P L

Advanced Physics Laboratory

AA

EFEK FARADAY

EKSPERIMEN FISIKA I

I. TUJUAN PRAKTIKUM

1.1 Tujuan Umum

Setelah menyelesaikan percobaan ini, diharapkan peserta mampu:

1.1.1 Mengerti dan memahami tentang polarisasi cahaya, khususnya yang berkenaan dengan

efek Faraday.

1.1.2 Mempraktikkan dan mengamati gejala efek Faraday yang terjadi di dalam batang kaca

(flint glass).

1.2 Tujuan Khusus

Setelah menyelesaikan modul ini, hendaknya peserta mampu:

1.2.1 Menentukan konstanta Verdet pada batang kaca (flint glass).

1.2.2 Mengamati perubahan intensitas cahaya yang terpolarisasi.

1.2.3 Mengetahui pengaruh medan magnet terhadap intensitas cahaya yang terpolarisasi.

1.2.4 Mengerti dan memahami hubungan antara sudut polarisasi dengan medan magnet dan

intensitas cahaya.

II. ALAT DAN BAHAN

Alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum ini adalah:

2.1 Optical bench 1 meter

2.2 Transformer 12V.

2.3 Lampu pijar 12V.

2.4 Picture slider.

2.5 1 buah Monochromatic filter untuk masing-masing warna hijau, merah, dan kuning.

2.6 2 buah filter polarisator.

2.7 Variable extra low-voltage transformer.

2.8 1 pasang penyearah medan magnet

2.9 2 buah kumparan.

2.10 Digital-analog multimeter METRAHit

2.11 Lensa fokus +50mm.

2.12 Layar translucent.

2.13 12 buah connecting leads (kabel) 100 cm.

2.14 Teslameter + Tangential probe.

2.15 Batang kaca (flint glass).

III. TEORI DASAR

3.1 Polarisasi Cahaya, Lingkar Birefringence.

Cahaya dapat dikatakan sebagai polarisasi linier jika kumpulan dari medan listrik E(r,t) dan

vektor propagasi k̂ selalu dalam bidang yang sama (bidang polarisasi). Pada gambar a) Rambatan

gelombang keluar dari kertas ini sepanjang sumbu ž dan polarisasi terjadi pada bidang yz. Maka

gelombang dapat diekspresikan dalam :

E(z,t) = Eo sin(t-kz)ŷ (V/m) (1)

y y LCP

E RCP Sampel

x x

A B

E L

a). k keluar dr bidang b) c)

d) e)

Dimana k = 2 tetapan gelombang, dan dipilih sumbu y sebagai arah E. Jika bidang yang terdapat E

dan k berotasi, sementara konstan, seperti pada gambar b), maka ujung dari vektor E akan membuat

sebuah lingkaran, sehingga gelombang dikatakan sebagai polarisasi lingkaran:

E(z,t) = Éo sin (t – kz)x + Éo sin (ωt – kz + π/2)ŷ (V/m) (2)

E dinyatakan dalam komponen x dan y, dengan beda fasa π/2 radian. Tanda positif (+) pada fasa dalam

komponen y menggambarkan gelombang polarisasi lingkaran yang mengarah ke kanan (right circularly

polarized, RCP) sedangkan tanda negatif (-) menyatakan gelombang polarisasi lingkaran yang

mengarah ke kiri (left circularly polarized, LCP).

Kita dapat memahami bagaimana bidang polarisasi dari gelombang pada persamaan (2) dapat

berotasi saat dia lurus melewati sebuah sampel dengan panjang L seperti pada gambar c) jika sampel

merupakan lingkar birefringent, dan jika gelombang lurus memperlihatkan perbedaan index refraksi, nR

untuk gelombang RCP, dan nL untuk gelombang LCP. Dalam gelombang polarisasi yang linier ini,

amplitudo Eo merupakan superposisi linier dari gelombang LCP dan gelombang RCP, setiap amplitudo

Éo, seperti yang diperlihatkan pada gambar d) setelah kepala dari gelombang masuk ke sampel pada

z=0 (di titik A). Saat index refraksi yang berbeda untuk gel LCP dan RCP, maka kecepatan, panjang

gelombang dan tetapan gelombang kL dan kR juga berbeda. Untuk gelombang LCP, tetapan gelombang

kL , kL = 2π/λL= nLk, dimana k adalah tetapan gelombang kedua komponen diluar sampel. Sama juga

bagi gelombang RCP, kR = nRk. Pada titik B, dimana gelombang keluar dari sampel, E(t) untuk setiap

komponen lingkaran yang diberikan pada persamaan (3), menggunakan bentuk yang tepat dan nilai k

yang tepat. Jika kita mengasumsikan bahwa nR > nL, maka fasa dari komponen RCP pada z=L akan

tertinggal dari komponen LCP yang besarnya :

δ = (nRk)L - (nLk)L =(ωL/c) . (nR - nL) (rad) (3)

Seperti yang ditampakkan oleh gambar e), yang mana artinya komponen RCP dengan beda

sudut dengan komponen LCP. Resultan E, yang pada saat itu juga merupakan jumlah vektor dari dua

komponen tersebut, hal ini bukanlah merupakan panjang osilasi sepanjang sumbu y, namun merupakan

rotasi dengan sudut , maka rotasi Faraday diberikan pada persamaan :

(L/2c) . (nR-nL) (rad) (4)

Gejala optik pada medium berkaitan erat dengan sifat keaktifan optik dari medium itu sendiri.

Seperti yang telah diterangkan diatas mengenai pembiasan ganda atau yang biasa disebut dengan

nR ; nL

birefringence, sifat medium yang aktif ini dapat diekspresikan kedalam persamaan dengan satuan sudut

per panjang;

0

nn (5)

Dimana n- untuk LCP dan n+ untuk RCP.

Persamaan diatas dapat diturunkan dari persamaan (4). Persamaan ini menjelaskan kekuatan

putaran yang terjadi didalam medium itu sendiri sebagai bahan optik yang aktif. Arah dari putaran

akibat bidang polarisasi sama halnya dengan komponen yang terpolarisasi melingkar dengan kecepatan

fasa yang besar (indeks bias kecil). Jika n+ < n_ , nilai akan positif dan perputaran berada pada arah

yang sama dengan vektor medan magnet dari gelombang RCP.

a) b)

gambar 2. Polarisasi pada suatu medium

Pada gambar a) rotasi dari bidang polarisasi pada medium dengan sifat optik yang aktif, adalah

hasil dari perbedaan kecepatan dua polarisasi melingkar. Pada ilustrasi ini, gelombang RCP (n+) lebih

cepat dibandingkan dengan LCR (n-), dengan kata lain n+ < n-, maka dari itu nilai positif. Pada gambar

b), jika kasus a) direfleksikan setelah melewati medium, bidang polarisasi berputar dengan arah

sebaliknya dan gelombang tersebut mengikuti jejaknya kembali.

3.2 Efek Faraday

Fenomena dari efek Faraday pertama kali diamati oleh Michael Faraday pada tahun 1845.

Faraday menemukan bukti-bukti yang konkrit dalam hubungan antara optik, magnetisasi dan fisika

atom. Ia menemukan bahwa ketika balok gelas diberi medan magnet yang kuat, maka balok gelas

tersebut menjadi optik yang aktif.

Efek Faraday tersebut terjadi ketika rotasi dari sebuah polarisasi linier melewati medium transparan

yang tipis, dimana sumber haruslah berupa polarisasi bidang, yang melalui sebuah analyzer tanpa

sumber cahaya tersebut mengalami pengecilan. Perambatan dari sumber cahaya lurus paralel ke arah

medan magnet. Hal ini dilakukan agar dapat diamati rotasi dari polarisasi bidang. Jika medan magnet

tegak lurus dengan sumber cahaya, maka tidak akan terjadi rotasi. Pada medium transparant tersebut

akan terjadi interaksi antara sumber cahaya dan medan magnet. Apabila kita letakkan material non-

magnet seperti tembaga, timah dan perak dintara magnet, maka tidak akan terjadi efek pada gelombang

polarisasi.

Hasil rotasi pada polarisasi bidang dapat dilihat melalui persamaan :

VBl (rad) (5)

dimana adalah sudut rotasi, B medan magnet dalam Gauss, l adalah lebar dari medium transparant

dalam cm, dan V adalah Verdet constant untuk material yang digunakan.

Nilai konstanta Verdet ini bergantung pada besarnya panjang gelombang dan dispersi cahaya yang

digunakan, sesuai dengan persamaan :

d

dnV 0083,1 (rad/Gcm) (6)

atau

d

dn

mc

eV

22 (7)

Untuk bahan flint glass berlaku pula hubungan :

3

1410.8,1

d

dn (m2) (8)

Seperti yang telah diterangkan sebelumnya, rotasi yang terjadi pada bahan ditentukan oleh

medan magnet, untuk nilai V > 0, rotasi yang terjadi searah dengan arah putaran pada jari tangan kanan

dalam arah medan magnet.

IV. TUGAS PENDAHULUAN

4.1 Jelaskan mengenai efek Zeeman!

4.2 Apakah yang dimaksud dengan polarisasi Birefringence?

4.3 Bila medan magnet yang diberikan sebesar 0,5 T yang mengakibatkan perubahan sudut

polarisasi sebesar 90o dan panjang bahan adalah 2 cm, berapakah konstanta Verdet dari bahan

tersebut?

4.4 Tentukanlah Δω bila medan magnet yang diberikan sebesar 0,5 T pada cahaya monokromatik

dan tunjukkanlah bahwa nilai tersebut akan lebih kecil bila dibandingkan dengan cahaya

putih (cahaya tampak biasa)!

4.5 Jelaskan secara singkat, padat dan jelas mengenai teori dasar polarisasi cahaya khususnya

untuk efek Faraday!

4.6 Gambarkan sketsa dari polarisasi gelombang cahaya bila melewati medan magnet!

4.7 Tuliskan hubungan antara intensitas cahaya dengan perubahan sudut polarisasi saat diberi

medan magnet! Konversikan persamaan tersebut menjadi persamaan tegangan terhadap

sudut (dalam radian)!

4.8 Tentukan nilai konstanta Verdet, bila panjang gelombang yang digunakan pada batang kaca

berasal dari sinar laser He-Ne!

4.9 Berapakah panjang gelombang dari sinar yang digunakan bila diketahui nilai konstanta

Verdet sebesar 1,77×10-5 rad/Gcm?

V. LANGKAH PERCOBAAN

5.1 Set-up peralatan

5.1.1 Lengkapi salah satu filter polarisator dengan benang menyilang seperti pada gambar

X. Pastikan benang menyilang terpasana pada sudut yang benar dan ditempatkan

secara tepat di tengah polarisator. Selanjutnya polarisator yang telah diberikan benang

ini berfungsi sebagai analisator.

Gambar X. Polarisator yang ditambahkan dengan benang, berfungsi sebagai analisator.

5.1.2 Susun peralatan percobaan seperti pada gambar X.

Gambar X. Optical bench lengkap untuk percobaan efek Faraday.

5.2 Kalibrasi medan magnet

5.2.1 Untuk tahap awal, kalibrasi medan magnet seperti terlihat pada gambar X dengan

menggunakan teslameter dan tangential probe.

Gambar X. Kalibrasi medan magnet menggunakan teslameter.

5.2.2 Catat besarnya arus yang melewati kumparan dan besarnya medan magnet yang

terbaca pada teslameter.

5.2.3 Variasikan nilai dari arus dan catat perubahan medan magnetnya. Ingat-ingat batas

maksimum dari alat yang digunakan!

5.2.4 Pengambilan data pada kalibrasi medan dilakukan sebanyak 2 kali. Pertama, untuk

arus semakin besar, kemudian yang kedua untuk arus dari nilai besar ke nilai yang

kecil.

5.3 Sudut rotasi dari bidang polarisasi (ϕ) sebagai fungsi dari medan magnet (B)

5.3.1 Masukkan monochromatic filter salah satu warna ke picture slider. Pastikan untuk

mengetahui panjang gelombang dari warna tersebut (dapat dilihat dari referensi).

5.3.2 Sejajarkan batang kaca (flint glass square) antara penyearah medan magnet.

5.3.3 Set nilai medan magnet yang diinginkan dengan cara mengatur arus magnet (arus

pada kumparan).

5.3.4 Set analisator ke posisi 0o.

5.3.5 Temukan intensitas minimum dengan mengatur polarisator.

5.3.6 Balik polaritas dari medan magnet tanpa mengubah arus pada magnet. Caranya,

matikan medan magnet, balik polaritas dari arus kumparan, kemudian nyalakan

kembali medan magnet.

5.3.7 Temukan intensitas minimum dengan mengatur analisator.

5.3.8 Matikan medan magnet dan temukann intensitas maksimum dengan mengatur

polarisator.

5.3.9 Lepaskan filter warna dari jalur sinar untuk menguatkan kontras dari benang

menyilang yang terproyeksi di layar.

5.3.10 Baca posisi dari benang menyilang tersebut.

5.3.11 Lakukan langkah pengukuran ini untuk variasi medan magnet dengan

memvariasikan arus pada magnet.

5.3.12 Catatan: Ketika arah medan dibalik, yang terukur adalah sudut rotasi menjadi dua

kalinya (2ϕ), seperti ditunjukkan pada gambar X.

Gambar X. Pengukuran sudut rotasi double (2ϕ) dengan membalikkan polaritas medan

magnet. ϕ : sudut rotasi dari bidang polarisasi

(a1) : posisi analisator pada saat awal.

(a2) : bidang polarisasi dari cahaya setelah melewati batang kaca (flint glass square).

(p1) : posisi polarisator untuk pengaturan medan magnet pertama.

(a3) : posisi analisator setelah membalikkan polaritas medan magnet.

5.4 Konstanta Verdet sebagai fungsi dari panjang gelombang (λ)

5.4.1 Tempatkan salah satu filter warna dengan panjang gelombang yang diketahui pada

picture slider.

5.4.2 Atur posisi benang menyilang ke 0o.

5.4.3 Tempatkan filter polarisasi pada jalur sinar dan gunakan medan magnet yang

maksimum (arus magnet maksimum).

5.4.4 Ukur rotasi pada bidang polarisasi (2ϕ) seperti pada percobaan sebelumnya.

5.4.5 Lepaskan filter warna dari jalur sinar sebelum pembacaan posisi benang

menyilang.

5.4.6 Ulangi pengukuran untuk filter warna yang lain.

VI. TUGAS LAPORAN

6.1 Pengolahan Data

6.1.1 Buatlah kurva hubungan antara medan magnet dan arus (kalibrasi medan magnet)!

6.1.2 Tuliskan persamaan kurva di atas dan tentukan besarnya medan untuk tiap besaran

arus yang Anda gunakan pada percobaan efek Faraday ini!

6.1.3 Buatlah kurva hubungan antara sudut polarisasi dan medan magnet yang digunakan!

6.1.4 Buatlah kurva hubungan antara sudut polarisasi terhadap panjang gelombang setiap

filter warna yang digunakan!

6.1.5 Hitung konstanta Verdet untuk bahan yang digunakan pada percobaan ini (flint glass)!

6.2 Analisis

6.2.1 Jelaskan makna dari semua kurva yang diperoleh dari hasil percobaan!

6.2.2 Bandingkan dan analisa nilai konstanta Verdet yang diperoleh dari hasil percobaan

dengan perhitungan berdasarkan teori!

6.2.3 Jelaskan kembali mengenai efek Faraday!

VII. REFERENSI

Dietz, Preston W.Daryl,.1991. The Art of Experimental Physics. Canada : Jhon Wiley & Sons

Ltd.

Saleh, Teich.1991. Fundamentals of Photonics. New York : Jhon Wiley & Sons Ltd.

Smith.F.G, Thomson J.H. 1988. Optics, Second Edition. Chicester : Jhon Wiley & Sons Ltd.

LD Physics Leaflets P5.4.6.1 Faraday Effect: Determining Verdet’s constant for flint glass as

a function of the wavelength.

VIII. MATA KULIAH TERKAIT

1. FI2202 – Listrik Magnet