Konsep Listrik

Lab Elektronika Industri
Fisika 2
FISIKA 2
(PHYSICS 2)
2 SKS
SILABI
a. Konsep Listrik
b. Sumber Daya Listrik
c. Resistansi dan Resistor
d. Kapasistansi dan Kapasitor
e. Rangkaian Listrik Searah
f. Konsep Elektro-Magnetik
g. Induktansi dan Induktor
h. Rangkaian Listrik Bolak-Balik
i. Gelombang Elektromagnetik
KISI-KISI
a. Konsep Listrik
a.1. Muatan listrik
a.2. Elektron
a.3. Arus listrik
b. Sumber Daya Listrik
b.1. Listrik Searah
b.2. Listrik bolak-balik
b.3. Pembangkit energi listrik
c. Resistansi dan Resistor
c.1. Efek resistansi suatu konduktor
c.2. Komponen resistor
c.3. Hukum Ohm
c.4. Rangkaian resistor.
d. Kapasistansi dan Kapasitor
d.1. Efek Kapasitansi dua konduktor
d.2. Komponen Kapasitor
d.3. Rangkaian Kapasitor
e. Rangkaian Listrik Searah
e.1. Hukum Kirchoff tentang arus
e.2. Hukum Kirchoff tentang tegangan
e.3. Analisis rangkaian arus searah.
f. Konsep Elektro-Magnetik
f.1. Konsep magnet
f.2. Elektromagnet
g. Induktansi dan Induktor
g.1. Efek induktansi
g.2. Komponen induktor
g.3. Transformator
h. Rangkaian Listrik Bolak-Balik
h.1. Reaktansi kapasitif
h.2. Rekatansi induktif
h.3. Analisis rangkaian arus bolak-balik
h.4. Daya listrik
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
1
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
PENDAHULUAN
1. FISIKA 2
Fisika 2 adalah matakuliah awal dari rangkaian matakuliah yang mempelajari otomasi industri.
Matakuliah lanjutan dari Fisika 2 adalah Mekatronika, Sistem Kendali Industri, Otomasi Industri
dan Sistem Manufaktur Fleksibel. Dalam Fisika 2 akan dijelaskan mulai dari konsep listrik,
komponen kapasitor, resistor dan induktor, elektromagnetik dan analisis rangkaian listrik.
2. MUATAN LISTRIK
Pada percobaan sebuah penggaris plastik digosok-gosokan pada kain sutra (rambut). Kemudian
salah satu ujung penggaris itu didekatkan pada potongan-potongan kertas. Ternyata potonganpotongan kertas itu tertarik dan menempel ke ujung penggaris plastik. Bagaimana potongan kertas
itu bisak menempel ke penggaris?
Fenomena fisik seperti itu kemudian diterangkan dengan konsep listrik. Berikutnya percobaan
dilanjutkan dengan benda yang berbeda seperti pada gambar berikut.
Percobaan dengan dua macam benda yaitu penggaris
plastik dan batang kaca. Seperti pada percobaan
sebelumnya kedua jenis benda digosok-gosokkan dulu
ke rambut (kain sutra). Satu benda kemudian digantung
sedang benda lainnya didekatkan. Ternyata terjadi
fenomenda fisik sbb:
a. Penggaris plastik yang didekatkan ke penggaris
plastik yang digantung akan membuat penggaris
plastik menjauh.
b. Batang kaca didekatkan pada batang kaca yang
digantung membuat batang kaca yang digantung
menjauh.
c. Penggaris plastik didekatkan pada batang kaca yang
digantung membuat batang kaca mendekat ke
penggaris plastik.
Kejadian di atas bisa diterangkan dengan konsep listrik.
Penggaris plastik dan batang kaca yang telah digosokkan
ke rambut akan membuat penggaris plastik dan batang
kaca bermuatan listrik.
Ada dua jenis muatan listri sebut sebagai muatan plus
(+) dan minus (-). Dari percobaan kedua didapatkan
bahwa muatan yang sejenis akan tolak-menolak
sedangkan muatan tak sejenis akan tarik-menarik.
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
2
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
3. ISOLATOR DAN PENGHANTAR LISTRIK (KONDUKTOR)
Dua bola plastik yang satu digosok-gosokkan ke rambut sedang yang satunya tidak. Kita sebut saja
bola yang pertama bermuatan +, sedang bola kedua tidak bermuatan (netral). Kedua bola kemudian
dihubungkan dengan benda logam (paku) seperti gambar (b) di atas. Ternyata sebagian muatan akan
berpindah dari bola satu ke bola dua hingga kedua bola bermuatan sama. Tetapi pada percobaan lain
kedua bola dihubungkan dengan kayu seperti gambar (c) di atas. Dan ternyata pada percobaan ini
muatan kedua bola adalah tetap (tidak ada muatan listrik yang berpindah).
Kesimpulan dari percobaan ini adalah benda-benda logam dapat menghantarkan muatan listrik
sehingga disebut penghantar (konduktor) sedang benda seperti kayu, karet, plastik dll tidak bisa
menghantarkan listrik atau isolator.
4. HUKUM COULOMB
Fisikawan Perancis yang bernama Charles Coulomb tahun 1780 meneliti besarnya gaya yang
terjada pada muatan listrik dan menemukan hukum Coulomb.
Besarnya gaya listrik yang terjadi antara dua muatan listrik adalah sebanding dengan besar
muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan
atau secara matematis ditulis
F =k
Q1Q2
r2
Q1 , Q2
r
k
= muatan satu (satuan Coulomb)
= jarak dua muatan (satuan meter)
= konstanta 9x109 Nm2/C2
Gaya listrik adalah besaran vektor sehingga mempunyai besar dan arah. Arah gaya listrik tersebut
adalah sepajang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut.
Muatan listrik terkecil dimiliki oleh sebuah elektron yang mempunyai muatan minus (-) sebesar,
e = 1,602 x 10-19 C
Muatan pada elektron adalah paling kecil, sedang muatan benda-banda lain adalah kelipatan bulat
dari muatan elektron ini. Sehingga muatan elektron sering disebut sebagai muatan elementer.
Contoh
1. Tiga muatan Q1, Q2 dan Q3 yang terletak seperti gambar di bawah. Hitung masing-masing gaya
yang terjadi pada ketiga muatan tersebut dan tentukan arahnya pula.
Jawab:
Pada Q1 terdapat gaya F12 dan F13, pada Q2 terdapat gaya F21 dan F23, dan pada Q3 terdapat gaya
F31 dan F32.
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
3
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
Arah gaya-gaya yang terjadi seperti gambar di bawah,
F12 dan F21 besarnya sama hanya arahnya
yang berlawanan. Demikian pula F13 dan
F31 serta F23 dan F32. Gaya itu karena Hk.
Newton tentang aksi-reaksi.
Untuk menghitung besar dan arah dari
semua gaya, masing-masing gaya diurai
dulu menjadi komponen gaya horizontal
(Fx) dan komponen gaya vertikal (Fy),
seperti gambar berikut,
dimana:
F12y
F13x
F23x
F23y
= F12
= F13
= F23 cos θ1
= F23 sin θ1
θ1 = arc cos (4/5) = 36,870
F12 = k
−6
−6
Q1Q2
9 5.10 .5.10
=
= 250 N
9
.
10
r122
(3.10 −2 ) 2
−6
−6
Q1Q3
9 5.10 .2.10
= 225 N
F13 = k 2 = 9.10
r13
(4.10 −2 ) 2
−6
−6
Q2 Q3
9 5.10 .2.10
= 180 N
F23 = k 2 = 9.10
r23
(5.10 −2 ) 2
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
4
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
Gaya di Q1 adalah
F12y = F12 = 250N
F13x = F13 = 225N
F1 = F122 y + F132 x = 250 2 + 225 2 = 336,34 N
⎧ F12 y ⎫
-1 ⎧ 250 ⎫
0
⎬ = 48
⎬ = tan ⎨
⎩ 225 ⎭
⎩ F13 x ⎭
θ = tan -1 ⎨
Gaya di Q2 adalah
F21y = F12 = 250N
F23y = F23 sin 36.87 = 180 sin 36.87 = 108N
F23x = F23 cos 36.87 = 180 cos 36.87 = 144N
F2x = F23x = 144N
F2y = F21y – F23y = 250N – 108N = 142N
F 2 = F22x + F22y = 144 2 + 142 2 = 202,24 N
⎧ F2 y ⎫
-1 ⎧142 ⎫
0
⎬ = 44,6
⎬ = tan ⎨
⎩144 ⎭
⎩ F2 x ⎭
θ = tan -1 ⎨
Gaya di Q3 adalah
F3x = F31x + F32x
= F13 + F23 cos 36.87 = 225 + 180 cos 36.87
= 225 + 144 = 369N
F3y = F32y
= 108N
F 3 = F32x + F32y = 369 2 + 1082 = 384,48 N
⎧ F3 y ⎫
-1 ⎧ 108 ⎫
0
⎬ = 16,3
⎬ = tan ⎨
⎩ 369 ⎭
⎩ F3 x ⎭
θ = tan -1 ⎨
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
5
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
5. MEDAN LISTRIK
Menghitung gaya listrik adalah hal yang sulit apalagi jika muatan titik tersebut berjumlah sangat
banyak. Karena itu ilmuwan Inggris, Michael Faraday, membuat konsep medan listrik (E) untuk
mempermudah pemahaman dan penghitungan.
Apabila terdapat muatan listrik pada suatu ruang, maka disekitar muatan tersebut akan muncul
medan listrik yang keluar dari setiap muatan dan tersebar keseluruh ruang. Jika kemudian ada
muatan lagi (P) yang didekatkan pada muatan yang telah ada di ruang, muatan P itu akan
merasakan gaya yang disebabkan oleh medan listrik di ruang itu. Dengan demikian kita bisa
menghitung kuat medan listrik (dan gaya) pada muatan P itu dengan lebih mudah.
Kemudian muatan P itu ditentukan sebesar q positif (yang kecil) yang
disebut muatan uji. Medan listrik E bisa didefinisikan sebagai gaya F
yang diberikan pada muatan uji positif pada titik itu dibagi dengan
besar muatan uji tersebut. Atau,
E=
F
Q
=k 2
q
r
E adalah juga besaran vektor dimana besar adalah F/q sedang arahnya
sama dengan arah vektor F.
Medan listrik total E yang disebabkan oleh banyak medan listrik individual (E1, E2, ... ) adalah
jumlahan vektor dari setiap medan listrik individual tersebut (prinsip superposisi).
E = E1 + E 2 + . . . .
Medan listrik (demikian juga gaya listrik) dapat digambarkan dengan garis-garis medan (gaya)
listrik, dimana:
a. Garis-garis itu keluar dari muatan positif menuju ke muatan negatif.
b. Garis-garis itu tidak terputus
c. Antara dua garis tidak pernah berpotongan
d. Arah garis medan listrik juga menunjukkan arah gaya listrik
e. Besar kecil kuat medan listrik (gaya listrik) sebanding dengan jumlah garis per satuan luas
(kerapatan garis per satuan luas)
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
6
Lab Elektronika Industri
Fisika 2
Contoh 2.
Dua muatan listrik sebesar -25uC dan +50uC terpisah dengan jarak 10cm.
a. Hitung besar dan arah medan listrik di titik P yang terletak diantara dua muatan itu dengan jarak
2cm dari muatan negatif dan 8cm dari muatan positif.
b. Jika sebuah elektron kemudian diletakkan di titik P, hitung besar dan arah percepatan elektron
tersebut pada saat awal .
Jawab.
−6
Q2
Q1
50.10 −6
9 ⎛ 25.10
+
a. E P = E1 + E 2 = k 2 + k 2 = 9.10 ⎜⎜
−2 2
r2
(8.10 − 2 ) 2
r1
⎝ (2.10 )
b.
⎞
⎟⎟ = 6,3.10 8 N / C
⎠
F qE (1,6.10 −19 C )(6,3.10 8 N / C )
a= =
=
= 1,1.10 20 m / s 2
−31
m m
9,1.10 kg
Latihan.
1. Mesin fotokopi elektrostatik bekerja dengan memilih dan menyusun muatan-muatan positif
(sesuai pola/gambar yang akan dikopi) pada permukaan drum yang tidak menghantar, kemudian
dengan lembut menebarkan partikel toner (tinta) kering yang bermuatan negatif pada drum.
Partikel-partikel toner untuk sementara melekat pada pola/gambar di drum dan kemudian
dipindahkan ke kertas untuk kemudian dilelehkan sehingga menghasilkan kopi dari pola.
Misalkan setiap partikel toner memiliki massa 9,0.10-16kg dan membawa muatan rata-rata 20
elektron untuk menyediakan muatan listrik. Jika gaya listrik harus dua kali lebih besar dari berat
tiap partikel toner agar toner bisa menempel baik pada drum, hitung kuat medan listrik yang
dibutuhkan di permukaan drum.
2. Hitung besar dan arah kuat medan listrik dititik A dan titik B seperti pada gambar di bawah ini,
Iwan B Pratama
Teknik Industri UAJY
7