Fisika Umum (MA 301) Topik hari ini Kelistrikan
8/14/2007
Pendahuluan Pengetahuan kelistrikan sudah diamati pada zaman yunani kuno (700 SM). Dimulai dengan pengamatan bahwa batu amber (fosil) ketika digosok dengan kapas akan menarik benda-benda kecil seperti jerami atau bulu. Fenomena ini ternyata tidak terbatas pada amber/kapas tetapi dapat juga terjadi ketika bahan bukan penghantar saling digosok.
Sifat Muatan Listrik Penemuan Pengamatan pada Listrik Statis
Dua batang plastik yang telah digosokkan pada rambut ketika didekatkan akan saling tolak-menolak. Dua batang gelas yang telah digosokkan pada kain sutra ketika didekatkan akan saling tolak menolak. Batang plastik dan batang gelas ketika didekatkan akan saling tarik-menarik
Termuati
Batang plastik atau batang gelas setelah digosok masingmasing pada rambut dan kain menjadi bermuatan.
Dua Jenis Muatan
Dinamai oleh Benjamin Franklin (1706-1790) sebagai positif dan negatif.
Muatan yang sama saling tolak-menolak dan muatan yang berlawanan saling tarik-menarik (ada gaya listrik)
Sifat Muatan Listrik (lanjutan) Asal dari muatan muncul pada tingkat atomik.
Nukleus : “tetap”,positif. Elektron : gerak, negatif.
Keadaan atom biasanya adalah netral. Muatan mempunyai sifat cenderung untuk berpindah diantara material yang berbeda. Muatan listrik adalah kekal dalam setiap proses.
Muatan tidak bisa diciptakan. Biasanya, muatan negatif ditransfer dari benda yang satu ke benda yang lain.
Sifat Muatan Listrik (lanjutan) Kuantisasi Pada tahun 1909 Robert Millikan menemukan bahwa benda bermuatan hanya dapat memiliki kelipatan bulat dari satuan muatan fundamental.
Muatan adalah terkuantisasi. Sebuah benda dapat memiliki muatan ±e, atau ± 2e, atau ± 3e, dst tetapi tidak dapat ± 1.5e. Proton memiliki muatan +1e. Elektron memiliki muatan –1e. Beberapa partikel seperti neutron tidak memiliki muatanj. Sebuah atom yang netral memiliki muatan positif sebanyak muatan negatif.
Satuan
SI, coulomb ( C). Nilai dari |e| = 1.602 19 x 10-19 C.
Hukum Coulomb Observasi Tahun 1785, Charles Coulomb menemukan hukum fundamental tentang gaya listrik antara dua partikel statis yang bermuatan. Gaya listrik yang muncul mempunyai sifat-sifat berikut:
Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara partikel bermuatan tersebut. Berbanding lurus dengan perkalian besarnya muatan partikel tersebut, misalnya |q1| dan |q2|. Tarik menarik jika muatan partikel berlawanan dan tolak menolak jika muatan partikel sama.
q1
q2 r
Hukum Coulomb Formulasi Matematik F = ke
q1 q2 r2
ke dikenal sebagai konstanta Coulomb. Nilai ke bergantung pada pemilihan satuan. Satuan SI
Gaya Muatan Arus Jarak
: Newton (N) : coulomb ( C). : ampere (A =1 C/s). : meter (m).
Pengukuran secara eksperimen: ke = 8.9875×109 Nm2/C2. Nilai pendekatan yang digunakan: ke = 8.99×109 Nm2/C2.
Muatan dan massa dari Elektron, Proton dan Neutron. Partikel
Muatan ( C)
Massa (kg)
Elektron
-1.60 ×10+19
9.11 ×10+31
Proton
+1.60 ×10+19
1.67 ×10+27
Neutron
0
1.67 ×10+27
Pertanyaan: Elektron dan proton pada sebuah atom hidrogen berjarak sekitar 5.3x10-11 m. Cari besarnya gaya listrik antar proton dan elektron tersebut.
Observasi: q1 =-1.60x10-19 C q2 =1.60x10-19 C r = 5.3x10-11 m
Solusi: Fe = ke
e
2
r2
= 8.99 × 10
9 Nm 2 C2
(1.6 ×10 ( 5.3 ×10
−19 −11
) m)
C
2 2
= 8.2 × 10 −8 N
Gaya tarik menarik dengan besar 8.2x10-8 N.
Isulator, Konduktor dan Semikonduktor Klasifikasi Material Material/bahan dapat diklasifikasikan menurut kapasitasnya membawa muatan listrik Konduktor adalah material dimana muatan listrik dapat bergerak bebas. Isulator adalah material dimana muatan listrik tidak dapat bergerak bebas.
Gelas dan Karet adalah isulator yang baik. Baja, aluminum, dan perak adalah konduktor yang baik.
Semikonduktor adalah material kelas ketiga yang sifat listriknya antar konduktor dan isulator.
Silikon dan germanium adalah semikonduktor yang biasa digunakan sebagai divais elektronik (dioda, transistor dll).
Proses Pemuatan Pemuatan Secara Konduksi Tinjau batang yang bermuatan negatif, kemudian kontak dengan bola konduktor netral Beberapa elektron pada batang akan bergerak menuju bola Pindahkan batang yang bermuatan negatif tersebut Bola menjadi bermuatan negatif Proses seperti ini dinamakan proses pemuatan secara konduksi (kontak)
Pemuatan Secara Induksi
Tinjau batang bermuatan negatif didekatkan pada bola konduktor netral. Gaya tolak antar elektron mengakibatkan redistribusi muatan pada bola. Elektron-elektron pada bola akan menjauhi batang akibatnya muatan-muatan positif berada dekat batang. Hubungkan bola dengan bumi misalnya oleh sebuah kawat. Gaya tolak antar elektron mengakibatjkan elektron-elektron bergerak dari bola menuju bumi. Putuskan kawat. Sekarang, bola menjadi bermuatan positif. Proses seperti ini dinamakan pemuatan secara induksi. Pemuatan secara induksi tidak membutuhkan kontak dengan benda yang terinduksi.
Polarisasi Polarisasi adalah pengelompokan muatan yang terjadi dalam tiap molekul. Menghasilkan muatan induksi pada permukaan isulator.
Tes konsep 1 Sebuah bola muatan positif digantungkan pada sebuah benang dan kemudian didekatkan pada bola lain yang bukan penghantar. Bola bukan penghantar tersebut tertarik oleh bola yang bermuatan positif. Jelaskan kemungkinan jenis muatan yang dimiliki bola yang bukan penghantar tersebut!
?
+
Medan Listrik Penemuan Gaya listrik muncul dalam ruang meskipun tidak ada kontak fisik. Diduga adanya medan listrik (dikenalkan pertama kali oleh Michael Faraday (1791-1867)). Medan listrik muncul dalam ruang disekitar benda bermuatan. Jika muatan lain memasuki wilayah yang terdapat medan listrik, maka muatan tersebut akan mengalami gaya listrik
Medan Listrik Definisi Kuantitatif (1) Medan : Secara umum berubah terhadap posisi (lokasi) Kuantitas vektor : besar dan arah. Besarnya pada suatu daerah
Dinyataka sebagai fungsi dari gaya yang diberikan oleh medan pada sebuah muatan uji.
E =
F qo
Medan Listrik Definisi Kuantitatif (2) Arahnya didefinisikan sebagai arah gaya listrik yang dialami oleh sebuah muatan positif yang ditempatkan pada daerah tersebut.
E + E - -
-
-
-
-
- -
+ + + + + + + + + + + + + +
-
+ + + + + + + + + + +
Medan Listrik Medan Listrik oleh Sebuah Muatan q Diberikan
Maka
F = ke
E = ke
q qo r
2
q r
2
• Jika q>0, medan pada suatu titik berarah radial menjauh dari q. r + q
E
qo
• Jika q<0, medan pada suatu titik berarah radial menuju q. r q
E
qo
Garis Medan Listrik (1) Sebuah cara yang tepat untuk memvisualisasikan pola medan adalah dengan menggambar garis yang berarah sesuai dengan arah medan listrik. Garis-garis tersebut dinamakan garis medan. Catatan: 1.
2.
Vektor medan listrik, E, adalah menyinggung garis medan listrik pada tiap titik dalam ruang. Jumlah garis medan tiap satuan luas yang melalui permukaan secara tegak lurus berbanding lurus dengan kekuatan medan listrik di wilayah tersebut. E kuat ketika garis-garis medannya rapat dan lemah ketika garis-garis medannya renggang.
Garis Medan Listrik (2) Garis medan listrik dari muatan positif tunggal (a) dan muatan negatif tunggal (b) a)
b)
+ q
- q
Garis Medan Listrik (3) Aturan untuk menggambarkan garis medan listrik dari distribusi muatan. 1.
2.
3.
Garis harus dimulai pada muatan positif (atau pada tak hingga) dan berakhir pada muatan negatif (atau pada tak hingga). Jumlah garis medan yang meninggalkan muatan positif atau yang menuju muatan negatif berbanding lurus dengan besarnya muatan. Tidak ada dua garis medan yang saling berpotongan.
Garis Medan Listrik (4) Garis medan listrik dari sebuah dipol.
+
-
Tes konsep 2 Misalkan sebuah muatan positif +Q berada dalam ruang hampa. Kemudian dengan suatu cara tertentu, muatan positif tersebut ditempatkan pada pusat suatu bola konduktor berongga. Apa yang terjadi pada garis medan dari muatan positif tersebut?
? + q
+
Tes konsep 3 Apakah aman untuk berada dalam sebuah mobil ketika terjadi badai yang disertai petir!
Energi Potensial Listrik Energi yang dimiliki oleh benda karena posisinya dinamakan energi potensial Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki benda bermassa karena posisinya dalam medan gravitasi Energi potensial listrik adalah energi yang dimiliki benda bermuatan karena posisinya dalam medan listrik +
+ +
+
+
+
+
+ +
+
+
+ b
+ a
F
Potensial Listrik Potensial listrik adalah energi potensial listrik persatuan muatan Beda potensial antara titik A dan B , VB-VA, didefinisikan sebagai perubahan energi potensial (akhir kurang awal) dari sebuah muatan q, yang bergerak dari A ke B, dibagi oleh muatan tersebut ∆PE ∆V = VB − VA = q Potensial listrik adalah kuantitas skalar Beda potensial listrik adalah ukuran energi listrik tiap satuan muatan Potensial biasanya disebut sebagai tegangan listrik
Potensial Listrik Satuan Satuan SI untuk potensial listrik
1V = 1 J C Artinya, kerja sebesar 1 Joule dibutuhkan untuk menggerakan muatan sebesar 1 coulomb diantara dua titik yang berbeda potensial sebesar 1 volt
Elektron Volt Satuan energi yang biasa digunakan dalam fisika atomik, inti dan partikel adalah elektron volt (eV) Satu elektron volt didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan oleh sebuah elektron atau sebuah proton untuk melewati daerah dengan beda potensial satu volt
Vab=1 V
Hubungan dengan SI: 1 eV = 1.60´10-19 C·V = 1.60´10-19 J
Penyimpan Energi Listrik Definisi Kapasitansi Kapasitor: Dua konduktor berlawanan muatan yang dipisahkan oleh vakum atau bahan isulator a
b
+Q
-Q
Kapasitansi, C, dari sebuah kapasitor didefinisikan sebagai perbandingan besarnya muatan pada tiap konduktor dengan beda potensial pada kedua konduktor
Q C= ∆V
1. Sebuah kapasitor dasarnya adalah dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan isulator. Kapasitor tidak harus terlihat seperti keping logam. 2. Ketika sebuah kapasitor dihubungkan dengan beda potensial luar, muatan mengalir pada kepingan dan menghasilkan beda potensial antara plat. 3. Simbol kapasitor dalam rangkaian listrik
-
+-
Satuan Kapasitansi Satuan dari C adalah farad (F), tetapi kebanyakan kapasitor memiliki nilai C dalam rentang picofarad ke microfarad (pF ke µF).
1 F =1C V Recall, micro ⇒10-6, nano ⇒10-9, pico ⇒10-12 Jika potensial luar diputus, muatan akan berada dalam plat, sehingga kapasitor sangat baik digunakan untuk menyimpan muatan (dan energi)
Energi Disimpan dalam Kapsitor Tinjau sebuah batrei yang dihubungkan dengan kapasitor Batrei herus melakukan kerja untuk menggerakan elektron dari satu plat ke plat yang lain. Kerja yang dilakukan untuk memindahkan muatan kecil ∆q melalui beda potensial V adalah ∆W = V ∆q. Ketika muatan meningkat, V meningkat juga sehingga kerja untuk membawa ∆q juga meningkat. Dengan bantuan kalkulus kita akan menemukan bahwa energi (U) yang disimpan dalam kapasitor adalah
Q2 1 1 = CV 2 U = QV = 2C 2 2
V
V
q Q
Arus Listrik Ketika muatan-muatan bertanda sama bergerak dalam arah tertentu, sebuah arus dikatakan hadir. Tinjau muatan-muatan yang bergerak melalui sebuah permukaan seluas A secara tegaklurus. Definisi: Arus adalah laju muatan –muatan yang mengalir melalui suatu permukaan. +
+
+ +
+
A I
Arus Listrik Definisi Dikatahui sejumlah muatan, ∆Q, bergerak melewati luas permukaan A dalam selang waktu ∆t, arus adalah perbandingan muatan terhadap selang waktu.
∆Q I= ∆t +
+
+ +
+
A I
Arus Listrik Satuan Satuan SI dari arus adalah ampere (A).
1 A = 1 C/s 1 A arus ekivalen dengan 1 C muatan yang melalui suatu permukaan dalam selang waktu 1 s.
Arus Listrik (tambahan) Arus dapat dikatakan sebagai gerak dari muatan-muatan positif atau negatif . Perjanjian, arah arus searah dengan arah aliran muatan positif. Dalam sebuah konduktor, seperti tembaga, arus adalah gerak dari elektron (muatan negatif).
Arah arus dalam tembaga adalah berlawanan dengan arah gerak elektron.
-
-
-
I
v
Hambatan dan Hukum Ohm Pendahuluan Ketika beda potensial di kenakan pada ujung-ujung sebuah konduktor, nilai arus yang muncul berbanding lurus dengan beda potensial yang dikenakan.
I ∝ ∆V ∆V
I
Hambatan Definisi Dalam keadaan dimana kesebandingan arus dan tegangan sangat akurat, dapat dituliskan
∆V = IR Konstanta kesebandingan R dinamakan hambatan dari konduktor. Hambatan didefinisikan sebagai perbandingan antara:
∆V R= I
Hambatan Satuan Dalam SI, hambatan dinyatakan dalam volt per ampere. Sebuah penamaan khusus diberikan: ohms (Ω). Contoh: jika beda potensial 10 V diberikan pada sebuah konduktor memberikan arus 0.2 A, maka kita dapat menyimpulkan bahwa konduktor tersebut mempunyai hambatan sebesar 10 V/0.2 A = 50 Ω.
Hukum Ohm
George Simon Ohm (1787-1854)
Hambatan dalam sebuah konduktor muncul karena adanya tumbukan antara elektron-elektron dan muatan yang tetap dalam suatu material. Dalam kebanyakan material, hambatan yang dimiliki adalah konstan terhadap beda potensial yang diberikan Ini adalah pernyataan dari hukum Ohm.
Linier atau Material Ohmik
I
Non-Linier atau Material Non-Ohmik I
∆V Kebanyakan logam
∆V Semikonduktor contoh dioda
Hukum Ohm
∆V = IR R tidak bergantung pada nilai ∆V
Contoh-Contoh Resistor
Energi Listrik Dalam rangkaian tertentu, batrei digunakan untuk membengkitkan arus listrik
energi kimia dari batrei ditransfer menjadi energi kinetik dari pembawa muatan bergerak (energi listrik meningkat)
Pada alat-alat tertentu yang mempunyai hambatan (resistor) dan hadir dalam rangkaian listrik, akan mentransfer energi listrik menjadi panas
Energi kinetik dari pembawa muatan ditransfer menjadi panas melalui tumbukan dengan atom-atom dalam sebuah konduktor (energi listrik berkurang)
Daya Menghitung laju kehilangan energi (daya disipasi pada resistor)
∆E ∆Q P= = ∆V = I ∆V ∆t ∆t Gunakan hukum Ohm
P = I ∆V = I
2
∆V ) ( R=
2
R
Satuan daya (SI): Watt energi yang tersalurkan: kilowatt-hours (kWh)
(
)
1 kWh = 103W ( 3600 s ) = 3.60 ×106 J
Tes konsep 4 Sebuah bola lampu yang dibeli di toko memiliki spesifikasi 60 Watt – 220 Volt. Apa artinya!
Sumber Tegangan Contoh : Batrei dan generator listrik Setiap batrei mempunyai hambatan internal Beda potensial AB: Potensial naik oleh E sebagai sumber GGL, kemudian menurun oleh Ir (karena hambatan internal) Jadi, beda potensial terminal pada batrei ∆V adalah
B r
R A
∆V = E − Ir Catatan: E adalah sebagai tegangan terminal ketika arus pada rangkaian nol)
C
D
Pengukuran dalam Rangkaian Listrik Voltmeter mengukur beda potensial (atau tegangan) dari sebuah divais dengan menempatkannya secara paralel dengan divais tersebut. V
Ammeter mengukur arus listrik yang melalui sebuah divais dengan menempatkannya secara seri dengan divais tersebut. A
Rangkaian Listrik DC Dua prinsip dasar: - Kekekalan muatan - Kekekalan energi a
Ekivalensi hambatan
I
V ab = IR eq R eq
V ab ≡ I
Req
b
Hambatan Seri A
+_ v
v2 _ + R2
1. Kekealan muatan, akibatnya B
I1 = I2 = I
+ i1I
v1
R1 _
2. Kekekalan energi, akibatnya
C
∆V = IR1 + IR2 ∆V = IReq ∆V IR1 + IR2 Req ≡ = = R1 + R2 I I
Req = R1 + R2
Hambatan Paralel I +
A I2
I1
+
V _
1. Beda potensial yang melewati R1 and R2 sama,
I
R2
V
R1
_
V1 = V2 = V
Req
2. Kekekalan muatan, akibatnya
I = I1 + I 2 I=
V Req
V V1 V2 V V I= = + = + Req R1 R2 R1 R2
1 1 1 = + Req R1 R2
atau
Req =
R1 R2 R1 + R2
Tes konsep 5 1. Jelaskan mengapa seekor burung tidak tersengat arus listrik (kesetrum) ketika bertengger di sebuah kabel telanjang bertegangan tinggi? 2. Apa fungsi sikring?
