Konsep Efek Fotolistrik dan Penerapannya

tugassains.com – Efek fotolistrik merupakan sebuah fenomena fisika yang berkaitan antara pengaruh cahaya dengan perpindahan elektron akibat adanya energi yang dihasilkan dari cahaya yang dipancarkan.

Efek Fotolistrik

Lebih mudahnya Efek Fotolistrik adalah fenomena dimana elektron berpindah dari suatu permukaan logam akibat cahaya yang dipancarkan pada logam tersebut, elektron yang keluar dari logam tersebut disebut dengan fotoelektron dan proses pengeluaran elektron dari logam disebut dengan fotoemisi.

Konsep Efek Fotolistrik

Ketika gelombang radiasi cahaya diterima oleh suatu permukaan logam menyebabkan pelepasan elektron secara terbatas dari logam yang menerima pancaran cahaya tersebut. Fotoelektron yang lepas dari permukaan logam dapat dibuktikan dengan pengukuran menggunakan amperemeter.

Amperemeter akan bergerak ketika mendeteksi aliran elektron, dan terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi banyaknya fotoelektron yang terlepas dari permukaan logam seperti intensitas cahaya, frekuensi cahaya dan beda potensial pada kedua permukaan logam.

Untuk membuktikan lebih lanjut mengenai efek fotolistrik digunakanlah peralatan sederhana yang dapat mengetahui adanya elektron yang lepas akibat terkenan radiasi cahaya, yang dibuktikan dengan percobaan efek fotolistrik pada rangkaian berikut.

Percobaan Efek Fotolistrik

Pada percobaan tersebut menggunakan beberapa komponen pengukuran yaitu amperemeter digunakan untuk mendeteksi adanya aliran elektron yang disebabkan oleh pelepasan dikarenakan pancaran cahaya terhadp logam, voltmeter sebagai pengukuran tegangan yang dialirkan oleh sumber.

Baterai berperan sebagai pemberi tegangan antara logam dengan kolektor dan besar tegangan diatur dengan menggunakan potensiometer sebagai pembagi tegangan pada rangkaian. 

Sejarah Efek Fotolistrik

Pada tahun 1900 seorang fisikawan Jerman menyampaikan Teori Kuantum Planck yang ditemukan oleh Max Planck bahwa suatu atom atau molekul dapat menyerap atau memancarkan energi dalam jumlah terbatas, energi tersebut bernama kuantum.

Kemudian pada tahun 1905 Albert Einstein mengemukakan bahwa ketika suatu cahaya dipancarkan dan fokus terhadap suatu bahan tertentu memicu perpindahan elektron, yang mana hal tersebut dapat dibuktikan pada alat ujicoba efek fotolistrik. 

Rumus Efek Fotolistrik

Rumus Energi Foton

Pada efek fotolistrik cahaya tidak dapat diasumsikan sebagai gelombang cahaya namun sebagai partikel cahaya yang dapat divisualisasikan seperti aliran partikel energi elektromagnetik, partikel cahaya tersebut disebut dengan foton. Besar energi foton dihitung sesuai dengan persamaan planck berikut.

E = hv = hc/λ

Keterangan
E : Besar energi foton dalam Joule(J)
h : konstanta planck (6,626× 10^-34 J.s)
v : frekuensi cahaya(s^-1)
c : kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3×10⁸ m/s)
λ : panjang gelombang cahaya (m)

Sehingga besar energi foton bergantung dengan besar frekuensi cahaya yang dipancarkan.

Rumus Energi Minimum/Ambang pada Efek Fotolistrik

Agar dapat terjadi efek fotolistrik, foton yang terlepas dari logam harus memiliki energi yang cukup agar dapat terlepas yang disebut dengan energi minimum atau energi ambang yang dilambangkan dengan Φ/phi yang berkaitan dengan frekuensi minimun v_th cahaya yang yang datang.

Φ = hv_th = hc/λ_th 

Keterangan
Φ : phi, besar energi minimum
h : konstanta planck (6,626× 10^-34 J.s)
v_th : frekuensi minimum (s^-1)
c : kecepatan cahaya (3×10⁸ m/s)
λ_th : panjang gelombang minimum (m)

Hubungan antara Energi Minimum/Ambang dengan Energi Kinetik Fotoelektron

Energi minimum dengan energi kinetik fotoelektron secara umum dapat dinotasikan sebagai

E_foton = Φ  + E_elektron
hv = hv_th + 1/2m_ev² 

Keterangan:
h : konstanta planck (6,626× 10^-34 J.s)
v : frekuensi cahaya (s^-1)
v_th : frekuensi minimum (s^-1)
m_e : massa elektron (9,1 × 10^-31 kg)

Dari hubungan tersebut dapat kita ketahui bahwa efek fotolistrik tidak akan terjadi apabila frekuensi cahaya kurang dari frekuensi minimum (v < v_th) kemudian apabila frekuensi cahaya sama dengan frekuensi minimum (v = v_th) maka terdapat fotoelektron yang dihasilkan namun dengan energi kinetik sama dengan nol.

Sehingga memerlukan frekuensi gelombang cahaya yang lebih besar dari frekuensi minimum agar terdapat fotoelektron dengan energi kinetik.

Faktor yang berpengaruh pada Efek Fotolistrik

Beberapa hal yang mempengaruhi fenomena fotolistrik ini yaitu:

1. Intensitas Radiasi Cahaya

Ketika besar frekuensi radiasi cahaya dan beda potensial antara logam dengan kolektor(penerima) dijaga konstan nilainya, maka besar arus fotolistrik/jumlah fotoelektron perdetik yang mengalir akan berbanding lurus dengan intensitas radiasi cahaya.

2. Frekuensi Radiasi Cahaya

Pada saat intensitas cahaya bernilai konstan, frekuensi cahaya yang datang menyebabkan perubahan yang berbanding lurus dengan potensial pemutusan.

Energi kinetik dari fotoelektron berbanding lurus dengan kenaikan frekuensi cahaya yang datang menghentikan fotoelektron. Sehingga dengan meningkatkan potensial logam dengan kolektor ke nilai negatif menyebabkan fotoelektron tidak mencapai kolektor.

3. Beda Potensial antara logam dengan kolektor

Pada saat intensitas dan frekuensi cahaya memiliki nilai konstan, saat beda potensial positif meningkat secara bertahap, arus fotolistrik akan meningkat hingga nilai karakteristik. Ketika potensial dinaikan lebih tinggi dari nilai karakteristik maka tidak ada perubahan arus fotolistrik karena telah mencapai maksimal yang mana disebut sebagai arus maksimum atau arus saturasi.

Penerapan Efek Fotolistrik dalam Kehidupan

Dalam kehidupan sehari-hari bahkan mungkin kita kurang menyadari bahwa banyak benda yang merupakan bekerja berdasarkan efek fotolistrik ini yaitu beberapa diantaranya adalah:

1. Panel Surya, merupakan alat pembangkit energi listrik untuk dapat menghasilkan energi listrik ketika disinari oleh cahaya matahari sehingga diperoleh energi murah yang melimpah melalui konversi cahaya kedalam bentuk energi listrik.
2. Sensor Cahaya, merupakan sensor yang digunakan untuk mendeteksi adanya cahaya melalui perubahan nilai konduktivitas yang disebabkan oleh cahaya.
3. Sensor Gerak, biasa disebut dengan sensor PIR (Passive Infrared Receiver) bekerja dengan mendeteksi adanya gerakan yang menggunakan efek fotolistrik melalui perbedaan suhu tubuh atau benda yang dipantau.
4. Kamera Digital, menggunakan beberapa sensor seperti CCD (Charge-Coupled Device) dan CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semikonduktor) bekerja berdasarkan tangkapan cahaya yang diolah kembali sehingga dapat menghasilkan tangkapan foto.

Sehingga dengan ditemukannya efek fotolistrik dapat bermanfaat dan berguna bagi kehidupan manusia.