Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1
advertisement
Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 i Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 ii IPA TERAPAN UNTUK SMK PARIWISATA Hak Cipta pada Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Dilindungi Undang-Undang Milik Negara Tidak Diperdagangkan Penulis : Noor Hudallah Agus Suryanto Sri Handayani 750.014 BAS k Kotak Katalog dalam terbitan (KDT) 2017 Disusun dengan huruf Times New Roman, 11 pt Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 iii KATA PENGANTAR Undang-Undang Dasar Negara Republik Indonesia Tahun 1945 Pasal 31 ayat (3) mengamanatkan bahwa Pemerintah mengusahakan dan menyelenggarakan satu sistem pendidikan nasional, yang meningkatkan keimanan dan ketakwaan serta akhlak mulia dalam rangka mencerdaskan kehidupan bangsa, yang diatur dengan undang-undang. Atas dasar amanat tersebut telah diterbitkan Undang-Undang Republik Indonesia Nomor 20 Tahun 2003 tentang Sistem Pendidikan Nasional Implementasi dari undang-undang Sistem Pendidikan Nasional tersebut yang dijabarkan melalui sejumlah peraturan pemerintan, memberikan arahan tentang perlunya disusun dan dilaksanakan delapan standar nasional pendidikan, diantaranya adalah standar sarana dan prasarana. Guna peningkatan kualitas lulusan SMK maka salah satu sarana yang harus dipenuhi oleh Direktorat Pembinaan SMK adalah ketersediaan bahan ajar siswa khususnya bahan ajar Peminatan C1 SMK sebagai sumber belajar yang memuat materi dasar kejuruan Kurikulum yang digunakan di SMK baik kurikulum 2013 maupun kurikulum KTSP pada dasarnya adalah kurikulum berbasis kompetensi. Di dalamnya dirumuskan secara terpadu kompetensi sikap, pengetahuan dan keterampilan yang harus dikuasai peserta didik serta rumusan proses pembelajaran dan penilaian yang diperlukan oleh peserta didik untuk mencapai kompetensi yang diinginkan. Bahan ajar Siswa Peminatan C1 SMK ini dirancang dengan menggunakan proses pembelajaran yang sesuai untuk mencapai kompetensi yang telah dirumuskan dan diukur dengan proses penilaian yang sesuai. Sejalan dengan itu, kompetensi keterampilan yang diharapkan dari seorang lulusan SMK adalah kemampuan pikir dan tindak yang efektif dan kreatif dalam ranah abstrak dan konkret. Kompetensi itu dirancang untuk dicapai melalui proses pembelajaran berbasis penemuan (discovery learning) melalui kegiatan-kegiatan berbentuk tugas (project based learning), dan penyelesaian masalah (problem solving based learning) yang mencakup proses mengamati, menanya, mengumpulkan informasi, mengasosiasi, dan mengomunikasikan. Khusus untuk SMK ditambah dengan kemampuan mencipta. Bahan ajar ini merupakan penjabaran hal-hal yang harus dilakukan peserta didik untuk mencapai Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 iv kompetensi yang diharapkan. Sesuai dengan pendekatan kurikulum yang digunakan, peserta didik diajak berani untuk mencari sumber belajar lain yang tersedia dan terbentang luas di sekitarnya. Bahan ajar ini merupakan edisi ke-1. Oleh sebab itu Bahan Ajar ini perlu terus menerus dilakukan perbaikan dan penyempurnaan. Kritik, saran, dan masukan untuk perbaikan dan penyempurnaan pada edisi berikutnya sangat kami harapkan; sekaligus, akan terus memperkaya kualitas penyajian bahan ajar ini. Atas kontribusi itu, kami ucapkan terima kasih. Tak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada kontributor naskah, editor isi, dan editor bahasa atas kerjasamanya. Mudah-mudahan, kita dapat memberikan yang terbaik bagi kemajuan dunia pendidikan menengah kejuruan dalam rangka mempersiapkan Generasi Emas seratus tahun Indonesia Merdeka (2045). Jakarta, Agustus 2017 Direktorat Pembinaan SMK Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 v DAFTAR ISI Halaman: Kata Pengantar ................................................................................................................. iv Daftar Isi .......................................................................................................................... vi BAB 1 BESARAN FISIKA DAN PENGUKURANYA ................................................. 1 A. Besaran dan Satuan ...................................................................................... 1 B. Mengkonversi Satuan Panjang, Massa dan Waktu ........................................ 8 C. Mengkonversi Satuan Besaran Turunan ...................................................... 10 D. Mengkonversi Satuan Besaran Turunan Volume ........................................ 10 E. Pengukuran .................................................................................................. 11 F. Angka Penting ............................................................................................. 17 G. Pengukuran dan Ketidakpastian .................................................................. 18 BAB 2 GAYA, USAHA DAN ENERGI ....................................................................... 27 A. Gaya ........................................................................................................... 27 B. Hukum Newton ........................................................................................... 34 C. Usaha ........................................................................................................... 36 D. Energi .......................................................................................................... 36 BAB 3 KEKUATAN BAHAN, TEGANGAN PERMUKAAN DAN ELASTISITAS50 A. Karakteristik, Jenis dan Kekuatan bahan ..................................................... 50 B. Tegangan, Regangan dan Modulus Elastisitas ............................................ 65 C. Hukum Hooke untuk Susunan Pegas ........................................................... 72 BAB 4 SUHU DAN KALOR ......................................................................................... 78 A. Konsep Suhu dan Kalor ............................................................................... 78 B. Pengaruh kalor terhadap zat ........................................................................ 89 C. Perpindahan kalor ........................................................................................ 92 D. Perambatan Kalor ......................................................................................... 93 BAB 5 MATERI DAN PERUBAHANNYA ................................................................ 99 A. Materi dan Klasifikasinya ............................................................................ 99 B. Sifat dan Wujud Materi ............................................................................. 100 C. Perubahan Materi ...................................................................................... 101 D. Manfaat Perubahan Materi dalam Kehidupan ............................................ 103 BAB 6 MEDAN LISTRIK DAN MEDAN MAGNET .............................................. 108 A. Medan Listrik ............................................................................................ 108 B. Medan Magnet ........................................................................................... 118 BAB 7 POTENSIAL LISTRIK & LISTRIK SEARAH ........................................... 137 A. Potensial Listrik ......................................................................................... 137 B. Dielektrik .................................................................................................... 144 C. Arus Listrik Searah .................................................................................... 149 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................... 165 GLOSARIUM .............................................................................................................. 168 BIODATA PENULIS ................................................................................................... 169 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 vi BAB 1 BESARAN FISIKA DAN PENGUKURANYA A. Besaran dan Satuan Cobalah ukur panjang, lebar, dan tinggi buku menggunakan mistar. Berapa hasilnya? Tentu hasilnya akan berbeda antara satu buku dan buku lainnya. Misalnya, setelah diukur diketahui sebuah buku memiliki panjangnya 30 cm, lebarnya 20 cm, dan tebalnya 4 cm. Panjang, lebar, dan tinggi buku yang diukur tersebut, dalam fisika merupakan contoh-contoh besaran. Sementara itu, angka 20, 15, dan 4 menyatakan besar dari besaran tersebut dan dinyatakan dalam satuan centimeter (cm). Dengan demikian, besaran adalah sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka, sedangkan satuan merupakan acuan yang digunakan dalam pengukuran atau membandingkan dalam suatu pengukuran besaran. 1. Besaran Setiap besaran memiliki satuan yang berbeda sesuai dengan yang telah ditetapkan. Besaran dalam Fisika dikelompokkan menjadi besaran pokok dan besaran turunan. Besaran berdasarkan cara memperolehnya dapat dikelompokkan menjadi 2 macam yaitu: a. Besaran Fisika yaitu besaran yang diperoleh dari pengukuran. Karena diperoleh dari pengukuran maka harus ada alat ukurnya. Sebagai contoh adalah massa. Massa merupakan besaran fisika karena massa dapat diukur dengan menggunakan neraca. b. Besaran non Fisika yaitu besaran yang diperoleh dari penghitungan. Dalam hal ini tidak diperlukan alat ukur tetapi alat hitung sebagai misal kalkulator. Contoh besaran non fisika adalah Jumlah. Besaran Fisika sendiri dibagi menjadi 2, yaitu besaran pokok dan besaran turunan. 1) Besaran Pokok Besaran pokok adalah besaran yang satuannya telah ditetapkan terlebih dahulu dan tidak bergantung pada besaran lainnya. Terdapat tujuh besaran pokok yang telah ditetapkan, yakni massa, waktu, panjang, kuat arus listrik, temperatur, intensitas Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 1 cahaya, dan jumlah zat. Selain itu, terdapat dua besaran tambahan yang tidak memiliki dimensi, yakni sudut datar dan sudut ruang (tiga dimensi). Satuan dan lambang satuan dari besaran pokok dapat Anda lihat pada Tabel 1.1 dan Tabel 1.2 berikut: Tabel 1.1 Tujuh Besaran Pokok dalam Sistem Internasional Besaran Pokok Satuan Lambang Satuan Panjang Meter M Massa Kilogram kg Waktu Secon (detik) s Arus Listrik Ampere A Suhu Kelvin K Intensitas Cahaya Kandela cd Jumlah Zat Mole mol Tabel 1.2 Dua Besaran Tambahan dalam Sistem Internasional Besaran tambahan 2) Satuan Sudut datar Radian Sudut ruang Steradian Lambang satuan Rad Sr Besaran Turunan Besaran turunan adalah besaran yang diturunkan dari beberapa besaran pokok. Sebagai contoh, volume sebuah balok adalah panjang × lebar × tinggi. Panjang, lebar, dan tinggi adalah besaran pokok yang sama. Dengan kata lain, volume diturunkan dari tiga besaran pokok yang sama, yakni panjang. Contoh lain adalah kelajuan, yakni jarak dibagi waktu. Kelajuan diturunkan dari dua besaran pokok yang berbeda, yakni panjang (jarak) dan waktu. Satuan dari besaran turunan biasanya diturunkan dari besaran pokoknya, misal volume satuanya m3. Namun, ada pula yang memilik satuan sendiri. Berikut tabel besaran turunan dan satunya pada tabel 1.3. Tabel 1.3 Besaran Turunan dan Satuanya Besaran Turunan Satuan Lambang satuan Gaya Newton N Energi Joule J Daya Watt W Tekanan Pascal Pa Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 2 Besaran Turunan Satuan Lambang satuan Frekuensi Hertz Hz Muatan Listrik Coulomb C Beda Potensial Volt V Hambatan Listrik Ohm Ω Kapasitas Kapasitor Farad F Fluks Magnetik Weber Wb Induksi Magnetik Induktansi Fluk Cahaya Kuat Penerangan Tesla Henry Lumen Lux T H ln lx Selain itu, berdasarkan ada tidaknya arah, besaran juga dikelompokkan menjadi dua, yaitu besaran skalar dan besaran vektor. a. Besaran skalar yaitu besaran yang mempunyai besar dan satuan saja tanpa memiliki arah. Contoh: panjang, massa, waktu. b. Besaran vektor yaitu besaran yang memiliki besar (nilai), satuan dan arah. Contoh: kecepatan, gaya, perpindahan. 2. Satuan Ada dua macam sistem satuan yang sering digunakan dalam ilmu Fisika dan ilmu teknik, yakni sistem metrik dan sistem Inggris. Satuan dibahas dalam materi ini adalah sistem metrik. Sistem metrik kali pertama digunakan di negara Prancis yang dibagi menjadi dua bagian, yakni sistem MKS (meter, kilogram, sekon) dan CGS (centimeter, gram, sekon). Akan tetapi, satuan internasional menetapkan sistem MKS sebagai satuan yang dipakai untuk tujuh besaran pokok. a. Penetapan Satuan Panjang Kali pertama, satu meter didefinisikan sebagai jarak antara dua goresan yang terdapat pada kedua ujung batang platina-iridium pada suhu 0°C yang disimpan di Sevres dekat Paris. Batang ini disebut meter standar. Meskipun telah disimpan pada tempat yang aman dari pengaruh fisik dan kimia, meter standar ini akhirnya mengalami perubahan panjang walaupun sangat kecil. Pada 1960, satu meter standar Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 3 didefinisikan sebagai jarak yang sama dengan 1.650.763,73 kali riak panjang gelombang cahaya merah-jingga yang dihasilkan oleh gas kripton. Sumber: http://fisikamagz.blogspot.co.id/ Gambar 1.1 Jarak dua goresan pada balok logam campuran dari platina dan iridium yang tersimpan di International Bureau of Weight and Measures b. Penetapan Satuan Massa Kilogram standar adalah sebuah massa standar, yakni massa sebuah silinder platina-iridium yang aslinya disimpan di Sevres dekat Paris. Di Kota Sevres terdapat tempat kantor internasional tentang berat dan ukuran. Selanjutnya, massa kilogram standar disamakan dengan massa 1 liter air murni pada suhu 4°C. Sumber: http://fisikamagz.blogspot.co.id/ Gambar 1.2 Duplikat massa standar yang disimpan di national institute of standard technology (NIST), Amerika Serikat Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 4 c. Penetapan Satuan Waktu Satuan waktu dalam SI adalah detik atau sekon. Pada awalnya, 1 detik atau 1 sekon didefinisikan dengan 1 86.400 hari Matahari rata-rata. Oleh karena 1 hari Matahari rata-rata dari tahun ke tahun tidak sama, standar ini tidak berlaku lagi. Pada 1956, sekon standar ditetapkan secara internasional, yakni: 1 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 = 1 𝑙𝑎𝑚𝑎𝑛𝑦𝑎 𝑡𝑎ℎ𝑢𝑛 1900 31.556.925,9747 Akhirnya pada 1967, ditetapkan kembali bahwa satu sekon adalah waktu yang diperlukan atom Cesium untuk bergetar sebanyak 9.192.631.770 kali. Sumber: http://fisikamagz.blogspot.co.id/ Gambar 1.3: Atom cesium-133 memancarkan gelombang dengan frekuensi osilasi d. Penetapan Satuan Arus Listrik Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Arus listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere. Contoh arus listrik dalam kehidupan sehari-hari berkisar dari yang sangat lemah dalam satuan mikroAmpere (μA) seperti di dalam jaringan tubuh hingga arus yang sangat kuat 1-200 kiloAmpere (kA) seperti yang terjadi pada petir. Dalam kebanyakan sirkuit arus searah dapat diasumsikan resistansi terhadap arus listrik adalah konstan sehingga besar arus yang mengalir dalam sirkuit bergantung pada voltase dan resistansi sesuai dengan hukum Ohm. Arus listrik yang diukur dinyatakan dalam satuan Ampere. Satu Ampere didefinisikan sebagai jumlah muatan listrik satu Coulomb (1 Coulomb = 6,25 × 1018 elektron atau proton) yang melewati suatu penampang dalam waktu 1 sekon. Contoh gambar alat ukur Ampere meter adalah: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 5 Sumber: Shttps://mdesyra.wordpress.com/ Gambar 1.4: Ampere meter e. Penetapan Satuan Suhu Sebelum 1954, titik acuan suhu diambil sebagai titik lebur es pada harga 0°C dan titik didih air berharga 100°C pada tekanan 76 cmHg. Kemudian pada 1954, dalam kongres Perhimpunan Internasional Fisika, diputuskan bahwa suhu titik lebur es pada 76 cmHg menjadi T = 273,15 K dan titik didih air pada 76 cmHg menjadi T = 373,15 K. Sumber: http://www.berpendidikan.com/ Gambar 1.5 Perbandingan titik didih dan titik beku pada termometer f. Penetapan Satuan Intensitas Cahaya Sumber cahaya standar kali pertama menggunakan sumber cahaya buatan, yang ditetapkan berdasarkan perjanjian internasional yang disebut sebagai lilin. Pada 1948, ditetapkan sumber cahaya standar yang baru, yakni cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam pada suhu titik lebur platina (1.773°C) yang dinyatakan dengan satuan kandela. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 6 Satuan kandela didefinisikan sebagai benda hitam seluas satu meter persegi yang bersuhu titik lebur platina (1.773°C). Benda ini akan memancarkan cahaya dalam arah tegak lurus dengan kuat cahaya sebesar 6 × 105 kandela. Sumber: http://www.bikasolusi.co.id/ Gambar 1.6 Candela standar g. Penetapan Satuan Jumlah Zat Jumlah zat adalah besaran pokok fisika yang mengukur jumlah cuplikan zat elementer yang dapat berupa elektron, atom, ion, molekul, atau partikel tertentu. Satuan SI untuk jumlah zat ini adalah mol yang didefinisikan sebagai jumlah atom dalam elemen carbon-12 seberat 12 g. 1 mol mempunyai 6,0221415×1023 atom dari bahan murni yang diukur, yang sering dikenal sebagai bilangan Avogadro. Sumber: https://www.sciencelearn.org.nz/ Gambar 1.7 1 Mole of Carbon 3. Dimensi Dalam Fisika, ada tujuh besaran pokok yang berdimensi dan dua besaran pokok tambahan yang tidak berdimensi. Semua besaran dapat ditemukan dimensinya. Jika dimensi sebuah besaran diketahui, dengan mudah dapat diketahui pula jenis Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 7 besaran tersebut. Tujuh besaran pokok yang berdimensi dapat Anda lihat pada tabel berikut ini. Tabel 1.4 Dimensi Besaran No Besaran Dimensi 1 Panjang [L] 2 Massa [M] 3 Waktu [T] 4 Arus Listrik [I] 5 Suhu [θ] 6 Intensitas Cahaya [J] 7 Jumlah Zat [N] Dimensi suatu besaran menunjukkan bagaimana cara besaran tersebut tersusun oleh besaran-besaran pokok. Besaran pokok tambahan adalah sudut datar dan sudut ruang, masing-masing memiliki satuan radian dan steradian, tetapi keduanya tidak berdimensi. Contoh, besaran volume memiliki satuan m3 dimensi. B. Mengkonversi Satuan Panjang, Massa dan Waktu Pada kehidupan sehari-hari saat kita di tempat kerja, di rumah, dan sebagainya adakalanya kita harus mengonversi satuan panjang, satuan massa, dan satuan waktu. Bagaimana cara mengonversi satuan-satuan tersebut? Satuan panjang antara lain sentimeter (cm), meter (m), dan kilometer (km); sedangkan satuan massa, antara lain gram (g) dan kil ogram (kg). Untuk mengnversi satuan-satuan tersebut diperlukan kali satuan. Untuk lebih jelasnya, perhatikan tangga konversi besaran panjang dan massa pada Gambar 1.8. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 8 Sumber: http://www.rumusmatematikadasar.com/ Gambar 1.8 Konversi satuan panjang Seperti pada besaran panjang dan massa, besaran waktu juga memiliki beberapa satuan yang dapat salmg dikonversikan. Saman-satuan besaran waktu, antara lain jam, menit, dan detik. 1 jam =60 menit 1 menit = 60 sekon Contoh 1.1 Konversi satuan. Konversikan satuan-satuan berikut! a. 5,5 km = ... m b. 3000 cm = ... m c. 5000 g= ... kg d. 6,25 g = ... mg e. 4,5 jam = ... menit f. 360 sekon = ... menit Jawab: a. 5,5 km = 5,5 x 1000 = 5500 m b. 3000 cm = c. 5000 g = 3000 100 5000 1000 = 30 m = 5 kg d. 6,25 g = 6,25 x 1000 = 6250 mg Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 9 e. 4,5 jam = 4,5 x 60 menit = 270 menit f. 360 sekon = 360 60 = 6 menit C. Mengkonversi Satuan Besaran Turunan Contoh besaran turunan adalah luas dan volume. Bagaimana menentukan luas papan tulis? Berapakah volume air dalam suatu bak mandi yang penuh? Luas merupakan besarnya suatu daerah bidang. Luas dapat diperoleh dengan mengalikan antara dua besaran pokok panjang (panjang dan lebar atau alas dan tinggi). Karena luas merupakan turunan dari besaran panjang, maka satuannya juga diturunkan dari besaran panjang. Satuan luas yang sering dipakai dalam kehidupan sehari-hari, antara lain km², m², dan cm². Volume dapat diartikan sebagai besarnya suatu ruang. Volume suatu balok dapat diperoleh dengan cara mengalikan tiga besaran pokok panjang (panjang, lebar, dan tinggi). Satuan volume, antara lain cm³, m³, dan km³. Contoh 1.2 Konversikan satuan satuan berikut. a. 6,5 m2 = ... cm 2 b. 700 mm2 = .... cm2 Jawab: a. 6,5 m² = 6,5 x 10.000 cm² = 65000 cm² b. 700 mm²= 700 100 cm2 = 7cm² D. Mengkonversi Satuan Besaran Turunan Volume Satuan volume benda cair yang sering digunakan, yaitu m³, dm³ (liter), cm³, dan cc. Liter adalah unit pengukur volume. Hubungan antarsatuan volume adalah setiap naik satu satuan dikali dengan seribu apabila turun satu satuan dibagi dengan seribu. Hubungan antarsatuan volume adalah sebagai berikut. 1 liter = 10 desiliter = 100 centiliter = 1.000 milliliter. Contoh 1.3 1. Suatu restoran membuat es lemon tea di water Jug berisi 0,02 m³ Es lemon tea tersebut dibeli oleh 9 orang masing-masing 1,8 liter. Berapa sisa es lemon tea yang ada di dalam water jug? Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 10 Jawab: 0,02 m³ ( 9 X 1,8-1iter) = 20.000cm³-16.200 cm³ = 3. 800 cm³ 2. Seorang petugas kebersihan mengisi bak mandi yang volumenya 1 m3 petugas kebersihan tersebut mengisi bak mandi dengan menggunakan ember kecil yang volumenya l dm3. Berapa kali petugas kebersihan harus mengangkut air dengan ember? Jawab: Volume bak mandi 1 m³ = 1.000 L 1dm³ = 1 L. Jadi, petugas kebersihan harus mengangkut air sebanyak 1.000 L atau 1.000 kali. E. Pengukuran 1. Pengukuran panjang a. Mistar (Penggaris) Mistar atau penggaris adalah alat ukur panjang yang sering digunakan. Alat ukur ini memiliki skala terkecil 1 mm atau 0,1 cm. Mistar memiliki ketelitian pengukuran setengah dari skala terkecilnya yaitu 0,5 mm. Pada saat melakukan pengukuran dengan mistar, arah pandangan harus tegak lurus dengan dengan skala pada mistar dan benda yang diukur. Jika tidak tegak lurus akan menyebabkan kesalahan dalam pengukuran, bisa lebih besar atau lebih kecil dari ukuran aslinya. Untuk mengukur panjang benda biasanya digunakan mistar atau penggaris. Ada beberapa jenis mistar sesuai dengan skalanya. Mistar yang skala terkecilnya 1 mm disebut mistar berskala mm, sedangkan mistar yang skala rerkecilnya 1 cm disebut mistar berskala cm. Mistar yang biasa digunakan adalah mistar berskala mm. Satu skala terkecil mistar ini adalah 1 mm atau 0,1 cm. Oleh karena itu, ketelitian mistar berskala mm adalah 1 mm atau 0,l cm. Untuk mengukur panjang benda menggunakan mistar, posisi mata harus berada pada tempat yang tepat, yaitu terlerak pada garis yang tegak lurus terhadap mistar. Jika posisi rnata berada di luar garis tersebur, panjang benda yang diukur akan terbaca lebih kecil arau lebih besar dari nilai yang sebenarnya. Akibatnya, pengukuran menjadi kurang teliti dan terjadilah kesalahan pengukuran. Kesalahan semacam ini dikenal dengan istilah kesalahan paralaks. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 11 Sumber: http://edu.anashir.com/ Gambar 1.9 Pembacaan mistar b. Jangka Sorong Jangka sorong juga merupakan alat pengukur panjang dan biasa digunakan untuk mengukur diameter suatu benda. Penemu jangka sorong adalah seorang ahli teknik berkebangsaan Prancis, Pierre Vernier. Jangka sorong terdiri dari dua bagian, yaitu rahang tetap dan geser (sorong). Skala panjang yang terdapat pada rahang tetap adalah skala utama, sedangkan skala pendek pada rahang geser adalah skala nonius atau vernier, diambil dari nama penemunya. Skala utama memiliki skala dalam cm dan mm. Sedangkan skala nonius memiliki panjang 9 mm dan dibagi 10 skala. Sehingga beda satu skala nonius dengan satu skala pada skala utama adalah 0,1 mm atau 0,01 cm. Jadi, skala terkecil pada jangka sorong adalah 0,1 mm atau 0,01 cm. Sumber: Sumber: http://edu.anashir.com/ Gambar 1.10 Jangka sorong a Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 12 b Sumber: http://edu.anashir.com/ Gambar 1.11 Skala jangka sorong Cara mengukur panjang benda menggunakan jangka sorong ditunjukkan oleh Gambar 1.11 (b). Ditunjukkan pada gambar tersebut skala utama (sku) adalah 62 skala dan skala nonius (skn) adalah 4 skala. Sehingga panjang benda yang diukur dibaca dengan cara berikut: Panjang benda = sku . 1 mm + skn . 0,1 mm = 62 . 1 mm + 4 . 0,1 mm = 62 mm + 0,4 mm = 62,4 mm c. Mikrometer Sekrup Mikrometer sekrup biasa digunakan untuk mengukur benda-benda yang tipis, seperti tebal kertas dan diameter rambut. Mikrometer sekrup terdiri atas dua bagian, yaitu selubung (poros tetap) dan selubung luar (poros ulir). Skala panjang pada poros tetap merupakan skala utama, sedangkan pada poros ulir merupakan skala nonius. Skala utama mikrometer sekrup mempunyai skala dalam mm, sedangkan skala noniusnya terbagi dalam 50 bagian. Satu bagian pada skala nonius mempunyai nilai 1/50 × 0,5 mm atau 0,01 mm. Jadi, mikrometer sekrup memiliki ketelitian yang lebih tinggi dari dua alat yang telah disebutkan sebelumnya, yaitu 0,01 mm. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 13 Sumber: http://edu.anashir.com/ Gambar 1.12 Mikrometer sekrup Pada mikrometer sekrup di atas, ditunjukkan bahwa sku = 9 skala dan skn = 43 skala, maka panjang benda yang diukur dapat ditentukan dengan cara sebagai berikut: Panjang benda = (sku . 0,5 + skn . 0,01) mm = (9 . 0,5 + 43 . 0,01) mm = (4,5 + 0,43) mm = 4,93 mm 2. Pengukuran Massa a. Timbangan Pasar Timbangan yang banyak digunakan di pasar. Terdiri dari dua bagian utama, yaitu bagian tempat benda dan bagian anak timbangan. Berkapasitas ukur maksimal 15-20 kg dan bisa dibawa dengan tangan. Sumber: https://fjb.m.kaskus.co.id/ Gambar 1.13 Timbangan pasar b. Neraca Dua Lengan Alat ukur massa ini mempunyai ketelitian yang lebih dibandingkan dengan timbangan pasar. Disebut dua lengan karena terdiri dari dua lengan utama, demikian juga berlaku untuk penyebutan tiga lengan jika terdiri atas tiga lengan. Batas ketelitian alat ini adalah: 0,1 gr. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 14 Sumber: https://ukurkadarair.com/ Gambar 1.14 Neraca dua lengan c. Timbangan Gantung Timbangan jenis ini banyak di jumpai di pasar-pasar, kapasitas ukur maksimal 100 s.d. 150 kilogram. Cara menimbangnya yaitu dengan membungkus benda dalam wadah karung (bisa yang lain) kemudian di kaitkan dengan pengait yang ada di timbangan gantung. Sumber: https://www.tokopedia.com/ Gambar 1.15 Timbangan gantung d. Neraca Ohaus Neraca Ohaus adalah alat ukur massa benda dengan ketelitian 0.01 gram. Prinsip kerja neraca ini adalah sekedar membanding massa benda yang akan diukur dengan anak timbangan. Anak timbangan neraca Ohaus berada pada neraca itu sendiri. Kemampuan pengukuran neraca ini dapat diubah dengan menggeser posisi anak timbangan sepanjang lengan. Anak timbangan dapat digeser menjauh atau mendekati poros neraca. Massa benda dapat diketahui dari penjumlahan masing-masing posisi anak timbangan sepanjang lengan setelah neraca dalam keadaan setimbang. Ada juga yang mengatakan prinsip kerja massa seperti prinsip kerja tuas. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 15 Neraca Ohaus terdiri dari tiga lengan, sehingga sering disebut juga neraca tiga lengan. Neraca ini mempunyai tiga buah lengan, yaitu lengan pertama yang berskala ratusan gram, lengan kedua yang berskala puluhan gram, dan lengan ketiga yang berskala satuan gram. Neraca ini mempunyai ketelitian sampai dengan 0,1 gram. Neraca O Hauss dengan tiga buah lengan ini terdiri atas: • lengan 10 gram • lengan 100 gram • lengan 500 gram Sumber: https://untuksemua101.blogspot.co.id/ Gambar 1.16 Neraca ohaus Ilustrasi cara membaca neraca Ohaus untuk mengukur massa benda. Berikut ini cara mengukur massa menggunakan neraca Ohaus: Sumber: http://www.e-sbmptn.com/ Gambar 1.17 Pembacaan neraca ohaus Untuk membaca hasil pengukuran, mulailah dari angka di lengan 500 g, 100 gram dan terakhir 10 gram. Pada contoh di atas, lengan 500 gram berada di tengah, ada kemungkinan di model lain, lengan 500 gram ada di belakang atau malah di depan. Hasil pengukuran pada contoh di atas: Nilai baca = 400 + 90 + 8,2 = 498,2 gram. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 16 F. Angka Penting Angka penting adalah angka hasil pengukuran yang terdiri dari angka pasti (eksak) dan angka taksiran. Angka pasti diperoleh dari penghitungan skala alat ukur, sedangkan angka taksiran yaitu angka hasil pengukuran yang diperoleh dengan memperkirakan nilainya. Nilai ini muncul karena yang terukur terletak diantara skala terkecil alat ukur. Dalam setiap pengukuran hanya diperbolehkan memberikan satu angka taksiran. Semua angka-angka hasil pengukuran adalah bagian dari angka penting. Namun, tidak semua angka hasil pengukuran merupakan angka penting. Berikut ini merupakan aturan penulisan nilai dari hasil pengukuran. ➢ Semua angka bukan nol merupakan angka penting. • 548 memiliki 3 angka penting • 1,871 memiliki 4 angka penting ➢ Angka nol yang terletak di antara dua angka bukan nol termasuk angka penting. • 2,022 memiliki 4 angka penting. ➢ Angka nol yang terletak di sebelah kanan tanda koma dan angka bukan nol termasuk angka penting. • 4,500 memiliki 3 angka penting. ➢ Angka nol yang terletak di sebelah kiri angka bukan nol, baik yang terletak di sebelah kiri maupun di sebelah kanan koma desimal, bukan angka penting. 1. • 0,63 memiliki 2 angka penting • 0,008 memiliki 1 angka penting. Penjumlahan dan Pengurangan Operasi penjumlahan dan pengurangan angka-angka penting, hasilnya hanya boleh mengandung satu angka taksiran (angka yang diragukan). Contoh: a. Jumlahkan 363,219 kg, 6,43 kg dan 16,5 kg 363,219 9 angka taksiran 6,43 3 angka taksiran 16,5 386,149 5 angka taksiran + dibulatkan 386,1 karena hanya boleh mengandung satu angka taksiran b. Jumlahkan 4,74 x 1014 kg dan 6,950 x 103 kg 4,74 x 104 = 4,74 x 104 4 angka taksiran Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 17 6,950 x 103 0 angka taksiran + = 6,950 x 103 54,350 x 103 = dibulatkan 54,4 x 103, karena hanya boleh mengandung satu angka dan dalam notasi ilmiah di tulis 5,44 x 104 c. Kurangi 578,39 m dengan 312 m 578,39 9 angka taksiran 2 angka taksiran 312 - 266,39 266 m karena hanya boleh mengandung satu angka taksiran d. Kurangi 5,4 x 102 m dengan 165 m 540 m 4 angka taksiran 5 angka taksiran 165 375 - 280 karena hanya boleh mengandung saatu angka taksiran Agar jelas banyak angka pentingya, maka ditulis dalam bentuk notasi ilmiah 2,8 x 102 m. G. Pengukuran dan Ketidakpastian Saat melakukan pengukuran mengunakan alat, tidaklah mungkin kita mendapatkan nilai yang pasti benar, melainkan selalu terdapat ketidakpastian. Apakah penyebab ketidakpastian pada hasil pengukuran? Secara umum penyebab ketidakpastian hasil pengukuran ada tiga, yaitu kesalahan umum, kesalahan sistematik, dan kesalahan acak. 1. Kesalahan Umum Kesalahan umum adalah kesalahan yang disebabkan keterbatasan pada pengamat saat melakukan pengukuran. Kesalahan ini dapat disebabkan karena kesalahan membaca skala kecil, dan kekurangterampilan dalam menyusun dan memakai alat, terutama untuk alat yang melibatkan banyak komponen. 2. Kesalahan Sistematik Kesalahan sistematik merupakan kesalahan yang disebabkan oleh alat yang digunakan dan atau lingkungan di sekitar alat yang memengaruhi kinerja alat. Misalnya, kesalahan kalibrasi, kesalahan titik nol, kesalahan komponen alat atau kerusakan alat, kesalahan paralaks, perubahan suhu, dan kelembaban. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 18 a. Kesalahan Kalibrasi Kesalahan kalibrasi terjadi karena pemberian nilai skala pada saat pembuatan atau kalibrasi (standarisasi) tidak tepat. Hal ini mengakibatkan pembacaan hasil pengukuran menjadi lebih besar atau lebih kecil dari nilai sebenarnya. Kesalahan ini dapat diatasi dengan mengkalibrasi ulang alat menggunakan alat yang telah terstandarisasi. b. Kesalahan Titik Nol Kesalahan titik nol terjadi karena titik nol skala pada alat yang digunakan tidak tepat berhimpit dengan jarum penunjuk atau jarum penunjuk yang tidak bisa kembali tepat pada skala nol. Akibatnya, hasil pengukuran dapat mengalami penambahan atau pengurangan sesuai dengan selisih dari skala nol semestinya. Kesalahan titik nol dapat diatasi dengan melakukan koreksi pada penulisan hasil pengukuran. c. Kesalahan Komponen Alat Kerusakan pada alat jelas sangat berpengaruh pada pembacaan alat ukur. Misalnya, pada neraca pegas. Jika pegas yang digunakan sudah lama dan aus, maka akan berpengaruh pada pengurangan konstanta pegas. Hal ini menjadikan jarum atau skala penunjuk tidak tepat pada angka nol yang membuat skala berikutnya bergeser. d. Kesalahan Paralaks Kesalahan paralaks terjadi bila ada jarak antara jarum penunjuk dengan garisgaris skala dan posisi mata pengamat tidak tegak lurus dengan jarum. 3. Kesalahan Acak Kesalahan acak adalah kesalahaan yang terjadi karena adanya fluktuasifluktuasi halus pada saat melakukan pengukuran. Kesalahan ini dapat disebabkan karena adanya gerak brown molekul udara, fluktuasi tegangan listrik, lkitasan bergetar, bising, dan radiasi. a. Gerak Brown Molekul Udara Molekul udara seperti kita ketahui keadaannya selalu bergerak secara tidak teratur atau rambang. Gerak ini dapat mengalami fluktuasi yang sangat cepat dan menyebabkan jarum penunjuk yang sangat halus seperti pada mikrogalvanometer terganggu karena tumbukan dengan molekul udara. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 19 b. Fluktuasi Tegangan Listrik Tegangan listrik PLN atau sumber tegangan lain seperti aki dan baterai selalu mengalami perubahan kecil yang tidak teratur dan cepat sehingga menghasilkan data pengukuran besaran listrik yang tidak konsisten. c. Lintasan yang Bergetar Getaran pada lintasan tempat alat berada dapat berakibat pembacaan skala yang berbeda, terutama alat yang sensitif terhadap gerak. Alat seperti seismograf butuh tempat yang stabil dan tidak bergetar. Jika lintasannya bergetar, maka akan berpengaruh pada penunjukkan skala pada saat terjadi gempa bumi. d. Bising Bising merupakan gangguan yang selalu kita jumpai pada alat elektronik. Gangguan ini dapat berupa fluktuasi yang cepat pada tegangan akibat dari komponen alat bersuhu. e. Radiasi latar belakang Radiasi gelombang elektromagnetik dari kosmos (luar angkasa) dapat mengganggu pembacaan dan menganggu operasional alat. Misalnya, ponsel tidak boleh digunakan di SPBU dan pesawat karena bisa mengganggu alat ukur dalam SPBU atau pesawat. Gangguan ini dikarenakan gelombang elektromagnetik pada telepon seluler dapat mengasilkan gelombang radiasi yang mengacaukan alat ukur pada SPBU atau pesawat. Adanya banyak faktor yang menyebabkan kemungkinan terjadinya kesalahan dalam suatu pengukuran, menjadikan kita tidak mungkin mendapatkan hasil pengukuran yang tepat benar. Oleh karena itu, kita harus menuliskan ketidakpastiannya setiap kali melaporkan hasil dari suatu pengukuran. Untuk menyatakan hasil ketidakpastian suatu pengukuran dapat menggunakan cara penulisan x = (xo ± Δx), dengan x merupakan nilai pendekatan hasil pengukuran terhadap nilai benar, xo merupakan nilai hasil pengukuran, dan Δx merupakan ketidakpastiannya (angka taksiran ketidakpastian). Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 20 1) Ketidakpastian pada Pengukuran Tunggal Pengukuran tunggal merupakan pengukuran yang hanya dilakukan sekali saja. Pada pengukuran tunggal, nilai yang dijadikan pengganti nilai benar adalah hasil pengukuran itu sendiri. Sedangkan ketidakpastiannya diperoleh dari setengah nilai skala terkecil instrumen yang digunakan. Misalnya, kita mengukur panjang sebuah benda menggunakan mistar. Sumber: http://edu.anashir.com/ Gambar 1.18 Mistar ukur Pada gambar 1.18, ujung benda terlihat pada tanda 15,6 cm lebih sedikit. Berapa nilai lebihnya? Ingat, skala terkecil mistar adalah 1 mm. Telah kita sepakati bahwa ketidakpastian pada pengukuran tunggal merupakan setengah skala terkecil alat. Jadi, ketidakpastian pada pengukuran tersebut adalah sebagai berikut. 𝑥= 1 ∗ 1𝑚𝑚 = 0,5𝑚𝑚 = 0,05𝑐𝑚 2 Karena nilai ketidakpastiannya memiliki dua desimal (0,05 mm), maka hasilpengukurannyapun harus kita laporkan dalam dua desimal. Artinya, nilai x harus kita laporkan dalam tiga angka. Angka ketiga yang kita laporkan harus kita taksir, tetapi taksirannya hanya boleh 0 atau 5. Karena ujung benda lebih sedikit dari 15,6 cm, maka nilai taksirannya adalah 5. Jadi, pengukuran benda menggunakan mistar tersebut dapat kita laporkan sebagai berikut. Panjang benda (l) l = x0 ± Δx = (15,6 ± 0,05) cm Arti dari laporan pengukuran tersebut adalah kita tidak tahu nilai x (panjang benda) yang sebenarnya. Namun, setelah dilakukan pengukuran sebanyak satu kali kita mendapatkan nilai 15,6 cm lebih sedikit atau antara 15,60 cm sampai 15,70 cm. Secara Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 21 statistik ini berarti ada jaminan 100% bahwa panjang benda terdapat pada selang 15,60 cm sampai 15,7 cm atau (15,60 ≤ x ≤ 15,70) cm. 2) Ketidakpastian pada pengukuran berulang Agar mendapatkan hasil pengukuran yang akurat, kita dapat melakukan pengukuran secara berulang. Lantas bagaimana cara melaporkan hasil pengukuran berulang? Pada pengukuran berulang kita akan mendapatkan hasil pengukuran sebanyak N kali. Berdasarkan analisis statistik, nilai terbaik untuk menggantikan nilai benar x0adalah nilai ratarata dari data yang diperoleh (x0). Sedangkan untuk nilai ketidakpastiannya (Δx ) dapat digantikan oleh nilai simpangan baku nilai rata-rata sampel. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: 𝒙𝟎 = 𝒙𝟏 + 𝒙𝟐 + 𝒙𝟑 + ⋯ + 𝒙𝒏 ∑ 𝒙𝒊 = 𝑵 𝑵 𝟐 𝟏 √𝑵 ∑ 𝒙𝒊 𝟐 − (∑ 𝒙𝒊 ) ∆𝒙 = 𝑵 𝑵−𝟏 Keterangan: x0 = hasil pengukuran yang mendekati nilai benar Δx = ketidakpastian pengukuran N = banyaknya pengkuran yang dilakukan Pada pengukuran tunggal nilai ketidakpastiannya (Δx) disebut ketidakpastian mutlak. Makin kecil ketidakpastian mutlak yang dicapai pada pengukuran tunggal, maka hasil pengukurannya pun makin mendekati kebenaran. Nilai ketidakpastian tersebut juga menentukan banyaknya angka yang boleh disertakan pada laporan hasil pengukuran. Bagaimana cara menentukan banyaknya angka pada pengukuran berulang? Cara menentukan banyaknya angka yang boleh disertakan pada pengukuran berulang adalah dengan mencari ketidakpastian relatif pengukuran berulang tersebut. Ketidakpastian relatif dapat ditentukan dengan membagi ketidakpastian pengukuran dengan nilai rata-rata pengukuran. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: 𝒌𝒆𝒕𝒊𝒅𝒂𝒌𝒑𝒂𝒔𝒕𝒊𝒂𝒏 𝒓𝒆𝒍𝒂𝒕𝒊𝒇 = ∆𝒙 ∗ 𝟏𝟎𝟎% 𝒙 Setelah mengetahui ketidakpastian relatifnya, kita dapat menggunakan aturan yang telah disepakati para ilmuwan untuk mencari banyaknya angka yang boleh disertakan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 22 dalam laporan hasil pengukuran berulang. Aturan banyaknya angka yang dapat dilaporkan dalam pengukuran berulang adalah sebagai berikut: a. ketidakpastian relatif 10% berhak atas dua angka b. ketidakpastian relatif 1% berhak atas tiga angka c. ketidakpastian relatif 0,1% berhak atas empat angka Rangkuman ➢ Besaran adalah sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka. ➢ Satuan merupakan acuan yang digunakan dalam pengukuran atau membandingkan dalam suatu pengukuran besaran. ➢ Berdasarkan cara menghitungnya besaran dibagi menjadi dua, besaran fisika dan besaran non fisika. ➢ Besaran fisika dibagi menjadi besaran pokok dan besaran turunan. ➢ Satuan internasional menetapkan sistem MKS sebagai satuan yang dipakai untuk tujuh besaran pokok. ➢ Dimensi suatu besaran menunjukkan bagaimana cara besaran tersebut tersusun oleh besaran-besaran pokok. ➢ Angka penting adalah angka hasil pengukuran yang terdiri dari angka pasti (eksak) dan angka taksiran. Angka pasti diperoleh dari penghitungan skala alat ukur, sedangkan angka taksiran diperoleh dari setengah skala terkecil. ➢ Secara umum penyebab ketidakpastian hasil pengukuran ada tiga, yaitu kesalahan umum, kesalahan sistematik, dan kesalahan acak. UJI KOMPETENSI A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Diantara kelompok besaran berikut, yang termasuk kelompok besaran pokok dalam system Internasional adalah … a. Suhu, volume, massa jenis dan kuat arus b. Kuat arus, panjang, waktu, dan massa jenis c. Panjang, luas, waktu dan jumlah zat d. Kuat arus, intersitas cahaya, suhu, waktu e. Intensitas cahaya, kecepatan, percepatan, waktu Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 23 2. Perhatikan tabel berikut! No. Besaran Satuan dalam SI 1 Jumlah zat Mole 2 Suhu Celcius 3 Waktu Sekon 4 Panjang Km 5 Massa Gram Pasangan yang benar adalah... a. 1 dan 2 b. 1 dan 3 c. 2 dan 3 d. 2 dan 4 e. 3 dan 5 3. 4. Kelompok besaran di bawah ini yang merupakan kelompok besaran turun adalah … a. Panjang lebar dan luas b. Kecepatan, percepatan dan gaya c. Kuat arus, suhu dan usaha d. Kecepatan, berat dan suhu e. Intensitas cahaya, banyaknya mol dan volume Sebuah sepeda motor bergerak dengan kecepatan sebesar 72 km/jam jika dinyatakan dalam satuan Internasional (SI), maka kecepatan sepeda motor adalah … a. 36 ms-1 d. 20 ms-1 b. 30 ms-1 e. 15 ms-1 c. 24 ms-1 5. Rumus dimensi momentum adalah... a. MLT-3 b. ML -1T-2 c. MLT-1 d. ML -2T2 e. ML -2T-2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 24 6. Ketidakpastian yang ada pada pengukuran tunggal ditetapkan sama dengan setengah skala terkecil dari alat ukur yang digunakan. Jika kita menggunakan mistar atau penggaris, maka ketidakpastiannya adalah sama dengan ... 7. a. 0,05 cm c. 0,01 cm b. 0,1 cm d. 1 cm Jika hasil pengukuran yang dihasilkan dengan mistar adalah 4,35 cm, maka penulisan laporan hasil pengukuran yang benar adalah ... a. (4,35 ± 0,1) cm d. (4,35 ± 0,04) cm b. (4,35 ± 0,01) cm (4,35 ± 0,5) cm c. (4,35 ± 0,05) cm 8. Suatu benda berbentuk bola kecil diukur diameternya menggunakan mikrometer skrup seperti terlihat pada gambar di bawah ini. cara membaca skala mikrometer skrup Bacaan skala yang tepat dari pengukuran diameter benda tersebut adalah a. 5,31 mm d. 8,41 mm b. 8,31 mm e. 7,31 mm c. 6,31 mm 9. Sebuah benda diukur dengan jangka sorong. Jika skala pada pengukuran ditunjukkan pada gambar di bawah ini, maka panjang benda tersebut adalah a. 6,66 cm d. 6,06 cm b. 5,64 cm e. 5,66 cm c. 6,65 cm Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 25 B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Sebuah perahu menyeberangi sungai yang lebarnya 180 meter dan kecepatan arus airnya 4 m/s. Bila perahu di arahkan menyilang tegak lurus sungai dengan kecepatan 3 m/s, maka setelah sampai diseberang perahu telah menempuh lintasan sejauh... 2. Vektor F1 = 20 N berimpit sumbu x positif, Vektor F2 = 20 N bersudut 120° terhadap F1 dan F3 = 24 N bersudut 240° terhadap F1. Resultan ketiga gaya pada pernyataan di atas adalah... 3. Seorang siswa ingin mengukur keliling sebuah kamar berbentuk persegi panjang dan berdasarkan pengukuran yang ia lakukan diperoleh panjang kamar 4,13 meter dan lebar 8,2 meter. Keliling kamar tersebut berdasarkan aturan angka penting adalah ... 4. Seorang murid menimbang serbuk NaCl sebanyak 45,87 gram. Jika serbuk tersebut dibagi ke dalam tiga wadah dengan jumlah yang sama besar, masingmasing wadah akan mendapat bagian sebanyak .... 5. Carilah dimensi dari besaran turunan berikut! a. Dimensi dari gaya b. Dimensi dari daya c. Dimensi dari energi d. Dimensi dari impuls e. Dimensi dari momentum Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 26 BAB 2 GAYA, USAHA DAN ENERGI A. Gaya 1. Pengertian Gaya Gaya yang ada dalam kehidupan sehari-hari biasanya adalah gaya langsung. Artinya, sesuatu yang memberi gaya berhubungan langsung dengan yang dikenai gaya. Selain gaya langsung, juga ada gaya tak langsung. Gaya tak langsung merupakan gaya yang bekerja di antara dua benda tetapi kedua benda tersebut tidak bersentuhan. Contoh gaya tak langsung adalah gaya gravitasi. Pada bagian ini kita akan mempelajari beberapa jenis gaya, antara lain, gaya berat, gaya normal, gaya gesekan, dan gaya sentripetal. Gaya merupakan dorongan atau tarikan yang dapat merubah kecepatan, bentuk dan arah benda. Sumber: http://nyaikelcycle.blogspot.co.id/ Gambar 2.1 Bersepeda memberikan gaya langsung (dorongan) terhadap sepeda Gaya digolongkan menjadi dua yaitu: a. Gaya Sentuh Gaya sentuh adalah gaya yang timbul jika benda bersentuhan dengan benda lain. Contoh: gaya gesek,gaya oto,dan gaya dorong Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 27 Sumber: https://happychusnuraafi.wordpress.com/ Gambar 2.2 Gaya sentuh b. Gaya Tak Sentuh Gaya tak sentuh adalah gaya yang timmbul sekalipun benda tidak bersentuhan dengan benda linya. Contohnya: gaya gravitasi, gaya listrik, gaya magnet. Sumber: https://happychusnuraafi.wordpress.com/ Gambar 2.3 Gaya tak sentuh 2. Penggambaran gaya Gaya dapat dilukiskan dengan anak panah. A B Gambar 2.4 Gambar Gaya Keterangan: A = titik pangkal B = ujung panah AB = panjang panah = besar gaya Arah panah = arah gaya Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 28 Simbol gaya = F (berasal dari kata Force) Satuan gaya dalam SI = N = Newton Gaya termasuk besaran vektor (besaran yang memiliki besar/nilai dan arah). Alat untuk mengukur gaya = dynamometer atau nama lainya neraca pegas. a. Perpaduan gaya/ resultan gaya (R atau Fr) ➢ Resultan dari dua gaya atau lebih yang segaris dan searah yang bekerja pada sebuah benda, adalah penjumlahan gaya-gaya tersebut. ➢ Resultan dari dua gaya yang segaris dan berlawanan arah yang bekerja pada sebuah benda , adal selisih kedua gaya tersebut. ➢ Resultan dari dua gaya yang bekerja saling tegak lurus pada sebuah benda adalah memenuhi persamaan pytagoras. Secara Gambar: Gambar 2.5 Resultan Gaya R = F1 + F2 Arah = Searah F1 dan F2 R = F1 - F2 Atau R = F1 + (- F2) Arah + Searah F1 Keadaan Seimbang terjadi jika resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol. sebuah benda yang dikenai gaya dapat mengalami perubahan sebagai berikut, di antaranya: ➢ Perubahan arah gerak ➢ Perubahan kecepatan ➢ Perubahan bentuk ➢ Perubahan posisi/kedudukan Beberapa jenis gaya yang sering terjadi didalam kehidupan sehari-hari adalah: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 29 1. Gaya Berat Pada kehidupan sehari-hari, banyak orang yang salah mengartikan antara massa dengan berat. Misalnya, orang mengatakan “Doni memiliki berat 65 kg”. Pernyataan orang tersebut keliru karena sebenarnya yang dikatakan orang tersebut adalah massa Doni. kita harus dapat membedakan antara massa dan berat. Massa merupakan ukuran banyaknya materi yang dikandung oleh suatu benda. Massa (m) suatu benda besarnya selalu tetap dimanapun benda tersebut berada, satuannya kg. Berat (w) merupakan gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda. Satuan berat adalah Newton (N). Hubungan antara massa dan berat dijelaskan dalam Hukum II Newton. Misalnya, sebuah benda yang bermassa m dilepaskan dari ketinggian tertentu, maka benda tersebut akan jatuh ke bumi. Jika gaya hambatan udara diabaikan, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut hanyalah gaya gravitasi (gaya berat benda). Benda tersebut akan mengalami gerak jatuh bebas dengan percepatan ke bawah sama dengan percepatan gravitasi. Jadi, gaya berat (w) yang dialami benda besarnya sama dengan per antara massa (m) benda tersebut dengan percepatan gravitasi (g) di tempat itu. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut. w=m×g Keterangan: w = gaya berat (N) m = massa benda (kg) g = percepatan gravitasi (ms-2) Sumber: https://fisikareview.wordpress.com/tag/gaya-berat/ Gambar 2.6 Gaya berat 2. Gaya Normal Diketahui bahwa benda yang dilepaskan pada ketinggian tertentu akan jatuh bebas. Bagaimana jika benda tersebut di letakkan di atas meja, buku misalnya? Mengapa buku tersebut tidak jatuh? Gaya apa yang menahan buku tidak jatuh? Gaya yang menahan buku agar tidak jatuh adalah gaya tekan meja pada buku. Gaya ini ada karena permukaan buku bersentuhan dengan permukaan meja dan sering disebut gaya normal. Gaya normal (N) adalah gaya yang bekerja pada bidang yang Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 30 bersentuhan antara dua permukaan benda, yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang sentuh. Jadi, pada buku terdapat dua gaya yang bekerja, yaitu gaya normal (N) yang berasal dari meja dan gaya berat (w). Kedua gaya tersebut besarnya sama tetapi berlawanan arah, sehingga membentuk keseimbangan pada buku. Ingat, gaya normal selalu tegak lurus arahnya dengan bidang sentuh. Jika bidang sentuh antara dua benda adalah horizontal, maka arah gaya normalnya adalah vertikal. Jika bidang sentuhnya vertikal, maka arah gaya normalnya adalah horizontal. Jika bidang sentuhya miring, maka gaya normalnya juga akan miring. Arah gaya normal selalu tegak lurus dengan permukaan bidang Sumber: https://fisikareview.wordpress.com/tag/gaya-berat/ Gambar 2.7 Arah gaya normal tegak lurus dengan bidang 3. Gaya Gesekan Jika kita mendorong sebuah almari besar dengan gaya kecil, maka almari tersebut dapat dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika kita mengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka setelah menempuh jarak tertentu bola tersebut pasti berhenti. Mengapa hal-hal tersebut dapat terjadi? Apa yang menyebabkan almari sulit di gerakkan dan bola berhenti setelah menempuh jarak tertentu? Gaya yang melawan gaya yang kita berikan ke almari atau gaya yang menghentikan gerak bola adalah gaya gesek. Gaya gesek adalah gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Arah gaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda. Sumber: http://www.pakmono.com/ Gambar 2.8 Arah gaya gesek Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 31 Untuk benda yang bergerak di udara, gaya geseknya bergantung pada luas permukaan benda yang bersentuhan dengan udara. Makin besar luas bidang sentuh, makin besar gaya gesek udara pada benda tersebut sedangkan untuk benda padat yang bergerak di atas benda padat, gaya geseknya tidak tergantung luas bidang sentuhnya. Gaya gesekan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu gaya gesekan statis dan gaya gesekan kinetis. Gaya gesek statis (fs) adalah gaya gesek yang bekerja pada benda selama benda tersebut masih diam. Menurut hukum I Newton, selama benda masih diam berarti resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut adalah nol. Jadi, selama benda masih diam gaya gesek statis selalu sama dengan yang bekerja pada benda tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut. 𝑓𝑠,𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝜇𝑠 𝑁 Keterangan: fs = gaya gesekan statis maksimum (N) μs = koefisien gesekan statis Gaya gesek kinetis (fk) adalah gaya gesek yang bekerja pada saat benda dalam keadaan bergerak. Gaya ini termasuk gaya dissipatif, yaitu gaya dengan usaha yang dilakukan akan berubah menjadi kalor. Perbandingan antara gaya gesekan kinetis dengan gaya normal disebut koefisien gaya gesekan kinetis (ms). Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut. 𝑓𝑘 = 𝜇𝑘 𝑁 Keterangan: fk = gaya gesekan kinetis (N) μk = koefisien gesekan kinetis 4. Gaya Sentripetal Kita mengetahui bahwa benda yang mengalami gerak melingkar beraturan mengalami percepatan sentripetal. Arah percepatan sentripetal selalu menuju ke pusat lingkaran dan tegak lurus dengan vektor kecepatan. Menurut Hukum II Newton, percepatan ditimbulkan karena adanya gaya. Oleh karena itu, percepatan sentripetal ada karena adanya gaya yang menimbulkannya, yaitu gaya sentripetal. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 32 fs V Gambar 2.9 Gaya Sentripetal Pada Hukum II Newton dinyatakan bahwa gaya merupakan perantara massa benda dan percepatan yang dialami benda tersebut. Sesuai hukum tersebut, hubungan antara percepatan sentripetal, massa benda, dan gaya sentripetal dapat dituliskan sebagai berikut. 𝐹𝑠 = 𝑚 × 𝑎𝑠 , karena 𝑎𝑠 = 𝑣2 𝑟 = 𝜔2 𝑟 maka 𝐹𝑠 = 𝑚 𝑣2 𝑟 = 𝑚𝜔2 𝑟 Keterangan: Fs = gaya sentripetal (N) M = massa benda (kg) V = kecepatan linear (m/s) r = jari-jari lingkaran (m) ω = kecepatan sudut Gaya sentripetal pada gerak melingkar berfungsi untuk merubah arah gerak benda. Gaya sentripetal tidak mengubah besarnya kelajuan benda. Setiap benda yang mengalami gerak melingkar pasti memerlukan gaya sentripetal. Misalnya, planetplanet yang mengitari matahari, elektron yang mengorbit inti atom, dan batu yang diikat dengan tali dan diputar adalah contoh gaya sentripetal. B. Hukum Newton 1. Hukum I Newton Jika resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda adalah nol (∑F = 0), maka benda dalam keadaan diam atau bergerak lurus beraturan. Hukum I newton disebut uga hukum kelembaman. Contoh: permainan tarik tambang dengan gaya yang sama besar. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 33 Sumber: http://www.pakmono.com/ Gambar 2.10 Contoh hukum newton i 2. Hukum II Newton Percepatan sebuah benda yang bergerak berbanding lurus dengan gaya yang bekerja dan berbanding terbalik dengan massa benda. a = F/m F = gaya m = Massa benda a = percepatan benda Sumber: http://dienchephalon.blogspot.co.id/ Gambar 2.11 Mobil kiri lebih cepat lajunya, karena bermassa lebih kecil 3. Hukum III Newton Besar gaya yang diberikan oleh sebuah benda terhadap benda lain, sama dengan besar gaya yang diberikan pada benda terseut tetapi arahnya berlawanan. Hukum III Newton disebut juga dengan hukum aksi reaksi, dengan aturan: F aksi = - F reaksi Ciri ciri hukum Aksi Reaksi: • Besar keduanya sama, Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 34 • Arah kedua gaya berlawanan (ditandai (-)), • Bekerja pada dua benda. Sumber: http://ojhoblogaddress.blogspot.co.id/ Gambar 2.12 Bola yang dilempar ke tanah akan dipantulkan kembali C. Usaha Sesuatu dikatakan memiliki usaha apabila memenuhi syarat berikut: 1. Ada gaya yang bekerja 2. Mengalami perpindahan Dengan demikianusaha didefinisikan sebagai sejumlah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sepanjang garis lurus dan searah dengan arah gaya. Apabila suatu benda yang dikenai gaya namun tidak mengalami perpindahan dapat diartikan usaha yang bekerja pada benda adalah nol. Besar usaha dinyatakan dengan persamaan berikut: 𝑾 = 𝑭. ∆𝒙 Keterangan: W = usaha yang dilakukan pada suatu benda F = gaya yang bekerja pada suatu benda ∆𝑥 = perpindahan yang dialami benda tersebut. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 35 Sumber: https://belajar.kemdikbud.go.id/SumberBelajar/tampilajar.php? Gambar 2.13 Melakukan usaha ketika mengangkat kotak berat setinggi dada Satuan untuk usaha adalah Joule (J) di mana nilainya adalah: 1 J = 1 N x 1 m = 1 Nm. Pada kasus tersebut, gaya yang bekerja pada suatu benda searah dengan perpindahan benda tersebut. Bagaimana apabila gaya yang bekerja pada benda itu tidak searah dengan arah perpindahannya (membentuk sudut tertentu)? Bila gaya yang bekerja pada suatu benda tidak searah dengan arah perpindahan benda itu, maka usaha yang dilakukan akan menjadi lebih kecil. Perhatikan Gambar 2.14. Usaha yang dilakukan pada suatu benda apabila gaya yang bekerja pada benda itu tidak searah dengan arah perpindahannya secara matematis dinyatakan sebagai berikut: 𝑊 = F cos 𝑎 . ∆𝑥 Keterangan: 𝑎 = sudut antara arah gaya dana rah perpindahannya. Gambar 2.14: Gaya yang tidak searah dengan perpindahan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 36 Contoh: Seseorang menarik sebuah vacuum cleaner dengan gaya 50 N dan gaya tersebut membentuk sudut 30° dengan arah perpindahannya. Perpindahan yang dialami oleh vacuum cleaner itu adalah 8 meter. Berapakah besar usaha yang dilakukan oleh orang itu? (abaikan kehadiran gaya gesekan!) Diketahui: F = 50 N cos α = 30° Δx = 8 m Ditanya: W = ? Jawab: = 50 N (cos300).8m 1 = 50. √3.8 2 = 200 √3 joule D. Energi Apa yang dimaksud dengan energi? Secara sederhana, energi merupakan kemampuan melakukan usaha. Definisi yang sederhana ini sebenarnya kurang tepat atau kurang valid untuk beberapa jenis energi (misalnya energi panas atau energi cahaya tidak dapat melakukan kerja). Definisi tersebut hanya bersifat umum. Secara umum, tanpa energi kita tidak dapat melakukan kerja. Sebagai contoh, jika kita mendorong sepeda motor yang mogok, usaha alias kerja yang kita lakukan menggerakan sepeda motor tersebut. Pada saat yang sama, energi kimia dalam tubuh kita menjadi berkurang, karena sebagian energi kimia dalam tubuh berubah menjadi energi kinetik sepeda motor. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Contoh ini juga menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 37 Sumber: http://www.pakmono.com/ Gambar 2.15 Salah satu bentuk energi (kemapuan melakukan usaha) 1. Bentuk Energi Konsep bentuk energi tidak terlepas dari perubahan energi, karena yang berubah adalah bentuk energi. Air yang mendidih karena dipanaskan mampu menggerakkan baling-baling kertas. Dalam peristiwa ini terjadi perubahan dari energi termal pada air menjadi energi kinetik (gerak) pada gerakan baling-baling kertas. Dari peristiwa ini dapat memahami bahwa ada bentuk energi termal (panas) dan bentuk energi kinetik. Contoh peristiwa yang lain yaitu jika seseorang meletakkan bola di tempat yang lebih tinggi, kemudian bola tersebut menggelinding ke bawah. Pada saat bola berada di tempat yang tinggi dan diam, ia memiliki energi potensial dan ketika bola bergerak energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Peristiwa ini dapat diamati pada gambar berikut. Gambar 2.16 Bentuk energi a. Energi Kinetik Kata kinetik berasal dari bahasa yunani, kinetikos, yang artinya “gerak”. Ketika benda bergerak, benda memiliki kecepatan. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 38 bahwa energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya. Gambar 2.17 Energi kinetik Agar benda dipercepat beraturan sampai bergerak dengan laju v maka pada benda tersebut harus diberikan gaya total yang konstan dan searah dengan arah gerak benda sejauh s. Untuk itu dilakukan usaha atau kerja pada benda tersebut sebesar W = F. S , dengan F = m a. Karena benda memiliki laju awal vo, laju akhir vt dan bergerak sejauh s, maka untuk menghitung nilai percepatan a, kita menggunakan persamaan vt2 = vo2 + 2 .a. s. a= vt2 − v02 2s Dilakukan subtitusi nilai percepatan a ke dalam persamaan gaya F = m a, untuk menentukan besar usaha: W= F.s = (ma)(s) = (m)( W= m ( 𝑣𝑡2 −𝑣02 2𝑠 2𝑠 )s 1 ) = m (𝑣𝑡2 − 𝑣02 ) 2 1 1 2 2 W= m𝑣𝑡2 - 𝑣𝑡2 −𝑣02 m𝑣02 (persamaan1) 1 W= m𝑣𝑡2 vo = 0 2 Persamaan ini menjelaskan usaha total yang dikerjakan pada benda. Karena W = EK, maka kita dapat menyimpulkan bahwa besar energi kinetik translasi pada benda tersebut adalah: W = EK = ½ mv2 persamaan 2 Persamaan 1 di atas dapat kita tulis kembali menjadi: W = EK1 - EK0 = ΔEK persamaan 3 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 39 Persamaan 3 menyatakan bahwa usaha total yang bekerja pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. Pernyataan ini merupakan prinsip usaha-energi. Prinsip usaha energi berlaku jika W adalah usaha total yang dilakukan oleh setiap gaya yang bekerja pada benda. Jika usaha positif (W) bekerja pada suatu benda, maka energi kinetiknya bertambah sesuai dengan besar usaha positif tersebut (W). Jika usaha (W) yang dilakukan pada benda bernilai negatif, maka energi kinetik benda tersebut berkurang sebesar W. Dapat dikatakan bahwa gaya total yang diberikan pada benda di mana arahnya berlawanan dengan arah gerak benda, maka gaya total tersebut mengurangi laju dan energi kinetik benda. Jika besar usaha total yang dilakukan pada benda adalah nol, maka besar energi kinetik benda tetap (laju benda konstan). b. Energi Potensial Istilah potensial memiliki kata dasar “potensi”, yang dapat diartikan sebagai kemampuan yang tersimpan. Secara umum, energi potensial diartikan sebagai energi yang tersimpan dalam sebuah benda atau dalam suatu keadaan tertentu. Energi potensial, karena masih tersimpan, sehingga baru bermanfaat ketika berubah menjadi energi lain misalnya pada air terjun, energi potensial diubah menjadi energi kinetik sehingga dapat menggerakan turbin yang kemudian akan digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Dalam pengertian yang lebih sempit, yakni dalam kajian mekanika, energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukan atau keadaan benda tersebut. Berikut akan dipaparkan dua contoh energi potensial yang mengacu pada pengertian ini, yakni energi potensial gravitasi dan energi potensial pegas. Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki suatu benda karena kedudukannya (ketinggiannya) terhadap suatu bidang acuan tertentu. Semakin tinggi benda di atas permukaan tanah, makin besar energi potensial yang dimiliki benda tersebut. Dengan demikian, energi potensial (EP) gravitasi sebuah benda merupakan hasil kali gaya berat benda (mg) dan ketinggiannya (h). h = h1 – h0 EP = mgh Berdasarkan persamaan energi potensial di atas, tampak bahwa makin tinggi (h) benda di atas permukaan tanah, makin besar energi potensial (EP) yang dimiliki benda tersebut. Energi potensial gravitasi bergantung pada jarak vertikal alias ketinggian benda Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 40 di atas titik acuan tertentu. Biasanya kita tetapkan tanah sebagai titik acuan jika benda mulai bergerak dari permukaan tanah atau gerakan benda menuju permukaan tanah. Jika digabungkan 2 persamaan yang telah diketahui W = - mg (h1 - h0) W = - (EP1 - EP0) W = −𝛥𝐸𝑃 Persamaan ini menyatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya yang menggerakan benda dari h0 ke h1 (tanpa percepatan) sama dengan perubahan energi potensial benda antara h0 dan h1. Setiap bentuk energi potensial memiliki hubungan dengan suatu gaya tertentu dan dapat dinyatakan sama dengan energi potensial gravitasi. Secara umum, perubahan energi potensial yang memiliki hubungan dengan suatu gaya tertentu, sama dengan usaha yang dilakukan gaya jika benda dipindahkan dari kedudukan pertama ke kedudukan kedua. Dalam makna yang lebih sempit, bisa dinyatakan bahwa perubahan energi potensial merupakan usaha yang diperlukan oleh suatu gaya luar untuk memindahkan benda antara dua titik, tanpa percepatan. c. Energi Mekanik Jika pada suatu sistem hanya bekerja gaya-gaya dalam yang bersifat konservatif (tidak bekerja gaya luar dan gaya dalam tak konservatif),maka energi mekanik sistem pada posisi apa saja selalu tetap (kekal). Artinya energi mekanik sistem pada posisi akhir sama dengan energi mekanik sistem pada posisi awal. Jadi energi mekanik dapat dirumuskan: Em = EP + EK Contoh: Sebuah benda jatuh dari ketinggian 6 meter dari atas tanah. Berapa kecepatan benda tersebut pada saat mencapai ketinggian 1 meter dari tanah, bila percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 ? Penyelesaian: Diketahui: h1 = 6 m h2 = 1 m g= 10 m/ s2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 41 Ditanya: v2 = ……. ? Jawab: Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik EM = EP + EK 𝐸𝑀1 = 𝐸𝑀2 𝐸𝑃1 + 𝐸𝐾1 = 𝐸𝑃2 + 𝐸𝐾2 1 1 𝑚 𝑔 ℎ1 + 𝑚𝑣1 2 = 𝑚 𝑔 ℎ2 + 𝑚𝑣2 2 2 2 1 1 𝑔 ℎ1 + 𝑣1 2 = 𝑔 ℎ2 + 𝑣2 2 2 2 1 𝑣1 = 0 → 𝑔ℎ1 = 𝑔ℎ2 + 𝑣2 2 2 1 10 𝑚/𝑠 2 . 6𝑚 = 10𝑚/𝑠 2 . 1𝑚 + 𝑣2 2 2 1 60 𝑚2 /𝑠 2 = 10 𝑚2 /𝑠 2 + 𝑣2 2 2 1 50 𝑚2 /𝑠 2 = 𝑣2 2 2 𝑣2 2 = 100 𝑚2 /𝑠 2 𝑣2 = 10 𝑚/𝑠 Jadi, kecepatan benda pada saat mencapai ketinggian 1 m dari tanah adalah 10 m/s. 2. Perubahanya Energi Energi merupakan konsep yang sangat abstrak. Energi tidak memiliki massa, tidak dapat diamati, dan tidak dapat diukur secara langsung. Akan tetapi kita dapat merasakan perubahannya. Kita dapat beraktivitas sehari-hari karena tubuh kita memiliki energi. Sumber energi utama di alam ini adalah matahari. Energi dapat menyebabkan perubahan pada benda atau lingkungan. Perubahan energi yang dimaksud dapat terjadi dengan berbagai cara. Matahari sebagai sumber energi utama memberikan banyak manfaat dalam berbagai perubahan energi. Matahari menghasilkan energi radiasi yang dapat diubah menjadi berbagai bentuk energi lainnya yang tentu saja sangat berguna bagi kehidupan. Reaksi nuklir yang terjadi di matahari menghasilkan energi termal (kalor). Oleh karena itu suhu matahari tetap tinggi meskipun radiasi dipancarkan terus menerus ke ruang angkasa. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 42 Sebagai penyebab berubahnya benda-benda, energi mengalami perubahan dari satu bentuk ke bentuk lain. Misalnya, pada api unggun terjadi perubahan energi kimia yang ada di dalam kayu menjadi energi cahaya dan energi panas. Sumber: http://edukasifisikasmp.blogspot.co.id/ Gambar 2.18 Api unggun sebagai perubahan energi Rangkuman ➢ Gaya merupakan dorongan atau tarikan yang dapat merubah kecepatan, bentuk dan arah benda. ➢ Gaya Sentuh adalah gaya yang timbul jika benda bersentuhan dengan benda lain . Contoh: gaya gesek, gaya tarik, dan gaya dorong ➢ Gaya tak sentuh adalah gaya yang timmbul sekalipun benda tidak bersentuhan dengan benda linya . Contohnya: gaya gravitasi, gaya listrik, gaya magnet. ➢ Gaya termasuk besaran vektor (besaran yang memiliki besar/nilai dan arah). Alat untuk mengukur gaya = dynamometer atau nama lainya neraca pegas. ➢ Resultan gaya menjumlahkan gaya searah dan mengurahi dengan gaya yang berlawanan arah. ➢ Hukum Newton Hukum I Newton (Hukum Kelembaman) ΣF=0 Hukum II Newton F=m.a Hukum III Newton aksi=reaksi ➢ Usaha adalah sejumlah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sepanjang garis lurus dan searah dengan arah gaya. ➢ Energi energi merupakan kemampuan melakukan usaha. ➢ Energi Kinetik adalah energi yang dimiliki benda bergerak. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 43 EK= ½ mv2 ➢ Energi Potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda terhadap posisi acuan(ketinggian) EP=m.g.h ➢ Hukum kekekalan Energi “Jika pada suatu sistem hanya bekerja gaya-gaya dalam yang bersifat konservatif (tidak bekerja gaya luar dan gaya dalam tak konservatif),maka energi mekanik sistem pada posisi apa saja selalu tetap (kekal). Artinya energi mekanik sistem pada posisi akhir sama dengan energi mekanik sistem pada posisi awal”. EM = EK + EP UJI KOMPETENSI A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Balok mengalami gaya tarik F1 = 15 N ke kanan dan gaya F2 ke kiri. Jika benda tetap diam berapa besar F2? A. 15 N B. 20 N C. 22 N D. 25 N E. 10 N 2. Balok meluncur ke kanan dengan kecepatan tetap 4 ms-1. Jika F1 = 10 N; F2 = 20 N, berapa besar F3? Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 44 A. 5 N B. 10 N C. 15 N D. 17 N E. 20 N 3. Balok B massanya 2 kg ditarik dengan gaya F yang besarnya 6 Newton. Berapa percepatan yang dialami beban? A. 2 m/s2 B. 3 m/s2 C. 4 m/s2 D. 5 m/s2 E. 7 m/s2 4. Balok B dengan massa 2 kg mengalami dua gaya masing-masing F1 = 25 N dan F2 = 20 N seperti ditunjukkan pada gambar. Berapa percepatan balok B? A. 5 m/s2 B. 5.5 m/s2 C. 6 m/s2 D. 6.5 m/s2 E. 7.5 m/s2 5. Sebuah balok yang massanya 6 kg meluncur ke bawah pada sebuah papan licin yang dimiringkan 30° dari lantai. Jika jarak lantai dengan balok 10 m dan besarnya gaya Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 45 gravitasi ditempat itu 10 ms-2, maka tentukan percepatan dan waktu yang diperlukan balok untuk sampai di lantai! A. 6 m/s2 B. 4 m/s2 C. 5 m/s2 D. 7 m/s2 E. 8 m/s2 6. Sebuah balok bermassa 4 kg berada di atas permukaan licin dalam keadaan diam. Jika balok tersebut mengalami percepatan 2 m/s2 dalam arah horizontal, maka usaha yang dilakukan terhadap balok selama 5 detik adalah... A. 400 Joule B. 200 Joule C. 360 Joule D. 300 Joule E. Tidak ada opsi yang benar 7. Tono menarik sebuah meja dengan kemiringan 37o terhadap arah horizontal seperti gambar di bawah. Jika gaya Tono sebesar 100 N berhasil memindahkan meja tersebut sejauh 5 meter, maka usaha yang dilakukan Tono adalah... A. 400 Joule D. 250 Joule B. 300 Joule E. 500 Joule C. 355 Joule 8. Besar usaha yang dilakukan oleh mesin terhadap sebuah mobil bermassa 1 ton yang mula-mula diam sehingga bergerak dengan kecepatan 5 m/s adalah... A. 1000 Joule D. 12.500 Joule B. 1500 Joule E. 25.000 Joule C. 5000 Joule Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 46 9. Sebuah bola bermassa 200 gram dilempar vertikal ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal 10 m/s. Pada titik maksimum usaha yang dilakukan oleh gaya berat adalah.... A. 50 J D. 5 J B. 20 J E. 2,5 J C. 10 J 10. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan sebuah benda bermassa 10 kg melalui bidang miring licin dengan kemiringan 53o seperti gambar di bawah adalah... A. 1000 J B. 800 J C. 600 J D. 400 J E. 100 J B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Benda bermassa m = 10 kg berada di atas lantai kasar ditarik oleh gaya F= 12 N ke arah kanan. Jika koefisien gesekan statis antara benda dan lantai adalah 0,2 dengan koefisien gesekan kinetis 0,1 tentukan besarnya: a) Gaya normal b) Gaya gesek antara benda dan lantai c) Percepatan gerak benda 2. Anggap lereng bukit rata dan memiliki koefisien gesek 0,125. Percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 dan sin 53o = 0,8, cos 53o = 0,6. Tentukan nilai dari: a) Gaya normal pada balok b) Gaya gesek antara lereng dan balok c) Percepatan gerak balok Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 47 3. Sebuah bola bermassa 500 gram dijatuhkan dari atas gedung setinggi 2 m. Besar usaha selama perpindahan bola tersebut adalah.... 4. Sebuah benda 2 kg bergerak pada permukaan licin dengan kecepatan 2 m/s. Jika pada benda dilakukan usaha sebesar 21 Joule, maka kecepatan benda tersebut akan berubah menjadi.... 5. Sebuah mobil bermassa 5.000 kg sedang bergerak dengan kelajuan 36 km/jam. Pada jarak 100 meter di depan mobil terdapat sebuah pohon yang tumbang menghalangi jalan. Besar gaya pengereman yang dibutuhkan agar truk tidak menabrak pohon tersebut adalah.... Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 48 BAB 3 KEKUATAN BAHAN, TEGANGAN PERMUKAAN DAN ELASTISITAS A. Karakteristik, Jenis dan Kekuatan bahan 1. Bahan alam Bahan alam merupakan bahan baku prorduk yang diperoleh dan digunakan secara langsung dari bahan alam, oleh karena itu produk akhir yang menggunakan bahan baku ini akan memiliki sifat yang sama dengan bahan asalnya, yang termasuk dalam kelompok ini antara lain kayu, batu, karet, kulit, keramik, celulosa dan lainlain. Sumber: https://www.tneutron.net/seni/bahan-keramik-plastis/ Gambar 3.1 Bahan tersedia di alam 2. Bahan-bahan Tiruan Bahan-bahan tiruan (syntetic materials) biasanya diperoleh dari senyawa kimia dengan komposisi berbagai unsur akan diperoleh suatu sifat tertentu secara spesifik atau sifat yang menyerupai sifat bahan alam. Bahan ini dikenal sebagai bahan plastic (Plastics Materials), yakni suatu bahan yang pertama kali dibuat oleh Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 49 Leo Baekeland seorang Belgia tahun 1907 dan dipatenkan dengan nama Baklite. Molekul yang kita sebut sebagai “Polymer” yang berarti, material plastik yang terbentuk dari ikatan rantai atom-atom serta terdiri atas “beberapa unit” ikatan rantai atom-atom tersebut. Oleh karena itu proses pengikatan dengan molekul-molekul kecil ini dikenal sebagai “Polymerization”. Contoh dari bahan jenis ini ialah Polythene yakni Polymer yang terdiri atas 1200 atom Carbon pada setiap 2 atom Hydrogen sehingga memiliki tegangan serta keuletan yang tinggi.dan pada beberapa jenis plastic memiliki regangan yang besar yang dakibatkan oleh rantai ikatan yang panjang. a. Thermoplastics Thermoplastics dapat mencair melalui proses pemanasan dan dapat diubah bentuknya melalui pencetakan sebagaimana yang dilakukan pada bahan seperti Polythene, Polystyrene, Poly Vinyl Cloride (PVC), Nylon, Perspex, Propylene dan lain-lain. Sumber: http://www.sespoly.com/products/tpo-thermoplastic-olefin/ Gambar 3.2: Thermoplastic polyolefin b. Thermosetting Thermosetting memiliki perbedaan dengan thermoplastics dimana pemanasan akan hanya dapat melakukan perubahan formasi rantai molekul secara kimiawi dalam bentuk ikatan melintang tiga dimensi. Gaya tarik antara rantai Molekul dapat terbentuk oleh pergeseran tempat molekul dalam pemisahan diri akibat larutan dari bahan tersebut. Tempat plastisizer memberikan pengaruh terhadap sifat polymer. Contohnya Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 50 penambahan kapur barus pada Cellulose nitrate yang menghasilkan suatu zat yang perdagangan diketahui sebagai celluloid dan dapat dicetak melalui pemanasan. Sifat-sifat mekanik dari bahan-bahan plastic dapat diperbaiki dengan penguatan oleh bahan tambah (filler material), serat fibre, serbuk gergaji, sampah kertas, majun dan lain-lain dapat meningkatkan tegangannya, serat asbes dapat meningkatkan ketahanan panasnya dan untuk resistensi arus listrik dapat digunakan mica. Bahan pelapis digunakan lembaran platic (Plastic-impregnated paper) dengan lapisan Cotton untuk pemakaian pada penguatan panel. Atau lapisan kayu untuk memperbaiki performanya. Serat penguat plastik (Fibre-reinforced) dicoba untuk meningkatkan tegangan dari keadaan rapuh dan lembek. Fibre-glass telah digunakan sejak beberapa tahun yang lalu sebagai bahan pembuat body perahu, body kendaraan dan lain-lain. Penambahan unsur Carbon menjadikannya sebagai bahan composite yang ringan namun memiliki tegangan yang tinggi. Sumber: https://kikimiqbalsoft.blogspot.co.id/ Gambar 3.3 Beberapa produk jenis thermosetting c. Karet Sintetis (Synthetic-rubbers) Karet alam diproduksi dari cairan latex atau getah pohon karet polymer yang panjang dengan rantai molekul yang berserakan. Karet alam memiliki kedua sifat yakni elastic dan thermoplastic, deformasi permanen dapat terjadi apabila diregang secara perlahan dengan peningkatan temperatur. Charles Goodyer (1839) mengolahnya dengan mencampurkan latek dengan sulphur dan menghasilkan karet dengan sifat yang lebih kenyal dan elastic lembut serta tahan terhadap temperatur tinggi dan dikembangkan menjadi Faberik Vulcanizing sebagai mana yang kita kenal saat ini sebagai pabrik ban (manufacture of tyre). Karet sintetis/karet sintetik mulai dikembangkan sejak permintaan karet alam sebagai bahan baku tidak mampu lagi untuk memenuhi permintaan. Karet sintetis ini juga Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 51 muncul karena adanya kebutuhan karet dengan kualitas yang lebih tinggi serta kebutuhan harga karet yang lebih kompetitif. Saat ini lebih dari 20 jenis karet sintetis / karet sintetik terdapat di pasaran dunia, terbuat dari bahan baku yang berasal dari minyak bumi, batu bara, minyak, gas alam, dan asetilena. Karet-karet sintetis ini biasa disebut dengan kopolimer, yaitu polimer yang terdiri dari lebih dari satu ikatan monomer The American-developed syntetic rubber, GR-S, yang merupakan polymer hasil pencampuran antara Butadiene dengan styrene, bahan ini memiliki sifat dan karakteristik yang sama dengan karet alam dengan harga yang lebih murah juga digunakan di pabrik ban (manufacture of tyre), alas kaki (foot wear), pipa karet (hosepipe) sabuk konveyor serta isolasi kabel. Neoprene ialah jenis lain dari karet sintetis yang memiliki sifat sama dengan karet alam dengan sifatnya yang sangat tahan terhadap minyak nabati dan oli mineral serta tahan terhadap temperature tinggi. Neoprene merupakan bahan yang relative mahal, pemakaiannya adalah sebagai bahan pipa, sabuk konveyer serta lapisan kabel. Butyl-rubber merupakan co-polymer dari isobutylene dan isoprene, bahan ini sangat stabil terhadap bahan kimia dan temperratur tinggi, harganya sedikit lebih murah dari karet alam namun kurang tahan, kendati demikian karret ini tidak tembus udara dan gas dan digunakan sebagai bahan innertube, tubeless tyre, air bag peralatan olah raga, cetakan diapragma juga digunakan sebagai bahan hose, lapisan tangki serta sabuk konveyor (Conveyor belts). Sumber: https://www.merdeka.com/ Gambar 3.4 Produk synthetic-rubbers 3. Pemakaian Umum Bahan-bahan Plastic Poly Vinyl Cloride (PVC) Dalam keadaan tidak plastis PVC sangat kenyal dan keras, namun apabila melembek maka PVC akan menjadi flexible dan mengaret, ini sifat yang baik dari PVC yang memberikan dimensi yang stabil serta sifatnya yang lain ialah tahan terhadap air, asam, alkalis dan bahan pelarut lainnya. Pemakaian: Sifatnya yang kaku (rigid) dan dapat Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 52 mempertahankan bentuknya PVC sangat cocok digunakan pada berbagai bahan tuangan (moulding). Sifatnya yang plexible dari PVC sangat baik digunakan sebagai pelapis permukaan serta pelapis bocor. PVC juga digunakan sebagai bahan pipa, saluran dan kotak kabel, safety helmet serta bahan pelapis tangki bahan kimia. a. Polytetraflouroethylene (PTFE atau Teflon) Teflon sangat kenyal dan flexible serta unggul dalam ketahanan panas dimana Teflon tidak dapat terbakar, tidak dapat diserang oleh berbagai reaksi bahan pelarut serta bahan isolator listrik yang baik, koefisien gesek yang rendah dengan harga yang relatif murah. Pemakaian: Sebagai bantalan (bearing), pipa-pipa bahan baker, gasket dan pita, serta peralatan bahan kimia dimana PTFE sangat tahan terhadap pengruh bahan kimia. b. Polyamides (Nylons) sangat kuat dan ulet namun flexible, tahan terhadap abrasi serta dimensi yang stabil, Nylon dapat meredam air dan bahan pelarut secara umum, memiliki sifat yang baik sebagai bahan isolasi listrik (electrical insulation). Polyamides (Nylons) akan memburuk jika ditempatkan ditempat terbuka. Pemakaian: Nylon digunakan sebagai bahan roda gigi, Valves, kelengkapan alat listrik, handle, knob, bearing, Cams, Shock absorber, Combs, pembalut dan pembungkus obat, jas hujan, serabut sikat, nat dan textile. c. Phenol formaldehyde (Bakelite) Pada keadaan mentah Phenolic sangat rapuh, oleh karenannya dapat bercampur dengan bahan serat untuk meningkatkan kekuatannya dan akan diperoleh diversifikasi sifat dari sifat asaalnya tergantung pada komposisi bahan tambah. Benda yang dibuat dari bahan ini akan rapuh jika bentuk/ukuran benda sangat tipis. Bakelite menyerap air namun tahan terhadap alcohol, oli serta bahan-bahan pelarut lainnya. Pembentukannya tidak melalui pencairan melainkan dipadatkan pada temperature 2000C. Pemakaian: Peralatan listrik, tombol, handle, box radio, mebel (furniture), Vacumm Cleaner part, kamera, asbak rokok, kelengkapan kelistrikan automotive dan pemakaian lainnya seperti hiasan, ornamen, bahan pelapis bahkan roda gigi,bantalan peralatan aircraft juga peralatan kesehatan, pelapis kopling dan rem kendaraan. d. Polyethylene (Polythene) merupakan salah satu dari jenis Thermoplastic serbaguna karena sifatnya yang istimewa kenyal dan flexible pada berbagai perubahan rentang temperature serta memperrtahankan kestabilan dimensinya. Sifat yang lain dari Polyethylene (Polythene) ialah sangat mudah dicetak dan tahan terhadap berbagai jenis unsur pelarut juga tahan terhadap kelembaban cuaca, akan tetapi untuk jangka waktu yang lama tidak tahan terhadap cahaya. Pemakaian: Polyethylene (Polythene) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 53 digunakan secara luas sebagai bahan pembungkus serta penutup botol, juga sangat baik digunakan dalam kebutuhan rumah tangga seperti ember, mangkok dan lainlain disamping pemipaan, kelengkapan kesehatan, serta pelindung kawat atau kabel. Sumber: https://www.indotrading.com/ Gambar 3.5 Produk plastic poly vinyl cloride (pvc) 4. Klasifikasi Bahan Teknik a. Macam-macam bahan logam (materials metals) Bahan-bahan logam yang digunakan secara umum 1) Besi (Iron) Besi kasar yang diperoleh melalui pencairan didalam dapur tinggi dituangkan kedalam cetakan yang berbentuk setengah bulan dan diperdagangkan secara luas untuk dicor ulang pada cetakan pasir yang disebut sebagai “Cast Iron” (besi tuang) sebagai bahan baku produk, di mana besi tuang akan diproses menjadi baja pada dapur-dapur baja yang akan menghasilkan berbagai jenis baja. Sumber: https://www.slideshare.net/kenyassri01/besi-beton Gambar 3.6 Besi Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 54 2) Tembaga (Copper). Tembaga murni digunakan secara luas pada industri perlistrikan, di mana salah satu sifat yang baik dari Tembaga (copper) ialah merupakan logam konduktor yang baik (conductor electricity) kendati tegangannya rendah. Pada jenis tertentu tembaga dipadukan dengan seng sehingga tegangannya menjadi kuat, paduan Tembaga Seng ini yang dikenal dengan nama Kuningan (Brass), atau dicampur Timah (Tin) untuk menjadi Bronze. Brass diextrusi ke dalam berbagai bentuk komponen peralatan listrik atau peralatan lain yang memerlukan ketahanan korosi. Produk Brass yang berbentuk lembaran (sheet) sangat liat, dibentuk melalui pressing dan deep-drawing. Bronze yang diproduksi dalam bentuk lembaran memiliki tegangan yang cukup baik dan sering ditambahkan unsur Phosporus yang dikenal dengan Phosphor-Bronze. Bahan ini sering digunakan sebagai bantalan dan dibuat dalam bentuk tuangan di mana bahan ini memiliki tegangan dan ketahanan korosi yang baik. Sumber: https://www.alibaba.com/ Gambar 3.7 Contoh bentuk tembaga 3) Timah hitam atau Timbal (Lead) Timah hitam atau Timbal (Lead) memiliki ketahanan terhadap serangan bahan kimia terutama larutan asam sehingga cocok digunakan pada Industri Kimia. Bahan Timah Hitam (Plumber) juga sering digunakan sebagai bahan flashing serta bahan paduan solder Juga digunakan sebagai lapisan bantalan paduan dengan penambahan free-cutting steel akan menambah sifat mampu mesin (Machinability). Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 55 Sumber: https://fathoniarief.blogspot.co.id/ Gambar 3.8 Timah hitam (timbal) 4) Seng (Zinc) dipadukan dengan tembaga akan menghasilkan kuningan (Brass). Dengan menambah berbagai unsur bahan ini sering digunakan sebagai cetakan dalam pengecoran komponen Automotive. Seng (Zinc) digunakan pula untuk tuangan sell battery serta bahan galvanis untuk lapisan anti karat pada baja. Sumber: https://ayurahma9298.wordpress.com/ Gambar 3.9 Seng (zinc) 5) Aluminium (Aluminium) Paduan Alumunium (Aluminium Alloy) digunakan sebagai peralatan aircraft, automobiles serta peralatan teknik secara luas karena Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 56 sifatnya yang kuat dan ringan. Aluminium juga digunakan secara luas sebagai bahan struktur peralatan dapur saerta berbagai pembungkus yang tahan panas. Sumber: https://www.satujam.com/bahan-dasar-alumunium/ Gambar 3.10 Alumunium 6) Nickel dan Chromium (Nickel and Chromium) Nickel dan Chromium (Nickel and Chromium) digunakan secara luas sebagai paduan dengan baja untuk memperoleh sifat khusus juga digunakan sebagai lapisan pada berbagai logam. Sumber: https://www.amazon.com/Nickel-Chromium-Resistance-Wire-Chromel- Gambar 3.11 Nickel dan Chromium 7) Titanium (Ti) logam dengan warna putih kelabu dengan kekuatan setara baja dan stabil hingga temperatur 4.0000C memiliki berat jenis 4,5 kg/dm3. Titanium digunakan sebagai pemurni baja atau digunakan sebagai unsur paduan pada aluminium. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 57 Sumber: http://www.bhansalioverseas.com/titanium-gr-2-gr5-pipes-tubes-supplier-exporter.html Gambar 3.12 Tintanium (Ti) b. Bahan-bahan Logam Non-Ferro Logam Non-Ferro (Non-Ferrous Metal) ialah jenis logam yang secara kimiawi tidak memiliki unsur besi atau Ferro (Fe). Oleh karena itu, logam jenis ini disebut sebagai logam bukan Besi (non Ferro). Beberapa dari jenis logam ini telah disebutkan di mana termasuk logam yang banyak dan umum digunakan baik secara murni maupun sebagai unsur paduan. Logam non Ferro ini terdapat dalam berbagai jenis dan masing-masing memiliki sifat dan karakteristik yang berbeda secara spesifik antara logam yang satu dengan logam yang lainnya, demikian pula F. Sifat dan berbagai karakteristik dari beberapa logam non Ferro. 1) Lead, Timbal, Timah hitam, Plumbum (Pb) Timah hitam sangat sangat lunak, lembek tetapi ulet, memiliki warna putih terang yang sangat jelas terlihat pada patahan atau pecahannya. Timah Hitam memiliki berat jenis (ρ) yang sangat tinggi yaitu =11,3 kg/dm3 dengan titik cair 3.2700C, digunakan sebagai isolator anti radiasi Nuclear. Timah hitam diperoleh dari senyawa Plumbum-Sulphur (PbS) yang disebut “Gelena” dengan kadar yang sangat kecil. Proses pemurniannya dilakukan dengan memanaskannya didalam dapur tinggi, proses pencairan untuk menghilangkan oxides serta unsur lainnya. Selain untuk pemakaian sebagai isolator radiasi, Timah hitam digunakan juga sebagai bahan pelapis pada bantalan luncur, bahan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 58 timah pateri serta sebagai unsur paduan dengan baja atau logam Non Ferro lainnya yang menghasilkan logam dengan sifat Free Cutting atau yang disebut sebagai baja Otomat. 2) Titanium (Ti) Titanium (Ti) memiliki warna putih kelabu, sifatnya yang kuat seperti baja dan stabil hingga temperature 40000C, tahan korosi dan memiliki berat jenis (ρ) = 4,5 kg/dm3. Titanium (Ti) digunakan sebagai unsur pemurni pada baja serta sebagai bahan paduan dengan Aluminium dan logam lainnya. Titanium (Ti) memiliki titik cair 16600C dan kekuatan tarik 470 N/mm2 serta densitas 56 %.Titanium (Ti) tidak termasuk logam baru walaupun pengembangannya baru dilakukan pada tahun 1949, karena sebenarnya Titanium (Ti) telah terdeteksi sejak tahun 1789 dalam bentuk Oxide Silicon, karena pengaruh oxygen maka pada saat itu tidak memungkinkan untuk dilakukan extraction, dimana Titanium (Ti) merupakan bagian penting dari Oxygen, namun pada akhirnya ditemukan metoda pemurnian Titanium (Ti) ini melalui pemanasan dengan Carbon dan Clorine, kemudian dengan Magnesium dan dengan Sodium pada suhu pemanasan antara 8000C hingga 9000C yang menghasilkan Titanium Tetraclorite sebagai produk awal dari Titanium (Ti) yang selanjutnya menggunakan Magnesiumcloride atau Sodiumcloride. 3) Nickel, Nickolium (Ni) Nickel, Nickolium merupakan unsur penting yang terdapat pada endapan terak bumi yang biasanya tercamppur dengan bijih tembaga. Oleh kerena itu, diperlukan proses pemisahan dan pemurnian dari berbagai unsur yang akan merugikan sifat Nickel tersebut. Dalam beberapa hal Nickel memiliki kesamaan dengan bijih logam yang lain seperti juga besi selalu memiliki sifat-sifat yang buruk seperti titik cair yang rendah kekuatan dan kekerasannya juga rendah, tetapi juga memiliki keunggulan sebagaimana pada Nickel ini ialah ketahanannya terhadap berbagai pengaruh korosi dan dapat mempertahankan sifatnya pada temperatur tinggi. Oleh karena itu, Nickel banyak digunakan sebagai pelapis dasar sebelum pelapisan dengan Chromium, di mana Nickel dapat memberikan perlindungan terhadap berbagi pengaruh gangguan korosi pada baja atau logamlogam lainnya. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 59 4) Timah Putih, Tin, Stannum (Sn) Timah putih, Tin, Stannum (Sn) ialah logam yang berwarna putih mengkilap, sangat lembek dengan titik cair yang rendah yakni 2320C. Logam ini memiliki sifat ketahanan korosi yang tinggi sehingga banyak digunakan sebagai bahan pelapis pada plat baja, digunakan sebagai kemasan pada berbagai produk makanan karena timah putih ini sangat tahan terhadap asam buah dan juice. Fungsi kegunaan yang lain ialah sebagai bahan pelapis pada bantalan luncur serta sebagai unsur paduan pada bahan-bahan yang memiliki titik cair rendah. Sumber: http://rumushitung.com/ Gambar 3.13 Stannum (Sn) Timah putih, Tin, Stannum (Sn) paling banyak digunakan sebagai timah pateri serta paduan pada logam-logam bantalan seperti Bronzes dan gunmetal atau ditambahkan sedikit pada paduan Tembaga Seng (Kuningan, Brasses) untuk memperoleh ketahanan korosi. Timah putih, Tin, Stannum (Sn) diproses dari bijih timah (Tinstone), extracsinya dilakukan melalui pencairan dengan temperature tinggi sehingga timah dapat mengalir keluar dari berbagai unsur pengikatnya. 5) Seng, Zincum (Zn) Seng, Zincum (Zn) ialah logam yang berwarna putih kebiruan memiliki titik cair 4190C, sangat lunak dan lembek tetapi akan menjadi rapuh ketika dilakukan pembentukan dengan temperatur pengerjaan antara 10000C sampai 15000C tetapi sampai temperatur ini masih baik dan mudah untuk dikerjakan. Seng memiliki sifat tahan terhadap korosi sehingga banyak digunakan dalam pelapisan plat baja sebagai pelindung baja tersebut dari pengaruh gangguan korosi, selain itu seng juga digunakan sebagai unsur paduan dan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 60 sebagai bahan dasar paduan logam yang dibentuk melalui pengecoran. Sekalipun Seng merupakan bahan yang lembek akan tetapi peranannya sangat penting sekali sebagai salah satu bahan Teknik yang memilki berbagai keunggulan, baik digunakan sebagai bahan pelapis pada baja yang tahan terhadap korosi, misalnya untuk atap bangunan, dinding serta container yang juga harus tahan terhadap pengaruh air dan udara serta serangga dan binatang. Seng juga merupakan unsur paduan untuk bahan pengecoran. Bahan baku Seng adalah Sulfida Carbonate, biasanya berada berdekatan dengan Lead atau Timah Hitam atau kadang-kadang juga dengan Silver. 6) Manganese (Mn) Manganese (Mn) logam yang memiliki titik cair 1.2600C Unsur Manganese (Mn) ini diperoleh melalui proses reduksi pada bijih Manganese sebagaimana proses yang dilakukan dalam pembuatan baja. Manganese digunakan pada hampir semua jenis baja dan besi tuang sebagai unsur paduan kendati tidak menghasilkan pengaruh yang signifikan dalam memperbaiki sifat baja tetapi tidak berpengaruh buruk karena di dalam baja memiliki kandungan unsur Sulphur. Disamping itu Manganese (Mn) merupakan unsur paduan pada Aluminium, Magnesium ,Titanium dan Kuningan. Sumber: https://ayurahma9298.wordpress.com/ Gambar 3.14 Manganese (Mn) 7) Chromium (Cr) Chromium ialah logam berwarna kelabu, sangat keras dengan titik cair yang tinggi yakni 18900C , Chromium diperoleh dari unsur Chromite, yaitu senyawa FeO.Cr2. Unsur Chromite (Fe2 Cr2 06 ) serta Crocoisite (PbCrO4). Chromium Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 61 memiliki sifat yang keras serta tahan terhadap korosi jika digunakan sebagai unsur paduan pada baja dan besi tuang dan dengan penambahan unsur Nickel, maka akan diperoleh sifat baja yang keras dan tahan panas (Heat resistance-Alloy). Sumber: https://www.mindat.org/element/Chromium Gambar 3.15 Chromium 8) Aluminium (Al) Aluminium ialah logam yang berwarna putih terang dan sangat mengkilap dengan titik cair 6600C sangat tahan terhadap pengaruh Atmosphere juga bersifat electrical dan Thermal Conductor dengan koefisien yang sangat tinggi. Chromium bersifat non magnetic. Secara komersial Aluminium memiliki tingkat kemurnianhingga 99,9 % , dan Aluminium non paduan kekuatan tariknya ialah 60 N/mm2 dan dikembangkan melelui proses pengerjaan dingin dapat ditingkatkan sesuai dengan kebutuhannya hingga 140 N/mm2. Sumber: http://images-of-elements.com/aluminium.php Gambar 3.16 Alumunium Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 62 9) Tembaga, Copper, Cuprum (Cu) Tembaga ialah salah satu logam penting sebagai bahan Teknik yang pemakaiannya sangat luas baik digunakan dalam keadaan murni maupun dalam bentuk paduan. Tembaga memilki kekuatan Tarik 150 N/mm2 sebagai Tembaga Cor dan dengan proses pengerjaan dingin kekuatan tarik Tembaga dapat ditingkatkan hingga 390 N/mm2 demikian pula dengan angka kekerasannya dimana Tembaga Cor memiliki angka kekerasan 45 HB dan meningkat hingga 90 HB melalui proses pengerjaan dingin, dengan demikian juga akan diperoleh sifat Tembaga yang ulet serta dapat dipertahankan walaupun dilakukan proses perlakuan panas misalnya dengan Tempering (Lihat Heattreatment). Sifat listrik dan sebagai penghantar panas yang baik dari Tembaga (Electrical and Thermal Conductor) Tembaga dan menduduki urutan kedua setelah Silver namun untuk ini Tembaga dipersyaratkan memiliki kemurnian hingga 99,9 %. Salah satu sifat yang baik dari tembaga ini juga adalah ketahanannya terhadap korosi atmospheric bahkan jenis korosi yang lainnya. Tembaga mudah dibentuk dan disambung melalui penyolderan (Soldering), Brazing dan pengelasan (Welding). Untuk membahas lebih jauh tentang Tembaga ini dapat dilihat pada uraian tentang Tembaga dan paduannya. Sumber: https://homeopathytoheal.wordpress.com/tag/cuprum-metallicum/ Gambar 3.17 Cuprum (Cu) 10) Magnesium (Mg) Magnesium ialah logam yang berwarna putih perak dan sangat mengkilap dengan titik cair 6510C yang dapat digunakan sebagai bahan paduan ringan, sifat dan karakteristiknya sama dengan Aluminium. Perbedaan titik cairnya sangat kecil tetapi Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 63 sedikit berbeda dengan Aluminium terutama pada permukaannya yang mudah keropos bila terjadi oxidasi dengan udara. Oxid film yang melapisi permukaan Magnesium hanya cukup melindunginya dari pengaruh udara kering, sedangkan udara lembab dengan kandungan unsur garam kekuatan oxid dari Magnesium akan menurun. Oleh kerana itu, perlindungan dengan cat atau lac (pernis) merupakan metoda dalam melidungi Magnesiumdari pengaruh korosi kelembaban udara. Sumber: https://ayurahma9298.wordpress.com/ Gambar 3.18: Magnesium (Mg) B. Tegangan, Regangan dan Modulus Elastisitas Sumber: http://lanamatrix.blogspot.co.id/ Gambar 3.19 Uji tarik mekanik (UTM) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 64 Tegangan yang didapatkan dari kurva tegangan teoritik adalah tegangan yang membujur rata-rata dari pengujian tarik. Tegangan tersebut diperoleh dengan cara membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji itu. 𝜎 = 𝑃 / 𝐴𝑜 Regangan yang didapatkan adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi perpanjangan (gage length) benda uji (δ atau ΔL), dengan panjang awal. 𝑒 = 𝛿/𝐿𝑜 = ∆𝐿/𝐿𝑜 = (𝐿 − 𝐿𝑜 )/𝐿𝑜 Karena tegangan dan regangan dipeoleh dengan cara membagi beban dan perpanjangan dengan faktor yang konstan, kurva beban – perpanjangan akan mempunyai bentuk yang sama seperti pada gambar 3.2. Kedua kurva sering dipergunakan. Sumber: http://www.matadunia.id/ Gambar 3.20 Kurva tegangan regangan teknik (σ-ε) Bentuk dan besaran pada kurva tegangan-regangan suatu logam tergantung pada komposisi, perlakukan panas, deformasi plastis yang pernah dialami, laju regangan, temperatur, dan keadaan tegangan yang menentukan selama pengujian. Parameter-parameter yang digunakan untuk menggambarkan kurva tegangan regangan logam adalah kekuatan tarik, kekuatan luluh atau titik luluh, persen perpanjangan, dan pengurangan luas. Parameter pertama adalah parameter kekuatan, sedangkan yang kedua menyatakan keuletan bahan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 65 1. Kekuatan Tarik Kekuatan tarik atau kekuatan tarik maksimum (ultimate tensile strenght), adalah nilai yang paling sering dituliskan sebagai hasil suatu uji tarik, tetapi pada kenyataannya nilai tersebut kurang bersifat mendasar dalam kaitannya dengan kekuatan material. Untuk logam ulet, kekuatan tariknya harus dikaitkan dengan beban lmaksimum, diman logam dapat menahan beban sesumbu untuk keadaan yang sangat terbatas. Pada tegangan yang lebih komplek, kaitan nilai tersebut dengan kekuatan logam, kecil sekali kegunaannya. Kecenderungan yang banyak ditemui adalah, mendasarkan rancangan statis logam ulet pada kekuatan luluhnya. Tetapi karena jauh lebih praktis menggunakan kekuatan tarik untuk menentukan kekuatan bahan, maka metode ini lebih banyak dipakai. Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang lintang awal benda uji. 𝜎𝑢 = 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠/ 𝐴𝑜 Korelasi emperis yang diperluas antar kekuatan tarik dengan sifat mekanik lainnya seperti kekerasan dan kekuatan lelah, sering dipergunakan. Hubungan tersebut hanya terbatas pada hasil penelitian beberapa jenis material. 2. Kekuatan Luluh Kekuatan luluh menyatakan besarnya tegangan yang dibutuhkan tegangan yang dibutuhkan untuk berdeformasi plastis material. Pengukuran besarnya tegangan pada saat mulai terjadi deformasi plastis atau batas luluh, tergantung pada kepekaan pengukuran regangan. Sebagian besar material mengalami perubahan sifat dari elastis menjadi plastis, yang berlangsung sedikit demi sedikit dan titik saat deformasi plastis mulai terjadi, sukar ditentukan secara teliti. Sehingga kekuatan luluh sering dinyatakan sebagai kekuatan luluh offset, yaitu besarnya tegangan yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah kecil deformasi plastis yang ditetapkan (regangan offset). Kekuatan luluh offset ditentukan tegangan pada perpotongan antara kurva tegangan-regangan dengan garis sejajar dengan kemiringan kurva pada regangan tertentu. Di Amerika Serikat regangan offset ditentukan sebesar 0,2 atau 0,1 % ( e = 0,002 atau 0,001 mm/mm). Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 66 Sumber: http://www.matadunia.id/ Gambar 3.21 Kurva tegangan regangan yang mengindikasikan kriteria luluh Beberapa bahan pada dasarnya tidak mempunyai bagian linear pada kurva tegangan-regangan, misalnya tembaga lunak atau besi cor kelabu. Untuk bahan-bahan tersebut, metode offset tidak dapat digunakan dan untuk pemakaian praktis, kekuatan luluh didiefinisikan sebagai tegangan yang diperlukan untuk menghasilkan regangan total tertentu, misalnya e = 0,5 %. 3. Keuletan Keuletan adalah suatu besaran kualitatif dan sifat subyektif suatu bahan, yang secara umum pengukurannya dilakukan untuk memenuhi tiga kepentingan, yaitu: ➢ Menyatakan besarnya deformasi yang mampu dialami suatu material, tanpa terjadi patah. Hal ini penting untuk proses pembentukan logam, seperti pengerolan dan ekstruksi. ➢ Menunjukkan kemampuan logam untuk mengalir secara plastis sebelum patah.Keuletan logam yang tinggi menunjukkan kemungkinan yang besar untuk berdeformasi secara lokal tanpa terjadi perpatahan. ➢ Sebagai petunjuk adanya perubahan kondisi pengolahan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 67 Ukuran keuletan dapat digunakan untuk memperkirakan kualitas suatu bahan, walaupun tidak ada hubungan langsung antara keuletan dengan perilaku dalam pemakaian bahan. Cara untuk menentukan keuletan yang diperoleh dari uji tarik adalah regangan teknis pada saat patah (ef), yang biasa disebut perpanjangan dan pengukuran luas penampang pada patahan (q). Kedua sifat ini didapat setelah terjadi patah, dengan cara menaruh benda uji kembali, kemudian diukur panjang akhir benda uji (Lf) dan diameter pada patahan (Df), untuk menghitung luas penampang patahan (Af). 𝑒𝑓 = (𝐿𝑓 − 𝐿𝑜 )/𝐿𝑜 𝑞 = (𝐴𝑜 − 𝐴𝑓 )/𝐴𝑜 Baik perpanjangan maupun pengurangan luas penampang, biasanya dinyatakan dalam persentase. Karena cukup besar bagian deformasi plastis yang akan terkonsentrasi pada daerah penyempitan setempat, maka harga ef akan bergantung pada panjang ukur awal (Lo). Makin kecil panjang ukur, makin besar pengaruhnya pada perpanjangan keseluruhan. Oleh karena itu, bila diberikan harga persentase perpanjangan, maka panjang ukur Lo akan selalu disertakan. 4. Modulus Elastisitas Modulus elastisitas atau modulus Young adalah besarnya gaya yang bekerja pada luas penampang tertentu untuk meregangkan benda. Dengan kata lain, modulus Young merupakan perbandingan antara tegangan dan regangan pada benda. Nilai modulus Young menunjukkan tingkat elastisitas suatu benda. Semakin besar nilai modulus Young, semakin besar pula tegangan yang diperlukan untuk meregangkan benda. Modulus Young dirumuskan sebagai berikut: 𝐹 𝐹 𝑙𝑜 𝑌= 𝐴 = ∆𝑙 𝐴 ∆𝑙 𝑙𝑜 Modulus elastisitas biasanya diukur pada temperatur tinggi dengan metode dinamik. 5. Kelentingan Kelentingan (resilience) adalah kemampuan suatu bahan untuk menyerap energi pada waktu berdeformasi secara elastis dan kembali kebentuk awal apabila bebannya dihilangkan. Kelentingan biasa dinyatakan sebagai modulus kelentingan, Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 68 yaitu energi regangan tiap satuan volume yang dibutuhkan untuk menekan bahan dari tegangan nol hingga tegangan luluh. Modulus kelentingan (Resilience Mudulus) dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut. 𝑈𝑅 = 𝜎𝑜 2 /2𝐸 Ketangguhan adalah jumlah energi yang diserap material sampai terjadi patah, yang dinyatakan dalam Joule. Energi yang diserap digunakan untuk berdeformasi, mengikuti arah pembebanan yang dialami. Pada umumnya ketangguahan menggunakan konsep yang sukar dibuktikan atau didefinisikan. Terdapat beberapa pendekatan matematik untuk menentukan luas daerah di bawah kurva teganganregangan. Untuk logam-logam ulet mempunyai kurva yang dapat didekati dengan persamaan-persamaan berikut: 𝑈𝑇 ≈ 𝜎𝑢 . 𝑒𝑓 𝑈𝑇 ≈ (𝜎𝑜 + 𝜎𝑢 ) 𝑒𝑓 /2 𝑈𝑇 ≈ 2/3 (𝜎𝑢 ) 𝑒𝑓 6. Kurva Tegangan Rengangan Sesungguhnya Sifat-sifat mekanik bahan atau logam yang dikuantifikasikan dengan kuat tarik, kuat luluh, perpanjangan atau elongasi atau ductility, koefesien pengerasan regang, dan koefesien anisotropi dapat diperoleh dengan pengujian yang disebut uji tarik. Sifat-sifat ini akan menunjukkan perilaku bahan atau logam ketika diberi beban atau gaya. Pada pengujian tarik uniaksial atau uji satu arah, sampel uji diberi beban atau gaya tarik pada satu arah dan gaya yang diberikan bertambah besar secara kontinu. Pada saat bersamaan, sampel akan bertambah panjang dengan bertambahnya gaya yang diberikan Kurva tegangan regangan teknik tidak memberikan indikasi karekteristik deformasi yang sesungguhnya, karena kurva tersebut semuanya berdasarkan pada dimensi awal benda uji, sedangkan selama pengujian terjadi perubahan dimensi. Pada tarik untuk logam liat, akan terjadi penyempitan setempat pada saat beban mencapai harga maksimum. Karena pada tahap ini luas penampang lintang benda uji turun Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 69 secara cepat, maka beban yang dibutuhkan untuk melanjutkan deformasi akan segera mengecil. Kurva tegangan regangan teknik juga menurun setelah melewati beban maksimum. Keadaan sebenarnya menunjukkan, logam masih mengalami pengerasan regangan sampai patah sehingga tegangan yang dibutuhkan untuk melanjutkan deformasi juga bertambah besar. Tegangan yang sesungguhnya (σs) adalah beban pada saat manapun dibagi dengan luas penampang lintang benda uji, Ao di mana beban itu bekerja. Sumber: http://www.matadunia.id/ Gambar 3.22 Perbandingan antara kurva tegangan regangan teknik dengan kurva tegangan regangan sesungguhnya 7. Elastisitas pada Pegas Pegas merupakan benda elastis karena dapat kembali ke bentuk semula ketika gaya pada pegas dihilangkan. Gaya yang dapat menggerakkan benda kembali ke bentuk semula disebut gaya pemulih. a. Hukum Hooke Pada tahun 1678, Robert Hooke menyatakan apabila pegas ditarik dengan suatu gaya tanpa melampaui batas elastisitasnya, pada pegas akan bekerja gaya pemulih yang sebanding dengan simpangan benda dari titik seimbangnya tetapi arahnya berlawanan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 70 dengan arah gerak benda. Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Hooke. Secara matematis, Hukum Hooke dinyatakan sebagai berikut. 𝐹𝑝 = −𝑘 ∆𝑥 Tanda negatif pada Hukum Hooke bermakna bahwa gaya pemulih pada pegas selalu berlawanan dengan arah simpangan pegas. Tetapan pegas (k) menyatakan ukuran kekakuan pegas. Pegas yang kaku memiliki nilai k yang besar, sedangkan pegas lunak memiliki k kecil. b. Tetapan Gaya pada Benda Elastis Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa modulus Young dirumuskan sebagai berikut. 𝑌= 𝐹 𝑙𝑜 𝐴 ∆𝑙 Dari persamaan di atas, besarnya gaya yang bekerja pada benda dapat ditulis sebagai berikut. 𝐹= 𝑌𝐴 ∆𝑙 𝑙𝑜 Berdasarkan Hukum Hooke, besar gaya pemulih pada pegas sebesar F =k ∆x atau F = -k ∆ℓ Dengan demikian, konstanta gaya pada benda elastis dapat dirumuskan sebagai berikut. 𝐾= 𝑌𝐴 𝑙𝑜 C. Hukum Hooke untuk Susunan Pegas Sebuah pegas yang diberi gaya akan mengalami pertambahan panjang sesuai gaya yang diberikan padanya. Bagaimana jika pegas yang diberi gaya’berupa susunan pegas (lebih dari satu)? Berbagai macam susunan pegas antara lain sebagai berikut. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 71 1) Susunan Seri pegas 𝐹𝑝 = −𝑘 ∆𝑥 ∆𝑘 = − 𝐹𝑝 𝑘 Pertambahan panjang pegas yang disusun seri merupakan jumlah pertambahan panjang kedua pegas. Jadi, tetapan pegas yang disusun seri dihitung: ∆𝑥 = ∆𝑥1 + ∆𝑥2 ∆𝑥 = 𝐹𝑝 𝐹𝑝 + 𝑘1 𝑘2 ∆𝑥 = 𝐹𝑝 ( 1 𝑎 + ) 𝑘1 𝑘2 ∆𝑥 = 𝐹𝑝 ( 1 𝐾𝑠𝑒𝑟𝑖 = 1 𝐾𝑠𝑒𝑟𝑖 ) 1 1 + 𝑘1 𝑘2 Jadi, ketetapan pegas yang disusun seri dihitung: 1 𝐾𝑠𝑒𝑟𝑖 2) = 1 1 + +⋯ 𝑘1 𝑘2 Susunan Paralel Pegas Gaya mg digunakan untuk menarik kedua pegas sehingga pertambahan panjang kedua pegas sama. 𝐹𝑝 = 𝐹𝑝1 + 𝐹𝑝2 𝐾𝑝 ∆𝑥 = 𝑘1 ∆𝑥 + 𝑘2 ∆𝑥 𝑘𝑝 ∆𝑥 = (𝑘1 + 𝑘2 )∆𝑥 Rangkuman ➢ Material terdiri dari bahan alam dan bahan buatan. Bahan alam merupakan bahan baku prorduk yang diperoleh dan digunakan secara langsung dari bahan alam. Bahan-bahan tiruan (syntetic materials) biasanya diperoleh dari senyawa kimia dengan komposisi berbagai unsur akan diperoleh suatu sifat tertentu secara spesifik atau sifat yang menyerupai sifat bahan alam. ➢ Klasifikasi bahan teknik teridir dari bahan metal dan non-metal. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 72 ➢ Tegangan tersebut diperoleh dengan cara membagi beban dengan luas awal penampang lintang benda uji itu. 𝜎 = 𝑃 / 𝐴𝑜 ➢ Regangan yang didapatkan adalah regangan linear rata-rata, yang diperoleh dengan cara membagi perpanjangan (gage length) benda uji (δ atau ΔL), dengan panjang awal. 𝑒 = 𝛿/𝐿𝑜 = ∆𝐿/𝐿𝑜 = (𝐿 − 𝐿𝑜 )/ 𝐿𝑜 ➢ Kekuatan tarik adalah besarnya beban maksimum dibagi dengan luas penampang lintang awal benda uji. 𝜎𝑢 = 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠/ 𝐴𝑜 ➢ Kekuatan luluh menyatakan besarnya tegangan yang dibutuhkan tegangan yang dibutuhkan untuk berdeformasi plastis material. ➢ Keuletan adalah suatu besaran kualitatif dan sifat subyektif suatu bahan. 𝑒𝑓 = (𝐿𝑓 − 𝐿𝑜 )/ 𝐿𝑜 𝑞 = (𝐴𝑜 − 𝐴𝑓 )/ 𝐴𝑜 ➢ Modulus elastisitas adalah ukuran kekakuan suatu bahan. Makin besar modulus elastisitas makin kecil regangan elastis yang dihasilkan akibat pemberian tegangan. Modulus elastisitas dirumuskan seperti persamaan berikut. 𝐸 = 𝜎/𝑒 ➢ Kelentingan adalah kemampuan suatu bahan untuk menyerap energi pada waktu berdeformasi secara elastis dan kembali ke bentuk awal apabila bebannya dihilangkan. 𝑈𝑅 = 𝜎𝑜 2 /2𝐸 ➢ Hukum Hooke menyatakan apabila pegas ditarik dengan suatu gaya tanpa melampaui batas elastisitasnya, pada pegas akan bekerja gaya pemulih yang sebanding dengan simpangan benda dari titik seimbangnya tetapi arahnya berlawanan dengan arah gerak benda. 𝐹𝑝 = −𝑘∆𝑥 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 73 UJI KOMPETENSI A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Material bahan elektronik yang dapat didaur ulang berbentuk.... a. Kayu d. Besi b. Tekstil e. Plastik c. Kertas 2. Bahan pelapis jalan dengan menggunakan 30%, material kaca daur ulang, disebut.... a. Garbage b. Aspol c. Glass phalt d. Gibs e. Sul 3. Contoh kode plastik yang umum beredar, kecuali …. a. Pet b. PVC c. EM 4 d. LDPE e. HDPE 4. Plastik, pecahan kaca, logam adalah bahan-bahan yang secara alami tidak dapat diuraikan karena bersifat … a. Toksik b. Biodegradable c. Nonbiodegradable d. Korosif e. Renewable 5. Seutas kawat gitar memiliki panjang 1 m dan luas penampang 0,5 mm2. Karena dikencangkan, kawat tersebut memanjang 0,2 cm, jika modulus elastisitas kawat adalah 4 x 1011 N/m2, maka gaya yang diberikan pada kawat adalah.... a. 200 b. 300 c. 400 d. 500 e. 600 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 74 6. Sebuah kawat sepanjang 10 cm dan berdiameter 2 mm ditarik dengan gaya sebesar 10 N pada salah satu ujungnya, sehingga panjangnya menjadi 20 cm. Maka besar modulus elastis kawat adalah... a. 3.2 x 106N/m2 b. 3.4 x 106N/m2 c. 3.6 x 106N/m2 d. 3.8 x 106N/m2 e. 4.0 x 106N/m2 7. Dalam suatu praktikum untuk menentukan konstanta suatu pegas diperoleh data sebagai berikut: 8. Jika F adalah gaya dan ∆x adalah pertambahan panjang pegas, maka konstanta pegas yang digunakan adalah... a. 100 N/m b. 200 N/m c. 300 N/m d. 400 N/m e. 500 N/m 9. Sebuah bahan elastis dalam keadaan tergantung bebas. Pada saat ujung yang bebas digantungi dengan beban 50 gram, bahan elastis bertambah panjang 5 mm. Berapakah pertambahan panjang bahan elastis tersebut jika ujung yang bebas digantungi dengan beban 150 gram? a. 15 mm b. 20 mm c. 25 mm d. 30 mm e. 35 mm Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 75 10. Sebuah pegas dalam keadaan tergantung bebas mempunyai panjang 10 cm. Pada ujung bebas digantungkan beban 200 gram hingga panjang pegas menjadi 11 cm. Jika g = 10 m/s^2, berapakah konstanta gaya pegas tersebut? a. 100 N/m b. 200 N/m c. 300 N/m d. 400 N/m e. 500 N/m 11. Sebuah kawat baja (E = 2 x 1011 N/m2). Panjang 125 cm dan diameternya 0.5 cm mengalami gaya tarik 1 N. Berapa tegangan pada kawat baja? a. 5.09 . 104 N/M2 b. 5. 104 N/M2 c. 4.09 . 104 N/M2 d. 3.09 . 104 N/M2 e. 3 . 104 N/M2 B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Tali nilon berdiameter 2 mm ditarik dengan gaya 100 Newton. Tentukan tegangan tali! 2. Seutas tali mempunyai panjang mula-mula 100 cm ditarik hingga tali tersebut mengalami pertambahan panjang 2 mm. Tentukan regangan tali! 3. Suatu tali berdiameter 4 mm dan mempunyai panjang awal 2 meter ditarik dengan gaya 200 Newton hingga panjang tali berubah menjadi 2,02 meter. Hitung (a) tegangan tali (b) regangan tali (c) modulus elastisitas Young! 4. Seutas tali nilon berdiameter 1 cm dan panjang awal 2 meter mengalami tarikan 200 Newton. Hitung pertambahan panjang senar tersebut! E nilon = 5 x 109 N/m2! 5. Tiang beton mempunyai tinggi 5 meter dan luas penampang lintang 3 m3 menopang beban bermassa 30.000 kg. Hitunglah (a) tegangan tiang (b) regangan tiang (c) perubahan tinggi tiang! Gunakan g = 10 m/s2. Modulus elastis Young Beton = 20 x 109 N/m2! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 76 BAB 4 SUHU DAN KALOR A. Konsep Suhu dan Kalor 1. Suhu Suhu (temperatur) suatu benda adalah ukuran relatif panas dan dinginnya benda tersebut. Untuk mengukur suhu tidak dapat digunakan alat peraba dari indra kita, karena akan sangat subjektif dan dari orang ke orang akan berbeda tergantung pada sensitivitas indra perasanya. Oleh sebab itu, suhu diukur dengan suatu alat yang disebut termometer.Untuk mengukur suhu benda, sentuhkan termometer pada benda yang akan diukur suhunya. Jika kalian ingin mengukur suhu secangkir kopi panas, celupkan termometer ke dalamnya dan tunggu beberapa saat. Setelah cairan bahan pengisi termometer tidak berubah lagi, bacalah suhunya. a. Jenis-jenis Termometer Seperti diketahui, alat untuk mengukur suhu dinamakan termometer. Termometer dibuat berdasarkan sifat termometrik bahan, yaitu kepekaan bahan terhadap perubahan suhu atau perubahan besaran fisika akibat perubahan suhu. Beberapa contoh perubahan besaran fisika yang dapat digunakan untuk membuat termometer adalah pemuaian zat cair dalam pipa kapiler, perubahan hambatan listrik kawat platina, pemuaian keping bimetal, dan perubahan tekanan gas pada volume tetap. 1) Termometer Zat Cair Termometer zat cair yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan seharihari adalah termometer yang bahan pengisinya zat cair, misalnya raksa. Pada umumnya zat cair memiliki pemuaian yang tidak teratur. Misalnya, air apabila dipanaskan dari suhu 0oC–4oC volumenya justru menyusut. Akan tetapi, raksa memiliki pemuaian yang teratur. 2) Termometer Raksa Termometer raksa adalah termometer yang bahan pengisinya adalah raksa. Sebagai contoh termometer raksa adalah termometer skala Celsius. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 77 Gambar 4.1 menunjukkan termometer raksa yang digunakan di laboratorium. Bagaimanakah prinsip kerja termometer ini? Raksa dalam termometer akan memuai apabila dipanaskan. Pemuaian ini menyebabkan raksa mengisi pipa kapiler dan menunjuk pada skala tertentu. Nah, skala yang ditunjukkan oleh termometer ini menunjukkan suhu benda yang diukur. Sumber: http://alatukur.co/fungsi-dan-jenis-termometer/ Gambar 4.1 Termometer raksa. Beberapa keuntungan apabila raksa digunakan sebagai bahan pengisi termometer adalah: ➢ raksa mengkilap dan tidak membasahi dinding kaca; ➢ raksa merupakan penghantar yang baik sehingga suhunya mudah menyesuaikan dengan suhu benda yang diukur; ➢ pemuaiannya teratur; ➢ memiliki titik didih yang tinggi (357oC) sehingga dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi; dan ➢ kalor jenisnya kecil sehingga dengan perubahan panas sedikit saja sudah cukup untuk mengubah suhu. Adapun kerugian menggunakan raksa sebagai bahan pengisi termometer adalah ➢ mahal, ➢ memiliki titik beku rendah (–39oC) sehingga tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu rendah, dan ➢ beracun, sehingga apabila termometer pecah dapat menyebabkan keracunan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 78 3) Termometer Alkohol Alkohol juga dapat digunakan sebagai bahan pengisi termometer. Beberapa keuntungan apabila alkohol digunakan sebagai bahan pengisi termometer adalah: ➢ jika dibandingkan dengan raksa, alkohol lebih murah; ➢ pemuaiannya teratur; ➢ titik beku alkohol sangat rendah (–115oC) sehingga termometer alkohol dapat digunakan untuk mengukur suhu rendah. Adapun kerugian menggunakan raksa sebagai bahan pengisi termometer adalah: ➢ membasahi dinding; ➢ titik didih alkohol sangat rendah (–78oC) sehingga pemakaiannya menjadi terbatas; dan ➢ kalor jenisnya besar sehingga perlu perubahan panas yang besar untuk mengubah suhu. Mengapa air tidak dapat digunakan sebagai bahan pengisi termometer? Ada beberapa alasan sehingga air tidak dapat digunakan sebagai bahan pengisi termometer: ➢ Air membasahi dinding; ➢ Pada kondisi normal air membeku pada suhu 0oC dan mendidih pada suhu 100oC sehingga jangkauan pengukurannya menjadi sangat terbatas; dan ➢ Air dipanaskan dari suhu 0oC – 4oC volumenya justru menyusut. Ada beberapa termometer zat cair yang dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Akan tetapi, kita hanya akan membahas tiga termometer saja, yaitu: termometer klinis, termometer dinding, dan termometer maksimum minimum Six. 4) Termometer Klinis Termometer ini digunakan untuk mengukur suhu tubuh manusia. Oleh karena itu, termometer ini sering disebut termometer suhu badan. Bagian-bagian dari termometer klinis adalah tabung raksa, bagian yang menyempit, dan pipa kapiler (Gambar 4.2). Zat cair yang digunakan untuk bahan pengisi termometer ini adalah raksa. Skala termometer klinis memiliki jangkauan di atas dan di bawah suhu rata-rata tubuh manusia, yaitu 37oC. Suhu terendah tubuh manusia tidak pernah kurang dari Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 79 35oC dan tidak pernah lebih dari 42oC sehingga skala termometer klinis terletak antara 35oC dan 42oC. Sumber: http://alatukur.co/fungsi-dan-jenis-termometer/ Gambar 4.2 Termometer Klinis Termometer yang telah dibicarakan di atas merupakan termometer klinis analog. Dalam termometer analog, hasil pengukuran suhu dapat dibaca pada angka yang tertera pada termometer. Di samping termometer analog, sekarang sudah ada termometer klinis digital (Gambar 4.3). Dalam bentuk digital, hasil pengukuran langsung ditampilkan dalam bentuk angka. Sumber: http://alatukur.co/fungsi-dan-jenis-termometer/ Gambar 4.3 Termometer klinis digital. Untuk mengukur suhu badan, termometer klinis ditempatkan di bawah lidah atau dijepit pada ketiak. Setelah beberapa saat, termometer diambil dan raksa dalam tabung menjadi dingin dan menyusut. Dengan adanya bagian yang menyempit, raksa di dalam pipa kapiler tidak dapat memasuki tabung dan tetap menunjukkan skala tertentu, misalnya 37oC. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 80 5) Termometer Dinding Termometer dinding digunakan untuk mengukur suhu ruang. Sesuai dengan namanya, termometer ini dipasang pada dinding ruangan. Skala termometer ini memiliki jangkauan suhu yang dapat terjadi dalam ruang, misalnya –50oC sampai 50oC (Gambar 4.4). Berfungsi untuk mengukur suhu udara yang memiliki kemampuan ukuran antara 18 derajat celcius sampai denga 50 derajat celcius. Alat ini bekerja secara otomatis mengikuti besar atau kecilnya copypaste temperatur udara dan dapat diukur dalam satuan Celcius maupun dalam satuan Fahrenheit. Sumber : http://fastrans22.blogspot.co.id/ Gambar 4.4 Termometer dinding 6) Termometer Maksimum-Minimum Six Termometer maksimum-minimum Six digunakan untuk mengukur suhu dalam rumah kaca, yaitu bangunan yang digunakan untuk menanam tumbuhtumbuhan sebagai bahan penelitian. Pada umumnya suhu maksimum terjadi pada siang hari dan suhu minimum terjadi pada malam hari. Termometer ini ditemukan oleh James Six pada akhir abad ke-18. Termometer ini terdiri atas tabung silinder A, tabung B, dan pipa U. Tabung silinder A yang berisi alkohol atau minyak creasote dihubungkan dengan tabung B yang juga berisi alkohol melalui pipa U yang berisi raksa (Gambar 4.5). Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 81 Termometer maksimum-minimum Six dilengkapi dengan dua skala, yaitu skala minimum pada pipa kiri dan skala maksimum pada pipa kanan. Jadi, suhu maksimum dan suhu minimum dapat dibaca sesuai dengan tinggi kolom raksa pada masing-masing pipa. Pada masing-masing permukaan raksa terdapat penunjuk baja yang dilengkapi dengan pegas sebagai penahan. Jika suhu dalam rumah kaca naik, alkohol pada tabung silinder A memuai sehingga mendesak raksa yang terdapat pada pipa kiri. Akibatnya, permukaan raksa pada pipa kiri turun dan permukaan raksa pada pipa kanan naik. Penunjuk baja pada pipa kanan terdorong ke atas dan menunjuk suhu maksimum. Jika suhu dalam rumah kaca turun, alkohol pada tabung silinder A menyusut dan raksa pada tabung B turun. Perlu diketahui, meskipun raksa pada tabung B turun tetapi posisi penunjuk baja tetap tidak berubah. Ketika raksa pada tabung B turun, permukaan raksa pada tabung kiri naik dan mendorong penunjuk baja sampai kedudukan tertentu. Kedudukan penunjuk baja pada tabung kiri ini menunjukkan suhu minimum pada saat itu. Jadi, tinggi kolom raksa pada pipa kiri menunjukkan suhu minimum dan tinggi kolom raksa pada pipa kanan menunjukkan suhu maksimum. Untuk mengembalikan penunjuk baja supaya bersentuhan dengan permukaan raksa digunakan magnet. Sumber : http://fastrans22.blogspot.co.id/ Gambar 4.5 Termometer maksimum-minimum Six. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 82 Pada saat mengukur suhu dengan menggunakan termometer, kalian harus memperhatikan beberapa hal berikut ini. ➢ Ketika menggunakan termometer, suhu awal tidak perlu diatur terlebih dahulu. Misalnya, suhu awal tidak perlu dibuat 0oC terlebih dahulu. ➢ Ketika mengukur suhu zat cair, ujung bawah termometer harus diletakkan di tengah-tengah cairan. Ujung bawah termometer ini tidak boleh menyentuh dasar atau dinding bejana. Ketika termometer diangkat dari cairan, suhu termometer akan segera berubah menyesuaikan dengan suhu udara. Oleh karena itu, pembacaan termometer dilakukan ketika termometer masih berada di dalam cairan. ➢ Untuk mengukur suhu tinggi, pastikan kalian menggunakan termometer yang dirancang untuk mengukur suhu tinggi. ➢ Pada saat mengukur suhu, tangan tidak boleh bersentuhan langsung dengan termometer. Untuk mengatasi masalah ini, termometer dapat dijepit dengan statif atau digantung dengan benang melalui lubang yang ada pada ujung atas termometer. ➢ Termometer tidak boleh digunakan untuk mengaduk cairan. ➢ Dalam membaca skala termometer, posisi mata harus berada pada garis yang tegak lurus terhadap posisi skala termometer. Hal ini dilakukan untuk menghindari kesalahan paralaks. b. Skala pada termometer Secara umum ada 4 skala termometer, yaitu: 1) Termometer Celcius, mempunyai titik beku air 00 dan titik didih air 1000. 2) Termometer Reamur, mempunyai titik beku air 00 dan titik didih air 800. 3) Termometer Fahrenheit, mempunyai titik beku air 320 dan titik didih air 2120. 4) Termometer Kelvin, mempunyai titik beku air 2730K dan titik didih 3730. Jadi, 100 bagian C = 80 bagian R = 180 bagian F. 0C dan 0R dimulai pada angka nol dan 0F dimulai pada angka 32 Maka C: R: (F-32) = 100: 80: 180 C: R: (F-32) = 5: 4: 9 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 83 tR = 4 t C 5 tR = 4 (t – 32) F 9 tF = 9 t + 32 C 5 T = suhu dalam 0K tC = suhu dalam 0C T = t C + 2730 c. Pemuaian Zat 1) Pemuaian panjang Bila suatu batang pada suatu suhu tertentu panjangnya Lo, jika suhunya dinaikkan sebesar t, maka batang tersebut akan bertambah panjang sebesar L yang dapat dirumuskan sebagai berikut: L = Lo . . t = Koefisien muai panjang = koefisien muai linier didefinisikan sebagai: Bilangan yang menunjukkan berapa cm atau meter bertambahnya panjang tiap 1 cm atau 1 m suatu batang jika suhunya dinaikkan 1 0 C. Jadi, besarnya koefisien muai panjang suatu zat berbeda-beda, tergantung jenis zatnya. Jika suatu benda panjang mula-mula pada suhu t00C adalah Lo. Koefisien muai panjang = , kemudian dipanaskan sehingga suhunya menjadi t10C maka: L = Lo . . (t1 – t0) Panjang batang pada suhu t10C adalah: Lt = Lo + L = Lo + Lo . . (t1 – t0) = Lo (1 + t) Satuan: MKS Lo & Lt t m 0 C 0 C-1 CG S cm Keterangan: Lt=Panjang benda setelah dipanaskan t 0C Lo=Panjang mula-mula. =Koefisien muai panjang t=Selisih antara suhu akhir dan suhu mula-mula. 0 C C- 0 1 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 84 2) Pemuaian Luas Bila suatu lempengan logam (luas Ao) pada t00, dipanaskan sampai t10, luasnya akan menjadi At, dan pertambahan luas tersebut adalah: A = Ao . t At = Ao (1 + t) dan t = t1 – t0 adalah Koefisien muai luas ( = 2 ) Bilangan yang menunjukkan berapa cm2 atau m2 bertambahnya luas tiap 1 cm2 atau m2 suatu benda jika suhunya dinaikkan 1 0C. Satuan: Ao & At t MKS m2 0 C 0 -1 C Keterangan: CGS cm2 0 C 0 -1 C At Ao t = = = = Luas benda setelah dipanaskan t 0C Luas mula-mula. Koefisien muai Luas Selisih antara suhu akhir dan suhu mulamula. 3) Pemuaian Volume Bila suatu benda berdimensi tiga (mempunyai volume) mula-mula volumenya Vo pada suhu to, dipanaskan sampai t10, volumenya akan menjadi Vt, dan pertambahan volumenya adalah: V = Vo . t Vt = Vo (1 + t) dan t = t1 – t0 adalah Koefisien muai Volume ( = 3 ) Bilangan yang menunjukkan berapa cm3 atau m3 bertambahnya volume tiap-tiap 1 cm3 atau 1 m3 suatu benda jika suhunya dinaikkan 1 0C. Satuan: Vo & Vt t MKS m3 0 C 0 -1 C Keterangan: CGS cm3 0 C 0 –1 C Vt Vo t = Volume benda setelah dipanaskan t 0C = Volume mula-mula. = Koefisien muai ruang = Selisih antara suhu akhir dan suhu mula-mula. Namun tidak semua benda menurut hukum pemuaian ini, misalnya air. Di dalam interval 00-40 C air akan berkurang volumenya bila dipanaskan, tetapi setelah Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 85 mencapai 40 C volume air akan bertambah (Seperti pada benda-benda lainnya). Hal tersebut di atas disebut ANOMALI AIR. Jadi pada 40 C air mempunyai volume terkecil, dan karena massa benda selalu tetap jika dipanaskan, maka pada 40 C tersebut air mempunyai massa jenis terbesar. 4) Pemuaian Gas Sejumlah gas bermassa m, bertekanan P, bertemperatur T dan berada dalam ruang tertutup yang bervolume V. Dari percobaan-percobaan gas tersebut dapat menunjukkan hal-hal sebagai berikut: a) Untuk sejumlah gas bermassa tertentu, pada tekanan tetap, ternyata volumenya sebanding dengan temperatur mutlaknya atau dikenal dengan Hukum Gay Lussac dan proses ini disebut dengan proses isobarik. V=C.T V =C T Atau V1 = V 2 T1 T 2 Jadi, pada tekanan tetap berlaku: b) Untuk sejumlah gas bermassa tertentu, pada temperatur konstan, ternyata tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya atau dikenal dengan Hukum Boyle dan proses ini disebut dengan proses isotermis. P= atau C V P.V = C P1 V1 = P2 V2 Jadi, pada temperatur tetap berlaku: c) Selain itu gas dapat diekspansikan pada volume tetap dan prosesnya disebut dengan proses isokhoris atau dikatakan tekanan gas sebanding dengan temperatur mutlaknya. Atau P=C.T P =C T Jadi, pada volume tetap berlaku: P1 = P 2 T1 T 2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 86 Kesimpulan: Dari kenyataan-kenyataan di atas, maka untuk gas bermassa tertentu dapat dituliskan dalam bentuk: P V = Konstan T Atau P1 V1 P2 V2 = T2 T1 dan persamaan di atas disebut: BOYLE – GAY LUSSAC d) Massa Jenis Misalkan: ➢ Vo dan o berturut-turut adalah volume dan massa jenis benda sebelum dipanaskan. ➢ Vt dan t berturut-turut adalah volume dan massa jenis benda setelah dipanaskan. ➢ m adalah massa banda. m Vo m t = Vt o = 2. Vt = Vo (1 + t ) m t = Vo (1 γ Δ t) t = γo 1 γ Δt Kalor Kalor adalah bentuk energi yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Jika suatu benda menerima/melepaskan kalor, maka suhu benda itu akan naik/turun atau wujud benda berubah. Kalor dikenal sebagai bentuk energi yaitu energi panas dengan notasi Q. Satuan Kalor: Satuan kalor adalah kalori (kal) atau kilo kalori (k kal). kalori/kilo kalori adalah: jumlah kalor yang diterima/dilepaskan oleh 1 gram/1 kg air untuk menaikkan/menurunkan suhunya 10 C. Kesetaraan satuan kalor dan energi mekanik ini ditentukan oleh percobaan joule. 1 kalori = 4,2 joule Atau 1 joule = 0,24 kal Harga perbandingan di atas disebut Tara Kalor Mekanik. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 87 B. Pengaruh Kalor terhadap Zat 1. Kapasitas kalor atau Harga air/Nilai air (H) Kapasitas kalor suatu zat ialah banyaknya kalor yang diserap/dilepaskan untuk menaikkan/menurunkan suhu 10 C. Jika kapasitas kalor/Nilai air = H, maka untuk menaikkan/menurunkan suhu suatu zat sebesar t diperlukan kalor sebesar: Q = H . t Q dalam satuan k kal atau kal H dalam satuan k kal / 0C atau kal / 0C t dalam satuan 0C 2. Kalor Jenis (c) Kalor jenis suatu zat ialah banyaknya kalor yang diterima/dilepas untuk menaikkan/menurunkan suhu 1 satuan massa zat sebesar 10 C. Jika kalor jenis suatu zat = c, maka untuk menaikkan/menurunkan suatu zat bermassa m, sebesar t 0C, kalor yang diperlukan/dilepaskan sebesar: Q = m . c . t Q dalam satuan k kal atau kal m dalam satuan kg atau g c dalam satuan k kal/kg 0C atau kal/g 0C t dalam satuan 0C Dari persamaan di atas dapat ditarik suatu hubungan: H . t = m . c . t H=m.c 3. Perubahan wujud. Semua zat yang ada di bumi ini terdiri dari 3 tingkat wujud yaitu: ➢ tingkat wujud padat ➢ tingkat wujud cair ➢ tingkat wujud gas Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 88 CAIR Sumber:http://yuliapuspitasa7.blogspot.co.id/ Gambar 4.6 Perubahan fisis benda 4. Kalor Laten (L) Kalor laten suatu zat ialah kalor yang dibutuhkan untuk merubah satu satuan massa zat dari suatu tingkat wujud ke tingkat wujud yang lain pada suhu dan tekanan yang tetap. Jika kalor laten = L, maka untuk merubah suatu zat bermassa m seluruhnya ke tingkat wujud yang lain diperlukan kalor sebesar, di mana: Q dalam kalori atau k kal Q=m.L m dalam gram atau kg L dalam kal/g atau k kal/kg ➢ Kalor lebur ialah kalor laten pada perubahan tingkat wujud padat menjadi cair pada titik leburnya. ➢ Kalor beku ialah kalor laten pada perubahan tingkat wujud cair menjadi padat pada titik bekunya. ➢ Kalor didih (kalor uap) ialah kalor laten pada perubahan tingkat wujud cair menjadi tingkat wujud uap pada titik didihnya. Di bawah ini akan digambarkan dan diuraikan perubahan wujud air (H2O) dari fase padat, cair dan gas yang pada prinsipnya proses ini juga dijumpai pada lain-lain zat. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 89 5. Gambar Perubahan Wujud Air Sumber: http://nugraha999.blogspot.co.id/ Gambar 4.7 Perubahan wujud air a. Di bawah suhu 00 C air berbentuk es (padat) dan dengan pemberian kalor suhunya akan naik sampai 00 C. Q2 merupakan panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu es pada fase ini adalah: Q = m x ces x t b. Tepat pada suhu 00 C, es mulai ada yang mencair dan dengan pemberian kalor suhunya tidak akan berubah (Q2). Proses pada Q3 disebut proses MELEBUR (perubahan fase dari padat menjadi cair). Panas yang diperlukan untuk proses ini adalah: Q = m . Kl Kl = Kalor lebur es. c. Setelah semua es menjadi cair, dengan penambahan kalor suhu air akan naik lagi. Proses untuk merubah suhu pada fase ini membutuhkan panas sebesar: Q = m . cair . t Pada proses mencair ini waktu yang diperlukan lebih lama, karena kalor jenis air (cair) lebih besar daripada kalor jenis es (ces). d. Setelah suhu air mencapai 1000 C, sebagian air akan berubah menjadi uap air dan dengan pemberian kalor suhunya tidak berubah (Q4). Proses Q4 adalah proses Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 90 mendidih (Perubahan fase cair ke uap). Panas yang dibutuhkan untuk proses tersebut adalah: Q = m . Kd Kd = Kalor didih air. 0 Suhu 100 C disebut titik didih air. e. Setelah semua air menjadi uap air, suhu uap air dapat ditingkatkan lagi dengan pemberian panas dan besarnya yang dibutuhkan: Q = m . cgas . t Proses dari Q1 s/d Q4 sebenarnya dapat dibalik dari Q4 ke Q1, hanya saja pada proses dari Q4 ke Q1 benda harus mengeluarkan panasnya. ➢ Proses Q4 ke Q3 disebut proses mengembun (Perubahan fase uap ke cair) ➢ Proses Q2 ke Q1 disebut membeku (Perubahan fase dari cair ke padat). Besarnya kalor lebur = kalor beku Pada keadaan tertentu (suhu dan tekanan yang cocok) sesuatu zat dapat langsung berubah fase dari padat ke gas tanpa melewati fase cair. Proses ini disebut sebagai sublimasi. Contoh pada kapur barus, es kering, dll. Pada proses perubahan fase-fase di atas dapat disimpulkan bahwa selama proses, suhu zat tidak berubah karena panas yang diterima/dilepas selama proses berlangsung dipergunakan seluruhnya untuk merubah wujudnya. C. Perpindahan kalor Menurut Asas Black: Kalor lepas = Kalor diterima Catatan: • Kalor jenis suatu benda tidak tergantung dari massa benda, tetapi tergantung pada sifat dan jenis benda tersebut. Jika kalor jenis suatu benda adalah kecil maka kenaikan suhu benda tersebut akan cepat bila dipanaskan. • Pada setiap penyelesaian persoalan kalor (asas Black) lebih mudah jika dibuat diagram alirnya. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 91 D. Perambatan Kalor Kalor dapat merambat melalui tiga macam cara yaitu: a. Konduksi Perambatan kalor tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya, biasanya terjadi pada benda padat. H = K . A . (DT/ L) Keterangan: H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu DT/L = gradien temperatur (ºK/m) K = koefisien konduksi A = luas penampang (m²) L = panjang benda (m) b. Konveksi Perambatan kalor yang disertai perpindahan bagian-bagian zat, karena perbedaan massa jenis. H = K . A . DT Keterangan: H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu K = koefisien konveksi DT = kenaikan suhu (ºK) c. Radiasi Perambatan kalor dengan pancaran berupa gelombang-gelombang elektromagnetik. Pancaran kalor secara radiasi mengikuti Hukum Stefan Boltzmann: W = e . s . T4 Keterangan: W = intensitas/energi radiasi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu s = konstanta Boltzman =5,672 x 10-8 watt/cm2.ºK4 e = emisivitas emissivity (o < e < 1) T = suhu mutlak absolute temperature (ºK) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 92 Rangkuman ➢ Suhu (temperatur) suatu benda adalah ukuran relative panas dan dinginnya benda tersebut. Alat pengukur suhu adalah termometer. ➢ Skala Termometer Jadi, 100 bagian C = 80 bagian R = 180 bagian F 0 C dan 0R dimulai pada angka nol dan 0F dimulai pada angka 32 Maka C: R: (F-32) = 100: 80: 180 C: R: (F-32) = 5: 4: 9 tR = ➢ tC tR = (tF – 32) tF = tC + 32 tk = t C + 2730 Pemuaian panjang L = Lo . . t ➢ Pemuaian luas =2A = Ao . t ➢ Pemuaian volume =3V = Vo . t ➢ Pemuaian gas Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu a. Pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal), b. Pemuaian gas pada tekanan tetap(isobarik), dan c. Pemuaian gas pada volume tetap(isokhoris). ➢ Kalor adalah bentuk energi yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. ➢ Kapasitas kalor Q = H . t Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 93 ➢ Kalor jenis Q = m . c . t ➢ Perambatan kalor Konduksi H = K . A . (DT/ L) Konveksi H = K . A . DT Radiasi W = e . s . T4 UJI KOMPETENSI A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Derajat skala Fahrenheit dan Celcius akan menunjukan skala yang sama pada... a. –20 b. –30 c. –40 d. –50 e. –60 2. Sebuah termometer menunjukan angka 30° celcius. Jika dinyatakan dalam skala Fahrenheit adalah .... a. 30,6 °F b. 46,4 °F c. 54,2 °F d. 86,0 °F e. 107,0 °F 3. Diketahui kalor laten pencairan es 80 kal/g, kalor jenis es 0,5 kal/goC dan kalor jenis air 1 kal/goC. Kalor yang dibutuhkan untul menaikan suhu 200 gram es dari -10oC sehingga seluruhnya menjadi air bersuhu 10oC adalah.... a. 2000 kal d. 4600 kal b. 2400 kal e. 5000 kal c. 4000 kal Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 94 4. Suatu benda diukur dengan menggunakan termometer berskala Celcius menunjukan 350C, suhu benda tersebut ketika diukur menggunakan termometer berskala Fahrenheit adalah …. b) 630 F c) 670 F d) 950 F e) 1040 F f) 1080F 5. Suhu air 1000C, massa 1000 gr dipanaskan sampai mendidih pada tekanan normal. Jika kalor jenis air 1 kkal/kg0C, maka kalor yang diperlukan sebesar …. a. 10 kkal b. 90 kkal c. 100 kkal d. 110 kkal e. 80 kkal 6. Besar suhu Y pada skala termometer Celcius adalah … a. 1720C b. 1080C c. 600C d. 440C e. 220C 7. Dari suatu percobaan didapatkan data sebagai berikut: M ( Kg ) 0,1 0,2 0,3 0,23 0,25 ∆T ( oC ) 3 6 9 10 10 T ( Sekon ) 30 detik 30 detik 30 detik 30 detik 30 detik cair ( J/kgoC ) 4200 4200 4200 4200 4200 Q ( Joule ) 1260 5040 11340 9660 10500 Berdasarkan data di atas, banyaknya kalor yang di perlukan untuk menaikkan suhu air adalah ..... Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 95 a. Sebanding dengan massa air b. Berbanding terbalik dengan perubahan suhu air c. Berbanding terbalik dengan massa air d. Tetap, berapapun massa air e. Nol, sebab tidak memerlukan kalor 8. Sebuah bola besi mempunyai massa 4 x 10-3 kg , jika kalor jenis besi adalah 450 Jkg 1 k -1, maka kalor yang di butuhkan untuk menaikkan suhu dari 30 oC menjadi 80 oC adalah... a. 90 J b. 900 J c. 80 x 10 -3 J d. 280 x 10-3 J e. 180x10-3 J 9. Perubahan panjang kawat besi yang dipanaskan dari 00 C sampai 400C jika pada 00C panjangnya 10 m ( besi = 12 x 10 –6 / 0C) adalah .... a. 4,8 x 10-2 m b. 4,8 x 10-3 m c. 4,8 x 10-4 m d. 4,8 x 10-5 m e. 4,8 x 10-6 m 10. Sepotong besi panjangnya 1 meter dipanaskan dari suhu 25°C menjadi 125°C. Jika koefisien pemuaian linier besi 11× 10–6 /°C panjang besi tersebut adalah a. 1,1 m b. 1,10 m c. l,11 m d. 1,011 m e. 1,0011 m B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Panas sebesar 12 kj diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 gram yang memiliki suhu 30oC. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 kalori/groC, tentukan suhu akhir logam! 2. 500 gram es bersuhu −12oC dipanaskan hingga suhu −2oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam satuan joule! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 96 3. 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga keseluruhan es menjadi air yang bersuhu 0oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam kilokalori! 4. 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan! 5. Air bermassa 100 g bersuhu 20°C berada dalam wadah terbuat dari bahan yang memiliki kalor jenis 0,20 kal/g°C dan bermassa 200 g. Ke dalam wadah kemudian dituangkan air panas bersuhu 90°C sebanyak 800 g. Jika kalor jenis air adalah 1 kal/g°C, tentukan suhu akhir air campuran! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 97 BAB 5 MATERI DAN PERUBAHANNYA A. Materi dan Klasifikasinya Materi dan perubahannya merupakan kajian dalam bidang IPA (Ilmu Pengetahuan Alam) yang mempelajari wujud materi dan perubahan materi. Secara garis besar wujud materi dikelompokkan menjadi padat, cair dan gas. Benda-benda di sekitar kita yang tergolong materi contohnya yaitu kursi, buku, air, awan dan udara. Benda- benda tersebut tergolong materi karena selain menempati ruang juga mempunyai massa. Banyak cara untuk mengetahui apakah sesuatu itu termasuk materi atau bukan. Misalnya, untuk menunjukkan bahwa udara menempati ruang ditunjukkan oleh balon akan mengembang jika ditiup. Materi dapat didefinisikan sebagai sesuatu yang mepunyai massa dan menempati ruang. Benda yang tergolong materi contohnya air,udara,meja,dan tanah. Cahaya dan sinar bukan materi karena tidak menempati ruang. 1. Macam- macam Materi a. Zat Murni Zat murni adalah suatu zat asli tanpa adanya campuran (zat terlarut) dalam suatu pelarut. Zat murni di kelompokkan sebagai berikut: 1) Unsur Unsur adalah suatu zat murni dengan upaya proses kimiawi tidak dapat dipecah lagi menjadi zat yang lebih sederhana. Contoh: emas (Cu), besi (Fe), perak (Ag), oksigen (O2), dan lainnya. 2) Senyawa Senyawa adalah zat murni dengan upaya proses kimiawi dapat dipecah menjadi zat yang lebih sederhana. Contoh: air (H2O) dapat dipecah menjadi hidrogen (H) dan oksigen (O2) , glukosa (C6H12O6) menjadi karbon (C), hidrogen (H), dan oksigen (O), dan sebagainya. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 98 b. Zat Campuran Zat campuran adalah perpaduan zat tunggal yang dapat diuraikan lagi menjadi komponen penyusun melalui proses fisika yaitu dengan cara dipanaskan, penyulingan, siltrasi, dan lainnya. 1) Campuran Homogen Campuran homogen adalah campuran yang tiap bagian dari sistem mempunyai susunan yang sama. Contoh: air, sirup, udara yang dimasukkan dalam tabung. 2) Campuran heterogen Campuran heterogen adalah campuran yang tiap bagian tidak terdiri dari bagian yang sama. Contoh: air kopi, ada bagian endapan kopi dan ada yang tidak, lumpur, ada bagian yang banyak tanahnya dan ada yang banyak airnya. B. Sifat dan Wujud Materi 1. Wujud Materi Berdasarkan wujudnya materi dapat dikelompokkan menjadi: a. Padat Mempunyai bentuk yang tetap dan volumenya tetap Contoh: meja, kursi, batu, dan sebagainya b. Cair Mempunyai bentuk sesuai dengan tempatnya dan volumenya tetap Contoh: air, sirup, minyak, dan sebagainya c. Gas Mempunyai bentuk sesuai tempatnya dan volumenya berubah- ubah Contoh: nitrogen, oksigen, karbondioksida, dan sebagainya 2. Sifat Materi Sifat materi terbagi menjadi 2 yaitu sifat kimia dan sifat fisika. a. Sifat Kimia Sifat kimia adalah sifat yang berhubungan dengan pembentukan zat baru dengan ciri- ciri sebagai berikut: - Mudah atau sukar terbakar ( bensin mudah terbakar ) - Dapat atau tidaknya membusuk ( makanan dapat membusuk ) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 99 - Mudah atau sukar berubah menjadi zat lain ( besi mudah berkarat ) - Beracun b. Sifat Fisika Sifat fisika adalah sifat yang berhubungan dengan jumlah dan ukuran zat dengan memperhatikan hal berikut: - rasa - massa jenis - titik didih - warna - daya hantar - titik lebur - bau - kilap logam - koefisien muai - wujud - kelarutan - hambat jenis C. Perubahan Materi 1. Bentuk Perubahan Wujud Wujud materi tidak selalu tetap. Setiap materi yang mendapat perlakuan tertentu pasti akan berubah baik wujud maupun bentuknya. Perubahan wujud tersebut dapat berlangsung secara fisika, kimia, atau biologi. a. Perubahan Fisika Perubahan fisika adalah perubahan suatu zat yang tidak menghasilkan zat baru dan dapat diubah kembali menjadi zat semula. Perubahan fisika sering disebut sebagai perubahan yang bersifat sementara. Contoh: perubahan pada air. Jika air didinginkan akan membeku menjadi es. Jika es dipanaskan maka akan kembali menjadi air. b. Perubahan Kimia Perubahan kimia adalah perubahan suatu zat yang menghasilkan zat baru dan tidak dapat diubah menjadi zat semula. Perubahan kimia bersifat tetap. Contoh: perubahan kertas yang dibakar. Kertas akan berubah wujud dan bentuknya menjadi abu. Abu itu tidak dapat diubah lagi menjadi kertas dengan perlakuan apapun. c. Perubahan Biologi Perubahan biologi adalah perubahan suatu benda yang dipengaruhi oleh organisme hidup dan tidak dapat lagi kembali seperti semula. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 100 Contoh: perubahan pada buah yang membusuk. Setelah membusuk, buah tidak dapat lagi menjadi segar walaupun didinginkan atau diberi perlakuan apapun. 2. Faktor Perubahan Materi Perubahan materi dipengaruhi oleh berbagai faktor, diantaranya suhu, kelembaban, ada tidaknya kuman, dan waktu. a. Suhu Suhu mempengaruhi perubahan materi. Makin tinggi suhu, perubahan materi semakin cepat. b. kelembaban Kelembaban adalah banyak sedikitnya kandungan air pada benda. Kelembaban tinggi berarti kandungan air banyak. Kelembaban rendah berart kandungan air sedikit. c. Ada tidaknya kuman Tingkat perubahan benda juga dipengaruhi ada tidaknya kuman. Semakin banyak kuman yang ada pada materi semakin mempercepat proses perubahan pada materi itu. d. Waktu Waktu juga mempengaruhi tingkat perubahan benda. Semakin lama waktu suatu materi maka semakin cepat proses perubahan materi tersebut. 3. Faktor Perubahan Sifat Materi Perubahan sifat materi dapat disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu pembakaran, perkaratan oleh oksigen dan air, pemanasan, pembusukan, pendinginan, dan pemberian tekanan. a. Pembakaran Proses perubahan sifat materi yang tidak dapat kembali ke wujud aslinya Contoh: batang lidi yang dibakar tidak akan berubah wujud kembali menjadi batang lidi yang seutuhnya b. Perkaratan oleh oksigen dan air Perkaratan disebakan karena faktor udara dan dapat pula disebabkan oleh air yang akan mengakibatkan perubahan warna pada materi. Perubahan tersebut biasanya terjadi pada matengandung yang mengandung logam. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 101 Contoh: besi jika dibiarkan terlalu lama di tempat terbuka dan suhu yang rendah maka akan terjadi perkaratan yang ditandai dengan muncunya warna kuning kecoklatan pada materi tersebut. c. Pemanasan Pemanasan akan mengakibatkan suatu sifat materi yang semula padat dapat meleleh atau mencair. Pemanasan dapat dilakukan dengan cara memberikan suatu sumber panas seperti sinar matahari, api, belerang pada materi lain yang berbeda. Contoh: air di sungai yang terkena panas matahari akan hangat. d. Pembusukan Pembusukan dapat terjadi karena ada bakteri dan kandungan air yang berlebihan serta faktor udara yang mengakibatkan suatu materi tersebut membusuk. Contoh: buah selama 1 bulan jika di letakkan di tempat yang lembab akan mudah sekali mngaalami pembusukan. e. Pendinginan Pendinginan adalah diturunkannya suhu pada suatu materi. Contoh: ikan segar dibekukan dengan menggunakan es agar tidak mudah membusuk. f. Pemberian tekanan Pemberian tekan akan mengakibatkan sifat benda berubah. Hal ini dapat dilakukan dengan menekan benda. Contoh: plastisin dapat berubah bentuknya apabila ditekan D. Manfaat Perubahan Materi dalam Kehidupan Dalam kehidupan sehari-hari, sering kita jumpai hal-hal yang berhubungan dengan Materi dan Perubahannya, seperti: 1. Pembakaran sampah, kertas, dll. 2. Penyalaan lilin 3. Pembekuan air menjadi es 4. Pelelehan es menjadi air 5. Pelarutan gula, garam, dan lain-lain. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 102 Rangkuman ➢ Materi dapat didefinisikan sebagai sesuatu yang mepunyai massa dan menempati ruang. ➢ Macam-macam materi Zat murni adalah suatu zat asli tanpa adanya campuran (zat terlarut) dalam suatu pelarut. Terdiri dari unsur dan senyawa. Zat campuran adalah perpaduan zat tunggal yang dapat diuraikan lagi menjadi komponen penyusun melalui proses fisika yaitu dengan cara dipanaskan, penyulingan, siltrasi, dan lainnya. Terdiri dari campuran homogen dan heterogen ➢ Unsur adalah suatu zat murni dengan upaya proses kimiawi tidak dapat dipecah lagi menjadi zat yang lebih sederhana. ➢ Senyawa adalah zat murni dengan upaya proses kimiawi dapat dipecah menjadi zat yang lebih sederhana. ➢ Campuran homogen adalah campuran yang tiap bagian dari sistem mempunyai susunan yang sama. ➢ Campuran heterogen adalah campuran yang tiap bagian tidak terdiri dari bagian yang sama. ➢ Berdasarkan wujudnya materi dibagi menjadi zat padat, cair dan gas. ➢ Wujud materi tidak selalu tetap. Setiap materi yang mendapat perlakuan tertentu pasti akan berubah baik wujud maupun bentuknya. Perubahan wujud tersebut dapat berlangsung secara fisika, kimia, atau biologi. ➢ Faktor perubahan wujud materi adalah suhu, kelembaban, adanya kuman, dan waktu. ➢ Faktor perubahan sifat materi adalah pembakaran, pengkaratan, pembusukan, pendinginan, dan pemberian tekanan. UJI KOMPETENSI A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Zat berikut yang termasuk senyawa adalah.... a. Intan b. Udara d. Belerang e. Alkohol c. Perunggu Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 103 2. Zat-zat berikut merupakan campuran air kecuali.... a. Air laut b. Air jeruk c. Air suling d. Air Ledeng e. Air susu 3. Dari berbagai sifat berikut: 1. Terdiri dari berbagai zat tunggal 2. Dapat dipisahkan secara fisika 3. Mempunyai komposisi tertentu 4. Dapat diraikan melalui reaksi 5. Sifat komponenya masih nampak Yang merupakan sifat senyawa adalah.... a. 1 dan 4 d. 4 dan 5 b. 2 dan 3 e. 1 dan 5 c. 3 dan 4 4. Di antara kelompok zat berikut yang ketiga-tiganya tergolong unsur adalah... a. Besi, kapur, gula b. Tembaga, seng, nitrogen c. Karbon, natrium, urea d. Air, hidrogen, oksigen e. Aluminium, fospor, perunggu 5. Pasangan unsur yang tergolong unsur logam adalah... a. Karbon dan arsen b. Kalsium dan silikon c. Belerang dan kromium d. Perak dan magnesium e. Kalium dan fospor 6. Gula pasir yang dikotori oleh batu pasir dapat dimurnikan dengan urutan: a. Filtrasi, pelarutan, kristalisasi b. Pelarutan, kristalisasi, filtrasi c. Filtrasi, kristalisasi, pelarutan d. Pelarutan, filtrasi, kristalisasi e. Kristalisasi, pelarutan, filtrasi Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 104 7. Berikut merupakan sifat-sifat unsur: 1. Selalu berwujud padat 2. Sebagai panghantar panas dan listrik 3. Dapat dibentuk plat 4. Dapat berwujud cair, padat atau gas 5. Dapat terbakar Yang merupakan sifat logam adalah: a. 1 dan 2 b. 1 dan 3 c. 2 dan 3 d. 2 dan 5 e. 3 dan 4 8. Yang merupakan sifat senyawa asam adalah... a. Jika terionisasi menghasilkan ion OHb. Merubah warna lakmus merah menjadi biru c. Jika lakmus biru dimasukkan kedalam larutan warna biru tetap d. Tidak dapat menghantar arus listrik e. Merubah warna lakmus biru menjadi merah 9. Senyawa asam digunakan untuk mengisi accu adalah... a. Asam cuka b. Asam klorid c. Asam sulfat d. Asam sulfida e. Asam fospat 10. Gelogar jembatan agar tidak berkarat, paling tepat dilapisi dengan logam... a. Platina b. Emas c. Perak d. Kron e. Aluminium B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Dalam peristiwa berikut, manakah yang tergolong peristiwa kimia dan manakah yang tergolong peristiwa fisika! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 105 a. Merokok b. Lampu lilin menyala c. Melarutkan gula dalam air panas d. Mengaspal jalan e. Air disiramkan pada kapur sirih f. Lampu pijar menyala g. Es mencair h. Balon karet meledak i. Mercon meledak j. Membuat tape ketan k. Energi listrik dari accu l. Energi listrik dari dinamo m. Energi listrik dari bater 2. Kelompok unsur-unsur berikut menjadi unsur logam dan unsur bukan logam... a. Aluminium b. Belerang c. Karbon d. Tembaga e. Perak f. Nitrogen g. Besi h. Pospor i. Crom j. Brom k. Oksigen l. Hidrogen m. Natrium n. Platina o. Emas 3. Materi mempunyai massa dan berat. Jelaskan perbedaan kedua besaran tersebut... 4. Jelaskan cara membersihkan minyak goreng yang tercampur dengan batu pasir dan solar! 5. Jelaskan cara memperoleh air minum dari air kali yang keruh! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 106 BAB 6 MEDAN LISTRIK DAN MEDAN MAGNET A. Medan Listrik 1. Hukum Coulomb Hukum Coulomb tidak dapat terlepas dari muatan listrik. Sebelum membicarakan hukum tersebut, perhatikan gambar 6.1 berikut mengenai sebuah batang plastik yang digosok dengan kain sutera kemudian digantung menggunakan seutas benang. Jika batang plastik lain yang telah digosok dengan kain sutera didekatkan dengan batang pertama, ternyata kedua batang plastik tersebut saling menolak. Berbeda jika batang pertama didekatkan dengan batang lain yang digosok menggunakan bulu, ternyata keduanya saling tarik menarik. Sumber: http://kusumandarutp.blogspot.co.id/ Gambar 6.1 Dua batang plastik bermuatan positif akan tolak-menolak Gejala di atas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik. Benyamin Franklin (1706-1790) menamakan jenis muatan yang ada pada percobaan tersebut adalah muatan positif dan muatan negatif. Dari eksperimen tersebut dapat disimpulkan bahwa muatan sejenis akan tolak-menolak, sedangkan muatan yang beda jenis akan tarik-menarik. Setiap zat yang digosok dengan zat lain dengan kondisi-kondisi yang sesuai akan menjadi bermuatan dengan jumlah muatan tertentu. JJ.Thomson dalam percobannya menemukan elektron. Robert Andrews Millikan dalam percobaannya yang dikenal dengan percobaan tetes cairan berhasil mengukur besarnya muatan electron dan menyatakan bahwa tidak ada muatan lain yang lebih kecil daripada muatan elektron. Semua muatan selalu merupakan kelipatan bulat Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 107 muatan elektron. Kenyataan ini disebut kuantitas muatan dan muatan elektron disebut muatan elementer. Jika muatan dinyatakan dalam satuan Coulomb (C), maka besar muatan elementer adalah 1,6 x 10−19 C. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh seorang ahli Fisika Prancis, Charles Augustin Coulomb (1736-1806) disimpulkan bahwa: “Besarnya gaya tarikmenarik atau tolak-menolak antara dua benda bermuatan listrik (yang kemudian disebut gaya Coulomb) berbanding lurus dengan muatan masing-masing benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut.“ Sumber: http://dheedeos.blogspot.co.id/ Gambar 6.2 Neraca puntir alat percobaan coulomb Besarnya gaya oleh suatu muatan terhadap muatan lain telah dipelajari oleh Charles Augustin Coulomb. Peralatan yang digunakan pada eksperimennya adalah neraca puntir yang mirip dengan neraca puntir yang digunakan oleh Cavendish pada percobaan gravitasi. Bedanya, pada neraca puntir Coulomb massa benda digantikan oleh bola kecil bermuatan. Untuk memperoleh muatan yang bervariasi, Coulomb menggunakan cara induksi. Sebagai contoh, mula-mula muatan pada setiap bola adalah q0, besarnya 1 muatan tersebut dapat dikurangi hingga menjadi q0 dengan cara membumikan salah 2 satu bola agar muatan terlepas kemudian kedua bola dikontakkan kembali. Hasil eksperimen Coulomb menyangkut gaya yang dilakukan muatan titik terhadap muatan titik lainnya. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 108 Muatan sejenis akan tolak-menolak Muatan yang berlawanan akan tarik-menarik Sumber: http://xancite.com/ Gambar 6.3 Gaya pada benda muatan listrik Gaya Couloumb menyatakan bahwa muatan listrik yang sejenis tolakmenolak, sedangkan muatan listrik tak sejenis tarik-menarik seperti terlihat pada gambar di atas. Perhatikan gambar di atas yang menggambarkan dua buah benda bermuatan listrik q1 danq2terpisah pada jarak r. Apabila kedua benda bermuatan listrik yang sejenis, kedua benda tersebut akan saling tolak-menolak dengan gaya sebesar F dan jika muatan listrik pada benda berlainan jenis, akan tarik-menarik dengan gaya sebesar F. Pernyataan Charles Augustin Coulomb (1736-1806) yang kemudian dikenal dengan Hukum Coulomb yang dinyatakan dalam persamaan: 𝑞1 𝑞2 𝐹=𝑘 2 𝑟 Keterangan: F = gaya tarik-menarik atau tolak-menolak/gaya Coulomb (Newton) k = bilangan konstanta = 1 4𝜋𝜀0 = 9. 109N m2/C2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 109 q1, q2 = muatan listrik pada benda 1 dan benda 2 (Coulomb/C) r = jarak pisah antara kedua benda (m) Gaya Coulomb termasuk besaran vektor. Apabila pada sebuah benda bermuatan dipengaruhi oleh benda bermuatan listrik lebih dari satu, maka besarnya gaya Coulomb yang bekerja pada benda itu sama dengan jumlah vektor dari masingmasing gaya Coulomb yang ditimbulkan oleh masing-masing benda bermuatan tersebut. Misalnya untuk tiga buah muatan listrik. Besarnya Gaya Coulomb yang dialami oleh q3 pada F = F1 + F2 Keterangan: F1 = gaya Coulomb pada q3 akibat yang ditimbulkan oleh q1 F2 = gaya Coulomb pada q3 akibat yang ditimbulkan oleh q2 F = gaya Coulomb pada q3 akibat muatan q1 dan q2 Gaya Coulomb pada muatan q3 adalah F = F1 +F2. Karena letak ketiga muatan tidak dalam satu garis lurus, maka besarnya nilai F dihitung dengan: dengan α adalah sudut yang diapit antara F1 dan F2. 2. Medan Listrik Sebuah muatan akan mempunyai medan listrik di sekitarnya sehingga jika sebuah muatan uji diletakkan pada jarak tertentu, muatan uji tersebut akan mengalami gaya Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 110 tarik atau gaya tolak dari muatan tersebut selama muatan uji tersebut berada dalam medan listrik bermuatan. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik. Benda bermuatan listrik mempunyai garis-garis, seperti ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. Sumber: http://citraboxy.blogspot.co.id/ Gambar 6.4 Medan listrik Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan negatif garis-garis gayanya menuju pusat. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif menuju muatan negatif seperti ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. Medan listrik bermuatan negatif Sumber: http://www.myrightspot.com/ Gambar 6.5 Garis gaya listrik dari muatan positif menuju muatan negatif Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 111 Misalkan, sebuah muatan uji q diletakkan pada jarak tertentu dari muatan Q. Ternyata, muatan uji tersebut akan tertarik oleh muatan Q. Dalam hal ini muatan uji q berada di dalam medan listrik muatan Q. Kuat medan listrik didefinisaikan sebagai berikut. “Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan uji q akibat adanya muatan Q dibagi dengan besarnya muatan uji q.” Dalam bentuk matematis, definisi tersebut dituliskan dalam persamaan sebagai berikut. Kuat medan listrik = gaya coulomb/muatan uji k. E= Q. q r 2 = k. Q. q q r2 Keterangan: E = kuat medan (N/C) Q = muatan (C) r = jarak muatan uji ke muatan tertentu (m) Dari Persamaan di atas terlihat bahwa untuk mengetahui besarnya kuat medan listrik dari sebuah muatan, kita hanya memerlukan besarnya muatan tersebut serta jarak muatan uji dari muatan yang akan dicari besar medan listriknya.Terlihat bahwa semakin besar muatannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk jarak yang sama. Semakin dekat muatan uji dari suatu muatan yang akan dicari kuat medannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk muatan yang sama. 3. Arah Medan Listrik Sumber: https://gurumuda.net/medan-listrik.htm Gambar 6.6 Arah medan listrik Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 112 Pada gambar 1a, muatan listrik positif (+Q) mengerjakan gaya listrik pada muatan uji positif (+q), di mana arah gaya listrik (F) menjauhi muatan +Q. Pada gambar 1b, ketika muatan uji dihilangkan, maka pada titik tersebut terdapat medan listrik (E) yang arahnya menjauhi muatan listrik QPada gambar 2a, muatan listrik negatif (-Q) mengerjakan gaya listrik pada muatan uji positif (+q), di mana arah gaya listrik (F) mendekati muatan -Q. Pada gambar 2b, ketika muatan uji dihilangkan maka pada titik tersebut terdapat medan listrik (E) yang arahnya mendekati muatan listrik -Q. Berdasarkan gambar dan penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa arah medan listrik menjauhi muatan listrik positif dan mendekati muatan listrik negatif. 4. Gerak Partikel Bermuatan dalam Medan Listrik Misalkan sebuah partikel bermuatan bergerak di dalam sebuah medan E, bergerak dengan laju vo dalam arah yang tegak lurus medan seperti pada berikut. Medan listrik E arahnya vertikal ke bawah. Jika partikel bermuatan q memasuki medan listrik E, maka pada partikel bekerja gaya F= qE dalam arah medan (vertikal). Partikel tersebut akan mendapat percepatan ay, dengan: 𝑎𝑦 = 𝐹/𝑚 = 𝑞𝐸/𝑚 𝑦 = 𝑣𝑜𝑦 𝑡 + 1⁄2 𝑎𝑦 𝑡 2 = 1⁄2 𝑎𝑦 𝑡 2 = 𝑞𝐸 2 𝑡 2𝑚 Dalam arah horizontal partikel tidak mengalami percepatan berarti gerakanya berupa GLB. 𝑥 = 𝑣𝑜𝑥 𝑡 = 𝑣𝑜 𝑡 → 𝑡 = 𝑥⁄𝑣𝑜 Dengan demikian akan diperoleh: 𝑦= 𝑞𝐸 2 𝑥 2𝑚𝑣0 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 113 Persamaan di atas adalah persamaan parabola, dan ini berarti lintasannya adalah berbentuk parabola.Bila elektron tersebut muncul keluar dari pelat-pelat di dalam gambar di atas, maka elektron tersebut menempuh sebuah garis lurus (dengan mengabaikan gravitasi) yang menyinggung parabola pada titik keluar. 5. Hukum Gauss Pada pembahasan sebelumnya, Anda mengetahui cara menentukan kuat medan listrik akibat adanya partikel-partikel bermuatan. Bagaimanakah menentukan kuat medan listrik yang tersebar dalam suatu benda, misalnya bola? Untuk menentukan kuat medan listrik akibat distribusi muatan tertentu dipergunakan Hukum Gauss. Gauss menurunkan hukumnya berdasarkan pada konsep-konsep garis-garis medan listrik. Kita bahas terlebih dulu konsep fluks listrik. Fluks listrik didefinisikan sebagai jumlah garis-garis medan listrik yang menembus tegak lurus suatu bidang. Perhatikan medan listrik serba sama yang arahnya seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1.a Garis-garis medan menembus tegaklurus suatu bidang segiempat seluas A. Jumlah garis-garis medan per satuan luas sebanding dengan kuat medan listrik, sehingga jumlah garis medan listrik yang menembus bidang seluas A sebanding dengan EA. Hasil kali antara kuat nedan listrik tersebut dinamakan fluks listrik Φ. Φ=E×A Satuan untuk E adalah N/C, sehingga satuan untuk fluks listrik (dalam SI) adalah (N/C)(m2) yang dinamakan weber (Wb). 1 weber = 1 NC-1m2. Untuk medan listrik menembus bidang tidak tegak lurus, perhatikan gambar 6.7. Φ = EA’ Dengan A’ = A cos θ, sehingga: Φ = EA cos θ Dengan θ adalah sudut antara arah E dan arah normal bidang n. Arah normal bidang adalah arah yang tegak lurus terhadap bidang (lihat gambar 4.1.c). Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 114 Sumber: http://dhiniislamiatikarsa.blogspot.co.id/ Gambar 6.7 (a) Garis-garis medan medan antara listrik menembus bidang, (b) Garis-garis medan listrik menembus bidang dengan sudut θ, (c) θ adalah sudut antara arah medan listrik dan arah normal bidang n. Berdasarkan konsep fluks listrik ini, muncullah hukum Gauss, sebagai berikut: Jumlah garis-garis medan listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup itu dibagi dengan permitivitas udara. 𝜙 = 𝐸𝐴 𝑐𝑜𝑠𝜃 = Σ𝑞 𝜀0 dengan A=luas permukaan tertutup, θ=sudut antara E dan arah normal n, dan Σq = muatan total yang dilingkupi oleh permukaan tertutup. 6. Konduktor dalam Kesetimbangan Elektrostatis Jika konduktor pejal dalam keadaan setimbang membawa suatu muatan, maka muatan itu tinggal di permukaan luar konduktor tersebut. Medan listrik di luar konduktor tersebut tegak lurus dengan permukaannya dan medan listrik pada bagian dalamnya bernilai nol. Selanjutnya ditunjukkan bahwa pada setiap titik di permukaan konduktor bermuatan dalam keadaan setimbang memiliki potensial listrik yang sama. Dua titik A dan B pada permukaan konduktor bermuatan tersebut seperti pada gambar berikut. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 115 Sumber: http://khadijahtabrani.blogspot.co.id/ Gambar 6.8 Potensial listrik yang ditimbulkan oleh konduktor bermuatan Sepanjang lintasan yang menghubungkan kedua titik A dan B, medan E selalu tegak lurus dengan perpindahan ds; sehingga E . ds = 0. Dapat disimpulkan bahwa beda potensial antara A dan B adalah nol: 𝐵 𝑉𝐵 − 𝑉𝐴 = − ∫ 𝐸. 𝑑𝑠 = 0 𝐴 Hasil ini berlaku untuk dua titik pada permukaan konduktor. Dengan demikian, V konstan pada semua bagian permukaan konduktor bermuatan dalam keadaan setimbang. Dengan kata lain, permukaan konduktor bermuatan yang berada dalam kesetimbangan elektrostatik merupakan permukaan ekipotensial, karena medan listrik bernilai nol di dalam konduktor, sehingga dapat disimpulkan bahwa potensial listrik adalah konstan pada semua bagian konduktor dan nilainya sama dengan potensial listrik di permukaan konduktor. Karena itu pula, tidak diperlukan usaha untuk memindahkan muatan uji dari bagian dalam suatu konduktor bermuatan ke permukaannya. Tinjau sebuah bola konduktor logam yang pejal dengan jari-jari R dan memiliki muatan positif total Q. Medan listrik di luar bola tersebut adalah k Q/r2 dan mengarah radial ke luar. Potensial listrik di dalam dan di permukaan bola adalah k Q/R. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 116 Sumber: http://khadijahtabrani.blogspot.co.id/ Gambar 6.9 Potensial listrik didalam dan di permukaan bola Ketika sebuah muatan ditempatkan pada permukaan konduktor sferis, rapat muatan di permukaan adalah seragam. Akan tetapi, jika konduktor tersebut tidak sferis, maka rapat muatan permukaannya tinggi pada tempat yang radius kelengkungannya kecil, dan kerapatannya rendah pada radius kelengkungan yang besar. Karena medan listrik di luar konduktor sebandong dengan rapat muatanpermukaan, tampak bahwa medan listrik besar di sekitar titik cembung yang memiliki radius kecil dan mencapai nilai sangat tinggi pada titik-titik yang lancip. B. Medan Magnet 1. Induksi Magnetik Medan magnet merupakan medan vektor, artinya besaran yang dilukiskan medan tersebut adalah besaran vektor. Besaran vektor medan magnet ini biasanya disebut induksi magnetik dan dinyatakan dengan vektor B. Induksi magnet adalah kuat Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 117 medan magnet yang dipengaruhi oleh gaya magnet pada sebuah konduktor, konduktor mempunyai partikel yang tidak beraturan yang artinya jika sebuah konduktor ditempelkan magnet maka akan konduktor akan menarik benda-benda logam yang tergolong feromagnetik. Seperti halnya medan listrik, medan magnet dapat dilukiskan dengan garis-garis yang dinamakan garis induksi magnetik, yaitu garis yang arah garis singgung pada setiap titiknya menyatakan arah induksi magnet B di titik tersebut. Besar vektor induksi magnetik B menyatakan rapat garis induksi, yaitu banyaknya garis induksi magnet yang melalui satu satuan luas bidang yang melalui suatu luasan dinamakan fluks magnet (𝜙), sedangkan banyaknya garis induksi magnet per satuan luas dinamakan rapat fluks magnet (B). Dalam SI, satuan fluks magnet adalah Weber (W) sehingga satuan rapat fluks atau induksi magnetic B adalah weber per meter persegi atau 𝑊/𝑚2 . Satuan 𝑊/𝑚2 juga disebut Tesla (T) sehingga 1 𝑊𝑚2 = 1T. 2. Hukum Biot-Savart Hukum Biot Savart dikemukakan oleh ilmuwan dari Prancis yaitu Jean Bastiste Biot dan Felix Savart. Berdasarkan hasil eksperimennya tentang pengamatan medan magnet di suatu titik P yang dipengaruhi oleh suatu kawat penghantar dl, yang dialiri arus listrik I diperoleh kesimpulan bahwa besarnya kuat medan magnet (yang kemudian disebut induksi magnet yang diberi lambang B) di titik P. Sebuah kawat apabila dialiri oleh arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang garis-garis gayanya berupa lingkaran-lingkaran yang berada di sekitar kawat tersebut. Arah dari garis-garis gaya magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan (apabila kita menggenggam tangan kanan ibu jari sebagai arah arus listrik sedang keempat jari yang lain merupakan arah medan magnet). Keterangan: = arah arus listrik = arah medan magnet Sumber: http://muhsuinelektronika.blogspot.co.id/ Gambar 6.10 Hukum biot savart Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 118 Apabila sebuah jarum kompas ditempatkan disekitar kawat berarus (lihat gambar), maka jarum kompas akan mengarah sedemikian sehinga selalu mengikuti arah medan magnet. Sumber: http://muhsuinelektronika.blogspot.co.id/ Gambar 6.11 Hukum biot savart dan medan magnet Keterangan: = arah arus listrik = jarum kompas Kuat medan magnet di suatu titik di sekitar kawat berarus listrik disebut induksi magnet (B). Besar Induksi maget (B) oleh Biot dan Savart dinyatakan: ➢ Berbanding lurus dengan arus listrik (I) ➢ Berbanding lurus dengan panjang elemen kawat penghantar (ℓ) ➢ Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik itu ke elemen kawat penghantar ➢ Berbanding lurus dengan sinus sudut antara arah arus dan garis penghubung titik itu ke elemen kawat penghantar Secara matematis untuk menentukan besarnya medan magnet disekitar kawat berarus listrik digunakan metode kalkulus. Hukum Biot Savart tentang medan magnet disekitar kawat berarus listrik adalah: 𝑑𝐵 = 𝜇0 𝑑𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃 4𝜋 𝑟 2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 119 Sumber: http://muhsuinelektronika.blogspot.co.id/ Gambar 6.12 Medan magnet disumbu kawat melingkar berarus listrik Keterangan: dB = perubahan medan magnet dalam tesla ( T ) k = 𝜇0 /2 μo = permeabilitas ruang hampa = 4𝜋. 10−7 𝑊𝑏/𝑎𝑚𝑝. 𝑚 i = Kuat arus listrik dalam ampere ( A ) dl = perubahan elemen panjang dalam meter (m) θ = Sudut antara elemen berarus dengan jarak ke titik yang ditentukan besar medan magnetiknya r = Jarak titik P ke elemen panjang dalam meter (m) a. Induksi Magnetik oleh Kawat Lurus Berarus Besarnya medan magnet di sekitar kawat lurus panjang berarus listrik. Dipengaruhi oleh besarnya kuat arus listrik dan jarak titik tinjauan terhadap kawat. Semakin besar kuat arus semakin besar kuat medan magnetnya, semakin jauhjaraknya terhadap kawat semakin kecil kuat medan magnetnya. Sumber: http://muhsuinelektronika.blogspot.co.id/ Gambar 6.13 Medan magnet di sekitar kawat lurus panjang berarus listrik Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 120 Besar induksi magnetik di suatu titik P yang berjarak a dari kawat penghantar lurus yang sangan panjang adalah: 𝐵= 𝜇0 𝑖 2𝜋𝑎 Keterangan: B : induksi magnet pada suatu titik (Wb/m2 atau Tesla) 𝜇0 : permeabilitas ruang hampa = 4 10−7 Wb/A.m I : kuat arus (ampere) a : jarak titik kawat berarus (meter) b. Induksi Magnetik oleh Kawat Lingkaran Berarus Besar dan arah medan magnet di sumbu kawat melingkar berarus listrik dapat ditentukan dengan rumus: Sumber: http://muhsuinelektronika.blogspot.co.id/ Gambar 6.14 Medan magnet disumbu kawat melingkar berarus listrik Keterangan: Bp = Induksi magnet di P pada sumbu kawat melingkar dalam tesla ( T) I = kuat arus pada kawat dalam ampere ( A ) a = jari-jari kawat melingkar dalam meter ( m ) r = jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m ) θ = sudut antara sumbu kawat dan garis hubung P ke titik pada lingkaran kawat dalam derajad (°) x = jarak titik P ke pusat lingkaran dalam mater ( m ) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 121 Besar induksi magnetik di suatu titik P yang berada pada sumbu kawat melingkar berarus adalah: 𝐵= 𝜇0 2𝑎 Jika kawat dililitkan tipis dengan N buah lilitan, besarnya induksi magnet di pusat lingkaran adalah: 𝐵= 𝜇0 𝑖 𝑁 2𝑎 Sumber: http://muhsuinelektronika.blogspot.co.id/ Gambar 6.15 Besarnya medan magnet di pusat kawat melingkar Besarnya medan magnet di pusat kawat melingkar dapat dihitung Keterangan: B = Medan magnet dalam tesla ( T ) μo = permeabilitas ruang hampa = 4п . 10 -7 Wb/amp. m I = Kuat arus listrik dalam ampere ( A ) a = jarak titik P dari kawat dalam meter (m) r = jari-jari lingkaran yang dibuat c. Induksi Magnetik oleh Solenoida Solenoida adalah suatu lilitan atau kumparan kawat yang rapat dan terdiri atas N lilitan dengan panjang. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 122 Sumber: http://excecel.blogspot.co.id/ Gambar 6.16 Solenoida Besar induksi magnet di ujung solenoida: 𝐵= 𝜇0 𝑖 𝑁 2𝑙 Jika n = jumlah lilitan tiap satuan panjang n = N/l, maka : 𝐵= 𝜇0 𝑖 𝑛 2 Besarnya induksi magnet di pusat solenoida: 𝐵 = 𝜇0 𝑖 𝑛 d. Induksi Magnetik oleh Toroida Toroida adalah solenoida yang dilengkungkan sehingga sumbunya membentuk suatu lingkaran. Sumber: http://excecel.blogspot.co.id/ Gambar 6.17 Toroida Besar induksi magnet pada pusat toroida adalah: 𝐵= 𝜇0 𝑖 𝑁 2𝜋𝑟 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 123 3. Hukum Ampere Persamaan yang analog untuk medan magnetik yang disebut Hukum Ampere menyatakan “yang menghubungkan komponen tangeninsial B yang dijumlah pada seluruh kurva tertutup C dengan arus IC yang melintasi kurva tersebut”, dalam bentuk matematis, Hukum Ampere adalah: ∮ 𝐵. 𝑑𝑙 = 𝜇0 𝑙𝑐 𝐶 Hukum Ampere berlaku untuk sebarang kurva C asalkan arusnya kontinu, yaitu arus itu tidak berawal atau berakhir di sebarang titik. Penggunaan sederhana hukum ampere dalah untuk mencari medan magnetik dari kawat yang panjangnya tak terhingga, lurus yang menyalurkan arus.medan magnet akan menyinggung lingkaran dan memiliki besar B yang sama pada sebarang titik pada lingkaran, hukum ampere pada y demikian yaitu ∮ 𝑐 𝐵 𝑑𝑙 = 𝐵 ∮ 𝑐 𝑑𝑙 = 𝜇0 𝑙𝑐 Arus lc merupakan arus l dalam kawatdengan demikian dapat diperoleh persamaaan 𝐵(2𝜋𝑟 = 𝜇0 𝑙) 𝐵= 𝜇0 𝑙 2𝜋 𝑟 Pada medan magnetik yang digulung rapat, yang terdiri atas simpal kawat yang digulung di sekeliling acua berbentuk don’t, masing-masing menyalurkan aris untuk menghitung B dan diperlukan evaluasi integral garis ∮ 𝐵 𝑑𝑙 di sekeliling lingkaran berjari-jari r yang berpusat di pusat teroidnya, dengan sifay simetris, B menyinggung lingkaran dan besarnya konstan di setiap titik pada lingkaran. Maka: ∮ 𝐵 𝑑𝑙 = 𝐵2𝜋𝑟 = 𝜇0 𝑙𝑐 ∮ 𝐵 𝑑𝑙 = 𝐵2𝜋𝑟 = 𝜇0 𝑁𝑙 4. Gaya Magnet pada Muatan Bergerak Muatan listrik yang bergerak dalam medan magnet akan mendapat gaya, yang disebut gaya Lorentz. Salah satu pemanfaatan peristiwa ini adalah dalam alat untuk mempercepat partikel bermuatan agar mempunyai energi seperti bila dipercepat dengan beda potensial listrik sampai ribuan juta volt. Alat jenis ini yang paling sederhana disebut Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 124 siklotron. Marilah kita tinjau suatu gaya yang bekerja pada partikel bermuatan q yang bergerak dalam medan B dengan kecepatan v , seperti ditunjukkan pada Gambar berikut. Sumber: http://fisika12.blogspot.co.id/ Gambar 6.18 Besar gaya Lorentz Muatan q bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnet B. F adalah gaya pada muatan tersebut Sebuah muatan q bergerak dengan kecepatan v yang membuat sudut θ terhadap arah B. Gaya magnet yang bekerja pada muatan tersebut sebesar 𝐹 = 𝑞𝑣𝐵𝑠𝑖𝑛𝜃 atau _ _ _ 𝐹 = 𝑞𝑣 × 𝐵 a. Gerak Partikel Bermuatan dalam Medan Magnet Gerak partikel bermuatan dalam suatu medan magnet diamati menggunakan alat yang disebut siklotron. Siklotron merupakan alat yang digunakan dalam penelitian fisika nuklir untuk mempercepat partikel bermuatan, agar mempunyai energi sangat tinggi, seperti yang dihasilkan oleh beda potensial listrik puluhan atau ratusan juta volt. Alat ini menggunakan medan magnet yang tegak lurus bidang gerak partikel bermuatan yang mempunyai orbit berupa lingkaran. Perhatikan Gambar. Sumber: https://istanafisika.wordpress.com/ Gambar 6.19 Gerak partikel bermuatan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 125 Gambar di atas menunjukkan partikel bermuatan. pada partikel yang bergerak melingkar dalam bedan magnet, gaya magnet akan menuju pusat lintasan. dan jika dikaitkan dengan gerak melingkar, gaya sentripetal yang berlaku pada gerak melingkar juga menuju pusat lintasan, sehingga dapat diasumsikan bahwa F magnet = F sentripetal. Mengapa dianggap elektron bergerak melingkar? karena elektron tidak pernah menyentuh medan magnet, sehingga setiap mendekati medan magnet B, arah gerak elektron akan berbelok, kemudian mendekati kembali medan magnet B dan seterusnya Pada gambar tersebut dilukiskan suatu partikel bermuatan + q , bermassa m, bergerak dalam bidang halaman ini dengan kecepatan v. Arah rapat fluks B masuk halaman. Arah gaya haruslah tegak lurus v dan B. Karena F selalu tegak lurus v, maka partikel akan bergerak pada lingkaran. Lintasan ini disebut lintasan siklotron. Gaya F merupakan gaya sentripetal yang membuat partikel terus membelok, membentuk lintasan lingkaran. _ 𝑚𝑣 2 = 𝑞𝑣𝐵 = 𝐹 𝑅 Sehingga diperoleh lintasan partikel sebesar 𝑚𝑣 𝑅= 𝑞𝐵 b. Gaya Magnet pada Kawat Berarus Gejala ini pertama kali dikaji oleh Hans Christian Oersted. Melalui percobaan, ia berhasil mengungkap hubungan antara listrik dan magnet. Ia berhasil membuktikan bahwa penghantar yang berarus listrik dapat menghasilkan medan magnetik. Kumparan kawat berinti besi yang dialiri listrik dapat menarik besi dan baja. Hal ini menunjukkan bahwa kumparan kawat berarus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Medan magnet juga dapat ditimbulkan oleh kawat penghantar lurus yang dialiri listrik. Berdasarkan hasil percobaan tersebut terbukti bahwa arus listrik yang mengaliri dalam kawat penghantar ini menghasilkan medan magnetik, atau disekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnetik. Pada saat arus listrik yang mengalir dalam penghantar diperbesar, ternyata kutub utara jarum kompas menyimpang lebih jauh. Hal ini berarti semakin besar arus listrik yang digunakan semakin besar medan magnetik yang dihasilkan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 126 Sumber: http://mafia.mafiaol.com/ Gambar 6.20 Arah penyimpangan jarum kompas Arah medan magnetik di sekitar kawat penghantar lurus berarus listrik dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Jika arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik (I), maka arah keempat jari yang lain menunjukkan arah medan magnetik (B). Kaidah tangan kanan ini juga dapat digunakan untuk menemukan arah medan magnetik pada penghantar berbentuk lingkaran yang dialiri listrik. Sumber: http://rumushitung.com/ Gambar 6.21 Kaidah tangan kanan Untuk mengetahui letak kutub utara dan kutub selatan yang terbentuk pada kumparan berarus listrik, dapat dilakukan dengan cara: 1. Perhatikan arah listrik yang mengalir pada kumparan. 2. Ujung kumparan yang pertama kali mendapat arus listrik dijadikan sebagai pedoman untuk menentukan letak kutub-kutub magnet. 3. Kemudian, genggam ujung kumparan yang pertama kali teraliri arus listrik dengan posisi jari tangan kanan sesuai dengan letak kawan pada inti besi. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 127 Sumber: https://artikelnesia.com/ Gambar 6.22 Kaidah tangan kanan 4. Apabila kawat itu berada di depan inti besi, letakkan telapak tangan menghadap ke depan, kemudian genggam kumparan yang berinti besi. 5. Letak kutub utara magnet ditunjukkan oleh arah ibu jari, sedangkan arah sebaliknya menunjukkan kutub selatan. 6. Jika kawat penghantar yang pertama kali teraliri arus listrik berada di belakang inti besi, maka hadapkan telapak tangan ke belakang, kemudian genggam kumparan kawat itu. 7. Dengan cara yang sama kita dapat juga menentukan letak kutub utara, dan kutub selatan magnet. Ternyata penghantar berarus listrik yang ditempatkan dalam medan magnet juga mengalami gaya magnet. Hal ini ditemukan pertama kali oleh Hendrik Antoon Lorentz. Gaya Lorentz terjadi apabila kawat penghantar berarus listrik berada di dalam medan magnetik. Besar gaya Lorentz bergantung pada besar medan magnetik, panjang penghantar, dan besar arus listrik yang mengalir dalam kawat penghantar. Untuk arah aliran arus listrik tegak lurus terhadap arah medan magnet, gaya Lorentz dapat dinyatakan dengan: F=BxIxl Keterangan: F = gaya Lorentz pada kawat (N) B = medan magnet (Tesla) I = arus listrik (A) l = panjang kawat (m) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 128 c. Prinsip Kerja Galvanometer Dalam dunia kelistrikan, Galvanometer sejenis dengan ammeter / amperemeter dan merupakan suatu alat yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur arus yang melalui suatu cabang. Kebanyakan galvanometer menggunakan prinsip momen yang berlaku pada kumparan di dalam medan magnet. Galvanometer akan menghasilkan perputaran jarum penunjuk sebagai hasil dari arus listrik yang mengalir melalui lilitannya. Sumber: https://satriaskyterror.wordpress.com/ Gambar 6.23 Bentuk galvanometer Pada mulanya bentuk galvanometer seperti alat yang dipakai Oersted yaitu jarum kompas yang diletakkan dibawah kawat yang dialiri arus yang akan diukur. Kawat dan jarum diantara keduanya mengarah utara-selatan apabila tidak ada arus di dalam kawat. Akibat adanya arus listrik yang mengalir melalui kawat akan tercipta medan magnet sehingga arah jarum magnet di dekat kawat akan bergeser arah jarum magnetnya. Kepekaan galvanometer semacam ini bertambah apabila kawat itu dililitkan menjadi kumparan dalam bidang vertical dengan jarum kompas ditengahnya. Dan instrument semacam ini dibuat oleh Lord Kelvin pada tahun 1890, yang tingkat kepekaanya jarang sekali dilampaui oleh alat-alat yang ada pada saat ini. Galvanometer selalu berorientasi sehingga letak kumparan selalu paralel dengan garis magnetik meridian lokal, yang tak lain adalah komponen horisontal BH dari medan magnetik bumi. Saat arus mengalir melalui kumparan galvanometer, medan magnet lain (B) tercipta dan posisinya tegak lurus dengan kumparan. Kekuatan medan magnetnya dirumuskan sebagai: 𝐵= 𝜇0 𝑛𝑙 2𝑟 Keterangan: - I adalah arus dalam satuan ampere, - n adalah jumlah lilitan kumparan - r adalah jari-jari kumparan. Kedua medan magnet yang saling tegak lurus akan menghasilkan resultan secara vektor dan jarum penunjuk akan menunjuk arah resultan kedua vektor tersebut dengan sudut: 𝜃 = 𝑡𝑎𝑛−1 𝐵 𝐵𝐻 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 129 Dari hokum tangen, 𝐵 = 𝐵𝐻 𝑡𝑎𝑛𝜃, dengan kata lain 𝜇0 𝑛𝐼 = 𝐵𝐻 𝑡𝑎𝑛𝜃 2𝑟 atau 𝐼 = ( 2𝑟𝐵𝐻 𝜇0 𝑛 ) 𝑡𝑎𝑛𝜃 atau 𝐼 = 𝐾 𝑡𝑎𝑛𝜃, dimana K disebut sebagai factor reduksi dari tangen galvanometer. Salah satu masalah dengan tangen galvanometer adalah resolusi degradasinya berada pada arus tinggi dan arus rendah (coba lihat grafik tangen). Resolusi maksimum didapatkan saat θ bernilai 45°. Saat nilai θ dekat dengan 0° atau 90°, perubahan prosentase signikikan di aliran arus akan mengakibatkan jarum bergerak beberapa derajat. Uji Kompetensi A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Jarak dua muatan A dan B adalah 3 meter. Titik O berada di antara kedua muatan berjarak 2 meter dari muatan B. qA = –300 μC dan qB = 600 μC. k = 9 × 109 N m2 C– 2 . Kuat medan listrik di titik O pengaruh muatan qA dan qBadalah… A. 9 × 105 N/C D. 60 × 105 N/C B. 18 × 105 N/C E. 81 × 105 N/C C. 52 × 105 N/C 2. Dua buah muatan masing-masing q1 = -20 μC dan q2 = –40 μC. Bila pada titik P yang berjarak 20 cm dari q2 resultan kuat medan listrik bernilai nol maka nilai x adalah… A. 11 cm D. 14 cm B. 12 cm E. 15 cm C. 13 cm 3. Perhatikan gambar berikut. Kuat medan listrik dititik C sebesar ... (k = 109 Nm2/C2) A. 5,0 . 109 N/C B. 2,3 . 1010 N/C D. 3,1 . 1010 N/C E. 4,0 . 1010 N/C C. 2,7 . 1010 N/C Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 130 4. Dua muatan listrik tepisah seperti gambar. Titik C berada diantara kedua muatan berjarak 10 cm dari muatan A. Jika qA = 2 µC dan qB = – 4 µC dan k = 9 . 109 Nm2/C2, maka besar kuat medan listrik dititik C akibat pengaruh kedua muatan adalah... A. 9 . 105 N/C D. 36 . 105 N/C B. 18 . 105 N/C E. 45 . 105 N/C C. 27 . 105 N/C 5. Dua partikel P dan Q terpisah pada jarak 9 cm seperti gambar. Letak titik yang kuat medannya nol adalah..... A. 3 cm di kanan P D. 4 cm di kanan P B. 6 cm di kanan P E. 4 cm di kiri P C. 3 cm di kiri P 6. Dua muatan titik +8 µC dan 50 µC terpisah pada jarak 14 cm seperti tergambar. Letak titik yang kuat medan listriknya nol adalah di posisi:\ A. 4 cm disebelah kiri muatan +8µC B. 5 cm di sebelah kanan muatan 8 µC C. di tengah-tengah garis hubung muatan D. 5 cm di sebelah kiri muatan +8 µC E. 4 cm sebelah kanan muatan +8 µC Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 131 7. Perhatikan gambar! Suatu penghantar dialiri arus listrik I = 9 A. Jika jari-jari kelengkungan R = 2π cm dan µ0 = 4π . 10-7 Wb/A.m maka besar induksi magnetik dititik P adalah... A. 3 . 10-5 T B. 5 . 10-5 T C. 9 . 10-5 T D. 12 . 10-5 T E. 15 . 10-5 T 8. Sebuah muatan positif bergerak memotong medan magnet homogen secara tegak lurus. Gambar yang benar tentang arah gaya magnet, kecepatan dan medan magnet adalah... A. B. C. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 132 D. E. 9. Sebuah kawat lurus dialiri arus listrik 5 A seperti gambar (µ0 = 4π . 10-7 Wb/A.m) Besar dan arah induksi magnetik di titik P adalah... A. 4 . 10-5 T ke kanan B. 4 . 10-5 T ke kiri C. 5 . 10-5 T tegak lurus menuju bidang kertas D. 5 . 10-5 T tegak lurus menjauhi bidang kertas E. 9 . 10-5 T tegak lurus menjauhi bidang kertas 10. Perhatikan gambar kawat yang dialiri arus berikut. Besar induksi magnetik di titik P adalah..( µ0 = 4π . 10-7 Wb/A.m) A. 0,5π . 10-5 T B. π . 10-5 T C. 1,5π . 10-5 T D. 2,0π . 10-5 T E. 3,0π . 10-5 T Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 133 B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Titik A berada pada jarak 5 cm dari muatan +10 mikro Coulomb. Berapa besar dan arah medan listrik pada titik A? (k = 9 x 109 Nm2C−2, 1 mikro Coulomb = 10−6 C) 2. Jarak antara titik P dan muatan -20 mikro Coulomb adalah 10 cm. Berapa kuat medan listrik dan arah medan listrik pada titik P? 3. Dua muatan listrik terpisah sejauh 40 cm. Berapakah kuat medan listrik dan arah medan listrik pada titik yang terletak di tengah-tengah kedua muatan tersebut? 4. Terletak pada titik yang berjarak berapakah kuat medan listrik=nol? 5. Sebuah muatan 200 coulumb berada pada jarak 10 m terhadap muatan 20 coulumb yang lain. Hitunglah medan listrik pada muatan 200 coulumb tersebut! 6. Seutas kawat dialiri arus listrik i = 2 A seperti gambar berikut ! Tentukan: a) Kuat medan magnet di titik P b) Arah medan magnet di titik P c) Kuat medan magnet di titik Q d) Arah medan magnet di titik Q 7. Perhatikan gambar berikut ini! Tentukan besar dan arah kuat medan magnet di titik P ! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 134 8. Kawat A dan B terpisah sejauh 1 m dan dialiri arus listrik berturut-turut 1 A dan 2 A dengan arah seperti ditunjukkan gambar di bawah. Tentukan letak titik C dimana kuat medan magnetnya adalah NOL! 9. Tiga buah kawat dengan nilai dan arah arus seperti ditunjukkan gambar berikut! Tentukan besar dan arah kuat medan magnet di titik P yang berjarak 1 meter dari kawat ketiga! 10. Perhatikan gambar berikut. Kawat A dan B dialiri arus listrik I1 dan I2 masingmasing sebesar 2 A dan 3 A dengan arah keluar bidang baca. Tentukan besar dan arah kuat medan magnet di titik C yang membentuk segitiga sama sisi dengan titik A dan B! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 135 BAB 7 POTENSIAL LISTRIK & LISTRIK SEARAH A. Potensial Listrik Potensial listrik didefinisikan sebagai energy potensial listrik per satuan muatan listrik. Misalkan ketika berada pada titik a, muatan q mempunyai energi potensial listrik sebesar EPa , maka potensial listrik pada titik a dirumuskan sebagai berikut: 𝑉𝑎 = 𝐸𝑃𝑎 𝑞 Keterangan: V = potensial listrik EP = energi potensial listrik q = muatan listrik. Potensial listrik tidak hanya ada di titik a tetapi juga pada semua titik dalam medan listrik. Titik a digunakan sebagai contoh. Sebagaimana akan dijelaskan kemudian, potensial listrik tidak bergantung pada muatan q.Energi potensial listrik dan muatan listrik merupakan besaran skalar sehingga potensial listrik juga termasuk besaran skalar. Satuan system internasional energi potensial listrik adalah Joule dan satuan sistem internasional muatan listrik adalah Coulomb, sehingga satuan sistem internasional potensial listrik adalah Joule per Coulomb (J/C). Nama lain J/C adalah Volt, berasal dari nama ilmuwan Italia dan penemu baterai listrik, Alessandro Volta (1745-1827). 1. Beda Potensial Potensial listrik di suatu titik misalnya potensial listrik di titik a yakni EPa, tidak dapat diketahui nilainya karena yang bermakna adalah perubahan potensial listrik. Perubahan potensial listrik dapat diketahui nilainya baik melalui perhitungan maupun pengukuran. Potensial listrik berubah ketika muatan q bergerak dari satu titik ke titik lainnya. Misalkan muatan q bergerak dari titik a ke titik b maka perubahan potensial listrik adalah: 𝑉𝑎 − 𝑉𝑏 = 𝐸𝑃𝑎 𝐸𝑃𝑏 𝐸𝑃𝑎 − 𝐸𝑃𝑏 − = 𝑞 𝑞 𝑞 𝑉𝑎𝑏 = ∆𝐸𝑃 𝑊𝑎𝑏 = 𝑞 𝑞 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 136 Vab adalah beda potensial listrik antara dua titik dalam medan listrik, misalnya titik a dan b. Beda potensial listrik antara titik a dan b (Vab) sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan listrik ketika bergerak dari titik a ke titik b, per satuan muatan (Wab/q). Perlu diketahui bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan q ketika bergerak dari titik a ke titik b (Wab) sama dengan perubahan energi potensial listrik muatan q (ΔEP). Karenanya pada persamaan di atas ΔEP bisa diganti dengan Wab. Ketika suatu benda berada pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah maka benda itu mempunyai energi potensial gravitasi, di mana permukaan tanah digunakan sebagai titik acuan. Dalam hal ini ketinggian permukaan tanah dan energi potensial gravitasi tepat di permukaan tanah ditetapkan bernilai nol. Serupa dengan energi potensial gravitasi, ketika kita menyatakan suatu titik mempunyai potensial listrik tertentu maka harus adalah titik lain yang digunakan sebagai titik acuan, mengingat hanya perbedaan potensial listrik yang dapat dihitung nilainya. Biasanya tanah (ground) atau konduktor listrik yang dihubungkan ke tanah dipilih sebagai titik acuan, di mana potensial listrik pada konduktor itu atau potensial listrik di dalam tanah, ditetapkan bernilai nol. Jadi apabila suatu titik mempunyai potensial listrik senilai 12 Volt maka beda potensial listrik antara titik tersebut dengan tanah adalah 12 Volt. Pada baterai 6 Volt, beda potensial listrik antara terminal positif dengan terminal negatif adalah 6 Volt. Karena satuan beda potensial listrik adalah Volt maka beda potensial listrik di antara dua titik biasanya disebut sebagai tegangan listrik (voltage). Persamaan beda potensial listrik di atas dapat ditulis lagi seperti di bawah ini: 𝑉𝑎𝑏 = ∆𝐸𝑃 𝑞 ∆𝐸𝑃 = 𝑞𝑉𝑎𝑏 Apabila muatan q melewati beda potensial listrik Vab maka energi potensialnya berubah sebesar ΔEP. Misalnya muatan 2 Coulomb melewati beda potensial listrik sebesar 12 Volt maka energi potensial listriknya berubah sebesar (2 C)(12 V) = 24 Joule. Demikian juga bila muatan 4 Coulomb melewati beda potensial listrik sebesar 24 Volt maka energi potensial listriknya berubah sebesar (4 C)(24 V) = 96 Joule. Jadi perubahan energi potensial listrik (ΔEP) sebanding dengan muatan (q) dan tegangan listrik (Vab). Semakin besar muatan listrik dan/atau tegangan listrik, semakin besar perubahan energi potensial listrik. Energi potensial berkaitan dengan kemampuan melakukan usaha sehingga jika perubahan energi potensial listrik besar maka kemampuan melakukan usaha juga besar. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 137 Persamaan beda potensial listrik di atas masih bersifat umum. Untuk mendapatkan persamaan potensial listrik yang lebih detail maka tinjau beda potensial listrik di dalam medan listrik homogen dan beda potensial listrik yang ditimbulkan oleh sebuah muatan tunggal. a. Potensial Listrik Dalam Medan Listrik Homogen Beda potensial listrik antara dua titik di dalam medan listrik homogen, misalnya titik a dan titik b, dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah: 𝑊𝑎𝑏 ∆𝐸𝑃 𝐹𝑠 𝑞𝐸𝑠 = = = 𝑞 𝑞 𝑞 𝑞 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑏 = 𝐸𝑠 Keterangan: Vab = beda potensial listrik antara dua titik, b. E = medan listrik dan s = jarak antara dua titik. Potensial Listrik yang Ditimbulkan Oleh Muatan Tunggal Potensial listrik pada suatu titik akibat adanya muatan tunggal yang menghasilkan medan listrik, dapat dihitung menggunakan persamaan: 𝑉𝑎𝑏 = 𝑊𝑎𝑏 ∆𝐸𝑃 𝐹𝑠 𝐹𝑟 = = = 𝑞 𝑞 𝑞 𝑞 𝑉𝑎𝑏 = 𝑘𝑄𝑞 𝑟 𝑟2 𝑞 𝑣𝑎𝑏 = 𝑘𝑄 𝑟 Keterangan: Vab = beda potensial listrik antara dua titik k = konstanta Coulomb Q = muatan tunggal yang menimbulkan medan listrik r = jarak antara muatan Q dan titik di mana potensial listrik dihitung c. Hubungan Antara Medan Listrik dan Potensial Listrik Medan listrik merupakan besaran vektor sedangkan potensial listrik merupakan besaran skalar. Besaran vektor melibatkan arah sehingga lebih sulit dihitung dibandingkan dengan menghitung besaran skalar. Untuk mempermudah perhitungan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 138 medan listrik, maka digunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara medan listrik dengan potensial listrik. Persamaan beda potensial yang telah dijelaskan sebelumnya ditulis kembali seperti di bawah: 𝑉𝑎𝑏 = 𝑊𝑎𝑏 𝑞 𝑊𝑎𝑏 = 𝑞𝑉𝑎𝑏 Secara matematis, usaha merupakan hasil kali gaya dengan perpindahan, di mana gaya merupakan hasil kali muatan dan medan listrik. Hubungan antara usaha, gaya dan perpindahan dinyatakan melalui persamaan di bawah: 𝑊𝑎𝑏 = 𝐹𝑠 = 𝑞𝐸𝑑 Jika kedua persamaan di atas disatukan maka dihasilkan persamaan baru seperti di bawah: 𝑊𝑎𝑏 = 𝑊𝑎𝑏 𝑞𝑉𝑎𝑏 = 𝑞𝐸𝑑 𝑉𝑎𝑏 = 𝐸𝑑 𝐸 = 𝑉𝑎𝑏 /𝑑 Keterangan: E = Medan listrik, Vab = beda potensial listrik antara dua titik misalnya titik a dan b, d = jarak antara dua titik. Satuan beda potensial adalah Volt dan satuan jarak adalah meter sehingga medan listrik dapat dinyatakan dalam satuan Volt per meter (V/m). Persamaan ini dapat digunakan untuk menentukan medan listrik (homogen) jika diketahui beda potensial antara dua titik dan jarak antara kedua titik. Berdasarkan persamaan, medan listrik sebanding dengan potensial listrik dan berbanding terbalik dengan jarak. Ini artinya semakin besar potensial listrik maka semakin besar medan listrik dan semakin besar jarak maka semakin kecil medan listrik. 2. Kapasitansi Kapasitansi adalah jumlah elektron yang dapat disimpan dibawah tekanan yang diberikan oleh listrik (tegangan/voltase). Sifat kapasitansi dalam elektronika ditunjukkan oleh kapasitor. Kapasitor terbagi menjadi dua: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 139 1) Kapasitor Keping Sejajar Kapasitor yang biasa digunakan adalah kapasitor keping sejajar yang menggunakan dua keping konduktor sejajar. Dalam praktek, keping ini dapat berupa lapisan-lapisan logam yang tipis, yang terpisah dan terisolasi satu sama lain dengan suatu tumpukan kertas. Tumpukan kertas tersebut dapat digulung untuk menghemat ruang. Ketika keping-keping terhubung pada piranti yang bermuatan. Contohnya baterai, muatan dipindahkan dari satu konduktor kekonduktor lainnya sampai perbedaan potensial antara konduktor-konduktor, akibat muatan-muatan yang sama dan berlawanan tanda yang memiliki konduktor-konduktor tersebut, sama dengan beda potensial antara ujung-ujung baterai. Jumlah muatan bergantung pada perbedaan potensial dan pada geometri dari kapsitor. Contohnya pada luas dan jarak antara keping pada kapasitor keping sejajar. Misalkan Q adalah besar muatan pada tiap keping dan V adalah perbedaan potensial antara keping-keping. Ketika kami mengatakan muatan pada suatu kapasitor berarti besar muatan pada setiap keping. Rasio Q/V disebut C. Q 𝐶= V Kapasitansi adalah suatu ukuran dari kapasitas penyimpanan muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu. Satuan SI dari kapasitansi adalah Coulomb per volt, yang sering disebut Farad.Kapasitansi dari kapasitor keping sejajar adalah: 𝐶 = 𝑄/𝑉 = 𝜀0 𝐴 2) Kapasitor Silinder Kapasitor silinder terdiri dari suatu konduktor silinder kecil atau kabel dengan jari-jari a dan suatu lapisan konduktor berbentuk silinder konsentrik dengan jari-jari b yang lebih besar dari a. Kabel koaksial, seperti yang digunakan pada televisi dapat dikategorikan sebagai kapasitor silinder. Kapasitansi pada persatuan panjang dari suatu kabel koaksi penting dalam penentuan karakteristik transmisi kabel. Kapasitansi adalah: 𝐶= 𝑄 2𝜋𝜀0 𝐿 = 𝑉 ln(𝑏𝑙𝑎) Dengan demikian kapasitansi sebanding dengan panjang konduktor. Semakin panjang konduktor yang digunakan, semakin besar jumlah muatan yang dapat ditampung oleh konduktor tersebut untuk suatu perbedaan potensial.Hal ini disebabkan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 140 medan listrik dan perbedaan potensial hanya bergantung pada muatan per satuan panjang. 3) Rangkaian Kapasitor a) Rangkaian Seri Dua kapasitor atau lebih dapat disusun secara seri dengan ujungnya yang disambungsambungkan secara berurutan seperti pada gambar di bawah ini: Sumber: http://www.nafiun.com/ Gambar 7.1 Kapasitor Seri Pada rangkaian seri ini muatan yang tersimpan pada kapasitor akan sama , jadi Q Total sama dengan muatan di kapasitor 1, kapasitor 2 dan kapasitor 3, akibatnya beda potensial tiap kapasitor akan berbanding terbalik dengan kapasitas kapasitornya, sesuai dengan persamaan Q = C V. Pada rangkaian seri beda potensial= tegangan sumber=tegangan total E=V tot, akan terbagi menjadi tiga bagian. Dari penjelasan ini dapat disimpulkan sifat-sifat yang dimiliki rangkaian seri sebagai berikut: a. Q total = Q1 = Q2 = Q3 b. E= Vtot = V1 + V2 + V3 c. 1/Cs = 1/C2 + 1/C2 + 1/C3 b) Rangkaian Paralel Rangkaian paralel adalah gabungan dua kapasitor atau lebih dengan kutub-kutub yang sama menyatu seperti gambar di bawah ini: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 141 Sumber: https://www.google.co.id/ Gambar 7.2 Kapasitor Paralel Pada rangkaian ini beda potensial ujung-ujung kapasitor akan sama karena posisinya sama. Akibatnya muatan yang tersimpan sebanding dengan kapasitornya. Muatan total yang tersimpan sama dengan jumlah totalnya. Dari keteranganya dapat disimpulkan sifat-sifat yang dimiliki paralel sebagai berikut: d. a. Q total = Q1 + Q2 + Q3 b. E = Vtotal = V1 = V2 = V3 c. Cp = C1 + C2 + C3 Energi Kapasitor Misalkan kita memiliki dua pelat logam paralel diatur dalam jarak d dari satu sama lain. Kita menempatkan muatan positif pada salah satu pelat dan muatan negatif di sisi lain. Dalam konfigurasi ini, akan ada medan listrik seragam diantara mereka. Besarnya kuat medan bidang ini diberikan oleh: E=V/d di mana V adalah perbedaan potensial (tegangan) antara dua pelat. Jumlah muatan, Q, yang dihasilkan oleh masing-masing lempeng diberikan oleh: Q = C.V dimana V adalah perbedaan tegangan antara pelat dan C adalah kapasitansi dari konfigurasi pelat. Kapasitansi dapat dianggap sebagai kemampuan yang dimiliki perangkat untuk menyimpan muatan. Dalam kasus plat paralel kapasitansi diberikan oleh 𝐶= 𝜀0 𝐴 𝑑 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 142 dimana A adalah luas pelat, d adalah jarak antara pelat, dan εo adalah permitivitas ruang hampa yang nilainya 8,84 .10-12 C / V.m. Energi yang tersimpan dalam kapasitor sebesar: W = ½ CV2 B. Dielektrik Dielektrik adalah suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik ini dapat berwujud padat, cair dan gas. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di dalamnya tidak mengalami pergerakan sehingga tidak akan timbul arus seperti bahan konduktor ataupun semikonduktor, tetapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya yang mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Pengutuban tersebut menyebabkan muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedangkan muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif medan listrik). Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun. Sifat inilah yang menyebabkan bahan dielektrik itu merupakan isolator yang baik. Meskipun isolator juga memiliki konduksi listrik yang rendah, namun istilah “dielektrik” biasanya digunakan untuk bahan-bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif adalah sebuah konstanta yang melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta ini merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap ruang hampa, yang dapat ditulis secara matematis: 𝜀𝑟 = 𝜀𝑠 𝜀0 dimana εs merupakan permitivitas statis dari bahan tersebut, dan ε0 adalah permitivitas ruang hampa. Permitivitas ruang hampa diturunkan dari persamaan Maxwell dengan menghubungkan intensitas medan listrik E dengan kerapatan fluks listrik D. Pada ruang hampa, permitivitas ε sama dengan ε0, sehingga konstanta dielektriknya adalah 1. Permitivitas relatif dari sebuah medium berhubungan dengan kerentanan (susceptibility) listriknya (χe) melalui persamaan: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 143 εr = 1 + χe Karena sifatnya yang sangat sulit menghantarkan listrik, maka bahan dielektrik ini identik dengan bahan-bahan selain konduktor dan semikonduktor, yaitu isolator. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator diantara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Bahan dielektrik ada dua jenis, yakni polar dan non-polar. Molekul dielektrik polar berarti bahwa molekul dielektrik tersebut dalam keadaan tanpa medan listrik, antara elektron dan intinya telah membentuk dipol. Sedangkan molekul non-polar ketika tidak ada medan listrik antara elektron dan inti tidak tampak sebagai dua muatan terpisah. Dielektrik molekul polar maupun non polar bila diletakkan dalam medan listrik akan mengalami polarisasi. Bagian permukaan dielektrik yang terpolarisasi terdapat muatan-muatan negatip disatu permukaan dan muatan positif di permukaan lain. Muatanmuatan ini bukan muatan bebas, tetapi masing-masing terikat pada molekul yang terletak didekat permukaan, dan selebihnya dielektik bermuatan total nol. Dielektrik sebagai salah satu bahan listrik mempunyai beberapa sifat-sifat kelistrikan. Adapun fungsi yang paling penting dari suatu bahan dielektrik adalah: 1. Untuk mengisolasi antara satu penghantar dengan penghantar lainnya. 2. Menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasinya. 3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia. Tekanan yang diakibatkan oleh medan elektrik, gaya mekanik, thermal maupun kimia dapat terjadi secara serentak. Dengan kata lain, suatu bahan dielektrik dapat dikatakan ekonomis jika bahan dielektrik tersebut dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama dengan menahan semua tekanan tersebut diatas. 4. Perluasan Hukum Gauss Pada materi hukum Coulomb telah dipelajari gaya antar muatan listrik. Dalam ulasan mengenai medan listrik telah dibahas bentuk lain dari hukum Coulomb yang dinyatakan melalui persamaan F = q E, di mana F adalah gaya listrik, q adalah muatan listrik dan E adalah medan listrik. Dapat dikatakan bahwa hukum Coulomb merupakan hukum fisika yang menjelaskan hubungan antara muatan listrik (q) dengan medan listrik (E). Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 144 Sumber: https://gurumuda.net/ Gambar 7.3 Hukum gauss Hukum Gauss merupakan hukum fisika lainnya yang menjelaskan keterkaitan antara muatan listrik dengan medan listrik. Hukum Gauss dirumuskan oleh Carl Friedrich Gauss (1777-1855), fisikawan teoritis dan matematikawan berkebangsaan Jerman. Medan listrik yang ditimbulkan oleh satu atau beberapa muatan listrik dapat dihitung dengan mudah menggunakan hukum Coulomb, tetapi perhitungan menjadi lebih rumit jika yang ditentukan adalah medan listrik yang dihasilkan oleh suatu distribusi muatan listrik. Hukum Gauss menyediakan cara yang lebih mudah untuk menentukan medan listrik yang dihasilkan oleh suatu distribusi muatan listrik. Selain itu, jika diketahui medan listrik, maka Hukum Gauss dapat digunakan untuk menentukan distribusi muatan listrik yang menghasilkan medan listrik tersebut. Berikut ini diulas konsep dan rumus Hukum Gauss.Tinjau sebuah muatan listrik positif yang berada di pusat bola sebagaimana tampak pada gambar di samping. Apabila jari-jari bola adalah R maka kuat medan listrik yang dihasilkan muatan tersebut di seluruh permukaan bola adalah E = k Q / R2 dan luas permukaan bola adalah A = 4 π R2. Untuk memvisualisasikan medan listrik maka digambarkan garis-garis medan listrik tetapi pada gambar hanya diwakili empat garis medan listrik. Muatan listrik positif karenanya garis-garis medan listrik digambarkan keluar dari pusat bola di mana muatan listrik berada dan masing-masing garis medan listrik tegak lurus dengan permukaan bola yang dilewatinya. Semakin jauh dari muatan listrik, medan listrik semakin kecil sehingga jarak antara garis-garis medan listrik juga semakin jauh. Fluks listrik yang menembus permukaan bola dihitung menggunakan rumus berikut: ϕ = 𝐸𝐴 𝜙= 𝑘𝑄 (4𝜋𝑅2 ) 𝑅2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 145 𝜙 = 𝑘4𝜋𝑄 𝜙= 1 4𝜋𝑄 4𝜋𝜀0 𝜙= 𝑄 𝜀0 Keterangan: Φ = fluks listrik, Q = muatan listrik, k = 9 x 109 N m2/C2, εo(permitivitas ruang hampa) = 8,85 x 10-12 C2/N m2, π = 3,14. Berdasarkan persamaan ini disimpulkan fluks listrik (Φ) yang melewati suatu permukaan berbentuk bola, sebanding dengan jumlah muatan listrik (Q) di dalamnya dan tidak bergantung pada jari-jari bola (R). Sumber : https://www.google.co.id/ Gambar 7.4 Sebuah muatan Q di dalam empat permukaan tertutup Gambar di atas menunjukkan empat permukaan tertutup yang di dalamnya terdapat sebuah muatan listrik Q. Permukaan pertama berbentuk bola sedangkan permukaan lainnya mempunyai bentuk tak beraturan. Muatan listrik positif sehingga garis-garis medan listrik yang diwakili empat tanda panah digambarkan keluar dari muatan tersebut. Keempat garis medan listrik melewati permukaan berbentuk bola dan permukaan lainnya yang mempunyai bentuk tak beraturan. Pada ulasan mengenai fluks listrik dinyatakan bahwa fluks listrik merupakan garis-garis Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 146 medan listrik yang menembus suatu luas permukaan tertentu. Garis medan listrik yang menembus keempat permukaan sama sehingga fluks listrik pada keempat permukaan mempunyai nilai yang sama. Fluks listrik yang menembus permukaan berbentuk bola setara dengan Φ = Q/εo, sehingga fluks listrik yang menembus permukaan lain yang bentuknya tak beraturan juga mempunyai nilai yang sama yakni Φ = Q/εo. Berdasarkan penjelasan ini dapat disimpulkan bahwa fluks listrik yang menembus suatu permukaan tertutup yang di dalamnya terdapat muatan listrik, tidak bergantung pada bentuk permukaan tersebut dan besarnya adalah Φ = 4 π k Q = Q/εo. Sumber:http://www.google.co.id/ Gambar 7.5 Dua muatan listrik dalam permukaan tertutup Gambar di atas menunjukkan dua muatan listrik yang berada di dalam permukaan tertutup. Muatan Q1 dan Q2 positif sehingga jika digambarkan maka masing-masing muatan mempunyai garis medan listrik yang menembus keluar dari dalam permukaan tersebut. Fluks listrik total adalah jumlah total garis-garis medan listrik yang menembus keluar dari permukaan tertutup. Karena garis-garis medan listrik dari muatan Q1 setara dengan fluks listrik senilai Φ = Q1/εo dan garis-garis medan listrik dari muatan Q2 setara dengan fluks listrik senilai Φ = Q2/εo maka jumlah total garis-garis medan listrik sama dengan Q1/εo + Q2/εo = 1/εo (Q1 + Q2). Berdasarkan penjelasan ini dapat disimpulkan bahwa fluks listrik total adalah 1/εo kali muatan listrik total dalam permukaan tertutup tersebut. Pernyataan ini merupakan hukum Gauss. Secara matematis: Φtotal = 1/εo (Qtotal) ———- Persamaan hukum Gauss Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 147 Q total adalah jumlah total muatan listrik yang berada di dalam permukaan tertutup. Jika ada muatan listrik di luar permukaan tertutup maka muatan tersebut tidak diperhitungkan karena fluks listrik yang dihasilkannya bernilai nol. Fluks listriknya bernilai nol karena garis-garis medan listrik yang berasal dari muatan tersebut, menembus masuk ke dalam permukaan tertutup lalu keluar lagi sehingga resultan fluks bernilai nol. Permukaan tertutup pada hukum Gauss merupakan permukaan khayal yang dihadirkan untuk menghitung fluks listrik yang ditimbulkan oleh muatan listrik. Dengan kata lain, muatan-muatan listrik tidak harus berada di dalam suatu permukaan tertutup nyata. Hukum Gauss dapat digunakan untuk menentukan medan listrik jika distribusi muatan listrik diketahui atau dapat juga digunakan untuk menentukan distribusi muatan listrik apabila medan listrik diketahui. C. Arus Listrik Searah 1. Arus Listrik dan Tahanan Listrik 1) Arus Listrik dan Hukum Ohm Hukum dasar yang menyatakan hubungan antara Arus Listrik (I), Tegangan (V) dan Hambatan (R). Hukum Ohm dalam bahasa Inggris disebut dengan “Ohm’s Laws”. Hukum Ohm pertama kali diperkenalkan oleh seorang fisikawan Jerman yang bernama Georg Simon Ohm (1789-1854) pada tahun 1825. Georg Simon Ohm mempublikasikan Hukum Ohm tersebut pada Paper yang berjudul “The Galvanic Circuit Investigated Mathematically” pada tahun 1827. Bunyi dari Hukum Ohm adalah: “Besar arus listrik (I) yang mengalir melalui sebuah penghantar atau Konduktor akan berbanding lurus dengan beda potensial / tegangan (V) yang diterapkan kepadanya dan berbanding terbalik dengan hambatannya (R)” Secara Matematis, Hukum Ohm dapat dirumuskan menjadi persamaan seperti dibawah ini: V =IxR I =V/R R =V/I Keterangan: V = Voltage (Beda Potensial atau Tegangan yang satuan unitnya adalah Volt (V)) I = Current (Arus Listrik yang satuan unitnya adalah Ampere (A)) R = Resistance (Hambatan atau Resistansi yang satuan unitnya adalah Ohm (Ω)) Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 148 Dalam aplikasinya, Kita dapat menggunakan Teori Hukum Ohm dalam Rangkaian Elektronika untuk memperkecilkan Arus listrik, Memperkecil Tegangan dan juga dapat memperoleh Nilai Hambatan (Resistansi) yang kita inginkan. Hal yang perlu diingat dalam perhitungan rumus Hukum Ohm, satuan unit yang dipakai adalah Volt, Ampere dan Ohm. Jika kita menggunakan unit lainnya seperti milivolt, kilovolt, miliampere, megaohm ataupun kiloohm, maka kita perlu melakukan konversi ke unit Volt, Ampere dan Ohm terlebih dahulu untuk mempermudahkan perhitungan dan juga untuk mendapatkan hasil yang benar. Rangkaian Dasar Hukum Ohm: Sumber: http://teknikelektronika.com/ Gambar 7.6 Rangkaian dasar hukum ohm Kita memerlukan sebuah DC Generator (Power Supply), Voltmeter, Amperemeter, dan sebuah Potensiometer sesuai dengan nilai yang dibutuhkan. Dari Rangkaian Elektronika yang sederhana diatas kita dapat membandingkan Teori Hukum Ohm dengan hasil yang didapatkan dari Praktikum dalam hal menghitung Arus Listrik (I), Tegangan (V) dan Resistansi/Hambatan (R). 2) Tahanan Listrik (Resistansi) Hambatan atau Resistensi adalah kemampuan suatu benda untuk menahan aliran arus listrik. Dalam suatu sirkuit, arus listrik dari power suplay tidak sepenuhnya dapat digunakan secara bebas. Terkadang arus listrik tersebut harus di hambat untuk memperoleh efek tertentu pada sirkuit. Dalam suatu hambatan atom-atom nya akan bertumbukan dengan elektron-elektron sehingga laju dan kecepatan elektron menjadi berkurang. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 149 Karena kuat arus biasanya dihitung berdasarkan banyak dan kecepatan elektronnya, maka ketika jumlah elekron dan kecepatannya berkurang otomatis berkurang pula kekuatan arus yang mengalir dalam suatu hambatan. Setiap Konduktor mempunyai hambatan. Ketebalan suatu konduktor menentukan besar-kecilnya hambatan yang dimilikinya. Konduktor yang tebal memiliki hambatan yang kecil. Kawat yang tebal mempunyai penampang lintang yang lebih lebar, sehingga mengandung lebih banyak elektron. Sebaliknya, konduktor yang panjang, memiliki hambatan yang besar. Ini dikarenakan semakin panjang suatu konduktor semakin banyak pula atom-atom yang akan menghadang gerak elektron bebasnya sehingga arus listrik yang dialirkan akan berkurang. Alat yang digunakan untuk menghambat arus listrik disebut resistor. Resistor adalah komponen didalam sirkuit listrik yang berfungsi untuk menahan arus dalam jumlah tertentu. Satuan hambatan atau resistensi dinyatakan dengan Ohm. Angka hambatan dalam sirkuit listrik adalah ketika tegangan membuat arus mengalir artinya hambatan adalah hasil dari tegangan dibagi arus. 3) Energi Listrik dan Daya Energi dan Daya Listrik merupakan dua istilah yang berbeda. Namun keduanya memiliki kaitan satu sama lain. Menurut teorinya, energi listrik adalah energi yang ditimbulkan oleh muatan listrik (statis) sehingga mengakibatkan gerakan muatan listrik (dinamis). Sedangkan Daya listrik termasuk energi juga, namun didefinisikan sebagai energi listrik yang digunakan dalam satu satuan waktu. Energi didefinisikan sebagai kemampuan suatu benda/alat untuk melakukan kerja atau usaha. Sedangkan energi listrik adalah energi yang ditimbulkan oleh muatan listrik (statis) sehingga mengakibatkan gerakan muatan listrik (dinamis). Dalam teorinya dicontohkan yaitu beda potensial (tegangan) menimbulkan (membutuhkan) energi untuk menggerakkan muatan elektron dari titik potensial rendah menuju titik potensial tinggi. Apabila dalam sebuah rangkaian diberi potensial V sehingga menyebabkan aliran muatan listrik Q dan arus sebesar I, maka energi listrik yang diperlukan adalah: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 150 𝑊 =𝑄×𝑉 dengan 𝑄 =𝐼×𝑡 maka rumus energi listrik dapat pula ditulis : 𝑊 =𝑉×𝐼×𝑡 Keterangan: W = energi listrik dengan satuan Joule (J) Q = muatan listrik dengan satuan Coulomb (C) V = beda potensial dengan satuan volt (V) I = kuat arus dengan satuan Ampere (A) t = waktu dengan satuan Second (s) W merupakan energi listrik dalam satuan Joule. Dimana diketahui bahwa 1 Joule adalah energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan sebesar 1 Coulomb (6.24 x 1018 muatan), dengan beda potensial sebesar 1 volt. Setelah pembahasan sebelumnya membahas tentang energi listrik. Maka daya listrik dapat didefinisikan sebagai energi listrik yang digunakan dalam satu satuan waktu. Daya listrik dinotasikan dengan huruf kapital P. Maka persamaan rumus daya listrik dapat dituliskan sebagai berikut: 𝑃= 𝑊 𝑉×𝐼×𝑡 = 𝑡 𝑡 maka rumus daya listrik dapat pula dituliskan: 𝑃 =𝑉×𝐼 Keterangan: P = daya listrik dengan satuan Watt (W) V = beda potensial dengan satuan volt (V) I = kuat arus dengan satuan Ampere (A) t = waktu dengan satuan Second (s) Daya listrik merupakan bagian yang menggambarkan besarnya arus, hambatan, dan tegangan listrik dalam satu satuan waktu. Satuan untuk Daya listrik adalah Joule/secon atau Watt. Dalam dunia kelistrikan, terdapat 3 jenis daya listrik yaitu: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 151 ▪ Daya Aktif (P) ▪ Daya Reaktif (Q) ▪ Daya Semu (S) 2. Rangkaian Arus Searah a. Sumber Gaya Gerak Listrik GGL dan rangkaian GGL dapat kita temui pada perangkat elektronika seperti radio portable, handphone, laptop atau mainan anak-anak. Salah satu contoh GGL adalah sebuah baterai. Baterai merupakan sumber energi listrik yang digunakan pada pernagkat elektronika. GGL atau sumber gaya gerak listrik adalah komponen seperti baterai atau generator listrik yang mengubah energi tertentu menjadi energi listrik. Beda potensial antara kedua kutub sumber, apabila tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian luar disebut ggl dari sumber. Simbol ε biasanya digunakan untuk ggl (jangan kacaukan dengan E untuk medan listrik). Sumber: http://mafia.mafiaol.com/ Gambar 7.8 Diagram sel listrik atau baterai Sebuah baterai secara riil dimodelkan sebagai ggl ε yang sempurna dan terangkai seri dengan resistor r yang disebut hambatan dalam baterai, tampak seperti pada gambar diatas. Oleh karena r ini berada di dalam baterai, kita tidak akan pernah bisa memisahkannya dari baterai. Kedua titik a dan b menunjukkan dua kutub baterai, kemudian yang akan kita ukur adalah tegangan di antara kedua kutub tersebut. Ketika tidak ada arus yang ditarik dari baterai, tegangan kutub sama dengan ggl, yang ditentukan oleh reaksi kimia pada baterai: Vab= ε . Jika arus I mengalir dari baterai, ada penurunan tegangan di dalam baterai yang nilainya sama dengan I . r. Dengan demikian, tegangan kutub baterai (tegangan yang sebenarnya diberikan) dirumuskan: Vab = ε – I.r Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 152 Keterangan: Vab = tegangan di antara kutub baterai (V) ε = ggl baterai (V) I = arus yang mengalir (A) r = hambatan dalam baterai (Ω) b. Rangkaian Resistor Seri dan Paralel Rangkaian Seri Resistor adalah sebuah rangkaian yang terdiri dari 2 buah atau lebih Resistor yang disusun secara sejajar atau berbentuk Seri. Dengan Rangkaian Seri ini kita bisa mendapatkan nilai Resistor Pengganti yang kita inginkan. Rumus dari Rangkaian Seri Resistor adalah: Rtotal = R1 + R2 + R3 + ….. + Rn Keterangan: Rtotal = Total Nilai Resistor R1 = Resistor ke-1 R2 = Resistor ke-2 R3 = Resistor ke-3 Rn = Resistor ke-n Berikut ini adalah gambar bentuk Rangkaian Seri: Sumber: http://teknikelektronika.com/ Gambar 7.9 Rangkaian seri resistor Rumus Rangkaian Seri Resistor: 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + ⋯ + 𝑅𝑛 Rangkaian Paralel Resistor adalah sebuah rangkaian yang terdiri dari 2 buah atau lebih Resistor yang disusun secara berderet atau berbentuk Paralel. Sama seperti dengan Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 153 Rangkaian Seri, Rangkaian Paralel juga dapat digunakan untuk mendapatkan nilai hambatan pengganti. Perhitungan Rangkaian Paralel sedikit lebih rumit dari Rangkaian Seri. Rumus dari Rangkaian Paralel Resistor adalah: 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ….. + 1/Rn Keterangan: Rtotal = Total Nilai Resistor R1 = Resistor ke-1 R2 = Resistor ke-2 R3 = Resistor ke-3 Rn = Resistor ke-n Berikut ini adalah gambar bentuk Rangkaian Paralel: Sumber: http://teknikelektronika.com/ Gambar 7.10 Rangkaian paralel resistor Rumus untuk rangkaian resistor parallel: 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1 1 1 1 + + + ⋯+ 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅𝑛 3. Hukum Kirchoff Hukum Kirchoff merupakan salah satu dari banyak rumus yang juga paling sering digunakan dalam menyelesaikan masalah dan melakukan rekayasa dalam rangkaian listrik. Dikemukakan oleh seorang ilmuan bernama Gustav Robert Kirchoff. Dalam teorinya terdapat dua hukum yaitu Hukum Kirchoff I dan II. Hukum Kirchoff I merupakan aturan yang berkaitan dengan arus sedangkan Hukum Kirchoff II merupakan aturan yang berkaitan dengan tegangan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 154 a) Hukum Kirchoff I Hukum Kirchoff I lebih dikenal dengan Hukum Kirchoff Arus atau Kirchoff Current Law (KCL) yang berbunyi: “Jumlah arus yang masuk menuju node (titik) percabangan dalam suatu rangkaian listrik adalah sama dengan jumlah arus yang keluari dari node (titik) percabangan tersebut” Rumus Hukum Kirchoff: ∑ 𝐼𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = ∑ 𝐼𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 Sumber: http://teknikelektronika.com/ Gambar 7.11 Hukum kirchoff i b) Hukum Kirchoff II Hukum Kirchoff I lebih dikenal dengan Hukum Kirchoff Tegangan atau Kirchoff Voltage Law (KVL)yang berbunyi: “Jumlah tegangan pada suatu rangkaian listrik tertutup adalah sama dengan nol”. Rumus Hukum Kirchoff II: ∑ εr = ∑ iR Keterangan: ε = gaya gerak listrik ; volt (V) I = arus ; ampere (A) r = hambatan dalam sumber ; ohm (Ω) *kadang diabaikan R = hambatan rangkaian; ohm (Ω) Hukum Kirchoff II pada umumnya digunakan dalam perhitungan dengan metode Loop sehingga dalam perhitungannya Hukum Kirchoff II memiliki beberapa tahap dan aturan sebagai berikut: Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 155 ➢ Asumsikan arah loop pada rangkaian, referensi arah loop dapat dilihat berdasarkan arus pada rangkaian yang pada umumnya mengalir dari kutub positif (+) menuju kutub negatif (-). Arah loop juga dapat diasumsikan berlawanan dengan arah arus sebenarnya. Ketika arah loop berlawanan dengan arah arus sebenarnya, maka arus pada perhitungan akan bernilai negatif (-). ➢ Setelah menentukan asumsi arah loop, maka dapat ditentukan ε bernilai positif atau negatif. Ketika loop pada awalnya bertemu dengan kutub postif (+) maka ε akan bernilai negatif, dan sebaliknya apabila loop pada awalnya bertemu dengan kutub negatif (-) maka ε akan bernilai positif. 4. Rangkaian R-C Rangkaian RC adalah suatu rangkaian seri yang tersusun oleh resistor atau penghambat / hambatan dan kapasitor yang terhubung oleh suatu sumber arus atau sumber tegangan. Disini kita memasukkan kapasitor sebagai sebuah elemen rangkaian yang akan menghantarkan kita ke konsep arus-arusyang berubah terhadap waktu. Jika sebuah hambatan dimasukkan didalam rangkaian maka pertambahan muatan dari kapasitor per satuan waktu menuju nilai kesetimbangannya. Sifat rangkaian RCdidalam selama pemuatan dan pelucutan dapat dipelajari dengan sebuah osciloskop. Yang dapat mempertunjukkan pada layar floresensinyagrafik-grafik variasi potensialdengan waktu. Sehingga dapat terlihat perbedaan potensial V terhadap kapasitor dan perbedaan potensial V melalui hambatan sebagai fungsi-fungsi dari waktu.Membandingifasa tegangan di setiap elemen terhadap arus I. Sumber: https://belajar.kemdikbud.go.id/ Gambar 7.12 Rangkaian R-C Rangkaian RC (Resistor-Kapasitor) Circuits digunakan dalam penyaringan sinyal dengan memberikan tahanan atau blok. Tahanan tersebut dihasilkan oleh resistor Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 156 melalui kemampuan resistansi. Selanjutnya sinyal juga akan disimpan dalam kapasitor melalui efek kapasitansi. Mengingat kembali bahwa resistor adalah komponen yang memungkinkan adanya hambatan untuk Manahan aliran arus listrik dan kapasitor yang berfungsi untuk menyimpan sementara arus listrik yang lewat maka metode penyaringan sinyal yang tepat telah ditemukan. Jika dikaitkan pada hukum kirchoff maka pada rangkaian ini dengan mengabaikan unsur ekstern maka kita akan mengetahui bahwa arus yang mengalir pada resistor dan kapasitor memiliki nilai sama. Pada Rangkaian resistor capacitor, besarnya arus yang mengalir dalam suatu rangkaian akan memiliki nilai yang sama dengan Q atau muatan yang ada pada kapasitor. Fenomena tersebut akan terjadi dalam selang waktu yang lama. Perubahan besarnya arus dan muatan kapasitor dapat dihitung secara linear melalui metode grafik. Selain itu GGL atau yang apabila dipanjangkan menjadi Gaya Gerak Listrik akan memiliki nilai hambatan yang sama dengan tahanan yang dipunyai oleh resistor dan kapasitior. Selang waktu rata – rata pun dapat dicari dengan memperhatikan banyaknya muatan dan tahanan ada pada rangkaian. Dengan demikian sesederhana apapu suatu Rangkaian RC, konsep yang matang dan kejelian yang tinggi amat sangat diperlukan dalam pembuatan rangkaian ini. Uji Kompetensi A. Berilah tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E di depan jawaban yang tepat! 1. Sebuah bola konduktor memiliki rapat muatan permukaan 20 mC/m2 dan diameter 16 cm. Potensial dititik yang berjarak 10 cm dari pusat bola adalah... A. 512 π kV D. 51,2 π kV B. 460,8 π kV E. 46,1 π kV C. 342,6 π kV 2. Dua buah muatan masing-masing Q1 = + 16 µC dan Q2 = - 4 µC berjarak 1 meter satu sama lain. Titik yang memiliki potensial nol terletak.... A. 0,4 m dari Q1 dan 0,6 m dari Q2 D. 0,2 m dari Q1 dan 0,8 m dari Q2 B. 0,6 m dari Q1 dan 0,4 m dari Q2 E. Ditengah-tengah keduanya C. 0,8 m dari Q1 dan 0,2 dari Q2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 157 3. Diketahui keadaan muatan seperti gambar Besar potensial mutlak di titik C dan B adalah... A. 2,25 V dan 7.87 V B. 6,75 V dan 10,125 V C. 7,65 V dan 12,150 V D. 12,50 V dan 5,76 V E. 4. 10,125 V dan 6,75 V Jika medan listrik antara dua plat paralel sebesar 2400 N/C dan jarak antar kedua plat 0,5 cm, maka beda potensialnya adalah... 5. A. 12 V D. 7,5 V B. 10 V E. 6V C. 9V Sebuah usaha diperlukan untuk memindahkan sebuah muatan positif sebesar 10 C yang potensialnya 10 Volt dari sebuah titik ke titik lain yang potensialnya sebesar 60 Volt. Besar usaha tersebut adalah . . . 6. A. 250 Joule D. 700 Joule B. 500 Joule E. 750 Joule C. 550 Joule Dari percobaan tegangan (V) dengan kuat arus (I) pada resistor dihasilkan grafik V-I pada gambar dibawah. Jika V = 4,5 Volt, maka kuat arus yang mengalir adalah... A. 5 mA B. 10 mA C. 20 mA D. 30 mA E. 35 mA Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 158 7. Untuk mengetahui nilai hambatan (R) suatu kawat kumparan digunakan rangkaian seperti gambar. Nilai hambatan R adalah.... A. 4,0 Ω D. 9,5 Ω B. 6,5 Ω E. 12,0 Ω C. 8,0 Ω 8. Sebuah lampu X dihubungkan dengan sumber tegangan searah seperti pada gambar di bawah. Daya lampu X adalah.... A. 150 W D. 425 W B. 275 W E. 490 W C. 300 W 9. Perhatikan gambar susunan hambatan dibawah ini! Besar kuat arus yang melalui R1 adalah…. A. 2,0 A D. 4,5 A B. 2,5 A E. 5,0 A C. 4,0 A Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 159 10. Sebuah Amperemeter mempunyai hambatan 18 Ohm dan berdaya ukur 10 mA. Agar daya ukur meningkat menjadi 100 mA, harus dipasang hambatan.... A. 0,8 seri dengan amperemeter B. 0,8 paralel dengan amperemeter C. 2,0 seri dengan amperemeter D. 2,0 paralel dengan amperemeter E. 8,0 seri dengan amperemeter B. Jawablah soal-soal di bawah ini dengan singkat dan tepat! 1. Tentukan potensial listrik pada suatu titik berjarak 1 cm dari muatan q = 5,0 μC. Konstanta Coulomb (k) = 9 x 109 Nm2C−2, 1 μC = 10−6 C. 2. Muatan Q1 = 5,0 μC dan muatan Q2 = 6,0 μC. Konstanta Coulomb (k) = 9 x 109 Nm2C−2, 1 μC = 10−6 C. Titik A berada di tengah kedua muatan. Tentukan potensial listrik pada titik A! 3. Muatan q1 = 5,0 μC dan muatan q2 = 6,0 μC. Konstanta Coulomb (k) = 9 x 109 Nm2C−2, 1 μC = 10−6 C. Tentukan potensial listrik pada titik A! 4. Dua pelat sejajar masing-masing bermuatan positif dan negatif. Medan listrik di antara kedua pelat adalah 500 Volt/meter. Jarak antara kedua pelat adalah 2 cm. Tentukan perubahan energi potensial proton ketika bergerak dari pelat bermuatan positif ke pelat bermuatan negatif! 5. Dua muatan disusun seperti pada gambar di bawah ini. Muatan di A adalah +9 μC dan muatan di B adalah -4 μC. Konstanta Coulomb (k) = 9 x 109 Nm2C−2, 1 μC = 10−6 C. Berapa perubahan energi potensial listrik muatan B jika bergerak ke muatan A ? Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 160 6. Rangkaian listrik berikut terdiri 3 buah hambatan dan satu buah baterai 24 Volt yang memiliki hambatan dalam 1 Ω. Lihat gambar dibawah dan tentukan: a) Kuat arus rangkaian b) Kuat arus pada R1 , R2 dan R3 c) Beda potensial antara titik A dan B d) Beda potensial antara titik B dan C e) Beda potensial antara titik C dan D f) Beda potensial antara titik A dan C g) Beda potensial antara titik B dan D h) Beda potensial antara titik A dan D i) Beda potensial antara ujung -ujung baterai j) Daya pada hambatan R1 k) Energi listrik yang diserap hambatan R1 dalam 5 menit l) Daya rangkaian m) Energi rangkaian dalam 5 menit 7. Diberikan sebuah rangkaian listrik seperti gambar berikut Tentukan: a) Hambatan pengganti b) Kuat arus rangkaian c) Kuat arus yang melalui R4 d) Kuat arus yang melalui R1 e) Kuat arus yang melalui R2 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 161 f) Kuat arus yang melalui R3 g) Beda potensial ujung-ujung hambatan R4 h) Beda potensial ujung-ujung R1 i) Beda potensial ujung-ujung R2 j) Daya yang diserap R1 Diketahui kuat arus yang melalui R4 adalah 7,2 Ampere. Tentukan nilai tegangan sumber V! 8. Dua buah baterai dengan ggl masing-masing 3 volt dan hambatan dalam 0,5 Ω disusun seri. Hambatan luar R = 1,5 Ω dirangkai seperti gambar. Tentukan besar kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian! 9. Dua buah baterai dengan ggl masing-masing 3 volt dan hambatan dalam 0,5 Ω disusun paralel. Hambatan luar R = 1,5 Ω dirangkai seperti gambar. Tentukan besar kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian! Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 162 DAFTAR PUSTAKA Buche, F.J. 1975. Introduction to Physics for Scientist and Engineers, Fourth Edition. New York: McGraw-Hill Book Company. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey: Prentice Hall. Halliday, David, Robert Resnick, dan Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York: John Wiley & Sons. Hewitt, Paul G. 1998. Conceptual Physics, Eight Edition. New York: Addison Wesley Longman. Jones, E.R. dan Chiulders, R.L. 1994. Contemporary College Physics, Second Edition. New York: Addison Wesley Longman. Sears, F.W. et al. 1983. University Physics. New York: Addison-Wesley Publishing Company. Sears, F.W. dan Zemanski. 2002. Fisika Universitas. Jakarta: Penerbit Erlangga. Sutrisno. 1983. Seri Fisika Dasar. Bandung: Seri Fisika Dasar, Penerbit ITB. Tipler, Paul A. 1991. Physics for Scientists and Engineers, Third Edition. New Jersey: Worth Publisher. Tim Redaksi Dorling Kindersley. 1997. Jendela IPTEK, Cetakan Pertama. Jakarta: Balai Pustaka. Tim Redaksi Pustaka Setia. 2005. Panduan SPMB IPA 2006. Bandung: Pustaka Setia. Tim Redaksi Usborne Publishing LTD. 2000. Science Encyclopedia. London: Usborne Publishing LTD. Tim Widya Gamma. 2005. Pemantapan Menghadapi Ujian Nasional (UN) dan Ujian Sekolah (US) SMA IPA 2005/2006. Bandung: Yrama Widya. www.wikipedia.com http://fisikamagz.blogspot.co.id/2016/05/nilai-satuan-sistem-internasional.html https://mdesyra.wordpress.com/2012/03/19/arus-searah/ http://www.berpendidikan.com/2015/12/pengertian-dan-rumus-menghitung-konversisatuan-suhu-celsius-reamur-kelvin-fahtenheit.html http://www.bikasolusi.co.id/sekilas-tentang-pencahayaan/ Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 163 https://www.sciencelearn.org.nz/images/2296-1-mole-of-carbon http://www.rumusmatematikadasar.com/2015/01/tangga-konversi-pengukuran-satuanberat-matematika.html http://edu.anashir.com/2013/11/alat-ukur-panjang-mistar-jangka-sorong.html https://fjb.m.kaskus.co.id/product/5159008c552acf631b000013/jual-timbangan-mekanik-mejabalitabobot-ingsutdacin-logam-kuningandll?goto=newpost?goto=newpost https://ukurkadarair.com/pengertian-alat-ukur-dengan-macam-jenisnya/ https://www.tokopedia.com/shalsashop/timbangan-gantung-camry-50-kg https://untuksemua101.blogspot.co.id/2017/03/pengertian-neraca-sama-lengan-dan.html http://www.e-sbmptn.com/2014/09/cara-membaca-neraca-ohaus.html https://happychusnuraafi.wordpress.com/2015/06/12/gaya-fisika/ https://fisikareview.wordpress.com/tag/gaya-berat/ https://belajar.kemdikbud.go.id/SumberBelajar/tampilajar.php?ver=22&idmateri=215&m nu=Uraian1 http://edukasifisikasmp.blogspot.co.id/2011/04/bab-2-energi-dan-usaha-1.html http://excecel.blogspot.co.id/2012/10/fisika-medanmagnet.htmlhttp://fastrans22.blogspot.co.id/2013/10/alat-pengukur-cuacaiklim-dan-cara.html http://www.sespoly.com/products/tpo-thermoplastic-olefin/ http://dienchephalon.blogspot.co.id/2016/06/hukum-newton-2.html https://kikimiqbalsoft.blogspot.co.id/2011/10/lamborghini-aventador-lp700-4-2012.html http://xancite.com/?page_id=238 https://www.alibaba.com/product-detail/china-cheap-Solid-cube2-BerylliumCopper_60537981438.html http://nugraha999.blogspot.co.id/2014/12/suhu-dan-kalor.html https://fathoniarief.blogspot.co.id/2008/01/timah-hitam.html http://dhiniislamiatikarsa.blogspot.co.id/2016/12/induksi-elektromagnetik-hukumfaraday.html https://www.merdeka.com/uang/pemerintah-cari-pasar-baru-produk-olahan-karet.html Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 164 https://www.tneutron.net/seni/bahan-keramik-plastis/ http://alatukur.co/fungsi-dan-jenis-termometer/ https://istanafisika.wordpress.com/2013/05/05/soal-dan-pembahasan-persiapan-sbmptnfisika-kelaswaistana/ http://yuliapuspitasa7.blogspot.co.id/2013/11/diagram-proses-perubahan-zat-1.html http://nyaikelcycle.blogspot.co.id/ https://www.slideshare.net/kenyassri01/besi-beton http://www.myrightspot.com/2016/11/menentukan-arah-medan-listrik-dan-kuat.html https://www.indotrading.com/tangerang/pvc_623/ https://ayurahma9298.wordpress.com/2012/10/25/penyebaran-tanaman-hiperakumulatorterhadap-zinc-seng/ http://www.matadunia.id/2016/01/sifat-sifat-material.html https://www.satujam.com/bahan-dasar-alumunium/ http://khadijahtabrani.blogspot.co.id/2012/07/potensial-listrik-yang-ditimbulkanoleh_09.html https://www.mindat.org/element/Chromium http://rumushitung.com/2014/12/27/unsur-kimia-timah-sn-dan-kegunaannya/ http://lanamatrix.blogspot.co.id/ http://images-of-elements.com/aluminium.php Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 165 GLOSARIUM Besaran: sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka Besaran pokok: besaran yang satuannya telah ditetapkan terlebih dahulu dan tidak bergantung pada besaran lainnya Besaran turunan: besaran yang diturunkan dari beberapa besaran pokok Satuan: acuan yang digunakan dalam pengukuran atau membandingkan dalam suatu pengukuran besaran Dimensi besaran: menunjukkan bagaimana cara besaran tersebut tersusun oleh besaranbesaran pokok Gaya: dorongan atau tarikan yang dapat merubah kecepatan, bentuk dan arah benda Massa: ukuran banyaknya materi yang dikandung oleh suatu benda Energi: merupakan kemampuan melakukan usaha Bahan alam: bahan baku produk yang diperoleh dan digunakan secara langsung dari bahan alam Bahan tiruan: diperoleh dari senyawa kimia dengan komposisi berbagai unsur dengan sifat tertentu yang secara spesifik menyerupai sifat bahan alam Suhu: adalah ukuran relatif panas dan dinginnya benda Kalor: bentuk energi yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah Zat murni: suatu zat asli tanpa adanya campuran (zat terlarut) dalam suatu pelarut Zat campuran: adalah perpaduan zat tunggal yang dapat diuraikan lagi menjadi komponen penyusun melalui proses fisika yaitu dengan cara dipanaskan, penyulingan, siltrasi, dan lainnya Medan magnet: medan vektor, artinya besaran yang dilukiskan medan tersebut adalah besaran vektor. Induksi magnet: kuat medan magnet yang dipengaruhi oleh gaya magnet pada sebuah konduktor Potensial listrik: energi potensial listrik per satuan muatan listrik Kapasitansi: jumlah elektron yang dapat disimpan dibawah tekanan yang diberikan oleh listrik (tegangan/voltase) Dielektrik: suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada Energi listrik: energi yang ditimbulkan oleh muatan listrik (statis) sehingga mengakibatkan gerakan muatan listrik (dinamis). Daya listrik: energi listrik yang digunakan dalam satu satuan waktu Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 166 BIODATA PENULIS Dr. Noor Hudallah, M.T. Lahir di Jepara Oktober 1964. Menjadi dosen di program studi S-1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Semarang (Unnes) sejak 1 Januari 1989 dan program Pascasarjana Unnes. Pendidikan Sekolah Dasar (SD) ditempuh di SDN Gemulung Pecangaan Jepara, lulus 1976. Lulus dari Sekolah Menengah Pertama (SMP) Negeri Krasak Pecangaan Jepara pada tahun 1980. Sekolah Menengah Atas (SMA) ditempuh di SMA Pemda Pecangaan, lulus tahun 1983. Jenjang S1 diselesaikan pada tahun 1988 dari IKIP Semarang (sekarang Unnes) dari Jurusan Pendidikan Teknik Elektro. Jenjang S2 ditempuh di jurusan Teknik Elektro Universitas Gajahmadha (UGM), lulus tahun 2002. Selanjutnya jenjang S3 diselesaikan di Universitas Pendidikan Indonesia (UPI) mengambil program studi Administrasi Pendidikan. Cukup banyak pengalaman mengajarnya selain di Unnes, di antaranya pernah mengajar di SMA Taman Siswa (Taman Madya) Semarang, STM Negeri Kendal, SMTIK PIKA, LPDI PIKA, Universitas Raden Fattah (Unisfat) Demak, Universitas Wahid Hasyim (Unwahas) Semarang dan Magistes Pendidikan Universitas Kristen Satya Wacana (UKSW) Salatiga. Selain buku IPA Terapan, buku lain yang sudah ditulis adalah Teknik Penerangan yang diterbitkan oleh Unnes Press. Drs. Agus Suryanto, M.T. Lahir di Semarang 1967. Menjadi dosen di program studi S-1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Semarang (Unnes) sejak 1992. Pendidikan Sekolah Dasar (SD) Sekolah Menengah Pertama (SMP) dan Sekolah Menengah Atas (SMA) ditempuh di Semarang. Lulus S1 dari IKIP Semarang (sekarang Unnes) dari Jurusan Pendidikan Teknik Elektrodan S2 lulus dari di jurusan Teknik Elektro Universitas Gajahmadha (UGM). Saat ini sedang menempuh jenjang S3 di Universitas Negeri Semarang mengambil program studi manajemen Pendidikan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 167 Dra. Sri Handayani, M.Pd. Lahir di Jepara 1967. Menjadi dosen di program studi S-1 Jurusan Teknik Sipil Universitas Negeri Semarang (Unnes) sejak 1991. Pendidikan Sekolah Dasar (SD) Sekolah Menengah Pertama (SMP) dan Sekolah Menengah Atas (SMA) ditempuh di Jepara. Lulus S1 dari FKIP Universitas Negeri Sebelas Maret dari Program Studi Pend. Teknik & Kejuruan (PTK) /Pendidikan Teknik Bangunan (PTB) dan lulus S2 dari di Program Studi PTK Universitas Negeri Yogyakarta (UNY). Saat ini sedang menempuh jenjang S3 di Universitas Negeri Semarang mengambil program studi Manajemen Pendidikan. Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 168 Bahan Ajar IPA Terapan untuk Pariwisata bagian 1 169
