MODUL FISIKA (KELAS XII SEMESTER GANJIL)

Transkripsi

1 MODUL FISIK (KELS XII SEMESTER GNJIL) OLEH : ID YU KDE WIJYNTI, S.Pd NIP SEKOLH MENENGH KEJURUN NEGERI SUKSD (SMK NEGERI SUKSD) lamat : Jalan Srikandi, Sambangan-Sukasada, Telp/Fax (0362) smik-sukasada@yahoo.co.id, PO.BOX : 236

2 LISTRIK STTIS Listrik statis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan diam. Hukum oulomb Sebuah sisir yang digosokkan pada rambut menjadi bermuatan listrik positif sehingga dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Muatan listrik memiliki sifat-sifat sebagai berikut:. Muatan listrik digolongkan menjadi dua jenis yaitu muatan listrik positif dan muatan listrik negatif. 2. Muatan listrik yang sejenis akan saling tolak-menolak dan muatan listrik yang tak sejenis tarik-menarik. Fisikawan Perancis bernama harles oulomb pada tahun 785. Dari percobaannya yang menggunakan neraca puntir, oulomb merumuskan hukum oulomb yang berbunyi: Besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan. Secara matematis hukum oulomb dinyatakan sebagai berikut: F = k q q 2 2 r F = gaya coulomb atau gaya elektrostatis antara kedua muatan (N) k = tetapan / konstanta = 9 x 0 9 Nm 2-2 untuk benda yang berada di dalam medium vakum (udara) dimana k = 4 0 dan εo = 8,85 x N - m 2 q = besar muatan (, dimana μ = 0-6 dan n = 0-9 ) r = jarak antara kedua muatan (m) Perhatikan gambar di bawah ini! a. Muatan sejenis tolak menolak F2 + + q r q2 F2 F2 - - q r q2 F2 b. Muatan tak sejenis tarik menarik F2 F2 + - q r q2 Medan Listrik Medan listrik didefinisikan sebagai ruang di sekitar suatu muatan listrik sumber dimana muatan listrik lainnya dalam ruang ini akan mengalami gaya oulomb atau gaya listrik (tarik atau tolak). Secara matematis kuat medan listrik dirumuskan dengan: E = F q tau E = k 2 r q o E = kuat medan listrik (N/) F = gaya oulomb (N) qo = besar muatan uji () Hukum Gauss Tiga hal tentang garis-garis medan listrik:. Garis-garis medan listrik tidak pernah berpotongan. 2. Garis-garis medan listrik selalu mengarah radial ke luar menjauhi muatan positif (gambar a) dan radial ke dalam mendekati muatan negatif (gambar b).

3 3. Tempat di mana garis-garis medan listrik rapat menyatakan tempat yang medan listriknya kuat. Sedangkan tempat dimana garis-garis medan listrik renggang menyatakan tempat yang medan listriknya lemah. + - Gambar (a) Gambar (b) Secara matematis fluks listrik dirumuskan dengan: Ф = E cos θ Ф = fluks listrik (N - m 2 atau disebut Weber) E = kuat medan listrik (N/) = luas bidang (m 2 ) Potensial Listrik Persamaan energi potensial listrik yaitu: Ep = q q k o r Beda potensial listrik didefinisikan sebagai perubahan energi potensial per satuan muatan ketika sebuah muatan uji dipindahkan di antara dua titik atau secara matematis dirumuskan dengan: ΔV = Ep q o atau ΔV = kq( ) r 2 r Secara umum dapat pula didefinisikan potensial mutlak pada suatu titik yang berjarak r dari muatan sumber q sebagai: V = r kq atau V = E.r V = potensial listrik (Volt) E = kuat medan listrik (N/) qo = muatan uji () q = muatan sumber () r = jarak muatan uji ke muatan sumber (m) r = jarak awal muatan uji ke muatan sumber (m) r2 = jarak akhir muatan uji ke muatan sumber (m)

4 KPSITOR Kapasitas Kapasitor Kapasitor adalah komponen listrik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik. Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian adalah : a. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada power supply) b. Sebagai filter dalam rangkaian power supply c. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna d. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon e. Menghilanghkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar Kapasitas kapasitor () merupakan ukuran kemampuan suatu kapasitor dalam menyimpan muatan listrik pada saat dihubungkan dengan suatu beda potensial listrik. Persamaan kapasitas kapasitor : = V q, sedangkan kapasitas kapasitor untuk keping sejajar akan menjadi: = = kapasitas kapasitor (Farad) εo = permitivitas ruang hampa/udara = luas tiap-tiap keping (m 2 ) d = jarak antar keping (m) Susunan Kapasitor. Rangkaian Seri Dua kapasitor atau lebih bila disusun seri maka muatan pada tiap-tiap kapasitornya sama sebab muatan total seluruh kapasitor sama dengan muatan tiap-tiap kapasitor. o d... a b c 2 Untuk kapasitor yang disusun seri: Vac = Vab + Vbc q ac g = disusun seri adalah: 2. Rangkaian Paralel qab qbc qab = qbc = q, sehingga diperoleh kapasitas kapasitor pengganti untuk kapasitor yang 2... g 2 n pabila ada beberapa buah kapasitor dipasang paralel maka kapasitor-kapasitor tersebut akan mempunyai beda potensial yang sama, dan sama dengan beda potensial gabungan seluruh kapasitor.sedangkan kapasitas gabungannya lebih besar dari kapasitas tiap-tiap kapasitor. Jadi, untuk mendapatkan kapasitas kapasitor yang besar, kapasitorkapasitor harus disusun secara paralel... c.. a e 2 3 b d f

5 Untuk kapasitor yang disusun paralel: Vg = Vab = Vcd = Vef qg = q + q2 + q3 g Vg = Vab + 2Vcd + 3Vef, sehingga diperoleh kapasitas kapasitor pengganti untuk kapasitor yang disusun secara paralel yaitu: g = Rangkaian Gabungan Merupakan rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel. ontoh Soal. Hitung kapasitas pengganti dari rangkaian tersebut! = 3 µf 2 = 6 µf 3 = 4 µf Jawab : dan 2 tersusun seri sehingga : /s,2 = / + /2 = /3 + /6 = 3/6, sehingga : s,2 = 6/3 = 2 µf s,2 dan 3 tersusun paralel sehingga : p,2, 3 = s + 3 = 2 µf + 4 µf = 6 µf Energi yang Tersimpan dalam Kapasitor Bila sebuah kapasitor diberikan muatan listrik, sesungguhnya yang terjadi adalah perpindahan muatan dari satu keping ke keping yang lainnya. Untuk itu diperlukan usaha. Usaha yang telah dipakai untuk pemberian muatan itu akan disimpan oleh kapasitor sebagai energi. Secara matematis usaha tersebut dirumuskan sebagai : W = ½ q 2 = ½ q V = ½ V 2 Tugas Kerjakan dengan cara yang lengkap dan jelas!. Dua buah muatan listrik masing-masing besarnya 4 µ dan -5 µ terpisah di udara sejauh 3 meter. Tentukan gaya elektrostatis (Gaya oulomb) yang dialami kedua muatan tersebut! ( µ = 0-6 ) 2. Sebuah titik berjarak 50 cm dari sebuah muatan listrik q, mengalami kuat medan listrik sebesar 40 N/. Hitung besarnya potensial listrik yang dialami titik tersebut! 3. Sebutkan 5 fungsi dari kapasitor! 4. Di bawah ini terpasang 5 buah kapasitor yang sama besar yaitu µf. Hitung kapasitas kapasitor antara titik dan B! ( µf = 0-6 F) B 5. Energi yang tersimpan pada suatu kapasitor keping sejajar joule. Jika kapasitas kapasitor 0,04 F, maka hitung beda potensial antara kedua keping!

6 LISTRIK DINMIS Listrik dinamis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan bergerak. rus Listrik Kata arus berarti aliran atau gerakan. Tiga hal tentang arus listrik yaitu:. rus listrik adalah aliran partikel-partikel bermuatan positif 2. rah arus listrik berlawanan dengan arah arus elektron 3. rus listrik mengalir dari titik berpotensial tinggi ke potensial rendah da beberapa azas penting yang perlu diingat yaitu:. Terdapat dua jenis muatan listrik yaitu muatan positif dan muatan negatif 2. Muatan positif ada pada inti atom, sedangkan muatan negatif ada pada elektron. 3. Elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lain, sedangkan inti tdak dapat berpindah 4. tom-atom penghantar (konduktor) memiliki elektron-elektron bebas yang sangat mudah berpindah dari satu tempat ke tempat lain di dalam penghantar itu. 5. Muatan listrik dapat bergerak (mengalir) jika ada beda potensial (tegangan) Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan lsitrik positif (q) yang mengalir melalui suatu penghantar per satuan waktu. Secara matematis: I = q / t Keterangan: I = kuat arus listrik (mpere disingkat ) q = jumlah muatan yang mengalir () = n.e (n = jumlah partikel, e = besar muatan elektron) t = lamanya (waktu) muatan mengalir (s) lat yang digunakan untuk mengukur kuat arus pada suatu rangkaian disebut dengan mperemeter. Bagian-bagian dari amperemeter ditunjukkan oleh gambar berikut. Besar arus listrik yang mengalir dalam rangkaian atau suatu komponen, ditentukan dengan persamaan : ngka yang ditunjuk jarum I = x ngka pada saklar pemilih Batas maksimum Pada saat mengukur kuat arus, amperemeter dipasang sesara seri dengan rangkaian. Hukum Ohm Hukum Ohm menyatakan : X Besar kuat arus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar tersebut, dengan syarat suhu penghantar tetap. Secara matematis dirumuskan : V = I. R V = beda potensial atau tegangan (Volt) I = kuat arus listrik (mpere) R = hambatan (Ohm)

7 Hukum Kirchoff I Hukum Kirchoff I menyatakan : Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Secara matematis : I masuk I keluar Rangkaian Hambatan a. Rangkaian Seri Persamaan yang berlaku pada rangkaian seri : R R 2 R 3 Rs = R + R2 + R3 + + Rn I s = I = I2 = I3 = In Vs = V + V2 + V3 + + Vn V : V2 : V3 : Vn = R : R2 : R3 : Rn Rangkaian seri hambatan listrik berfungsi untuk :. Memperbesar nilai hambatan pengganti dalam suatu rangkaian. 2. Memperkecil arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. b. Rangkaian Paralel Persamaan yang berlaku pada rangkaian paralel : V s R I s... R p R R R Rn I p = I + I2 + I3 + + In Vp = V = V2 = V3 = Vn 2 3 V : V2 : V3 : Vn = /R : / R2 : /R3 : /Rn Rangkaian paralel hambatan listrik berfungsi untuk :. Memperkecil nilai hambatan pengganti dalam suatu rangkaian. 2. Memperbesar arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. c. Rangkaian Gabungan Merupakan rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel. Hambatan suatu penghantar Besar hambatan suatu penghantar dipengaruhi oleh :. Jenis penghantar (hambatanb jenis) 2. Panjang penghantar 3. Luas penampang penghantar 4. Perubahan suhu penghantar Secara matematis dirumuskan : R = l ρ = hambatan jenis (Ω m) R 2 R 3 V p I p l = panjang penghantar (m) = luas penampang penghantar (m 2 ) Pengaruh suhu terhadap besar hambatan penghantar Hambatan suatu penghantar semakin besar jika suhunya semakin tinggi. Hal ini dapat diamati pada kinerja suatu alat listrik yang semakin menurun pada saat alat listrik tersebut dipakai dalam waktu yang cukup lama tanpa dimatikan. Secara matematis pengaruh suhu terhadap besar hambatan suatu penghantar adalah : Rt = R0 ( + α. ΔT) R0 Rt = besar hambatan pada suhu awal (Ω) = besar hambatan pada suhu akhir (Ω)

8 α = koefisien suhu ( / 0 ) ΔT = perubahan suhu ( 0 ) Beda Potensial atau Tegangan Listrik Tegangan listrik dibagi menjadi dua, yaitu :. Gaya Gerak Listrik (GGL) dilambangkan dengan ε, yaitu besar beda potensial dari suatu sumber tegangan sebelum mengalirkan arus. Persamaan : ε = I (r + R) 2. Tegangan jepit (V) yaitu beda potensial dari suatu sumber tegangan setelah mengalirkan arus. Persamaan : V = I. R ε = gaya gerak listrik (volt) r = hambatan dalam sumber tegangan (Ω) V = tegangan jepit (volt) R = hambatan rangkaian atau hambatan luar (Ω) I = kuat arus () lat yang digunakan untuk mengukur beda potensial dalam rangkaian disebut dengan Voltmeter. Pada saat mengukur beda potensial, voltmeter dipasang secara paralel pada rangkaian. X V Besar tegangan listrik yang mengalir dalam rangkaian atau suatu komponen, ditentukan dengan persamaan : ngka yang ditunjuk jarum V = x ngka pada saklar pemilih Batas maksimum Energi dan Daya Listrik rus listrik sebagai aliran muatan-muatan listrik menghasilkan energi listrik yang dimanfaatkan oleh manusia. Energi listrik yang diterima besarnya dinyatakan : W = Q.V atau W = V.I.t atau W = I.R.I.t atau W = V 2 /R. t Berkaitan dengan energi litrik dikenal juga daya listrik, yang didefinisikan sebagai besarnya energi listrik yang dipakai per satu satuan waktu pakai. Secara matematika daya listrik dinyatakan dengan : P = W/t atau P = V.I. atau P = I.R.I. atau P = V 2 /R Untuk menghitung energi listrik yang terpakai oleh berbagai alat dapat digunakan rumus : Wtot = W + W2 + W3 +., dimana nilai masing-masing energi adalah : W = n. P. t W = energi listrik (Joule) I = kuat arus listrik (mper) kwh = kilo Watt hour P = daya listrik (Watt) R = hambatan listrik (Ohm) = 000 Watt hour (Wh) Q = muatan listrik (oulomb) t = waktu (sekon) V = tegangan listrik (Volt) n = jumlah alat

9 ontoh Soal :. Dalam sebuah rumah terdapat : buah televisi 00 watt menyala 5 jam/hari buah setrika listrik 350 watt dipakai 2 jam/hari Tiga buah lampu masing-masing 5 watt dipakai 0 jam/hari. Jika biaya kwh adalah Rp 200,- dan biaya beban Rp ,- tentukan : a. Energi yang terpakai selama hari (dalam kwh)! b. Energi yang terpakai selama 30 hari (dalam kwh)! c. Biaya total selama 30 hari! Jawab : a. Wt = W + W2 + W3 = n.p.t + n2.p2.t2 + n3.p3.t3 = = = 2350 Wh = 2, 35 kwh b. Wt bulan = 2, 35 x 30 hari = 70, 5 kwh c. Biaya bulan = biaya beban + biaya kwh = Rp ,- + Rp 4.000,- = Rp ,- Tugas 2 Kerjakan dengan cara yang lengkap dan jelas!. Kuat arus yang mengalir melalui sepotong kawat penghantar adalah 3 ampere. Jika beda potensial antara ujung-ujung kawat 5 volt, hitung besarnya hambatan kawat tersebut! 2. Tentukan nilai arus yang terukur pada mperemeter berikut! 500 (m) Perhatikan arus listrik pada titik cabang di bawah ini! Hitung besar I4! 5. Di dalam sebuah kamar terdapat peralatan berikut. No lat Jml Daya Pemakaian. Lampu 5 0 Watt 0 jam/hari 2. Kipas angin 50 Watt 6 jam/hari 3. Televisi 00 Watt 0 jam/hari 4. Setrika 350 Watt 2 jam/hari Jika biaya listrik tiap kwh adalah Rp.000,- hitung : a. Besar energi yang terpakai dalam hari! b. Besar energi yang terpakai dalam bulan (30 hari)! c. Besar biaya yang harus dikeluarkan oleh pemilik kamar dalam bulan tanpa uang beban! I I 2 I 3 I 4 Diketahui : I = 0 m I2 = 7 m I3 = 5 m 4. Hitung besar hambatan pengganti B pada rangkaian di bawah ini! 3Ω 3Ω 6Ω B

10 LTIHN SOL. Sebuah atom dikatakan netral (tidak bermuatan) jika. a. Intinya bermuatan positif b. Elektronnya bermuatan negatif c. Inti dan elektron yang mengelilinginya tidak bermuatan d. Muatan yang terkandung dalam inti sama dengan jumlah muatan elektronnya e. Jumlah elektron lebih banyak dari proton 2. Sifat muatan listrik yang benar adalah. a. Muatan listrik yang tidak sejenis akan tarik-menarik b. Muatan listrik yang sejenis akan tarik-menarik c. Muatan listrik yang tidak sama besar akan tarikmenarik d. Muatan listrik yang tidak sama besar akan tolakmenolak e. Muatan listrik yang sama besar akan tolak-menolak 3. Benda menarik benda B. Benda B menolak benda. Benda menolak benda D. Jika benda D bermuatan negatif, maka dapat disimpulkan bahwa: (2) Benda bermuatan positif (3) Benda B bermuatan positif (4) Benda bermuatan negatif Pernyataan yang benar adalah. a. () dan (2) c. (2) dan (3) e. Hanya (3) b. () dan (3) d. Hanya (2) 6. Perhatikan gambar! Untuk mengukur arus dengan tegangan lampu, maka amperemeter dan voltmeter harus diletakkan pada posisi. a. mperemeter di 2, voltmeter di b. mperemeter di, voltmeter di 5 c. mperemeter di 3, voltmeter di 2 d. mperemeter di 3, voltmeter di 5 e. mperemeter di 5, voltmeter di 4 7. Banyaknya muatan total yang mengalir pada sebatang konduktor setiap detiknya disebut. a. Beda potensial d. Kapasitas kapasitor b. Hambatan e. Potensial listrik c. Kuat arus listrik 8. Kuat arus yang mengalir melalui sepotong kawat penghantar adalah 3 ampere. Jika beda potensial antara ujung-ujung kawat 5 volt, maka besarnya hambatan kawat tersebut adalah. a. 45 ohm c. 5 ohm e. 0,2 ohm b. 20 ohm d. 0,5 ohm 4. Gaya tarik-menarik dua benda bermuatan listrik besarnya sebanding dengan perkalian masing-masing muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatannya adalah bunyi dari hukum. a. oulomb c. Kirchoff e. Newton b. Ohm d. Faraday 9. Berikut ini merupakan faktor-faktor yang berpengaruh terhadap nilai hambatan suatu penghantar, kecuali. a. Panjang kawat penghantar b. Luas penampang kawat penghantar c. Hambatan jenis kawat penghantar d. Massa jenis kawat penghantar e. Kuat arus yang mengalir melalui penghantar 5. Kapasitas suatu kapasitor keping sejajar menjadi lebih kecil apabila. a. Luas permukaan kedua keping diperbesar b. Jarak antar kedua kepingnya diperbesar c. Diisi dengan dielektrik yang konstantanya lebih besar d. Muatan setiap keping dikurangi e. Beda tegangan kedua kepingnya diperkecil 0. Berikut adalah benda-benda yaitu: () Karet (3) Seng (5) Plastik (2) Besi (4) lumunium (6) Kayu Benda yang termasuk konduktor adalah. a. (), (2), dan (3) d. (2), (3), dan (4) b. (), (2), dan (4) e. (2), (5), dan (6) c. (2), (3), dan (5)

11 . Tiga buah hambatan bernilai sama, ketika dirangkai seri hambatan penggantinya 9 ohm. Besar hambatan tersebut masing-masing adalah. a. ohm c. 6 ohm e. 27 ohm b. 3 ohm d. 9 ohm 2. Besar hambatan pengganti B pada rangkaian di bawah ini adalah. 3Ω 3Ω B 6Ω a. 2 ohm c. 4 ohm e. 6 ohm b. 3 ohm d. 5 ohm 3. Perhatikan gambar! R =,5 Ω R 2= Ω R 3=,5 Ω V=2 volt 6. lat-alat di bawah ini yang dimanfaatkan untuk mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah. a. Lampu pijar dan rice cooker b. Lampu pijar dan setrika listrik c. Lampu TL dan kompor listrik d. Kompor listrik dan akumulator e. Kompor listrik dan solder listrik 7. Pada proses pengosongan (pemakaian) akumulator, terjadi perubahan energi. a. Energi kimia energi listrik b. Energi listrik energi kimia c. Energi listrik energi cahaya d. Energi kimia energi cahaya e. Energi kimia energi gerak 8. Sebuah lampu mempunyai hambatan 5 ohm dan dialiri arus sebesar 2 ampere. Energi yang digunakan lampu selama 0 menit adalah. a. 00 J c J e J b..000 J d J Berdasarkan ragkaian di atas, besar kuat arus yang mengalir melalui rangkaian adalah. a. 0,3 c. 3 e. 5 b. 0,4 d Perhatikan arus listrik pada titik cabang di bawah ini! I I 2 I 3 I 4 Diketahui : I = 0 m I2 = 7 m I3 = 5 m 9. Lampu 00 watt, 0 volt bila dipasang pada tegangan 220 volt akan putus karena daya lampu berubah menjadi. a. 50 watt c. 50 watt e. 400 watt b. 00 watt d. 200 watt 20. lat untuk menyambung dan memutus aliran listrik adalah. a. Sekering d. Fiting b. Stop kontak e. Kabel c. Saklar Besar I4 adalah. a. 8 m c. 2 m e. 2 m b. 5 m d. 7 m 5. Nilai arus yang terukur pada mperemeter berikut adalah. 500 (m) a. 8 m c. 40 m e. 500 m b. 80 m d. 400 m