibandingkan dengan kabel tembaga dalam panjang yang sama.
Lebih tipis: mempunyai diameter yang lebih kecil daripada kabel tembaga.
Kapasitas lebih besar.  Sinyal degradasi lebih kecil. Tidak mudah terbakar : tidak mengalirkan listrik. Fleksibel. Sinyal digital.

Bagaimana Fiber Optik Dibuat

Making a preform glass cylinder

Proses ini disebut modified chemical vapor deposition (MCVD).
Silikon dan germanium bereaksi dengan oksigen membentuk SiO2 dan GeO2.
SiO2 dan GeO2 menyatu dan membentuk kaca.

Proses ini dilakukan secara otomatis dan membutuhkan waktu beberapa jam.

Drawing the fiber from the preform

Setelah proses pertama selesai preform dimasukkan kedalam fiber drawing tower.
Kemudian dipanaskan 1900-2200 derajat celcius sampai meleleh.
Lelehan tersebut jatuh melewati laser mikrometer sehingga preform membentuk benang.
Dilakukan proses coating dan UV Curing.

Testing the Finished Optical Fiber

Tensile strength: harus mampu menahan 100.000 lb/inch2 atau lebih.
Refractive index profile : menghitung layar untuk pemantulan optik.
Fiber geometry : diameter Core, dimensi cladding, diameter cloating adalah seragam.
Attenuation : menghitung kekuatan sinyal dari berbagai panjang gelombang dan jarak.
Information carrying capacity : bandwith

Chromatic dispersion : penyebaran berbagai panjang gelombang sinar melalui core.
Operating temperature

Kabel Optik Yang Sering Digunakan

Distribution Cable

Serat memiliki banyak kegunaan dalam penginderaan jauh. Dalam beberapa aplikasi, sensor itu sendiri merupakan serat optik. Dalam kasus lain, serat digunakan untuk menghubungkan sensor non-serat optik ke sistem pengukuran. Tergantung pada aplikasi, serat dapat digunakan karena ukurannya yang kecil, atau fakta bahwa tidak ada daya li

strik yang diperlukan di lokasi terpencil, atau karena banyak sensor dapat multiplexing sepanjang serat dengan menggunakan panjang gelombang cahaya yang berbeda untuk setiap sensor, atau dengan merasakan waktu tunda sebagai cahaya melewati sepanjang serat melalui setiap sensor. Penundaan waktu dapat ditentukan dengan menggunakan perangkat seperti reflectometer waktu-domain optik .

Serat optik dapat digunakan sebagai sensor untuk mengukur regangan , suhu , tekanan dan jumlah lain dengan memodifikasi serat sehingga properti untuk mengukur memodulasi intensitas , fase ,polarisasi , panjang gelombang , atau waktu transit cahaya dalam serat. Sensor yang bervariasi intensitas cahaya yang paling sederhana, karena hanya sumber yang sederhana dan detektor diperlukan. Sebuah fitur yang sangat berguna seperti sensor serat optik adalah bahwa mereka dapat, jika diperlukan, menyediakan didistribusikan penginderaan jarak hingga satu meter.

Sensor serat optik ekstrinsik menggunakan kabel serat optik , biasanya mode multi-satu, untuk mengirimkan modulasi cahaya dari sensor baik-atau non-serat optik sensor elektronik yang disambungkan ke sebuah pemancar optik. Keuntungan utama dari sensor ekstrinsik adalah kemampuan mereka untuk mencapai tempat tidak terjangkau. Contohnya adalah pengukuran suhu di dalampesawat mesin jet dengan menggunakan serat untuk mengirimkan radiasi menjadi radiasi pirometer luar mesin. Sensor ekstrinsik dapat digunakan dengan cara yang sama untuk mengukur suhu internal transformator listrik , dimana ekstrim medan elektromagnetik ini membuat teknik pengukuran lain tidak mungkin. Ekstrinsik sensor getaran ukuran, rotasi, perpindahan, kecepatan, percepatan, torsi, dan memutar. Sebuah versi solid state dari giroskop, menggunakan interferensi cahaya, telah dikembangkan. Para giroskop serat optik (FOG) memiliki bagian yang bergerak, dan memanfaatkanefek Sagnac untuk mendeteksi rotasi mekanik.

Umum digunakan untuk sensor serat optik meliputi sistem deteksi intrusi keamanan yang canggih. Cahaya ditransmisikan sepanjang kabel sensor serat optik ditempatkan pada pagar, pipa, atau pemasangan kabel komunikasi, dan sinyal kembali dimonitor dan dianalisis untuk gangguan. Ini sinyal kembali secara digital diproses untuk mendeteksi gangguan dan perjalanan alarm jika intrusi telah terjadi.

Prinsip Operasi

Sebuah serat optik adalah silinder Waveguide dielektrik ( nonconducting Waveguide) yang mentransmisikan cahaya di sepanjang sumbunya, dengan proses refleksi internal total . Serat yang terdiri dariinti yang dikelilingi oleh cladding lapisan, baik yang terbuat dari dielektrik bahan. Untuk membatasi sinyal optik dalam inti, indeks bias dari inti harus lebih besar dibandingkan dengan cladding. Batas antara inti dan cladding baik mungkin tiba-tiba, di langkah-indeks serat , atau bertahap, dalam gradasi-indeks serat .

Khusus-tujuan serat

Beberapa serat optik tujuan khusus dibangun dengan inti non-silinder dan / atau lapisan cladding, biasanya dengan penampang berbentuk bulat panjang atau persegi panjang. Ini termasuk mempertahankan polarisasi-serat dan serat yang dirancang untuk menekan berbisik galeri modus propagasi.

Foton-kristal serat dibuat dengan pola yang teratur variasi indeks (sering dalam bentuk lubang silindris yang berjalan di sepanjang serat). Serat seperti menggunakan difraksi efek bukan atau di samping refleksi internal total, untuk membatasi cahaya untuk inti serat. Sifat-sifat serat dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi.