Bab 2 Tinjauan Pustaka
2.7. Absorpsi Gelombang Elektromagnet
Pada dasarnya suatu material jika dikenai gelombang electromagnet
maka akan mengalami interaksi antara material dengan gelombang electromagnet. Misalkan suatu bahan memiliki ketebalan x dikenai gelombang electromagnet dengan intensitas maka gelombang electromagnet akan mengalami attenuasi sehingga intensitas yang keluar dari material menjadi
(2.15)
dengan µ adalah konstanta. Dari persamaan (2.15) terlihat semakin tebal bahan
maka energi gelombang electromagnet semakin banyak yang diserap.
x
Namun seiring dengan perkembangan zaman, material absorber yang dibutuhkan adalah bahan yang tipis tapi memiliki kemampuan absorpsi yang maksimal. Selain karena ketebalan suatu bahan, absorpsi gelombang elektomagnet juga terjadi akibat interaksi gelombang dengan material yang menghasilkan efek rugi-rugi energy yang umumnya didisipasikan dalam bentuk panas. Dalam hal ini material absorber dibagi menjadi dua yakni material dielektrik dan magnetic. Pada bahan dielektrik energy gelombang electromagnet diserap sehingga terjadi polarisasi yang mengikuti arah medan listrik. Ketika gelombang electromagnet berubah-ubah terhadap waktu maka arah polarisasi juga berubah-ubah sehingga terjadi gesekan antar molekul yang menimbulkan panas.
Gambar 2.20. Pengaruh medan listrik pada bahan dielektrik (telah diolah kembali)
Hal yang analog juga terjadi pada bahan ferromagnetik. Ketika medan magnet mengenai bahan ferromagnet maka energy gelombang electromagnet akan digunakan untuk menyearahkan momen magnet. Untuk material absorber yang baik dibutuhkan bahan magnetic yang memiliki koersifitas yang rendah.
Karakteristik dielektrik dan magnetik suatu bahan direpresentasikan oleh permitifitas kompleks dan permeabilitas kompleks [33]
(2.16)
Dimana , tanda ‘ dan ‘’ bagian real dan imaginer. Impedansi yang tiba pada material ditunjukkan
(2.18)
Dimana d adalah ketebalan sampel, adalah faktor propagasi kompleks
(2.19)
f adalah frekuensi dan c adalah kecepatan gelombang elektomagnet dalam ruang
vakum.
Reflektifitas radiasi electromagnet, Γ, dalam gelombang normal yang tiba pada permukaan material ditunjukkan
(2.20)
Dan reflection loss- nya, R (dB), didefinisikan sebagai
= (2.21)
Dimana adalah bilangan kompleks dan adalah modulus dari . Sedangkan adalah impedansi pada ruang hampa.
(2.22)
Nilai H/m dan F/m, sehingga diperoleh . Kondisi impedansi yang cocok saat menunjukkan bahwa terjadi penyerapan yang sempurna.
Secara umum criteria material absorber yang baik haruslah memiliki permeabilitas dan permitifitas yang tinggi. Selain itu diperlukan resistifitas yang tinggi dan saturasi magnet tinggi.
2.7.1. Permeabilitas
Permeabilitas (H·m−1) atau (N·A−2) adalah ukuran kemampuan suatu bahan untuk mensupport pembentukan medan magnet dalam dirinya. Dengan kata lain adalah tingkat magnetisasi bahan akibat respons terhadap medan magnet yang
diterapkan. Permeabilitas konstan ( 0), juga dikenal sebagai konstanta magnetik atau permeabilitas ruang bebas adalah ukuran jumlah hambatan yang ditemui ketika membentuk medan magnet dalam kondisi vakum (µ0 = 4π×10−7 ≈
1.β566γ70614… × 10−6 H·m−1 or N·A−2). Dalam elektromagnetisme, medan magnet H mempengaruhi sekumpulan dipol magnetik menghadirkan medan magnet B dalam media tertentu, termasuk migrasi dipole dan reorientasi dipole magnetik. Hubungannya dengan permeabilitas adalah
(2.23)
Dalam bahan feromagnetik, hubungan antara B dan H non-linearitas dan membentuk pola hysteresis. Dalam media nonlinear, permeabilitas dapat bergantung pada kekuatan medan magnet. Secara umum, permeabilitas tidak konstan, karena dapat bervariasi terhadap posisi dalam medium, frekuensi medan yang diterapkan, kelembaban, suhu, dan parameter-parameter lainnya.
Permeabilitas relatif, kadang-kadang dilambangkan dengan simbol r, adalah rasio
permeabilitas media terhadap permeabilitas ruang bebas, 0.
(2.24)
Permeabilitas sebagai fungsi frekuensi dapat berupa nilai-nilai riil atau kompleks. Dalam prakteknya, permeabilitas umumnya sebagai fungsi frekuensi. Pada frekuensi tinggi, medan magnet H dan B saling bertautan satu sama lainnya dengan beberapa jeda waktu sehingga terbentuk permeabilitas kompleks. Sedangkan pada frekuensi rendah, medan magnet H dan B linier dan sebanding satu sama lain melalui beberapa permeabilitas skalar. Sehingga medan magnet H dan B dapat didefinisikan sebagai :
(2.25)
Dengan adalah penundaan fase B dari H. Permeabilitas merupakan rasio dari medan magnet B dengan medan magnet H, maka dapat ditulis sebagai
(2.26)
sehingga permeabilitas menjadi bilangan kompleks. Dengan rumus Euler, permeabilitas kompleks dapat diterjemahkan menjadi
(2.27)
Sedangkan rasio antara bagian imajiner terhadap riil dari permeabilitas komplek ini disebut dengan loss tangent permeabilitas.
2.7.2. Permitivitas
Permitivitas (F.m-1) adalah ukuran kemampuan suatu bahan ketika membentuk medan listrik dalam suatu media. Dengan kata lain, permitivitas adalah ukuran berapa besar medan listrik mempengaruhi dan dipengaruhi oleh media dielektrik. Permitivitas medium menggambarkan seberapa banyak fluks medan listrik yang dihasilkan per unit muatan dalam media itu. Fluks medan listrik berlebih yang ada dalam bahan dengan permitivitas tinggi (per unit muatan) dapat mengakibatkan efek polarisasi. Permitivitas secara langsung berkaitan dengan kerentanan medan listrik yang merupakan ukuran seberapa mudah polarisasi dielektrik terjadi dalam merespon medan listrik. Dengan demikian, permitivitas dapat didefinisikan sebagai :
(2.29)
dengan εr adalah permitivitas relatif bahan, dan ε0 = 8,854187817... × 10-12 F.m-1 adalah permitivitas vakum.
Sebuah spektrum permitivitas dielektrik umumnya sebagai fungsi frekuensi, sehingga permitivitas relatifnya menjadi permitivitas komplek yang dinotasikan
sebagai ε’ dan ε”. ε’ dan ε” berturut-turut menunjukkan permitivitas bagian riil dan imajiner. Dengan demikian permitivitas relatif dapat didefinisikan sebagai :
(2.30)
Sedangkan rasio antara bagian imajiner terhadap riil dari permeabilitas komplek ini disebut juga dengan loss tangent permitivitas.
(2.31)
Loss tangent ini yang memberikan ukuran berapa besar daya yang hilang dalam bahan terhadap daya yang diserap.
2.7.3. Reflection Loss
Telah banyak diketahui bahwa parameter dielektrik dan magnetik meliputi vektor medan listrik E, medan magnet H, medan induksi B, diplacement D, polarisasi P, dan magnetisasi M. Interaksi medan listrik dalam bahan mengikuti pola yang mirip dengan interaksi magnetik dalam bahan. Salah satu syarat yang harus dipenuhi untuk aplikasi praktis sebagai penyerap gelombang elektromagnetik adalah bahwa bahan ini harus memiliki nilai permeabilitas dan permitivitas setinggi mungkin dengan saturasi magnet yang tinggi. Permitivitas dalam farad per meter dan permeabilitas dalam henry per meter. Dalam hal penyerapan energi gelombang EM, keseluruhan interaksi dapat diwakili oleh impedance matching dari material (Zin) yang bersifat dielektrik dan magnetik dengan impedance udara sebagai fungsi frekuensi. Penyesuai impedansi adalah hal yang penting dalam rentang frekuensi gelombang mikro. Suatu saluran transmisi yang diberi beban yang sama dengan impedansi karakteristik mempunyai standing wave ratio (SWR) sama dengan satu, dan mentransmisikan sejumlah daya tanpa adanya refleksi gelombang. Juga efisiensi penyerapan menjadi optimum jika tidak ada daya yang direfleksikan. Matching mempunyai pengertian memberikan impedansi yang sama dengan impedansi karakteristik gelombang elektromagnetik.
(2.32)
(2.33)
(2.34)
Dengan RL, Zin, Zo, o, o, r, r, f, c, dan d berturut-turut adalah reflection loss, impedance bahan absorber, impedance gelombang EM di udara, permeabilitas udara, permitivitas udara, permeabilitas relatif bahan, permitivitas relatif bahan,
frekuensi, kecepatan cahaya, dan ketebalan bidang absorp bahan. Jadi secara umum impedance bahan absorber dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu faktor intrinsik dan ekstrinsik. Faktor instrinsik ditentukan oleh sifat permeabilitas dan permitivitas bahan absorber, sedangkan faktor ekstrinsik ditentukan oleh faktor ketebalan bidang bahan absorp.