XII IPA INDUKSI ELEKTROMAGNETIK DAN ARUS BOLAK BALIK

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Induksi elektromagnetik pertama kali dipelajari dan ditemukan oleh Michael Faraday pada tahun 1831. Induksi elektromagnetik atau imbas listrik merupakan pembangkitan energi listrik dari medan magnet.

Induksi elektromagnetik terjadi pada suatu kumparan jika ada perubahan jumlah garis gaya magnet yang dilingkupi setiap saat.

GALVANOMETER adalah alat untuk menyelidiki besar dan arah arus induksi pada suatu rangkaian.

Kita dapat membangkitkan GGL induksi dengan cara berikut.

1. Menggerakkan magnet keluar masuk kumparan

2. Memutar magnet di dekat kumparan

3. Memutar kumparan dalam magnet

4. Memutus-mutus arus listrik yang melalui kumparan.

Jika jumlah garis gaya yang dilingkupi kumparan bertambah, jarum galvanometer menyimpang ke kanan.

Jika jumlah garis gaya yang dilingkupi kumparan berkurang, jarum galvanometer menyimpang ke kiri.

Penyimpangan jarum galvanometer ke kanan dan ke kiri tersebut menunjukkan bahwa GGL induksi yang dihasilkan kumparan berupa tegangan bolak-balik/AC (alternating current).

Jika GGL induksi lebih besar, kuat arus induksi yang timbul juga lebih besar.

Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan.

Artinya, semakin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul.

Adapun yang dimaksud FLUKS adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.

Ada berapa faktor yang menentukan besar GGL induksi yang diketahui dari besar penyimpangan jarum galvanometer.

Jika kamu melakukan percobaan ini secara teliti dengan mengubah-ubah jumlah lilitan, kecepatan gerak magnet, dan kekuatan magnet yang digunakan, kamu akan dapat menyimpulkan bahwa besar GGL induksi bergantung pada tiga faktor, yaitu:

1. Jumlah lilitan pada kumparan

2. Kecepatan gerak magnet keluar-masuk kumparan

3. Kekuatan magnet batang yang digunakan.

Induksi elektromagnetik saat ini sudah banyak dimanfaatkan untuk keperluan hidup sehari-hari. Orang pertama yang menyelidiki dan menemukan hal tersebut adalah MICHAEL FARADAY.

1. GENERATOR

Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.

Generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan, generator dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu gerator AC (alternating current) dan generator DC (direct current). Generator AC menghasilkan arus bolak-balik dan generator DC menghasilkan arus searah. Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.

a. GENERATOR AC

Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida), cincin geser, dan sikat. Pada generator, perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. Oleh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC.

GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara:

¤ memperbanyak lilitan kumparan,

¤ menggunakan magnet yang lebih kuat,

¤ mempercepat perputaran kumparan, dan

¤ menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.

b. GENERATOR DC

Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama

A. GGL INDUKSI

Pada bab sebelumnya, kamu sudah mengetahui bahwa kelistrikan dapat menghasilkan kemagnetan. Menurutmu, dapatkah kemagnetan menimbulkan kelistrikan? Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.

1. Penyebab Terjadinya GGL Induksi

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis- garis gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida).gb121

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut induksi elektromagnetik. Coba sebutkan bagaimana cara memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi?

2. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu : a. kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik), b. jumlah lilitan, c. medan magnet

B. PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi mekanik yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal itu menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang berulang secara periodik

1. Generator

Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator AC dapat diubah menjadi generator DC dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah generator AC kumparan berputar di antara kutub- kutub yang tak sejenis dari dua magnet yang saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian generator yang berputar (bergerak) disebut rotor. Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator. Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 0 derajat), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi (perhatikan Gambar 12.2). Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.gb122

Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahanlahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga memb entuk sudut 360 derajat.

2. Dinamo

Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. gb1231Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, gb124kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

C. TRANSFORMATOR

Di rumah mungkin kamu pernah dihadapkan persoalan tegangan listrik, ketika kamu akan menghidupkan radio yang memerlukan tegangan 6 V atau 12 V. Padahal tegangan listrik yang disediakan PLN 220 V. Bahkan generator pembangkit listrik menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Kenyataannya sampai di rumah tegangan listrik tinggal 220 V. Bagaimanakah cara mengubah tegangan listrik? Alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC disebut transformator (trafo). Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output. Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output. Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Adapun, arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder. gb125Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output).

1. Macam-Macam Transformator

Apabila tegangan terminal output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penurun tegangan. Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.
Trafo step up adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan gb1271AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder,
b. tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih besar daripada kuat arus sekunder.
Trafo step down adalah transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder,

b. tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.

2. Transformator Ideal

Besar tegangan dan kuat arus pada trafo bergantung banyaknya lilitan. Besar tegangan sebanding dengan jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan tegangan yang dihasilkan makin besar. Hal ini berlaku untuk lilitan primer dan sekunder. Hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan tegangan primer dan tegangan sekunder dirumuskan rms12Trafo dikatakan ideal jika tidak ada energi yang hilang menjadi kalor, yaitu ketika jumlah energi yang masuk pada kumparan primer sama dengan jumlah energi yang keluar pada kumparan sekunder. Hubungan antara tegangan dengan kuat arus pada kumparan primer dan sekunder dirumuskan rms2Jika kedua ruas dibagi dengan t, diperoleh rumus rms3Dalam hal ini faktor (V × I) adalah daya (P) transformator.
Berdasarkan rumus-rumus di atas, hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan kuat arus primer dan sekunder dapat dirumuskan sebagai rms4Dengan demikian untuk transformator ideal akan berlaku persamaan berikut. rms5Dengan:
Vp = tegangan primer (tegangan input = Vi ) dengan satuan volt (V)
Vs = tegangan sekunder (tegangan output = Vo) dengan satuan volt (V)
Np = jumlah lilitan primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Ip = kuat arus primer (kuat arus input = Ii) dengan satuan ampere (A)
Is = kuat arus sekunder (kuat arus output = Io) dengan satuan ampere (A)

3. Efisiensi Transformator
Di bagian sebelumnya kamu sudah mempelajari transformator atau trafo yang ideal. Namun, pada kenyataannya trafo tidak pernah ideal. Jika trafo digunakan, selalu timbul energi kalor. Dengan demikian, energi listrik yang masuk pada kumparan primer selalu lebih besar daripada energi yang keluar pada kumparan sekunder. Akibatnya, daya primer lebih besar daripada daya sekunder. Berkurangnya daya dan energi listrik pada sebuah trafo ditentukan oleh besarnya efisiensi trafo. Perbandingan antara daya sekunder dengan daya primer atau hasil bagi antara energi sekunder dengan energi primer yang dinyatakan dengan persen disebut efisiensi trafo. Efisiensi trafo dinyatakan dengan η . Besar efisiensi trafo dapat dirumuskan sebagai berikut. rms6
RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK
oleh Basics physics Blog pada 11 Desember 2009 jam 17:30

telah diketahui bahwa generator arus bolak-balik sebagai sumber tenaga listrik yang mempunyai GGL :
E = Emax sint
Persamaan di atas jelas-jelas menunjukkan bahwa GGL arus bolak-balik berubah secara sinusoidal. Suatu sifat yang menjadi ciri khas arus bolak-balik.

Dalam menyatakan harga tegangan AC ada beberapa besaran yang digunakan, yaitu :

1. Tegangan sesaat : Yaitu tegangan pada suatu saat t yang dapat dihitung dari persamaan E = Emax sin 2ft jika kita tahu Emax, f dan t.
2. Amplitudo tegangan Emax : Yaitu harga maksimum tegangan. Dalam persamaan : E = Emax sin 2ft, amplitudo tegangan adalah Emax.
3. Tegangan puncak-kepuncak (Peak-to-peak) yang dinyatakan dengan Epp ialah beda antara tegangan minimum dan tegangan maksimum. Jadi Epp = 2 Emax.
4. Tegangan rata-rata (Average Value).
5. Tegangan efektif atau tegangan rms (root-mean-square) yaitu harga tegangan yang dapat diamati langsung dalam skala alat ukurnya.

Gambar arus dan tegangan bolak-balik.

Gambar arti arus dan tegangan yang dikuadratkan.

Arus dan tegangan sinusoidal.
Dalam generator, kumparan persegi panjang yang diputar dalam medan magnetik akan membangkitkan Gaya Gerak Listrik (GGL) sebesar :
E = Em sint
Dengan demikian bentuk arus dan tegangan bolak-balik seperti persamaan di atas yaitu :
i = Im sint
v = vm sint
im dan vm adalah arus maksimum dan tegangan maksimum.
Bentuk kurva yang dihasilkan persamaan ini dapat kita lihat di layar Osiloskop. Bentuk kurva ini disebut bentuk sinusoidal gambar.

Harga Efektif Arus Bolak-balik.

Dalam rangkaian arus bolak-balik, baik tegangan maupun kuat arusnya berubah-ubah secara periodik. Oleh sebab itu untuk penggunaan yang praktis diperlukan besaran listrik bolak-balik yang tetap, yaitu harga efektif.
Harga efektif arus bolak-balik ialah harga arus bolak-balik yang dapat menghasilkan panas yang sama dalam penghantar yang sama dan dalam waktu yang seperti arus searah.
Ternyata besar kuat arus dan tegangan efektifnya masing-masing :

Ieff = [] ½
Ief = = 0,707 Imax
Vef = = 0,707 Vmax

Kuat arus dan tegangan yang terukur oleh alat ukur listrik menyatakan harga efektifnya.
Resistor dalam rangkaian arus bolak-balik.

Bila hambatan murni sebesar R berada dalam rangkaian arus bolak-balik, besar tegangan pada hambatan berubah-ubah secara sinusoidal, demikian juga kuat arusnya. Antara kuat arus dan tegangan tidak ada perbedaan fase, artinya pada saat tegangan maksimum, kuat arusnya mencapai harga maksimum pula.

Kumparan induktif dalam rangkaian arus bolak-balik.

Andaikan kuat arus yang melewati kumparan adalah I = Imax sint. Karena hambatan kumparan diabaikan I.R = 0
Besar GGL induksi yang terjadi pada kumparan E1 = -L
Bila tegangan antara AB adalah V, kuat arus akan mengalir bila :
V = L
V = L
V = L Imax. cost
Jadi antara tegangan pada kumparan dengan kuat arusnya terdapat perbedaan fase , dalam hal ini tegangan mendahului kuat arus.

Capasitor Dalam Rangkaian Arus Bolak-balik.

Andaikan tegangan antara keping-keping capasitor oada suatu saat V = Vmax sint, muatan capasitor saat itu :
Q = C.V
I = =
I = C.Vmax cos t
Jadi antara tegangan dan kuat arus terdapat perbedaan fase dalam hal ini kuat arus lebih dahulu daripada tegangan.
Reaktansi.

Disamping resistor, kumparan induktif dan capasitor merupakan hambatan bagi arus bolak-balik. Untuk membedakan hambatan kumparan induktif dan capasitor dari hambatan resistor, maka hambatan kumparan induktif disebut Reaktansi Induktif dan hambatan capasitor disebut Reaktansi Capasitif.
Reaktansi =

1. Reaktansi Induktif (XL)

XL = =

XL =

XL dalam ohm, L dalam Henry.

1. Reaktansi Capasitif (XC)

XC = = =

XC =

XC dalam ohm, C dalam Farad.
Impedansi (Z)

Sebuah penghantar dalam rangkaian arus bolak-balik memiliki hambatan, reaktansi induktif, dan reaktansi capasitif. Untuk menyederhanakan permasalahan, kita tinjau rangkaian arus bolak-balik yang didalamnya tersusun resistor R, kumparan R, kumparan induktif L dan capasitor C.

Menurut hukum ohm, tegangan antara ujung-ujung rangkaian :
V = VR + VL + VC
Dengan penjumlahan vektor diperoleh :
IZ =
Z =
Z disebut Impedansi
Tg = =

Ada tiga kemungkinan yang bersangkutan dengan rangkaian RLC seri yaitu :
1. Bila XL>XC atau VL>VC, maka rangkaian bersifat induktif. tg positif, demikian juga positif. Ini berarti tegangan mendahului kuat arus.

2. Bila XL

Demikian juga untuk harga V =
3. Bila XL=XC atau VL=VC, maka rangkaian bersifat resonansi. tg = 0 dan = 0, ini berarti tegangan dan kuat arus fasenya sama.
Resonansi

Jika tercapai keadaan yang demikian, nilai Z = R, amplitudo kuat arus mempunyai nilai terbesar, frekuensi arusnya disebut frekuensi resonansi seri. Besarnya frekuensi resonansi dapat dicari sebagai berikut :

XL = XC
wL =
w2 =

f = atau T =
f adalah frekuensi dalam cycles/det, L induktansi kumparan dalam Henry dan C kapasitas capasitor dalam Farad.

Getaran Listrik Dalam Rangkaian LC.

Getaran listrik adalah arus bolak-balik dengan frekuensi tinggi.
Getaran listrik dapat dibangkitkan dalam rangkaian LC.

Kapasitor C dimuati sampai tegangan maksimum. Bila saklar ditutup mengalir arus sesuai arah jarum jam, tegangan C turun sampai nol.
Bersamaan dengan aliran arus listrik timbul medan magnetik didalam kumparan L.

GGL INDUKSI

Pada bab sebelumnya, kamu sudah mengetahui bahwa kelistrikan dapat menghasilkan kemagnetan. Menurutmu, dapatkah kemagnetan menimbulkan kelistrikan? Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.

1. Penyebab Terjadinya GGL Induksi

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis- garis gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida).

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut induksi elektromagnetik. Coba sebutkan bagaimana cara memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi?

2. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu : a. kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik), b. jumlah lilitan, c. medan magnet

XII IPA LISTRIK STATIS

1 Hukum Coulomb

Tinjaulah interaksi antara dua benda bermuatan yang dimensi geometrinya dapat diabaikan terhadap jarak antar keduanya. Maka dalam pendekatan yang cukup baik dapat dianggap bahwa kedua benda bermuatan tersebut sebagai titik muatan. Charles Augustin de Coulomb(1736-1806) pada tahun 1784 mencoba mengukur gaya tarik atau gaya tolak listrik antara dua buah muatan tersebut. Ternyata dari hasil percobaannya, diperoleh hasil sebagai berikut:

* Pada jarak yang tetap, besarnya gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatan dari masing –masing muatan.

* Besarnya gaya tersebut berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan.

* Gaya antara dua titik muatan bekerja dalam arah sepanjang garis penghubung yang lurus.

* Gaya tarik menarik bila kedua muatan tidak sejenis dan tolak menolak bila kedua muatan sejenis. Hasil penelitian tersebut dinyatakan sebagai hukum Coulomb, yang secara matematis: k adalah tetapan perbandingan yang besarnya tergantung pada sistem satuan yang digunakan.

Pada sistem SI, gaya dalam Newton(N), jarak dalam meter (m), muatan dalam Coulomb ( C ), dan k mempunyai harga : sebagai konstanta permitivitas ruang hampa besarnya = 8,854187818 x 10-12 C2/Nm2. Gaya listrik adalah besaran vektor, maka Hukum Coulomb bila dinyatakan dengan notasi vector menjadi : Dimana r12 adalah jarak antara q1 dan q2 atau sama panjang dengan vektor r12, sedangkan r12 adalah vektor satuan searah r12. Jadi gaya antara dua muatan titik yang masing-masing sebesar 1 Coulomb pada jarak 1 meter adalah 9 x 109 newton, kurang lebih sama dengan gaya gravitasi antara planet-planet.

2. Medan Listrik

Medan adalah suatu besaran yang mempunyai harga pada tiap titik dalam ruang. Atau secara matematis, medan merupakan sesuatu yang merupakan fungsi kontinu dari posisi dalam ruang. Medan ada dua macam yaitu :

- Medan Skalar, misalnya temperatur, potensial dan ketinggian

- Medan vektor, misalnya medan listrik dan medan magnet

Untuk membahas suatu medan listrik, digunakan pengertian kuat medan, yakni : “Vektor gaya Coulomb yang bekerja pada suatu muatan yang kita lewatkan pada suatu titik dalam medan gaya ini”, dan dinyatakan sebagai E(r). dalam bentuk matematis :

Dengan menggunakan persamaan harus diingat ;

- hubungan ini hanya berlaku untuk muatan sumber berupa titik

- pusat sistem koordinat ada pada muatan sumber

- besaran yang digunakan dalam sistem MKS

- hubungan diatas hanya berlaku dalam vakum atau udara

X.2.1 Kuat Medan Listrik oleh Satu Muatan Titik

Muatan sumber q berupa muatan titik terletak pada vektor posisi r’, sedang titi p pada posisi r. Posisi relatif p terhadap muatan sumber adalah (r-r’), vektor satuan arah SP adalah

Jadi kuat medan listrik E di titik r oleh muatan q adalah X.2.2 Kuat Medan Listrik oleh Beberapa Muatan Titik

Jika sumber muatan berupa beberapa muatan titik yang berbeda besar dan posisinya, maka kuat medan listrik resultan E (r )adalah penjumlahan masing-masing kuat medan, dimana secara matematis dinyatakan sebagai

Bila ada N buah muatan titik sebagai sumber, dengan muatan sumber q1 yang masing-masing berada pada jarak ri’, maka medan resultan pada vector posisi r adalah :

3.Hukum gauss

Jumlah gais-garis medan listrik yang menembus secara tegak lurus pada suatu bidang dinamakan Fluks Listrik dengan symbol f

Gauss menurunkan hukumnya berdasarkan pada konsep-konsep garis-garis medan listrik. Kita bahas terlebih dulu konsep fluks listrik. Fluks listrik didefinisikan sebagai jumlah garis-garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu bidang. Perhatikan medan listrik serba sama yang arahnya seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1.17a. Garis-garis medan menembus tegaklurus suatu bidang segiempat seluas A. Jumlah garis-garis medan per satuan luas sebanding dengan kuat medan listrik, sehingga jumlah garis medan listrik yang menembus bidang seluas A sebanding dengan EA. Hasil kali antara kuat nedan listrik tersebut dinamakan fluks listrik Φ.

Φ = E × A (4.1.5)

Satuan untuk E adalah N/C, sehingga satuan untuk fluks listrik (dalam SI) adalah (N/C)(m2) yang dinamakan weber (Wb). 1 weber = 1 NC-1m2

Untuk medan listrik menembus bidang tidak tegak lurus, perhatikan Gambar 4.1.17b.

Φ = EA’

Dengan A’ = A cos θ, sehingga:

Φ = EA cos θ ……………………………………………………(4.1.6)

Dengan θ adalah sudut antara arah E dan arah normal bidang n. Arah normal bidang adalah arah yang tegaklurus terhadap bidang (lihat gambar 4.1.17c).

(a) (b) (c)

Gambar 4.1.17. (a) Garis-garis medan medan antara listrik menembus bidang, (b) Garis-garis medan listrik menembus bidang dengan sudut θ, (c) θ adalah sudut antara arah medan listrik dan arah normal bidang n.

Berdasarkan konsep fluks listrik ini, muncullah hukum Gauss, sebagai berikut:

Jumlah garis-garis medan listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dibagi dengan permitivitas udara.

Φ = EA cos θ = ……………………………………………………(4.1.7)

dengan A=luas permukaan tertutup, θ=sudut antara E dan arah normal n, dan Σq = muatan total yang dilingkupi oleh permukaan tertutup.

Energi Potensial Listrik dan Potensial Listrik

Gaya Coulomb dan medan litrik merupakan besaran vektor, sedangkan energi potensial listrik dan potensial listrik merupakan besaran skalar.

1) Energi Potensial Listrik

Energi potensial listrik akan timnul bila sebuah muatan uji qo didekatkan pada sebuah muatan q. Besarnya energi potensial yang timbul pada muatan qo sebanding dengan usaha yang diperlukan untuk melawan gaya Coulomb FC. Perhatikan Gambar 4.18. Perubahan energi potensial dari keadaan (1) ke keadaan (2) sebagai berikut:

ΔEP = -FC cos θ (Δs)= W12 ………………………………………..(4.1.10)

dengan :

FC = gaya Coulomb

Δs = perpindahan muatan

Tanda minus pada persamaan di atas berarti beda energi potensial sebanding dengan usaha untuk melawan gaya Coulomb Fc. Jadi, dibutuhkan gaya sebesar F untuk melawan gaya Coulomb, F=-FC. Pada Gambar 4.18 terlihat bahwa arah gaya F sama dengan arah perpindahan Ds sehingga cos 0= 1, maka ΔEP = FΔs. Untuk Δs sangat kecil, r1- r2 =0. Gaya F pada selang ΔEP dapat dianggap sebagai gaya rata-rata dari F1 dan F2 dengan:

Perubahan potensialnya :

ΔEP = W12 = FΔs

ΔEP =(r1-r2) = kqoq ……………………………………………………(4.1.11)

dengan :

ΔEP = perubahan energi potensial listrik antara kedudukan akhir dan kedudukan akhir

W12 = usaha yang dilakukan untuk memindahan muatan qo.

qo = muatan, uji, q = muatan sumber.

r2 = jarak antara muatan uji dan muatan sumber pada kedudukan akhir yaitu titik 2.

r1 = jarak antara muatan uji dan muatan sumber pada kedudukan awal yaitu titik 1.

Potensial listrik didefinisikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan sehingga beda potensial listrik antara dua titik 1 dan 2 adalah:

V12 = kq …………………………………….(4.1.12)

dengan V12 menyatakan beda potensial oleh sebuah muatan q antara jarak r1 dan r1.

Untuk menentukan besarnya potensial listrik yang ditimbulkan oleh muatan q di titik (1) dan (2) adalah:

V12 = V2 – V1 = kq=

Dengan V1 menyatan potensial mutlak di titik (1) dan V2 menyatakan potensial mutlak di titik (2). Secara umum, potensial sebuah titik berjarak r dari muatan q adalah:

V = …………………………………………………………….(4.1.13)

Potensial listrik di suatu titik pada medan listrik adalah besarnya usaha yang diperlukan untuk memindahkan satu satuan muatan listrik dari tak hingga ke titik tersebut.

Potensial listrik adalah besaran skalar. Potensial yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber cukup dihitung dengan penjumlahan aljabar biasa.

V =

V = …………………….(4.1.14)

Dengan n adalah banyak muatan sumber.

LISTRIK STATIS 2

1 Hukum Coulomb

Tinjaulah interaksi antara dua benda bermuatan yang dimensi geometrinya dapat diabaikan terhadap jarak antar keduanya. Maka dalam pendekatan yang cukup baik dapat dianggap bahwa kedua benda bermuatan tersebut sebagai titik muatan. Charles Augustin de Coulomb(1736-1806) pada tahun 1784 mencoba mengukur gaya tarik atau gaya tolak listrik antara dua buah muatan tersebut. Ternyata dari hasil percobaannya, diperoleh hasil sebagai berikut:

* Pada jarak yang tetap, besarnya gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatan dari masing –masing muatan. * Besarnya gaya tersebut berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan. * Gaya antara dua titik muatan bekerja dalam arah sepanjang garis penghubung yang lurus. * Gaya tarik menarik bila kedua muatan tidak sejenis dan tolak menolak bila kedua muatan sejenis. Hasil penelitian tersebut dinyatakan sebagai hukum Coulomb, yang secara matematis:k adalah tetapan perbandingan yang besarnya tergantung pada sistem satuan yang digunakan. Pada sistem SI, gaya dalam Newton(N), jarak dalam meter (m), muatan dalam Coulomb ( C ), dan k mempunyai harga : sebagai konstanta permitivitas ruang hampa besarnya = 8,854187818 x 10^-12 C2/Nm2. Gaya listrik adalah besaran vektor, maka Hukum Coulomb bila dinyatakan dengan notasi vector menjadi :Dimana r₁₂ adalah jarak antara q₁ dan q₂ atau sama panjang dengan vektor r₁₂, sedangkan r₁₂ adalah vektor satuan searah r₁₂. Jadi gaya antara dua muatan titik yang masing-masing sebesar 1 Coulomb pada jarak 1 meter adalah 9 x 10⁹ newton, kurang lebih sama dengan gaya gravitasi antara planet-planet.

Contoh 1:

Muatan titik q₁ dan q₂ terletak pada bidang XY dengan koordinat berturut-turut(x₁,y₁) dan (x₂,y₂), tentukanlah :

a. Gaya pada muatan q₁ oleh muatan q₂

b. Gaya pada muatan q₁ oleh muatan q₂

Penyelesaian :

a. Gaya pada muatan q₁ oleh muatan q₂

b. Gaya pada muatan q₂ oleh muatan q₁

Dari hasil perhitungan bahwa gayanya akan sama besar namun berlawanan arah.Prinsip Superposisi

Dalam keadaan Rill , titik-titik muatan selalu terdapat dalam jumlah yang besar. Maka timbullah pertanyaan : apakah interaksi antara dua titik muatan yang diatur oleh Hukum Coulomb dapat dipengaruhi oleh titik lain disekitarnya? Jawabannya adalah tidak, karena pada interaksi elektrostatik hanya meninjau interaksi antar dua buah muatan, jika lebih dari dua buah muatan maka diberlakukan prinsip superposisi (penjumlahan dari semua gaya interaksinya).

Secara matematik, prinsip superposisi tersebut dapat dinyatakan dengan mudah sekali dalam notasi vektor. Jadi misalnya F₁₂ menyatakan gaya antara q₁ dan q₂ tanpa adanya muatan lain disekitarnya, maka menurut Hukum Coulomb,

Begitu pula interaksi antara q₁ dan q₃ tanpa adanya muatan q₂, dinyatakan oleh :

Maka menurut prinsip superposisi dalam sistem q₁, q₂ dan q₃, gaya total yang dialami q₁ tak lain adalah jumlah vector gaya-gaya semula :
2 Medan Listrik

Medan adalah suatu besaran yang mempunyai harga pada tiap titik dalam ruang. Atau secara matematis, medan merupakan sesuatu yang merupakan fungsi kontinu dari posisi dalam ruang. Medan ada dua macam yaitu :

- Medan Skalar, misalnya temperatur, potensial dan ketinggian

- Medan vektor, misalnya medan listrik dan medan magnet

Untuk membahas suatu medan listrik, digunakan pengertian kuat medan, yakni : “Vektor gaya Coulomb yang bekerja pada suatu muatan yang kita lewatkan pada suatu titik dalam medan gaya ini”, dan dinyatakan sebagai E(r). dalam bentuk matematis :

Dengan menggunakan persamaan harus diingat ;

- hubungan ini hanya berlaku untuk muatan sumber berupa titik

- pusat sistem koordinat ada pada muatan sumber

- besaran yang digunakan dalam sistem MKS

- hubungan diatas hanya berlaku dalam vakum atau udara

X.2.1 Kuat Medan Listrik oleh Satu Muatan Titik

Muatan sumber q berupa muatan titik terletak pada vektor posisi r’, sedang titi p pada posisi r. Posisi relatif p terhadap muatan sumber adalah (r-r’), vektor satuan arah SP adalah

Jadi kuat medan listrik E di titik r oleh muatan q adalahX.2.2 Kuat Medan Listrik oleh Beberapa Muatan Titik

Jika sumber muatan berupa beberapa muatan titik yang berbeda besar dan posisinya, maka kuat medan listrik resultan E (r )adalah penjumlahan masing-masing kuat medan, dimana secara matematis dinyatakan sebagai

Bila ada N buah muatan titik sebagai sumber, dengan muatan sumber q₁yang masing-masing berada pada jarak ri’, maka medan resultan pada vector posisi r adalah :3 Hukum GaussMichael Faraday memperkenalkan cara menggambarkan medan (listrik, magnet, maupun gravitasi) melalui konsep garis gaya (garis medan). Garis gaya adalah garis-garis lengkung dalam medan yang dapat menunjukkan arah serta besarnya E pada setiap titik masing-masing dengan garis singgung dan kerapatan garisnya pada titik yang bersangkutanGaris-garis gaya berawal pada titik muatan positif dan berakhir pada titik muatan negatif. Diantara titik awal dan titik akhir, garis gaya selalu kontinu dan tidak mungkin berpotongan, kecuali pada titik muatan lain yang terdapat diantaranyaJumlah garis-garis gaya listrik yang menembus suatu permukaan secara tegak lurus didefenisikan sebagai fluks magnetic . Bila diketahui kuat medan E, maka jumlah garis gaya d yang menembus suatu elemen dA tegak lurus pada E adalah :Bila permukaan dA tidak tegak lurus maka jumlah garis yang keluar dari dA haruslahDimana dA = ndA atau n adalah vektor normal dan sudut antara dA dengan bidang yang tegak lurus pada E. Bila kuat medan pada elemen seluas dA dan E, maka jumlah garis gaya yang keluar dari seluruh permukaan S adalah :Elemen luas dA berada pada permukaan S harga medan ;listrik E diambil semua titik pada permukaan S.Fluks listrik total untuk seluruh permukaanTanda menyatakan integrasi yang meliputi seluruh permukaan A. Untuk permukaan tertutup, elemen dA tegak lurus permukaan dan arahnya keluar. Fluks total untuk permukaan tertutupTernyata ada hubungan yang erat antara fluks listrik pada suatu permukaan tertutup dengan muatan listrik yang berada dalam permukaan tersebut dan hubungan ini dikenal dengan hukum Gauss, yaitu”jumlah garis gaya yang keluar dari suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tetutup tersebut. Secara matematisDimana S adalah suatu permukaan tertutup q_i adalah jumlah muatan yang ada di dalam atau dilingkupi oleh permukaan tetutup S. jadi dengan hukum gauss kita dapat menentukan muatan yang ada di dalam permukaan tetutup, bila kita tahu berapa garis gaya yang keluar dari permukaan tetutup tersebut.

XII IPA KEMAGNETAN

Medan Magnet

Pada pelajaran listrik telah dikaji bahwa jika sebuah muatan diletakkan dalam medan listrik, ia mengalami gaya listrik dan energi listriknya dapat dipakai sebagai tenaga gerak untuk berpindah tempat. Hal yang sama terjadi pada magnet. Jika sebatang magnet diletakkan dalam suatu ruang, maka terjadi perubahan dalam ruang ini, yaitu pada setiap titik dalam ruang akan terdapat medan magnetik.

Arah medan magnetik di suatu titik didefinisikan sebagai arah yang ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas ketika ditempatkan pada titik tersebut. Perhatikan Gambar 4.2.1a.

(a) (b)

Gambar 4.2.1. (a) Arah medan magnet, (b) Garis-garis medan magnet

Sama seperti medan listrik, medan magnetikpun dapat digambarkan dalam bentuk garis-garis khayal yang disebut garis medan magnetik. Garis medan magnetik dapat digambarkan dengan pertolongan sebuah kompas. Untuk menunjukkan garis medan magnet yang disebabkan oleh sebuah magnet batang, dilakukan dengan jarum kompas. Arah medan magnetik di suatu titik pada garis medan ini ditunjukkan dengan arah garis singgung di titik tersebut. Gambar 4.2.1(b) menunjukkan garis-garis medan magnetik.

1) Medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik

Di sekitar kawat yang berarus listrik terdapat medan yang dapat mempengaruhi posisi magnet lain. Magnet jarum kompas dapat menyimpang dari posisi normalnya bila dipengaruhi oleh medan magnet. Percobaan ini pertama kali dilakukan oleh Oersted pada tahun 1820. Untuk melihat model percobaan ini lihat bagian kerja ilmiah. Berdasarkan percobaan ini dapat disimpulkan bahwa arus listrik (muatan yang bergerak) dapat menimbulkan medan magnetik.

Pada pembahasan listrik statis telah dibahas bahwa muatan listrik statis tidak berinteraksi dengan batang magnet. Penemuan Oersted telah membuka wawasan baru mengenai hubungan listrik dan magnet, yaitu bahwa suatu muatan listrik dapat berinteraksi dengan magnet ketika muatan itu bergerak. Penemuan ini membangkitkan kembali teori tentang “muatan” magnet, yaitu bahwa magnet terdiri dari muatan listrik. Ampere mengusulkan bahwa sesungguhnya batang magnet yang statis (diam) itu terdiri dari muatan-muatan listrik yang senantiasa bergerak dan kemagnetan itu adalah suatu fenomena. Konsep muatan magnet dari Ampere ini akan kita bahas nanti (lihat konsep Ampere).

2) Arah Medan Magnetik Akibat Kawat Berarus

Arah medan magnetik yang disebabkan oleh kawat berarus dapat ditentukan dengan 2 cara:

(a). Dengan Menggunakan Jarum Kompas

Suatu jarum kompas yang ditempatkan dalam suatu medan magnetik akan mensejajarkan dirinya dengan garis medan magnetik. Kutub utaranya akan menunjukkan arah medan magnetik di titik itu.(Perhatikan Gambar 4.2.2a).

Gambar 4.2.2a Gambar 4.2.2b

Sekarang amati jarum sebuah kompas yang digerakkan pada titik sekitar kawat berarus. Jarum kompas tampak bergerak sesuai dengan arah garis singgung lingkaran yang berpusat pada kawat.(Perhatikan Gambar 4.2.2b).

Dari sini dapat disimpulkan bahwa arah garis medan magnetik akibat kawat berarus adalah sejajar garis singgung lingkaran-lingkaran yang berpusat pada kawat dengan arahnya ditunjukkan oleh kutub utara kompas.

(b). Dengan Aturan Tangan Kanan

Genggam kawat dengan tangan kanan Anda sedemikian sehingga ibu jari Anda menunjukkan arah arus. Arah putaran genggaman keempat jari Anda menunjukkan arah medan magnetik. Perhatikan Gambar 4.2.3.

Gambar 4.2.3. Aturan kaidah tangan kanan

Contoh 1:

tentukan arah medan magnetik di titik P, Q, R, S dan T pada Gambar 4.2.4a-b. Arah 8 artinya keluar dari bidang kertas (menuju kita) dan arah Ä artinya masuk bidang kertas (menjauhi kita).

Gambar 4.2.4a. Gambar 4.2.4b.

Penyelesaian:

Pada Gambar 4.2.4a, arah arus adalah kedalam bidang kertas, dengan menggunakan aturan tangan kanan kita peroleh bahwa medan magnetik berbetnuk lingkaran yang berputar searah jarum jam, sehingga di P arah medan magnetik ke atas, di Q kebawah dan di R kekiri. Dengan aturan tangan juga kita peroleh arah medan di titik S dan T di gambarkan pada Gambar 4.2.4d.

Gambar 4.2.4c. Gambar 4.2.4d.

3) Besar Induksi Magnetik Pada Kawat Lurus Berarus

Untuk menentukan besar induksi magnetik yang ditimbulkan oleh kawat berarus listrik, kita misalkan sebuah kawat konduktor dialiri arus I. Perhatikan Gambar 4.2.5. Pilih elemen kecil kawat t yang memiliki panjang dl. Arah dl sama dengan arah arus.

Gambar 4.2.5. Sepotong kawat dialiri arus

Elemen kawat dapat dinyatakan dalam notasi vector . Misalkan anda ingin menentukan medan magnet pada posisi P dengan vector posisi terhadap elemen kawat. Secara vektor, induksi magnetik B yang diakibatkan oleh elemen

Kuat medan magnet di titik P yang dihasilkan oleh elemen saja diberikan oleh hukum Biot-Savart.

…………………………………………………..(4.2.1)

dengan μ0 = permeabilitas magnetik ruang hampa = 4π x 10-7 T m/A

Kuat medan magnet total di titik P yang dihasilkan oleh kawat diperoleh dengan mengintegralkan rumus di atas.

…………………………………………………..(4.2.2)

Penyelesaian integral persamaan di atas sangat bergantung pada bentuk kawat. Besar perkalian silang vektor menghasilkan sinus θ. Dengan demikian, persamaan besar induksi magnetic di sekitar kawat berarus adalah:

…………………………………………………..(4.2.3)

dengan θ sudut apit antara elemen arus i dl dengan vektor posisi r.

Untuk kawat yang sangat panjang, nilai batasnya ditentukan yaitu: batas bawah adalah dan batas atas adalah . Batas-batas θ→p dan θ→0, Berdasarkan Gambar 4.2.5, sin θ = a/r, r = = a cosec θ, cot θ = l/a, l=a cot q, dl = -a cosec2 θ dθ. Dengan demikian, persamaan 4.2.5, dapat dituliskan:

…………………………………………………..(4.2.4)

Dengan B = induksi magnetik di titik yang diamati.

I = kuat arus listrik

a = jarak titik dari kawat

XII IPA BUNYI

Semua alat musik, baik alat musik yang dipetik, digesek atau ditiup sangat bergantung pada gelombang berdiri untuk menghasilkan alunan musik yang begitu indah. Misalnya kita tinjau alat musik petik seperti gitar. Ketika dawai alias senar gitar dipetik maka dihasilkan gelombang berdiri pada senar tersebut. Selanjutnya gelombang berdiri pada senar menggetarkan udara disekitarnya sehingga dihasilkan gelombang bunyi.. gelombang bunyi ini kemudian bergentayangan hingga nyasar di telinga kita dan dirasakan oleh telinga kita sebagai alunan nada atau musik. gaelombang yang terdapat dalam gelombang bunyi dawai adalah gelombang berdiri. Perlu diketahui bahwa gelombang berdiri tidak hanya dialami oleh tali alias dawai alias senar saja tetapi juga oleh kolom udara sebagaimana terjadi pada banyak alat musik tiup seperti seruling, terompet dan lain-lain.

*Gelombang berdiri pada dawai
Jika kita menyentakkan sebuah dawai alias tali maka akan timbul sebuah pulsa yang merambat sepanjang dawai tersebut. karena ujung kanan dawai terikat maka setelah pulsa tiba di ujung dawai yang terikat, pulsa tersebut dipantulkan kembali dalam posisi terbalik. Apabila kita menggerakkan dawai naik turun secara teratur (gerak harmonik sederhana) maka akan timbul gelombang harmonik alias gelombang sinusoidal yang merambat sepanjang dawai tersebut. jika ujung kanan dawai tersebut terikat maka setelah gelombang tiba di ujung dawai yang terikat, gelombang tersebut akan dipantulkan kembali.adi ketika gelombang dipantulkan, puncak gelombang berubah menjadi lembah gelombang, sebaliknya lembah gelombang berubah menjadi puncak gelombang.
Apabila kita terus menggerakkan dawai naik turun secara teratur maka akan ada gelombang yang merambat dalam dua arah, yakni gelombang yang timbul ketika kita menggerakan dawai naik turun (dalam video di atas, gelombang ini bergerak ke kanan – warna merah) dan gelombang pantulan (dalam video di atas, gelombang ini bergerak ke kiri – warna biru). Kedua gelombang ini selanjutnya saling tumpang tindih alias bersuperposisi. Nah, superposisi atau perpaduan dari kedua gelombang yang bergerak dalam arah yang berlawanan ini menghasilkan sebuah gelombang yang tampaknya diam alias tidak bergerak (dalam video di atas, gelombang ini diberi warna hitam – Tuh yang amplitudonya paling besar). Karena tidak bergerak maka gelombang jenis ini diberi julukan gelombang diam alias gelombang stasioner (stationary wave). Nama samaran dari gelombang stasioner adalah gelombang berdiri (standing wave). Disebut gelombang berdiri karena gelombang ini tidak berjalan alias tidak merambat.

*Fungsi gelombang berdiri

Dalam pokok bahasan gelombang harmonik atau gelombang berjalan, kita sudah menurunkan fungsi gelombang harmonik atau fungsi gelombang berjalan. Kali ini kita mencoba menurunkan fungsi gelombang berdiri atau fungsi gelombang diam… sebagaimana fungsi gelombang berjalan, fungsi gelombang berdiri berguna untuk menjelaskan suatu gelombang berdiri… Apabila kita mengetahuifungsi gelombang dari suatu gelombang berdiri, kita bisa mencari perpindahan sembarang titik sepanjang dawai dari posisi setimbang pada suatu waktu tertentu.

Dalam pembahasan sebelumnya sudah dijelaskan bahwa gelombang berdiri merupakan hasil superposisi atau perpaduan dari dua gelombang harmonik yang berjalan dalam arah yang berlawanan. Dengan demikian, kita bisa memperoleh fungsi gelombang berdiri dengan menjumlahkan fungsi gelombang dari kedua gelombang harmonik yang berjalan dalam arah yang berlawanan dan saling bersuperposisi.

Kita tulis kembali fungsi gelombang harmonik yang sudah diturunkan dalam pokok bahasan fungsi gelombang dan persamaan gelombang :

Fungsi gelombang harmonik yang berjalan ke kiri :

Fungsi gelombang harmonik yang berjalan ke kanan :

Fungsi gelombang berdiri merupakan jumlah dari fungsi gelombang berjalan. Secara matematis ditulis seperti ini :

Pending dulu… Ingat lagi si trigonometri :

Sekarang kita masukan persamaan 1 dan persamaan 2 ke dalam persamaan sebelumnya :

Keterangan :

Fungsi gelombang berdiri pada dawai bisa ditulis lagi dalam bentuk seperti ini :

Fungsi gelombang berdiri mempunyai dua faktor yakni 2A sin kx dan cos omega t. Faktor 2A sin kx menjelaskan bentuk dawai setiap saat, yakni berupa kurva sinus. Sebaliknya faktor cos omega t menjelaskan bahwa dawai tersebut tidak berjalan tetapi hanya berosilasi di tempat. Biar lebih paham, sebaiknya dirimu baca-baca materi fungsi gelombang dan persamaan gelombang berjalan terlebih dahulu.

Fungsi gelombang berdiri yang sudah diturunkan sebelumnya bisa kita manfaatkan untuk menentukan posisi titik perut dan titik simpul pada sebuah gelombang berdiri. Posisi titik perut bisa diketahui ketika amplitudo gelombang berdiri, yakni 2A sin kxbernilai maksimum sebesar 2A. Sebaliknya posisi titik simpul bisa diketahui ketika amplitudo gelombang berdiri, yakni 2A sin kx bernilai nol

Posisi Titik Perut

Agar amplitudo bernilai maksimum maka sin kx harus bernilai 1 atau -1.

2A sin kx = 2A (1) = 2A —– amplitudo maksimum (puncak gelombang berdiri)

2A sin kx = 2A (-1) = -2A —– amplitudo maksimum (lembah gelombang berdiri)

Sin kx = 1 atau -1 jika :

Tampak bahwa jarak antara dua titik perut berurutan adalah setengah panjang gelombang (3/4 lambda– 1/4 lambda = 2/4 lambda = 1/2 lambda atau 5/4 lambda – 3/4 lambda = 2/4 lambda = 1/2 lambda). Lambda = panjang gelombang…

Posisi Titik Simpul

Agar amplitudo bernilai 0 maka sin kx harus bernilai 0 —–> 2A sin kx = 2A (0) = 0

Sin kx = 0 jika :

Tampak bahwa jarak antara dua titik simpul berurutan adalah setengah panjang gelombang (1 lambda– 1/2 lambda = 1/2 lambdaatau 3/2 lambda – 1 lambda = 3/2 lambda – 2/2 lambda = 1/2 lambda).

Ketika suatu gelombang merambat alias berjalan sepanjang dawai, gelombang tersebut memindahkan energi sepanjang dawai tersebut. Dengan kata lain, gelombang tersebut memindahkan energi dari satu ujung dawai ke ujung dawai berikutnya. Gelombang berdiri tidak seperti gelombang berjalan; gelombang berdiri tidak memindahkan energi sepanjang dawai. Jadi energi tetap “berdiri” di posisinya masing-masing sepanjang dawai.

Gelombang berdiri pada dawai yang kedua ujungnya terikat

Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan gelombang berdiri. Kali ini kita coba meninjau gelombang berdiri pada dawai yang kedua ujungnya terikat. Dawai yang kedua ujungnya terikat terdapat dalam alat musik seperti gitar, biola dkk… misalnya ketika dawai alias senar gitar dipetik maka dihasilkannya gelombang berdiri pada senar tersebut. Gelombang berdiri pada senar selanjutnya menggetarkan udara di sekitarnya sehingga dihasilkan gelombang bunyi dengan frekuensi tertentu. Frekuensi gelombang bunyi yang dihasilkan tentu saja sesuai dengan frekuensi getaran senar. Frekuensi getaran senar bergantung pada banyak faktor, sebagaimana akan kita bahas.

Jika kita menggetarkan dawai atau senar yang kedua ujungnya terikat maka akan timbul gelombang yang berjalan sepanjang dawai atau senar tersebut. Ketika gelombang yang berjalan sepanjang dawai tiba di ujung dawai yang terikat maka gelombang ini akan dipantulkan dan selanjutnya merambat kembali dalam arah yang berlawanan (bandingkan dengan video di atas). Gelombang-gelombang yang merambat dalam arah yang berlawanan ini selanjutnya saling tumpang tindih alias bersuperposisi. Apabila frekuensi gelombang-gelombang yang merambat sepanjang dawai tidak sama dengan frekuensi alami dawai maka gelombang yang bersuperposisi akan saling melenyapkan atau menghasilkan pola yang kacau.

Frekuensi resonansi dawai bisa kita tentukan dengan meninjau keterkaitan antara panjang gelombang berdiri dan panjang dawai. Kedua ujung dawai terikat karenanya kedua ujung dawai tersebut berperan sebagai titik simpul alias node. Dengan demikian gelombang berdiri yang dihasilkan harus mempunyai titik simpul di kedua ujung dawai tersebut. Sebagaimana telah djelaskan sebelumnya, jarak antara dua titik simpul terdekat adalah setengah panjang gelombang (1/2 lambda). Dengan demikian panjang dawai harus sama dengan 1/2 lambda atau 2 (1/2 lambda) atau 3 (1/2 lambda) dst… Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Untuk menentukan panjang gelombang, persamaan di atas bisa diobok2 seperti ini :

Dalam pembahasan mengenai laju gelombang, kita sudah menurunkan persamaan yang menyatakan hubungan antara laju gelombang (v), frekuensi (f) dan panjang gelombang (lambda). Secara matematis ditulis seperti ini :

Untuk menentukan frekuensi, persamaan di atas bisa diobok2 menjadi seperti ini :

Sekarang kita masukan persamaan panjang gelombang ke dalam persamaan frekuensi :

Persamaan ini bisa kita gunakan untuk menentukan frekuensi resonansi dawai.

Keterangan :

v = laju gelombang pada dawai

f = frekuensi resonansi dawai

f₁ = frekuensi dasar

L = panjang dawai

n = bilangan bulat kelipatan 1 (1, 2, 3, 4, 5, dstnya…)

Kalau dirimu bergelut dengan dunia musik, istilah titik nada atau pitch mungkin tidak asing di telinga. Titik nada atau pitch gitar, misalnya, sama saja dengan frekuensi resonansinya (f)… orang yang bergelut di dunia musik menggunakan istilah titi nada atau pitch, sebaliknya fisikawan atau insinyur menggunakan istilah frekuensi resonansi. Istilahnya beda tapi maksudnya sama…

Animasi di bawah menunjukkan beberapa mode normal dawai yang kedua ujungnya terikat. Mode normal tuh istilah yang digunakan untuk menjelaskan semua bagian sistem (misalnya semua bagian dawai) yang bergerak secara sinusoidal dengan frekuensi yang sama.

Frekuensi dasar atau harmoni pertama

f₁ dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai satu perut. Frekuensi dasar dikenal juga dengan julukan harmoni pertama. Istilah harmoni berasal dari musik….

Harmoni kedua

f₂ dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai dua perut) dikenal dengan julukan harmoni kedua atau nada atas pertama.

Harmoni ketiga

_f3 dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai tiga perut) dikenal dengan julukan harmoni ketiga atau nada atas kedua.

Harmoni keempat

f₄ dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai empat perut) dikenal dengan julukan harmoni keempat atau nada atas ketiga. Dan seterusnya….

Harmoni kelima

Hubungan antara frekuensi resonansi dengan gaya tegangan

dawai, panjang dawai dan massa per satuan panjang dawai

Dalam pokok bahasan laju gelombang, kita sudah menurunkan persamaan yang menyatakan laju gelombang pada dawai. Secara matematis ditulis seperti ini :

Sekarang kita gantikan v dalam persamaan frekuensi di atas dengan v dalam persamaan ini :

Keterangan :

Persamaan 1 dan persamaan 2 menyatakan hubungan antara frekuensi resonansi dawai dengan panjang dawai (L), gaya tegangan dawai (F) dan massa per satuan panjang dawai (myu).

Berdasarkan persamaan tersebut tampak bahwa frekuensi resonansi sebanding atau berbanding lurus dengan gaya tegangan dawai (F). Ini berarti semakin tegang dawai atau senar maka semakin tinggi frekuensi resonansi dawai tersebut. Sebaliknya, semakin kendur dawai atau senar maka semakin rendah frekuensi resonansi dawai tersebut. Frekuensi resonansi dawai sama dengan frekuensi gelombang bunyi atau nada musik yang dihasilkan ketika dawai tersebut bergetar. Jadi tidak perlu heran mengapa frekuensi bunyi semakin meningkat ketika dawai atau senar semakin tegang…

Dari persamaan di atas tampak bahwa frekuensi resonansi dawai (f) berbanding terbalik dengan panjang dawai atau senar (L). Ini artinya semakin panjang dawai atau senar maka frekuensi resonansi yang dihasilkan semakin rendah. Sebaliknya semakin pendek dawai atau senar maka frekuensi resonansi yang dihasilkan semakin tinggi. Ini alasan mengapa ketika kita meregangkan senar gitar, frekuensi bunyi yang dihasilkan semakin kecil; sebaliknya ketika kita menegangkan senar gitar, frekuensi bunyi yang dihasilkan semakin besar. Hal yang sama terjadi ketika kita menekan senar pada grid. Ketika kita menekan senar gitar pada grid gitar, sebenarnya kita memendekkan senar tersebut (memperkecil L) karenanya frekuensi bunyi yang dihasilkan semakin tinggi.

Selain berbanding terbalik dengan panjang dawai (L), frekuensi resonansi dawai (f) juga berbanding terbalik dengan massa per satuan panjang dawai (myu). Ini berarti semakin besar massa per satuan panjang dawai maka semakin kecil frekuensi resonansi yang dihasilkan oleh dawai tersebut. Massa per satuan panjang senar bass lebih besar dibandingkan dengan senar yang lain karenanya tidak perlu heran mengapa frekuensi resonansi atau frekuensi bunyi yang dihasilkan oleh senar bass lebih rendah dibandingkan senar yang lain.

Intensitas bunyi

Sebagaimana gelombang mekanik lainnya, interferensi gelombang bunyi terjadi jika dua atau lebih gelombang bunyi melewati tempat yang sama. Bahasa gaulnya ;) , gelombang bunyi saling tumpang tindih ketika berpapasan. Untuk mempermudah penjelasan, gurumuda menggunakan contoh saja ya… Kita andaikan terdapat dua sumber bunyi (anggap saja sumber bunyi tersebut adalah loudspeaker alias pengeras suara), sebagaimana ditunjukkan pada gambar di bawah ;) .

Jika kedua loudspeaker dinyalakan maka masing-masing loudspeaker tersebut akan menggetarkan udara disekitarnya sehingga timbul rapatan dan regangan yang merambat sepanjang udara (rapatan dan regangan yang merambat ini dikenal dengan julukan gelombang bunyi, jangan pake bingun).

Beda fase, panjang lintasan dan interferensi gelombang bunyi

Sebelumnya sudah dijelaskan secara panjang pendek mengenai interferensi gelombang bunyi. Kali ini kita mencoba melihat hubungan antara fase gelombang bunyi, panjang lintasan gelombang bunyi dan interferensi yang dialami oleh gelombang bunyi. Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita berkenalan dengan istilah sefase dan tidak sefase alias berbeda fase.

Contoh gelombang bunyi yang sefase

Contoh 1Contoh 2

Contoh gelombang bunyi yang tidak sefase alias berbeda fase

Contoh 1

Contoh 2

Interferensi yang dialami gelombang bunyi bisa saja berupa interferensi konstruktif atau bisa juga berupa interferensi destruktif. Terjadinya interferensi konstruktif atau interferensi destruktif dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain fase gelombang bunyi yang berinterferensi dan panjang lintasan antara sumber gelombang bunyi dan posisi di mana terjadi interferensi. Untuk memahami hal ini, cermati beberapa contoh berikut…

Contoh 1 : Kedua gelombang bunyi pada mulanya sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi sama (AC = BC).

Titik C adalah posisi di mana terjadi interferensi. Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan B, memiliki panjang gelombang, amplitudo dan frekuensi yang sama (bisa bandingkan dengan gambar di atas). Tahu dari mana kalau frekuensinya sama ? perhatikan gambar di atas… panjang gelombangnya khan sama tuh. Nah, gelombang juga merambat melalui medium yang sama (udara) sehingga lajunya sama. Karena laju (v) dan panjang gelombang (lambda) sama maka frekuensinya (f) juga sama… ingat saja rumus cepat rambat gelombang — v = (f)(lambda). Lanjut ya…

Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan B sefase. Yang dimaksudkan dengan sefase di sini adalah ketika puncak gelombang bunyi meninggalkan pengeras suara A, pada saat yang sama puncak gelombang bunyi yang lain meninggalkan pengeras suara B… Ketika tiba di titik C, puncak gelombang bunyi yang dipancarkan pengeras suara A berpapasan dengan puncak gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara B (terjadi interferensi konstruktif).

Contoh 2 : Kedua gelombang bunyi pada mulanya sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama (AC tidak sama dengan BC).

Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan pengeras suara B pada mulanya sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama. BC lebih jauh dibandingkan dengan AC. Dalam hal ini, kedua gelombang bunyi berbeda panjang lintasan sebesar setengah panjang gelombang (½ lambda)

Walaupun kedua gelombang bunyi pada mulanya sefase, tetapi karena berbeda panjang lintasan sebesar setengah panjang gelombang maka ketika tiba di titik C kedua gelombang menjadi tidak sefase (berbeda fase ½ panjang gelombang). Dalam hal ini, lembah gelombang bunyi yang dipancarkan pengeras suara A berpapasan dengan puncak gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara B (terjadi interferensi destruktif).

Contoh 3 : Kedua gelombang bunyi pada mulanya sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama (AC tidak sama dengan BC).

Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan pengeras suara B sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama. BC lebih jauh dibandingkan dengan AC. Dalam hal ini, kedua gelombang bunyi berbeda panjang lintasan sebesar satu panjang gelombang (lambda)

Ketika tiba di titik C, puncak gelombang bunyi yang dipancarkan pengeras suara A berpapasan dengan puncak gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara B (terjadi interferensi konstruktif).

Contoh 4 : Kedua gelombang bunyi pada mulanya tidak sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi sama (AC = BC).

Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan pengeras suara B tidak sefase Yang dimaksudkan dengan tidak sefase di sini adalah ketika puncak gelombang bunyi meninggalkan pengeras suara A, pada saat yang sama lembah gelombang bunyi meninggalkan pengeras suara B. Perbedaan fase antara kedua gelombang bunyi sebesar setengah panjang gelombang (½ lambda atau 180o).

Ketika tiba di titik C, puncak gelombang bunyi yang dipancarkan pengeras suara A berpapasan dengan lembah gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara B (terjadi interferensi destruktif).

Contoh 5 : Kedua gelombang bunyi pada mulanya tidak sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama (AC tidak sama dengan BC).

Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan pengeras suara B pada mulanya tidak sefase Perbedaan fase antara kedua gelombang bunyi sebesar setengah panjang gelombang (½ lambda atau 180o). Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama. BC lebih jauh dibandingkan dengan AC. Kedua gelombang bunyi berbeda panjang lintasan sebesar setengah panjang gelombang (½ lambda)

Walaupun kedua gelombang bunyi pada mulanya tidak sefase, tetapi karena berbeda panjang lintasan sebesar setengah panjang gelombang maka ketika tiba di titik C kedua gelombang menjadi sefase. Dalam hal ini ketika tiba di titik C, puncak gelombang bunyi yang dipancarkan pengeras suara A berpapasan dengan puncak gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara B (terjadi interferensi konstruktif).

Contoh 6 : Kedua gelombang bunyi pada mulanya tidak sefase. Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama (AC tidak sama dengan BC).

Kedua gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan pengeras suara B pada mulanya tidak sefase Perbedaan fase antara kedua gelombang bunyi sebesar setengah panjang gelombang (½ lambda atau 180o). Panjang lintasan kedua gelombang bunyi tidak sama. BC lebih jauh dibandingkan dengan AC. Kedua gelombang bunyi berbeda panjang lintasan sebesar satu panjang gelombang (lambda)

Ketika tiba di titik C, puncak gelombang bunyi yang dipancarkan pengeras suara A berpapasan dengan lembah gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara B (terjadi interferensi destruktif).

Dari beberapa contoh di atas bisa disimpulkan bahwa gelombang gelombang bunyi yang pada mulanya sefase bisa menjadi tidak sefase sehingga berinterferensi destruktif jika panjang lintasannya berbeda sebesar ½ panjang gelombang, 1 ½ panjang gelombang, 2 ½ panjang gelombang dstnya… Demikian juga gelombang gelombang bunyi yang pada mulanya berbeda fase sebesar ½ panjang gelombang bisa menjadi sefase sehingga berinterferensi konstruktif jika panjang lintasannya berbeda sebesar ½ panjang gelombang, 1 ½ panjang gelombang, 2 ½ panjang gelombang dstnya…

Jika gelombang gelombang bunyi pada mulanya sefase dan panjang lintasannya berbeda sebesar 1 panjang gelombang, 2 panjang gelombang dst maka gelombang gelombang bunyi tersebut akan tetap sefase sehingga berinterferensi konstruktif. Demikian juga jika gelombang gelombang bunyi pada mulanya berbeda fase sebesar ½ panjang gelombang dan panjang lintasannya berbeda sebesar 1 panjang gelombang, 2 panjang gelombang dst maka gelombang gelombang bunyi tersebut akan tetap berbeda fase sebesar ½ panjang gelombang sehingga berinterferensi destruktif.

Perlu diketahui bahwa jika beda fase gelombang gelombang bunyi selalu konstan alias tidak berubah-ubah maka bentuk interferensi juga akan selalu konstan. Misalnya kita tinjau contoh 6 sebelumnya (terjadi interferensi destruktif pada titik C). Interferensi destruktif akan selalu terjadi di titik C apabila beda fase gelombang gelombang bunyi yang dipancarkan oleh pengeras suara A dan pengeras suara B harus selalu seperti pada gambar… tidak boleh berubah. Jika berubah-ubah maka pada titik C tidak hanya terjadi interferensi destruktif saja tetapi bisa berubah menjadi interferensi konstruktif. Gelombang bunyi yang mempunyai beda fase konstan disebut sebagai gelombang bunyi koheren. Sebaliknya gelombang bunyi yang mempunyai frekuensi, amplitudo dan beda fase selalu beubah-ubah disebut sebagai gelombang bunyi tidak koheren. Contoh sumber bunyi yang menghasilkan gelombang bunyi koheren adalah garputala, pengeras suara yang mempunyai amplifier (penguat) yang sama dkk.

Hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan laju gelombang (v) dinyatakan melalui persamaan di bawah :

Keterangan :

Efek Doppler pada gelombang bunyi

Pada bagian pengantar, gurumuda menjelaskan efek doppler menggunakan contoh balap sepeda motor. Ketika sepeda motor (sumber bunyi) mendekati orang yang shooting (pendengar), frekuensi bunyi sepeda motor meninggi. Sebaliknya ketika sepeda motor (sumber bunyi) menjahui orang yang shooting (pendengar), frekuensi bunyi sepeda motor menurun. Perubahan frekuensi bunyi yang terjadi pada saat balap sepeda motor hanya merupakan salah satu contoh saja… masih banyak contoh lain.

Pada contoh balap sepeda motor di atas, perubahan frekuensi bunyi terjadi ketika sumber bunyi bergerak mendekati pendengar atau sumber bunyi bergerak menjahui pendengar… Perlu diketahui bahwa perubahan frekuensi bunyi juga terjadi jika pendengar bergerak mendekati sumber bunyi atau pendengar bergerak menjahui sumber bunyi. Misalnya peristiwa balap motor kita balik… Dalam hal ini sepeda motor diam, sedangkan orang yang shooting bergerak… Nah, ketika orang yang shooting bergerak mendekati sepeda motor, orang tersebut mendengar nada atau frekuensi bunyi motor meninggi.. sebaliknya ketika orang yang shooting bergerak menjahui sepeda motor, orang tersebut mendengar nada atau frekuensi bunyi motor menurun.

Efek Doppler berlaku untuk semua gelombang, baik gelombang mekanik maupun gelombang elektromagnetik; baik gelombang satu dimensi maupun gelombang tiga dimensi. Jika pada gelombang bunyi kita menggunakan kata “pendengar” dan “sumber bunyi” maka untuk Efek doppler pada gelombang lain, kita bisa menggunakan kata “pengamat” dan “sumber gelombang”. Bisa dikatakan bahwa efek Doppler merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan perubahan frekuensi gelombang akibat adanya gerak relatif antara sumber gelombang dan pengamat. Walaupun akhirnya berlaku pada semua gelombang, fenomena efek Doppler pertama kali dideteksi pada gelombang bunyi oleh almahrum Christian Andreas Doppler (1803 – 1853), mantan fisikawan Austria. Beliau mengumumkan karyanya mengenai efek Doppler pada tahun 1842. ??? tempoe doeloe ??? ;)

Sekian ulasan ngalor ngidulnya… :mrgreen: Sekarang mari kita menyelam lebih dalam.. emang laut ? ;) Kita bahas satu per satu kasusnya.. kayak di pengadilan saja.. huft.. Terlebih dahulu kita tinjau kasus di mana sumber bunyi dan pendengar diam.

Pendengar dan sumber bunyi diam (relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Titik berwarna biru mewakili sumber bunyi yang sedang diam. Andaikan saja sumber bunyi adalah sebuah sepeda motor balap.. mesin motor sudah dinyalakan tapi motor tidak bergerak. Anggap saja A dan B adalah pendengar bunyi. Garis garis lengkung berwarna hitam pada gambar di atas merupakan muka gelombang. Perhatikan bahwa sumber bunyi dan kedua pendengar diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi saja… Sumber bunyi memang diam tetapi sumber bunyi memancarkan gelombang bunyi yang bergerak ke segala arah melalui udara. Sebagian gelombang bunyi ini bergerak menuju pendengar…

Hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan laju gelombang (v) dinyatakan melalui persamaan :

Untuk menentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar yang diam, persamaan ini diobok2 menjadi :

Keterangan :

Persamaan ini hanya berlaku jika sumber bunyi, medium yang dilalui gelombang bunyi (misalnya udara) dan pendengar (si B), diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi saja… Btw, kalau udara diam tuh maksudnya bagaimanakah ? maksudnya tidak ada angin ;)

Bagaimana jika ada angin ? tergantung arah angin… jika arah angin sama dengan arah rambat gelombang bunyi, yakni menuju pendengar maka laju gelombang bunyi = laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin + laju angin. Jika arah angin berlawanan dengan arah rambat gelombang bunyi, maka laju gelombang bunyi = laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin – laju angin. Bagaimana jika arah angin tegak lurus dengan arah rambat gelombang ? tinggal dicari saja komponen laju angin yang searah dengan arah rambat gelombang. Laju gelombang bunyi di udara = laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin + komponen laju angin yang searah dengan perambatan gelombang… Bagaimana jika laju angin berlawanan dengan arah rambat gelombang bunyi dan laju angin juga lebih besar dari laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin ? Kemungkinan orang tersebut tidak mendengar bunyi…

Bagaimana jika salah satu pendengar, andaikan saja si B, bergerak menuju sumber bunyi yang diam ?

Next level…

Pendengar bergerak mendekati sumber bunyi (pendengar bergerak, sumber bunyi diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Laju gerak gelombang bunyi kita beri lambang vb, sebaliknya laju gerak pendengar kita beri lambang vp. Apabila pendengar diam maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar adalah vb. Ini adalah laju gelombang bunyi pada medium udara (udara dianggap diam). Sebaliknya jika pendengar juga bergerak menuju gelombang bunyi, maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar bukan lagi vb tetapi berubah menjadi vb + vp. Pahami perlahan-lahan… bandingkan dengan contoh gerak relatif, kasus kedua.

Dengan demikian, frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar yang sedang bergerak menuju sumber bunyi yang diam adalah :

Keterangan :

Persamaan 2a dan 2b hanya berlaku jika sumber bunyi dan medium yang dilalui gelombang bunyi (misalnya udara) diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi dan pendengar (si B) saja… Dalam hal ini, pendengar bergerak mendekati sumber bunyi.

Perhatikan persamaan 2b di atas… Jika vp = 0 maka vp/vb = 0. Dengan demikian, 1 + vp/vb = 1 + 0 = 1. Persamaan 2b akan berubah menjadi :

Ini artinya…. Jika laju pendengar (vp) = 0 maka persoalannya kembali seperti level sebelumnya ;) Bagaimana jika laju pendengar (vp) = laju gelombang bunyi (vb) ?

Ini artinya… pahami sendiri ya ;)

Bagaimana jika pendengar, andaikan saja si B, bergerak menjahui sumber bunyi yang diam ?

Pendengar bergerak menjahui sumber bunyi (pendengar bergerak, sumber bunyi diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Laju gerak gelombang bunyi kita beri lambang vb, sebaliknya laju gerak pendengar kita beri lambang vp. Apabila pendengar diam maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar adalah vb. Ini adalah laju gelombang bunyi pada medium udara (udara dianggap diam). Sebaliknya jika pendengar juga bergerak menjahui gelombang bunyi, maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar bukan lagi vb tetapi berubah menjadi vb - vp. Pahami perlahan-lahan… bandingkan dengan contoh gerak relatif, kasus ketiga.

Dengan demikian, frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar yang sedang bergerak menuju sumber bunyi yang diam adalah :

Keterangan :

Persamaan 3a dan 3b hanya berlaku jika sumber bunyi dan medium yang dilalui gelombang bunyi (misalnya udara) diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi dan pendengar (si B) saja… Dalam hal ini, pendengar bergerak menjahui sumber bunyi.

Bagaimana jika sumber bunyi yang bergerak mendekati pendengar ?

Next level….

Sumber bunyi bergerak mendekati pendengar (sumber bunyi bergerak, pendengar diam, relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Ketika sumber bunyi bergerak mendekati pendengar B, sumber bunyi memancarkan gelombang bunyi dengan frekuensi yang sama seperti ketika sumber bunyi tersebut diam. Gelombang bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi ini bergerak ke segala arah, sebagiannya bergerak menuju pendengar B. Karena sumber bunyi juga bergerak mendekati pendengar B maka sumber bunyi ini menyusul gelombang yang bergerak menuju pendengar B tadi. Bayangkan saja seperti anda melempari batu ke arah depan ketika sedang mengendarai sepeda motor… Dalam hal ini, arah gerak motor anda sama dengan arah lemparan batu. Jadi anda menyusul batu yang dilempar tadi…

Karena sambil memancarkan gelombang bunyi, sumber bunyi juga menyusul gelombang yang dipancarkannya tadi maka panjang gelombang bunyi memendek, sebagaimana ditunjukkan pada gambar di atas… Laju gelombang bunyi selalu tetap sehingga jika panjang gelombang memendek maka frekuensi meninggi. Si B akan mendengar nada atau frekuensi bunyi meninggi… Dengan kata lain, muka gelombang yang melewati si B selama selang waktu tertentu menjadi bertambah, dibandingkan ketika sumber bunyi diam. Perhatikan bahwa frekuensi bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi selalu tetap alias tidak meninggi. Hanya frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar B saja yang meninggi…

Sekarang kita obok-obok persamaan yang digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar B.

Tataplah gambar kusam di atas dengan penuh kelembutan… mula-mula sumber bunyi diam di titik 1. Ketika sedang diam di titik 1, sumber bunyi memancarkan muka gelombang C. Setelah satu periode (T), sumber bunyi mulai bergerak… ketika mulai bergerak, sumber bunyi memancarkan muka gelombang A. Setelah bergerak selama satu periode (T) atau sejauh s2, sumber bunyi tiba di titik 2. Pada saat yang sama, sumber bunyi memancarkan muka gelombang B. Ketika sumber bunyi memancarkan muka gelombang B, muka gelombang A sudah tiba di titik 3, demikian juga muka gelombang C sudah tiba di titik 4.

Jarak antara muka gelombang B dan A lebih pendek dibandingkan dengan jarak antara muka gelombang A dan C. Jarak antara muka gelombang A dan C itu jarak “normal” jika sumber bunyi diam. Sebaliknya, jarak antara muka gelombang B dan A lebih pendek karena setelah sumber bunyi memancarkan muka gelombang A, sumber bunyi mulai bergerak menyusul muka gelombang A. Perlu diketahui bahwa gambar di atas lebih tepat jika laju sumber bunyi lebih kecil dari laju gelombang bunyi. Pada umumnya efek Doppler terdengar ketika laju sumber bunyi lebih kecil dari laju gelombang bunyi. Jika laju sumber bunyi sama atau lebih besar dari laju gelombang bunyi maka yang terdengar pertama kali adalah ledakan sonik, setelah itu baru efek Doppler. Ini akan dibahas kemudian… Ok, kembali ke Doppler ;)

Persamaan 3a dan 3b bisa digunakan untuk menentukan perubahan panjang gelombang.

Frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketika didekati sumber bunyi :

Keterangan :

Persamaan 4 digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketika didekati sumber bunyi.

Perhatikan persamaan 4 di atas. Jika laju sumber bunyi (vs) = laju gelombang bunyi (v) maka vs/v = 1. Jika demikian maka penyebut akan bernilai nol (1 – 1 = 0). Karena penyebut bernilai nol maka f bagi nol = tak berhingga… Dengan kata lain, jika laju sumber bunyi = laju gelombang bunyi maka frekuensi bunyi yang baru bernilai tak berhingga. Frekuensi tak berhingga maksudnya bagaimanakah ? frekuensi bunyi yang bisa didengar manusia sekitar 20 hz – 20.000 hz… nilai frekuensi di bawah 20 hz atau di atas 20.000 hz tidak bisa didengar oleh manusia… Jadi apakah ketika frekuensi bunyi yang baru bernilai tak berhingga maka bunyi tersebut tidak bisa didengar oleh manusia ? Jika kita hanya melihat dari sisi matematisnya saja maka kita akan mengatakan Iya. Btw, ini fisika bro :mrgreen: , bukan matematika… Karenanya alangkah tidak baiknya jika terlebih dahulu kita lihat kondisi di mana laju sumber bunyi = laju gelombang bunyi.

Jika laju sumber bunyi sama dengan laju gelombang bunyi maka akan ada penumpukan puncak gelombang bunyi atau penumpukan muka gelombang bunyi (panjang gelombang bunyi = nol – frekuensi tak berhingga), sebagaimana ditunjukkan pada gambar di bawah… titik berwarna merah mewakili sumber bunyi.

Ini berarti puncak atau rapatan gelombang bunyi tersebut saling tumpang tindih alias bersuperposisi… Akibatnya dihasilkan gelombang bunyi resultan yang mempunya amplitudo besar dan posisi molekul molekul udara sangat rapat (kerapatan bertambah, tekanan udara juga bertambah)… karena amplitudo dan kerapatan semakin besar (tekanan udara juga semakin besar) maka intensitas juga semakin besar. Intensitas bunyi berkaitan dengan keras lemahnya bunyi… semakin besar intensitas maka bunyi terdengar semakin keras. Bisa disimpulkan bahwa penumpukan puncak puncak gelombang bunyi tersebut akan menghasilkan bunyi yang amat sangat keras sekali… orang yang mendengar bisa meninggal dunia. Telinga amat sangat sakit dan super pekak :mrgreen: Dalam fisika dikenal dengan julukan ledakan sonik (sonic boom). Bagaimana jika laju sumber bunyi lebih besar dari laju gelombang bunyi ? akan dihasilkan gelombang kejut dan ledakan sonik.. Kondisinya seperti gambar di bawah…

Selengkapnya dibahas pada episode berikutnya… ok, kembali ke Doppler ;)

Sumber bunyi bergerak menjahui pendengar (sumber bunyi bergerak, pendengar diam, relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Sebelumnya sudah dibahas kondisi di mana sumber bunyi bergerak mendekati pendengar B. Sekarang kita bahas kondisi di mana sumber bunyi bergerak menjahui pendengar A.

Ketika sumber bunyi bergerak menjahui pendengar A, sumber bunyi memancarkan gelombang bunyi dengan frekuensi yang sama seperti ketika sumber bunyi tersebut diam. Gelombang bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi ini bergerak ke segala arah, sebagiannya bergerak menuju pendengar A. Karena sumber bunyi bergerak menjahui pendengar A maka sumber bunyi juga menjahui gelombang yang bergerak menuju pendengar A tadi. Bayangkan saja seperti anda melempari batu ke arah belakang ketika sedang mengendarai sepeda motor… Dalam hal ini, arah gerak motor anda berlawanan dengan arah lemparan batu.

Karena sambil memancarkan gelombang bunyi, sumber bunyi juga menjahui gelombang yang dipancarkannya tadi maka panjang gelombang bunyi memanjang, sebagaimana ditunjukkan pada gambar di atas…

Laju gelombang bunyi selalu tetap sehingga jika panjang gelombang memanjang maka frekuensi menurun. Si A akan mendengar nada atau frekuensi bunyi menurun… Dengan kata lain, muka gelombang yang melewati si A selama selang waktu tertentu menjadi berkurang, dibandingkan ketika sumber bunyi diam. Perhatikan bahwa frekuensi bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi selalu tetap alias tidak menurun. Hanya frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar A saja yang menurun…

Sekarang kita obok-obok persamaan yang digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar A.

Mula-mula sumber bunyi diam di titik 1. Ketika sedang diam di titik 1, sumber bunyi memancarkan muka gelombang C. Setelah satu periode (T), sumber bunyi mulai bergerak… ketika mulai bergerak, sumber bunyi memancarkan muka gelombang A. Setelah bergerak selama satu periode (T) atau sejauh s2, sumber bunyi tiba di titik 2. Pada saat yang sama, sumber bunyi memancarkan muka gelombang B. Ketika sumber bunyi memancarkan muka gelombang B, muka gelombang A sudah tiba di titik 3, demikian juga muka gelombang C sudah tiba di titik 4.

Jarak antara muka gelombang B dan A lebih panjang dibandingkan dengan jarak antara muka gelombang A dan C. Jarak antara muka gelombang A dan C itu jarak “normal” jika sumber bunyi diam. Sebaliknya, jarak antara muka gelombang B dan A lebih panjang karena setelah sumber bunyi memancarkan muka gelombang A, sumber bunyi mulai bergerak menjahui muka gelombang A.

Perubahan panjang gelombang :

Persamaan a dan b bisa digunakan untuk menentukan perubahan panjang gelombang.

Frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketika dijahui ;) sumber bunyi :

Keterangan :

Persamaan 3 digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketika dijahui sumber bunyi.

Keempat persamaan frekuensi bunyi yang baru di atas ditulis lagi di bawah :

Efek Doppler

Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita bahas hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan laju gelombang (v)…

Hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan

laju gelombang (v) bunyi

Dalam pembahasan pembahasan sebelumnya kita sering berhubungan dengan tiga besaran ini, yakni frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan laju gelombang (v). Frekuensi menyatakan banyaknya getaran yang terjadi selama selang waktu tertentu. Satuan sistem internasional dari frekuensi adalah hertz (hz) = 1/sekon. Dari satuan ini bisa dikatakan bahwa frekuensi menyatakan banyaknya getaran yang terjadi selama 1 sekon atau 1 detik.

Sebaliknya panjang gelombang (lambda) menyatakan jarak dari satu puncak gelombang ke puncak gelombang berikutnya atau jarak dari satu lembah gelombang ke lembah gelombang berikutnya atau jarak dari satu titik ke titik yang bersangkutan pada pengulangan berikutnya. Untuk memperjelas, silahkan amati gambar di bawah (lebih cocok untuk gelombang pada tali atau dawai).

Gelombang bunyi merupakan gelombang tiga dimensi. Gelombang dua dimensi atau tiga dimensi biasa digambarkan dalam bentuk muka gelombang. Untuk kasus ini, panjang gelombang menyatakan jarak dari satu muka gelombang ke muka gelombang berikutnya… Untuk memperjelas, silahkan amati gambar di bawah.

Diandaikan titik hitam pada pusat lingkaran merupakan sumber bunyi. Lingkaran lingkaran berwarna hitam merupakan muka gelombang. Untuk gelombang air, muka gelombang mewakili gundukan atau onggokan atau bukit gelombang atau satu lebar penuh puncak. Untuk gelombang bunyi, muka gelombang mewakili rapatan (sebut saja puncak). Garis yang tegak lurus dengan muka gelombang adalah sinar. Sinar menyatakan arah perambatan gelombang.

Dalam pembahasan mengenai laju gelombang, sudah dijelaskan bahwa laju gelombang mekanik bergantung pada medium yang dilaluinya. Gelombang mekanik tuh gelombang yang membutuhkan medium untuk merambat. Gelombang bunyi termasuk gelombang mekanik karenanya laju gelombang bunyi juga tergantung pada medium yang dilaluinya. Apabila medium yang dilaluinya selalu sama maka laju gelombang bunyi juga selalu tetap. Lajunya berubah hanya jika gelombang bunyi memasuki medium yang lain, misalnya dari udara ke tembok. Jika medium yang dilalui oleh gelombang bunyi adalah udara maka laju gelombang bunyi biasanya berkurang terhadap ketinggian. Ini dikarenakan semakin tinggi udara dari permukaan bumi, maka kerapatan dan tekanan udara semakin kecil. Jika perubahan ketinggian udara tidak terlalu besar maka kita bisa menganggap laju gelombang bunyi selalu tetap.

Hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan laju gelombang (v) dinyatakan melalui persamaan di bawah :

Keterangan :

Karena laju gelombang selalu tetap maka dari persamaan ini bisa disimpulkan bahwa jika frekuensi bertambah, maka panjang gelombang harus berkurang sehingga hasil kali antara panjang gelombang dan frekuensi selalu tetap. Demikian juga sebaliknya, jika panjang gelombang bertambah maka frekuensi harus berkurang sehingga hasil kali antara panjang gelombang dan frekuensi selalu tetap.

*Gerak relatif

Kasus pertama, sepeda motor A bergerak dengan laju 100 km/jam, sepeda motor B juga bergerak dengan laju 100 km/jam. Ini artinya sepeda motor A bergerak sejauh 100 km selama 1 jam. Demikian juga sepeda motor B bergerak sejauh 100 km selama 1 jam. Laju kedua sepeda motor sama dan kedua sepeda motor ini bergerak searah…. Menurut orang yang berdiri di tepi jalan, kedua sepeda motor tersebut bergerak ya ? yupz… menurut orang yang berdiri di tepi jalan, kedua sepeda motor tersebut bergerak dengan laju 100 km/jam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan pengamatan…

Sekarang bagaimana dengan orang yang sedang mengendarai sepeda motor A. Menurutnya, sepeda motor B bergerak atau tidak ? Orang yang mengendarai sepeda motor A melihat sepeda motor B sedang diam relatif terhadapnya… nah, bagaimana dengan orang yang mengendarai sepeda motor B. Menurutnya sepeda motor A bergerak atau tidak ? Orang yang mengendarai sepeda motor B juga melihat sepeda motor A sedang diam relatif terhadapnya… Ini karena kedua sepeda motor tersebut bergerak dengan kecepatan konstan (lajunya sama, yakni 100 km/jam dan arah geraknya juga sama).

Kasus kedua, bagaimana jika situasinya kita ubah… arah gerak kedua sepeda motor berlawanan. Andaikan saja lintasannya lurus atau jalan raya nya lurus… sepeda motor A bergerak dari garis start menuju garis finish, sebaliknya sepeda motor B bergerak dari garis finish menuju garis start. Laju kedua sepeda motor tidak sama. Misalnya sepeda motor A bergerak dengan laju 100 km/jam sedangkan sepeda motor B bergerak dengan laju 20 km/jam.

Orang yang berdiri di tepi jalan tetap melihat kedua sepeda motor bergerak, relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan pengamatan.. bedanya, ia melihat sepeda motor A bergerak dengan laju 100 km/jam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan pengamatan. Sebaliknya ia melihat sepeda motor B bergerak dengan laju 20 km/jam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan pengamatan. Jadi menurutnya sepeda motor A lebih kencang dibandingkan dengan sepeda motor B…

Bagaimana dengan orang yang mengendarai sepeda motor A, menurutnya sepeda motor B bergerak atau tidak ? jika bergerak, bergerak dengan laju berapa ? Menurut orang yang mengendarai sepeda motor A, sepeda motor B bergerak mendekatinya dengan laju 100 km/jam + 20 km/jam = 120 km/jam relatif terhadap sepeda motor A sebagai kerangka acuan pengamatan. Bagaimana dengan orang yang mengendarai sepeda motor B ? orang yang mengendarai sepeda motor B juga melihat sepeda motor A bergerak mendekatinya dengan laju 120 km/jam relatif terhadap sepeda motor B sebagai kerangka acuan pengamatan. Ingat ya, keduanya bergerak saling mendekati, sastunya dari garis start menuju garis finish, satunya dari garis finish menuju garis start… Pahami perlahan-lahan ya…

Kasus ketiga, situasinya kita ubah… Andaikan saja lintasannya lurus atau jalan raya nya lurus… arah gerak kedua sepeda motor sama. Laju kedua sepeda motor tidak sama. Misalnya sepeda motor A bergerak dengan laju 100 km/jam sedangkan sepeda motor B bergerak dengan laju 20 km/jam. Bedanya, sepeda motor A mulai bergerak dari garis start, sedangkan sepeda motor B mulai bergerak dari ratusan meter dari garis start… arah gerak kedua sepeda motor sama, yakni menuju garis finish.

Bagaimana dengan orang yang mengendarai sepeda motor A, menurutnya sepeda motor B bergerak atau tidak ? jika bergerak, bergerak dengan laju berapa ? Menurut orang yang mengendarai sepeda motor A, sepeda motor B bergerak mendekatinya (seolah-olah sepeda motor B bergerak mundur) dengan laju 100 km/jam – 20 km/jam = 80 km/jam relatif terhadap sepeda motor A sebagai kerangka acuan pengamatan. Bagaimana dengan orang yang mengendarai sepeda motor B ? orang yang mengendarai sepeda motor B melihat sepeda motor A bergerak maju mendekatinya dengan laju 100 km/jam – 20 km/jam = 80 km/jam relatif terhadap sepeda motor B sebagai kerangka acuan pengamatan.

Efek Doppler pada gelombang bunyi

Pada bagian pengantar, gurumuda menjelaskan efek doppler menggunakan contoh balap sepeda motor. Ketika sepeda motor (sumber bunyi) mendekati orang yang shooting (pendengar), frekuensi bunyi sepeda motor meninggi. Sebaliknya ketika sepeda motor (sumber bunyi) menjahui orang yang shooting (pendengar), frekuensi bunyi sepeda motor menurun. Perubahan frekuensi bunyi yang terjadi pada saat balap sepeda motor hanya merupakan salah satu contoh saja… masih banyak contoh lain.

Pada contoh balap sepeda motor di atas, perubahan frekuensi bunyi terjadi ketika sumber bunyi bergerak mendekati pendengaratau sumber bunyi bergerak menjahui pendengar… Perlu diketahui bahwa perubahan frekuensi bunyi juga terjadi jika pendengar bergerak mendekati sumber bunyi atau pendengar bergerak menjahui sumber bunyi. Misalnya peristiwa balap motor kita balik… Dalam hal ini sepeda motor diam, sedangkan orang yang shooting bergerak… Nah, ketika orang yang shooting bergerak mendekati sepeda motor, orang tersebut mendengar nada atau frekuensi bunyi motor meninggi.. sebaliknya ketika orang yang shooting bergerak menjahui sepeda motor, orang tersebut mendengar nada atau frekuensi bunyi motor menurun.

Efek Doppler berlaku untuk semua gelombang, baik gelombang mekanik maupun gelombang elektromagnetik; baik gelombang satu dimensi maupun gelombang tiga dimensi. Jika pada gelombang bunyi kita menggunakan kata “pendengar” dan “sumber bunyi” maka untuk Efek doppler pada gelombang lain, kita bisa menggunakan kata “pengamat” dan “sumber gelombang”. Bisa dikatakan bahwa efek Doppler merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan perubahan frekuensi gelombang akibat adanya gerak relatif antara sumber gelombang dan pengamat. Walaupun akhirnya berlaku pada semua gelombang, fenomena efek Doppler pertama kali dideteksi pada gelombang bunyi oleh almahrum Christian Andreas Doppler (1803 – 1853), mantan fisikawan Austria. Beliau mengumumkan karyanya mengenai efek Doppler pada tahun 1842. ??? tempoe doeloe ??? ;)

Sekian ulasan ngalor ngidulnya… Sekarang mari kita menyelam lebih dalam.. emang laut ? Kita bahas satu per satu kasusnya.. kayak di pengadilan saja.. huft.. Terlebih dahulu kita tinjau kasus di mana sumber bunyi dan pendengar diam.

Pendengar dan sumber bunyi diam (relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Titik berwarna biru mewakili sumber bunyi yang sedang diam. Andaikan saja sumber bunyi adalah sebuah sepeda motor balap.. mesin motor sudah dinyalakan tapi motor tidak bergerak. Anggap saja A dan B adalah pendengar bunyi. Garis garis lengkung berwarna hitam pada gambar di atas merupakan muka gelombang. Perhatikan bahwa sumber bunyi dan kedua pendengar diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi saja… Sumber bunyi memang diam tetapi sumber bunyi memancarkan gelombang bunyi yang bergerak ke segala arah melalui udara. Sebagian gelombang bunyi ini bergerak menuju pendengar…

Hubungan antara frekuensi (f), panjang gelombang (lambda) dan laju gelombang (v) dinyatakan melalui persamaan :

Untuk menentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar yang diam, persamaan ini diobok2 menjadi :

Keterangan :

Persamaan ini hanya berlaku jika sumber bunyi, medium yang dilalui gelombang bunyi (misalnya udara) dan pendengar (si B), diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi saja… Btw, kalau udara diam tuh maksudnya bagaimanakah ? maksudnya tidak ada angin

Bagaimana jika ada angin ? tergantung arah angin… jika arah angin sama dengan arah rambat gelombang bunyi, yakni menuju pendengar maka laju gelombang bunyi = laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin + laju angin. Jika arah angin berlawanan dengan arah rambat gelombang bunyi, maka laju gelombang bunyi = laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin – laju angin. Bagaimana jika arah angin tegak lurus dengan arah rambat gelombang ? tinggal dicari saja komponen laju angin yang searah dengan arah rambat gelombang. Laju gelombang bunyi di udara = laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin + komponen laju angin yang searah dengan perambatan gelombang… Bagaimana jika laju angin berlawanan dengan arah rambat gelombang bunyi dan laju angin juga lebih besar dari laju gelombang bunyi ketika tidak ada angin ? Kemungkinan orang tersebut tidak mendengar bunyi…

Bagaimana jika salah satu pendengar, andaikan saja si B, bergerak menuju sumber bunyi yang diam ?

Next level…

Pendengar bergerak mendekati sumber bunyi (pendengar bergerak, sumber bunyi diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Laju gerak gelombang bunyi kita beri lambang v_b, sebaliknya laju gerak pendengar kita beri lambang v_p. Apabila pendengar diam maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar adalah v_b. Ini adalah laju gelombang bunyi pada medium udara (udara dianggap diam). Sebaliknya jika pendengar juga bergerak menuju gelombang bunyi, maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar bukan lagi v_b tetapi berubah menjadi v_b + v_p. Pahami perlahan-lahan… bandingkan dengan contoh gerak relatif, kasus kedua.

Dengan demikian, frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar yang sedang bergerak menuju sumber bunyi yang diam adalah :

Keterangan :

Persamaan 2a dan 2b hanya berlaku jika sumber bunyi dan medium yang dilalui gelombang bunyi (misalnya udara) diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi dan pendengar (si B) saja… Dalam hal ini, pendengar bergerak mendekati sumber bunyi.

Perhatikan persamaan 2b di atas… Jika v_p = 0 maka v_p/v_b = 0. Dengan demikian, 1 + v_p/v_b = 1 + 0 = 1. Persamaan 2b akan berubah menjadi :

Ini artinya…. Jika laju pendengar (v_p) = 0 maka persoalannya kembali seperti level sebelumnya Bagaimana jika laju pendengar (v_p) = laju gelombang bunyi (v_b) ?

Ini artinya… pahami sendiri ya

Bagaimana jika pendengar, andaikan saja si B, bergerak menjahui sumber bunyi yang diam ?

Pendengar bergerak menjahui sumber bunyi (pendengar bergerak, sumber bunyi diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Laju gerak gelombang bunyi kita beri lambang v_b, sebaliknya laju gerak pendengar kita beri lambang v_p. Apabila pendengar diam maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar adalah v_b. Ini adalah laju gelombang bunyi pada medium udara (udara dianggap diam). Sebaliknya jika pendengar juga bergerak menjahui gelombang bunyi, maka laju gelombang bunyi relatif terhadap pendengar bukan lagi v_b tetapi berubah menjadi v_b - v_p. Pahami perlahan-lahan… bandingkan dengan contoh gerak relatif, kasus ketiga.

Dengan demikian, frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar yang sedang bergerak menuju sumber bunyi yang diam adalah :

Keterangan :

Persamaan 3a dan 3b hanya berlaku jika sumber bunyi dan medium yang dilalui gelombang bunyi (misalnya udara) diam relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan. Yang bergerak hanya gelombang bunyi dan pendengar (si B) saja… Dalam hal ini, pendengar bergerak menjahui sumber bunyi.

Bagaimana jika sumber bunyi yang bergerak mendekati pendengar ?

Next level….

Sumber bunyi bergerak mendekati pendengar (sumber bunyi bergerak, pendengar diam, relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Ketika sumber bunyi bergerak mendekati pendengar B, sumber bunyi memancarkan gelombang bunyi dengan frekuensi yang sama seperti ketika sumber bunyi tersebut diam. Gelombang bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi ini bergerak ke segala arah, sebagiannya bergerak menuju pendengar B. Karena sumber bunyi juga bergerak mendekati pendengar B maka sumber bunyi ini menyusul gelombang yang bergerak menuju pendengar B tadi. Bayangkan saja seperti anda melempari batu ke arah depan ketika sedang mengendarai sepeda motor… Dalam hal ini, arah gerak motor anda sama dengan arah lemparan batu. Jadi anda menyusul batu yang dilempar tadi…

Karena sambil memancarkan gelombang bunyi, sumber bunyi juga menyusul gelombang yang dipancarkannya tadi maka panjang gelombang bunyi memendek, sebagaimana ditunjukkan pada gambar di atas… Laju gelombang bunyi selalu tetap sehingga jika panjang gelombang memendek maka frekuensi meninggi. Si B akan mendengar nada atau frekuensi bunyi meninggi… Dengan kata lain, muka gelombang yang melewati si B selama selang waktu tertentu menjadi bertambah, dibandingkan ketika sumber bunyi diam. Perhatikan bahwa frekuensi bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi selalu tetap alias tidak meninggi. Hanya frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar B saja yang meninggi…

Sekarang kita obok-obok persamaan yang digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar B.

Tataplah gambar kusam di atas dengan penuh kelembutan… mula-mula sumber bunyi diam di titik 1. Ketika sedang diam di titik 1, sumber bunyi memancarkan muka gelombang C. Setelah satu periode (T), sumber bunyi mulai bergerak… ketika mulai bergerak, sumber bunyi memancarkan muka gelombang A. Setelah bergerak selama satu periode (T) atau sejauh s₂, sumber bunyi tiba di titik 2. Pada saat yang sama, sumber bunyi memancarkan muka gelombang B. Ketika sumber bunyi memancarkan muka gelombang B, muka gelombang A sudah tiba di titik 3, demikian juga muka gelombang C sudah tiba di titik 4.

Jarak antara muka gelombang B dan A lebih pendek dibandingkan dengan jarak antara muka gelombang A dan C. Jarak antara muka gelombang A dan C itu jarak “normal” jika sumber bunyi diam. Sebaliknya, jarak antara muka gelombang B dan A lebih pendek karena setelah sumber bunyi memancarkan muka gelombang A, sumber bunyi mulai bergerak menyusul muka gelombang A. Perlu diketahui bahwa gambar di atas lebih tepat jika laju sumber bunyi lebih kecil dari laju gelombang bunyi. Pada umumnya efek Doppler terdengar ketika laju sumber bunyi lebih kecil dari laju gelombang bunyi. Jika laju sumber bunyi sama atau lebih besar dari laju gelombang bunyi maka yang terdengar pertama kali adalah ledakan sonik, setelah itu baru efek Doppler. Ini akan dibahas kemudian… Ok, kembali ke Doppler

Persamaan 3a dan 3b bisa digunakan untuk menentukan perubahan panjang gelombang.

Frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketika didekati sumber bunyi :

Keterangan :

Persamaan 4 digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketikadidekati sumber bunyi.

Perhatikan persamaan 4 di atas. Jika laju sumber bunyi (v_s) = laju gelombang bunyi (v) maka v_s/v = 1. Jika demikian maka penyebut akan bernilai nol (1 – 1 = 0). Karena penyebut bernilai nol maka f bagi nol = tak berhingga… Dengan kata lain, jika laju sumber bunyi = laju gelombang bunyi maka frekuensi bunyi yang baru bernilai tak berhingga. Frekuensi tak berhingga maksudnya bagaimanakah ? frekuensi bunyi yang bisa didengar manusia sekitar 20 hz – 20.000 hz… nilai frekuensi di bawah 20 hz atau di atas 20.000 hz tidak bisa didengar oleh manusia… Jadi apakah ketika frekuensi bunyi yang baru bernilai tak berhingga maka bunyi tersebut tidak bisa didengar oleh manusia ? Jika kita hanya melihat dari sisi matematisnya saja maka kita akan mengatakan Iya.Karenanya alangkah tidak baiknya jika terlebih dahulu kita lihat kondisi di mana laju sumber bunyi = laju gelombang bunyi.

Jika laju sumber bunyi sama dengan laju gelombang bunyi maka akan ada penumpukan puncak gelombang bunyi atau penumpukan muka gelombang bunyi (panjang gelombang bunyi = nol – frekuensi tak berhingga), sebagaimana ditunjukkan pada gambar di bawah… titik berwarna merah mewakili sumber bunyi.

Ini berarti puncak atau rapatan gelombang bunyi tersebut saling tumpang tindih alias bersuperposisi… Akibatnya dihasilkan gelombang bunyi resultan yang mempunya amplitudo besar dan posisi molekul molekul udara sangat rapat (kerapatan bertambah, tekanan udara juga bertambah)… karena amplitudo dan kerapatan semakin besar (tekanan udara juga semakin besar) maka intensitas juga semakin besar. Intensitas bunyi berkaitan dengan keras lemahnya bunyi… semakin besar intensitas maka bunyi terdengar semakin keras. Bisa disimpulkan bahwa penumpukan puncak puncak gelombang bunyi tersebut akan menghasilkan bunyi yang amat sangat keras sekali… orang yang mendengar bisa meninggal dunia. Telinga amat sangat sakit dan super pekak Dalam fisika dikenal dengan julukan ledakan sonik (sonic boom). Bagaimana jika laju sumber bunyi lebih besar dari laju gelombang bunyi ? akan dihasilkan gelombang kejut dan ledakan sonik.. Kondisinya seperti gambar di bawah…

Selengkapnya dibahas pada episode berikutnya… ok, kembali ke Doppler

Sumber bunyi bergerak menjahui pendengar (sumber bunyi bergerak, pendengar diam, relatif terhadap permukaan bumi sebagai kerangka acuan)

Sebelumnya sudah dibahas kondisi di mana sumber bunyi bergerak mendekati pendengar B. Sekarang kita bahas kondisi di mana sumber bunyi bergerak menjahui pendengar A.

Ketika sumber bunyi bergerak menjahui pendengar A, sumber bunyi memancarkan gelombang bunyi dengan frekuensi yang sama seperti ketika sumber bunyi tersebut diam. Gelombang bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi ini bergerak ke segala arah, sebagiannya bergerak menuju pendengar A. Karena sumber bunyi bergerak menjahui pendengar A maka sumber bunyi juga menjahui gelombang yang bergerak menuju pendengar A tadi. Bayangkan saja seperti anda melempari batu ke arah belakang ketika sedang mengendarai sepeda motor… Dalam hal ini, arah gerak motor anda berlawanan dengan arah lemparan batu.

Karena sambil memancarkan gelombang bunyi, sumber bunyi juga menjahui gelombang yang dipancarkannya tadi maka panjang gelombang bunyi memanjang, sebagaimana ditunjukkan pada gambar di atas…

Laju gelombang bunyi selalu tetap sehingga jika panjang gelombang memanjang maka frekuensi menurun. Si A akan mendengar nada atau frekuensi bunyi menurun… Dengan kata lain, muka gelombang yang melewati si A selama selang waktu tertentu menjadi berkurang, dibandingkan ketika sumber bunyi diam. Perhatikan bahwa frekuensi bunyi yang dipancarkan oleh sumber bunyi selalu tetap alias tidak menurun. Hanya frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar A saja yang menurun…

Sekarang kita obok-obok persamaan yang digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar A.

Mula-mula sumber bunyi diam di titik 1. Ketika sedang diam di titik 1, sumber bunyi memancarkan muka gelombang C. Setelah satu periode (T), sumber bunyi mulai bergerak… ketika mulai bergerak, sumber bunyi memancarkan muka gelombang A. Setelah bergerak selama satu periode (T) atau sejauh s₂, sumber bunyi tiba di titik 2. Pada saat yang sama, sumber bunyi memancarkan muka gelombang B. Ketika sumber bunyi memancarkan muka gelombang B, muka gelombang A sudah tiba di titik 3, demikian juga muka gelombang C sudah tiba di titik 4.

Jarak antara muka gelombang B dan A lebih panjang dibandingkan dengan jarak antara muka gelombang A dan C. Jarak antara muka gelombang A dan C itu jarak “normal” jika sumber bunyi diam. Sebaliknya, jarak antara muka gelombang B dan A lebih panjang karena setelah sumber bunyi memancarkan muka gelombang A, sumber bunyi mulai bergerak menjahui muka gelombang A.

Perubahan panjang gelombang :

Persamaan a dan b bisa digunakan untuk menentukan perubahan panjang gelombang.

Frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketika dijahui sumber bunyi :

Keterangan :

Persamaan 3 digunakan untuk menentukan frekuensi bunyi yang baru atau frekuensi bunyi yang didengar oleh pendengar ketikadijahui sumber bunyi.

Keempat persamaan frekuensi bunyi yang baru di atas ditulis lagi di bawah :

Penerapan efek doppler pada gelombang bunyi dalam kehidupan sehari-hari dibahas pada postingan khusus mengenai penerapan gelombang bunyi dalam kehidupan. Lebih banyak penerapan efek Doppler pada gelombang elektromagnetik. Akan dibahas secara khusus.