Materi Listrik. LISTRIK STATIS Hukum Coulomb Medan Listrik Potensial Listrik Kapasitor Contoh Soal

Transkripsi

1 Materi Listrik LISTRIK STATIS Hukum Coulomb Medan Listrik Potensial Listrik Kapasitor Contoh Soal LISTRIK DINAMIS Arus Listrik Hukum Ohm Rangkaian hambatan Rangkaian Sumber tegan Hukum Kirchoff I.II Sumber Arus Searah Contoh Soal KLIK SALAH SATU MATERI YANG ANDA PILIH

2 BAB II LISTRIK STATIS A. Hukum Coulomb Dua buah muatan listrik sejenis akan tolak-menolak dan tidak sejenis akan tarik-menarik. Besarnya gaya tarik menarik atau toalk-menolak antara dua muatanlistrik sebanding dengan besar muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Hal ini dikenal sebagai hukum coulomb. + + F r + + F next>>

3 Secara matematis dirumuskan : F l = k Q 1.Q 2 r 2 Dengan : Q1,Q2 r k = muatan listrik (C) = jarak kedua muatan (m) = permeabilitas ruang hampa = Nm 2 /C 2 next>>

4 Bila ada lebih dari satu gaya yang mempengaruhi suatu muatan : - Q 3 r 13 F 13 F 12 F R α Q Q 2 Dari gambar diatas maka gaya elektrostatis yang dialami muatan Q1 dapat dicari dengan rumus : r 12 F R = F F F 13. F 12. cos α next>>

5 Keterangan : Q1, Q2, Q3 = muatan listrik (C) F 13 = gaya yang dialami muatan Q 1 akibat muatan Q 3 F 12 = gaya yang dialami muatan Q 1 akibat Q 2 (C) F R = gaya resultan yang dialami muatan Q1(C) α = sudut yang dibentuk antara F 12 dan F 13 r 12 = jarak antara muatan Q1 dan Q2 (m) r 13 = jarak antara muatan Q1 dan Q3(m) next>>

6 B. Medan Listrik Didefinisikan sebagai daerah disekitar muatan listrik yang masih mendapat pengaruh gaya elektroststis. merupakan besaran vektor medan listrik digambarkan dengan garis-garis gaya medan listrik yang arahnya menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif. ANIMASI + - Arah medan disuatu titik sama dengan arah gaya yang dialami muatan uji + bila di tempatkan dititik itu. P Ep + + next>>

7 Besar medan listrik disebut kuat medan listrik (E): Q + r P E p Kuat medan di titik P dirumuskan : E p = k r 2 Q Q = muatan listrik (C) r = jarak ttk P ke Q(m) k = permeabilitas ruang hampa = Nm 2 /C 2 next>>

8 1. Medan Listrik pada Bola Konduktor r R r A B c C A Kuat medan listrik pada tempat / titik pada bola dirumuskan : pada titik A (dalam bola), E = 0. pada titik B ( permukaan bola) : E B = k Q R 2 pada titik C (di luar bola), r > R E B = k Q r 2 next>>

9 Medan Listrik antara Dua Keping sejajar Bermuatan - - A = luas penempang plat (m2) A E - Q = muatan listrik (C) - A E = kuat medan listrik (N/C) - Maka rapat muatan pada masing-masing - keping adalah : - Q Q Kuat medan antara keping yang berisi udara : σ = Q/A E = σ ε o ε o = permitivitas udara = 8, C 2 /Nm 2 next>>

10 C. Potensial Listrik merupakan besaran skalar yang berada di sekitar muatan listrik. Potensial listrik dirumuskan : + r P Q V P = k r Q Bila muatan sumber negatif, maka harga potensial di sekitar muatan juga negatif. Potensial listrik pada suatu titik akibat pengaruh beberapa muatan : + Q3 Q2 - r2 P r3 Q1 + r1 V P = k Q 1 r1 + (- k Q 2 ) r2 + k Q 3 r3 next>>

11 1. Energi Potensial Listrik : V Q r q Energi potensial yang dimiliki muatan q yang berada pada tempat berpotensial listrik V adalah : Ep = q.v dengan V = k.q/r, sehingga : EP = k Dengan : Qq r EP = energi potensial (joule) Q = muatan sumber (C) q = muatan uji (C) r = jarak muatan uji ke muatan sumber (m) next>>

12 2. Usaha Potensial Listrik Q r 2 r 1 q Usaha untuk membawa muatan q dari suatu titik ke titik yang lain memenuhi : W 12 = Ep 2 Ep1 W 12 = q (V 2 -V 1 ) Keterangan : W 12 : usaha untuk membawa muatan q dari titik 1 ke titik 2 (joule) Ep 1 : energi potensial q pada titik 1 (joule) Ep 2 : energi potensial q pada titik 2 (joule) V 1 : potensial pada titik 1 (volt) V 2 : potensial pada titik 2 (volt) next>>

13 D. Kapasitor Kapasitor atau sering disebut juga kondesator adalah komponen yang dibuat untuk menyimpan muatan listrik yang besar untuk sementara waktu. 1. Kapasitas kapasitor Dedefinisikan sebagai perbandingan antara muatan yang tersimpan tiap satu satuan beda potensial bidang-bidangnya. C = Q/V Dengan : C = kapasitas kapasitor (farad) Q = muatan yang tersimpan (coloumb) V = beda potensial antara kedua plat (volt) next>>

14 Faktor-faktor yang menentukan Kapasitas Kapasitor - Beda potensial antara kedua plat adalah - - V = E. d A E - A Karena kuat medan antara kedua plat adalah ε - Q Q d o E = maka, V = - A.ε o A.ε o - Sehingga dari C = Q/V, maka Q d Q C o = kapasitas berisi udara (F) A = luas plat (m2) d = jarak kedua plat (m) ε o = permitivitas udara C o = A ε o d next>>

15 Bila diantara kedua plat diberi zat dielektrik dengan konstanta dielektrik K, maka permitivitas antara kedua kepingmenjadi ε, yang nilainya : A Q E ε d Q A ε = K. ε o dan kapasitas kapasitor menjadi C = A ε d Sehingga : atau C = K C o C = A K ε o d Keterangan : Co = kapasitas ketika berisi udara (F) C = kapasitas ketika berisi zat dielektrik (F) K = tetapan dielektrik zat = permitivitas relatif = ε/ε o next>>

16 Dari persamaan di atas maka dapat disimpulkan bahwa kapasitas kapasitor ditentukan oleh : Luas bidang plat, Jarak antara kedua plat, zat dielektrik antara kedua plat, 3. Rangkaian Kapasitor a. Rangakain Seri V 1 V 2 C 1 C 2 V next>> V1 + V2 = Vtotal Q1 = Q2 = Q total 1 = C s C 1 C 2

17 b. Rangakain paralel V = V1 = V2 Pada rangkaian paralel berlaku: V1 = V2 = Vtotal C 1 Cp = C1 + C c. Energi Kapasitor C 2 Q1 + Q2 +...= Qtotal, dengan Q1 = C1.V, Q2 = C2.V Energi yang tersimpan pada kapasitor dirumuskan : W = ½ Q.V W = ½ C.V 2 W = ½ Q 2 /C Keterangan : W = energi yang tersimpan pada kapasitor Q = muatan listrik (C) next>> V = potensial kapasitor (V) C = kapasitas kapasitor (F) Contoh soal

18 Contoh soal 1. Dua buah muatan listrik masing-masing sebesar q1 = + 40 mc dan Q2 = -50 mc terpisah sejauh 2 m. Hitung besar gaya elektrostatis antara kedua muatan jika di udara! 2. Tiga titik A,B dan C terletak satu garis di udara. Pada titik-titik tersebut terletak muatan listrik Q A = 2 mc, Q B = 3 mc dan Q C = 4 mc. Jarak A-B = 3 meter dan B-C = 4,5 meter. Tentukan gaya elektrostatis yang dialami muatan B! 3. Sebuah benda bermuatan listrik + 50 mc di udara. Tentukan kuat medan listrik di titik P yang berjarak 10 cm dari muatan listrik tersebut! 4. Sebuah benda bermuatan listrik + 30 mc di udara. Tentukan kuat medan listrik di titik P yang berjarak 18 cm dari muatan listrik tersebut! 5. Dua kapasitor dengan kapasitas masing-masing C1 = 4 mf dan C2 = 6 mf dirangkai seri dan dihubungkan dengan beda potensial 24 volt. Tentukan : a. kapasitas pengganti b. muatan pada masing-masing kapasitor

19 Kunci contoh soal : 1. Penyelesaian : Diketahui : Q1 = + 40 μc = C Q2 = - 50 μc = C r = 2 m Ditanya : a. F b. F Jawab : a. F l = k = Q 1 Q 2 r 2 = N = 4,5 N b. F = F/K = 4,5 / = 0,56 N << back Continue

20 2. Penyelesaian : r 1 = 3 m r 2 = 4,5 m Q F BA F BC A Dikrtahui : Q A = - 2 μc = C Q B Q B = + 3 μc = C Q C = - 4 mc = C Q C r 1 = 3 m r 2 = 4 m Ditanya : F B.? << back Continue

21 F BA = k Q A Q B r 1 2 = = N sehingga F B = F BA F BC = , = 7, N F BC = k Q B Q C = r 2 2 = 4, N << back

22 Ep = Penyelesaian : + r P Q Dikrtahui : Q = + 20 μc = C r = 10 cm = 10-1 m Ditanya : E p...? Jawab : Ep = k Q r 2 Ep = Ep = N/C (10-1 ) 2 << back Continue >>

23 4. Penyelesaian : r + Q P Dikrtahui : Q = 30 μc = C r = 18 cm = 1, m Ditanya : V p...? Jawab : Vp = k Q r = = 1, volt << back Continue

24 5. Penyelesaian : Diketahui : C1 = 4 μf C2 = 6 μf V = 24 volt Ditanya : a. Cs b. Q1,Q2 Jawab : 1 a. = C s C 1 C 2 1 = 1 C s Cs = = 2,4 μf b. Cs = Qgab / Vtotal Qgab = Cs. Vtotal = 2,4. 10 = 24 mc Q1 = Q2 = Qgab = 24 μc <<back Continue >>

25 BABIII LISTRIK DINAMIS A. ARUS LISTRIK Arus listrik adalah ditimbulkan oleh aliran muatan-muatan listrik positif. Arah arus listrik berlawanan dengan arah aliran elektron. Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan yang mengalir tiap satuan waktu pada suatu penghantar. Dengan : I = kuat arus (A) Q = muatan listrik (C) t = waktu (s) I = Q/t

26 B. Tegangan / Beda Potensial Kuat arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar tersebut. Dari hasil percobaan diperoleh : ε /i= konstan = R R adalah hambatan pada penghantar. Besarnya hambatan penghantar dirumuskan : R = ρ l A dengan R = hambatan kawat (ohm) ρ = hambat jenis kawat (ohm.m) l = panjang kawat (m) A = luas penampang (m2)

27 Hambatan suatu penghantar juga dipengaruhi suhu penghantar, karena hambat jenis penghantar dipengrauhi oleh suhu yang ditunjukkan dengan persamaan : ρ t = ρ o (1+αΔt) Sehingga hambatan kawat juga berubah jika suhu berubah dengan ditunjukkan persamaan : Dengan : R t = R o (1+αΔt) ρt = hambat jenis pada suhu t (per o C) ρ o = hambat jenis mula-mula (per o C) α = tetapan suhu (per o C) Δt = perubahan suhu ( o C) R t = hambatan penghantar pada suhu t (ohm) R o = hambatan penghantar mula-mula (ohm)

28 C. Rangkaian Arus Listrik Searah 1. Susunan hambatan a. Susunan Seri i R 1 R 2 R 3 V 1 V 2 V 3 Pada rangkaian hambatan seri berlaku : R s = R 1 + R 2 + R V 1 + V 2 + V 3 = V i 1 = i 2 = i 3 = i

29 b. Susunan Paralel V i 1 R 1 i 2 R 2 i 3 R 3 Pada rangkaian hambatan seri berlaku : V 1 = V 2 = V 3 = V i 1 + i 2 + i 3 = i 1 Rp = 1 R R R 3

30 c. Hambatan Jembatan Wheatstone R 1 R 1 R 2 R 5 R 2 R 5 R 4 R 3 R 4 R 3 R 1 R 2 R 5 R 3 R 4

31 R 1 R 2 R 5 R 3 R 4 Cara menentukan hambatan pengganti : Bila R1 X R3 = R2 X R4, maka R5 tidak dialiri arus, sehingga rangkaian diatas menjadi: R 1 R 2 R 1,2 R 3 R 4 Sehingga dengan cara seri dan paralel rangkaian diatas dapat diselesaikan dengan mudah. R 3,4

32 Cara menentukan hambatan pengganti : Bila R1 X R3 R2 X R4, maka R5 ikut diperhitungkan dengan cara perubahan bentuk Δ menjadi Y sebagai berikut : R 1 R c R 2 R a R 5 R b R 4 R 3 R a = R 1.R 4 R c = R 1.R 5 R 1 + R 4 + R 5 R 1 + R 4 + R 5 R b = R 4.R 5 R 1 + R 4 + R 5

33 2. Susunan Sumber Tegangan a. Susunan Seri n i ε,r ε,r R Kuat arus listrik yang mengalir dalam rangkaian : i = n ε R + nr ε : ggl sumber tegangan n : jumlah sumber tegangan

34 b. Susunan Paralel ε,r ε,r ε,r i R Kuat arus listrik yang mengalir dalam rangkaian : i = ε R + r/n

35 3. Hukum Kirchoff a. Hukum Kirchoff I Jumlah arus yang masuk suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar titik cabang tersebut b. Hukum Kirchoff II Dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (ggl) sama dengan jumlah aljabar penurunan potensial listriknya Σ ε = Σ i R

36 1) Rangkaian dengan Sebuah Loop ε1,r1 ε2,r2 Langkah-langkah penyelesaian : a) Tentuka arah loop dalam rangakaian! i R1 R2 Dari hukum kirchoff II: Σ ε = Σ i R R3 b) Tentukan arah arus dalam rangkaian! c) Bila dalam penelusuran loop sumber tegangan ketemu kutub positif dulu maka ggl-nya diberi tanda negatif(-), dan sebaliknya. d) Bila arah arus searah dengan penelusuran loop, maka arus diberi tanda positif (+), dan sebaliknya e) Bila dalam perhitungan terakhir kuat arus ketemu positf, maka perumpamaan arah arus adalah benar. ε1 + ε2 = i R1 + i R2 + i R3

37 1) Rangkaian dengan Dua Loop ε1,r1 ε2,r2 i1 P i2 ε3,r3 Loop I i3 R3 Loop II R1 Q R2 Loop I: Loop II: Σ ε = Σ i R Σ ε = Σ i R ε 2 ε 1 = - i 1 R 1 i 3 R 3 = - i 1 R 1 (i 1 +i 2 )R 3 ε 2 ε 1 = - i 1 (R 1 -R 3 ) i 2 R 3...1) ε 3 = i 2 R 2 + i 3 R 3 = i 2 R 2 + (i 1 +i 2 )R 3 = i 2 R 2 + i 1 R 3 + i 2 R 3 = i 2 (R 2 +R 3 ) + i 1 R 3...2)

38 D. Sumber Arus Searah 1. Elemen Primer Elemen primer adalah elemen yang memerlukan penggantian bahan-bahan pereaksi setelah digunakan. Contoh elemen primer adalah : elemen volta, elemen daniel, elemen kering, dsb. a. Elemen Volta S S + Cu Zn - + Cu Zn - i H 2 so 4 H 2 SO 4 - Setelah digunakan pada elemen Volta akan terjadi polarisasi, yaitu peristiwa penutupan elektroda-elektroda elemen oleh hasil reaksi sehingga menurunkan kerja elemen.

39 b. Elemen Daniel + Cu S -Zn Bejana berpori + Cu S -Zn H 2 so 4 encer Larutan Cuso 4 Cu sebagai anoda (kutub +), Zn sebagai katoda (kutub -)dan Larutan CuSO sebagai depolarisator

40 Reaksi katoda seng dengan larutan elektrolit menghasilkan gas hidrogen. Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2 Depolarisator mengikat gas hidrogen yang terbentuk sehingga tidak menutupi anoda, sehingga elemen akan mengalirkan arus lebih lama. H 2 + CuSO 4 c. Elemen Kering H 2 SO 4 + Cu Elemen kering adalah nama ilmiah batu baterai yang kita gunakan seharihari. Komponen batu baterai terdiri dari : Batang karbon sebagai anoda (kutub +) Campuran serbuk karbon dan mangan oksida sebagai depolarisator Amonium klorida (pasta) sebagai elektrolit Selubung seng sebagai katoda (kutub -)

41 Tutup kuningan Zn (kutub -) Batang karbon (+) Amonium klorida (pasta) Campuran Mangan klorida & karbon (salmiak) Sekat dari bahan isolator Bungkus luar / isolator

42 Pada pemakaian accu terjadi reaksi : Anoda : PbO 2 + 2H + + 2e Katoda : Pb + SO 4 = + H 2 O PbO + H 2 O PbO + H 2 SO 4 + 2e Pada pengisian accu terjadi reaksi : Anoda : PbO + SO 4 = + H 2 O Katoda : PbO + 2H + + 2e PbO 2 + H 2 SO 4 + 2e Pb + H 2 O D. Energi dan Daya Listrik 1. Energi Listrik Energi dirumuskan W = V.i.t W = i 2.R.t listrik W : energi listrik (joule) R : hambata listrik (ohm) i : kuat arus (A) i : waktu (s)

43 2. Daya Listrik Daya listrik didefinisikan sebagai energi listrik yang diserap atau dipakai tiap satuan waktu. Daya listrik dirumuskan : P = W/t = i 2.R = V.i = V 2 /R Bila suatu alat dengan spesifikasi P1,V1 dipasang pada tegangan V2, maka daya yang diserap akan berubah. P 1 P 2 = V 1 V 2 2

44 Contoh Soal 1. Hitung kuat arus yang mengalir dalam suatu penghantar, bila muatan yang mengalir 200 C tiap 0,5 menit! Penyelesaian Diketahui : C = 200 coloumb t = 0,5 menit = 30 s Ditanya...i? Jawab : i = Q/t = 200 / 30 = 6,67 A

45 Contoh Soal 2. Bila tegangan 220 V diberikan pada seterika sehingga mengalir arus 2 A, berapa hambatan kumparan dalam seterika tersebut! Penyelesaian Diketahui : V = 220 volt i = 2 A Ditanya...i? Jawab : V = i R i = V/R = 220/ 2 = 110 ohm

46 Contoh Soal 3. Sebuah penghantar panjang 100 cm dengan luas penampang 6,28 mm2 memiliki hambat jenis 3, ohm.meter. Tentukan : a. hambatan kawat! b. hambatan kawat pada kenaikan suhu 100 oc! Penyelesaian Diketahui : l = 100 cm A = 6,28 mm2 ρ = 3, ohm.m Ditanya i? a. R b. Rt Jawab: a. R = ρ.l / A = (3, ) / 6, = 0, ohm b. Rt = Ro(1+α.Δt) = 0, (1+3, ) = 0, (1,35) =0, ohm

47 Contoh Soal 4. Tiga buah resistor masing-masing 4 ohm,8 0hm dan 12 ohm ujung-ujungnya diberi beda potensial 24 volt disusun seri. Tentukan : a. hambatan pengganti! b. kuat arus dalam rangkaian Penyelesaian Jawab: Diketahui : R1 = 4 ohm R 1 = 4Ω R 2 = 8 Ω R 3 = 12 Ω R2 = 8 ohm R3 = 12 ohm V = 24 volt Ditanya i? a. Rp a. Rs = R1 + R2 + R3 = = 24 volt b. i = V / R = 24 / 24 = 1 A b. i

48 Contoh Soal 5. Perhatikan rangkaian hambatan pada gambar berikut! R 1 = 6 Ω R 2 = 4 Ω R 5 = 5 Ω R 3 = 3 Ω R 4 = 2 Ω Hitung hambatan pengganti dari rangkaian di atas! Penyelesaian : Diketahui : gambar diatas adalah rangkaian jembatan Wheatstone. Ditanya R pengganti? Jawab : Karena R1 x R4 = R2 x R3, maka R5 tidak dialiri arus. Sehingga rangakaian bisa diubah menjadi :

49 R 1 = 6 Ω R 3 = 3 Ω R 12 = 10 Ω R 2 = 4 Ω R 5 = 5 Ω R 4 = 2 Ω 1 R p = 1 R R 34 1 R p = Rp = = 50/15 = 3,3.. Ω R 34 = 5 Ω R P