Makalah Fisika Muatan Listrik
BAB 1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Berabad-abad sejak filsuf Yunani menemukan fenomena sederhana ini, sains di bidang listrik dan magnet berkembang sendiri-sendiri sampai tahun 1820. Pada tahun 1820, Hans Christian Oersted menemukan adanya hubungan di antara listrik dan magnet. Oersted menemukan bahwa arus listrik yang ada dalam sebuah kawat dapat mempengaruhi jarum kompas magnetik.
Ilmu pengetahuan (sains) baru mengenai elektromagnetisme pun dikembangkan lebih lanjut oleh para peneliti di banyak negara. Salah satu tokoh terbesarnya adalah Michael Faraday, seorang ahli eksperimen berbakat, dengan intuisi fan visualisasi fisika yang luar biasa. Bukti dari talentanya itu dilihat dari fakta bahwa kumpulan catatan laboratoriumnya sama sekali tidak memuat persamaan matematika. Pada pertengahan abad ke-19, James Clerk Maxwell memformulasikan gagasan Faraday dalam rumus matematika, memperkenalkan beberapa idenya sendiri, dan mengokohkan basis teori elektromagnetisme.
Pada abad ke-21 ini, elektromagnetisme sangat dibutuhkan di kehidupan sehari-hari. Oleh karena itu, sudah sebaiknya kita dapat mempelajari elektromagnetisme ini. Berdasarkan gerak atau tidaknya elektromagnetisme, listrik terbagi menjadi dua, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Pembahasan elektromagnetisme kali ini hanya bagian yang dasarnya. Pembahasan elektromagnetisme lebih lanjut akan dibahas di semester yang akan datang.
Rumusan masalah
Apakah yang dimaksud dengan listrik statis?
Apa saja konsep dan penerapan yang temasuk dalam listrik statis?
Apakah yang dimaksud dengan listrik dinamis?
Apa saja konsep dan penerapan yang temasuk dalam listrik dinamis?
Tujuan makalah
Mengetahui pengertian listrik statis.
Mengetahui konsep dan penerapan yang termasuk dalam listrik statis.
Mengetahui pengertian listrik dinamis.
Mengetahui konsep dan penerapan yang termasuk dalam listrik dinamis.
BAB 2
PEMBAHASAN
Muatan listrik
Muatan listrik adalah karakter intrinsik dari dasar-dasar partikel yang menyusun benda; artinya, muatan listrik adalah properti yang secara otomatis hadir bersama partikel-partikel tersebut di manapun partikel-partikel tersebut berada.
Benda yang kelebihan sejumlah elektron akan bermuatan negatif dan yang kekurangan sejumlah elektron dikatakan bermuatan positif. Muatan-muatan yang jenisnya sama akan saling menolak, muatan-muatan yang jenisnya berbeda akan saling menarik. Benda dapat diklasifikasikan menjadi empat berdasarkan kemampuan benda tersebut dilalui muatan listrik.
Konduktor adalah bahan yang di dalamnya muatan listrik dapat bergerak cukup bebas, contohnya logam, tubuh manusia, air keran.
Isolator adalah bahan yang di dalamnya muatan tidak dapat bergerak bebas, contohnya karet, plastik, gelas, dan air murni.
Semikonduktor adalah bahan yang sifatnya berada di antara konduktor dan isolator, contohnya silikon dan germanium.
Superkonduktor adalah bahan yang merupakan konduktor sempurna, yang memungkinkan muatan bergerak tanpa ada hambatan sama sekali.
Properti dari konduktor dan isolator diakibatkan oleh struktur dan hakikat listrik dari atom. Atom terdiri dari proton yang bermuatan positif, elektron yang bermuatan negatif, dan neutron yang netral. Proton dan neutron tersusun rapat bersama-sama dalam nukleus (inti). Muatan dari elektron tunggal dan muatan dari proton tunggal memiliki magnitudo (besar) yang sama, namun berlawanan tandanya. Oleh karena itu, atom yang secara listrik netral memuat proton dan elektron dalam jumlah yang seimbang. Elektron ditahan di dekat nukleus karena mereka memiliki tanda listrik yang berlawanan dengan proton di dalam nukleus dan dengan demikian, elektron mengalami tarik menarik dengan nukleus. Elektron konduksi adalah elektron terluar (yang ikatannya paling lemah) yang bebas untuk berkelana di dalam zat padat itu, meninggalkan atom-atom bermuatan positif (ion-ion positif). Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa setiap muatan (q) besar atau kecil, positif atau negatif adalam merupakan kelipatan dari
q=n×e
e=1,602×10-19C
Disini e adalah muatan untuk satu elektron dan Coulomb (C) adalah satuan muatan listrik. Satu Coulomb diartikan sebagai jumlah muatan yang mengalir melalui suatu penampang kawat dalam satu sekon ketika kawat dilewati arus sebesar satu ampere.
I=qt
Pengertian Listrik
Listrik adalah rangkaian fenomena fisika yang berhubungan dengan kehadiran dan aliran muatan listrik (Wikipedia, 2017). Listrik terbagi menjadi dua, yaitu listrik statis dan listrik dinamis.
Listrik statis
Listrik statis adalah ketidakseimbangan muatan listrik dalam atau pada permukaan benda. Muatan listrik tetap ada sampai benda kehilangannya dengan cara sebuah arus listrik melepaskan muatan listrik (Wikipedia, 2016). Jenis listrik ini diproduksi dengan gesekan dan tidak bisa dibawa dari satu tempat ke tempat lain. Listrik semacam ini tidak bisa diproduksi dalam jumlah besar.
Hukum Coulomb
Dua benda bermuatan sejenis akan tolak menolak sedangkan dua benda bermuatan tidak sejenis akan tarik menarik. Hasil eksperimen Coulomb menunjukkan bahwa gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak antara dua muatan listrik berbanding lurus dengan besar setiap muatan dan berbanding terbalik dengan kuardat jarak antara keua muatan tersebut.
F=kq1q2r2
atau
F=14π0q1q2r2
Dimana F adalah gaya coulomb dalam satuan newton, q1 dan q2 adalah muatan partikel dalam satuan coulomb, r adalah jarak antar muatan dalam satuan meter dan k adalah konstanta (9 × 109 Nm2/C2).
Gaya Coulomb merupakan besaran vektor yang memiliki nilai dan arah. Apabila muatan benda sejenis, arah gaya Coulomb saling menjauh. Sebaliknya, apabila muatan benda tidak sejenis, arah gaya Coulomb saling mendekat. Gaya Coulomb juga dapat disebut gaya elektrostatik. Istilah elektrostatik digunakan untuk menekankan bahwa, realtif satu dengan yang lain, muatan muatan yang terikat bersifat stasioner (diam) atau sangat lambat pergerakannya.
Contoh soal:
Dua muatan listrik besarnya 3×10-6C dan 6×10-6C terpisah pada jarak 3 cm. Tentukan besar gaya Coulomb yang bekerja pada tiap-tiap muatan!
Penyelasaian:
Diketahui: q1=3×10-6C
q1=6×10-6C
r=3 cm=0,03m
Ditanyakan: F…?
Jawab:
F=kq1q2r2
F=9×109Nm2C23×10-6C∙6×10-6C(0,03m)2
F=9×109Nm2C218×10-12C29×10-4m2
F=1,8×102N
Hukum Gauss
Hukum Gauss menyatakan bahwa jumlah seluruh garis medan listrik yang menembus suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu. Secara matematis hukum Gauss dapat ditulis dengan persamaan berikut.
Փ=EAcos=q0
Dimana q adalah muatan listrik dalam coulomb, E adalah medan listrik, A adalah
Kuat Medan Listrik
Medan listrik adalah ruang atau daerah di sekitar muatan listrik yang dapat memengaruhi (menarik/menolak) muatan listrik lain yang berada di daerah itu. Benda bermuatan yang menghasilkan medan listrik dinamakan muatan sumber. Sementara itu, muatan yang diletakkan dalam pengaruh medan listrik dinamakan muatan uji. Besar kecilnya gaya yang dialami muatan uji di dalam medan listrik disebut kuat medan listrik (E).
Arah kuat medan listrik selalu menjauhi atau meninggalkan pusat medan yang bermuatan positif (+) dan menuju atau mendekati pusat medan yang bermuatan negatif (-). Persamaan kuat medan listrik dituliskan sebagai berikut.
E=Fq2
E=kq1r2
Dimana E adalah medan magnet dengan satuan newton per coulomb, q1 sebagai muatan sumber dalam satuan coulomb, q2 sebagai muatan uji dalam satuan coulomb, dan k adalah konstanta (9 × 109 Nm2/C2).
Contoh soal
Hitunglah kuat medan listrik di titik P yang berjarak 3 cm dari muatan +8×10-9C!
Penyelesaian:
Diketahui: q=+8×10-9C
r=3 cm=310-2 m
Ditanyakan: E…?
Jawab:
E=kqr2
E=9×109Nm2C2+8×10-9C(310-2 m)2
E=8×104NC
Jadi, besar medan listrik di titik P adalah8×104NC
Energi potensial listrik
Energi potensial listrik merupakan besaran skalar. Energi potensial listrik (Ep) di suatu titik b didefenisikan sebagai besar usaha (W) – dalam satuan joule – yang dilakukan oleh muatan q1 – dalam satuan coulomb – untuk memindahkan muatan uji q2 – dalam satuan coulomb – dari titik a pada jarak tak hingga (ra=∞) ke titik b yang berjarak rb dari q1.
W=qV1-V0
atau
W=∆Ep
dengan Ep
Ep=kq1q2r
Dimana V1 dan V0 adalah potensial listrik yang – dalam satuan volt – dipengaruhi medan listrik yang berbeda. Hal itu juga dapat disebut dengan beda potensial listrik. Persamaan potensial listrik dapat ditulis sebagai berikut.
V=Epq2
atau
V=kq1r
Contoh soal
Untuk memindahkan muatan sebesar 1 1µC dari suatu titik A ke titik B diperlukan usaha sebesar 210-4 J .
Tentukan: a. VBA
b. VAB
Penyelesaian:
Diketahui: q=1µC=110-6C
WAB=210-4 J
Ditanyakan: a. VBA
b. VAB
Jawab:
VBA=VA-VB
VBA=WABq
VBA=210-4 J 110-6C
VBA=210-2 volt
VAB=VB-VA
VBA=VAB
VBA=210-2 volt
Sebuah elektron dilepas tanpa kecepatan awal dari katode dan bergerak menuju anode. Potensial listrik di anode adalah 200 V lebih lebih tinggi daripada di katode. Diketahui muatan elektron -1,610-19C dan massa elektron 9,110-31kg. Tentukan energi potensial elektron ketika berada di katode relatif terhadap anode!
Penyelesaian :
Diketahui : VAK=200 V (A = Anode, K = Katoda)
q=-1,610-19C
m=9,110-31kg
Ditanyakan :Ep di katoda relatif terhadap anode
Jawab :
EpKA=EpK-EpA
EpKA=qEpKA
EpKA=-qEpKA
EpKA=-(-1,610-19C)(200 V)
EpKA=3,210-17J
Kapasitor
Kapasitor adalah sebuah komponen listrik yang dapat digunakan untuk menyimpan muatan listrik. Kapasitor kadang-kadang disebut juga kondensator. Beberapa fungsi kapasitor sebagai berikut.
Meratakan arus listrik pada rangkaian catu daya (power supply).
Memilih gelombang radio pada pesawat penerima radio.
Meniadakan bunga api listrik pada sistem pengapian kendaraan bermotor.
Menyimpan muatan listrik.
Mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.
Mengontrol frekuensi pada rangkaian osilator.
Penghubung (coupling).
Penyimpang arus (by pass).
Kapasitor tersusun dari dua penghantar yang berdekatan tetapi tidak saling menyentuh. Berdasarkan bentuknya, kapasitor ada tiga jenis yaitu kapasitor pelat (keping sejajar), kapasitor silinder, dan kapasitor bola.
Adapun kapasitas kapasitor adalah muatan (q) – dalam satuan coulomb – yang tersimpan dalam kapasitor sebanding dengan potensial listrik (V) – dalam satuan volt – pada kedua pelat. Makin besar muatan, makin besar pula beda potensial listriknya. Perbandingan antara muatan yang tersimpan dalam kapasitor dan potensial listrik antara kedua keping merupakan bilangan yang tetap yang disebut kapasitansi atau kapasitas (C) kapasitor – dalam satuan farad (F) –. Persamaannya dapat ditulis sebagai berikut.
C=qV
Susunan kapasitor terbagi menjadi dua, yaitu susunan seri dan paralel.
Susunan Seri
Beberapa kapasitor yang disusun berderet disebut susunan seri. Pada susunan kapasitor secara seri mempunyai sifat sebagai berikut.
Muatan pada tiap-tiap kapasitor sama, yaitu sama dengan muatan (q) pada kapasitor pengganti.
q=q1=q2=…=qn
Beda potensial listrik (V) pada ujung-ujung kapasitor pengganti sama dengan jumlah beda potensial listrik pada ujung-ujung tiap-tiap kapasitor.
V=V1+V2+…+Vn
Besarnya kapasitas pengganti seri (Cs) dapat dihitung dengan persamaan berikut.
1Cs=1C1+1C2+…+1Cn
Susunan Paralel
Kapasitor yang disusun secara paralel mempunyai sifat-sifat berikut.
Beda potensial listrik (V) tiap-tiap kapasitor sama, yaitu sama degan potensial listrik sumber.
V=V1=V2=…=Vn
Muatan (q) kapasitor pengganti sama dengan jumlah muatan tiap-tiap kapasitor.
q=q1+q2+…+qn
Besarnya kapasitor pengganti paralel (Cp) sebagai berikut.
Cp=C1+C2+…+Cn
Penggabungan kapasitor adalah menghubungkan kapasitor yang telah bermuatan listrik dengan kapasitor lain. Penggabungan tersebut dapat dilakukan dengan cara menyentuhkan, menghubungkan dengan kawat halus, atau menghubungkan kutub-kutub yang polaritasnya sama. Setelah penggabungan kapasitor akan terjadi aliran muatan dari kapasitor yang beda potensialnya lebih tinggi menuju kapasitor yang beda potensialnya lebih rendah hingga mencapai beda potensial yang sama (Vgab). Persamaannya dapat dituliskam sebagai berikut.
Vgab=q1+q2C1+C2
Contoh soal
Perhatikan gambar rangkaian kapasitor di bawah ini!
Berdasarkan gambar di atas, hitung muatan pada rangkaian !
Penyelesaian:
Diketahui: C1=3μF
C2=6μF
C3=3μF
C4=1μF
C5=5μF
V=200 V
Ditanyakan: q...?
Jawab:
C23=C2+C3=6μF+3μF=9μF
C45=C4+C5=1μF+5μF=6μF
1Cs=1C1+1C23+1C45
1Cs=13+19+16μF
Cs=1811μF
Cs=181110-6F
q=Cs∙V
q=181110-6F∙200 V
q=3,6×10-4C
Listrik Dinamis
Listrik dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. Cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik (Wikipedia, 2016). Listrik dinamis juga dikenal sebagai arus listrik dan dapat dengan mudah diambil dari stasiun pembangkit ke tempat-tempat yang jauh dengan kabel dan kabel
Kuat arus listrik
Arus listrik dapat mengalir karena adanya beda potensial pada dua titik. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arus listrik hanya dapat mengalir pada rangkaian tertutup. Arus listrik dapat dikatakan juga sebagai aliran muatan-muatan listrik. Besarnya arus listrik dinamakan kuat arus listrik dan didefinisikan sebagai berikut. Kuat arus listrik pada kawat (I) – dalam satuan ampere – adalah jumlah muatan (q) listrik – dalam satuan coulomb – yang melewati kawat per satuan waktu (t) – dalam satuan sekon – pada suatu titik. Persamaannya sebagai berikut.
I=qt
Jika arus listrik tersebut mengalir pada luasan tertentu, muncul istilah rapat arus listrik yang dirumuskan sebagai berikut.
J=IA
Dimana J adalah rapat arus dalam satuan ampere per meter kuadrat, I adalah kuat arus listrik dalam satuan ampere dan A adalah luasan penampang listrik mengalir dalam satuan meter kuadrat.
Arus listrik mengalir dari kutub positif (potensial tinggi) ke kutub negatif (potensial rendah). Arah arus listrik berlawanan dengan arah aliran muatan negatif dan searah dengan aliran muatan positif.
Contoh soal
Elektron sebanyak 10.000 mengalir pada sebuah luasan 4 m kuadrat selama 100 sekon. Rapat arus muatan sebesar ... A/m kuadrat. ( qe=1,6×10-19C)
Penyelesaian:
Diketahui: e=10.000
A=4 m2
t=100 s
qe=1,6×10-19C
Ditanyakan: J…?
Jawab:
I=Qt
I=104×1,6×10-19C100s
I=1,610-15C100s
I=1,610-17A
J=IA
J=1,6×10-17A4m2
J=0,4×10-17Am2
J=4×10-18Am2
Tegangan listrik
Tegangan listrik atau beda potensial adalah besaran listrik yang timbul karena dua benda yang memiliki potensial listrik berbeda dihubungkan oleh suatu penghantar. Secara matematis beda potensial dapat dituliskan sebagai berikut.
V=Wq
Dimana satuan beda potensial adalah volt (V), usaha (W) adalah joule (J), dan muatan (q) adalah coulomb.
Contoh soal
Usaha sebesar 10 Joule digunakan untuk memindahkan muatan sebesar 4 C dari titik A ke B. Tentukan beda potensial antara titik A dan titik B!
Penyelesaian:
Diketahui: Q = 4 C
W = 10 J
Ditanyakan : V…?
Jawab :
V= WQ
V= 10 J4 C
V =2,5 V
Hambatan
Hambatan atau resistansi listrik merupakan besaran yang menghalangi aliran arus listrik dan tegangan listrik. Satuan besaran hambatan adalah ohm (Ω). Hukum Ohm berbunyi sebagai berikut. Kuat arus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensial dan berbanding terbalik dengan hambatannya.
I=VR
Contoh soal
Muatan listrik mengalir 60 C melalui suatu penghantar selama 2 menit. Kuat arus yang mengalir sebesar . . . A
Penyelesaian:
Diketahui: Q=60C
t = 2 menit = 120 sekon
Ditanyakan : I
Jawab :
I = Q / t
I = 60 C / 120 s
I = 7.200 A
Nilai hambatan suatu penghantar ditentukan oleh panjang penghantar (l) dalam satuan meter , luas penampang penghantar (A) dalam satuan meter kuadrat, serta hambatan jenis penghantar (ρ) dalam satuan ohm meter. Persamaan hubungan besaran-besaran tersebut sebagai berikut.
R=ρlA
Dalam persamaan tersebut terdapat besaran baru yang disebut hambatan jenis (ρ). Hambatan jenis merupakan ciri khas suatu benda. Oleh karena itu, nilai hambatan jenis (resistivitas) setiap benda berbeda-beda. Nilai resistivitas ini salah satunya dipengaruhi oleh suhu benda (T) dan dirumuskan sebagai berikut.
ρ=0(1+α(∆T)
Berdasarkan persamaan pengganti suhu terhadap resistivitas bahan didapatkan persamaan hambatan sebagai berikut.
R=R0(1+α(∆T)
Diketahui sebuah kawat penghantar memiliki panjang 100 m, luas penampang 25 mm kuadrat, dan hambat jenis sebesar 17 X 10 pangkat -7 ohm.m. Tentukan besar hambatan kawat tersebut!
Penyelesaian :
Diketahui :
l = 100 m
A = 2,5 mm kuadrat = 2,5 X 10 pangkat -6 m kuadrat
ro = 17 X 10 pangkat -7 ohm.m = 1,7 X 10 pangkat -6 ohm.m
Ditanyakan : R
Jawab :
R = ro. l / A
R = (1,7 X 10 pangkat -6 ohm.m) . 100 m / (2,5 X 10 pangkat -6 m kuadrat)
R = 68 ohm
Jadi, besarnya hambatan kawat adalah 68 ohm.
Susunan hambatan terbagi menjadi dua, yaitu susunan seri dan paralel.
Susunan Seri
Beberapa hambatan yang disusun berderet disebut susunan seri. Pada susunan hambatan secara seri mempunyai sifat sebagai berikut.
Kuat arus pada tiap-tiap hambatan sama, yaitu sama dengan kuat arus (I) pada hambatan pengganti.
I=I1=I2=I3=…
Beda potensial listrik (V) pada ujung-ujung hambatan pengganti sama dengan jumlah beda potensial listrik pada ujung-ujung tiap-tiap hambatan.
V=V1+V2+V3+…
Besarnya hambatan pengganti seri (Rseri) dapat dihitung dengan persamaan berikut.
Rseri=R1+R2+R3+…
Susunan Paralel
Hambatan yang disusun secara paralel mempunyai sifat-sifat berikut.
Beda potensial listrik (V) tiap-tiap hambatan sama, yaitu sama dengan potensial listrik sumber.
V=V1=V2=V3=…
Kuat arus (I) hambatan pengganti sama dengan jumlah kuat arus tiap-tiap hambatan.
I=I1+I2+I3+…
Besarnya hambatan pengganti paralel (Rparalel) sebagai berikut.
1Rparalel=1R1+1R2+1R3+…
Perhatikan rangkaian berikut!
Berapa nilai hambatan pengganti rangkain tersebut?
Penyelesaian :
Diketahui :
R1 = R2 = R4 = 2 ohm
R3 = 6 ohm
Ditanyakan : Rek
Jawab :
Rs1 = R1 + R2
Rs1 = 2 ohm + 2 ohm = 4 ohm
1/Rp = 1/Rs1 + 1/Rs3
1/Rp = 1/4 ohm + 1/6 ohm = 3+2 / 12 ohm
Rp = 12 ohm / 5 = 2,4 ohm
Rek = Rp + R4
Rek = 2,4 ohm + 2 ohm = 4,4 ohm
Nilai hambatan penggantinya adalah 4,4 ohm.
3.
1.
3.
6.
Energi Listrik
Energi listrik tidak dapat dilihat, tetapi dapat diukur. Energi listrik yang digunakan oleh suatu peralatan listrik dapat diukur dengan persamaan:
W=Pt
=VIt
=I2Rt
=V2tR
Dimana satuan usaha (W) dalam joule (J), daya (P) dalam watt (W) dan waktu (t) dalam sekon (s).
Daya Listrik
Daya listrik merupakan laju energi listrik persatuan waktu. Secara matematis dinyatakan sebagai berikut.
P=Wt
=VItt
=VI
=I2R
=V2R
Sebuah lampu memiliki daya 100 watt. Jika lampu itu dipasang pada tegangan 20 Volt, berapakah kuat arus yang mengalir pada lampu?
Penyelesaian :
Diketahui :
P = 100 W
V = 20 V
Ditanyakan : I
Jawab :
P = V.I
I = P / V
I = 100 W / 20 V
I = 5 A
Jadi, kuat arus yang mengalir sebesar 5 A.
BAB 3
PENUTUP
Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan diatas, dapat disimpulkan bahwa
Listrik statis adalah ketidakseimbangan muatan listrik dalam atau pada permukaan benda. Muatan listrik tetap ada sampai benda kehilangannya dengan cara sebuah arus listrik melepaskan muatan listrik
Konsep yang termasuk dalam listrik statis yaitu hukum coulomb, hukum gauss, kuat medan listrik, energi potensial listrik, potensial listrik dan kapasitor. Penerapan dalam listrik statis ialah neraca punter coulomb, tesla coil, generator van de graff, dan lain sebagainya.
Listrik dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik.
Konsep yang termasuk dalam listrik dinamis yaitu kuat arus listrik, tegangan listrik, hambatan, energi listrik dan daya listrik. Penerapan dalam listrik dimanis salah satunya temuat di dalam multimeter.
Saran
Komentar
Posting Komentar