Pengukuran Cahaya

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm.Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. Selain itu, cahaya adalah paket partikel yang disebut foton. Kedua definisi tersebut merupakan sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.
Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti:intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fase cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut denganoptika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical optics).

Besaran cahaya

Satuan besaran cahaya


SI radiometry units
Quantity	Symbol	SI unit	Abbr.	Notes
Radiant energy	Q	joule	J	energy
Radiant flux		watt	W	radiant energy per unit time, also called radiant power
Radiant intensity	I	watt/steradian	W.sr^-1	power per unit solid angle
Radiance	L	watt/steradian/square meter	W.sr^-1.m^-2	power per unit solid angle per unit projected source area called intensity in some other fields of study
Irradiance	E, I	watt/square meter	W.m^-2	power incident on a surface, sometimes confusingly called intensity
Radiant exitance / Radiant emittance	M	watt/square meter	W.m^-2	power emitted from a surface
Radiosity	J or J_$lambda$	watt/square meter	W.m^-2	emitted plus reflected power leaving a surface
Spectral radiance	L_$lambda$orL_v	watt/steradian/meter³orwatt/steradian/square meter/hertz	W.sr^-1.m.^-3orW.sr^-1.m^-2.Hz^-1	commonly measured in W.sr^-1.m^-2.nm^-1
Spectral irradiance	E_$lambda$orE_v	watt/meter³orwatt/square meter/hertz	W.m^-3orW.m^-2.Hz^-1	commonly measured in W.m^-2.nm^-1


SI photometry units
Quantity	Symbol	SI unit	Abbr.	Notes
Luminous energy	Q_v	lumen second	lm.s	units are sometimes called talbots
Luminous flux	F	lumen (= cd.sr)	lm	also called luminous power
Luminous intensity	I_v	candela (=lumen/sr)	cd	an SI base unit
Luminance	L_v	candela/square meter	cd/m²	units are sometimes called "nits"
Illuminance	E_v	lux (= lm/m²)	lx	used for light incident on a surface
Luminous emittance	M_v	lux (= lm/m²)	lx	used for light emitted on a surface
Luminous efficacy		lumen/watt	lm/W	ratio of luminouos flux to radiant flux

Sumber Cahaya

Radiasi panas (radiasi benda hitam)
bola lampu
matahari
partikel padat bercahaya dalam suhu tinggi(lihat api)
emisi spektral atomik
laser dan maser
light emitting diode
lampu gas(lampu neon, lampu air raksa lamps dsb)
api dari gas
percepatan dari partikal bebas bermuatan(biasanya sebuah elektron)
radiasi siklotron
Radiasi Bremsstrahlung
Radiasi Cherenkov
kemoluminesens
floresens
fosforescence
tabung sinar katode
bioluminesens
sonoluminesens
triboluminesens
peluruhan radioaktif
anihilasi partikel-antipartikel

Laju cahaya

Kelajuan cahaya (kelajuan cahaya dalam ruang vakum kecepatan cahaya) adalah sebuah konstanta fisika yang disimbolkan dengan huruf c, singkatan dari celeritas (yang dirujuk dari dari bahasa Latin) yang berarti "kecepatan". Konstanta ini sangat penting dalam fisika dan bernilai 299.792.458 meter per detik. Nilai ini merupakan nilai eksak disebabkan oleh panjang meter didefinisikan berdasarkan konstanta kelajuan cahaya.Kelajuan ini merupakan kelajuan maksimum yang dapat dilajui oleh segala bentuk energi, materi, dan informasi dalam alam semesta. Kelajuan ini merupakan kelajuan segala partikel tak bermassa dan medan fisika, termasuk radiasi elektromagnetik dalam vakum. Kelajuan ini pula menurut teori modern adalah kelajuan gravitasi (kelajuan dari gelombang gravitasi). Partikel-partikel maupun gelombang-gelombang ini bergerak pada kelajuan c tanpa tergantung pada sumber gerak maupun kerangka acuan inersial pengamat. Dalam teori relativitas, c saling berkaitan dengan ruang dan waktu. Konstanta ini muncul pula pada persamaan fisika kesetaraan massa-energi E = mc2.
Kelajuan cahaya yang merambat melalui bahan-bahan transparan seperti gelas ataupun udara lebih lambat dari c. Rasio antara c dengan kecepatan v(kecepatan rambat cahaya dalam suatu materi) disebut sebagai indeks refraksi n material tersebut (n = c / v). Sebagai contohnya, indeks refraksi gelas umumnya berkisar sekitar 1,5, berarti bahwa cahaya dalam gelas bergerak pada kelajuan c / 1,5 ≈ 200.000 km/s; indeks refraksi udara untuk cahaya tampak adalah sekitar 1,0003, sehingga kelajuan cahaya dalam udara adalah sekitar 90 km/s lebih lambat daripada c.
Meski bergerak dengan kecepatan tinggi, bukan berarti cahaya tidak dapat dihentikan. Ilmuwan telah berhasil menghentikan laju cahaya selama satu menit menggunakan prinsip fisika kuantum. Sebelumnya pada tahun 1999 mereka mampu memperlambat gerak cahaya higga 17 meter per detik. Hal ini mampu memberikan kemajuan dalam mengembangkan komunikasi kuantum.
Dalam banyak hal, cahaya dapat dianggap bergerak secara langsung dan instan, namun untuk jarak yang sangat jauh, batas kelajuan cahaya akan memberikan dampak pada pengamatan yang terpantau. Dalam berkomunikasi dengan wahana antariksa, diperlukan waktu berkisar dari beberapa menit sampai beberapa jam agar pesan yang dikirim oleh wahana tersebut diterima oleh Bumi. Cahaya bintang yang kita lihat di angkasa berasal dari cahaya bintang yang dipancarkan bertahun-tahun lalu. Hal ini mengijinkan kita untuk mengkaji dan mempelajari sejarah alam semesta dengan melihat benda-benda yang sangat jauh. Kelajuan cahaya yang terbatas juga membatasi kecepatan maksimum komputer, oleh karena informasi harus dikirim dari satu chip ke chip lainnya dalam komputer.

Kronologis

Beragam ilmuwan sepanjang sejarah telah mencoba untuk mengukur laju cahaya.


Observasi Rømer dengan mengamati gerakan planet Jupiter	Teori James Bradley	Diagram Hippolyte Fizeau

Pada tahun 1629, Isaac Beeckman melakukan pengamatan sinar flash yang dipantulkan oleh cermin dari jarak 1 mil (1,6 kilometer).
Pada tahun 1638, Galileo Galilei berusaha untuk mengukur laju cahaya dari waktu tunda antara sebuah cahaya lentera dengan persepsi dari jarak cukup jauh.
Pada tahun 1667, percobaan Galileo Galilei diteliti oleh Accademia del Cimento of Florence, dengan rentang 1 mil, tetapi tidak terdapat waktu tunda yang dapat diamati. Berdasarkan perhitungan modern, waktu tunda pada percobaan itu seharusnya adalah 11 mikrodetik. Dan Galileo Galilei mengatakan bahwa pengamatan itu tidak menunjukkan bahwa cahaya mempunyai kecepatan yang tidak terhingga, tetapi hanya menunjukkan bahwa cahaya mempunyai laju yang sangat tinggi.
Pada tahun 1676, sebuah percobaan awal untuk mengukur laju cahaya dilakukan oleh Ole Christensen Rømer, seorang ahli fisika Denmark dan anggota grup astronomi dari French Royal Academy of Sciences. Dengan menggunakan teleskop, Ole Christensen Rømer mengamati gerakan planet Jupiter dan salah satu bulan satelitnya, bernama Io.Dengan menghitung pergeseran periode orbit Io, Rømer memperkirakan jarak tempuh cahaya pada diameter orbit bumi sekitar 22 menit. Jika pada saat itu Rømer mengetahui angka diameter orbit bumi, perhitungan laju cahaya yang dibuatnya akan mendapatkan angka 227×106 meter/detik. Dengan data Rømer ini, Christiaan Huygens mendapatkan estimasi kecepatan cahaya pada sekitar 220×106 meter/detik.Penemuan awal penemuan grup ini diumumkan oleh Giovanni Domenico Cassini pada tahun 1675, periode Io, bulan satelit planet Jupiter dengan orbit terpendek, nampak lebih pendek pada saat Bumi bergerak mendekati Jupiter daripada pada saat menjauhinya. Rømer mengatakan hal ini terjadi karena cahaya bergerak pada kecepatan yang konstan.
Pada bulan September 1676, berdasarkan asumsi ini, Rømer memperkirakan bahwa pada tanggal 9 November 1676, Io akan muncul dari bayang-bayang Jupiter 10 menit lebih lambat daripada kalkulasi berdasarkan rata-rata kecepatannya yang diamati pada bulan Agustus 1676. Setelah perkiraan Rømer terbukti, dia diundang oleh French Academy of Sciences untuk menjelaskan metode yang digunakan untuk hal tersebut. Diagram di samping adalah replika diagram yang digunakan Rømer dalam penjelasan tersebut.
Pada tahun 1704, Isaac Newton juga menyatakan bahwa cahaya bergerak pada laju konstan. Dalam bukunya berjudul Opticks, Newton menyatakan besaran laju cahaya senilai 16,6 x diamater Bumi per detik (210.000 kilometer/detik).
Pada tahun 1725, James Bradley mengatakan, cahaya bintang yang tiba di Bumi akan nampak seakan-akan berasal dari sudut yang kecil, dan dapat dikalkulasi dengan membandingkan kecepatan Bumi pada orbitnya dengan kecepatan cahaya. Kalkulasi laju cahaya oleh Bradley adalah sekitar 298.000 kilometer/detik (186.000 mil/detik). Teori Bradley dikenal sebagai stellar aberration. Sinar cahaya yang datang bintang 1membutuhkan waktu untuk mencapai bumi, dan pada saat sinar tersebut tiba, bumi telah bergeser pada orbitnya, sehingga seolah-olah kita melihat sinar cahaya tersebut datang dari bintang di lokasi 2.
Pada tahun 1849, pengukuran laju cahaya, yang lebih akurat, dilakukan di Eropa oleh Hippolyte Fizeau. Fizeau menggunakan roda sprocket yang berputar untuk meneruskan cahaya dari sumbernya ke sebuah cermin yang diletakkan sejauh beberapa kilometer. Pada kecepatan rotasi tertentu, cahaya sumber akan melalui sebuah kisi, menempuh jarak menuju cermin, memantul kembali dan tiba pada kisi berikutnya. Dengan mengetahui jarak cermin, jumlah kisi, kecepatan putar roda, Fizeau mendapatkan kalkulasi laju cahaya pada313×106 meter/detik.
Pada tahun 1862, Léon Foucault bereksperimen dengan penggunaan cermin rotasi dan mendapatkan angka 298×106 meter/detik.
Albert Abraham Michelson melakukan percobaan-percobaan dari tahun 1877 hingga tahun 1926 untuk menyempurnakan metode yang digunakan Foucault dengan penggunaan cermin rotasi untuk mengukur waktu yang dibutuhkan cahaya pada 2 x jarak tempuh antara Gunung Wilson dan Gunung San Antonio, di California. Hasil pengukuran menunjukkan 299.796.000 meter/detik. Beliau wafat lima tahun kemudian pada tahun 1931.
Pada tahun 1946, saat pengembangan cavity resonance wavemeter untuk penggunaan pada radar, Louis Essen dan A. C. Gordon-Smith menggunakan gelombang mikro dan teori elektromagnetik untuk menghitung laju cahaya. Angka yang didapat adalah299.792±3 kilometer/detik.
Pada tahun 1950, Essen mengulangi pengukuran tersebut dan mendapatkan angka 299.792,5±1 kilometer/detik, yang menjadi acuan bagi 12th General Assembly of the Radio-Scientific Union pada tahun 1957.

Angka yang paling akurat ditemukan di Cambridge pada pengukuran melalui kondensat Bose-Einstein dengan elemen Rubidium. Tim pertama dipimpin oleh Dr. Lene Vestergaard Hau dari Harvard University and the Rowland Institute for Science. Tim yang kedua dipimpin oleh Dr. Ronald L. Walsworth, dan, Dr. Mikhail D. Lukin dari the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Notasi laju cahaya (c) mempunyai makna "konstan" atau tetap yang digunakan sebagai notasi laju cahaya dalam ruang hampa udara, namun terdapat juga penggunaan notasic untuk laju cahaya dalam medium material sedangkan c0 untuk kecepatan cahaya dalam ruang hampa udara. Notasi subskrip ini dimaklumkan karena dalam literatur SI sebagai bentuk standar notasi pada suatu konstanta, ada juga berbentuk seperti: konstanta magnetik µ0, konstanta elektrik e0, impedansi ruang kamar Z0.
Menurut Albert Einstein dalam teori relativitas, c adalah konstanta penting yang menghubungkan ruang dan waktu dalam satu kesatuan struktur dimensi ruang waktu. Di dalamnya, c mendefinisikan konversi antara materi dan energi E=mc2., dan batas tercepat waktu tempuh materi dan energi tersebut. c juga merupakan kecepatan tempuh semua radiasi elektromagnetik dalam ruang kamar dan diduga juga merupakan kecepatan gelombang gravitasi. Dalam teori ini, sering digunakan satuan natural units di mana c=1, sehingga notasi c tidak lagi digunakan.

Pengukuran karateristik cahaya

Cahaya memiliki berbagai macam karakteristik, berikut ini adalah macam-macam karakteristik cahaya :

1. Panjang Gelombang dan Frekuensi

2. Intensitas (kuat penerangan)

3. Brightness (tingkat kecerahan)

4. Degree/ Lavel of Coherence

5. Daya

6. Color Rendering Index

7. Sudut Divergensi

8. Polarisasi

9. Interferensi

10. Dispersi

11. Difraksi

Pokok bahasan pada kali ini adalah pengkuran karakteristik cahaya dalam hal intensitas (tingkat kecerahan). Pengukuran intensitas cahaya memakai alat Luxmeter yang hasilnya dapat langsung dibaca. Alat ini mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, kemudian energi listrik dalam bentuk arus digunakan untuk menggerakan jarum skala (pada luxmeter analog). Untuk luxmeter digital, energi listrik digunakan untuk menampilkan angka yang dapat dibaca pada layar monitor. Alat ini terdiri dari rangka, sebuah sensor dengan sel foto dan layar panel. Sensor tersebut diletakan pada sumber cahaya yang akan diukur intenstasnya. Cahaya akan menyinari sel foto sebagai energi yang diteruskan oleh sel foto menjadi arus listrik. Makin banyak cahaya yang diserap oleh sel, arus yang dihasilkan pun semakin besar.

- Prinsip Kerja

Luxmeter merupakan alat ukur yang digunakan untuk mengukur kuat penerangan (tingkat penerangan) pada suatu area atau daerah tertentu. Alat ini (Luxmeter Digital) didalam memperlihatkan hasil pengukurannya menggunakan format digital. Alat ini terdiri dari rangka, sebuah sensor dengan sel foto dan layar panel. Sensor tersebut diletakan pada sumber cahaya yang akan diukur intenstasnya. Cahaya akan menyinari sel foto sebagai energi yang diteruskan oleh sel foto menjadi arus listrik. Makin banyak cahaya yang diserap oleh sel, arus yang dihasilkan pun semakin besar.

Sensor yang digunakan pada alat ini adalah photo diode. Sensor ini termasuk kedalam jenis sensor cahaya atau optic. Sensor cahaya atau optic adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengenai suatu daerah tertentu. Kemudian dari hasil dari pengukuran yang dilakukan akan ditampilkan pada layar panel.

Berbagai jenis cahaya yang masuk pada luxmeter baik itu cahaya alami atapun buatan akan mendapatkan respon yang berbeda dari sensor. Berbagai warna yang diukur akan menghasilkan suhu warna yang berbeda,dan panjang gelombang yang berbeda pula. Oleh karena itu pembacaan yang ditampilkan hasil yang ditampilkan oleh layar panel adalah kombinasi dari efek panjang gelombang yang ditangkap oleh sensor photo diode.

- Prosedur Penggunanaan Alat

Dalam mengoperasikan atau menjalankan lux meter amat sederhana. Tidak serumit alat ukur lainnya, dalam penggunaannya yang harus benar- benar diperhatikan adalah alat sensornya,karena sensornyalah yang kan mengukur kekuatan penerangan suatu cahaya. Oleh karena itu sensor harus ditempatkan pada daerah yang akan diukur tingkat kekuatan cahayanya (iluminasi) secara tepat agar hasil yang ditampilkan pun akuarat. Adapun prosedur penggunaan alat ini adalah sebagai berikut :

1. Geser tombol ”off/on” kearah On.

2. Pilih kisaran range yang akan diukur (2.000 lux, 20.000 lux atau 50.000 lux) pada tombol Range.

3. Arahkan sensor cahaya dengan menggunakan tangan pada permukaan daerah yang akan diukur kuat penerangannya.

4. Lihat hasil pengukuran pada layar panel.

Hal- hal yang harus diperhatikan dalam perawatan alat ini adalah sensor cahaya yang bersifat amat sensitif. Dalam perawatannya sensor ini harus diamankan pada temapat yang aman sehingga sensor ini dapat terus berfungsi dengan baik karena sensor ini merupakan komponen paling vital pada alat ini.

Apabila hasil pengukuran tidak seharusnya terjadi, sebagai contoh diruangan yang dengan kekuatan cahaya normal setelah dilakukan pengukuran ternyata hasilnya tidak normal maka dapat dilakukan pengkalibrasian ulang dengan menggunakan tombol ”Zero Adjust”.

- Cara Pembacaan

Pada tombol range ada yang dinamakan kisaran pengukuran. Terdapat 3 kisaran pengukauran yaitu 2000, 20.000, 50.000 (lux). Hal tersebut menunjukan kisaran angka (batasan pengukuran) yang digunakan pada pengukuran. Memilih 2000 lux, hanya dapat dilakukan pengukuran pada kisaran cahaya kurang dari 2000 lux. Memilih 20.000 lux, berarti pengukuran hanya dapat dilakukan pada kisaran 2000 sampai 19990 (lux). Memilih 50.000 lux, berarti pengukuran dapat dilakukan pada kisaran 20.000 sampai dengan 50.000 lux. Jika Ingin mengukur tingkat kekuatan cahaya alami lebih baik baik menggunakan pilihan 2000 lux agar hasil pengukuran yang terbaca lebih akurat. Spesifikasi ini, tergantung kecangihan alat.

Apabila dalam pengukuran menggunakan range 0-1999 maka dalam pembacaan pada layar panel di kalikan 1 lux. Bila menggunakan range 2000-19990 dalam membaca hasil pada layar panel dikalikan 10 lux. Bila menggunakan range 20.000 sampai 50.000 dalam membaca hasil dikalikan 100 lux.

Optik Fisika

Senin, 09 Maret 2015