POLARISASI

POLARISASI

A.   Pengertian Polarisasi.

      Polarisasi merupakan proses pengkutuban atau penyerapan/pemfilteran cahaya sehingga dihasilkan arah gelombang cahaya yang sesuai. Polarisasi bisa kita rasakan saat siang hari yang cerah warna langit menjadi biru atau dalam dunia modern ini polarisasi dimanfaatkan untuk pemakaian kacamata polarisasi atau juga untuk kacamata 3D.

B.     Penyebab Terjadinya Polarisasi

1.      Polarisasi karena pemantulan (refleksi)

          Pemantulan akan menghasilkan cahaya terpolarisasi jika sinar pantul oleh benda bening dan sinar biasnya membentuk sudut 90. Di mana cahaya yang dipantulkan merupakan cahaya yang terpolarisasi sempurna, sedangkan sinar bias merupakan sinar terpolarisasi sebagian. Arah getar sinar pantul yang terpolarisasi akan sejajar dengan bidang pantul. Oleh karena itu sinar pantul tegak lurus sinar bias, berlaku  ip + r = 90° atau r = 90° – ip  

          Cahaya yang berasal dari cermin I adalah cahaya terpolarisasi akan dipantulkan ke cermin. Apabila cermin II diputar sehingga arah bidang getar antara cermin I dan cermin II saling tegak lurus, maka tidak akan ada cahaya yang dipantulkan oleh cermin II. Peristiwa ini menunjukkan terjadinya peristiwa polarisasi. Cermin I disebut polarisator, sedangkan cermin II disebut analisator. Polarisator akan menyebabkan sinar yang tak terpolarisasi menjadi sinar yang terpolarisasi, sedangkan  analisator akan menganalisis sinar tersebut merupakan sinar terpolarisasi atau tidak.

          Polarisasi karena pemantulan cahaya yang datang ke cermin dengan sudut datang sebesar 57o, maka sinar yang terpantul akan merupakan cahaya yang terpolarisasi. Cahaya yang berasal dari cermin I adalah cahaya terpolarisasi akan dipantulkan ke cermin.

          Apabila cermin II diputar sehingga arah bidang getar antara cermin I dan cermin II saling tegak lurus, maka tidak akan ada cahaya yang dipantulkan oleh cermin II. Peristiwa ini menunjukkan terjadinya peristiwa polarisasi. Cermin I disebut polarisator, sedangkan cermin II disebut analisator. Polarisator akan menyebabkan sinar yang tak terpolarisasi menjadi sinar yang terpolarisasi, sedangkan  analisator akan menganalisis sinar tersebut merupakan sinar terpolarisasi atau tidak.

 polarisasi gelombang karena pemantulan

2.      Polarisasi karena absorbsi selektif

            Teknik yang umum untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi  adalah menggunakan polaroid yang akan meneruskan gelombang gelombang yang arah getarnya sejajar dengan sumbu transmisi dan menyerap semua gelombang pada arah getar lainnya. Pada gambar 4 tampak dua buah polaroid, polaroid pertama disebut polarisator dan polaroid kedua disebut analisator. Polarisatorberfungsi untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi dari cahaya tak terpolarisasi (cahaya alami).Analisator berfungsi untuk mengurangi intensitas cahaya cahaya terpolarisasi. Polarisasi karena absorbsi.

            Selektif Polaroid adalah suatu bahan yang dapat menyerap arah bidang getar gelombang cahaya dan hanya melewatkan salah satu bidang getar. Seberkas sinar yang telah melewati polaroid hanya akan memiliki satu bidang getar saja sehingga sinar yang telah melewati polaroid adalah sinar yang terpolarisasi. Peristiwa polarisasi ini disebut polarisasi karena absorbsi selektif. Polaroid banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, antara lain untuk pelindung pada kacamata dari sinar matahari (kacamata sun glasses) dan polaroid untuk kamera.

            Prinsip kerja sistem adalah sebagai berikut, seberkas cahaya alami menuju polarisator. Di sini cahaya dipolarisasi secara vertikal, yaitu hanya komponen vektor medan listrik E yang sejajar dengan sumbu transmisi saja yang diteruskan sedangkan lainnya diserap. Cahaya terpolarisasi yang masih mempunyai kuat medan listrik belum berubah menuju analisator (sudut antara sumbu transmisi analisator dan polarisator adalah θ). Di analisator, semua komponen E yang sejajar sumbu analisator yang diteruskan. Jadi, kuat medan listrik yang diteruskan oleh analisator adalah

E2 = E cos θ   ……………………………(1)

            Jika cahaya alami tak terpolarisasi yang jatuh pada polaroid pertama (polarisator) memiliki intensitas Io, maka cahaya terpolarisasi yang melewati polarisator, I1 adalah

I1= 1/2 I0   ……………………………(2)

            Cahaya dengan intensitas I1 ini kemudian datang pada analisator dan cahaya yang keluar dari analisator akan memiliki intensitas I2 . menurut hukum Maulus, hubungan antara I2 dan I1 dapat dinyatakan

I2 = I1 cos2 θ = ½ I0 cos2 θ  …………………(3)

            Persamaan 3 menunjukkan bahwa analisator berfungsi untuk mengurangi intensitas cahaya terpolarisasi.

            Intensitas cahaya yang diteruskan oleh sistem Polaroid mencapai maksimum jika kedua sumbu polarisasi adalah sejajar (θ = 0o atau 180o) dan mencapai minimum jika kedua sumbu polarisasi saling tegak lurus atau 90o

            Polarisasi jenis ini dapat terjadi dengan bantuan kristal polaroid. Bahan polaroid bersifat meneruskan cahaya dengan arah getar tertentu dan menyerap cahaya dengan arah getar yang lain. Cahaya yang diteruskan adalah cahaya yang arah getarnya sejajar dengan sumbu polarisasi polaroid. Polaroid banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, antara lain untuk pelindung pada kacamata dari sinar matahari (kacamata sun glasses) dan polaroid untuk kamera.

            Suatu cahaya tak terpolarisasi datang pada lembar polaroid pertama disebut polarisator (Polarisator berfungsi untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi), dengan sumbu polarisasi ditunjukkan oleh garis-garis pada polarisator. Kemudian dilewatkan pada polaroid kedua yang disebut analisator (Analisator untuk mengetahui apakah cahaya sudah terpolarisasi atau belum). Maka intensitas sinar yang diteruskan oleh analisator I, dapat dinyatakan sebagai:               I= I0 cos2q     

            Dengan I0 adalah intensitas gelombang setelah melalui analisator.

Sudut q adalah sudut antara arah sumbu dan polarisator dan analisator.
Persamaan di atas dikenal dengan hukum malus, ditemukan oleh Etienne Louis Malus pada tahun 1809.

Dari persamaan hukum Malus ini dapat disimpulkan :

Intensitas cahaya yang diteruskan maksimum jika kedua sumbu polarisasi sejajar (q = 00 atau q = 1800).

           Intensitas cahaya yang diteruskan = 0 (nol) (diserap seluruhnya oleh analisator) jika kedua sumbu polarisasi tegak lurus satu sama lain.

      3.   Polarisasi karena pembiasan ganda

Polarisasi karena bias kembar dapat terjadi apabila cahaya melewati suatu bahan yang mempunyai indeks bias ganda atau lebih dari satu, Jika berkas kaca dilewatkan pada kaca, kelajuan cahaya yang keluar akan sama ke segala arah. Hal ini karena kaca bersifat homogen, indeks biasnya hanya memiliki satu nilai. Namun, pada bahan-bahan kristal tertentu misalnya kalsit, mika, Kristal gula, Kristal es dan kuarsa, kelajuan cahaya di dalamnya tidak seragam karena bahan-bahan itu memiliki dua nilai indeks bias (birefringence).

Cahaya yang melalui bahan dengan indeks bias ganda akan mengalami pembiasan dalam dua arah yang berbeda. Sebagian berkas akan memenuhi hukum Snellius (disebut berkas sinar biasa yang arah cahayanya Lurus dan cahaya ini tidak terpolarisasi), sedangkan sebagian yang lain tidak memenuhi hukum Snellius (disebut berkas sinar istimewa yang cahayanya di belokan dan cahaya ini cahaya yang terpolarisasi).

      4.   Polarisasi karena hamburan

Polarisasi cahaya karena peristiwa hamburan dapat terjadi pada peristiwa terhamburnya cahaya matahari oleh partikel-partikel debu di atmosfer yang menyelubungi Bumi. Cahaya matahari yang terhambur oleh partikel debu dapat terpolarisasi. Itulah sebabnya pada hari yang cerah langit kelihatan berwarna biru karena cahaya biru memiliki panjang gelombang lebih pendek daripada cahaya merah. Hal itu disebabkan oleh warna cahaya biru dihamburkan paling efektif dibandingkan dengan cahaya-cahaya warna yang lainnya.

Jika cahaya dilewatkan pada suatu medium, partikel-partikel medium akan menyerap dan memancarkan kembali sebagian cahaya itu. Penyerapan dan pemancaran kembali cahaya oleh partikel-partikel medium ini dikenal sebagai fenomena hamburan. Pada peristiwa hamburan, cahaya yang panjang gelombangnya lebih pendek cenderung mengalami hamburan dengan intensitas yang besar. Hamburan ini dapat diamati pada warna biru yang ada di langit kita.Hamburan cahaya oleh partikel kecil bahan adalah salah satu fenomena alam yang indah. Langit biru dan merahnya sunset adalah peristiwa hamburan. Seperti sinar matahari melewati atmosfer, sebagian besar diserap oleh molekul udara dan dengan seketika diberikan pada beberapa arah yang baru. Fenomena hamburan sama dengan perilaku gelombang air pada benda yang mengapung. Ketika sebuah batu kecil tenggelam dalam air yang sama, sebuah gabus kecil yang mengapung akan bergerak naik turun dengan frekuensi dari gelombang yang melewatinya. Gelombang cahaya divisualisasikan bergerak dalam cara yang sama pada molekul udara. Pertama sebuah gelombang cahaya mengatur sebuah molekul atau partikel ke dalam sebuah getaran, gelombang dapat dipancarkan lagi.

Kristal diploid adalah Kristal yang dapat menyerap secara selektif salah satu komponen yang tegak lurus dari cahaya alam (takterpolarisasi). Kristal ini mempunyai sumbu yang jika medan listrik cahaya terpolarisasi linier sejajar dengan sumbu ini dating pada Kristal, maka cahaya akan diteruskan dengan redaman yang sangat kecil. Sumbu ini disebut sumbu mudah atau sumbu polarisasi. Biasanya dipasang dua buah Kristal diploid sebagai polarisator dan yang lain sebagai analisator. Jika sumbu mudah kedua Kristal saling tegak lurus, maka tidak ada cahaya yang sampai dapat menembus analisator (medan listrik terserap sempurna). Jika sumbu mudah analisator membentuk sudut terhadap sumbu mudah polarisator, maka cahaya akan dapat sampai pada pengamat dengan intensitas sebesar:

I1= I0 cos2 θ    ................................(4).

Dengan: I1= Intensitas cahaya setelah melewati analisator I0= Intensitas cahaya sebelum melewati analisator θ = Sudut yang dibentuk antara sumbu mudah polarisator dan analisator.

5.      Polarisasi karena Pemantulan dan Pembiasan
 

            Berdasarkan hasil eksperimen yang dilakukan para ilmuwan Fisika menunjukkan bahwa polarisasi karena pemantulan dan pembiasan dapat terjadi apabila cahaya yang dipantulkan dengan cahaya yang dibiaskan saling tegak lurus atau membentuk sudut 90o.

Di mana cahaya yang dipantulkan merupakan cahaya yang terpolarisasi sempurna, sedangkan sinar bias merupakan sinar terpolarisasi sebagian.  Sudut datang sinar yang dapat menimbulkan cahaya yang dipantulkan dengan cahaya yang dibiaskan merupakan sinar yang terpolarisasi.

Sudut datang seperti ini dinamakan sudut polarisasi (ip) atau sudut Brewster. Pada saat sinar pantul dan sinar bias saling tegak lurus (membentuk sudut 90o) akan berlaku        ketentuan bahwa :
i + r = 90o atau r = 90o – i

Contoh Soal:

     1.   Ujung seutas tali digetarkan harmonik dengan periode 0,5 s dan amplitudo 6 cm.    Getaran ini merambat ke kanan sepanjang tali dengan cepat rambat 200 cm/s. Tentukan:

a. Persamaan umum gelombang

b Simpangan, kecepatan, dan percepatan partikel di P yang berada 27,5 cm dari ujung tali yang digetarkan pada saat ujung getar telah bergetar 0,2 s

c. Sudut fase dan fase partikel di P saat ujung getar telah bergetar

0,2 s

   Beda fase antra dua partikel sepanjang tali yang berjarak 25 cm

   Penyelesaian:

a.       T = 0,5 s ; A = 6 cm=0,06m ; v = 200 cm/s  =2 m/s; gel.

merambat ke kanan

       ω        =2π/T = 2π/0,5 = 4p rad/s

      f          =1/T = 1/0,5s = 2

 λ         =v/f =  2/2 = 1m

       k         = 2π

      ω 2π/T = 2π/0,5 = 4π rad/s.

    Persamaan umum gelombang:

   y= A sin 2π( )= A sin (ωt – kx)

               y = 0,06 sin 2π

               y= 0,06 sin 2π(2t – x)

            b).  x = 27,5 cm = 0,275 m ; t = 0,2 s

                  Simpangan gelombang:

                  y = 0,06 sin 2π(2t – x) =0,06 sin 2π(2. (0,2) – 0,275)

                  y = 0,06 sin 2π(0,4 – 0,275) = 0,06 sin 2π(0,125) =  0,06 sin

(0,25π)

                  y = 0,06 sin(45o) = 0,06 (1/2 )= 0,03  m

                  Kecepatan gelombang:

                  vy = ω.A. cos (ωt – kx) = 4π (0,06) cos 45o =  0,12  m/s

                  Percepatan gelombang:

                  Ay = - ω2.A. sin (ωt – kx) = - (4π)2 (0,06) sin 45o

                  Ay = - 0,96π2 (1/2 )= - 0,48π2 m/s2

 c)     Sudut fase,  θ=2πφ = 2π(2t – x)= 0,25π ;  Fase, φ=θ/2π=

0,25π/2π =1/8.    

          d)     x = 25 cm =0,25m

                  Beda fase, Δφ=Δx/λ =  0,25/1 =0,25

 2)   Suatu gelombang sinusoidal dengan frekuensi 500 Hz memiliki cepat   rambat 350 m/s.

          a. Berapa jarak pisah antara dua titik yang berbeda fase π/3 rad?

          b. berapa beda fase pada suatu partikel yang berbeda waktu 1 ms?

          Penyelesaian:

          f=500 Hz, v=350 m/s,  λ = v/f = 350/500= 7/10  m/s

          a)  Jarak pisah antara dua titik yang berbeda fase π/3 rad:

                Δθ= π/3;   Δφ=Dθ/2π = 1/6;  Δφ=Dx/λ  ® Δx=Δφ.λ  =(1/6)(7/10)= 7/60

          b)  Beda fase suatu partikel: t = t2 – t1 = 1 ms = 1 x 10-3 s

                Dφ =φ 2 - φ1 = (t1 – t2) f  = - (1 x 10-3 s) 500 Hz =  - ½ .