BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sejarah Efek Ftlistrik Pada tahun 1899 J.J Thmsn menemukan bahwa pada beberapa kndisi elektrn terpancar dari permukaan lgam ketika diberikan radiasi elektrmagnetik. Gejala ini sebenarnya pernah ditemukan sebelumnya leh dua rang ilmuwan yaitu H. Hertz 1887 yang menemukan adanya partikel bermuatan yang lepas dari permukaan lgam saat dikenai berkas cahaya, pada saat itu Hertz belum bisa menjelaskan mengenai partikel bermuatan tersebut. Ilmuwan lainnya adalah Lenard yang pada 1898 menemukan bahwa muatan dan massa partikel yang terpancar dari lgam tersebut mirip dengan muatan dan massa elektrn. Fenmena ini kemudian dikenal dengan peristiwa Efek Ftlistrik. Tiga tahun kemudian yaitu 1902 P. Lenard mempelajari bahwa saat keluar dari lgam elektrn memiliki kecepatan tertentu serta energi yang dimiliki elektrn ini tidak bergantung pada intensitas cahaya. Ini adalah hal yang tidak diduga sebelumnya. Peningkatan intensitas hanya mengakibatkan meningkatnya jumlah elektrn yang teremisi, dan sama sekali tidak mengubah energi elektrn 1). Dia juga menemukan bahwa energi maksimum elektrn sangat bergantung pada panjang gelmbang cahaya, dan jika panjang gelmbang lebih pendek (frekuensi cahaya yang lebih besar) akan menghasilkan energi maksimum elektrn yang lebih besar. Fenmena ini tentunya merupakan kenyataan yang sulit dijelaskan leh knsep Fisika Klasik yang memandang cahaya sebagai sebuah gelmbang elektrmagnetik (Maxwell). Beberapa hal dari peristiwa efek ftlistrik ini yang tidak dapat dijelaskan dengan tinjauan Fisika Klasik adalah: 1. Kenyataan bahwa energi kinetik maksimum elektrn yang teremisi tidak bergantung pada intensitas cahaya yang terpancar. Dalam teri Maxwell tentang cahaya sebagai gelmbang elektrmagnetik, energi gelmbang akan berbanding lurus dengan intensitas, artinya saat intensitas cahaya ditingkatkan maka energi gelmbang cahaya pun akan semakin besar. Dalam peristiwa efek

2 ftlistrik hal ini menyebabkan elektrn akan menyerap energi semakin banyak sehingga energi kinetik elektrn semakin besar. Tetapi pada kenyataannya gejala ini tidak ditemukan dalam peristiwa efek ftlistrik. 2. Adanya hubungan linier antara besar energi kinetik elektrn dengan frekuensi cahaya. Dalam teri Fisika Klasik dikatakan bahwa energi suatu gelmbang berbanding lurus dengan kuadrat frekuensinyal, sehingga menurut teri ini semestinya ketika frekuensi cahaya yang dipancarkan ditingkatkan secara linier maka energi cahaya yang diserap elektrn pun akan meningkat secara kuadratik. Tetapi kenyataannya energi kinetik maksimum elektrn dalam peristiwa efek ftlistrik memiliki hubungan yang linier terhadap frekuensi cahaya. 3. Prses pelepasan elektrn dari lgam dengan selang waktu yang relatif spntan, hampir tidak ada selang waktu, yaitu membutuhkan waktu kurang dari 10-9 detik antara prses penyinaran dengan lepasnya elektrn dari lgam. Apabila kita memandang cahaya sebagai gelmbang, maka kita akan memahami bahwa prses pelepasan elektrn dari lgam adalah diawali dengan prses penyerapan energi gelmbang melalui vibrasi, sehingga semestinya peristiwa elektrn yang terpancar dari lgam bukanlah peristiwa yang spntan. Semua misteri ini kemudian mulai terjawab ketika Einstein, 1905, memperkenalkan mengenai sifat cahaya sebagai partikel diskrit yang memiliki energi sebesar E = h? dengan? dalah frekuensi cahaya. Sehingga dengan teri ini, peristiwa efek ftlistrik tidak lagi dijelaskan sebagai interaksi gelmbang dengan partikel tetapi merupakan interaksi partikel dengan partikel. Yaitu partikel cahaya dengan elektrn pada lgam. Partikel cahaya ini kemudia dikenal sebagai ftn, yaitu partikel yang merupakan paket energi cahaya. Jadi sekarang dapat difahami bahwa energi ftn yang diserap elektrn ini digunakan elektrn untuk membebaskan diri dari atm sehingga dia terlepas dari atm dan bergerak dengan sisa energi yang dimilikinya. Pernyataan ini secara matematis dapat ditulis dengan cara berikut:

3 E W E 2-1 ftn kinetik h h 2-2 E K Dimana W 0 h energi ambang lgam emiter, h = knstanta Planck = 6, Js? = frekuensi cahaya dan? = frekuensi ambang, yaitu frekuensi minimum cahaya agar elektrn dapat terlepas dari lgam. Dari persamaan ini dapat kita lihat hubungan linier antara energi kinetik elektrn dengan frekuensi cahaya yang dalam uraian di atas tidak dapat dijelaskan dengan teri Fisika Klasik. Einstein sangat terkenal dengan teri relativitasnya, tetapi justru berhasil mendapatkan hadiah Nbelnya pada tahun 1921 karena penelitiannya tentang efek Ftlistrik. Einstein menyelesaikan paper yang menjelaskan efek ftlistrik ini pada tanggal 17 Maret 1905 dan mengirimkannya ke jurnal Annalen der Physik. Di dalam paper tersebut Einstein untuk pertama kalinya memperkenalkan istilah kuantum (paket) cahaya. Pada pendahuluan paper ia memberikan argumentasi bahwa prses-prses seperti radiasi benda hitam, ftluminesens, dan prduksi sinar katda, hanya dapat dijelaskan jika energi cahaya tersebut tidak terdistribusi secara kntinyu 2). Penemuan teri efek ftlistrik ini ternyata menjadi latar belakang lahirnya fisika mdern yang memiliki beberapa ketidaksesuaian dengan asumsi-asumsi fisika yang selama itu diyakini kebenarannya. Salah satunya adalah teri Maxwell yang berhasil memadukan fenmena listrik-magnet hingga sampai pada kesimpulan bahwa cahaya adalah gelmbang elektrmagnetik. Selanjutnya adalah Rbert Millikan, setelah 11 tahun kemudian yaitu 1916 akhirnya berhasil

4 membuktikan hiptesis Einstein. Bersamaan dengan itu Einstein mempublikasikan papernya berjudul Teri Kuantum Cahaya yang menjelaskan prses emisi dan absrpsi paket cahaya dalam mlekul, serta menghitung peluang emisi spntan dan emisi yang diinduksi yang selanjutnya dikenal sebagai kefisien Einstein A dan B. Kedua kefisien ini bermanfaat dalam menjelaskan secara teretis penemuan laser di kemudian hari. Tujuh tahun kemudian Arthur Cmptn berhasil membuat eksperimen yang membuktikan sifat kuantum cahaya tersebut dengan bantuan teri relativitas khusus. Selain itu, ide Einstein ini juga memicu Luis de Brglie menelurkan knsep gelmbang materi. Knsep ini menyatakan benda yang bergerak dapat dianggap sebagai suatu gelmbang dengan panjang gelmbang berbanding terbalik terhadap mmentumnya. Sederhananya, ide de Brglie ini merupakan kebalikan dari ide Einstein. Kedua ide ini selanjutnya membantu melahirkan mekanika kuantum melalui persamaan Schrdinger yang menandai berakhirnya masa fisika klasik 2). 2.2 Peristiwa Efek Ftlistrik Efek ftlistrik merupakan prses perubahan sifat-sifat knduksi listrik di dalam material karena pengaruh cahaya atau gelmbang elektrmagnetik lain. Efek ini mengakibatkan terciptanya pasangan elektrn dan hle di dalam semiknduktr, atau pancaran elektrn bebas dan in yang tertinggal di dalam metal. Fenmena pertama dikenal sebagai efek ftlistrik internal, sedangkan fenmena kedua disebut efek ftlistrik eksternal 2). Ketika cahaya menumbuk permukaan suatu lgam, hal ini dapat membebaskan elektrn dari permukaan lgam tersebut. Peristiwa ini kita kenal sebagai efek ftlistrik.

5 Gambar II.1 Prses pelepasan elektrn dari atm setelah menerima energi ftn Ketika ftn ditembakan kepada sebuah atm maka energi ftn tersebut akan diserap elektrn sehingga elektrn tersebut mempunyai energi untuk melepaskan diri dari atm Seperti dijelaskan diatas, bahwa energi maksimum yang dimiliki elektrn sangat bergantung pada panjang gelmbang cahaya yang kita gunakan. Semakin kecil panjang gelmbang berarti semakin besar energi ftn, maka energi kinetik elektrn pun semakin besar. Tetapi hal ini sama sekali tidak mempengaruhi pada berapa banyak jumlah elektrn yang teremisikan. Yang cukup menarik juga adalah, jika panjang gelmbang ini tidak cukup pendek untuk nilai tertentu, maka tidak akan satu elektrn pun yang dapat lepas dari permukaan lgam. Seperti ditunjukan leh gambar 2 berikut. Gambar II.2 Energi kinetik elektrn berkaitan dengan panjang gelmbang ftn Pada nilai panjang gelmbang yang besar maka tidak ada elektrn yang lepas. Kecepatan elektrn (sebanding dengan energi kinetik) semakim besar saat lamda semakin pendek. Energi ftn yang menumbuk permukaan lgam (emiter) akan diserap elektrn valensi lgam dan digunakan untuk melepaskan diri kemudian bergerak

6 dengan sisa energi yang didapatkannya. Sehingga dapat dinyatakan seperti dalam persamaan 2-1 diatas. Dengan E ftn W E kinetik W adalah energi ambang (fungsi kerja lgam/energi ikat elektrn valensi terhadap atm). Dapat juga dinyatakan dengan persamaan 2-2. hv hv E K h adalah knstanta Planck yang dari literatur sudah diketahui melalui percbaan efek ftlistrik yang sudah dilakukan adalah sebesar 6,626x10-34 Js. Nilai knstanta ini dapat kita hitung dengan melakukan percbaan menggunakan rangkaiannya akan dibuat dalam Tugas Akhir ini. Dalam ungkapan lain dapat ditulis dalam persamaan: hc hc E K 2-3 Secara umum kita akan mendapat grafik sebagai berikut: E Kinetik (Jule) E Kinetik h 0??(Hz) W Gambar II.3 Grafik Energi Kinetik terhadap frekuensi Energi kinetik elektrn yang teremisi memiliki hubungan linier terhadap frekuensi ftn

7 2.3 Light Emitting Dide (LED) Light Emitting Dide (LED) adalah semiknduktr yang memancarkan cahaya mnkrmatik yang tidak kheren ketika diberi tegangan maju. Seperti layaknya dida biasa, sebuah LED terdiri dari sebuah chip bahan semiknduktr yang diisi penuh dengan ketidakmurnian untuk menciptakan struktur yang disebut p-n junctin. Pembawa muatan elektrn dan hle mengalir ke junctin dari elektrda dengan tegangan berbeda. Ketika elektrn bertemu dengan hle maka elektrn akan turun ketingkat energi yang lebih rendah sambil memancarkan energi. Bahan semiknduktr adalah bahan yang memiliki sifat knduksi antara knduktr dan insulatr. Perbedaan sifat knduksi ini bergantung pada keadaan ikatan antara atm-atm, in-in atau mlekul-mlekul tersebut. Dan ikatanikatan ini sangat dipengaruhi jumlah elektrn valensi atm penyusunnya. Unsur yang paling sering digunakan untuk menggambarkan keadaan mikrskpik suatu semiknduktr adalah silikn. Gambar II.4 Ikatan kvalen pada Silikn Silikn merupakan unsur glngan IVA (mempunyai 4 elektrn valensi) dan berikatan kvalen antar masing-masing atmnya. Ketika elektrn mendapatkan energi thermal atau energi dari sebuah ftn, maka dia akan melepaskan diri dari ikatan inti dan berperan sebagai elektrn bebas pambawa muatan negatif serta meninggalkan hle yang dapat kita sebut sebagai pembawa muatan psitif. Dalam keadaan seperti ini muatan unsur secara keseluruhan tidak berubah (tetap netral).

8 Untuk mendapatkan pembawa muatan yang lebih banyak lagi dalam sebuah unsur, maka biasanya kita mencampur bahan silikn ini dengan unsur lain, yang kemudian semiknduktr ini kita sebut semiknduktr ekstrinsik, terdiri dari type n dan type p. Untuk mendapat semiknduktr tipe n dilakukan dengan cara mencampur silikn dengan atm yang memiliki 5 elektrn valensi (disebut atm dnr). Gambar II.5 Semiknduktr tipe n Dengan adanya sisa elektrn yang bebas ini mengakibatkan semakin banyaknya pembawa muatan negatif, sehingga semiknduktr tipe ini disebut semiknduktr tipe n. Sedangkan untuk mendapat semiknduktr tipe p, silikn biasanya dicampur dengan atm yang memiliki 3 elektrn valensi (disebut atm aseptr). Hal ini mengakibatkan munculkan hle sebagai pembawa muatan negatif. Gambar II.6 Semiknduktr tipe p. Karena atm aseptr ini hanya memiliki 3 elektrn valensi, maka ketika berikatan dengan silikn akan menyisakan elektrn yang tidak berpasangan, dan mengakibatkan munculnya hle sebagai pembawa muatan psitif. LED merupakan kmpnen elektrnik penghasil cahaya yang dihasilkan dari elektrn yang bergerak mengisi hle. Bagian katda pada LED dibuat dari semiknduktr tipe n dan bagian anda dibuat dari semiknduktr tipe p. Pada

9 saat katda diberi arus negatif maka elektrn akan begerak dari katda mengisi hle pada anda sambil memancarkan energi berupa ftn. Energi ftn yang dipancarkan bergantung pada tingkat energi elektrn yang berkaitan dengan jenis unsur yang kita gunakan. Dengan demikian perbedaan unsur yang digunakan sebagai semiknduktr akan berpengaruh pada panjang gelmbang cahaya yang dipancarkan. Dan untuk spektrum cahaya tampak perbedaan panjang gelmbang ini akan terlihat dari perbedaan warna cahaya yang dipancarkan. Gambar II.7 Pita energi dalam semiknduktr Dalam semiknduktr pita valensi dan pita knduksi memiliki beda energi yang tidak terlalu besar, sehingga pada saat diberi arus psitif dengan mudah elektrn akan turun ke tingkat energi lebih rendah sambil memancarkan energi berupa ftn. Rangkaian Light Emitting Dide (LED) Dalam membuat rangkaian LED ada beberapa hal yang harus diperhatikan: 1. Kaki psitif dan negatif LED Kaki-kaki pada LED harus dihubungkan dengan cara yang benar. Kaki katda harus kita berikan tegangan negatif sementara anda kita pasang pada tegangan psitif. Untuk membedakan kaki anda dan katda dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut:

10 Gambar II.8 Skema LED Anda memiliki kaki yang lebih panjang dari katda. Kaki yang panjang adalah kaki anda sedangkan kaki yang lebih pendek adalah kaki katda. Cara lain untuk membedakan kaki anda dan katda adalah dengan melihat ukuran lgam kedua elektrda ini. Biasanya ukuran lgam katda lebih besar daripada anda. Hal yang tidak kalah penting dalam pemasangan kakikaki LED pada rangkaian adalah mengntrl suhu pada saat prses penylderan, karena apabila suhu telalu tinggi, hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada LED. 2. Mengatur tegangan dan arus pada LED Seperti dijelaskan diatas bahwa setiap LED dengan warna berbeda biasanya membutuhkan besar tegangan (V L ) yang berbeda-beda. Sehingga untuk merangkai LED pada sumber tertentu dibutuhkan rangkaian seperti gambar dibawah. Gambar II.9 Merangkai LED Resistr dalam rangkaian ini berfungsi untuk mengatur tegangan LED agar tidak melebihi nilai maksimum Resistr R biasanya dipasang untuk menyesuaikan tegangan yang terima LED agar sesuai dengan tegangan maksimum yang diperblehkan. Untuk menentukan besar resistr yang harus dipasang digunakan persamaan berikut: R V S V I L 2-4

11 Dimana: V s = tegangan sumber V L = tegangan maksimum LED yang diperblehkan I = besar arus LED (harus lebih kecil dari tegangan maksimum yang diperblehkan) 3. Rangkaian seri dan parallel untuk LED Untuk menyalakan beberapa LED pada waktu yang bersamaan, disarankan LED dipasang dalam rangkaian seri seperti pada gambar dibawah ini: Gambar II.10 Rangkaian LED seri Besar resistr disesuaikan dengan tegangan ttal semua LED Hal ini memungkinkan setiap LED mendapatkan besar arus yang sama sehingga semua LED ini akan menyala baik apabila LED-LED ini merupakan type yang sama. Dan tentunya sumber tegangan harus memiliki nilai tegang yang mencukupu semua LED. Untuk menentukan besar resistr yang harus dipasang, dihitung dengan persamaan diatas, tetapi besar V L dalam hal ini merupakan tegangan ttal yang dibutuhkan leh semua LED. V V V V L L1 L2 L3 Merangkai beberapa LED dengan cara parallel dengan hanya memasang satu resistr pada umumnya sangat tidak disarankan, karena dalam keadaan

12 seperti ini LED yang memiliki tegangan V L terkecil akan menyala dengan terang kemudian terbakar disebabkan arus yang mengalir terlalu besar. Apabila yang diperlukan rangkaian yang parallel maka masing-masing LED harus diberi hambatan yang sesuai. Gambar II.11 Rangkaian LED parallel Dalam keadaan ini arus pada LED yang memiliki resistansi rendah akan mendapat arus terbesar sehingga dapat mengakibatkan kerusakan atau terang yang tidak merata