8. kelistrikan New [Compatibility Mode]

Fisika Umum (MA 301)
Topik hari ini:
Kelistrikan
Pendahuluan
Pengetahuan kelistrikan sudah diamati pada zaman
yunani kuno (700 SM).
Dimulai dengan pengamatan bahwa batu amber (fosil)
ketika digosok dengan kapas akan menarik bendabenda-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 tolaktolak-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
tarik
Termuati
Batang plastik atau batang gelas setelah digosok masingmasingmasing pada rambut dan kain menjadi bermuatan.
Dua Jenis Muatan
Dinamai oleh Benjamin Franklin (1706(1706-1790) sebagai positif
dan negatif
negatif..
Muatan yang sama saling tolaktolak-menolak dan muatan
yang berlawanan saling tariktarik-menarik.
menarik.
Sifat Muatan Listrik (lanjutan)
Asal dari muatan muncul pada tingkat atomik.
Nukleus : “tetap”,positif
“tetap”,positif..
Elektron : gerak, negatif
negatif..
Keadaan atom biasanya adalah netral
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
terkuantisasi..
Sebuah benda dapat memiliki muatan ±e, atau ± 2e, atau ± 3e, dst
tetapi tidak dapat ± 1.5e.
Proton memiliki muatan +1e
+1e..
Elektron memiliki muatan –1e
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|
|e| = 1.602 19 x 10-19 C.
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.
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)
Dibumikan (grounded)
Sebuah konduktor yang dihubungkan dengan bumi
melalui kawat penghantar, dinamakan dibumikan
(grounded)
Bumi merupakan reservoar elektron (dapat menerima
atau memberikan elektron berjumlah takberhingga)
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
Elektron
batang akibatnya muatanmuatan-muatan positif
berada dekat batang.
Hubungkan bola dengan bumi misalnya oleh
sebuah kawat.
Gaya tolak antar elektron mengakibatjkan
elektron--elektron bergerak dari bola menuju
elektron
bumi.
Putuskan kawat.
Sekarang, bola menjadi bermuatan positif.
Proses seperti ini dinamakan pemuatan
secara induksi.
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.
Bagaimana karet atau gelas dapat digunakan sebagai
pensuplai elektron.
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!
?
+
Jawab:
Ada dua kemungkinan:
Muatan negatif, karena gaya tarik muncul antara benda yang
berlawanan muatan.
+
-
Netral, karena gaya tarik yang muncul antara benda bermuatan
dan benda netral terjadi karena benda netral terpolarisasi.
++
++
---
+
Hukum Coulomb
Observasi
Tahun 1785, Charles Coulomb menemukan hukum fundamental
tentang gaya listrik antara dua partikel statis yang bermuatan.
Gaya listrik yang muncul mempunyai sifatsifat-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
r
2
ke dikenal sebagai konstanta Coulomb.
Nilai ke bergantung pada pemilihan satuan.
Satuan SI
Gaya
: Newton (N)
Muatan : coulomb ( C).
Arus
: ampere (A =1 C/s).
Jarak
: meter (m).
Pengukuran secara eksperimen:
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
Medan Listrik
Penemuan
Gaya listrik muncul dalam ruang meskipun tidak ada
kontak fisik.
Diduga adanya medan listrik (dikenalkan pertama kali
oleh Michael Faraday (1791(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
q0
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
F = ke
Maka
E = ke
q q0
r
2
q
r
2
• Jika q>0, medan pada suatu titik berarah radial menjauh
dari q.
• Jika q<0, medan pada suatu titik berarah radial menuju q.
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.
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 garisgaris-garis medannya rapat dan lemah ketika
garis--garis medannya renggang.
garis
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
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
+
Jawab:
Muatan negatif akan berada di kulit sebelah dalam.
Muatan positif akan berada di kulit sebelah luar
Tidak ada medan di dalam konduktor tetapi garis medan akan
muncul kembali di luar konduktor.
+
+
+
+
+
-
-
+ q
-
+
-
-
-
+
-
-
+
+
+
-
+
+
Energi Potensial Listrik
Gaya Coulomb adalah gaya konservatif
Untuk setiap gaya konservatif maka dapat didefinisikan
fungsi energi potensial listrik, termasuk juga gaya
Coulomb
Usaha oleh Gaya Listrik
Gaya elektrostatik adalah gaya
konservatif
Seperti pada mekanika, kerja
didefinisikan sebagai
r
E
B
A
d
W = Fd cos Θ
Kerja yang dilakukan oleh
gaya listrik pada muatan positif
yang berpindah dari A ke B
adalah
W = Fd cos Θ = qEd
Energi Potensial dari Medan
Elektrostatik
Kerja yang dilakukan oleh
gaya konservatif adalah
negatif dari perubahan energi
potensial, ∆EP
∆PE = −W = −qEd
Persamaan di atas
Benar, hanya untuk kasus
medan listrik yang uniform
Dapat diperkenalkan konsep
potensial listrik
Potensial Listrik
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
Potensial Listrik (tambahan)
Satuan medan listrik (N/C) dapat dinyatakan dalam bentuk
satuan potensial (sebagai volt per meter)
1 N/C = 1 V/m
Karena muatan positif cenderung untuk bergerak searah
dengan arah medan listrik, kerja harus dilakukan pada
muatan untuk menggerakannya dalam arah berlawanan
medan. Jadi,
Sebuah muatan positif akan menambah energi potensial listriknya
ketika bergerak dalam arah berlawanan medan listrik
Sebuah muatan negatif akan kehilangan energi potensial listriknya
ketika bergerak dalam arah berlawanan medan listrik
Potensial dan Energi Potensial Listrik dari
Muatan Titik
Rangkaian listrik: titik dengan potensial nol didefinisikan sebagai titik
yang digroundkan (dibumukan)
Potensial listrik dari muatan titik pada sebuah titik dalam ruang: titik
dengan potensial nol diambail pada jarak tak hingga dari muatan
tersebut
Dengan pemilihan ini, potensial menjadi
q
V = ke
r
Catatan: potensial hanya bergantung pada muatan, q, dan jarak dari
muatan ke titik dalam ruang, r.
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´
1.60´10
10--19 C·V = 1.60´
1.60´10
10--19 J
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 = 1 C/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
1
Q2 1
U = QV =
= CV 2
2
2C 2
V
V
q
Q
Arus Listrik
Ketika muatanmuatan-muatan bertanda sama bergerak dalam
arah tertentu, sebuah arus dikatakan hadir.
Tinjau muatanmuatan-muatan yang bergerak melalui sebuah
permukaan seluas A secara tegaklurus.
Definisi: Arus adalah laju muatan –muatan yang
mengalir melalui suatu permukaan.
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).
(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 muatanmuatan-muatan
positif atau negatif .
Perjanjian, arah arus searah dengan arah aliran
muatan positif
positif..
Dalam sebuah konduktor, seperti tembaga, arus adalah
gerak dari elektron (muatan negatif).
Arah arus dalam tembaga adalah berlawanan dengan arah
gerak elektron.
elektron.
-
-
-
I
v
Arus Listrik (tambahan)
Pada berkas proton dalam sebuah
pemercepat partikel (seperti RHIC di
Brookhaven national laboratory), arus
berarah sama dengan arah gerak
proton.
Pada berbagai gas dan elektrolit
(seperti batrei mobil), arus adalah
aliran kedua muatan positif dan
negatif.
Arus Listrik (tambahan)
Biasa untuk menyatakan sebuah muatan yang bergerak
sebagai sebuah pembawa muatan bergerak.
bergerak.
Dalam logam, pembawa muatan adalah elektron.
Dalam kondisi tertentu atau pada materialmaterial-material yang
lain, pembawa muatan dapat berupa ion positif atau
negatif.
Hambatan dan Hukum Ohm
Pendahuluan
Ketika beda potensial di kenakan pada ujungujung-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
(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 elektronelektron-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
Definisi:
Resistor : sebuah konduktor yang memberikan
hambatan tertentu pada sebuah rangkaian listrik.
Lambang resistor dalam diagram rangkaian:
Contoh--Contoh Resistor
Contoh
Superkonduktor
1911: H. K. Onnes, yang telah
1911:
menggambarkan bagaimana cara membuat
helium cair, kemudian digunakan untuk
mendinginkan raksa sampai 4.2 K dan dapat
dilihat hambatannya pada grafik di samping.
Pada suhu yang rendah hambatan dari
logam
logam
0, diukur kurang dari
10-16•ρkonduktor (i.e., ρ<10-24 Ωm)!
–Arus dapat mengalir meskipun E=0.
–Arus dalam cincin superkonduktor dapat mengalir bertahun-tahun
tanpa mengalami penurunan!
1957: Bardeen (UIUC!
1957:
(UIUC!),
), Cooper, and Schrieffer (“BCS”) mempublikasikan
penjelasan teoritis tentang fenomena superkonduktor, sehingga mereka
memperoleh Nobel prize di tahun 1972.
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 alatalat-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 atomatom-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
2
(
)
∆
V
P = I∆V = I 2 R =
R
Satuan daya (SI): Watt
energi yang tersalurkan: kilowattkilowatt-hours (kWh)
(
)
1kWh = 103W (3600s ) = 3.60 x106 J
Tes konsep 3
Sebuah bola lampu yang dibeli
di toko memiliki spesifikasi
60 Watt – 220 Volt.
Apa artinya!
Rangkaian Listrik
Cabang: sebuah cabang adalah sebuah elemen listrik tunggal (misal
Cabang:
resistor).
b
b
b
b
b
Rangkaian dengan 5 cabang
Persimpangan: Sebuah persimpangan (atau node) adalah titik yang
Persimpangan:
menghubungkan dua cabang atau lebih.
•b
•
b
Rangkaian dengan 3 node
•
b
Jika kita memulai pada satu titik (node) dalam rangkaian,kemudian melalui
divais--divais listrik dan kembali ke titik asal tanpa melalui sebuah node
divais
lebih dari satu kali, kita membentuk satu lintasan tertutup yang dinamakan
loop..
loop
GGL
Setiap batrei mempunyai
hambatan internal
Beda potensial AB:
Potensial naik oleh sebagai
sumber GGL, kemudian
menurun oleh Ir (karena
hambatan internal)
Jadi, beda potensial terminal
pada batrei ∆V adalah
∆V = E − Ir
Catatan: adalah sebagai
tegangan terminal ketika arus
pada rangkaian nol)
B
C
r
R
A
D
GGL (lanjutan)
Sekarang tambahkan resistor
R
Karena R terhubungkan
dengan batrei → tegangan
terminal adalah sama dengan
ujung--ujung resistor
ujung
∆V = E − Ir = IR
E = I (r + R )
Jadi, arus yang melewati
rangkaian
E
I=
r+R
B
C
r
R
A
D
Daya keluaran:
IE = I (r + R )
2
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 DC
Dua prinsip dasar:
- Kekekalan muatan
- Kekekalan energi
a
I
Ekivalensi hambatan
Vab = IReq
Vab
Req =
I
Req
b
Hambatan Seri
A
+_
v
1. Kekekalan muatan, akibatnya
v2 _
+
R2
B
I2 = I1 = I
+
I
i1
R1
v1
_C
2. Kekekalan energi, akibatnya
∆V = IR1 + IR2
∆V = IReq
∆V IR1 + IR2
Req =
=
= R1 + R2
∆I
I
Req = R1+ R2
Hambatan Pararel
I
+
I
A
I2
I1
V
_
1. Beda potensial pada R1
dan R2 sama,
R2
R1
+
V
V1 = V2 = V
Req
2. Kekekalan muatan,
akibatnya
_
I = I1 + I2
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 4
Jelaskan mengapa seekor burung tidak tersengat arus
listrik (kesetrum) ketika bertengger di sebuah kabel
telanjang bertegangan tinggi!