Pengukuran kecepatan cahaya di udara dengan metoda transmisi gelombang elektromagnetik pada kabel koaksial.

(1)

ABSTRAK

PENGUKURAN KECEPATAN CAHAYA DI UDARA DENGAN METODE TRANSMISI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

PADA KABEL KOAKSIAL

(2)

ABSTRACT

THE MEASUREMENT OF THE SPEED OF LIGHT IN THE AIR USING THE ELECTROMAGNETIC WAVE TRANSMISSION METHODS IN

THE COAXIAL CABLE

The measurement of the speed of light in the air has been done by transmitting the electromagnetic wave signal through the coaxial cable with air medium, that its length are 12m, 18m, 24m and 30 m. The time interval which is needed the signal traveling across the line is showed from data appearing on the CRO screen. The signal which is transmitted will travel from the transmitter to the receiver and be reflected back again to the transmitter. Through this reflection phenomenon, it can be known that the value of the speed of light is

.

(

2,2 0,2

)

10 m/s

(3)

PENGUKURAN KECEPATAN CAHAYA DI UDARA DENGAN METODA TRANSMISI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

PADA KABEL KOAKSIAL

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Sains

Program Studi Fisika

Jurusan Studi Fisika

Oleh :

DEBORA ROMAULINA NAINGGOLAN NIM : 003214007

PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

(4)

SKRIPSI

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to obtain the Sarjana Sains Degree In Physics

By:

DEBORA ROMAULINA NAINGGOLAN NIM : 003214007

(5)

(6)

(7)

Skripsi ini saya persembahkan

untuk Yesus Kristus Putra Allah

yang senantiasa mendengar keluh kesah,

menjawab doa dan memampukan saya

menghadapi hidup.

Bapa n Mama kalian adalah hal terpenting dalam hidupku.

Mauliate di tangiang, support,

kasih sayang yang tak pernah berkurang

n maaf kalau pernah membuat kecewa.

Tak ada kata-kata yang bisa debo ucapkan selain terimakasih

untuk semua yang telah kalian punya dan berikan untuk debo.

Abang n adikku yang selalu mendoakan saya.

ÂhÇàâ~ áxztÄt áxáâtàâ twt ÅtátÇçt? âÇàâ~ tÑt ÑâÇ w|

utãt{ ÄtÇz|à twt ãt~àâÇçtA Â ;cxÇz~{Éàut{ FMD<

Â ^tÜxÇt |àâ T~â uxÜ~tàt ~xÑtwtÅâM tÑt át}t çtÇz ~tÅâ

Å|Çàt wtÇ wÉt~tÇ? ÑxÜvtçtÄt{ ut{ãt ~tÅâ àxÄt{

ÅxÇxÜ|ÅtÇçt? Åt~t {tÄ |àâ t~tÇ w|uxÜ|~tÇ ~xÑtwtÅâAÊ

;`tÜ~âá DDMEG<

(8)

(9)

(10)

ABSTRAK

PENGUKURAN KECEPATAN CAHAYA DI UDARA DENGAN METODE TRANSMISI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

PADA KABEL KOAKSIAL

(11)

ABSTRACT

The measurement of the speed of light in the air has been done by transmitting the electromagnetic wave signal through the coaxial cable with air medium, that its length are 12m, 18m, 24m and 30 m. The time interval which is needed the signal traveling across the line is showed from data appearing on the CRO screen. The signal which is transmitted will travel from the transmitter to the receiver and be reflected back again to the transmitter. Through this reflection phenomenon, it can be known that the value of the speed of light is

.

(

2,2 0,2

)

10 m/s

(12)

(13)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Yesus Kristus atas segala kasih dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Skripsi ini berjudul : ”PENGUKURAN KECEPATAN CAHAYA DI UDARA DENGAN METODE TRANSMISI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK PADA KABEL KOAKSIAL”, yang diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Fisika Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis baik berupa waktu, tenaga, bimbingan, dorongan, dan sumbang saran yang penulis butuhkan dalam penyelesaian skripsi ini. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Dr. Ign. Edi Santosa M.S. selaku dosen pembimbing yang dengan sabar membimbing penulis dari awal hingga akhir penyusunan tugas akhir. 2. Ir. Sri Agustini M.Si selaku pembimbing akademik dan Kepala Jurusan

Progaram Studi Fisika.

3. Drs.Drs. Vet Asan Damanik M.Sc. Yang juga turut membantu dalam penyelesaian tugas akhir.

(14)

5. Bapa dan mama yang telah mencurahkan segalanya dengan penuh sukacita, penuh kasih sayang dan dorongan semangat yang tak pernah henti kalian berikan.

6. Tulang dan inang tulang J. Manihuruk SH yang telah memberikan kasih sayang tulang yang tidak pernah debo rasakan. Makasih ya tulang dan nantulang.

7. Amang Pdt.Gurning M.min dan inang yang selalu membantu.

8. Uda Pdt. Maradong Nainggolan, kasih sayang seorang uda telah kudapatkan dan kurasakan dari kasih dan perhatian dari uda. You are my best uda.

9. Pemuda- pemudi GKPI Yk, Naposo Nainggolan buat semangat, pertemanan dan persaudaraan kalian.

10.Guru sekolah minggu n anak sekolah minggu GKPI Yk. Thanks buat doa-doa, dukungan, senyuman dan kelucuannya.

11.Teman-teman seperjuangan, Asri, Ridwan Burju, Lori Kamboja, Iman, Kia, ……anak Fis 2kg, 2kg2.

(15)

DAFTAR ISI

Halaman

Halaman Judul Indonesia ……...………... i

Halaman Judul Inggris ………... ii

Halaman Persetujuan Pembimbing………... iii

Halaman Pengesahan ………. iv

Halaman Persembahan………... v

Pernyataan Keaslian Karya………... vi

Abstrak ………... vii

Abstract………...……… viii

Lembar Publikasi ………... ix

Kata Pengantar………...………. x

Daftar Isi ………...…. xii

Daftar Gambar………..…….. xiv

Daftar Tabel………...………. xv

Daftar Grafik ……….. xvi

Bab I. Pendahuluan………. 1

A. Latar Belakang……….. 1

B. Rumusan Masalah………. 3

C. Batasan Masalah………...……. 3

D. Tujuan Penelitian ………...….. 3

E. Manfaat Penelitian ……… 3

F. Sistematika Penulisan……… 4

Bab II. Dasar Teori……….. 5

A. Gelombang……… 5

B. Jalur Transmisi……….. 11

Bab III. Metodologi Penelitian………...…... 17

A. Tempat Penelitian ………...………. 17

B. Alat dan Bahan……….. 17

(16)

D. Prisip Kerja Alat………...…... 19

E. Langkah-langkah Eksperimen... 20

F. Metode Analisa Data... 21

Bab IV. Hasil dan Pembahasan... 23

A. Hasil... 23

B.Pembahasan... 28

Bab V. Penutup... 33

A. Kesimpulan... 33

B. Saran... 33

Daftar Pustaka... 34

(17)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Medan listrik dan medan magnet gelombang elektromagnet di dalam sistem koordinat cartesian.

7

Gambar 2.2 Pola medan listrik dan medan magnet pada kabel koaksial. 12 Gambar 2.3 Skema transmisi pulsa gelombang elektromagnetik pada kabel

koaksial.

14

Gambar 2.4 Pulsa yang tampak pada layar CRO. 16 Gambar 3.1 Gambar rangkaian alat yang akan digunakan untuk mengukur

kecepatan cahaya menggunakan kabel koaksial

17

Gambar 4.1 Gambar perjalanan pulsa yang ditransmisikan pada kabel koaksial bermedium polivinil

23

Gambar 4.2 Pulsa setelah ditransmisikan pada kabel koaksial bermedium udara dan dipantulkan oleh tahan nol untuk panjang kabel 30 m.

(18)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pengukuran selang waktu pada panjang kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 12 m untuk tahanan nol.

25

Tabel 4.2 Pengukuran selang waktu pada panjang kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 18 m untuk tahanan nol

25

Tabel 4.3 Pengukuran selang waktu pada panjang kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 24 m untuk tahanan nol

26

Tabel 4.4 . Pengukuran selang waktu pada panjang kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 30 m untuk tahanan nol

27

Tabel 4.5 Pengukuran selang waktu pada berbagai panjang kabel koaksial bermedium udara untuk tahanan nol

(19)

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Hubungan antara ∆l terhadap ∆t pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 12 m untuk tahanan nol.

25

26

27

Grafik 4.5 Hubungan antara ∆l terhadap ∆t pada berbagai panjang kabel koaksial bermedium udara untuk tahanan nol.

(20)

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Cahaya sudah menjadi salah satu bagian yang penting dalam kehidupan manusia. Salah satu konsep dalam ilmu fisika yaitu bahwa cahaya dapat diperlakukan sama dengan gelombang elektromagnetik.

Cahaya dapat melintas melalui medium hampa dan medium tidak hampa. Bila cahaya melintas melalui medium tidak hampa, kecepatannya lebih kecil daripada dalam medium hampa. Kecepatan cahaya dalam

medium hampa yaitu 2,99792458 m/s [Sears dan Zemansky, 1982]. Kecepatan cahaya tersebut merupakan tetapan yang universal.

8

10

×

(21)

diatur sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipantulkan dapat melewati celah dalam roda tersebut [Tipler, 2001]. Foucoult melakukan pengukuran kecepatan cahaya dengan metoda cermin berputar pada tahun 1862, dan Albert A Michelson melakukan mengukur kecepatan cahaya dengan metoda prisma berputar pada tahun 1926 dan 1931 [Halliday, 1988].

James Clerk Maxwell membuat suatu teori keelektromagnetan dalam bentuk persamaan yang dikenal dengan persamaan-persamaan Maxwell. Melalui teorinya tersebut, Maxwell menunjukkan bahwa gelombang elektromagnet yang merambat terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus arah rambatnya. Maxwell menghitung kecepatan gelombang elektromagnet, didapat bahwa gelombang elektromagnet yang merambat di ruang bebas mempunyai kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Berdasarkan perhitungan kecepatan gelombang elektromagnet tersebut, Maxwell menarik kesimpulan bahwa cahaya merupakan salah satu bentuk dari gelombang elektromagnetik.

(22)

bentuk gelombang elektromagnetik, maka kecepatan yang didapat pada eksperimen ini merupakan kecepatan cahaya di udara.

B. Rumusan Masalah

Rumusan masalah pada penelitian ini adalah bagaimana mengukur kecepatan cahaya di udara dengan metoda transmisi gelombang elektromagnetik pada kabel koaksial bermedium udara.

C. Batasan Masalah

Penelitian ini dibatasi hanya pada gelombang elektromagnetik yang ditransmisikan pada kabel koaksial bermedium udara.

D. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah dapat mengukur kecepatan cahaya dengan mengukur kecepatan gelombang elektromagnetik yang ditransmisikan pada kabel koaksial bermedium udara.

E. Manfaat Penelitian

(23)

F. Sistematika Penulisan

Penelitian ini akan dituliskan dengan sistematika sebagai berikut: BAB I Pendahuluan

Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan tujuan penelitian.

BAB II Dasar Teori

Bab ini menguraikan tentang teori gelombang elektromagnetik, teori jalur transmisi.

BAB III Eksperimen

Bab ini menguraikan tentang alat yang digunakan, prosedur, metode dalam bereksperimen.

BAB IV Hasil dan Pembahasan

Bab ini menguraikan tentang hasil dan pembahasan dari eksperimen yang dilakukan.

BAB V Penutup

(24)

BAB II DASAR TEORI

A. Gelombang

Gelombang adalah energi yang merambat dalam suatu medium. Pada gelombang merambat terjadi perpindahan energi dari satu tempat ke tempat yang lain. Salah satu bentuk gelombang yaitu gelombang elektromagnet dimana perambatannya berupa energi elektromagnetik. Energi elektromagnetik tersebut terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang berubah terhadap waktu.

Energi elektromagnetik dalam gelombang elektromagnetik yang merambat saling tegak lurus, dan keduanya tegak lurus terhadap arah rambatnya. Perubahan medan listrik terhadap waktu menimbulkan medan magnet, dan sebaliknya. Perubahan medan magnet terhadap waktu menimbulkan medan listrik [Sutrisno, 1979].

(25)

t B E

∂ ∂ − = ×

∇ (2.4)

arus pergeseran listrik D sama dengan hasil kali kuat medan listrik E

dengan permitivitas medium ε. ε E

Dr = r (2.5)

Rapat flux magnet B adalah kuat medan magnet H dikalikan dengan permeabilitas medium µ.

µ H

Br = r (2.6)

dimana, D = arus pergeseran listrik

E = kuat medan listrik

ε = permitivitas medium

B = rapat flux magnet

H = kuat medan magnet

µ = permeabilitas medium

Gelombang elektromagnetik yang merambat dimisalkan ke dalam sistem koordinat cartesian seperti pada gambar 2.1. Pada gambar tersebut

diperlihatkan bahwa Er tegak lurus terhadap Hr dan keduanya tegak lurus

terhadap arah rambat sumbu x. Dimisalkan kuat medan listrik Er berada

pada sumbu y, maka Er = E_yjˆ. Medan listrik tegak lurus terhadap medan

magnet, sehingga kuat medan magnet H berada pada sumbu z, maka

(26)

arah rambat Hz Ey y x z

Gambar 2.1 Gambar medan listrik dan medan magnet gelombang elektromagnet didalam sistem koordinat

Di dalam gelombang elektromagnetik, medan listrik dan medan magnet saling mempengaruhi. Perubahan medan magnet menimbulkan medan listrik dan perubahan medan listrik menimbulkan medan magnet. Pada gambar 2.1 medan listrik E dan medan magnet H tegak lurus terhadap arah rambatnya [Johannes,1978]. Medan listrik E berada pada sumbu y maka persamaan 2.3 menjadi :

(

Di D j Dk

)

t k y H x H j x H z H i z H y H z y x x y z x y

z ˆ ˆ ˆ ˆ+ ˆ+ ˆ

∂ ∂ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ (2.7)

berdasarkan persamaan 2.5 maka menjadi :

(

E i E j E k

)

t k y H x H j x H z H i z H y H z y x x y z x y

z _ˆ _ˆ ˆ _ˆ+ _ˆ+ ˆ

(27)

j t E j x H z

Hx z _ˆ y _ˆ

∂ ∂ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ _ε (2.9) j t E j x

H_z _ˆ y _ˆ

∂ ∂ = ∂ ∂

− ε (2.10)

t E

x

H_z y

∂ ∂ − = ∂ ∂ _ε (2.11)

Dengan permisalan pada gambar 2.1 maka persamaan 2.4 menjadi :

(

Bi B j Bk

)

t k y E x E j x E z E i z E y E z y x x y z x y

z ˆ ˆ ˆ ˆ+ ˆ+ ˆ

∂ ∂ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ (2.12) dari persamaan 2.6 maka persamaan 2.12 menjadi :

(

H i H j H k

)

t k y E x E j x E z E i z E y E z y x x y z x y

z _ˆ _ˆ ˆ _ˆ+ _ˆ+ ˆ

∂ ∂ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂ _µ (2.13)

karena medan magnet B mempunyai komponen pada arah sumbu z maka menjadi : k t H k y E x E z x

y _ˆ _ˆ

∂ ∂ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ − ∂ ∂

µ (2.14)

k t H k x E z

y _ˆ _ˆ

∂ ∂ − = ∂ ∂

µ (2.15)

Persamaan (2.15) dan (2.11) dapat ditulis dalam bentuk :

(28)

Persamaan (2.16) diturunkan terhadap x menjadi : x t H x E ∂ ∂ ∂ − = ∂ ∂ 2 2 2

µ (2.18)

dan persamaan (2.17) diturunkan terhadap t menjadi :

2 2 2 t E t x H ∂ ∂ − = ∂ ∂ ∂ _ε (2.19)

Persamaan (2.19) disubsitusikan ke dalam persamaan (2.18) sehingga menjadi : 2 2 2 2 t E x E ∂ ∂ = ∂ ∂ _µε (2.20)

Persamaan gelombang untuk medan listrik E adalah :

(

kx t

)

E

E= ₀sin −ω (2.21)

dengan : E = simpangan medan listrik gelombang elektromagnetik pada saat t dan jarak x.

E0 = amplitudo gelombang elektromagnetik.

k = bilangan gelombang elektromagnetik ⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ π = 2 k .

λ = panjang gelombang.

ω = frekuensi sudut gelombang elektromagnetik

( )

2πf .

Jika persamaan diturunkan dua kali terhadap x maka menjadi :

(29)

dengan demikian dari persamaan 2.22 dan persamaan 2.23 didapat : 2 2 2 2 2 2 2 1 t E f x E ∂ ∂ λ = ∂ ∂ (2.24)

dimana λ kali f merupakan kecepatan gelombang ( λ f = v ). maka persamaan 2.24 menjadi :

2 2 2 2 2 2 1 t E v x E ∂ ∂ = ∂ ∂ (2.25)

Dari persamaan 2.20 dan 2.25 maka dapat ditarik kesimpulan bahwa gelombang elektromagnet yang merambat di dalam medium dengan permitivitas ε dan permeabilitas µ mempunyai kecepatan sebesar :

µε 1

=

v (2.26)

Kecepatan gelombang elektromagnet yang merambat dipengaruhi oleh permeabilitas dan permitivitas dari medium.

Jika gelombang elektromagnet merambat di dalam medium hampa, maka kecepatan gelombang elektromagnet adalah sebesar [Sears dan Zemansky, 1982]: 0 0 1 ε µ =

v (2.27)

s m v=3,00×108 /

Dari perhitungan yang dilakukan Maxwel didapat bahwa kecepatan gelombang elektromagnet di dalam medium hampa sama dengan

kecepatan cahaya m/det [Tipler, 1991]. Maxwell menarik kesimpulan bahwa cahaya merupakan salah satu bentuk dari gelombang

8

10 3×

=

(30)

elektromagnetik.

Berdasarkan kesimpulan Maxwell, maka kecepatan cahaya di medium dapat diketahui dengan menghitung kecepatan gelombang elektromanetik menggunakan persamaan (2.26). Kecepatan gelombang elektromagnetik yang merambat di dalam medium bukan hampa lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan gelombang elektromagnetik yang merambat di dalam medium hampa. Hal ini karena pengaruh dari mediumnya. Telah disimpulkan bahwa cahaya merupakan salah satu bentuk gelombang elektromagnetik. Dengan demikian kecepatan cahaya juga dapat diketahui menggunakan persamaan Maxwell.

B. Jalur Transmisi

(31)

(gambar 2.2a).

P1 P2

Gambar 2.2 (a) Medan listrik dan medan magnet pada kabel koaksial, memperlihatkan gelombang yang berjalan dengan kecepatan c. (b) penampang sebuah bidang jika dilihat dari depan.

Pada gambar 2.2a dapat dilihat bahwa medan listrik tegak lurus terhadap medan magnet. Saat medan listrik E mengarah ke bawah maka medan magnet B akan menjauhi pembaca. Ketika medan listrik E

mengarah ke atas maka medan magnet B mendekati pembaca. Gambar 2.2b merupakan gambar pola pada saat p1 yang dilihat dari atas. Dapat dilihat, medan listrik mengarah ke pusat dan medan magnet mengelilingi pusat. Ketika pola tersebut dilihat saat p2, maka akan terlihat bahwa medan listrik akan mengarah ke luar dan medan magnet akan mengelilingi pusat. Demikian seterusnya sampai pada potongan pola terakhir.

(32)

mencapai maksimum pada waktu yang bersamaan di sebuah titik atau kedudukan di sepanjang kabel koaksial.

Pada kabel koaksial, konduktor luar membentuk suatu perisai yang membatasi gelombang pada medium rambat diantara konduktor-konduktor. Osilasi sinyal dalam kabel ini tidak berlangsung terus-menerus. Sinyal tersebut mengalami pelemahan saat dirambatkan karena sebagian tenaga dari medan listrik dan medan magnet didisipasikan menjadi tenaga termal. Osilasi sinyal tersebut sekali mulai maka lama-kelamaan akan lenyap [Halliday, 1988].

(33)

bawah ini.

konduktor luar CRO

l

a

b kabel koaksial

sumber

Gambar 2.3 skema transmisi pulsa gelombang elektromgnetik pada kabel koaksial

Pulsa yang akan dikirim dari sumber ke kabel koaksial ditampilkan pada layar CRO. Pulsa ini disebut pulsa datang dan tampilan yang tampak pada layar CRO dapat dilihat pada gambar 2.4a. Pulsa dari ujung a

merambat menuju ujung b. Pada ujung b terdapat tahanan yang akan memantulkan pulsa yang merambat kembali menuju sumber. Tahanan yang terdapat pada ujung b merupakan tahanan udara yang nilainya tak berhingga atau juga nol.

Untuk tahanan tak berhingga, pulsa datang yang merambat dari ujung a ke ujung b akan dipantulkan kembali menuju ke ujung a oleh tahanan tersebut. Pulsa pantul pertama ini ketika sampai di ujung a akan dipantulkan kembali menuju ujung b lagi sama seperti peristiwa pada pulsa pantul pertama, dan seterusnya. Karena pada ujung b terdapat tahanan yang tak berhingga maka pulsa yang ditransmisikan akan mengalami pantulan tanpa perubahan sudut fase atau tanpa balikan fase pada layar CRO. Tampilan pulsa dapat dilihat pada gambar 2.4b.

(34)

peristiwa pemantulan tersebut maka jarak lintasan ∆l yang ditempuh pulsa datang sampai pulsa pantul pertama adalah dua kali panjang kabel koaksial. Selang waktu ∆t yang diperlukan pulsa untuk menempuh jarak sejauh ∆l dapat diketahui dengan mengukur jarak antara puncak pulsa datang dengan puncak pulsa pantul pertama yang tampak pada layar CRO. Dengan demikian kecepatan pulsa gelombang elektromagnetik dapat diketahui dengan persamaan :

t l v

∆ ∆

= (2.28)

t l v

∆ = 2

dengan : ν = kecepatan gelombang elektromagnetik

∆l = panjang lintasan

∆t = selang waktu

Untuk tahanan nol, maka ujung b yang merupakan konduktor dalam dihubungkan jadi satu dengan ujung konduktor luar dari kabel koaksial. Pulsa datang yang dikirim merambat dari ujung a sampai ujung

(35)

ditampilkan pada layar CRO. Tampilan dapat dilihat pada gambar 2.4c. Sama seperti pada keadaan untuk tahanan tak berhingga, jarak lintasan ∆l yang ditempuh pulsa dan selang waktu ∆t yang diperlukan pulsa adalah sama. Menggunakan persamaan 2.28 maka kecepatan gelombang elektromagnetik dapat diketahui. Pada gambar 2.4b dan 2.4c dapat dilihat bahwa semakin lama amplitudo sinyal semakin lama. Sebagian tenaga dari medan listrik dan medan magnet didisipasikan menjadi tenaga termal. Sehingga amplitudo pulsa tersebut mengalami pelemahan ketika dirambatkan.

v

(a) t

(b)

t v

(c)

t v

(36)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

A. Tempat Penelitian

Penelitian ini termasuk jenis penelitian eksperimental yang dilaksanakan di laboratorium Fisika FMIPA, Universitas Sanata Dharma.

B. Alat dan Bahan

1. Kabel koaksial bermedium udara 2. Catu daya

3. Oskiloskop

4. AFG ( Amplitude Frequency Generator) 5. Pembangkit pulsa tunggal

C. Gambar rangkaian alat eksperimen

Catu Daya

kabel koaksial Osiloskop

(37)

Kabel Koaksial

Kabel koaksial bermedium udara yang digunakan terbuat dari kabel dan batang aluminium dengan panjang 6 m, 12 m, 18 m, 24 m dan 30 m. Kabel sebagai konduktor dalam dengan jari-jari 0,015 cm. Batang aluminium sebagai konduktor luar dengan jari-jari 0,095 cm. Diantara kedua konduktor tersebut terdapat ruang yang berisi udara sebagai medium perambatan gelombang elektromagnetik. Kabel dan selongsong aluminium dalam kondisi seragam dari ujung awal sampai ujung akhir. Keduanya dalam keadaan lurus, tidak longgar dan diantara konduktor dalam dan konduktor luar dipasang suatu penahan agar konduktor dalam dan konduktor luar tidak saling bersentuhan.

Sebelum pengukuran, dilakukan pengujian alat-alat yang akan digunakan untuk aksperimen menggunakan kabel koaksial beredium polyvinil dengan panjang 22,5 m. Pengujian alat dilakukan untuk mengetahui apakah alat yang akan digunakan berfungsi dengan baik atau tidak.

Pembangkit pulsa tunggal

(38)

Saat eksperimen, pada layar CRO tampak pulsa dengan lebar yang kecil agar pulsa yang satu dengan yang lain terpisah. Jika lebar pulsa tidak kecil maka pulsa-pulsa akan saling tumpang tindih dan tidak terpisah. Sehingga kesulitan untuk membaca jarak antara puncak pulsa yang satu ke puncak pulsa yang lain. Jarak antar puncak pulsa ini digunakan untuk menghitung selang waktu yang diperlukan pulsa menempuh lintasan. Untuk penelitian ini digunakan tegangan yang tidak lebih dari 8 volt agar IC pada rangkaian pembangkit pulsa tunggal tidak menjadi panas dan rusak.

D. Prinsip kerja alat

Pada eksperimen ini dilakukan pengukuran kecepatan cahaya dengan metoda transmisi gelombang elektromagnetik pada kabel koaksial bermedium udara. Pulsa ditransmisikan dari pembangkit pulsa ke kabel koaksial bermedium udara. Pulsa berjalan sepanjang kabel bermedium udara dari ujung awal menuju ujung akhir. Sampai diujung akhir kabel koaksial, pulsa tersebut dipantulkan oleh tahanan yang terdapat pada ujung

b kembali menuju ujung awal kabel koaksial.

(39)

Hasil kali dari jarak antar puncak pulsa dengan satuan waktu CRO merupakan selang waktu yang diperlukan pulsa menempuh lintasan.

Panjang kabel koaksial bermedium adalah ℓ. Selang waktu diketahui dengan menghitung jarak puncak pulsa pertama ke pulsa yang kedua sampai ke puncak pulsa yang terjauh. Dari puncak pulsa pertama ke puncak pulsa kedua, pulsa menempuh lintasan sejauh 2ℓ. Menggunakan persamaan 2.28 maka didapat kecepatan gelombang elektromagnetik.

E. Langkah-langkah eksperimen

a. Merangkai alat seperti pada gambar 3.1.

b. Menguji alat, apakah alat sudah siap digunakan dengan baik atau tidak ¾ Menggunakan kabel koaksial bermedium polivinil sebagai jalur

transmisi. Langkah pertama, pembangkit pulsa tunggal belum dihubungkan ke kabel koaksial bermedium polivinil, pada layar CRO akan tampak tampilan berupa pulsa tunggal. Ini menandakan belum ada pulsa yang ditransmisikan pada kabel tersebut.

¾ Langkah kedua, pembangkit pulsa dihubungkan ke kabel koaksial.

(40)

dan bisa digunakan untuk eksperimen. Variabel-variabel pada alat-alat eksperimen diatur agar tampilan dapat tampak dengan jelas. c. Dilakukan pengambilan data.

Dilakukan eksperimen untuk pengambilan data. Pada eksperiman ini digunakan kabel koaksial bermedium udara. Langkah eksperimen yang akan dilakukan sama dengan langkah b. Pada ujung akhr kabel koaksial terdapat tahanan nol dengan menghubungkan singkat konduktor dalam dengan konduktor luar. Pada layar CRO akan tampak beberapa pulsa yang berbalik sudut fasenya. Tampilan yang tampak pada layar CRO harus menyerupai tampilan saat pengujian alat dilakukan.

F. Metode Analisa Data

1. Mengukur jarak lintasan yang ditempuh pulsa.

(41)

digunakan pada osiloskop. Hasil kali tersebut merupakan selang waktu yang diperlukan pulsa menempuh lintasan.

3. Menghitung kecepatan gelombang elektromagnetik.

(42)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil

Dilakukan pengujian alat menggunakan kabel koaksial bermedium polivinil. Tujuannya untuk mengetahui apakah alat yang akan digunakan dapat berfungsi dengan baik atau tidak. Hasil pengujian alat yang dilakukan ditampilkan pada gambar 4.1.

a.

(43)

catudaya dan AFG dan belum ditransmisikan ke kabel koaksial bermediun polivinil. Gambar b menunjukkan perjalanan pulsa yang ditransmisikan dari sumber menuju kabel koaksial bermedium polivinil. Pulsa berjalan sepanjang kabel dari ujung awal menuju ujung akhir. Kemudian dipantulkan kembali oleh tahanan tak berhingga menuju ujung awal.

Dengan cara yang sama, dilakukan pengukuran kecepatan gelombang elektromagnetik pada medium udara dengan menggunakan kabel koaksial bermedium udara. Pulsa yang ditransmisikan pada kabel koaksial bermedium udara dan dipantulkan oleh tahanan nol untuk panjang kabel 30 m ditampilkan pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 Pulsa setelah ditransmisikan pada kabel koaksial bermedium udara dan dipantulkan oleh tahanan nol untuk panjang kabel 30 m.

(44)

bermedium udara dapat dilihat pada Tabel 4.1- Tabel 4.5 dan Grafik 4.1- Grafik 4.5.

a. Hasil eksperimen pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 12 m. Tabel 4.1 Pengukuran selang waktu pada kabel koaksial bermedium udara

dengan panjang 12 m untuk tahanan nol. No Panjang lintasan (m) Selang waktu (s)

1. 24 0,2 x10-6

2. 48 0,4 x10-6

3. 72 0,55 x10-6

4. 96 0,7 x10-6

5. 124 0,95 x10-6 6. 144 1,1 x10-6

1 ∆l(m)

Grafik 4.1 Hubungan antara ∆l terhadap ∆t pada kabel koaksial bermedium udaradengan panjang 12 m untuk tahanan nol.

b. Hasil eksperimen pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 18 m. Tabel 4.2 Pengukuran selang waktu pada kabel koaksial bermedium udara

dengan panjang 18 m untuk tahanan nol.

No Panjang lintasan (m) Selang waktu (s)

1. 36 0,3 x10-6

∆l = (1,347±0,003)x108 ∆t –2,91±2,75

0 20 40 60 80 100 120 140 60

∆t(s)

1.00E-06 1.20E-06 2.00E-07 4.00E-07 6.00E-07 8.00E-07

(45)

350 ∆l(m)

∆l = (1,843±0,004)x108 ∆t – 16,64±4,50 300 250 200 150 100 50 ∆t(s) 0

0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06

c. Hasil eksperimen pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 24m. Tabel 4.3 Pengukuran selang waktu pada kabel koaksial bermedium udara

dengan panjang 24 m untuk tahanan nol. No Panjang lintasan (m) Selang waktu (s)

1. 48 0,35 x10-6 2. 96 0,55 x10-6 3. 144 0,85 x10-6 4. 192 1,1 x10-6 5. 240 1,35 x10-6 6. 288 1,65 x10-6 7. 336 1,9 x10-6 8. 384 4,3 x10-6

Grafik 4.3 Hubungan antara ∆l terhadap ∆t pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang24 m untuk tahanan nol.

∆l(m) ∆t(s) 2.50E-06 2.00E-06 1.50E-06 1.00E-06 5.00E-07 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.00E+00

(46)

d. Hasil eksperimen pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 30 m. Tabel 4.4 Pengukuran selang waktu pada kabel koaksial bermedium

udara dengan panjang 30 m untuk tahanan nol. No Panjang lintasan (m) Selang waktu (s)

1. 30 0,35 x10-6

2. 120 0,65 x10-6 3. 180 0,95 x10-6 4. 240 1,35 x10-6 5. 300 1,65 x10-6 6. 360 2,05 x10-6

∆l(m)

400 _∆_{l = (1,76±0,004)x10}8

∆t + 4,65±5,89 350

300

250

150 200

100

50

t(s)

0

0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06 2.50E-06

Grafik 4.4 Hubungan antara ∆l terhadap ∆t pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang30 m untuk tahanan nol.

e. Hasil eksperimen pada berbagai panjang kabel koaksial bermedium udara. Tabel 4.5 Pengukuran selang waktu pada berbagai panjang kabel koaksial

bermedium udara untuk tahanan nol.

No Panjang kabel (m) Panjang lintasan (m) Selang waktu (s)

1. 12 24 0,18 x10-6

2. 18 36 0,21 x10-6

(47)

70

l(m) _∆_{l = (2,2±0,2)x10}8

∆t – 13±4,5

60

50

40

30

20

1,50E-07 2,00E-07 2,50E-07 3,00E-07 3,50E-07

t(s)

Grafik 4.5. Hubungan antara ∆l terhadap ∆t pada berbagai panjang kabel koaksial bermedium udara untuk tahanan nol.

Data pada Tabel 4.1 sampai Tabel 4.6 memperlihatkan bahwa semakin jauh lintasan yang ditempuh pulsa gelombang elektromagnet maka semakin panjang selang waktu yang diperlukan pulsa untuk menempuh lintasan tersebut. Pada Grafik 4.1 sampai Grafik 4.6 dapat dibaca bahwa hubungan antara panjang lintasan terhadap selang waktu. Dari persamaan garis didapat gradien untuk masing-masing grafik. Nilai gradien tersebut merupakan nilai kecepatan gelombang elektromagneti yang terukur.

B. Pembahasan

(48)

merupakan waktu yang diperlukan pulsa untuk menempuh panjang lintasan. Selang waktu dapat diketahui dengan menghitung jarak puncak pulsa yang tampak pada layar CRO dan mengalikan dengan variabel time/div yang digunakan pada CRO.

Dilakukan pengukuran kecepatan cahaya dengan metode transmisi gelombang elektromagnetik pada kabel koaksial bermedium udara. Prinsip kerjanya yaitu mengirimkan pulsa elektromagnetik dari satu titik ke titik yang lain. Sebelum pengukuran kecepatan gelombang elektromagnetik dimulai, dilakukan pengujian alat-alat yang akan digunakan untuk eksperimen terlebih dahulu. Hal ini dilakukan untuk mengetahui kondisi alat apakah bisa berfungsi dengan baik atau tidak. Pengujian alat-alat dilakukan menggunakan kabel koaksial bermedium polivinil.

Pengukuran dilakukan pada kabel koaksial bermedium udara dengan panjang 12 m, 18 m, 24 m dan 30 m. Eksperimen tidak dapat dilakukan didalam ruangan, hal ini disebabkan panjang kabel koaksial bermedium udara yang digunakan melebihi panjang ruangan laboratorium. Pada salah satu ujung kabel koaksial terdapat tahanan yang akan memantulkan pulsa kembali ke ujung awal.

(49)

medan listrik dan medan magnet akan didisipasikan menjadi tenaga termal sehingga pulsa mengalami pelemahan. Sebagai akibatnya amplitudo pulsa semakin lama semakin mengecil [Halliday D,1998]. Pulsa yang tampak harus mempunyai lebar pulsa yang kecil agar pulsa-pulsa tersebut tidak tumpang tindih tetapi terpisah sehingga mempermudah pembacaan jarak antara puncak pulsa. Dari tampilan data pada layar CRO dapat dihitung jarak antara satu puncak pulsa dengan puncak pulsa yang lain kemudian dikalikan dengan variabel waktu pada CRO. Hasil kali tersebut merupakan selang waktu yang diperlukan pulsa untuk menempuh lintasan. Data dari hasil pengukuran untuk panjang kabel 12 m dicatat pada Tabel 4.1dan seterusnya.

Pada Tabel 4.1 – Tabel 4.5 dapat dilihat bahwa semakin jauh lintasan yang ditempuh pulsa maka semakin lama waktu yang diperlukan pulsa untuk menempuh lintasan tersebut. Data tersebut dibuat ke dalam bentuk grafik. Grafik 4.1 sampai Grafik 4.5 memperlihatkan bahwa hubungan antara jarak lintasan terhadap selang waktu.

Menggunakan persamaan garis :

∆ℓ = v ∆t + k (4.1)

didapat gradien yang merupakan nilai kecepatan gelombang elektromagnetik yang terukur.

(50)

24 m dan gradien Grafik 4.4 m untuk panjang kabel 30 m hal tersebut tidak terjadi. Nilai gradien yang didapat malah semakin kecil. Dikarenakan kurangnya ketelitian dalam pembacaan jarak antara puncak pulsa. Pulsa yang tampak pada layar CRO semakin lama semakin melemah dan mengecil amplitudonya. Selain itu, pulsa tersebut semakin lama semakin menebal tampilannya. Sehingga sulit untuk menentukan dimana letak puncak pulsa yang sesungguhnya. Untuk mengatasi kesulitan tersebut maka pengukuran jarak puncak pulsa dilakukan dengan mengukur jarak puncak pulsa pertama dengan puncak pulsa yang terjauh, kemudian dibagi dengan jumlah puncak pulsa yang tampak tersebut. Selain itu, cara ini juga untuk mengatasi kesulitan dalam mengukur selang waktu yang diperlukan sinyal menempuh lintasan, dikarenakan kecepatan gelombang elektromagnetik sangat tinggi maka selang waktunya sangat kecil sekali.

Untuk Tabel 4.1 sampai Tabel 4.5 jarak antara puncak pulsa merupakan hasil pengukuran langsung dari puncak pulsa yang satu dengan puncak pulsa yang kedua dan seterusnya. Tabel 4.6, jarak antara puncak pulsa didapat dengan mengukur jarak pulsa 1 ke puncak pulsa yang terjauh kemudian dibagi dengan jumlah puncak pulsa yang ada. Data pada Tabel 4.6 tersebut dibuat dalam bentuk grafik.

(51)

gelombang elektromagnetik di dalam medium udara yang terukur pada eksperimen ini. Ralat dihitung menggunakan software microcal origin 41.

Kecepatan gelombang elektromagnetik yang didapat pada eksperimen ini lebih kecil daripada kecepatan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa. Jika kecepatan gelombang elektromagnetik di udara dihitung menggunakan persamaan 2.26 maka akan didapat hasil yang sama. Hasil perhitungan tersebut juga menyatakan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik di dalam medium udara lebih kecil daripada kecepatan gelombang elektromagnetik yang merambat pada medium hampa. Persamaan 2.26 menjelaskan bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik dipengaruhi oleh permeabilitas dan permitivitas dari udara.

(52)

BAB V

PENUTUP

A. Kesimpulan

Dilakukan pengukuran kecepatan cahaya dengan metoda transmisi gelombang elektromagnet pada kabel koaksial bermedium udara. Dari hasil eksperimen didapat bahwa semakin panjang lintasan yang ditempuh pulsa, semakin besar waktu tunda atau selang waktu yang diperlukan pulsa menempuh lintasan tersebut.

Dari penelitian yang dilakukan didapat bahwa kecepatan gelombang elektromagnetik dalam medium udara lebih kecil daripada kcepatan gelombang elektromagnetik dalam medium hampa. Berdasarkan kesimpulan Maxwell bahwa cahaya merupakan salah satu bentuk gelombang elektromagnetik maka kecepatan gelombang elektromagnetik yang didapat dalam penelitian ini dianggap sebagai kecepatan cahaya.

B. Saran

(53)

DAFTAR PUSTAKA

Amos S. W, 1996, Kamus Elektronika, Penerbit PT. Alex Media Komputindo Halliday D, 1988, Fisika Jilid 2, Jakarta, Erlangga.

Johannes H, 1978, Lstrik dan Magnet, Jakarta, Balai Pustaka. Krauss John Daniel, 1988, Electromagnetics, Singapura.

NN,2003, Petunjuk Praktikum Listrik Magnet Jurusan Fisika, Yogyakarta, Universitas Sanata Dharma.

P H Smale, 1984, Sistem Telekomonikasi I, Jakarta, Erlangga.

Sears dan Zemansky, 1982, Fisika Universitas Jilid 2, Penerbit Bina Cipta Bandung.

(54)

LAMPIRAN

Nilai gradien, ralat gardien, nilai titik potong dan ralatnya dihitung menggunakan metode kurva kuadrat terkecil. Pada metode tersebut nilai gradien dihitung dengan persamaan:

(

)

2

2 i i i i i i t t N l t l t N v Σ∆ − Σ∆ Σ∆ Σ∆ − ∆ Σ∆ =