RANCANG BANGUN ALAT UKUR INDEKS BIAS KACA DENGAN METODE BREWSTER BERBASIS MIKROKONTROLER Fajrina Ashri, Prawito, Lingga Hermanto Departemen Fisika, Sarjana FMIPA UI, Kampus UI Depok 16424 fajrina.ashri@gmail.com ABSTRAK Penerapan metode Brewster yang menjadi acuan dasar teori penelitian, akan diaplikasikan melalui pembuatan alat ukur indeks bias kaca. Pembuatan alat ukur ini meneliti indeks bias material kaca, dengan laser sebagai sumber cahayanya serta sensor OPT101 untuk mendeteksi intensitas cahaya laser yang dipantulkan oleh kaca. Pengotomatisan cara kerja alat melalui motor servo yang dikontrol gerakannya untuk membentuk berbagai sudut datang melalui mikrokontroler. Alat ini bisa dikomunikasikan dengan komputer melalui aplikasi labview sebagai tampilan grafis data pengukurannya, berupa perbandingan data intensitas cahaya, sudut, dan indeks bias yang kemudian juga ditampilkan di LCD teks alat. Metode Brewster akan menghasilkan perhitungan indeks bias kaca melalui parameter intensitas cahaya minimum yang dideteksi sensor dari sinar pantulan kaca. Kata Kunci : brewster; indeks bias; laser; mikrokontroler; Sensor OPT101. ABSTRACT The application of Brewster s Methods, will be applied through the creation for measuring the refractive index of the glass. This measuring tool examines the refractive index of the glass material, with a laser as the source of light and light sensor OPT101 to detect the intensity from the laser reflection. And for making this instrument works automatically, using a servo motors which controlled by Microcontroller. These devices can connected to a computer using labview as the application for displaying data measuring on graphic, such as light intensity data, angle, and bias index, also the all data can be display too on the LCD text in this instrument. Brewster s calculation method will result in the refractive index of glass with the minimum light intensity parameter which detected by light sensor OPT101 from the reflection of glass. Keywords : brewster; index bias; laser; microcontroller; OPT101 Sensor.
I. PENDAHULUAN Pemilihan penggunaan metode Brewster sebagai acuan dasar pembuatan alat ukur indeks bias kaca ini, tak lain untuk mencapai kesederhanaan sistem dalam cara kerja alat. Sehingga alat ini memiliki keunggulan dalam kemampuan dan ketelitian yang baik untuk pengukuran indeks bias, dibandingkan dengan penggunaan metode-metode fisika lainnya. Kemudian pengaplikasiannya akan dijadikan sebagai suatu inovasi dalam ilmu Pengetahuan Fisika. Pemantulan cahaya dalam sebuah bidang batas permukaan datar di antara 2 medium transparan, seperti udara dan kaca, cahaya yang dipantulkan akan terpolarisasi sebagian. Tingkat polarisasi bergantung pada sudut datang dan indeks bias kedua medium tersebut. Saat sudut datang sedemikian rupa sehingga sinar-sinar yang dipantulkan dan dibiaskan saling tegak lurus, maka cahaya yang dipantulkan terpolarisasi secara keseluruhan (Brewster, 1812). Dengan laser sebagai sumber cahaya yang digunakan, maka sensor OPT akan mendeteksi intensitas pemantulan berdasarkan sudut pantul dari laser tersebut. Metode Brewster akan menghasilkan perhitungan indeks bias kaca melalui parameter intensitas cahaya minimum yang dideteksi sensor dari sinar pantulan kaca. 2. TINJAUAN TEORITIS a. Pemantulan dan Pembiasan Cahaya Ketika cahaya mengenai permukaan bidang batas yang memisahkan 2 medium berbeda (udara dan kaca), energinya : 1. Dipantulkan & 2. Dibiaskan (Memasuki medium kedua), arah sinarnya ditransmisikan atau disebut pembiasan. Gambar 2.1 Pemantulan dan Pembiasan Cahaya [6]
b. Polarisasi Cahaya Terpolarisasi / terkutub artinya memiliki satu arah getar tertentu saja. Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang yang dialami oleh cahaya, dari suatu gelombang yang memiliki vektor medan listriknya (E) yang acak menjadi terarah atau dikatakan E tegak lurus pada arah rambatnya (Ganijanti, 1981). Gambar 2.3 Gelombang Dengan Arah Rambatnya [4] Gambar 2.2 Gelombang sebelum terpolarisasi [4] Cahaya alami dari sudut datang adalah gelombang belum terpolarisasi yaitu gelombang yang memiliki beragam pasang vektor E acak, dan belum tersusun terhadap arah rambatnya. Susunannya yaitu E sejajar dilambangkan dengan anak panah dan medan listrik lurus bidang getar dilambangkan dengan garis titik (Gambar 2.2),. Gambar 2.4 Gelombang Terpolarisasi [6]
Sedangkan gelombang yang terpolarisasi linier (Gambar 2.3) adalah gelombang yang vektornya hanya memiliki 1 pasang vektor E saja, dan arah rambatnya saling tegak lurus (vektor medan listriknya tegak lurus terhadap arah rambatnya, dilambangkan dengan garis titik-titik). Hubungannya dengan intensitas cahaya yaitu, jika pada awalnya ada banyak pasangan vektor E pada gelombang cahaya yang arah rambatnya berbeda-beda, maka semakin besar pula intensitas cahayanya. Namun ketika gelombang tersebut memasuki medium sebuah kaca misalnya, maka gelombang tersebut terserap intensitasnya oleh medium kaca, hingga menyisakan 1 pasang vektor saja, yang intensitasnya sudah pasti berkurang hingga titik terendah atau sangat minimum. Gelombang cahaya yang masuk ke sudut polarisasi menggunakan suatu bantuan medium bahan tertentu, dipantulkan terpolarisasi secara keseluruhan, (medan listriknya tegak lurus terhadap bidang getar). Dan intensitas cahayanya akan berkurang hingga ke titik paling minimum (i) = 0 (E.L. Malus 1775-1882). c. Hukum Brewster Gambar di bawah memperlihatkan sebuah sinar datang tak terpolarisasi yang jatuh pada permukaan kaca. Kemudian sudut datang diatur sedemikian rupa sehingga terjadi sudut polarisasi saat sinar datang pada sudut polarisasi menghasilkan sudut pantul dan sudut bias membentuk sudut 90. Dan gelombang terpolarisasi yang telah dijelaskan sebelumnya, bisa diukur dari intensitas sinar pantul kaca yang paling minimum, yaitu gelombang yang medan listriknya sudah tegak lurus terhadap arah rambatnya. Gambar 2.5 Sudut Brewster [6]
Pada sudut polarisasi didapatkan secara eksperimental bahwa sinar yang direfleksikan dan sinar yang direfraksikan adalah tegak lurus satu sama lain : θp + θr = sudut 90 [1.1] Dari Hukum Senllius, n1 sin θp = n2 sin θr [1.2] Berdasarkan Hukum Brester : Tan θp = [1.3] Ket : θp = sudut polarisasi θr = sudut bias n1 = indeks bias medium pertama (udara) n2 = indeks bias medium kedua (kaca) Indeks bias adalah perbandingan laju cahaya di ruang hampa terhadap laju cahaya di dalam medium. Sudut Polarisasi terjadi, yaitu saat sinar datang menghasilkan sinar pantul dan sinar bias yang saling tegak lurus atau membentuk sudut 90. 3. METODE PENELITIAN a. Perancangan Mekanik Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Alat Ukur Indeks Bias Kaca
Blok diagram ini merupakan simulasi dari cara kerja alat ukur indeks bias kaca dengan metode brewster, dimana sistem menggunakan motor servo sebagai penggerak sensor cahaya dan laser untuk membentuk sudut brewster, serta mikrokontroler sebagai pengontrol cara kerja alat. Perancangan mekanik alat ukur ini dibuat dengan sistem pengendali pergerakan dari servo ke gear box dan ditransformasikan ke dalam lengan sensor dan laser untuk pembentukan sudut. Bagan keseluruhan alat terbuat dari kotak balok persegi panjang sebagai tempat dan alas komponen dengan panjang 33cm, lebar 23 cm dan tinggi 10 cm. Didalam kotak terdapat rangkaian sensor cahaya, mikrokontroler, motor servo, dan gear. Di atas permukaannya terdapat busur derajat 0 sampai 180 derajat dan di depan muka kotak terdapat LCD untuk menampilkan output alat, serta tombol push button untuk start. Gambar 3.2 Mekanik Alat Gambar 3.3 Blok Diagram Sistem Kontrol Servo Motor servo sebagai penggerak sensor OPT dan laser untuk pengatur sudut dating. Sensor dan Laser bergerak bersamaan membentuk sudut yang sama, namun arahnya berlawanan. Sensor mendeteksi pantulan intensitas cahaya dari laser.
b. Perancangan Sistem Kontrol Dalam proses pembuatan model alat dibuat suatu sistem pengontrolan untuk pengotomatisan gerak motor servo, yaitu deangan IC mikrokontroller AVR ATmega8535 dan rangkaian sensor OPT. Rangkaian minimum sistem ini terdiri dari rangkaian chip mikrokontroler AVR ATmega 8535 dan ISP programmer, kristal, 4 buah header yang terhubung ke port I/O-nya mikrokontroler. Rangkaian ini berisi program dari software yang telah didownload ke dalam chip ATmega8535. Gambar 3.4 Chip ATMega 8535 Port yang digunakan dalam penggunaan cara kerja alat pada microcontroler Atmega8535 adalah PortA untuk output sensor OPT, PortB untuk membaca output LCD, PortD.7 untuk output motor servo, serta input portd.4 untuk tombol push button, PortD.3 dan D.2 untuk tombol reset manual.
Gambar 3.5 Rangkaian Sensor OPT Sensor cahaya yang digunakan yaitu OPT101, yang memiliki rangkaian internal photodioda dan op-amp sebagai rangkaian transimpendansi atau rangkaian pengubah arus ke tegangan. Nilai sensitivitas OPT101 sangat tinggi, dimana terdapat resistor internal 1 MΩ dan kapasitor internal 3 pf, sehingga sensor ini dapat mendeteksi nilai arus hingga 1 µa. Rangkaian eksternal yang digunakan terdiri dari potensiometer sebesar 100 KΩ, sedangkan kapasitor yang dipakai sebesar 30 pf. Dengan penambahan komponen tersebut dengan nilai yang diberikan nilai senstivitas sensor ini menurun, yaitu hanya bisa mendeteksi nilai arus hingga 1 ma saja. Output berupa tegangan pada kaki 5 chip akan diolah menjadi data ADC pada mikrokontroler. Namun sebelumnya diberikan sebuah filter RC pada rangkaian eksternal, yaitu R2 sebesar 2,7 KΩ dan C2 sebesar 10 µf. Filter ini berjenis low-pass filter yang berfungsi sebagai peredam sinyal berfrekuensi tinggi dan meloloskan sinyal berfrekuensi rendah. Output dari sensor berupa tegangan yang nilainya linear terhadap nilai intensitas cahaya yang dideteksi pada photodioda. Output sensor tanpa cahaya atau dalam keadaan gelap
bernilai 7,5 mv (sesuai tegangan Vb). Tegangan Vb merupakan tegangan yang terdapat pada input kaki negatif (non inverting) op-amp. c. Perancangan Software Program BASCOM-AVR Perancangan sistem ini tidak hanya memiliki hardware saja tetapi system pengendalian yang juga menggunakan software. Software yang digunakan yaitu BASCOM- AVR dengan chip mikrokontroler ATmega8535. Program ini diawali dengan inisialisasi port-port pada mikrokontroler yang digunakan, lalu saat penekanan tombol start pada alat ditekan maka ia akan berfungsi sebagai berikut : 1. Servo menggerakkan sensor dan laser bersamaan namun berlawanan arah lalu membentuk sudut yang presisi dari sudut awal 0º (garis normal). 2. Lalu sudut akan terus naik sesuai dengan kenaikan step yang diinputkan dari program. Saat ini intensitas cahaya pantul dari sensor terdeteksi dan di display ke LCD serta LabVIEW. 3. Saat servo sudah mencapai sudut 90º, maka alat akan otomatis mereset, menggerakkan servo ke kiri. Artinya sensor dan laser kembali ke posisi semula seperti sebelum alat diaktifkan. Berikut ini adalah flowchart dari program utama sistem alat ukur indeks bias kaca metode Brewster : Gambar 3.6 Flowchart Program Bascom AVR
Aplikasi LabVIEW berikut adalah aplikasi LabVIEW yang digunakan untuk menampilkan grafik output perbandingan intensitas cahaya dan sudut yang dihasilkan dari alat ukur ini. Gambar 3.7 Front Panel LabVIEW Gambar 3.8 Blok Diagram LabVIEW
4. HASIL PENELITIAN Dari hasil data cara kerja alat, diambil intensitas cahaya dalam satuan lux yang dikonversi menggunakan persamaan kalibrasi sensor opt : lux= 323,2 (x) 471,8 sebelumnya, yaitu didapatkan intensitas cahaya yang paling minimum dari sinar pantul terhadap kaca plan paralel, yaitu sebesar 0,0195 volt dengan pembacaan hasil data sensor OPT 101 dan -410,5226 lux dari pengkonversian nilai tegangan ke lux. Tabel 4.1 Alat Ukur Indeks Bias Kaca No Nilai ADC Sudut (derajat) Intensitas Cahaya (Lux) Vout (V) Indeks Bias 74 6 50.467945-406.86524 0.0293 1.211715 75 6 51.149944-406.86524 0.0293 1.241526 76 8 51.831944-403.20788 0.0391 1.272232 77 7 52.513943-405.03656 0.0342 1.303882 78 7 53.195942-405.03656 0.0342 1.33653 79 7 53.877941-405.03656 0.0342 1.370233 80 9 54.55994-401.41652 0.0439 1.405055 81 6 55.24194-406.86524 0.0293 1.441061 82 6 55.923939-406.86524 0.0293 1.478324 83 5 56.605938-408.69392 0.0244 1.516921 84 4 57.287937-410.5226 0.0195 1.556939 85 6 57.969936-406.86524 0.0293 1.598468 86 13 58.651936-394.1018 0.0635 1.641607 87 5 59.333935-408.69392 0.0244 1.686465 88 5 60.015934-408.69392 0.0244 1.733163 Indeks bias yang didapat, diukur melalui hukum brewster : Tan θp = n2 / n1 Pada sudut 57,28 : Tan 57,28 = 1/ n2 1,55 = 1/ n2 n2 = 1,55
Dari hasil pengukuran ini kemudian dibuat grafik intensitas cahaya Vs Sudut Intensitas Cahaya (Lux) 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 -200-300 -400-500 Intensitas Cahaya Vs Sudut 0 20 40 60 80 100 Sudut (derajat) S Gambar 4.1 Grafik Keseluruhan Data Intensitas Cahaya Vs Sudut Intensitas Cahaya (Lux) -392-394 -396-398 -400-402 -404-406 -408-410 -412 Grafik Intensitas Cahaya Vs Sudut 48 50 52 54 56 58 60 62 Sudut (Derajat) Gambar 4.2 Grafik Intensitas Cahaya Vs Sudut (range 45-65 )
5. PEMBAHASAN Untuk pembacaan data intensitas cahaya dari titik 0 (garis normal) dan 90, intensitasnya berada di range paling maksimum yaitu sekitar 1160,0896 lux atau sekitar 4.228 Volt (Grafik 4.1). Ini membuktikan bahwa dampak cahaya alami pada intensitas pemaksimuman cahaya terbukti benar. Yang artinya cahaya belum memiliki satu arah pada bidang getarnya, komponen medan listriknya masih memiliki arah getar yang banyak dan acak. Sebaliknya saat terjadi penurunan cahaya pada titik minimum Brewster yang menginisialisasikan bahwa komponen medan listrik pada cahaya sudah terarah (tersusun tegak lurus) dan hanya memiliki satu arah getar pada bidangnya atau dikatakan telah terpolarisasi, dengan intensitas cahaya yang paling minimum untuk range tegangan yang terukur pada alat yaitu pada nilai -410,5226 lux atau pada 0,0195 Volt (Grafik 4.2). Untuk pengambilan data dihasilkan sekitar 133 step untuk pembentukan sudut dari 0 hingga 90, yang itu artinya kenaikan sudut pada alat sekitar 0.68 derajat. Hal ini dikarenakan penggunaan fungsi gear pada motor servo, sehingga pergerakan sensor dan lasernya untuk pembentukan sudut menjadi sangat kecil atau halus. Namun terdapat beberapa penyimpangan dalam pembacaan data pada saat sudut bernilai >=10, intensitas cahaya yang dideteksi sensor menurun drastis akibat adanya pengaruh dari mekanik yang digunakan. Gerigi pada servo tidak sempurna sama, hingga di beberapa gerakannya, ia memutar sensor dan laser tidak tepat. Kepresisian gerak laser dan sensor sangat diperlukan dalam pengerjaan alat ini, karena meleset 0,1 milimeter saja untuk perbedaan gerakannya maka data yang didapat akan sangat jauh dari yang prosedur alat ukur ini. Untuk membuktikan kebenaran perhitungan indeks bias maka dari Hukum Snellius, kita bisa mendapatkan pencarian indeks bias kaca juga, hasil perhitungan indeks bias kaca dilakukan sebagai berikut : Komponen yang digunakan yaitu kaca dan busur derajat berukuran lingkaran (360 ). Dengan kaca plan paralel sebagai material yang diteliti diletakkan ditengah busur derajat tersebut, kemudian kaca tersebut diberikan sinar datang yang berasal dari sumber cahaya (laser). Sinar tersebut membentuk sudut bias dibelakang permukaan kaca tersebut. Terukur besaran derajat sudut bias di belakang kaca pada busur, kemudian catat sudut biasnya.
Gambar 5.1 Hukum Snellius pada Kaca Plan Paralel Ket : d = tebal kaca = 2 cm r = sudut bias t = pergeseran sinar datang i = sudut datang Disubstitusikan ke dalam rumus Snellius : n1 sin θp = n2 sin θ2 1sin 20 = n2 sin 14 1 x 0.34 = n2 x 0,22 n2 = 1,54 Tabel 5.1 Data Kesalahan Relatif Indeks Bias Kaca Plan Paralel Indeks Bias Relatif 1.545454 Indeks Bias 1.556939 Simulasi Kes Relatif 1.15% Berdasarkan teori indeks bias kaca Hukum Brewster diketahui sebesar 1,545. Sedangkan data penelitian yang didapat sebesar 1,55. Perbandingan data ini memiliki penyimpangan untuk data indeks bias sebesar 1,15 %, yang hanya hampir terbukti menyamai data teori Brewster yang sebenarnya.
6. KESIMPULAN 1. Setelah melakukan penelitian dan pengujian terhadap alat ukur indeks bias ini, maka penulis dapat mengambil suatu kesimpulan bahwa : Alat ukur indeks bias kaca yang dibuat dengan metode brewster mendapatkan hasil indeks bias kaca plan paralel sebesar 1,55 pada sudut polarisasi (θp) 57,28. Hasil ini dihitung berdasarkan perbandingan parameter sudut dan intesitas cahaya yang paling minimum. 2. Berdasarkan Hukum Brewster untuk data indeks bias absolut pada teori fisika diketahui indeks bias kaca plan paralel sebesar 1,55 sedangkan untuk data penelitian yang didapat dari cara kerja alat sebesar 1,54. Perbandingan data ini memiliki penyimpangan untuk data indeks bias sebesar 7 %, yang hanya hampir terbukti menyamai data teori Brewster yang sebenarnya. Hal ini terjadi karena adanya ketidakpresisian posisi komponen dan mekanik pada mekanik yang dibuat, serta faktor terbesar dalam lingkungan luar dan interaksi dengan parameter-parameter lingkungan yang tidak diperhitungkan, misalnya pengaruh suhu, tekanan, temperature dan organisme lingkungan lainnya. 7. SARAN Saran yang dapat penulis berikan yang berhubungan dengan penelitian ini yaitu : 1. Sebaiknya melakukan pengkalibrasian data secara manual, laser dan sensor digerakkan oleh tangan. Hal ini diperlukan untuk mengetahui posisi yang baik pada penempatan laser dan sensor di mekanik yang akan dibuat. Serta perbandingan data sudut, intensitas laser yang akan digunakan dan kaca yang digunakan layak atau tidak untuk penerapan metode Brewster. 2. Pembuatan mekanik alat harus dirancang dengan sangat teliti, terutama dalam penempatan posisi untuk laser, sensor, dan kaca. Karena hasil parameter data yang akan diukur merupakan sudut hasil pembentukan dari ketiga komponen laser, sensor dan kaca. Box tempat alat harus dibuat serata mungkin, panjang, tinggi dan lebar kanan-kirinya harus sama karena hal ini penting untuk penempatan posisi kaca yang tidak boleh bergeser sedikitpun dari keadaan awalnya. Lalu untuk penggunaan gear pada motor servo harus berbentuk sehalus mungkin, gerigi gear yang bergerak halus sangat membantu
dalam pembentukan sudut oleh laser dan sensor. Gear yang memiliki gerigi yang kecil bisa bergerak sekecil mungkin dan sudut yang dihasilkan besar juga akan akurat (kecil dan presisi). 3. Saat melakukan pengambilan data, harus dilakukan di dalam ruangan gelap dan vakum. Melakukan perbandingan atau perhitungan tentang teori penelitian lebih mendalam, serta yang paling penting diperhatikan adalah memperhatikan interaksi alat dengan parameter lingkungan yang bias menimbulkan noise terhadap cara kerja alat. 8. REFERENSI [1]. Budianto A, Sigit H, Subarkah,1995, Pengukuran indeks bias lapisan tipis SiO2 Dengan Metode Prisma Kopling Cahaya, PPNY-BATAN, Yogyakarta.pdf [2]. Ganijanti, A. 1981. Seri Fisika. Dasar Edisi ketiga. Gelombang dan Optika. Penerbit Universitas Indonesia (93-187). [3]. Halliday, D dan Resnick, R.1984. Fisika Jilid 2, Edisi ketiga. Jakarta: Penerjemah Pantur Silaban Ph.D dan Drs. Erwin Sucipto. Penerbit Erlangga (446-478). [4]. Jenkins and White. 1957. Fundamentals of Optics. Third Edition. New York, Toronto, London. McGraw Hill Book Company (495-507). [6]. Tipler, Paul. A. 2001. FISIKA-Edisi ketiga-jilid 2. Jakarta:Erlangga (442-467)