Gaya listrik didefinisikan sebagai gaya yang timbul akibat muatan listrik suatu benda. Setiap benda yang bermuatan listrik memiliki medan listrik. Medan listrik sendiri adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang mana gaya tersebut berupa tarikan. Benda yang berada dalam medan listrik benda lain maka akan saling tarik
menarik. Gaya listrik disebut juga dengan gaya Coulomb karena ditemukan oleh ahli fisika asal Perancis yang bernama Charles Augustin de Coulomb. Coulomb melakukan penelitan mengenai gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang diberi muatan listrik yang dipisahkan oleh jarak tertentu. Hukum Coulomb pada dasarnya menyatakan bahwa interaksi muatan listrik yang sejenis akan tolak-menolak, sedangkan muatan yang berlainan jenis akan tarik-menarik. Dari hasil percobaan Coulomb dapat dinyatakan bunyi Hukum Coulomb sebagai berikut:
“Besar gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda bermuatan listrik berbanding lurus dengan muatan masing-masing benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut”.
Apabila suatu benda akan mengalami perpindahan muatan saat benda benda tersebut berada dalam satu medan listrik. Di dunia ini banyak sekali peristiwa yang menggunakan konsep gaya listrik. Di bawah ini merupakan contoh contoh penerapan gaya listrik. Berikut ini adalah beberapa contoh penerapangaya listrik dalam listrik statis.
Penggaris plastik yang digosok dengan rambut akan menyebabkan potongan kertas menempel padapenggaris tersebut.
Debu menempel pada layer televisi
Menggosokan balon pada tangan kita
Tangan yang didekatkan pada layer TV tabung yang barusaja dimatikan menyebabkan bulu rambut akan berdiri (tertarik)
Penggaris plastik yang digosok dengan kain wall.
Setelah membahas tentang gaya listrik, kita akan Gaya gerak listrik dapat didefinisikan sebagai perbedaan potensial ujung penghantar tanpa dialiri arus listrik.
Gaya gerak listrik juga biasa disebut GGL. Ilmuan yang pertama menjelaskan temuan ini adalah Michhael Faraday. Dia juga telah melakukan percobaannya yang menimbulkan medan magnet yang ahirnya menggerakan jarum galvanometer. Gerakan jarum tersebut menunjukan adanya Gerakan yang diakibatkan oleh gaya gerak listrik.
Gaya gerak listrik dapat bersumber dari alat yang memiliki kutub positif dan negative secara terpisah. Kedua kutub tersebut biasa disebut terminal. Kutub-kutub tersebut adalah sebagaitempat berkumpulnya muatan listrik positif dan negatif.
Terminal positif merupakan terminal anoda dan terminal negative disebut katoda.
Gerakan bolak balik magnet pada sebuah kumparan dapat menghasilkan gaya gerak listrik yang dibuktikan dengan menyimpangnya jarum galvanometer.
Jika kita telusuri lebih dalam kipas angina rumahan kita akan menemukan aplikasi gaya gerak listrik. Saat kipas angina dicolokkan pada sumber PLN kemudian baling baling kipas mulai memutar. Itu terjadi karena arus PLN yang mengalir pada kumparan kipas angina menumbulkan medan magnet dan medan magnet tersebut membuat baling balik tersebut berputar dan disebutlah gaya gerak listrik atau GGL.
Pernah kalian perhatikan jika suatu logam besi yang dililitkan pada sebuah kumparan dan kumparan tersebut dialiri oleh listrik apa yang terjadi? Yang terjadi adalah logam tersebut berupah menjadi magnet yang dapat mendorong atau menarik logam lain yang mana kejadian tersebut menghasilkan gaya gerak listrik.
Kejadian fisika yang menggunakan atau mengalami gaya listrik sangatlah banyak pelu ada penyelesaian untuk menyelesaikan masalah gaya listrik ini. Dengan demikian kita akan membahas persamaan yang perlu dimengerti tentang gaya listrik.
1. Rumus Gaya Coloumb / Listrik
𝐹 = 𝑘𝑞1𝑞2
3. Rumus Gaya Gerak Listrik
𝐸 = −𝑁∆ϕ
∆t (3.11) Keterangan:
E = Gaya gerak listrik (V) N = jumlah lilitan
∆ϕ = perubahan medan listrik (B)
∆t = perubahan waktu (s) 4. Rumus Tegangan Jepit
Untuk mencari tahu beda potensial pada suatu rangkaian listrik tertutup, maka kita bisa menggunakan rumus berikut ini:
V = I x R (3.12) Keterangan:
V = Tegangan jepit
I = Arus listrik yang mengalir
R: Nilai Tahanan dalam suatu rangkaian
Namun jika kita ingin menghitung beda potensial pada rangkaian terbuka atau sebelum arus listrik dialirkan, maka kita akan menggunakan rumus GGL, yaitu:
E = I x (r + R) (3.13)
Keterangan:
E: Gaya Gerak Listrik
I: Arus Listrik yang mengalir
r: Nilai hambatan dari sumber tegangan R: Nilai Tahanan dalam suatu rangkaian Contoh Soal 3.5
1. Tiga buah muatan disusun seperti pada gambar di bawah ini. Berapa besar gaya coulomb yang dialami muatan B?
Penyelesaian
Jadi besar gaya listrik yang dialami oleh muatan B sebesar 22.5 N kearah C
2. Sebuah catu daya dengan GGL 10V. Jika kedua kutub catu daya tersebut dihubungkan dengan kawat yang tidak berhambatan dan arus yang ditimbulkan sebesar 5A. Berapa hambatan dalam catu daya tersebut? Berapa tegangan jepit jika rangkaian tersebut dihubungkan pada hambatan luar R = 3 ohm?
Penyelesaian:
Diketahui:
E = 10V A = 3A R = 5 ohm
Ditanya: R = …. ? Vj = …..?
Jawab:
E = iR 10 = 5 R R = 2 ohm
Jadi hambatan dalam catu daya tersebut sebesar 2 ohm i = E/(R+r)
i = 10 / (3+2) i = 2 A Vj = iR
Vj = 2 3 = 6 V
Jadi besar tegangan jepit rangkaian tersebut adalah 6V 3.2.3. Mengukur Gaya
Ada beberapa cara mengukur gaya yang dapat kita lakukan untuk mengetahui sebuah gaya sebagai berikut:
1. Pahami hubungan antara gaya, massa, dan percepatan. Gaya sebuah benda hanyalah hasil perkalian massa dan percepatannya. Hubungan ini dapat didefinisikan dengan rumus berikut: Gaya = Massa x Percepatan. Berikut adalah beberapa hal lain yang perlu diperhatikan saat mengukur gaya:
Satuan standar untuk massa adalah kilogram (kg).
Satuan standar untuk percepatan adalah m/s2.
Satuan standar untuk gaya adalah newton (N). Newton merupakan satuan turunan. 1N = 1 kg x 1m/s2.
2. Ukurlah massa benda yang diberikan. Massa sebuah benda adalah banyaknya zat yang terkandung di dalamnya. Massa sebuah benda tidak pernah berubah, tidak peduli berada di planet manapun; sedangkan berat berubah-ubah bergantung pada gaya tarik gravitasi. Massamu di Bumi dan di Bulan sama. Dalam sistem metrik, massa dapat dituliskan dalam gram atau kilogram. Misalkan benda yang kita gunakan adalah truk dengan massa 1000 kg.
Untuk mencari massa benda yang diberikan, letakkan di neraca tiga lengan atau neraca ganda. Neraca ini akan mengukur massa dalam kilogram atau gram.
diciptakan untuk membedakan penggunaannya. Meskipun demikian, jika Anda menemukan massa benda dinyakan dengan pon, cukup kalikan dengan 0,45 untuk mengetahui nilainya dalam kilogram.
3. Ukurlah percepatan benda. Dalam fisika, percepatan didefinisikan sebagai perubahan kecepatan, yang didefinisikan sebagai kelajuan dalam arah tertentu, setiap satuan waktu. Selain dipercepat, percepatan juga dapat didefinisikan sebagai perlambatan atau berubah arah. Sama seperti kecepatan dapat diukur dengan spidometer, percepatan juga diukur dengan akselerometer. Misalkan percepatan truk dengan massa 1000 kg adalah 3m/s2.
Dalam sistem metrik, kecepatan dituliskan dalam centimeter per sekon atau meter per sekon, dan percepatan dituliskan dalam centimeter per sekon per sekon (sentimeter per sekon kuadrat) atau meter per sekon per sekon (meter per sekon kuadrat).
Dalam sistem Imperial, salah satu cara untuk menyatakan kecepatan adalah kaki per detik. Jadi, percepatan juga bisa dinyatakan dalam satuan kaki per detik kuadrat.
4. Kalikan massa benda dengan percepatannya. Hasilnya adalah nilai gaya.
Masukkan saja angka yang sudah didapatkan ke dalam persamaan dan kamu akan mengetahui gaya sebuah benda. Ingatlah untuk menuliskan jawabanmu dalan netwon (N).
Gaya = Massa x Percepatan
Gaya = 1000 kg x 3m/s2
Gaya = 3000N
Beberapa tips ketika Anda mengukur gaya:
Massa juga dapat dituliskan dalam slug, dengan satu slug setara dengan 32,174 pound massa. Satu slag adalah jumlah massa yang dapat dipercepat oleh 1 pound gaya dengen percepatan 1 kaki per sekon kuadrat. Saat mengalikan massa dalam slug dengan percepatan dalam kaki per sekon kuadrat, konstanta konversi tidak digunakan.
Dengan demikian, massa 640 pound yang dipercepat dengan percepatan 5 kaki per sekon kuadrat memiliki perkiraan gaya 640 kali 5 dibagi dengan 32 atau 100 pound gaya.
Berat adalah massa yang dipengaruhi oleh percepatan gravitasi. Pada permukaan Bumi, percepatannya sekitar 9,8 meter per sekon kuadrat (9,8065) atau 32 kaki per
sekon kuadrat (32,174). Dengan demikian, dalam sistem metrik, massa 100 kg setara dengan 980 newton, dan massa 100 gram setara dengan 980 dyne. Dalam sistem Inggris, massa dan berat dapat dituliskan dalam satuan yang sama, sehingga 100 pound massa memiliki berat 100 pound (100 pound gaya). Karena neraca pegas mengukur tarikan gravitasi pada sebuah benda, neraca ini sebenarnya mengukur berat, bukan massa. (Dalam penggunaan sehari-hari, tidak ada perbedaannya, selama gravitasi yang digunakan adalah pada permukaan Bumi.)
Bagilah hasilnya dengan konstanta konversi jika kamu menggunakan satuan Inggris. Seperti yang ditulis di atas, pound dapat merupakan satuan massa atau gaya dalam sistem Inggris; ketika digunakan sebagai satuan gaya, pound disebut pound gaya. Konstanta konversinya adalah 32,174 pound-kaki per pound gaya sekon-kuadrat; 32,174 adalah nilai percepatan akibat gravitasi Bumi dalam kaki per sekon kuadrat. (Untuk menyederhanakan matematikanya, kita akan membulatkan nilainya menjadi 32.)
Perhatikan bahwa hubungan antara gaya, massa, dan percepatan berarti bahwa sebuah benda dengan massa kecil dan percepatan besar dapat memiliki gaya yang sama seperti benda dengan massa besar dan percepatan kecil.
Massa 150 kilogram dengan percepatan 10 meter per sekon kuadrat memiliki gaya 150 kali 10, atau 1500 kilogram meter per sekon kuadrat. (Satu kilogram meter per sekon kuadrat disebut satu newton.)
Gaya mungkin memiliki nama-nama khusus bergantung pada akibatnya pada sebuah benda. Gaya yang menyebabkan benda dipercepat disebut dorongan, sedangkan gaya yang menyebabkan benda diperlambat adalah tarikan. Gaya yang mengubah arah rotasi benda berputar pada sumbunya disebut torsi.
Massa 20 gram dengan percepatan 5 cm per sekon kuadrat memiliki gaya 20 kali 5, atau 100 gram centimeter per sekon kuadrat. (Satu gram centimeter per sekon kuadrat disebut dyne.)
Dinamometer sebagai alat ukur gaya digunakan untuk mengukur besarnya suatu gaya yang dihasilkan atau dikeluarkan oleh sebuah benda. Adanya gaya menyebabkan benda diam menjadi bergerak, mengubah arah benda, atau mengubah kecepatan gerak benda. Di bumi ada gaya yang secara alami yaitu gaya gravitasi yang menyebabkan benda dapat jatuh ke bawah. Satuan gaya adalah Newton (N), yang diambil dari nama
Gambar 3.10 Dinamometer
Ketika kita memberikan gaya (tarikan atau dorongan), belum tentu kita tahu berapa besar gaya yang kita keluarkan. Untuk mengukur besar gaya yang kita keluarkan, maka diperlukan sebuah alat yang disebut dinamometer atau neraca pegas.
Jika laboratorium, dinamometer juga digunakan untuk mengukur berat, yaitu gaya berat bukan massa.
Prinsip kerja dinamometer mengikuti hukum Hooke, dimana gaya elastis ini menyebabkan adanya getaran harmonis yang berbanding lurus serta saling berlawanan dengan arah simpangan.
Neraca pegas sebagai alat pengukur gaya gravitasi ini terbuat dari pegas di dalam wadah yang diberi skala. Angka pada skala nantinya akan menunjukkan besarnya gaya yang dikeluarkan benda. Beban akan digantungkan di ujung bawah pegas secara vertikal, kemudian pegas akan memanjang dan besar gaya diketahui melalui skala pada alat.
Berbagai bagian dari dinamometer antara lain gantungan, skala, batang, pengait, pegas, dan penunjuk skala. Ada dua skala pada dinamometer, yaitu skala N (Newton) dan kg (gram). Ketika menimbang beban, skala harus diatur pada posisi nol melalui pengatur skala. Kemudian, beban digantungkan pada pengait.
Secara ilmu fisika, ketika kita memberikan gaya pada suatu benda, kemudian benda tersebut berpindah dari tempat semula, itulah yang disebut usaha. Namun, jika tidak ada perpindahan benda, maka bisa disimpulkan jika gaya yang dikeluarkan tidak menghasilkan usaha. Misal, gaya yang dikeluarkan saat mendorong tembok.
Pada dasarnya, dinamometer merupakan alat ukur gaya yang dikeluarkan oleh suatu benda. Jika gaya yang dikeluarkan menghasilkan perpindahan (s), maka kejadian
tersebut disebut sebagai usaha. Jadi, dinamometer dapat juga digunakan sebagai salah satu alat ukur usaha. Besar usaha yang dihasilkan bisa diketahui melalui rumus berikut ini.
W = F.s (3.13) Keterangan:
W : Usaha (Joule) F : Gaya (N) s : Jarak (m)
Daya dalam ilmu fisika diartikan sebagai ukuran kecepatan melakukan kerja, yaitu jumlah energi yang dihabiskan per satuan waktu. Mengukur daya, diperlukan nilai perubahan posisi benda dan waktu yang spesifik saat perubahan muncul.
Mengukur dapat dilakukan menggunakan rumus berikut.
P = W/t (3.14) Keterangan:
P : Daya (Joule/watt) W : Usaha (Joule) t : Waktu (s)
Berdasarkan rumus tersebut, dinamometer bisa kita gunakan sebagai salah satu alat pengukur daya, yaitu untuk menentukan nilai usaha (W).
Penggunaan alat pengukur besar kecilnya gaya atau dinamometer haruslah mengikuti prosedur penggunaannya. Berikut ini beberapa prosedur saat menggunakan dinamometer atau neraca pegas.
a. Kalibrasi
Proses kalibrasi yaitu membandingkan suatu acuan lokal dengan standar yang berlaku untuk memastikan ketelitian alat ukur, atau menstandarkan keadaan ukur agar memenuhi pengukuran yang akurat dan mendekati nilai yang betul. Kalibrasi dinamometer dilakukan dengan cara memutar sekrup pada bagian atas dinamometer (tanpa beban) hingga skala menunjukkan nilai nol.
b. Cara Pengukuran
Cara mengukur gaya suatu benda menggunakan dinamometer sangat mudah, yaitu cukup menggantungkan benda yang ingin diukur pada pengait pada bagian bawah pegas. Kemudian, amati nilai skala yang ditunjukkan pada penunjuk skala.
Cara membaca besar gaya benda menggunakan dinamometer sama halnya seperti alat ukur massa jenis, atau mistar yang digunakan sebagai salah satu alat ukur luas. Yakni dengan melihat angka yang ditunjukkan pada skala. Nilai ketelitian dinamometer berbeda – beda, sehingga hasil pengukuran yang dihasilkan pun berbeda.
3.2.4. Hukum-Hukum Newton
Hukum Newton adalah hukum yang menggambarkan hubungan antara gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya. Hukum gerak ini merupakan dasar mekanika klasik yang dijabarkan dalam tiga Hukum Fisika.
Sesuai namanya, hukum Newton pertama kali dikemukakan oleh Sir Isaac Newton (1643 – 1722), seorang ahli fisika, matematika, dan filsafat asal Inggris. Kala itu, ia menerbitkan sebuah karya berjudul Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, yang kemudian digunakan untuk menjelaskan dan meneliti gerak dari bermacam-macam benda fisik maupun sistem.
Suatu benda yang bergerak tidak bisa dijelaskan dengan logika, tetapi jika menggunakan hukum ini dapat dihitung berapa kecepatan serta jaraknya. Hal yang sama berlaku ketika benda jatuh dari atas ke bawah, atau benda berpindah dari suatu titik ke titik lain.