MODUL FISIKA
(KELAS XII SEMESTER GANJIL)
OLEH :
IDA AYU KADE WIJAYANTI, S.Pd
NIP. 19830323 200501 2 015
SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN NEGERI 1 SUKASADA
(SMK NEGERI 1 SUKASADA)
LISTRIK STATIS
Listrik statis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan diam.
Hukum Coulomb
Sebuah sisir yang digosokkan pada rambut menjadi bermuatan listrik positif sehingga dapat menarik sobekan-sobekan kertas.
Muatan listrik memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
1. Muatan listrik digolongkan menjadi dua jenis yaitu muatan listrik positif dan muatan listrik negatif.
2. Muatan listrik yang sejenis akan saling tolak-menolak dan muatan listrik yang tak sejenis tarik-menarik.
Fisikawan Perancis bernama Charles Coulomb pada tahun 1785. Dari percobaannya yang menggunakan neraca puntir,
Coulomb merumuskan hukum Coulomb yang berbunyi:
“Besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan”.
Secara matematis hukum Coulomb dinyatakan sebagai berikut:
F = k
2 2 1
r
q
q
Keterangan :
F = gaya coulomb atau gaya elektrostatis antara kedua muatan (N)
k = tetapan / konstanta = 9 x 109 Nm2C-2 untuk benda yang berada di dalam medium vakum (udara) dimana k =
0
4
1
dan εo= 8,85 x 10-12C2N-1m2
q = besar muatan (C, dimana 1 μC = 10-6 C dan 1 nC = 10-9 C)
r = jarak antara kedua muatan (m)
Perhatikan gambar di bawah ini !
a. Muatan sejenis tolak menolak
b. Muatan tak sejenis tarik menarik
Medan Listrik
Medan listrik didefinisikan sebagai ruang di sekitar suatu muatan listrik sumber dimana muatan listrik lainnya dalam ruang ini
akan mengalami gaya Coulomb atau gaya listrik (tarik atau tolak). Secara matematis kuat medan listrik dirumuskan dengan:
E = o
q
F
Atau E = 2
r
q
k
Keterangan :
E = kuat medan listrik (N/C)
F = gaya Coulomb (N)
qo = besar muatan uji (C)
Hukum Gauss
Tiga hal tentang garis-garis medan listrik:
1. Garis-garis medan listrik tidak pernah berpotongan.
2. Garis-garis medan listrik selalu mengarah radial ke luar menjauhi muatan positif (gambar a) dan radial ke dalam mendekati
muatan negatif (gambar b).
+
+
q
1r q
2F
12F
21-
-
q
1r q
2F
12F
21+
-
q
1r q
23. Tempat di mana garis-garis medan listrik rapat menyatakan tempat yang medan listriknya kuat. Sedangkan tempat dimana
garis-garis medan listrik renggang menyatakan tempat yang medan listriknya lemah.
Secara matematis fluks listrik dirumuskan dengan:
Ф = E A cos θ
Keterangan :
Ф = fluks listrik (NC-1m2 atau disebut Weber)
E = kuat medan listrik (N/C)
A = luas bidang (m2)
Potensial Listrik
Persamaan energi potensial listrik yaitu:
Ep =
r
q
q
k
oBeda potensial listrik didefinisikan sebagai perubahan energi potensial per satuan muatan ketika sebuah muatan uji dipindahkan
di antara dua titik atau secara matematis dirumuskan dengan:
ΔV = o
q
Ep
atau ΔV =
(
1
1
)
1 2
r
r
kq
Secara umum dapat pula didefinisikan potensial mutlak pada suatu titik yang berjarak r dari muatan sumber q sebagai:
V =
r
kq
atau V = E.r
Keterangan :
V = potensial listrik (Volt) r = jarak muatan uji ke muatan sumber (m)
E = kuat medan listrik (N/C) r1 = jarak awal muatan uji ke muatan sumber (m)
qo = muatan uji (C) r2 = jarak akhir muatan uji ke muatan sumber (m)
q = muatan sumber (C)
+
-
KAPASITOR
Kapasitas Kapasitor
Kapasitor adalah komponen listrik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik. Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu
rangkaian adalah :
a. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada power supply)
b. Sebagai filter dalam rangkaian power supply
c. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna
d. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon
e. Menghilanghkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar
Kapasitas kapasitor (C) merupakan ukuran kemampuan suatu kapasitor dalam menyimpan muatan listrik pada saat dihubungkan
dengan suatu beda potensial listrik. Persamaan kapasitas kapasitor :
C =
V
q
, sedangkan kapasitas kapasitor untuk keping sejajar akan menjadi: C =
d
A
o
Keterangan :
C = kapasitas kapasitor (Farad) εo = permitivitas ruang hampa/udara
A = luas tiap-tiap keping (m2)
d = jarak antar keping (m)
Susunan Kapasitor
1. Rangkaian Seri
Dua kapasitor atau lebih bila disusun seri maka muatan pada tiap-tiap kapasitornya sama sebab muatan total seluruh
kapasitor sama dengan muatan tiap-tiap kapasitor.
Untuk kapasitor yang disusun seri:
Vac = Vab + Vbc
g ac
C
q
=
2 1
C
q
C
q
ab bc
qab = qbc = q , sehingga diperoleh kapasitas kapasitor pengganti untuk kapasitor yangdisusun seri adalah:
n
g
C
C
C
C
1
....
1
1
1
2 1
2. Rangkaian Paralel
Apabila ada beberapa buah kapasitor dipasang paralel maka kapasitor-kapasitor tersebut akan mempunyai beda
potensial yang sama, dan sama dengan beda potensial gabungan seluruh kapasitor.Sedangkan kapasitas gabungannya
lebih besar dari kapasitas tiap-tiap kapasitor. Jadi, untuk mendapatkan kapasitas kapasitor yang besar,
kapasitor-kapasitor harus disusun secara paralel.
. . .
a
b
c
C1 C2
. .
c
d
C2
. .
e
f
C3
. .
a
b
C
C
C
C C
B A
Untuk kapasitor yang disusun paralel:
Vg = Vab = Vcd = Vef
qg = q1 + q2 + q3
Cg Vg = C1Vab + C2Vcd + C3Vef , sehingga diperoleh kapasitas kapasitor penggantiuntuk kapasitor yang disusun secara paralel yaitu: Cg = C1 + C2 + C3
3. Rangkaian Gabungan
Merupakan rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.
Contoh Soal
1. Hitung kapasitas pengganti dari rangkaian tersebut!
C1 = 3 µF
C2 = 6 µF
C3 = 4 µF
Jawab :
C1 dan C2 tersusun seri sehingga : 1/Cs 1,2 = 1/ C1 + 1/C2 = 1/3 + 1/6 = 3/6, sehingga : Cs 1,2 = 6/3 = 2 µF
Cs 1,2 dan C3 tersusun paralel sehingga : Cp 1,2, 3 = Cs + C3 = 2 µF + 4 µF = 6 µF
Energi yang Tersimpan dalam Kapasitor
Bila sebuah kapasitor diberikan muatan listrik, sesungguhnya yang terjadi adalah perpindahan muatan dari satu keping ke keping
yang lainnya. Untuk itu diperlukan usaha. Usaha yang telah dipakai untuk pemberian muatan itu akan disimpan oleh kapasitor
sebagai energi. Secara matematis usaha tersebut dirumuskan sebagai : W = ½
C
q
2= ½ q V = ½ C V2
Tugas 1
Kerjakan dengan cara yang lengkap dan jelas !
1. Dua buah muatan listrik masing-masing besarnya 4 µC dan -5 µC terpisah di udara sejauh 3 meter. Tentukan gaya
elektrostatis (Gaya Coulomb) yang dialami kedua muatan tersebut ! (1 µC = 10-6 C)
2. Sebuah titik berjarak 50 cm dari sebuah muatan listrik q, mengalami kuat medan listrik sebesar 40 N/C. Hitung besarnya
potensial listrik yang dialami titik tersebut !
3. Sebutkan 5 fungsi dari kapasitor !
4. Di bawah ini terpasang 5 buah kapasitor yang sama besar yaitu 1 µF. Hitung kapasitas kapasitor antara titik A dan B !
(1 µF = 10-6 F)
5. Energi yang tersimpan pada suatu kapasitor keping sejajar 8. 10-6 joule. Jika kapasitas kapasitor 0,04 F, maka hitung beda
A
X
LISTRIK DINAMIS
Listrik dinamis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan bergerak.
Arus Listrik
Kata arus berarti aliran atau gerakan. Tiga hal tentang arus listrik yaitu:
1. Arus listrik adalah aliran partikel-partikel bermuatan positif
2. Arah arus listrik berlawanan dengan arah arus elektron
3. Arus listrik mengalir dari titik berpotensial tinggi ke potensial rendah
Ada beberapa azas penting yang perlu diingat yaitu:
1. Terdapat dua jenis muatan listrik yaitu muatan positif dan muatan negatif
2. Muatan positif ada pada inti atom, sedangkan muatan negatif ada pada elektron.
3. Elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lain, sedangkan inti tdak dapat berpindah
4. Atom-atom penghantar (konduktor) memiliki elektron-elektron bebas yang sangat mudah berpindah dari satu tempat ke
tempat lain di dalam penghantar itu.
5. Muatan listrik dapat bergerak (mengalir) jika ada beda potensial (tegangan)
Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan lsitrik positif (q) yang mengalir melalui suatu penghantar per satuan
waktu. Secara matematis:
I = q / t
Keterangan:
I = kuat arus listrik (Ampere disingkat A)
q = jumlah muatan yang mengalir (C)
= n.e (n = jumlah partikel, e = besar muatan elektron)
t = lamanya (waktu) muatan mengalir (s)
Alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus pada suatu rangkaian disebut dengan Amperemeter. Bagian-bagian dari
amperemeter ditunjukkan oleh gambar berikut.
Besar arus listrik yang mengalir dalam rangkaian atau suatu komponen, ditentukan dengan persamaan :
Angka yang ditunjuk jarum
I = x Angka pada saklar pemilih
Batas maksimum
Pada saat mengukur kuat arus,
amperemeter dipasang sesara seri dengan rangkaian .
Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan :
Besar kuat arus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar
tersebut, dengan syarat suhu penghantar tetap.
Secara matematis dirumuskan :
V = I . R
Keterangan :
V = beda potensial atau tegangan (Volt)
I = kuat arus listrik (Ampere)
Hukum Kirchoff I
Hukum Kirchoff I menyatakan :
Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan
tersebut.
Secara matematis :
I
masuk
I
keluar Rangkaian Hambatan
a. Rangkaian Seri
Persamaan yang berlaku pada rangkaian seri :
Rs = R1 + R2 + R3 + … + Rn
I s = I1 = I2 = I3 = In
Vs = V1 + V2 + V3 + … + Vn
V1 : V2 : V3 : Vn = R1 : R2 : R3 : Rn
Rangkaian seri hambatan listrik berfungsi untuk :
1. Memperbesar nilai hambatan pengganti dalam suatu rangkaian.
2. Memperkecil arus yang mengalir dalam suatu rangkaian.
b. Rangkaian Paralel
Persamaan yang berlaku pada rangkaian paralel :
Rn
R
R
R
R
p1
....
1
1
1
1
3 2 1
I p = I1 + I2 + I3 + … + In
Vp = V1 = V2 = V3 = Vn
V1 : V2 : V3 : Vn = 1/R1 : 1/ R2 : 1/R3 : 1/Rn
Rangkaian paralel hambatan listrik berfungsi untuk :
1. Memperkecil nilai hambatan pengganti dalam suatu rangkaian.
2. Memperbesar arus yang mengalir dalam suatu rangkaian.
c. Rangkaian Gabungan
Merupakan rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.
Hambatan suatu penghantar
Besar hambatan suatu penghantar dipengaruhi oleh :
1. Jenis penghantar (hambatanb jenis)
2. Panjang penghantar
3. Luas penampang penghantar
4. Perubahan suhu penghantar
Secara matematis dirumuskan :
R =
A
l
Keterangan :
ρ = hambatan jenis (Ω m) l = panjang penghantar (m)
A = luas penampang penghantar (m2)
Pengaruh suhu terhadap besar hambatan penghantar
Hambatan suatu penghantar semakin besar jika suhunya semakin tinggi. Hal ini dapat diamati pada kinerja suatu alat listrik yang
semakin menurun pada saat alat listrik tersebut dipakai dalam waktu yang cukup lama tanpa dimatikan.
Secara matematis pengaruh suhu terhadap besar hambatan suatu penghantar adalah :
Rt = R0( 1 + α . ΔT)
Keterangan :
R0 = besar hambatan pada suhu awal (Ω)
Rt = besar hambatan pada suhu akhir (Ω)
R1 R2 R3
Vs Is
R1
R2
R3
Vp
α = koefisien suhu ( /0C)
ΔT = perubahan suhu ( 0C)
Beda Potensial atau Tegangan Listrik
Tegangan listrik dibagi menjadi dua, yaitu :
1. Gaya Gerak Listrik (GGL) dilambangkan dengan ε, yaitu besar beda potensial dari suatu sumber tegangan sebelum
mengalirkan arus.
Persamaan : ε = I (r + R)
2. Tegangan jepit (V) yaitu beda potensial dari suatu sumber tegangan setelah mengalirkan arus.
Persamaan :
V = I . R
Keterangan :
ε = gaya gerak listrik (volt) r = hambatan dalam sumber tegangan (Ω) V = tegangan jepit (volt) R = hambatan rangkaian atau hambatan luar (Ω)
I = kuat arus (A)
Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial dalam rangkaian disebut dengan Voltmeter. Pada saat mengukur beda
potensial, voltmeter dipasang secara paralel pada rangkaian.
Besar tegangan listrik yang mengalir dalam rangkaian atau suatu komponen, ditentukan dengan persamaan :
Angka yang ditunjuk jarum
V = x Angka pada saklar pemilih
Batas maksimum
Energi dan Daya Listrik
Arus listrik sebagai aliran muatan-muatan listrik menghasilkan energi listrik yang dimanfaatkan oleh manusia. Energi listrik yang
diterima besarnya dinyatakan :
W = Q.V atau W = V.I.t atau W = I.R.I.t atau W = V2/R . t
Berkaitan dengan energi litrik dikenal juga daya listrik, yang didefinisikan sebagai besarnya energi listrik yang dipakai per satu
satuan waktu pakai. Secara matematika daya listrik dinyatakan dengan :
P = W/t atau P = V.I. atau P = I.R.I. atau P = V2/R
Untuk menghitung energi listrik yang terpakai oleh berbagai alat dapat digunakan rumus : Wtot = W1 + W2 + W3+ …., dimana nilai
masing-masing energi adalah : W = n . P . t
Keterangan :
W = energi listrik (Joule) I = kuat arus listrik (Amper) 1 kWh = 1 kilo Watt hour
P = daya listrik (Watt) R = hambatan listrik (Ohm) = 1000 Watt hour (Wh)
Q = muatan listrik (Coulomb) t = waktu (sekon)
V = tegangan listrik (Volt) n = jumlah alat
Contoh Soal :
1. Dalam sebuah rumah terdapat :
1 buah televisi 100 watt menyala 15 jam/hari
1 buah setrika listrik 350 watt dipakai 2 jam/hari
Tiga buah lampu masing-masing 5 watt dipakai 10 jam/hari.
Jika biaya 1 kWh adalah Rp 200,- dan biaya beban Rp 20.000,- tentukan :
a. Energi yang terpakai selama 1 hari (dalam kWh) !
b. Energi yang terpakai selama 30 hari (dalam kWh) !
c. Biaya total selama 30 hari !
Jawab :
a. Wt = W1 + W2 + W3
= n1.P1.t1 + n2.P2.t2 + n3.P3.t3
= 1. 100. 15 + 1. 350. 2 + 3. 5. 10
= 1500 + 700 + 150
= 2350 Wh = 2, 35 kWh
b. Wt 1 bulan = 2, 35 x 30 hari = 70, 5 kWh
c. Biaya 1 bulan = biaya beban + biaya kWh = Rp 20.000,- + Rp 14.000,- = Rp 34.000,-
Tugas 2
Kerjakan dengan cara yang lengkap dan jelas !
1.Kuat arus yang mengalir melalui sepotong kawat penghantar
adalah 3 ampere. Jika beda potensial antara ujung-ujung
kawat 15 volt, hitung besarnya hambatan kawat tersebut !
2. Tentukan nilai arus yang terukur pada Amperemeter berikut !
3. Perhatikan arus listrik pada titik cabang di bawah ini ! Hitung
besar I4 !
4. Hitung besar hambatan pengganti AB pada rangkaian di
bawah ini !
5. Di dalam sebuah kamar terdapat peralatan berikut.
No Alat Jml Daya Pemakaian
1. Lampu 5 10 Watt 10 jam/hari
2. Kipas angin 1 50 Watt 6 jam/hari
3. Televisi 1 100 Watt 10 jam/hari
4. Setrika 1 350 Watt 2 jam/hari
Jika biaya listrik tiap kWh adalah Rp 1.000,- hitung :
a. Besar energi yang terpakai dalam 1 hari !
b. Besar energi yang terpakai dalam 1 bulan (30 hari) !
c. Besar biaya yang harus dikeluarkan oleh pemilik kamar
dalam 1 bulan tanpa uang beban !
500
(mA)
0
0
10
I1
I2
I4
I3
Diketahui :
I1 = 10 mA
I2 = 7 mA
I3 = 15 mA
A B
3Ω 3Ω
1. Sebuah atom dikatakan netral (tidak bermuatan) jika ….
a. Intinya bermuatan positif
b. Elektronnya bermuatan negatif
c. Inti dan elektron yang mengelilinginya tidak
bermuatan
d. Muatan yang terkandung dalam inti sama dengan
jumlah muatan elektronnya
e. Jumlah elektron lebih banyak dari proton
2. Sifat muatan listrik yang benar adalah ….
a. Muatan listrik yang tidak sejenis akan tarik-menarik
b. Muatan listrik yang sejenis akan tarik-menarik
c. Muatan listrik yang tidak sama besar akan
tarik-menarik
d. Muatan listrik yang tidak sama besar akan
tolak-menolak
e. Muatan listrik yang sama besar akan tolak-menolak
3. Benda A menarik benda B. Benda B menolak benda C.
Benda C menolak benda D. Jika benda D bermuatan
negatif, maka dapat disimpulkan bahwa:
(2) Benda A bermuatan positif
(3) Benda B bermuatan positif
(4) Benda C bermuatan negatif Pernyataan yang benar adalah ….
a. (1) dan (2) c. (2) dan (3) e. Hanya (3)
b. (1) dan (3) d. Hanya (2)
4. Gaya tarik-menarik dua benda bermuatan listrik
besarnya sebanding dengan perkalian masing-masing
muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat
jarak antara kedua muatannya adalah bunyi dari hukum ….
a. Coulomb c. Kirchoff e. Newton
b. Ohm d. Faraday
5. Kapasitas suatu kapasitor keping sejajar menjadi lebih kecil apabila ….
a. Luas permukaan kedua keping diperbesar
b. Jarak antar kedua kepingnya diperbesar
c. Diisi dengan dielektrik yang konstantanya lebih
besar
d. Muatan setiap keping dikurangi
e. Beda tegangan kedua kepingnya diperkecil
6. Perhatikan gambar !
Untuk mengukur arus dengan tegangan lampu, maka
amperemeter dan voltmeter harus diletakkan pada posisi ….
a. Amperemeter di 2, voltmeter di 1
b. Amperemeter di 1, voltmeter di 5
c. Amperemeter di 3, voltmeter di 2
d. Amperemeter di 3, voltmeter di 5
e. Amperemeter di 5, voltmeter di 4
7. Banyaknya muatan total yang mengalir pada sebatang konduktor setiap detiknya disebut ….
a. Beda potensial d. Kapasitas kapasitor
b. Hambatan e. Potensial listrik
c. Kuat arus listrik
8. Kuat arus yang mengalir melalui sepotong kawat
penghantar adalah 3 ampere. Jika beda potensial
antara ujung-ujung kawat 15 volt, maka besarnya hambatan kawat tersebut adalah ….
a. 45 ohm c. 5 ohm e. 0,2 ohm
b. 20 ohm d. 0,5 ohm
9. Berikut ini merupakan faktor-faktor yang berpengaruh
terhadap nilai hambatan suatu penghantar, kecuali….
a. Panjang kawat penghantar
b. Luas penampang kawat penghantar
c. Hambatan jenis kawat penghantar
d. Massa jenis kawat penghantar
e. Kuat arus yang mengalir melalui penghantar
10. Berikut adalah benda-benda yaitu:
(1) Karet (3) Seng (5) Plastik
(2) Besi (4) Alumunium (6) Kayu
Benda yang termasuk konduktor adalah …. a. (1), (2), dan (3) d. (2), (3), dan (4)
b. (1), (2), dan (4) e. (2), (5), dan (6)
11. Tiga buah hambatan bernilai sama, ketika dirangkai
seri hambatan penggantinya 9 ohm. Besar hambatan
tersebut masing-masing adalah ….
a. 1 ohm c. 6 ohm e. 27 ohm
b. 3 ohm d. 9 ohm
12. Besar hambatan pengganti AB pada rangkaian di bawah ini adalah ….
a. 2 ohm c. 4 ohm e. 6 ohm
b. 3 ohm d. 5 ohm
13. Perhatikan gambar !
Berdasarkan ragkaian di atas, besar kuat arus yang mengalir melalui rangkaian adalah ….
a. 0,3 A c. 3 A e. 5 A
b. 0,4 A d. 4 A
14. Perhatikan arus listrik pada titik cabang di bawah ini !
Besar I4adalah ….
a. 18 mA c. 12 mA e. 2 mA
b. 15 mA d. 7 mA
15. Nilai arus yang terukur pada Amperemeter berikut adalah ….
a. 8 mA c. 40 mA e. 500 mA
b. 80 mA d. 400 mA
16. Alat-alat di bawah ini yang dimanfaatkan untuk mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah …. a. Lampu pijar dan rice cooker
b. Lampu pijar dan setrika listrik
c. Lampu TL dan kompor listrik
d. Kompor listrik dan akumulator
e. Kompor listrik dan solder listrik
17. Pada proses pengosongan (pemakaian) akumulator, terjadi perubahan energi ….
a. Energi kimia energi listrik b. Energi listrik energi kimia c. Energi listrik energi cahaya d. Energi kimia energi cahaya e. Energi kimia energi gerak
18. Sebuah lampu mempunyai hambatan 5 ohm dan dialiri
arus sebesar 2 ampere. Energi yang digunakan lampu selama 10 menit adalah ….
a. 100 J c. 2.000 J e. 12.000 J
b. 1.000 J d. 6.000 J
19. Lampu 100 watt, 110 volt bila dipasang pada tegangan 220 volt akan putus karena daya lampu berubah menjadi ….
a. 50 watt c. 150 watt e. 400 watt
b. 100 watt d. 200 watt
20. Alat untuk menyambung dan memutus aliran listrik adalah ….
a. Sekering d. Fiting
b. Stop kontak e. Kabel
c. Saklar
A B
3Ω 3Ω
6Ω
500
(mA)
0
0
10
I1
I2
I4
I3
Diketahui :
I1 = 10 mA
I2 = 7 mA
I3 = 15 mA
R1=1,5 Ω
V=12 volt
