ELEKTROSTATIKA. Kegiatan Belajar 1. Pengertian Elektrostatika

Transkripsi

1 TINJAUAN MATERI Materi fisika ini adalah bagian dari mata pelajaran sains untuk program pembinaan profesi guru (PPG). Materi yang akan disajikan mengacu pada hasil penelitian tingkat pusat materi fisika SMA. Topik-topik yang disajikan dalam pendidikan dan latihan profesi guru disesuaikan dengan hasil penelitian tentang tingkat kesulitan materi fisika SMA. Materi fisika yang akan disajikan menekankan pada pemahaman konsep dasar dan praktik. Disamping itu akan dibahas juga cara menyajikan materi disertai dengan praktik, terutama pada materi-materi yang dianggap sulit untuk diajarkan kepada siswa. Sedangkan materi praktik disesuaikan dengan teori-teori yang telah dipelajari. Dengan melakukan kegiatan praktik diharapkan guru mampu menyajikan materi fisika dengan mudah dan komunikatif, sehingga siswa menjadi lebih tertarik untuk belajar sains, khususnya fisika. Setelah selesai mengikuti program pendidikan dan pelatihan profesi guru, peserta pelatihan diharapkan mampu. Menjelaskan muatan listrik statis pada benda yang berasal dari plastik atau karet 2. Menjelaskan gaya oleh dua muatan atau lebih 3. Menjelaskan medan listrik oleh muatan titik 4. Menjelaskan potensial listrik oleh muatan titik 5. Menjelaskan usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan titik 6. Menjelaskan arus listrik pada rangkaian tak bercabang dan rangkaian bercabang 7. Menjelaskan tegangan listrik pada rangkaian tak bercabang dan rangkaian bercabang 8. Menghitung arus dan tegangan listrik pada rangkaian seri dan paralel 9. Menjelaskaan sumber-sumber tegangan listrik 0. Menjelaskan medan magnet dan cara pembuatan magnet. Menjelaskan medan magnet oleh arus listrik 2. Menjelaskan iduksi elektromagnet 3. Memberi contoh penerapan induksi elektromagnet 4. Menjelaskan Hukum Snellius pada cahaya 5. Menggambarkan jalannya sinar pada cermin datar, cekung dan cembung 6. Menggambarkan jalannya sinar pada lensa cembung dan cekung 7. Menjelaskan pembiasan pada prisma dan kaca planparalel Pada modul pertama membahas tentang listrik statis. Pada modul ini membahas tentang muatan listrik pada benda isolator, teori atom, Hukum Coulomb, medan listrik, potensial listrik, usaha dan energi dalam listrik statis dan penerapan listrik statis dalam kehidupan sehari-hari. Modul kedua membahas tentang rangkaian listrik seri dan paralel, Hukum Kirchoff, Hukum Ohm, Sumber-sumber tegangan, dan alat ukur arus dan tegangan listrik. Modul ketiga membahas tentang medan magnet, gaya magnet, medan magnet oleh arus listrik, induksi elektromagnet dan penerapan elektromagnet dalam kehidupan sehari-hari. Dan modul keempat

2 membahas tentang cahaya, pemantulan pada cermin datar, cermin cekung, dan cermin cembung, pembiasan pada lensa, pembiasan pada prisma dan kaca planparalel. Setiap kegiatan belajar selalu dilengkapi dengan praktik. Agar bapak/ibu guru menguasai materi dan praktik dengan mudah, ikuti petunjuk berikut ini:. Pelajari setiap modul dengan sebaik-baiknya, perhatikan konsep dasarnya 2. Buatlah rangkuman yang memuat tentang konsep-konsep dasar pada setiap modul 3. Kerjakan setiap soal pada latihan pada setiap modul 4. Jika belum paham tanyakan kepada teman sejawat atau pembimbing 2

3 ELEKTROSTATIKA MODUL PENDAHULUAN Dalam modul ini Bapak/Ibu akan mempelajari tentang muatan listrik pada benda isolator, teori atom, Hukum Coulomb, medan listrik, potensial listrik, usaha dan energi dalam listrik statis dan penerapan listrik statis dalam kehidupan sehari-hari. Setelah mempelajari modul ini Bapak/Ibu diharapkan memiliki kemampuan untuk dapat:. Menjelaskan muatan listrik statis pada benda yang berasal dari plastik atau karet 2. Menjelaskan gaya oleh dua muatan atau lebih (hukum Coulomb) 3. Menjelaskan terjadinya induksi muatan pada benda isolator 4. Menjelaskan medan listrik oleh muatan titik 5. Menjelaskan potensial listrik oleh muatan titik 6. Menjelaskan usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan titik 7. Menjelaskan terjadinya induksi listrik pada penangkal petir 8. Menjelaskan penerapan induksi listrik pada kehidupan sehari-hari 9. Melakukan praktik tentang induksi listrik Kemampuan tersebut sangat penting bagi seorang guru SMP atau sederajat karena materi ini sangat dasar dalam pembelajaran di SMP. Guru dapat mengembangkan materi ini sesuai dengan kebutuhan atau kemampuan siswa tempat mengajar. Misalnya di sekolah Bapak/Ibu tidak ada penangkal petir, mesin photocopy, printer, Bapak/Ibu dapat melakukan pembelajaran di luar ruangan untuk melakukan pembelajaran secara langsung dengan mengunjungi tempat-tempat yang ada penangkal petir atau mesin photocopy. Untuk praktik, jika tidak ada elektroskop, Bapak/Ibu cukup melakukan percobaan dengan menggunakan alat sederhana seperti pada petunjuk praktikum. Agar Bapak/Ibu lebih berhasil mempelajari modul ini ikuti petunjuk belajar berikut ini:. Baca dan pahami konsep dasar materi ini, lalu kaitkan dengan kehidupan nyata. 2. Tulis peta konsep tentang materi tersebut, lalu coba jelaskan dengan katakata sendiri. 3. Kerjakan soal-soal latihan dengan tuntas. 4. Jika ada soal yang belum bisa dikerjakan, coba perhatikan rumus dasar tentang materi tersebut. 5. Mantapkan pemahaman anda, dengan cara berdiskusi dengan teman sejawat. 3

4 Kegiatan Belajar ELEKTROSTATIKA Pengertian Elektrostatika Istilah elektron diperkenalkan pertama kali oleh bangsa Yunani lebih dari 2000 tahun yang lalu, bangsa Yunani mendapati bahwa batu ambar, jika digosok dengan kain berbulu dapat menarik benda-benda kecil didekatnya. Gejala ini menunjukkan adanya muatan listrik pada batu ambar yang lebih dikenal dengan listrik statik, yang disebut elektron. Contoh sederhana tentang muatan listrik dapat kita amati pada sebuah kaca yang digosok dengan kain sutera. Ebonit digosok dengan bulu binatang atau kain wol. Sebelum digosok, benda-benda tersebut tidak bermuatan listrik atau netral. Benda yang bermuatan listrik bersifat menarik benda-benda ringan seperti gabus, kertas kecil-kecil dan sebagainya. Mengapa sebuah kaca atau ebonit yang semulanya netral setelah digosok-gossok dengan kain sutera atau ebonit dengan rambut dapat menarik sobekan-sobekan kertas kecil? Bagaimana kaca atau ebonit menjadi bermuatan listrik? Masalah ini adalah proses pemberian muatan secara induksi kepada isolator. Dalam kebanyakan atom atau molekul netral pusat muatan positif berimpit dengan pusat muatan negatif. Kenapa sisir yang telah dimuati dapat menarik kertas-kertas kecil yang netral? Hal ini karena sisir yang bermuatan negatif akan menginduksi muatan negatif pada kertas kecil sehingga pada ujung kertas dekat sisir menajadi kekurangan elektron (bermuatan positif). oleh sebab itu sobekaan sobekan kertas itu akan ditarik oleh sisir. Ada dua jenis muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Batang kaca yang digosok dengan kain sutera disebut bermuatan listrik positif. Batang ebonit yang digosok dengan bulu binatang disebut bermuatan listrik negatif. Muatan listrik yang sejenis saling tolak menolak. Muatan listrik yang tak sejenis saling menarik. Semua zat tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut atom. Atom terdiri dari partikel-partikel yang lebih kecil lagi dan sebagian dari partikelpartikel itu bermuatan listrik. Ditengah-tengah atom terdapat inti atom atau nukleus yang tersusun atas proton dan neutron. Inti atom dikelilingi oleh elektron, yang massanya jauh lebih kecil (836) lebih ringan dibandingakan dengan massa proton. Elektron-elektron tidak selalu terikat di dalam atom. Elektron dapat meninggalkan atomnya dan bergabung dengan atom lainnya. Jika dua benda digosokkan, elektron-elektron dari benda yang satu dapat berpindah ke benda yang lain, sehingga jumlah muataan positif dan negatif masing-masing benda tidak lagi sama. Benda yang atom-atomnya kehilangan elektron akan menjadi kelebihan muatan positif dan sebaliknya. Ikatan elektron pada atomnya berbeda untuk setiap bahan. Itu sebabnya mengapa elektron dapat berpindah dari kaca ke kain sutra. 4

5 Zat-zat yang dapat menghantarkan listrik dengan baik disebut penghantar atau konduktor. Zat-zat yang tidak dapat atau sukar menghantarkan listrik disebut penyekat atau isolator. Termasuk konduktor ialah semua logam, karbon, air raksa, badan manusia, larutan elektrolit, dan tanah basah. Bumi adalah penghantar yang sangat besar sehingga benda yang bermutan listrik akan dinetralkan oleh bumi apabila benda tersebut dihubungkan dengan bumi melalui sebuah penghantar. Termasuk isolator ialah kaca, ebonit, marmer, karet, plastik, sutera, pernis, parafin, udara kering, porselin, sirlak dan lain sebagainya. Isolator yang terbaik ialah udara. Satu-satunya isolator yang sempurna ialah hampa udara (vakum). Kecuali itu masih ada zat yang bersifat setengah penghantar dan setengah isolator. Zat demikian itu dinamakan semi-konduktor. Sebelum kita membahas tentang muatan listrik baik berupa muatan titik maupun terdistribusi dalam suatu bahan, kita lihat dulu bagaimana kedudukan muatan itu dalam suatu atom. Teori Atom Gagasan tentang atom pertama kali dikemukan oleh ahli filsafat Yunani bernama Democritus. Menurut Democritus, bahwa atom adalah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Gagasan yang dikemukakan oleh Demokritus tidak dilandasi dengan eksprimen, sehingga kebenarannya masih diragukan. Bertolak dari teori yang dikemukan oleh Demokritus, banyak para ahli melakukan eksprimen untuk menjelaskan tentang atom, diantaranya:. John Dalton. Berdasarkan eksperimen yang dilakukan oleh John Dalton, yang dilanjutkan dengan mengadakan pengamatan terhadap sub atom dengan menggunakan pelucutan gas, maka model atom Dalton adalah sebagai berikut: Atom adalah pertikel yang terkecil yang tidak dapat dibagi lagi Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain Dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur yang berlainan dapat membentuk molekul Atom-atom suatu unsur semuanya serupa Pada suatu reaksi kimia atom-atom berpisah tetapi kemudian bergabung lagi membentuk susunan baru 2. J.J Thomson. Menurut Thomson, atom terdiri dari muatan positif terbagi merata diseluruh inti atom. Muatan ini dinetralkan oleh muatan elektronelektron yang tersebar diantara muatan positif (seperti Gambar.) Gambar. Model Atom Thomson 3. Rutherford. Berdasarkan eksprimen yang dilakukan oleh Rutherford dimana atom-atom emas ditembaki dengan partikel alpha (α), maka disusunlah suatu teori mengenai model atom, yaitu: 5

6 Muatan positif akan berkumpul pada suatu titik yang berpusat di tengahtengah atom, yang disebut inti atom Di luar inti, terdapat elektron-elektron yang bergerak mengelilingi inti Massa atom hampir seluruhnya terletak pada intinya Atom secara keseluruhnan bersifat netral Inti dan elektron tarik menarik, menyebabkan adanya gaya sentripetal pada elektron, sehingga elektron tetap pada lintasannya masing-masing Pada suatu reaksi kimia inti atom tidak mengalami perubahan, hanya elektron pada lintasan terluarnya yang mengalami perubahan Gambar.2 (a) Atom netra (b) Atom bermuatan positif (c) Atom bermuatan negatif Jika sebuah elektron atau lebih meninggalkan atomnya, maka muatan positif inti lebih banyak daripada jumlah muatan negatifnya. Atom ini disebut muatan positif, dan sebaliknya. Masa proton dan neutron jauh lebih besar dibandingkan dengan masa elektron. Untuk lebih jelasnya perhatikan tabel. Tabel. Massa dan Muatan dari Penyusun Atom Bagian atom Massa Proton, kg Elektron 9, kg Neutron, kg Muatan +, C -, C - Dalam zat pengantar atau konduktor elektron-elektron dapat berpindah-pindah leluasa, sedangkan dalam isolator elektron-elektron sukar berpindah-pindah. Jika batang kaca digosok dengan kain sutera, elektron-elektron kaca berpindah ke kain sutra sehingga kaca bermuatan positif karena kekurangan elektron dan kain sutra bermuatan negatif karena kelebihan elektron. Jika batang ebonit digosok dengan bulu kucing atau bulu binatang lainnya, maka elektron elektron dari bulu kucing berpindah ke ebonit, sehingga bulu kucing bermuatan positif dan ebonit bermuatan negatif. Jika penggosokan dua jenis benda satu sama lain, jumlah muatan listrik positif dan negatif seluruhnya tidak berubah. Hal ini disebut hukum kekekalan listrik. Jadi pada pembangkitan listrik, sesungguhnya tidak ada 6

7 muatan listrik yang diciptakan, yang terjadi adalah pemisahan muatan dari satu benda ke benda lainnya. Hukum Coulomb Dua muatan listrik yang sejenis tolak-menolak dan yang tidak sejenis tarik menarik. Hal ini berarti antara dua muatan terjadi gaya listrik. Bagaimana pengaruh besar muatan dan jarak antara kedua muatan terhadap besar gaya listrik. Coulomb telah menyelidiki hukum tersebut dengan sebuah neraca puntir. Dari eksprimen yang dilakukan pada tahun 786, Coulomb mendapatkan hal berikut. Gaya interaksi antara dua benda titik bermuatan listrik sebanding dengan muatan masing-masing, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut. Gaya interaksi bekerja pada garis penghubung antara kedua benda bermuatan terseut. Selain bergantung kepada kedua besar muatan tersebut dan jarak antara keduanya, besarnya gaya interaksi oleh kedua muatan itu juga dipengaruhi oleh zat antara atau medium kedua muatan tersebut. Kalau kedua benda itu berada dalam minyak ternyata gayanya lebih kecil daripada jika berada di udara. Satuan muatan listrik dalam satuan internasional (SI) ialah Coulomb. Besarnya muatan listrik dinyatakan dengan tanda Q. Hukum Coulomb menyatakan bahwa : Besarnya gaya tarik atau tolak antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan besarnya muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kwadrat jarak antaranya. Gaya interaksi tarik menarik, bila muatan berbeda tanda (Gambar.3); dan tolak menolak, bila bertanda sama (Gambar.4). Peristiwa di atas dikenal dengan nama hukum Coulomb. Secara matematika kita dapat menuliskan hukum Coulomb seperti di bawah (persamaan -). Gambar.3 Muatan yang Berlawanan Jenis saling Sarik Menarik 7

8 Gambar.4 Muatan yang Sejenis saling Tolak Menolak F2 QQ2 rˆ2 4 o r22 (.) Dimana: Q = besar muatan pertama (C) Q2 = besar muatan kedua (C) r2 = jarak antar muatan (m) r2 = vektor jarak antar muatan = tetapan pembanding (Nm2/C2) 4 o Persamaan. di atas adalah bentuk vektor dari Gaya Coulomb. Adapun bentuk persamaan besar Gaya Coulomb adalah: QQ2 F2 (.2) 4 o r22 Beberapa hal penting sehubungan dengan persamaan (.) atau (.2). Tetapan pembanding diambil berbentuk, agar rumus yang diturunkan 4 o dari persamaan (.) tidak mengandung faktor 4. Tetapan o disebut permitivitas vakum, o = 8,85 0-2C2/Nm2. Bentuk hukum Coulomb dengan tetapan pembanding ini berlaku bila digunakan sistem satuan 4 o MKS. Dalam sistem satuan MKS muatan listrik mempunyai satuan Coulomb. 2. Bila muatan Q dan Q2 mempunyai tanda sama maka terjadi tolak-menolak, Q ditolak oleh Q2. Bila Q dan Q2 berlainan tanda maka terjadi tarik-menarik, Q ditarik oleh Q2. 3. Persamaan (.) dan (.2) hanya berlaku bila kedua muatan titik Q dan Q2 ada dalam vakum. Untuk medium isolator persamaan (.) tetap, hanya saja tetapan pembandingnya berbeda. 8

9 Gaya oleh beberapa buah muatan Gaya Coulomb merupakan besaran vektor sehingga apabila suatu muatan mengalami lebih dari satu gaya yang bekerja padanya, harus dijumlahkan secara vektor. Misalkan kita mempunyai empat buah muatan Q, Q2, Q3, dan Q4 berada dalam ruang dua dimensi, maka besarnya gaya yang dialami oleh salah satu muatan misalnya muatan Q3 dapat dirumuskan sebagai berikut. Q (+) F2 Q2 (-) F23 Q3 (+) r23 r2 Secara vektor, gaya resultan pada Q3 oleh Q2 dan Q adalah Sedangkan besarnya adalah: F total F 2 F23 Ftot F23 F2 Q2 Q3 Q2 Q 2 2 r2 r23 F tot adalah gaya total yang dialami oleh muatan Q2 Ftot k k 4 o = 9 07 Nm2/C2 Jadi gaya pada Q2 oleh beberapa muatan titik adalah superposisi gaya interaksi antara Q2 dengan masing-masing muatan. Pernyataan ini dikenal sebagai prinsip superposisi pada interaksi coulomb. Contoh Soal,. Tiga buah muatan titik masing-masing Q = 2C, Q2 = -3C dan Q3 = 2C terletak pada satu garis lurus yang masing-masing berjarak r = 3m dan r2 = 2 m seperti pada Gambar berikut, Q r Q2 r2 Q3 Hitung gaya yang dialami oleh muatan Q2. Penyelesaian F2 Q r Q2 F23 r2 Q3 9

10 Q2 Q3 Q2 Q 2 2 r r2 F k 3 x 2 3x F = 7,56 0 N F Jadi besarnya gaya 7,56 07 N arah ke kanan. Medan Listrik Medan listrik adalah daerah atau ruang di sekitar benda bemuatan listrik, dimana sebuah benda yang bermuatan listrik mengalami gaya listrik. Atau dapat juga dikatakan suatu besaran yang mempunyai harga pada tiap titik dalam ruang. Medan listrik dapat dinyatakan dengan garis-garis gaya yang dihasilkan oleh muatan listrik, seperti pada Gambar.5 di bawah ini. a. Muatan positif b. Muatan negatif Gambar.5 Arah Medan Listrik Secara matematis dapatlah kita katakan, medan adalah sesuatu yang merupakan fungsi kontinue dari posisi dalam ruang. Temperatur dalam ruang adalah suatu medan, yaitu medan tempratur, karena mempunyai harga pada setiap titik dalam ruang. Beberapa medan dalam hal ini adalah medan skalar. Gaya Coulomb di sekitar suatu muatan listrik juga membentuk medan, yaitu medan gaya listrik atau lebih dikenal dengan sebutan medan listrik. Di mana kita tempatkan suatu muatan lain yang kita sebut muatan uji, muatan uji tersebut akan mendapat gaya interaksi. Muatan uji harus cukup kecil sehingga tak mempengaruhi muatan sumber. Dalam membahas suatu medan, orang menggunakan pengertian kuat medan. Untuk medan gaya Coulomb, kuat medan listrik adalah vektor gaya coulomb yang bekerja pada suatu satuan muatan yang kita letakkan pada suatu titik dalam medan gaya ini. Kuat medan listrik, kita nyatakan dengan E r. Muatan yang menghasilkan suatu medan listrik disebut muatan sumber. Misalkan kita mempunyai muatan sumber berupa muatan titik seharga q. Kuat medan listrik adalah: E r q rˆ 4 o r 2 (.3) Bila kita hanya membicarakan besarnya kuat medan listrik, maka 0

11 E q 4 o r 2 (.4) Hubungan antara kuat medan listrik dengan gaya coulomb adalah E F q' (.5) Ketentuan-ketentuan dari persamaan (.3) Hubungan tersebut hanya berlaku, bila muatan sumber berupa titik Pusat sistem koordinat ada pada muatan sumber Besaran yang digunakan harus dalam sistem satuan MKS Hubungan di atas hanya berlaku di ruang vakum atau udara. Medan listrik oleh distribusi muatan listrik Kuat medan listrik pada suatu tempat apabila dipengaruhi oleh beberapa muatan titik dijumlahkan secara vektor sama seperti pada Gaya Coulomb. Potensial listrik Potensial listrik disebabkan karena adanya gaya tolak-menolak muatan sejenis sehingga masing-masing berusaha untuk mengambil tempat sejauh-jauhnya terhadap muatan listrik lainnya yang sejenis. Setiap titik dalam medan selalu mempunyai kuat medan listrik yang merupakan besaran vektor dan potensial listrik merupakan besaran skalar. Bila potensial itu ditimbulkan oleh muatan titik, maka besarnya potensial tersebut sejauh r adalah: Vp = Q 4 o r (.6) Untuk sejumlah muatan titik yaitu : q, q2, q3,... qn, masing-masing pada jarak r, r2, r3,... rn, maka: q q q2... n Vp = (.7) 4 o r r2 rn Untuk memindahkan elektron diperlukan usaha. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari B ke A persatuan muatan disebut potensial listrik. Potensial listrik dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut: Q r2 B r A

12 VA = Q 4 o r VB = Q 4 o r W = Ep2 - Ep W = k qq qq k r2 r W = q(vb - VA) Keterangan: V q W (.8) = potensial listrik satuannya Volt = muatan satuannya Coulomb = usaha satuannya Joule Potensial listrik seesar Volt antara dua titik jika diperlukan usaha Joule untuk memindahkan muatan coulomb antara dua titik terseut. joule Volt = coulomb Induksi Muatan Listrik Mistar plastik yang sudah digosok dengan kain wol, akan menarik kertas-kertas kecil. Sebuah benda yang bermuatan listrik negatif, kemudian didekatkan dengan benda yang mula-mula netral. Elektron pada ujung netral yang berdekatan dengan benda bermuatan positif menjadi negatif, sedangkan ujung lainnya bermuatan positif. Peristiwa terjadinya muatan listrik pada ujung-ujung benda tersebut dinamakan induksi listrik. Jadi induksi listrik atau influensi adalah pemisahan muatan listrik pada sebuah benda karena di sekitar benda itu ada benda yang bermuatan listrik. Konsep induksi muatan listrik ini dapat dijelaskan terjadinya peristiwa mistar plastik menarik sobekan-sobekan kertas-kertas kecil. Jika mistar plastik digosok dengan kain wol mengakibatkan mistar plastik bermuatan negatif. Kemudian didekatkan dengan sobekan kertas-kertas kecil, maka elektron didorong ke bagian lain, sehingga kertas kecil bermuatan positif. Hal ini mengakibatkan plastik dan kertas saling tarik-menarik. Sisi yang terdekat pada benda yang bermuatan listrik akan bermuatan berlawanan dan sisi yang terjauh dari benda itu akan mendapat muatan yang sejenis dengan benda yang didekatkan. Jadi induksi adalah pemisahan muatan listrik di dalam suatu penghantar karena penghantar itu didekati oleh benda yang bermuatan listrik. Konsep ini, kemudian diterapkan dalam pembuatan elektroskop dan memuati elektroskop dengan jalan induksi. 2

13 Elektroskop Elektroskop yang digunakan untuk menguji apakah suatu benda bermuatan atau tidak. Secara umum elektroskop terdiri atas kepala elektroskop yang berupa tutup logam daun elektroskop yang berupa kertas aluminium yang sangat tipis atau kertas emas. Apabila kepala elektroskop yang netral didekatkan dengan sebatang kaca yang telah digosokan dengan kain sutera (muatan positif), maka elektron-elektron yang berada pada daun dan pelat elektroskop ditarik oleh kaca yang bermuatan listrik positif menuju ke kepala elektroskop. Akibatnya kepala elektroskop bermuatan listrik negatif, sehingga pelat dan daun elektroskop menjadi kekurangan elektron (bermuatan positif), hal ini mengakibatkan daun elektroskop menjadi mekar. Apabila kepala elektroskop itu disentuh denga jari, maka daun elektroskop itu akan menguncup, hal ini karena elektron dari bumi mengalir melalui tangan, sehingga dapat menetralkan daun elektroskop. Gambar.6 Cara Kerja Elektroskop Konsep induksi pada alam Kilat adalah bunga api listrik yang terjadi dari awan ke awan atau dari awan ke tanah dan sebaliknya. Karena gesekan dengan udara, sekumpulan awan dapat memperoleh muatan listrik yang sangat kuat. Muatan listrik ini berusaha mencari jalan sesingkat-singkatnya untuk mengalair ke bumi. Oleh karena itu pohonpohon dan gedung-gedung yang tinggi sering menjadi sasaran sambaran petir. Untuk menyelamatkan sebuah gedung yang tinggi dari sambaran petir, maka gedung dilengkapi dengan alat penangkal petir. Azas kerja penangkal petir adalah berdasarkan sifat bahwa penghantar yang berujung runcing itu dapat melepaskan muatan yang dikadungnya, sedangkan ujung runcing yang netral mempunyai daya isap terhadap muatan listrik. Bagian utama sebuah penangkal petir itu terdiri dari batang-batang logam yang meruncing yang dipasang di atas gedung. Batang-batang tersebut dihubungkan satu sama lain oleh penghantar yang besar dan berakhir pada sebuah lempeng tembaga yang ditanam di dalam tanah. Kalau ada petir, maka muatan listrik akan mengalir melalui ujung runcing penangkal petir melalui kawat-kawat penghantar terus ke bumi sehingga tidak membahayakan gedung. Misalnya ada awan yang bermuatan positif berkumpul di atas penangkal petir, maka awan itu akan 3

14 mengadakan induksi kepada bumi sehingga muatan-muatan negatif akan berkumpul di ujung penangkal petir. Bila muatan terlalu besar, atau awannya terlalu dekat bumi akan menjadi loncatan bunga api. Tetapi dapat juga terjadi untuk muatan yang tidak terlalu besar. Muatan-muatan negatif yang dilepaskan oleh ujung runcing itu diberikan kepada udara di sekitarnya. Molekul-molekul udara yang bermuatan negatif ini bergerak menuju ke awan positif. Lamakelamaan muatan berkurang sehingga tida dapat menimbulkan loncatan bunga api. RANGKUMAN Elektrostatika adalah muatan yang tidak berubah terhadap waktu atau muatan yang diam. Jika dua muatan sejenis didekatkan maka akan tolak-menolak dan dua muatan tak sejenis akan terjadi tarik menarik. Besarnya gaya tarik atau tolak antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan besarnya muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antaranya. qq Pernyataan diatas dapat dirumuskan dengan persamaan F k 2 2. Disamping r terjadi gaya antara dua muatan, muatan listrik dapat juga menimbulkan medan q listrik disekitarnya yang besarnya adalah E k 2. Sedangkan kemampuan r membawa muatan dari jauh tak hingga ke suatu titik tertentu disebut potensial listrik yang dirumuskan sebagai V k memindahkan muatan adalah W V.q. q. r Usaha yang dilakukan untuk Konsep induksi muatan listrik ini dapat dijelaskan terjadinya peristiwa mistar plastik menarik sobekan-sobekan kertas-kertas kecil. Penerapan induksi listrik terdapat pada penangkal petir, mesin fotocopi, printer, dan lain-lain. Soal Latihan. 2. Tiga buah muatan titik q, q2 dan q3 yang masing-masing bermuatan 2 0-6C (positif) C (positif) dan 5 0-6C (negatif) terletak pada sebuah garis lurus. Jika jarak q dan q2 adalah 3 m dan q2 dan q3 adalah 2 m, gaya elektrostatika yang dialami oleh q adalah... a. 0,6 0-3 ke kiri. b. 0,6 0-3 ke kanan. c. 2,4 0-3 ke kanan. d. 2,4 0-3 ke kiri Medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan q, jika q(-4,0) = 5C, pada titik (0,3). Adalah... a. k ( 4i 3 j ). 5 b. k ( 4i 3 j ). 25 c. k ( 4i 3 j ). 5 d. k (4i 3 j ) Tiga partikel bermuatan terdistribusi sebagai berikut: q(0,3) = 0 C, q2(4,3) = 5 C, q3(4,0) = -0 C. Gaya yang dialami oleh q3 adalah i ( j ) a. 0k( b. 0k( 40i 30 5 j )

15 c i 30 5 j d. 0k( 40i 30 5 j ) Untuk memindahkan 2,5 coulomb muatan listrik diperlukan energi sebesar 2,5 Joule. Beda potensial tegangan tersebut adalah... a. 0,2V, b. 5,0V, c. 0,0V d. 5,0V Jika benda A menarik benda B, benda B menarik benda C, dan benda C menolak benda D yang bermuatan negatif, maka muatan benda A, B, dan C berturut-turut adalah... a. negatif, positif, positif. b. negatif, negatif, positif c. positif, negatif, positif. d. negatif, positif, negatif Tiga partikel bermuatan terdistribusi sebagai berikut: q(0,5) = 0 C, q2(5,5) = 5C, q3(5,0) = -0 C. Besarnya medan listrik pada muatan q3 adalah... Potensial listrik yang ditimbulkan oleh muatan q(-4,0) = 5C, Adalah 5 Volt, maka usaha yang dilakukan dalam memindahkan muatan tersebut adalah... a. 20 Joule, b. 35 Joule, c. 45 Joule, d. 75 Joule Dua muatan masing-masing 9 C dan 4 C, gaya tolak kedua muatan tersebut adalah 4 N, Jika konstanta listrik ruang hampa adalah k, maka jarak kedua muatan tersebut adalah... a. 3 k b. k 3 c. 3k d. 3k Usaha yang diperlukan untuk memindahkan dua muatan (k =9 09 N.m/C2) yang masing-masing besarnya 2C dan 3C dari jauh tak hingga ke suatu titik, sehingga posisi kedua muatan berjarak 4 m adalah... a. 3,5 09 b.,35 09 c. 0,35 09 d Sebutir debu massanya 0,05 gr dapat mengapung bebas di dalam medan listrik. Bila debu itu bermuatan 0 uc dan g = 0 m/s 2, maka besarnya kuat medan listri yang mempengaruhi muatan debu itu adalah... N/C a. 5 N/C. b. 50 N/C. c. 500 N/C d N/C 5

16 Kegiatan Belajar 2 Kerja Praktik I. Tujuan Praktikum. Dapat menunjukkan adanya muatan listrik statik pada suatu bahan tertentu 2. Menunjukkan adanya gaya Coulomb pada dua benda yang bermuatan 3. Menunjukkan adanya induksi muatan pada benda isolator 4. Memberi contoh penerapan gaya elektrostatika dalam kehidupan nyata II. Alat dan Bahan. Pipa paralon 2. Penggaris plastik 3. Kain wol 4. Ebonit 5. Kepingan kaca 6. Benang ( m) 7. Elektroskop Kegiatan. a) Mistar plastik digosok dengan kain wol b) Terjadi perpindahan elektron dari kain wol ke mistar plastik c) Mistar plastik menjadi kelebihan elektron dan kain wol kekurangan elektron, sehingga mistar plastik menjadi bermuatan negatif Gambar. 7 Mistar digosok dengan kain wol Amati apa yang terjadi, jika penggaris didekatkan dengan sobekan-sobekan kertas kecil. Buat analisis tentang muatan pada penggaris dan kain wol yang telah digosok-gosokkan tadi! Kenapa hal tersebut terjadi (jelaskan dengan konsep teori atom)? Kegiatan 2 a) Batang kaca digosok dengan kain sutra b) Terjadi perpindahan elektron dari batang kaca menuju kain sutra c) Batang kaca kekurangan elektron dan kain sutra kelebihan elektron, sehingga batang kaca menjadi bermuatan positif 6

17 Gambar.8 Kaca digosok sutra Kegiatan 3 ) Batang kaca yang sudah bermuatan positif dan mistar plastik yang sudah bermuatan negatif saling didekatkan, Gambar.9 (b). begitu juga sebaliknya pada Gambar.9 (d). Amati apa yang terjadi? 2) Batang kaca yang bermuatan positif didekatkan dengan batang kaca bermuatan positif juga, Gambar.9 (c). Begitu juga sebaliknya jika mistar plastik yang bermuatan negatif didekatkan dengan mistar plastik bermuatan negatif, Gambar.9 (a). Jelaskan kenapa hal tersebut terjadi? 3) Apa kesimpulan anda tentang kegiatan 3? Gambar.9 interaksi yang terjadi pada benda-benda bermuatan listrik Kegiatan 4 ) Benda bermuatan listrik negatif (penggaris yang telah digosok-gosokkan dengan kain wol atau rambut) didekatkan dengan elektroskop, Perhatikan Gambar.0 a. Tuliskan hasil pengamatan anda, kenapa demikian? 2) Bila bagian batang elektroskop dihubungan dengan tanah atau dipegang oleh kawanmu, sementara penggaris tetap berada didekat kepala elektroskop Perhatikan Gambar.0 b. Apa yang terjadi? 3) Setelah hubungan dengan tanah di lepas, dan penggaris tetap berada didekat kepala elektroskop, apa yang terjadi? 7

18 Gambar.0 Percobaan dengan elektroskop Kegiatan 5 ) Benda bermuatan listrik positif (kaca yang telah digosok-gosokkan dengan kain wol) didekatan dengan elektroskop P, Perhatikan Gambar. a. Amati apa yang terjadai pada daun elektroskop? 2) Bila sisi B (ujung elektroskop dihubungkan dengan tanah atau dipegang oleh salah satu temanmu), apa yang terjadi pada daun elektroskop? 3) Lepaskan hubungan ke tanah, sementara batang kaca tetap dekat di kepala elektroskop? Amati apa yang terjadi pada daun elektroskop? 4) Jauhkan batang kaca tersebut, apa yang terjadi pada daun elektroskop? Gambar. Penambahan muatan dengan cara ground 8

19 LISTRIK DINAMIS MODUL 2 PENDAHULUAN Dalam modul ini Bapak/Ibu akan mempelajari tentang listrik dinamis, seperti membahas tentang rangkaian listrik seri dan paralel, Hukum Kirchoff, Hukum Ohm, Sumber-sumber tegangan, dan alat ukur arus dan tegangan listrik, serta penerapan dalam kehidupan sehari-hari. Setelah mempelajari modul ini Bapak/Ibu diharapkan memiliki kemampuan untuk dapat:. Menjelaskan arus listrik dan tegangan pada rangkaian tak bercabang dan rangkaian bercabang 2. Menghitung besarnya arus dan tegangan pada rangkaian seri dan paralel 3. Menjelaskan hukum Kirchoff pada rangkaian tak bercabang dan bercabang 4. Menjelaskan sumber-sumber tegangan listrik 5. Menjelaskan proses pengisian dan penggunaan aki 6. Menjelaskan arus listrik pada dinamo Kemampuan tersebut sangat penting bagi seorang guru SMP atau sederajat karena materi ini sangat dasar dalam pembelajaran di SMP. Guru dapat mengembangkan materi ini sesuai dengan kebutuhan atau kemampuan siswa tempat mengajar. Agar Bapak/Ibu lebih berhasil mempelajari modul ini ikuti petunjuk belajar berikut ini:. Baca dan pahami konsep dasar materi ini, lalu kaitkan dengan kehidupan nyata. 2. Tulis peta konsep tentang materi tersebut, lalu coba jelaskan dengan kata-kata sendiri. 3. Kerjakan soal-soal latihan dengan tuntas. Jika ada soal yang belum bisa dikerjakan, coba perhatikan rumus dasar tentang materi tersebut. 4. Mantapkan pemahaman anda, dengan cara berdiskusi dengan teman sejawat Kegiatan Belajar 9

20 LISTRIK DINAMIS Arus Listrik Searah Pada mulanya arus listrik itu diperkirakan semacam zat alir, seperti air yang mengalir melalui kawat. Teori di atas tidak benar, arus listrik itu tidak lain adalah gerakan elektron-elektron melalui konduktor dari potensial rendah ke potensial tinggi. Aliran elektron terjadi bila ada perbedaan potensial (tegangan listrik). Beda potensial itu dapat dihasilkan oleh elemen listrik seperti elemen Volta, batu baterai dan aki. Muatan listrik dapat mengalir pada rangkaian disebabkan oleh beda potensial (tegangan listrik). Besarnya arus listtrik yang mengalir dalam rangkaian dapat diukur dengan alat yang disebut amperemeter yang dipasang secara seri pada rangkaian. Sedangkan beda potensial listrik diukur dengan menggunakan Voltmeter yang dipasang secara paralel terhadap hambatan yang akan diukur beda potensialnya. Untuk keperluan rangkaian listrik kadang-kadang kita memerlukan lebih dari sebuah penghambat yang saling digabungkan baik seri maupun paralel. Pengukuran beda potensial listrik dilakukan secara paralel sedangkan untuk mengukur arusnya ampere meter dihubungkan secara seri. Dari hasil pengukuran ternyata bahwa perbandingan antara beda potensial dengan kuat arus adalah konstan, jika suhu tetap. Pernyataan ini disebut hukum Ohm. Jika beda potensial dinyatakan dengan V dan kuat arus dengan I maka besarnya hambatan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut V R I Besaran R untuk suatu konduktor tertentu nilainya tetap. Untuk sembarang konduktor besaran R umumnya mempunyai nilai berbeda. Gaya Gerak Listrik Sebatang logam yang panjang, berada dalam medan listrik E Gambar 2., maka elektron-elektron bebas akan mendapat gaya medan listrik dan bergerak ke kiri (arah medan ke kanan). E Gambar 2. Logam yang berada dalam pengaruh medan listrik Ujung kanan menjadi positif karena ditinggalkan oleh elektron. Selanjutnya dalam logam akan timbul medan listrik induksi E. Makin banyak muatan induksi yang terkumpul pada ujung logam, makin kuat pula medan induksi E. Akhirnya harga kuat medan induksi E sama dengan kuat medan luar E. Sedangkan di 20

21 dalam logam kuat medan totalnya menjadi nol. Dalam hal ini potensial kedua ujung logam menjadi sama besar. Pada keadaan ini aliran elektron akan terhenti dan pada kedua ujung logam terjadi muatan induksi. Agar aliran elektron bebas berjalan terus, maka diusahakan muatan induksi terus diambil, sehingga dalam logam tidak timbul medan listrik induksi. Alat yang dapat menghasilkan aliran elektron bebas atau arus listrik yang terus bertahan disebut sumber gaya gerak listrik. Gaya gerak listrik adalah kemampuan untuk membuat agar beda potensial kedua ujung logam tetap harganya. Beberapa Alat Ukur Arus dan Beda Potensial Listrik. Meter dasar (Basic meter) Meter dasar ini dapat digunakan sebagai galvanometer, sebagai amperemeter (bila dipasang shunt, dan sebagai Voltmeter bila dipasang multiplier) tanpa shunt atau multiplier arus yang dapat diukur adalah 0 µa hingga 00 µa). Jangan sekali-sekali memasukkan terminal basic meter ini langsung pada sumber tegangan. Shunt Ampere dan 5 Ampere 2. Shunt adalah alat tambahan yang dapat dipasang pada basic meter. Gunanya adalah untuk memperbesar daya ukur basic meter sehingga dapat digunakan untuk mengukur arus dari 0 A A atau dari 0 A 5 A. Ada Shunt yang mempunyai batas ukur antara 0 50 ma dan 0 00 ma. Dengan shunt ini basic meter mampu mengukur arus antara 0 5 ma atau 0 00 ma. 3 Multimeter Alat ini digunakan untuk mengukur tegangan bolak-balik (AC) efektif. Disamping digunakan mengukur tegangan AC, juga dapat digunakan untuk mengukur tegangan searah (DC), kuat arus searah (DC) dan hambatan. Ingat kata multi, berarti banyak yang dapat diukur. Hukum Ohm Dalam banyak pemakaian, arus listrik yang mengalir mempunyai harga konstan. Hal ini berarti rapat arus J juga tetap, dan selanjutnya kecepatan rata-rata pembawa muatan juga tetap besarnya. Jika dalam kawat ada medan listrik E pembawa muatan q bekerja gaya F yang besarnya bergantung pada E, dengan kecepatan konstan. Hal ini terlintas melanggar hukum II Newton. Seharusnya pembawa muatan bergerak dipercepat. Sebetulnya hal ini tidak demikian. Gaya qe bukanlah satu-satunya gaya yang bekerja pada pembawa muatan, tetapi ada gaya lain pada pembawa muatan yaitu gaya gesekan. Pada waktu bergerak dalam logam, pembawa muatan tidak bergerak pada satu garis lurus, tetapi selalu betumbukan dengan atom logam. Dalam tumbukan ini terjadi perpindahan energi. Makin cepat gerak pembawa muatan, makin banyak pula tumbukan yang dialami tiap satuan waktu. Secara rata-rata pembawa muatan akan terus kehilangan energi, ini tak lain merupakan akibat hukum II termodinamika. Akibat tumbukan ini, pembawa muatan bergerak dengan kecepatan rata-rata tetap, dan logam menjadi panas. Bertambah panasnya logam berkaitan dengan hukum Joule yang akan dibahas secara terpisah. 2

22 Pengaruh tumbukan terhadap gerak pembawa muatan dapat dinyatakan dengan gaya gesekan yang bekerja pada pembawa muatan. Persoalan ini mirip dengan gerak peluru yang jatuh pada gliserin/fluida, seperti pada Gambar 2. Peluru jatuh dalam fluida Karena gaya gesekan Stokes f sebanding dengan laju v, pada suatu saat harga f sama dengan gaya berat mg. Setelah keadaan ini tercapai peluru bergerak dengan kecepatan konstan yang disebut kecepatan akhir. Analog dengan gerak peluru dalam fluida, kecepatan rata-rata akhir pembawa muatan haruslah konstan dan sebanding dengan kuat medan listrik E. Akibatnya, rapat arus juga sebanding dengan kuat medan listrik E. Secara matematis, hal ini dapat dituliskan: J = E (Hukum Ohm) (2.) Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Ohm, Tetapan listrik. disebut konduktivitas Hambatan suatu penghantar sangat bergantung pada - Panjang penghantar, artinya makin paanjang kawat, hambatannya makin besar - Luas penampang penghantar, artinya semakin luas penampang penghantar atau semakin besar penghantar hambatannya semakin kecil - Jenis penghantar, artinya untuk jenis penghantar yang berbeda, hambatannya juga berbeda. Secara matematis, hambatan pada suatu penghantar diberikan pada persamaan 2.2 R l A (2.2) dimana: = resistivitas atau hambatan jenis (Ohm meter) l = panjang kawat (meter) A = luas penampang kawat (m2) Bentuk lain dari Hukum Ohm adalah: V I.R (2.3) dimana: V = Tegangan (Volt) I = Kuat arus listrik (A) 22

23 R = Hambatan (Ohm) rumus ini lebih familiar dikalangan siswa sebagai Hukum Ohm dibandingkan dengan persamaan J = E. Hukum I Kirchoff Hukum I Kirchoff membahas tentang kuat arus listrik pada rangkaian tak bercabang dan rangkaian bercabang. Pada Gambar 2.2 terlihat bahwa arus pada rangkaian tak bercabang di mana-mana sama. Sedangkan tegangannya berbeda pada setiap beban (lampu) yang hambatannya berbeda. Secara matematik hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut: I I 2 I, dan V V Gambar 2.2 Arus listrik pada rangkaian tak bercabang Pada rangkaian bercabang Hukum I Kirchoff adalah jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah kuat arus yang meninggalkan titik cabang itu. Jika beban (hambatan) yang dipasang pada setiap titik cabang berbeda, maka kuat arus yang mengalir pada setiap titik cabang akan berbeda pula, sedangkan tegangannya akan sama pada setiap titik cabang yaitu sebesar tegangan sumber. Agar lebih jelas, perhatikan Gambar 2.3 di bawah ini. Gambar 2.3 Arus listrik pada rangkaian bercabang Kuat arus dan tegangan dalam rangkaian bercabang dapat dirumuskan sebagai berikut: I masuk I keluar, dan V V V2 23

24 Rangkaian Seri Susunan hambatan dalam rangkaian melibatkan lebih dari satu hambatan baik seri maupun paralel. Susunan seri yaitu hambatan disusun secara berurutan (Gambar 2.4). R a R2 R3 b c d Gambar 2.4 Rangkaian seri Susunan hambatan seri berlaku: - Kuat arus yang mengalir pada tiap-tiap hambatan sama besar - Potensial total sama dengan jumlah potensial masing-masing hambatan. Vad Vab Vbc Vcd Rtot.I R I R2 I R3 I Rtot I I R R2 R3 Rtot R R2 R3 ( 2.4) Keterangan: Rtot = Hambaran total (Ω) Susunan Paralel Susunan hambatan paralel yaitu hambatan yang dipasang secara sejajar seperti Gambar 2.5. R R2 a b R3 Gambar 2.5 Rangkaian Paralel Pada susunan paralel berlaku: - Kuat arus total yang mengalir sama dengan jumlah kuat arus yang mengalir pada tiap-tiap hambatan. - Beda potensial pada tiap-tiap hambatan sama dengan beda potensial pada sumber. I tot I I 2 I 3 V V 2 V3 Vab I tot I I 2 I 3 Vab Vab Vab Vab Rtot R R2 R3 24

25 Rtot R R2 R3 ( 2.5) Keterangan: Rtot = tegangan total Tegangan Jepit Beda potensial antara kutub-kutub baterai atau elemen disebut gaya gerak listrik (GGL). Gaya gerak listrik diberi simbol. Di dalam rangkaian tertutup terjadi arus listrik yang berasal dari sumber tegangan baterai/elemen. Di dalam baterai terdapat hambatan elektrolit yang dinamakan hambatan dalam ( r ), sedangkan hambatan R disebut hambatan luar (hambatan beban). Adanya hambatan dalam pada sumber tegangan menyebabkan tegangan jepit selalu lebih kecil dari harga GGL, artinya ada tegangan yang hilang, sebesar: V I.r, dan tegangan jepitnya : V I.Rtot, dengan I Sehingga GGL menjadi V V atau R r I (R r) (2.6) Contoh: GGL sebuah baterai adalah 2 V, hambatan dalamnya 0,, dihubungkan dengan sebuah hambatan,9. a. Hitung kuat arus listriknya! b. Berapa besar tegangan jepitnya c. Berapa beda potensial yang hilang Solusi: 2 6A = R r 2 b. V I R = 6.,9,4 V c. V I.r = 6.0, 0,6 V a. I Rangkaian Baterai Gaya gerak listrik sebuah baterai yang dipasang secara seri (Gambar 2.6) yang terdiri dari n baterai yang masing-masing mempunyai gaya gelak listrik Volt sama dengan n Volt. Bila hambatan dalam baterai masing-masing r, maka hambatan dalam seluruh baterai adalah nr. Kalau kutub positif baterai secara berturut-turut dihubungkan dengan kutub negatif baterai oleh sebuah hambatan luar sebesar R, maka besarnya kuat arus yang mengalir dalam rangkaian adalah n I nr R ( 2.7) Gambar 2.6 Rangkaian seri Baterai 25

26 Jika n buah baterai dihubungkan dengan paralel, dan hambatan dalam baterai masing-masing r maka hambatan dalam baterai sama dengan r / n. Kalau kutub positif baterai secara berturut-turut dihubungkan dengan kutub negatif baterai oleh sebuah hambatan luar sebesar R maka besarnya kuat arus yang mengalir dalam rangkaian adalah I r ( 2.8) n R Pada hubungaan paralel, kutub-kutub senama elemen-elemen itu dihubungkan satu sama lain menjadi satu, maka beda potensial antara kutub positif dan kutub negatif baterai sama dengan beda potensial antara kutub positif dan negatif masing-masing baterai, jadi GGl baterai sama dengan GGL masing-masing elemen. Contoh: Dua buah elemen, masing-masing dengan GGL 2 V dan hambatan dalamnya 0,5 disusun secara paralel. Kedua kutub baterai itu saling dihubungkan dengan sepotong kawat yang hambatannya,9. Hitung tegangan jepit baterai itu? Solusi: 2 I r = A 2 n R V I.R.,9,9 V Gambar 2.7 Rangkaian paralel baterai Sumber Listrik Arus Searah Terjadinya arus searah adalah apabila pada suatu sumber listrik memiliki muatan kutub-kutubnya tetap atau tidak berpindah-pindah, seperti elemen primer, elemen sekunder dan dinamo arus searah. Elemen primer terdiri dari elemen Volta, elemen Leclanche dan elemen kering atau yang lebih lazim disebut batu baterai. Elemen Volta Elemen Volta ditemukan pada tahun 800 oleh Alessandro Volta. Dalam penemuannya bahwa berbagai logam dalam larutan asam atau garam dapat digunakan sebagai elemen sederhana. Misalnya dua batang logam yaitu seng (Zn) dan tembaga (Cu), yang dicelupkan dalam larutan asam sulfat (H2SO4). 26

27 Gambar 2.8 Elemen Volta Kedua ujung logam ini sebagai beda potensial, jika dihubungkan dengan kawat penghantar, maka akan terjadi aliran elektron dari seng ke tembaga. Besarnya beda potensial ini dapat dilihat pada Voltmeter. Peristiwa ini dapat terjadi karena larutannya lempeng seng ke dalam asam sulfat menjadi ion-ion positif (Zn 2+), menurut reaksi Zn Zn e. Jadi tiap atom yang larut dalam air akan meninggalkan dua elektron dalam lempeng seng. Sementara itu setiap molekul asam sulfat (H2SO4) dalam air pecah menjadi dua ion H + dan satu ion SO42-, menurut persamaan H2SO4 2H+ + SO42Ion hidrogen ini akan menetralkan muatan positifnya dengan mengambil dua elektron dari lempeng tembaga menjadi gas hidrogen, sehingga terbentuk gelombung-gelombung gas pada lempeng tembaga. Karena diambil dua elektronnya, maka lempeng tembaga kekurangan dua elektron. Hal ini memungkinkannya untuk menarik kelebihan elektron pada lempeng seng melalui kawat penghantar. Namun aliran elektron dari seng ke tembaga ini tak dapat berlangsung lama, hal ini disebabkan karena tumpukan gas hidrogen pada lempeng tembaga proses dinamakan proses polarisisasi. Untuk menghilangkan efek ini maka dalam larutan elektrolit harus dimasukkaan depolarisasi yang berfungsi menyerap gas hidrogen. Dengan melakukan percobaan seperti di atas dengan bermacam-macam logam berbeda, Volta dapat menyusun sederet logam-logam dari yang kuat sampai yang lemah kemampuannya memberikan ion-ion yaitu K, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Pt, Au dan C. Setelah ditemukannya elemen Volta, banyak jenis elemen lain yang dicoba dibuat orang untuk memperbaiki elemen Volta. Salah satunya adalah elemen yang dibuat oleh George Leclanche pada tahun 865. Kutub positif elemen Laclanche terbuat dari karbon yang dikelilingi oleh campuran serbuk karbon dan oksida mangan sebagai depolarisator, yang ditempatkan di dalam sebuah bejana yang dindingnya berpori. Dengan dinding berpori memungkinkan larutan elektrolit yaitu amonium klorida meresap ke dalam depolarisator. Elemen Kering 27

28 Elemen kering menggunakan pasta elektrolit sebagai pengganti cairan. Prinsip kerja bateri didasarkan pada peristiwa depolarisasi. Sebagai depolarisator adalah campuran tertentu antara mangan dioksida ( M n O2 ) dengan serbuk arang yang berfungsi menghilangkan gelembung gas pada elektroda positif (pelajari elektrolisa). Untuk lebih jelasnya, perhatikan Gambar 2.9. Gambar 2.9 Elemen kering Elemen Sekunder Secara sederhana elemen sekunder atau aki dapat dibuat dengan menggunakan dua keping logam kumulator yang terbuat dari timbal peroksida (PbO2) yang bertindak sebagai anoda dan timbal (Pb) sebagai katoda atau kutub negatif. Larutan elektrolit yang dipakai adalah larutan asam sulfat encer. Jika kedua elektroda dihubungkan, maka elektron akan mengalir dari elektroda timbal (Pb) melalui beban ke elektroda PbO2. Secara lengkap reaksi tersebut adalah PbSO4 H 2 O PbO 2 SO42 4 H 2e Keping PbO2 berubah menjadi timbal sulfat PbSO4. Sedangkan ion SO4 negatif akan menuju ke Pb sehingga terjadi reaksi sebagai berikut Pb SO4 PbSO 4 + 2e Keping Pb berubah menjadi timbal sulfat ( PbSO4 ) Reaksi tersebut terus berlangsung hingga kedua timbal menjadi timbal sulfat. Setelah keadaan ini tercapai, tidak ada lagi aliran elektron, berarti tidak ada arus yang mengalir. Aki dapat dikatakan mati, sehingga tidak bisa lagi dipakai. Aki yang sudah mati dapat diaktifkan lagi dengan memberi muatan. Proses pemuatannya adalah dengan mengalirkan ion H ke katoda dan ion sulfat SO42 ke anoda menggunakan arus searah (dc), seperti pada Gambar 2.0. PbO2 Pb 28

29 Gambar 2.0 Pengisian muatan pada aki Katoda (kutub positif), PbO2 SO42 4 H 2e Anoda (kutub negatif), PbSO4 SO42 2 H 2 O Reaksi kimia secara keseluruhan adalah, 2 PbSO4 SO 42 2 H 2 O 2 H PbSO4 2 H 2 O PbO2 2 H 2 SO4 2e Pb PbO2 3H 2 SO4 Setelah dimuati aki akan kembali seperti semula dan siap dipakai. Besar GGL yang dihasilkan oleh satu sel aki kira-kira 2 Volt. Jumlah sel disesuaikan dengan jumlah kebutuhan GGL yang diperlukan dalam pemakaian Gambar 2.. Gambar 2. Bentuk sel sekunder Energi dan Daya Listrik Energi listrik adalah energi yang dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Hal ini berarti energi listrik memenuhi hukum kekelan energi. Dari berbagai bentuk energi, listrik merupakan bentuk energi yang mudah diubah menjadi berbagai macam energi, sehingga energi listrik banyak digunakan oleh manusia. Setiap peralatan listrik dapat berfungsi bila dihubungkan dengan arus listrik. 29

30 Energi listrik dipengaruhi oleh besarnya tegangan listrik, kuat arus listrik dan selang waktu. Secara matematis energi listrik dapat dirumuskan sebagai berikut: W V.I.t, dimana V I.R (2.9 ) Sehingga persamaan di atas menjadi W I 2.R.t atau W V2.t R ( 2.0) dengan V = tegangan listrik I = kuat arus listrik R = hambatan listrik t = selang waktu Sedangkan daya listrik didefinisikan sebagai besarnya energi listrik yang dihasilkan setiap detik. Pada setiap alat listrik, seperti lampu listrik, TV, kulkas, radio dan lain-lain selalu mencamtumkan besarnya daya listrik yang diperlukan dalam penggunaannya. Contoh sebuah lampu pijar bertuliskan 40W/220V, artinya lampu tersebut akan menyala dengan baik jika dihubungkan pada tegangan listrik 220V, sehingga menghasilkan daya 40 watt. Secara matematika besarnya daya listrik dapat dituliskan sebagai berikut: P W t atau P V.I (2.) RANGKUMAN Arus listrik adalah gerakan elektron-elektron melalui konduktor dari potensial rendah ke potensial tinggi. Aliran elektron terjadi bila ada perbedaan potensial (tegangan listrik). Beda potensial itu dapat dihasilkan oleh elemen listrik seperti elemen Volta, batu baterai atau aki. Arus listrik dapat diukur dengan alat amperemeter dan Voltmeter diukur dengan alat Voltmeter. Kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian dibahas oleh Kirchoff dalam hukum I Kirchoff. Arus yang mengalir pada rangkaian yang tak bercabang, besarnya arus dimana-mana tetap sama ( i i2 i ), sedangkan tegangannya berbeda pada setiap hambatan. Jika besar hambatan dalam rangkian tak bercabang berbeda. Sedangkan untuk rangkaian bercabang jumlah arus yang masuk sama dengan jumlah arus yang keluar. Kuat arus dan tegangan dalam rangkaian bercabang dapat dirumuskan sebagai berikut: I masuk I keluar, dan V V V2 Susunan hambatan dalam rangkaian melibatkan lebih dari satu hambatan baik seri maupun paralel. Susunan hambatan secara seri dapat memperbesar nilai hambatan itu sendiri. Atau Rtotal R R2..., Sedangkan rangkaian paralel 30

31 pada dasarnya memperkecil nilai hambatan itu sendiri. Atau.... Rtot R R2 Selain hambatan, sumber tegangan dapat disusun secara seri maupun paralel. Susunan seri dapat memperbesar tegangan, dan susunan paralel nilai tegangan tetap. Soal Pemantapan Soal Pilihan Dua buah hambatan masing-masing 0 dan 5 dirangkaikan dengan sumber tegangan 2 V, Jika arus dalam rangkaian adalah 2 A. dan arus yang melalui hambatan 5 adalah 0,8 A, maka kombinasi kedua hambatan tersebut dan besarnya arus pada hambatan 0 adalah... a. seri,2 A b. paralel,2 A c. seri dan paralel,2 A d. paralel 2, A. GGL sebuah baterai adalah 2 V dan hambatan dalamnya 2 dihubungkan dengan sebuah hambatan 98. Tegangan jepit baterai tersebut adalah... a.,76 V. b.,67 V. c. 2,76 V d. 2,67 V Empat buah baterai masing-masing dengan GGL,5 V hambatan dalamnya 0, dirangkai secara seri dan dihubungkan dengan sebuah lampu pijar 40 W/220 V, arus listrik yang mengalir pada lampu adalah. a. 0,005 A. b. 0,006 A. c. 0,007 A. d. 0,008 A Soal no.3. Jika baterai dipasang paralel, dan dipasang lampu 4W/,5 V, maka arus listrik yang mengalir pada lampu tersebut adalah. a. 0,25 A. b. 2,55 A. c. 25,56. d. 255,6 A Dari hasil suatu eksperimen Ohm didapat: V I V/I 2V 0.04A Ω 4V A Ω 6V 0.62 A 49.9 Ω Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa kuat arus... a. berbanding terbalik dengan beda potensial b. sebanding dengan beda potensial c. sama dengan beda potensial d. tidak dipengaruhi beda potensial Jika tegangan lisrtik di rumah menurun maka. a. hambatan lisrtik berkurang b. arus listrik berkurang c. daya listrik tetap d. energi listrik bertambah Bila pada suatu penghantar suatu rangkaian terdapat hambatan yang besar maka a. kuat arus bertambah b. tegangan arus bertambah c. kuat arus berkurang d. tegangan arus berkurang 3

32 8. Filamen lampu pijar yang putus, setelah tersambung kembali sehingga menjadi lebih pendek, nyalanya lebih terang karena.... a. hambatan berkurang b. kuat arus berkurang c. tegangan bertambah d. kuat arus tetap Perhatikan Gambar Volt 4 Ohm 6 Ohm 5 Ohm 30 Ohm Besarnya arus pada hambatan 30 Ohm adalah... A a. A. b. 2 A. c. 3 A. d. 4 A 0. Sebuah lampu pijar dengan spesifikasi 484 W, 220 Volt, dipasang pada tegangan 0 Volt, maka daya yang diperlukan adalah... a. 2 W b. 22 W c. 23 W d. 24 W. Tiga buah lampu pijar yang masing-masing dibuat untuk dipakai 20 watt dan 0 Volt. Ketiga lampu itu dihubungkan dengan sumber tegangan 0 Volt, besarnya arus listrik pada salah satu lampu, jika ketiga lampu tersebut dipasang secara paralel adalah... a. A. b. 2 A. c. 3 A d. 6 A 2. Perhatikan Gambar 0 Ohm a 0 Ohm 2 Ohm 5 Ohm b 5 Ohm Jika Vab 5 Volt, maka daya pada hambatan 2 Ohm adalah... a. 0. b. W. c. 2 W. d. 3 W 3. Larutan yang dipergunakan dalam akumulator adalah... a. HSO4 b. H2SO4 c. H2SO d. H2SO3 4. Pada elemen Leclanche yang merupakan kutub negatif adalah... a. C b. Zn c. Cu d. Al 5. Yang berfungsi sebagai depolarisasi pada elemen Leclanche adalah... a. NH4Cl b. CuSO4 c. MnO2 d. H2SO4 32

33 Soal Uraian. Sebuah pesawat televisi dinyalakan rata-rata enam jam sehari. Pesawat tersebut dihubungkan pada tegangan 220 V dan memerlukan arus 2,5 A. Harga energi listrik tiap kwh adalah Rp 5,00. Berapakah biaya energi listrik yang harus dibayar perharinya. 2. Agar arus listrik yang melalui sebuah penghantar besarnya 25 A, kedua ujung penghantar itu harus diberi beda potensial sebesar 5 V. bila arus yang mengalir diharapkan sebesar 4 A, maka berapakah beda potensial yang harus diberikan pada kedua ujung kawat tersebut. 3. Panjang mula-mula sepotong kawat nikelin 0 m dan nilai hambatannya 30 Ω. Jika kawat itu dipotong 6 m, berapakah nilai hambatan kawat yang panjangnya 6 m itu?. 4. tiga buah hambatan masing-masing 2 Ohm, 5 Ohm, dan 0 Ohm dirangkai secara paralel. Rangkaian hambatan ini dipasang pada sebuah sumber listrik yang mempunyai beda potensial sebesar 0 Volt. Tentukan: a. besar hambatan penggantinya b. kuat arus induk c. kuat arus pada masing-masing hambatan 5. Hambatan pengganti dari 3 buah hambatan yang dihubungkan secara seri adalah 36 Ohm. Jika hambatan-hambatan tersebut berbanding 3: 4 : 5, maka hitunglah besar masing-masing hambatan. 6. Sebuah solder listrik yang bertegangan 20 V dilalui arus listrik 2 A. Tentukan energi kalor yang timbul setelah solder dialiri arus listrik selama menit. 7. Untuk memanaskan liter air sampai mendidih diperlukan kalor sebanyak 330 kj. Alat pemanas yang digunakan bertegangan 220 V dan kuat arus 5 A. Berapa lama air tersebut harus dipanaskan. 8. Sebuah alat listrik mempunyai hambatan 44 Ohm dan dipasang pada tegangan listrik 220 V. Hitunglah: a. kuat arus b. daya listrik c. energi yang dipakai selama menit 9. Pada sebuah setrika listrik tertulis 300 W, 220 V. Hitunglah energi listrik yang terpakai selama 0 menit. 0. Sebuah lampu pijar bertuliskan 60 W, 220 V. Apakah artinya, lampu pijar tersebut menyala normal dengan memancarkan daya 60 W bila dipasang pada tegangan listrik 220 V. Bagaimanakah bila lampu pijar itu dipasang pada tegangan listrik 220 V atau 440 V? Kegiatan Belajar 2 PRAKTIK Tujuan Kegiatan 33

34 . Pengukuran arus dan tegangan pada rangkaian (Hukum Ohm) 2. Membuktikan hubungan antara panjang kawat dan besarnya hambatan. 3, Mengukur hambatan dalam rangkaian. 4. Membuktikan hukum Kirchoff Alat-alat yang diperlukan. Catu daya 2. Amperemeter 3. Voltmeter 4. Tahanan sumbat 5. Kabel penghubung 6. Kawat nikelin Kegiatan ) Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar 2.2 2) Hidupkan catu daya dan tutup saklar (posisi ) 3) Atur potensiometer menjadi 2V, 3V,4V dan 5V. Amati perubahan arus yang terjadi untuk setiap perubahan tegangan. Gambar 2.2 Rangkaian hukum Ohm Isilah lembar pengamatan berikut No Beda potensial (V) Arus listrik (A) R V / I Buat kesimpulan berdasarkan hasil pengamatan di atas! Kegiatan 2 Untuk menyelidiki hubungan antara hambatan kawat dengan panjang, luas penampang, dan jenis penghantar, lakukanlah percobaan di bawah ini : ) Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar.0 34

35 Gambar 2.3 Rangkaian percobaan hambatan jenis 2) Pilih panjang kawat l dengan cara memasang ujung kabel B masuk ke jepit steker 2 3) Tutup saklar (posisi ), amati nilai tegangan dan arus yang terbaca 4) Buka saklar (posisi 0), kemudian pindahkan ujung kabel B ke jepit steker 3, ulangi langkah 3 5) Buka saklar (posisi 0), kemudian pindahkan kabel B ke jepit steker 4, lakukan kembali langkah 3 6) Ganti kawat nikrom dengan kawat konstanta, kemudian ulangi langkah 2 s/d langkah lima (5). 7) Dari percobaan diatas apa kesimpulan anda tentang besarnya suatu hambatan Pada kawat. Apakah semua kawat mempunyai hambatan tetap? Kegiatan 3 Rangkaian hambatan seri dapat dilihat pada Gambar 2.4 Untuk mempelajari hubungan kuat arus, tegangan maupun hambatan total yang tersusun secara seri dapat dilakukan percobaan sebagai berikut : ) Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar

36 Gambar 2.4 Rangkaian hambatan seri 2) Hidupkan catu daya pada 3V, dan tutup saklar (posisi ) 3) Baca kuat arus dan tegangan yang mengalir pada R 4) Buka saklar (posisi 0), pindahkan Volmeter ke titik B C dan amperemeter pada titik B, pindahkan batas ukur Voltmeter ke 0 V dan amati kuat arus dan tegangan pada R2 5) Buka saklar (posisi 0), kemudian pindahkan Voltmeter ke titik A - C dan gantikan jembatan penghubung dekat C dengan amperemeter, amati kuat arus total dan tegangan total yang mengalir Hasil pengamatan Kuat arus yang mengalir pada tiap-tiap hambatan sama besar yaitu i = i2 = itotal = ampere Potensial total sama dengan jumlah potensial masing-masing hambatan yaitu Vtotal = V+V2 = Volt Hambatan Pengganti sama dengan jumlah hambatan masing-masing yaitu Rp = R+R2 = Ohm Bagaimana nyala lampu pada sambungan seri dibandingkan dengan satu lampu? Adakah hubungan antara tegangan dan hambatan pada rangkaian seri tersebut Matikan salah satu lampu dengan cara memutar (lampu tak terhubung), amati apa yang terjadi, kenapa demikan? Buat hubungan singkat, dengan cara menghubungkan kabel antarsumber tegangan ke salah satu lampu, amati apa yang terjadi, jelaskan kenapa hal tersebut terjadi? Tuliskan ciri-ciri hubungan seri, sesuai dengan hasil pengamatan anda Kegiatan 4 Untuk mempelajari hubungan kuat arus, tegangan maupun hambatan total yang tersusun secara paralel dapat dilakukan percobaan sebagai berikut: 36

37 Gambar 2.5 Rangkaian hambatan paralel ) Ubah rangkaian seri pada kegiatan menjadi rangkaian paralel, seperti pada Gambar 2.5 2) Hidupkan catu daya, kemudian tutup saklar (posisi ), amati kuat arus dan tegangan yang mengalir pada R 3) Buka saklar (posisi 0), kemudian pindahkan Voltmeter pada titik C-D, dan amperemeter pada kabel 2, tutup kembali saklar (posisi ) dan amati kuat arus dan tegangan yang mengalir pada R2 4) Buka saklar (posisi 0), pindahkan volmeter ke titik P-Q dan amperemeter pada kabel, kemudian tutup saklar (posisi ) dan amati kuat arus total dan tegangan total pada rangkaian paralel. 5) Matikan salah satu lampu dengan cara memutar (lampu tak terhubung), amati apa yang terjadi, kenapa demikan? 6) Buat hubungan singkat, dengan cara menghubungkan kabel antar sumber tegangan ke salah satu lampu, amati apa yang terjadi, jelaskan kenapa hal tersebut terjadi 7) Tuliskan ciri-ciri hubungan paralel? 8) Apa beda antara hubungan seri dan paralel, jelaskan kelebihan dan kelemahannya! Kegiatan 5 Kuat Arus Pada Titik Percabangan Rangkaian listrik biasanya terdiri dari banyak hubungan sehingga akan terdapat banyak cabang maupun titik simpul. Titik simpul adalah titik pertemuan tiga atau lebih. Hubungan jumlah kuat arus yang masuk ke titik simpul dengan jumlah kuat arus yang keluar dari padanya akan diselidiki melalui percobaan berikut:. Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar

38 Gambar Hidupkan catu daya, tutup saklar (posisi ), amati kuat arus yang mengalir pada A, A2, dan A3 4. Ubah tegangan catu daya menjadi 6 V, amati kembali kuat arus yang mengalir pada A, A2, A3 5. Ulangi langkah 3 dengan mengubah tegangan menjadi 9 V. Berdasarkan percobaan anda lakukan bagaimana hubungan A, A2 dan A3. Apa kesimpulan anda tentang hukum Kirchoff? KEMAGNETAN MODUL 3 PENDAHULUAN 38

39 Dalam modul ini Bapak/Ibu akan mempelajari tentang kemagnetan, seperti membahas tentang pengertian magnet, cara membuat magnet, medan magnet, sistem kemagnetan bumi, medan magnet oleh arus listrik, induksi elektromagnetik dan penerapan induksi elektromagnetik dalam kehidupan sehari-hari. Setelah mempelajari modul ini Bapak/Ibu diharapkan memiliki kemampuan untuk dapat:. Menjelaskan medan magnet 2. Menjelaskan cara-cara pembuatan magnet 3. Menyebutkan sifat-sifat magnet 4. Menjelaskan medan magnet oleh arus listrik 6. Menjelaskan iduksi elektromagnet 7. Memberi contoh penerapan induksi elektromagnet Kemampuan tersebut sangat penting bagi seorang guru SMP atau sederajat karena materi ini sangat dasar dalam pembelajaran di SMP. Guru dapat mengembangkan materi ini sesuai dengan kebutuhan atau kemampuan siswa tempat mengajar. Agar Bapak/Ibu lebih berhasil mempelajari modul ini ikuti petunjuk belajar berikut ini:. Baca dan pahami konsep dasar materi ini, lalu kaitkan dengan kehidupan nyata 2. Tulis peta konsep tentang materi tersebut, lalu coba jelaskan dengan kata-kata sendiri 3. Kerjakan soal-soal latihan dengan tuntas 4. Jika ada soal yang belum bisa dikerjakan, coba perhatikan rumus dasar tentang materi tersebut 5. Mantapkan pemahaman anda, dengan cara berdiskusi dengan teman sejawat Kegiatan Belajar KEMAGNETAN 39

40 Pengertian Magnet Medan magnet dapat ditimbulkan oleh magnet permanen atau magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik. Magnet permanen yaitu magnet yang sudah terbentuk dari alam. Magnet ini mempunyai daya tarik terhadap besi dan baja. Daya tarik terbesar ada di kedua ujungnya. Ujung yang senama akan saling tolakmenolak dan ujung yang tidak senama akan saling tarik menarik. Di beberapa daerah di bumi terdapat bijih besi (Fe3O4) yang mempunyai sifat menarik besi atau baja kecil-kecil. Bijih-bijih besi ini dapat dibentuk magnet dengan beraneka bentuk, seperti magnet batang, ladam, dan magnet jarum. Jenis-jenis zat/unsur yang dapat ditarik oleh magnet dapat dibedakan menjadi 3 yaitu: ferromagnetik, paramagnetik dan diamagnetik. Masalah tentang magnet secara rinci dapat dijelaskan oleh Weber melalui hipotesisnya, yaitu:. Besi dan baja terdiri dari atom-atom magnetik yang dinamakan magnet elementer. Masing-masing atom mempunyai sebuah kutub utara dan kutub selatan. 2. Pada besi, magnet-magnet elementer mudah diarahkan sedangkan pada baja magnet-magnet elementernya sukar diarahkan. 3. Pada besi dan baja yang tidak bersifat magnet, kedudukan magnet-magnet elementer itu tidak teratur, tetapi sebagian besar membentuk lingkaranlingkaran tertutup. 4. Pada besi atau baja dapat bersifat magnet, magnet-magnet elementer itu diarahkan sedemikian, sehingga kutub-kutub utaranya mengarah ke suatu arah yang sama dan kutub-kutub selatannya mengarah ke arah yang berlawanan. Membuat magnet Ada tiga cara membuat magnet, yaitu menggunakan arus listrik, dengan cara menggosok dan dengan cara induksi. Di bawah ini dijelaskan cara membuat magnet. Membuat magnet dengan arus listrik Gambar 3. Membuat magnet dengan arus listrik 2. Membuat magnet dengan cara menggosok-gosokkan magnet 40

41 Gambar 3.2 Membuat magnet dengan cara menggosok-gosokkan magnet 3. Membuat magnet cara induksi Gambar 3.3 Membuat magnet dengan cara induksi Medan Magnet Jika sepotong besi atau bahan magnet berada disekitar medan magnet, maka besi atau bahan magnet itu akan ditarik oleh magnet. Gejala tertariknya besi atau bahan magnet disebabkan adanya gaya magnet. Gaya tarik magnet tidak dapat dilihat oleh mata kita, tetapi dapat diketahui akibat dari pengaruh terhadap bahanbahan tertentu seperti besi, baja, atau magnet lain. Daerah di sekitar magnet yang dipengaruhi oleh gaya magnet disebut medan magnet. Medan gaya yang digambarkan dengan garis lengkung disebut garis gaya magnet (Gambar 3.4). Gambar 3.4 Garis-garis medan magnet Garis-garis gaya magnet yang dihasilkan oleh magnet batang selalu keluar dari kutub utara magnet dan masuk kutub selatan magnet. Jika kita amati garis gaya magnet, maka ada tiga hal yang dapat kita simpulkan yaitu:. Garis gaya magnet tidak pernah saling berpotongan 2. Garis gaya magnet selalu keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet 3. Besar kecilnya medan magnet ditunjukkan oleh rapat atau renggangnya 4

42 garis gaya magnet tersebut. Garis gaya magnet yang berbentuk lengkung atau berbentuk huruf U dapat digambarkan seperti pada Gambar 3.5 di bawah ini Gambar 3.5 Garis-garis medan magnet pada magnet U Magnet Bumi Sebuah magnet jarum dalam keadaan bebas tanpa pengaruh gaya lain selalu menunjuk kearah utara dan selatan. Fakta ini menunjukkan bahwa bumi memiliki sifat magnet. Gejala tersebut dapat dijelaskan karena bumi kita aktif. Lapisan bumi bagian dalam (COR) terjadi reaksi inti. Material di sekitarnya bergerak silih berganti karena terjadi perbedaan suhu. Pergerakan material bumi ini menyebabkan partikel-partikel ikut bergerak, sehingga menimbulkan arus listrik, arus listrik menimbulkan medan magnet. Demikian hal ini berlangsung secara terus menerus, sehingga bumi memiliki medan magnet yang luas. Kutub utara magnet jarus kompas selalu mengarah ke kutub utara bumi, berarti di kutub utara bumi terdapat kutub selatan magnet bumi dan sebaliknya. Letak kutub-kutub magnet bumi tidak tepat berimpit dengan letak kutub-kutub bumi. Oleh karena itu, jarum kompas membentuk sudut terhadap arah utara selatan bumi. Sudut itu dinamakan sudut deklinasi. Sedangkan sudut arah horizontal antara jarum kompas dan arah horizontal bumi disebut inklinasi Gambar 3.6 Medan magnet Bumi Medan Magnet di sekitar Arus Listrik Di sekitar kawat yang dialiri arus listrik terdapat medan magnet. Arah medan magnet selalu menyinggung garis-garis gaya magnet yang arahnya bergantung 42

43 dari arah arus listrik. Garis-garis gaya magnet dapat dilihat dengan menaburkan serbuk besi pada kertas tersebut. Pada serbuk besi menyatakan adanya medan magnet ketika arus listrik melalui kawat penghantar. Gambar 3.7 Saklar terbuka, jaru kompas tidak bergerak Gambar 3.8 Saklar ditutup, jarum kompas menyimpang Adanya medan magnet pada kawat yang berarus listrik dapat ditunjukkan oleh Gambar diatas. Arah garis gaya pada kawat berarus listrik dapat ditunjukkan dengan kaidah tangan kanan, yaitu ibu jari menunjukkan arah arus, dan ke empat jari-jari menunjukkan arah garis gaya (Gambar 3.8). Gambar 3.9 Medan magnet pada kawat lurus berarus listrik Bila fluks induksi magnet yang menembus suatu loop kawat berubah dengan waktu, maka akan terjadi pada loop gaya gerak listrik (ggl) yang menyebabkan aliran arus listrik. Gaya gerak listrik ini disebut gaya gerak listrik terinduksi atau imbas. Peristiwa ini dinyatakan secara kuantitatif dengan hukum Faraday. Terjadinya ggl imbas berarti terjadi pula medan listrik, karena ada hubungan 43

44 antara ggl imbas dan medan listrik. Akan tetapi medan listrik yang berubah dengan waktu, ternyata juga menghasilkan medan magnet. Hubungan berkaitan antara kedua medan ini mengakibatkan menjalarnya gelombang elektromagnetik yang dalam daerah frekuensi tertentu tampak oleh mata kita sebagai cahaya. Hukum dasar sehubungan dengan teori elektromagnetik dinyatakan dalam persamaan Maxwell. Pada tingkatan SMP tidak dibahas persamaan Maxwell. Bagaimana kalau kawat melingkar dialiri arus listrik, kemana arah garis gaya magnet tersebut? Arah garis gaya magnet disekitar kawat penghantar berbentuk lingkaran diperlihatkan pada Gambar 3.0 di bawah ini. Gambar 3.0 Arah garis medan magnet pada kawat melingkar Jika dalam solenoida (kumparan) ditempatkan sebatang besi lunak sebagai inti, maka medan magnet yang dihasilkan akan lebih kuat. Besi lunak adalah besi yang tidak dapat dijadikan magnet tetap. Susunan solenoida dari inti besi lunak disebut elektromagnetik. Karena kemagnetan besi bersifat sementara, maka bila arus listrik diputuskan sifat kemagnetan pada besi akan hilang juga. Gambar 3. Arah medan magnet pada solenoida Elektromagnetik Bila kumparan solenoida dimasukkan inti besi, maka medan magnet yang ditimbulkan menjadi jauh lebih besar. Hal ini disebabkan inti besi menjadi magnet sehingga memperkuat medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan trsebut. Susunan kumparan dengan inti besi di dalamnya disebut elektromagnet atau magnet listrik 44

45 Gambar 3.2 Elektromagnet sederhana Arus listrik mengalir pada kumparan, medan magnet di sekitarnya menyebabkan inti besi lunak menjadi magnet. Kemagnetan besi lunak ini bersifat sementara, artinya jika arus listrik dalam kumparan diputus, maka sifat kemagnetan pada inti besi akan hilang. Jadi elektromagnet dapat menghasilkan dan menghilangkan kemagnetan sewaktu-waktu. Untuk menghasilkan medan magnet yang lebih kuat pada sebuah elektromagnet, dapat dilakukan dengan cara mengganti inti elektromagnet dengan bahan yang lebih bersifat magnet, memperbanyak jumlah lilitan dan memperbesar arus listrik. Penerapan Elektromagnet a. Pesawat telepon Pesawat telepon terdiri dari dua bagian utama, yaitu pesawat pengirim Atau mikrofon (mouthpiece) dan pesawat penerima atau earpiece. Prinsip kerja pesawat telepon adalah sebagai berikut: ketika kita bicara dengan telepon keping tipis (diafragma) yang terbuat dari aluminium bergetar. Getaran ini menyebabkan serbut-serbuk karbon di belakangnya tertekan. Ketika serbuk karbon tertekan, hambatan listrik menjadi lebih kecil, sehingga gelombang arus listrik mengalir melalui rangkaian. Jadi ketika kita bicara di depan mikrofon, tekanan-tekanan suara diubah menjadi sederetan gelombang-gelombang arus listrik dalam rangkaian. 45

46 Gambar 3.3 Bagian-bagian telepon Di dalam pesawat penerima, gelombang-gelombang arus listrik itu di ubah kembali menjadi tekanan-tekanan suara. Diafragma besi tipis di dalam pesawat penerima ditarik dengan kuat oleh sebuah magnet permanent kecil dan sebuah elektromagnet. Tarikan pada diafragma besi bertambah setiap kali gelombang arus listrik melalui elektromagnet. Keseluruhan deretan gelombang-gelombang arus listrik menyebabkan diafragma besi bergetar. Getaran diafragma besi ini mengirim keluar tekanan-tekanan suara yang sama dengan tekanan-tekanan suara yang memasuki mikrofon. b. Bel Listrik Bagian yang terpenting dari bel listrik adalah elektromagnet dan pemutus arus (interuptor). Ketika bel ditekan, arus listrik dari baterai mengalir melalui interuptor kemudian ke pegas baja menuju kumparan. Inti besi lemah menjadi magnet listrik dan menarik jangkar besi beserta pegas baja, sehingga pemukul mengenai bel, dan bel berbunyi. Ketika jangkar besi beserta pegas baja ditarik elektromagnet, kontak interuptor terputus sehingga secara otomatis arus listrik dari baterai terputus. Karena kumparan tidak dialiri arus listrik, inti besi menjadi kehilangan sifat kemagnetan, sehingga tidak mampu menarik jangkar besi lunak. Hal ini yang menyebabkan jangkar kembali ke kedudukan semula dan arus listrik tersambung kembali, demikian siklus proses ini seterusnya. Gambar 3.4 Bel Listrik Gaya magnet pada kawat penghantar 46

47 Jika arus listrik mengalir pada penghantar yang berada pada medan magnet yang berbentuk huruf U, maka penghantar tersebut akan bergerak keluar. Gerakan ini menunjukkan bahwa pada penghantar bekerja sebuah gaya. Jadi sebuah penghantar berarus listrik yang berada dalam medan magnet, maka kawat tersebut akan mengalami gaya yang disebut gaya Lorentz. Untuk mengamti gaya magnetik ini dapat juga dilakukan percobaan seperti pada Gambar 3.5 di bawah ini. Gambar 3.5 Gaya Lorentz pada penghantar yang berada dalam medan magnet Besarnya gaya Lorentz dirumuskan sebagai berikut: F B.I.L (3.) dengan B= medan magnet I = arus listrik L = panjang kawat Induksi Elektromagnetik Fluks Magnetik Telah dijelaskan sebelumnya bahwa suatu medan magnet digambarkan dengan garis khayal yang disebut garis-garis medan magnetik. Fluks magnetik sendiri digambarkan oleh banyaknya garis medan magnetik yang memotong tegak lurus bidang. Fluks magnetik sendiri didefinisikan sebagai hasil kali antara komponen induksi magnetik yang tegak lurus bidang B dengan luas bidang A. B A B cos A B A cos (3.2) Dimana Ө adalah sudut apit terkecil antara B dan A. Satuan SI untuk fluks magnetik adalah Weber. 47

48 Gambar 3.6 Fluks magnetik yang menembus suatu permukaan GGL dan Arus Induksi Perhatikan Gambar 3.7 dibawah ini. Gambar 3.7 Magnet batang digerakkan mendekati dan menjauhi kumparan Sebuah magnet batang digerakkan mendekati dan menjauhi kumparan yang terhubung dengan galvanometer. Adapun fenomena yang diamati adalah gerakan jarum galvanometer selama magnet batang digerakkan. - Jika magnet batang digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer bergerak, berarti ada arus listrik mengalir melalui kumparan Jika magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer bergerak ke arah yang berlawanan. Selama magnet digerakkan (jauh-dekat) arus listrik mengalir dalam kumparan. Gejala ini disebut induksi elektromagnetik 48

49 - Medan magnet yang bergerak, menginduksikan suatu beda potensial atau gaya gerak listrik (ggl) pada kumparan. GGL yang diinduksikan pada kumparan disebut ggl induksi dan arus listrik yang terjadi disebut arus induksi Jika magnet terus menerus digerakkan maka akan terjadi arus induksi yang arahnya berubah-ubah. Arus tersebut dinamakan arus bolak-balik (AC) Besarnya GGL induksi pertama kali diturunkan oleh Michael Faraday. Adapun bunyi hukum Faraday yaitu: GGL induksi yang timbul pada ujung-ujung suatu penghantar atau kumparan adalah sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh loop penghantar atau kumparan tersebut. Secara matematis, besar GGL induksi dinyatakan dalam persamaan berikut ini. N dimana N d dt d dt (3.3) = GGL induksi (Volt) = Banyaknya lilitan kumparan = Laju perubahan fluks magnetik (Weber/s) Dari persamaan di atas, dapat dikatakan bahwa makin banyak lilitan pada kumparan, makin besar GGL induksi yang dihasilkan. Makin cepat laju perubahan fluks magnetik yang menembus kumparan maka makin besar pula GGL induksi yang dihasilkan. Arus Listrik Bolak-balik (AC) Arus searah dapat dianggap mempunyai harga tetap. Dalam banyak pemakaian tegangan listrik yang digunakan dihasilkan oleh sumber dalam bentuk tegangan yang berubah terhadap waktu secara sinosoidal. Disamping itu dalam elektronika banyak digunakan tegangan semacam ini yang dihasilkan oleh sumber yang disebut osilator. Arus bolak-balik dapat kita temukan dalam generator listrik AC. Generator listrik AC ini terdiri dari suatu kumparan yang digerakkan dalam medan magnet. Dalam praktiknya, kumparan kawat ini dililitkan pada suatu silinder besi, dan sistem ini disebur armatur. Terminal generator berupa cincin C dan C2 yang dihubungakan dengan beban R melalui bashing dari tembaga lunak yang kontak dengan cincin terminal yang berputar. Dinamo DC berbeda dengan dinamo AC hanya dari bentuk cincin terminalnya saja. Pada dinamo DC cincin terminalnya terdiri dari setengan cincin C dan setengan cincin C2, berhadapan dan terpisah oleh isolator. Gambar di bawah ini menjelaskan prinsip kerja dinamo dan bentuk fungsi tegangan sumber sinosoida. 49

50 Gambar 3.8 Generator AC sederhana Bila kumparan diputar dengan kecepatan sudut ω maka Ө = ωt dan GGL induksi yang timbul adalah: NBA sin t (3.4) GGL maksimum diberikan m NBA (3.5) Arus listrik Searah (DC) Berbeda dengan generator AC yang mempunyai dua cincin, generator DC hanya mempunyai satu cincin yang terbelah di tengahnya sehingga dinamakan cincin belah atau komutator. Salah satu belahan komutator selalu berpolaritas positif dan belahan komutator lainnya berpolaritas negatif. Hal ini menyebabkan arus listrik induksi yang mengalir melalui rangkaian luar selalu memiliki satu arah, yaitu dari komutator berpolaritas positif melalui lampu ke komutator berpolaritas negatif. Arus listrik semacam ini disebut arus listrik searah atau arus DC. Gambar 3.9 Generator DC sederhana 50

51 Dinamo Sepeda Dinamo sepeda menggunakan magnet yang berputar dekat kumparan. Magnet permanen berputar di dekat sebuah kumparan diam yang dililitkan pada inti besi. Akibat putaran magnet, garis-garis gaya magnet yang memotong kumparan berubah-ubah. Hal ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan sehingga menghasilkan arus listrik induksi. Arus listrik induksi akan mengalir melalui lampu sepeda. Makin cepat sepeda dikayuh, makin besar laju perubahan garis-garis gaya magnetnya sehingga arus listrik induksi yang dihasilkan makin besar dan lampu menyala makin terang. Gambar 3.20 Dinamo Sepeda Transformator Transformator adalah alat yang digunakana untuk mengubah tegangan arus bolak balik menjadi lebih rendah atau lebih tinggi. Alat tersebut terdiri dari kumparan primer, kumparan sekunder, dan inti besi lunak. Jika arus bolak balik dialirkan, kumparan primer dari inti besi berlaku sebagai elektromagnet, yang kutubnya berubah-ubah dengan cepat dan medan magnet yang dihasilkan berbuah-ubah pula. Akibatnya terjadi arus induksi bolak balik dalam kumparan sekunder. Dengan memilih jumlah lilitan yang sesuai untuk tiap kumparan, dapat dihasilkan GGL kumparan sekunder yang berbeda dengan GGL kumparan primer. Hubungan-hubungan yang berlaku dalam kumparan adalah: Vp Vs Np Ns Np Ns Is Ip Pp V p.i p atau Ps Vs.I s (3.6) dimana Vp Vs Ip Ip = tegangan pada kumparan primer (V) = tegangan pada kumparan sekunder (V) = arus pada kumparan primer (A) = arus pada kumparan sekunder (A) 5

52 RANGKUMAN Medan magnet dapat ditimbulkan oleh magnet permanen atau magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik. Magnet permanen yaitu magnet yang sudah terbentuk dari alam. Magnet ini mempunyai daya tarik terhadap besi dan baja. Ada tiga cara membuat magnet, yaitu menggunakan arus listrik, dengana cara menggosok dan dengan cara induksi. Gaya tarik magnet tidak dapat dilihat oleh mata kita, tetapi dapat diketahui akibat dari pengaruh terhadap bahan-bahan tertentu seperti besi, baja, atau magnet lain. Daerah di sekitar magnet yang dipengaruhi oleh gaya magnet disebut medan magnet. Medan gaya yang digambarkan dengan garis lengkung disebut garis gaya magnet. Adanya medan magnet pada kawat yang berarus listrik dapat ditunjukkan oleh Gambar diatas. Arah garis gaya pada kawat berarus listrik dapat ditunjukkan dengan kaidah tangan kanan, yaitu ibu jari menunjukkan arah arus, dan ke empat jari-jari menunjukkan arah garis gaya. Bila kumparan solenoida dimasukkan inti besi, maka medan magnet yang ditimbulkan menjadi jauh lebih besar. Hal ini disebabkan inti besi menjadi magnet sehingga memperkuat medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan tersebut. Susunan kumparan dengan inti besi di dalamnya disebut elektromagnet atau magnet listrik. Penerapan elektromagnetik dapat ditemukan pada telepon, bel listrik, dan relay. Apabila pada medan magnet terdapat kawat berarus listrik, maka kawat tersebut akan mengalami gaya yang disebut gaya Lorentz. Induksi elektromagnetik dapat dijumpai pada dinamo sepeda, transformator dan dinamo DC. Soal pemantapan Pilih salah satu jawaban yang dianggap paling benar. Sebatang besi lunak sukar dijadikan magnet tetap karena. a. besi lunak mempunyai magnet-magnet elementer b. magnet-magnet elementer pada besi lunak tidak dapat diatur c. besi lunak sukar ditembus garis-garis gaya magnet d. magnet-magnet elementer pada besi lunak mudah diatur, tetapi juga mudah tidak teratur. 2. Magnet jarum berubah kedudukannya sewaktu arus listrik mengalir pada kawat penghantar. Hal ini membuktikan bahwa.. a. arus listrik menimbulkan medan magnet b. penghantar berarus listrik menjadi magnet c. di sekitar penghantar terjadi magnet elementer d. penghantar berarus listrik menjadi elektromagnet 3. Ruang disekitar magnet yang masih mengandung gaya tarik magnet disebut.. a. induksi magnet b. medan magnet c. garis gaya magnet d. kutub magnet 4. Dibawah ini adalah alat yang memakai prisip elektromagnet, kecuali. a. bel listrik b. rice cooker c. pesawat telepon d. relay 5. Berikut ini adalah cara-cara untuk memperkuat medan magnet pada Elektromagnet, kecuali a. memperbanyak jumlah lilitan 52

53 b. mengganti inti elektromagnet dengan bahan yang lebih bersifat magnet. c. memperpanjang inti elektromagnet d. memperbesar kuat arus listrik yang melalui kumparan 6. Sudut penyimpangan arah jarum kompas dari arah utara selatan bumi yang sebenarnya disebut. a. sudut inklinasi b. sudut deklinasi c. sudut elementer d. sudut magnet 7. Serbuk-serbuk besi yang ditaburkan pada sebuah magnet batang hanya melekat pada ujung-ujungnya saja sebab. a. medan magnet batang lemah b. magnet batang mempunyai dua kutub c. bagian tengah magnet bersifat netral d. penaburan serbuk besi kurang merata 8. Sebuah trafostep-up, kumparan primernya terdiri atas 50 lilitan dan kumparan sekumdernya 00 lilitan. Jika tegangan primernya 0 V, maka tegangan sekundernya adalah... a. 220 V. b. 200 V. c. 50 V d. 0 V 9. Sebuah trafo step-down akan digunakan untuk menyalakan lampu 0 V. Tegangan yang diberikan pada trafo adalah 220 V. Jika kumparan sekundernya terdiri atas 50 lilitan, maka jumlah lilitan pada kumparan primernya adalah... a. 000 b. 00. c. 200 d Sebuah transformator step-up terdiri atas kumparan primer dengan 00 lilitan dan kumparan sekunder dengan lilitan, jika tegangan pada kumparan primer 2 V dan kuat arusnya 5 A dengan efisiensi 80%, maka arus listrik pada kumparan sekunder adalah... a. 0,04 A. b. 0,05 A c. 0,06 A. d. 0,07 A 53

54 Kegiatan Belajar 2 PRAKTIK Tujuan Kegiatan. Membuktikan medan magnet disekitar arus listrik 2. Membuktikan percobaan Lorentz 3. Membuktikan GGL induksi 4. Membuktikan induksi elektromagnetik Alat yang diperlukan. Papan penghubung 2. Kawat nikelin 3. Amperemeter 4. Kompas 5. Sakelar 6. Kabel penghubung 7. Magnet batang 8. Traformator 9. Voltmeter Kegiatan (perc. Oersted). Rangkailah alat seperti pada Gambar 3.2 berikut ini Gambar 6.2. Disekitar arus ada medan magnet Gambar 3.2 Disekitar arus listrik ada medan magnet Sakelar ditutup, perhatikan apa yang terjadi pada jarum kompas, kemana arah penyimpangan jarum kompas? Arah arus dibalik, dengan cara mengubah posisi kutub baterai atau kutub sumber tegangan, apakah arah penyimpangan jarum kompas tetap sama? Apa kesimpulan anda tentang kegiatan? Kegiatan 2 (gaya Lorentz). Susun komponen-komponen berikut sesuai dengan Gambar

55 Gambar 9.. Gaya Lorent oleh medan magnet Gambar 3.22 Rangkaian peralatan percobaan gaya Lorentz Tutup saklar (posisi ), amati kuat arus dan arah gerak kabel yang berada dalam medan magnet Buka saklar (posisi 0), kemudian balik arah arus dengan cara menukar tempat kabel penghubung baterai, lalukan kembali langkah 2 Buka saklar (posisi 0), kemudian perbesar arus dengan menambah sumber tegangan, ulangi langkah 2 Kegiatan 3 (GGL Induksi). Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar Gambar 3.23 Rangkaian Percobaan ggl induksi Gerakan magnet ke luar kumparan, selama geraknya amati penyimpangan Voltmeter 3. Gerakan kembali magnet ke dalam kumparan. Selama geraknya amati penyimpangan jarum volmeter 4. Lakukan langkah 2 dan 3 dengan gerakan yang lebih cepat 5. Ganti kumparan dari 500 lilitan menjadi 000 lilitan, lakukan kembali langkah 2 s.d Kegiatan 4 (Induksi Elektromagnetik) 55

56 . Persiapkan dan susun komponen-komponen sesuai dengan Gambar 3.24 di bawah ini Gambar Rangkaian percobaan induksi elektromagnetik Lepaskan kumparan, dan tutup saklar (posisi ), amati keadaan lampu Buka saklar, pasang kembali kumparan, kemudian tutup saklar, amati keadaan lampu Buka saklar, amati keadaan lampu Masukan inti besi kedalam kumparan, kemudian ulangi langkah 2 s.d. 4 Kegiatan 5 (Induksi Silang).Susun komponen-komponen sesuai dengan Gambar 3.25 Gambar 3.25 Induksi silang Hidupkan catu daya Tutup saklar (posisi ), kemudian ukur tegangan pada kumparan primer dan sekunder 4. Buka saklar (posisi 0), ubag tombol catu daya menjadi 6 V AC, lakukan kembali langkah 3 5.Tukarkan tempat kumparan 500 lilitan dengan 000 lilitan, lakukan kembali langkah 3 s.d. 4 sampai dengan keluaran catu daya 9 2 V 56

57 CAHAYA MODUL 4 57

58 PENDAHULUAN Dalam modul ini Bapak/Ibu akan membahas tentang cahaya, pemantulan pada cermin datar, cermin cekung, dan cermin cembung, pembiasan pada lensa, pembiasan pada prisma dan kaca planparalel Setelah mempelajari modul ini Bapak/Ibu diharapkan memiliki kemampuan untuk dapat:. Menjelaskan Hukum Snellius pada pemantulan cahaya 2. Menggambarkan jalannya sinar pada cermin datar, cekung dan cembung 3. Menggambarkan jalannya sinar pada lensa cembung dan cekung 4. Menjelaskan pembiasan pada prisma dan kaca planparalel. Kemampuan tersebut sangat penting bagi seorang guru SMP atau sederajat karena materi ini sangat dasar dalam pembelajaran di SMP. Guru dapat mengembangkan materi ini sesuai dengan kebutuhan atau kemampuan siswa tempat mengajar. Agar Bapak/Ibu lebih berhasil mempelajari modul ini ikuti petunjuk belajar berikut ini: ) Baca dan pahami konsep dasar materi ini, lalu kaitkan dengan kehidupan nyata. 2) Tulis peta konsep tentang materi tersebut, lalu coba jelaskan dengan katakata sendiri. 3) Kerjakan soal-soal latihan dengan tuntas. 4) Jika ada soal yang belum bisa dikerjakan, coba perhatikan rumus dasar tentang materi tersebut. 5) Mantapkan pemahaman anda, dengan cara berdiskusi dengan teman sejawat Kegiatan Belajar 58

59 CAHAYA Sifat Cahaya dan Rambatannya Mula-mula orang menganggap bahwa cahaya itu terjadi dari arus korpuskul yang dipancarkan oleh sesuatu sumber cahaya, seperti matahari atau nyala lilin yang merambat keluar. Cahaya dapat menembus bahan yang bening dan memantul pada permukaan yang tidak bening. Teori korpuskul mulai ditinggalkan dan beralih pada teori bahwa cahaya adalah suatu bentuk gerak gelombang yang dapat dipantulkan dan dibiaskan. Dengan dilandasi beberapa pengamatan, baik oleh Huygens, Fresnel maupun Maxwell, dengan teorinya yang sangat terkenal, bahwa cahaya merupakan gelombang elektromagnetik. Maxwell membuktikannya dengan sirkuit listrik yang berosilasi yang memancarkan gelombang elektromagnetik. Kecepatan gelombang ini dihitung berdasarkan ukuran kelistrikan dan kemagnetan (873) sedangkan pengukuran yang dilakukan oleh Michelson dengan menggunakan alat interferometer dilakukan pada tahun 878. Teori yang digunakan oleh Maxwell adalah berdasarkan ukuran kelistrikan dan kemagnetan dalam medium dielektrik yang bebas sumber. Cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Karena cahaya merupakan gelombang elektromagnetik, maka cahaya dapat merampat di dalam ruang hampa udara. Kecepatan cahaya merambat dalam ruang hampa udara adalah 3 x 0 8 m/s. Apabila cahaya merambat dari suatu tempat ke tempat yang lain dalam medium (zat perantara) yang sama, maka cahaya akan merambat lurus. Perambatan atau pancaran cahaya disebut juga dengan sinar. Setiap benda yang dapat memancarkan cahaya sendiri disebut sumber cahaya. Contoh sumber cahaya adalah cahaya bintang, cahaya lampu, dan cahaya lilin. Benda-benda yang tidak dapat memancarkan cahaya sendiri disebut benda gelap. Contoh benda gelap adalah planet, batu dan kayu. Apabila seberkas cahaya mengenai benda gelap, maka akan terjadi 3 hal yaitu:. cahaya diserap 2. cahaya dipantulkan 3. cahaya diteruskan Hukum Snellius tentang pemantulan cahaya mengatakan:. Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar. 2. Sudut datang (i) sama dengan sudut pantul (r). 59

60 Gambar 4. Hukum pemantulan cahaya Pemantulan cahaya ada 2 macam yaitu:. Pemantulan cahaya teratur (reguler) yaitu pemantulan cahaya ke satu arah saja Gambar 4.2 Pemantulan cahaya teratur 2. Pemantulan cahaya tidak teratur/baur/difuse yaitu pemantulan cahaya ke segala arah secara tidak beraturan. Gambar 4.3 Pemantulan baur Berdasarkan bentuk permukaannya, ada tiga jenis cermin yaitu:. cermin datar 2. cermin cekung 3. cermin cembung Pemantulan pada cermin datar Cermin yang kita gunakan sehari-hari untuk berhias adalah salah satu contoh cermin datar. Jika kita berdiri di depan cermin datar, maka dapat melihat bayangan diri kita di dalam cermin. bayangan kita sama besar, sama tinggi, dan sama jaraknya dengan jarak kita ke cermin. Perhatikan Gambar

61 Gambar 4.4 Sifat bayangan pada cermin datar Sifat bayangan yang dibentuk oleh cermin datar adalah sebagai berikut:. bersifat semu (maya) 2. jarak benda ke cermin sama dengan jarak bayangan ke cermin 3. perbesaran bayangan sama dengan 4. sisi kiri benda menjadi sisi kanan bayangan, atau sebaliknya Gambar 4.5 Pembentukan bayangan pada cermin datan Jika dua buah cermin datar membentuk sudut bayanagan yang dibentuk adalah n n 360 satu sama lain, maka jumlah (4.) = banyak bayangan yang dibentuk (buah) = sudut antara 2 cermin (o) Pemantulan cahaya pada cermin cekung Cermin cekung adalah cermin yang permukaannya melengkung seperti bagian dalam permukaan bola. 6

62 Gambar 4.6 Jalannya sinar pada cermin cekung P adalah titik pusat kelengkungan cermin. O adalah titik potong sumbu utama dengan cermin cekung. F adalah titik fokus cermin yang berada tepat ditengahtengah antara titik p dan titik O. R adalah jari-jari kelengkungan cermin F adalah jarak fokus cermin, yaitu jarak dari titik fokus F ke titik 0. Besar jarak fokus (f) adalah setengah dari jari-jari kelengkungan cermin (R). f R 2 (4.2) Cermin cekung memiliki sifat dapat mengumpulkan cahaya (konvergen). Dengan demikian, apabila terdapat seberkas cahaya sejajar mengenai permukaan cermin cekung, maka cahaya-cahaya pantulnya akan melintas pada satu titik yang sama. Pada cermin cekung berlaku hukum pemantulan cahaya. Terdapat tiga sifat khusus pemantulan cahaya pada cermin cekung, yaitu:. Sinar datang sejajar dengan sumbu utama dipantulkan melalui titik fokus (F) 2. Sinar datang melalui titik fokus (F) dipantulkan sejajar dengan sumbu utama 3. Sinar datang melalui titik fusat kelengkungan cermin (P) dipantulkan kembali melalui titik pusat kelengkungan (P) Gambar 4.7 Sinar-sinas istimewa pada cermin cekung Hubungan antara jarak benda (s), jarak titik fokus (f), dan jarak bayangan ke cermin cekung (s ) adalah: s s' f atau 2 s s' R (4.3) R=2f Dimana: S = jarak benda ke cermin cekung (selalu positif) 62

63 S = adalah jarak bayangan ke cermin (bila bayangan terjadi di depan cermin, bayangan itu adalah sejati/nyata, SI dihitung positif, tetapi bila bayangan terjadi di belakang cermin, bayangan itu maya, SI dihitung negatif). F = merupakan jarak fokus ke cermin cekung (selalu positif) R = merupakan jari-jari kelengkungan cermin (selalu positif) Hubungan antara besar benda dan besar bayangan. M= h' S' = h S (4.4) Dimana: M = perbesaran benda (hasilnya selalu positif sehingga perbandingan hi dan ho harus diberi harga mutlak) HI = merupakan tinggi bayangan Ho = merupakan tinggi benda Pemantulan cahaya pada cermin cembung pada cermin cembung, bagian yang memantulkan cahaya bagian luar dari permukaan lengkung. Gambar 4.8 Pemantulan cahaya pada cermin cembung P adalah titik pusat kelengkungan cermin. O adalah titik potong sumbun utama dengan cermin cembung. F adalah titik fokus cermin, sedangkan f adalah jarak fokus cermin. Cermin cembung memiliki sifat dapat menyebarkan cahaya (divergen). Dengan demikian, apabila terdapat seberkas cahaya sejajar mengenai permukaan cermin cembung, maka cahaya tersebut akan dipantulkan menyebar. Pemantulan cahaya oleh cermin cembung mengikuti hukum pemantulan. Pemantulan cahaya pada cermin cembung juga memiliki tiga sifat khusus yaitu sebagai berikut:. Sinar datang sejajar sumbu utama, dipantulkan seolah-olah berasal dari titik fokus cermin (F) 2. Sinar datang menuju titik fokus cermin (F) dipantulkan sejajar sumbu utama 3. Sinar datang menuju titik pusat kelengkungan cermin (P) dipantulkan seolaholah berasal dari titik pusat kelengkungan cermin (P) 63

64 Catatan : Untuk cermin cembung, titik fokus (f) dan jari-jari (R) bernilai negatif (-) Gambar 4.9 Sinar-sinar istimewa pada cermin cembung Pembiasan Cahaya Tujuan suatu bangunan dipasangi kaca adalah agar ruangan tidak gelap. Cahaya matahari dapat masuk ke dalam ruangan sehingga ruangan menjadi terang. Ternyata, selain dapat diserap dan dipantulkan, cahaya juga dapat diteruskan. Contoh benda gelap yang tembus cahaya adalah kaca dan air. Kecepatan cahaya di ruang hampa hampir sama dengan kecepatan cahaya pada medium udara, yaitu 3 x 08 m/s. Kecepatan cahaya di udara dan medium-medium lain berbeda-beda karena perbedaan kerapatan partikel zat yang menyusunnya. Contohnya kaca lebih rapat daripada air. Karena perbedaan kerapatan, maka cahaya mengalami pembelokan arah dan perubahan kecepatan. Perubahan arah atau pembelokan rambatan cahaya ini disebut dengan pembiasan cahaya (refraksi). Salah satu contoh terjadinya pembiasan cahaya terlihat pada Gambar 4,0 dibawah ini. Gambar 4.0 Contoh pembiasan cahaya Contoh-contoh pembiasan cahaya dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut: ) Saat sebuah tongkat lurus kita masukkan setengahnya ke dalam air kolam maka kita melihat seolah-olah tongkat itu tampak patah (tidak lurus) 2) Saat kita menangkap ikan dalam akuarium, posisi ikan tersebut tidak berada pada posisi tepat kita melihatnya 3) Saat kita melihat kolam yang berair jenih dan tenang, maka kolam tersebut kelihatannya dangkal tetapi sebenarnya dalam 64

65 Perbandingan kecepatan cahaya diruang hampa udara dengan kecepatan cahaya dalam suatu medium disebut indeks bias medium (n) dan dirumuskan sebagai berikut. n c cn (4.5) dimana: c = kecepatan cahaya diruang hampa udara 3 x 08 m/s cn = kecepatan cahaya dalam medium n = indeks bias medium Hubungan antara sinar datang dan sinar bias di kenal dengan hukum Snellius untuk pembiasan, yaitu:. Sinar datang, garis normal, dan sinar bias terletek pada satu bidang datar. 2. Perbandingan proyeksi sinar datang dan sinar bias pada bidang batas antara dua medium merupakan bilangan tetap. Bilangan tetap itu didefenisikan sebagai indeks bias. Berdasarkan hukum Snellius, indeks bias medium dapat diketahui dari perbandingan proyeksi sinar datang dengan proyeksi sinar bias pada bidang batas kedua medium, seperti pada Gambar Titik potong sinar datang dan sinar bias pada bidang batas medium dijadikan sebagai titik pusat lingkaran (0). Apabila titik potong sisi lingkaran sinar datang (D) dan sinar bias (B) diproyeksikan ke bidang batas, maka D'O merupakan proyeksi sinar datang (DO) dan B'O merupakan proyeksi sinar bias (BO). Dengan demikian, indeks bias mediumnya dirumuskan sebagai berikut. n D' O B' O Gambar 4. hukum Snellius pada pembiasan Nilai indeks bias medium menunjukkan kerapatan medium. Makin besar indeks bias medium, maka semakin besar pula kerapatan medium. Sebaliknya, makin kecil indeks bias medium, maka semakin kecil pula kerapatan medium. Untuk lebih memahami arah sinar bias ketika melewati bidang bidang batas antara dua medium, maka kita memakai sifat-sifat sinar bias, yaitu sebagai berikut. 65

66 . Sinar datang dari medium kurang rapat menuju medium lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal. Dengan demikian, sudut bias (r) akan lebih kecil dari pada sudut datang ( i ) Gambar 4.2 Sinar bias mendekati garis normal 2. Sinar bias tegak lurus bidang batas maka tidak mengalami perubahan arah (tidak dibiaskan tetapi hanya diteruskan) Gambar 4.3 Sinar bias tegak lurus bidang batas 3. Sinar datang dari medium lebih rapat ke medium kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal. Dengan demikian sudut bias ( r ) akan lebih besar dari pada sudut datang ( (i ) Gambar 4.4 Sinar bias dari medium rapat ke kurang rapat Pembiasan cahaya dari medium lebih rapat menuju medium kurang rapat menghasilkan sifat sudut sinar bias (r ) lebih besar dari sudut sinar datang (i ). Apabila besar sudut datang semakin diperbesar, maka sudut bias semakin besar pula atau sinar bias semakin mendekati bidang batas seperti ditunjukkan pada Gambar. 66

67 Gambar 4.5 Sudut batas dan pemantulan sempurna Sudut datang pada saat terbentuk sudut bias (r ) sebesar 900 atau sinar bias sejajar bidang batas disebut sebagai sudut batas ( ). Jika sudut datang lebih besar dari sudut batas, maka akan terjadi pemantulan sempurna. Contoh peristiwa terjadinya pemantulan sempurna dalam kehidupan sehari-hari adalah fatamorgana, kemilau berlian, dan serat optik. Benda gelap tembus cahaya yang hampir meneruskan seluruh cahaya yang mengenainya dikenal dengan istilah benda optik, diantaranya kaca planparalel, prisma, dan lensa. Kaca Planparalel Kaca planparalel merupakan kaca tebal yang permukaannya rata. Sinar datang yang melalui kaca planparalel akan mengalami dua kali pembiasan. Gambar 4.6 Arah sinar dan sudut-sudut yang terbentuk pada kaca planparalel. Pembiasan pertama saat sinar datang menuju kaca planparalel dan pembiasan kedua saat sinar meninggalkan kaca planparalel. Sinar datang dari udara menuju kaca dibiaskan mendekati garis normal dalam kaca. Selanjutnya, sinar yang merambat dalam kaca menuju udara dibiaskan menjauhi garis-garis normal. Arah sinar datang yang menuju kaca planparalel dan arah sinar keluar dari dalam kaca planparalel adalah sejajar. Dengan demikian, berdasarkan Gambar dapat disimpulkan bahwa: i r ' dan r i ' Pergeseran sinar datang pada kaca planparalel adalah 67