Getaran (English-vibration) boleh diertikan sebagai pergerakan berulang alik suatu jasad, bermula dari satu kedudukan, kemudian beranjak dari kedudukan tersebut pada suatu jarak, dan kembali semula ke kedudukan asalnya. Jika ia bergetar namun tidak kembali kepada kedudukan asalnya, maka ia hanya bergetar secara biasa. Akan tetapi jika ia bergetar dan kembali kepada kedudukan asalnya, maka ia melakukan satu getaran lengkap.
sumber: http://www.education.com/science-fair/article/sound-longitudinal-waves/
Katakan kita mengapit pembaris kenyal (English-elastic ruler) pada permukaan sebuah meja, dengan sebahagian darinya mengunjur keluar dari meja tersebut (sepertimana dalam gambar di atas). Kita tarik hujung pembaris yang mengunjur keluar itu ke bawah, kemudian melepaskannya. Pembaris akan bergetar ke atas dan ke bawah, dan seterusnya menghasilkan bunyi. Jika kedudukan asal pembaris ialah aras permukaan meja, maka apabila ia bergerak ke bawah, kemudian ke atas dan kembali semula ke kedudukan asalnya iaitu pada aras permukaan meja, maka pembaris dikatakan telah selesai melakukan SATU getaran lengkap.
Getaran lengkap sebuah pembaris boleh dipersembahkan dalam bentuk graf, di mana paksi Y mencatatkan jarak anjakan pembaris dari kedudukan asalnya pada aras meja, dan paksi X ialah masa di mana pembaris berada pada satu-satu jarak pada paksi Y. Jika nilai pada paksi Y ialah negatif, maka pembaris berada di bawah aras meja, dan jika ia positif, maka pembaris sedang berada di kedudukan yang lebih tinggi dari aras meja. Getaran pembaris mengikut bentuk graf sinus seperti di bawah:
sumber: http://www.intmath.com/trigonometric-graphs/1-graphs-sine-cosine-amplitude.php
Frekuensi
Frekuensi atau kekerapan (English-frequency) ialah ukuran berapa banyakkah getaran lengkap yang boleh dilakukan suatu objek atau sistem dalam tempoh satu saat. Dengan kata lain, ia adalah ukuran berapa kerapkah objek atau sistem tersebut bergetar secara lengkap dalam tempoh satu saat.
Frekuensi diukur dalam unit Hertz atau ringkasnya Hz. Sebagai contoh, jika suatu objek bergetar dengan 20Hz, bererti ia melakukan 20 kali getaran lengkap dalam masa satu saat.
Manusia hanya boleh mendengar getaran yang berlaku di antara 20Hz hingga 20000Hz sahaja. Oleh itu, bunyi yang dihasilkan oleh objek yang bergetar dalam julat ini akan dapat didengari oleh manusia. Jika suatu objek itu bergetar pada frekuensi yang lebih dari 20000Hz, maka ia digelar objek lampau bunyi (English-ultrasonic object) dan tidak dapat didengari manusia. Objek yang dapat menghasilkan bunyi lampau digunakan dalam perubatan, di mana ia dimanfaatkan dalam mesin pengimbas bunyi lampau (English- ultrasound scanner) untuk mengesan pergerakan dan perkembangan janin dalam kandungan ibu.
Getaran arus elektrik
Arus elektrik 'bergetar' dengan cara menukar arah pengalirannya. (lihat rajah di bawah)
Satu getaran arus elektrik disimpulkan sebagai pergerakan arus elektrik dari sumber (English-source) menuju ke beban (English-load) dan kembali ke sumber, kemudian dari sumber, pada arah yang berlawanan, menuju ke beban dan kembali semula ke sumber. Ini ialah satu getaran lengkap arus elektrik.
Beza antara arus ulang-alik (English-alternating current) dan arus terus (English-direct current). Dalam rajah di atas, sumber ialah bulatan sementara beban ialah simbol bergerigi.
sumber: http://www.cybermike.net/reference/liec_book/AC/AC_1.html
Jika arus elektrik melakukan 50 kali getaran lengkap seperti yang diterangkan di atas, maka arus elektrik dikatakan 'bergetar' dengan frekuensi 50Hz ( atau 100 kali bertukar arah dalam masa sesaat). Ini ialah frekuensi yang digunakan di Malaysia dalam sistem pembekalan tenaga elektrik pada soket-soket bangunan dan rumah-rumah.
Para pembaca yang bijak akan mula mempersoalkan, adakah wayar penyalur elektrik mampu bertahan dalam sistem bergetar yang sangat tinggi ini? Tidakkah mereka terdedah kepada kerosakan, kerana sifat arus yang sentiasa berubah-ubah arah? Ini kerana getaran berulang-ulang boleh dianalogikan sebagai melakukan pergerakan yang sama ( contohnya berlari) menggunakan kasut sukan yang sama. Apabila kerap berlari, maka tapak kasut sukan akan makin haus akibat geseran dengan permukaan bumi. Begitu juga wayar elektrik.
Untuk mengatasi hal ini dan bagi membolehkan wayar penghantar salur elektrik mampu membawa arus berfrekuensi tinggi, ia diperbuat daripada tembaga (English-copper) yang memiliki rintangan elektrik yang amat rendah. Langkah ini boleh dianalogikan sebagai menggunakan kasut sukan yang lebih kuat (English-robust) daya cengkaman (English-grip force) dan tapaknya bagi mengurangkan kesan geseran (rintangan) dengan permukaan jalanraya atau permukaan tanah.
Antara elektrik dan kemagnetan
Sebelum pergi dengan lebih jauh, pembaca semua diminta mengamati terlebih dahulu rajah juzuk gelombang elektromagnet (English: electromagnetic waves spectra diagram) di bawah:
sumber: http://mynasadata.larc.nasa.gov/ElectroMag.html
Perhatikan frekuensi dari yang paling rendah sehingga ke yang paling tinggi. Frekuensi paling rendah (10 kuasa 4 atau 10000 atau 10kHz) ialah frekuensi gelombang radio, dan lebih tinggi sedikit (10 kuasa 8 atau 100000000 atau 100MHz) ialah frekuensi gelombang mikro. Ketika frekuensi gelombang elektromagnet ditingkatkan lagi ke 10 kuasa 15, maka cahaya nampak akan terhasil. Frekuensi tertinggi dicatatkan oleh gelombang dari reputan radioaktif, iaitu sinar gamma. (English-gamma ray). Menurut James Clerk Maxwell, kesemua gelombang elektromagnet dalam alam ini (termasuk cahaya biasa) bergerak pada laju cahaya, c = 300000000 meter per saat.
James Clerk Maxwell juga, setelah melakukan analisa ke atas Hukum Faraday dan Hukum Lenz, beliau menemui perkaitan antara medan elektrik dan medan magnet. Menggunakan himpunan persamaan-persamaan elektromagnetik yang dinamakan sekarang sebagai Persamaan Maxwell (English- Maxwell equations), beliau merumuskan dua fakta paling penting yang menjadi asas kepada pembangunan bidang elektromagnetik iaitu:
"Perubahan arah arus elektrik akan menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah pada sudut tegak dari arah pengaliran tersebut"
"Perubahan medan magnetik akan menghasilkan medan elektrik (atau arus elektrik jika ia melalui bahan pengalir arus) yang berubah-ubah arah dan pada sudut tegak dari arah medan magnetik"
Dengan menggabungkan kedua-dua fakta di atas, apakah yang dapat kita simpulkan?
Jawapannya cukup mudah: sebuah sistem yang memiliki medan magnetik dan medan elektrik yang saling berubah-ubah arah akan terhasil.
Bagaimana sistem ini boleh muncul? Medan magnetik yang berubah-ubah akan menghasilkan medan elektrik yang berubah-ubah, yang mana medan elektrik ini yang juga berubah-ubah akan menghasilkan medan magnetik yang berubah-ubah. Proses ini berulang-ulang dan membentuk apa yang dikenali sebagai gelombang elektromagnet (English-elektromagnetic wave).
sumber: http://taksreview.wikispaces.com/
Medan magnetik dan medan elektrik saling berubah-ubah dalam gelombang elektromagnet.
Gelombang elektromagnetik muncul dalam bentuk yang berlainan dalam alam ini, namun kesemuanya memiliki ciri yang sama; bergerak pada laju cahaya, c = 300000000 meter per saat, dan memiliki medan elektrik dan medan magnet yang saling berubah-ubah dan bertukar arah. Jenis gelombang elektromagnet dipengaruhi oleh frekuensi atau kekerapannya mengubah bentuk medan ( dari medan elektrik ke medan magnet dan sebaliknya) dalam masa sesaat). Gelombang radio, gelombang cahaya biasa, gelombang mikro (English-microwave) yang digunakan dalam ketuhar gelombang mikro, gelombang sinar X dan sinar gamma, kesemuanya merupakan gelombang elektromagnet yang diasingkan mengikut frekuensi getaran yang berbeza-beza, dan dihimpunkan di dalam sebuah rajah yang dikenali sebagai rajah juzuk gelombang elektromagnet sepertimana yang telah penulis utarakan kepada para pembaca pada awal bahagian ini.
Getaran arus elektrik pada frekuensi tinggi.
Adakah mustahil untuk kita meningkatkan lagi getaran arus elektrik kepada frekuensi yang lebih tinggi dari 50Hz? Tidak. Bahkan ia diaplikasikan secara meluas dalam kehidupan kita. Buat pengetahuan pembaca, dengan getaran yang lebih tinggi inilah, maka teknologi radio dan teknologi perhubungan tanpa wayar dapat dilakukan!
Sebelum ini kita telahpun membincangkan mengenai arus elektrik yang bergetar pada frekuensi 50Hz. Apakah yang akan berlaku jika kita tingkatkan lagi frekuensi ini, sebagai contoh, kepada 1000Hz atau 1kHz (atau 1000 kali getaran lengkap sesaat, atau juga 2000 kali bertukar arah sesaat!)?
Seorang saintis Inggeris bernama Oliver Heaviside yang mengkaji sifat arus ulang alik telah menjelaskan dalam kertas kerjanya bahawa arus elektrik yang ditingkatkan frekuensinya ini akan mengalir PADA PERMUKAAN BAHAN PENGALIR. Beliau menjelaskan bahawa semakin tinggi frekuensi arus elektrik (semakin kerap arus elektrik mengubah arah pengaliran dalam masa sesaat), semakin banyak arus akan mengalir PADA PERMUKAAN LUAR BAHAN PENGALIR. Fenomena ini dikenali sebagai Kesan Permukaan (English- skin effect)
sumber: http://www.audiosold.com/theorydesign.htm
Dua gambar dalam rajah di atas menerangkan fenomena kesan permukaan pada wayar penghantar arus.
(terjemahan)
Rajah 1 (atas): keratan rentas selembar wayar yang menunjukkan bahawa isyarat audio (arus elektrik) berfrekuensi rendah berkecenderungan untuk mengalir pada bahagian tengah wayar (kawasan yang digelapkan ialah kawasan di mana arus sedang mengalir) sebagaimana arus elektrik biasa.
Rajah 2 (bawah): keratan rentas wayar yang sama yang menunjukkan bahawa isyarat audio ( arus elektrik ) berfrekuensi tinggi berkecenderungan untuk mengalir menjauhi bahagian tengah ( atau berkecenderungan mengalir pada permukaan luar) wayar. Juga kawasan yang digelapkan ialah kawasan di mana arus sedang mengalir.
Ini bermakna, ruang di dalam wayar tembaga tidak digunakan sepenuhnya oleh arus elektrik ketika ia mengalir pada frekuensi yang amat tinggi. Para pembaca sekalian boleh menggunakan sebuah analogi bagi memahami fenomena ini: apabila semakin kerap arus terpaksa berulang-alik atau bertukar arah, maka semakin cenderung ia untuk keluar daripada bahan pengalir atau wayar tembaga, dengan harapan untuk mencari sebuah jalan pintas agar ia dapat mengalir dengan lancar. Ia sama seperti sifat manusia yang gemar menghindari kawasan sibuk dan hiruk pikuk (diterjemah pada wayar elektrik sebagai kawasan di mana arus berubah-ubah arah) untuk sampai ke destinasinya, dengan menggunakan jalan pintas.
Apabila ditingkatkan lagi frekuensi arus elektrik SEHINGGA SAMA DENGAN FREKUENSI RADIO (rujuk rajah juzuk gelombang elektromagnet di atas) iaitu 10kHz atau 10000Hz, maka arus tidak lagi mengalir dalam wayar elektrik. Ia keluar dari wayar sebagai apa yang kita kenali sebagai GELOMBANG RADIO.
Ini kerana pada tahap frekuensi yang amat tinggi ini, medan elektrik yang berubah-ubah (dari arus yang berubah-ubah arah) memiliki TENAGA YANG CUKUP untuk menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah yang tidak lenyap begitu sahaja atau pegun ( tidak bergerak), sebaliknya medan magnet yang memiliki tenaga yang cukup untuk menghasilkan kembali medan elektrik dan seterusnya medan magnetik yang berubah-ubah. Atau dengan kata lain, pada frekuensi yang amat tinggi ini, proses penghasilan gelombang elektromagnet dapat dimulakan dan diteruskan. Semakin tinggi arus yang dibekalkan, semakin lama medan elektrik dan medan magnet dapat saling dihasilkan oleh satu sama lain dan bertahan dalam proses tersebut tanpa terhenti atau mati (English-die away) dan semakin jauh gelombang elektromagnet dapat bergerak meninggalkan wayar pembawa arus, merentasi ruang udara, sehingga sampai kepada sistem penerima (English-receiver).
Ini ialah prinsip asas kepada penghasilan gelombang radio. Arus ulang alik pada frekuensi radio atau kependekannya RF (English-radio frequency) dialirkan kepada bahan pengalir yang dikenali sebagai antena (English-antenna). Proses penukaran arus ini kepada gelombang radio berlaku dengan berkesan dalam antena dan dipancarkan ke udara untuk ke sistem penerima radio.
Gelombang radio membolehkan komunikasi tanpa wayar dilakukan, dengan cara mengubah bentuk gelombang tersebut mengikut isyarat bunyi dan gambar yang ingin dihantar menerusi sistem tanpa wayar menggunakan kaedah yang dikenali sebagai modulasi (English-modulation) atau 'pengubahsuaian'.
