A syi kn ya B ela ja r IPA FISI KA
Created by : ez@in_pu staka
Sebenarnya, apa ilmu fisika itu? Secara sederhana, fisika adalah ilmu yang mempelajari gejala-gejala alam dan benda mati(Bob Foster,2004).
Ilmu fisika adalah ilmu yang mempelajari tentang gejala dan fenomena alam yang pada aplikasinya dapat kita perhitungkan dan dapat
diterapkan dalam kehidupan sehari-hari.
M. Reza Primadi Pendidikan Fisika/S1 Universiitas Ahmad Dahlan Yogtakarta Phone: +6287737977731
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 2
LISTRIK STATIS
(Pertemuan 1)Apa kamu pernah melihat rambut seseorang berdiri ketika dia melepas topinya? Kenapa hal itu bisa terjadi? Jawabannya adalah adanya listrik statis. Apa itu listrik statis ?
Pada saat hujan turun, pernahkah kamu melihat petir? Petir adalah peristiwa alam yang sangat berbahaya dan ditakuti semua orang, karena petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara. Apa yang menyebabkan terjadinya petir? Mengapa tubuh orang yang tersambar petir terbakar? Mengapa gedung-gedung bertingkat yang tinggi dilengkapi dengan penangkal petir?
Petir merupakan gejala alam yang timbul karena berkumpulnya sejumlah besar electron yang disebut listrik statis. Kita akan mempelajari dan mendiskusikan bagaimana cara memperoleh listrik statis secara sederhana dan cara pengosongannya sebagaimana petir dan manfaat penangkal petir.
Untuk memahami listrik statis kita awali dengan memahami sifat dari suatu materi. Dengan kata lain terbuat dari apa benda-benda di sekitar kita. Apapun bendanya yang pasti semua benda tersusun dari gabungan dan kombinasi atom-atom.
Pelajaran listrik statis merupakan pelajaran yang membahas tentang muatan listrik yang untuk sementara diam pada suatu benda. Kajian tentang listrik statis pertama kali dilakukan oleh seorang matematikawan Yunani kuno bernama Thales of Miletus (625-574 SM). Ia menggosokkan batu ambar pada kain wol dan mendekatkannya pada benda ringan, seperti bulu ayam. Saat itu, bulu ayam tersebut terbang dan menempel pada batu ambar. Dari kata batu ambar inilah istilah listrik berasal. Listrik (electricity) diambil dari kata elektron, yang dalam bahasa Yunani berarti batu ambar.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 3
Kegiatan Penyelidikan
Dapatkah kamu menggerakkan suatu benda tanpa harus menyentuhnya?
Pretest
1. Disebut apakah bagian terkecil suatu benda?
2. Bagaimana cara memberi muatan listrik terhadap sebuah benda netral?
Tujuan Percobaan
Membuat benda netral menjadi bermuatan listrik Alat dan Bahan
Kertas Tisue
Plastik transparan
Gunting Cara Kerja
1. Buat potongan-potongan kecil kertas tisu.
2. Gosok-gosokkan plastik transparansi atau plastik sampul buku dengan kain (misalnya pada kain celana/rokmu).
3. Dekatkan plastik tersebut pada potongan kertas-kertas itu. Gejala apakah yang kamu amati? Catat hasil pengamatanmu.
4. Ganti potongan-potongan kertas tisu tersebut dengan benda-benda kecil lainnya, kemudian ulangi kegiatan di atas.
5. Ulangi lagi kegiatan di atas dengan benda-benda lain yang digosok sebagai pengganti plastik.
Analisis dan diskusi
1. Jenis muatan apakah yang dimiliki sisir dan rambut tersebut sebelum saling digosokkan?
2. Jenis muatan apakah yang dimiliki sisir dan rambut setelah saling digosokkan?
3. Pada saat sisir tersebut didekatkan pada tisu, mengapa tisu ini tertarik oleh sisir?
4. Setelah beberapa saat tisu itu menempel pada sisir, mengapa tisu itu lepas lagi?
5. Bandingkan hasil pengamatanmu terhadap perilaku kertas atau benda- benda kecil lainnya pada berbagai kegiatan yang telah kamu lakukan.
6. Apakah plastik transparansi bermuatan listrik?
7. Apakah potongan kertas tisu bermuatan listrik?
8. Buat sebuah uraian yang menurut kamu dapat menjelaskan kejadian- kejadian seperti yang telah kamu amati tersebut.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 4 Jadi, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda yang bermuatan listrik dapat menarik benda-benda di sekitarnya. Listrik statis adalah listrik yang muatanmuatannya tidak mengalir atau ada dalam keadaan diam.
Mengapa plastic, sisir, kain wol, dan benda-benda lainnya dapat mempunyai muatan? Setiap materi tersusun oleh partikelpartikel dan setiap partikel tersusun oleh atom-atom. Atom terdiri atas inti atom yang tersusun oleh proton dan neutron.
Inti atom ini diselimuti oleh kulit atom. Pada kulit atom, terdapat elektron-elektron.
Proton disebut juga muatan positif, sedangkan neutron merupakan muatan listrik netral. Adapun electron adalah muatan listrik negatif.
Untuk menerangkan pengertian adanya sifat kelistrikan pada suatu benda, perlu dipahami adanya konsep atom yang dimunculkan oleh para ahli di antaranya, teori atom Dalton, Thompson, Rutherford dan Bohr. Secara umum dapat dijelaskan bahwa:
1. Benda terdiri atas atom-atom sejenis.
2. Setiap atom terdiri atas sebuah inti yang dikelilingi oleh satu atau lebih elektron.
3. Inti atom bermuatan positif, elektron bermuatan negatif.
4. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif dan netron yang tidak bermuatan listrik.
Evaluasi…
Sebutkan kandungan dari inti atom.
Kapan atom dikatakan netral?
Disebut apakah bagian atom yang bermuatan listrik negatif?
Kapan benda dikatakan bermuatan negatif?
Disebut apakah bagian atom yang bermuatan listrik positif?
Apakah yang terjadi jika benda kelebihan muatan positif?
Bagaimana interaksi antara proton dengan elektron?
Mengapa elektron dalam mengelilingi inti atom tidak lepas dari lintasannya?
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 5
Kegiatan Penyelidikan
Tujuan Percobaan
Mempelajari Interaksi Benda-benda Bermuatan Listrik Alat dan Bahan
- penggaris plastic - kain sutera - batang kaca - statif - kain wool - benang Cara Kerja
1. Ikatkan sebatang penggaris plastik pada statif. Gosok-gosokkan satu ujung penggaris tersebut dan satu ujung penggaris plastik kedua dengan kain wool.
2. Dekatkan penggaris plastik kedua ke penggaris plastic yang digantung.
Amati perilaku kedua penggaris tersebut. Catat hasil pengamatanmu.
3. Dengan cara yang sama, lakukan untuk batang kaca yang digosok dengan kain sutera.
4. Sekarang, gosok kembali satu ujung penggaris plastic yang digantung dengan kain wool dan batang kaca dengan kain sutera. Dekatkan batang kaca pada penggaris tersebut. Amati perilaku kedua benda tersebut, catat hasil pengamatanmu.
Analisis dan diskusi
1. Apakah penggaris bermuatan listrik setelah digosokkan pada kain wool?
Jelaskan.
2. Apakah batang kaca bermuatan listrik setelah digosokkan pada kain sutera? Jelaskan.
3. Apa yang terjadi jika penggaris setelah digosokkan pada kain sutera?
Jelaskan.
4. Buatlah suatu kesimpulan yang disertai alasan yang menunjukkan adanya sifat kelistrikan dari dua benda yang berbeda atau sama yaitu antara mistar dan kaca, mistar dan mistar, dan kaca dan kaca
5. Presentasikan hasil pengamatan kegiatan ini.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 6 Pada kegiatan tersebut, mistar plastik yang telah digosokkan akan bermuatan negatif, sedangkan batang kaca yang telah digosokkan akan bermuatan positif. Saat dua buah mistar plastik atau batang kaca saling didekatkan, keduanya saling tolak- menolak. Namun, saat kita mendekatkan satu batang kaca pada mistar yang muatan listriknya berbeda, keduanya akan saling tarik-menarik.
Terdapat tiga cara untuk proses pemuatan listrik, yaitu menggosok, induksi, dan arus listrik. Untuk lebih memahami ketiganya, pelajarilah uraian di dalam tabel berikut ini:
Tabel 1. Cara membuat muatan Listrik
Menggosok Cara ini dapat dilakukan dengan menggosokkan dua benda dalam satu arah. Cara ini disebut juga metode gesekan. Jenis muatan yang diperoleh dengan metode gesekan, di antaranya:
1. Benda berbahan plastik akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain wol.
2. Benda berbahan ebonit akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain wol.
3. Benda berbahan kaca akan bermuatan negatif jika digosokkan pada kain sutra.
Induksi Metode ini dilakukan untuk memisahkan muatan listrik di dalam suatu penghantar dengan cara mendekatkan benda lain yang bermuatan listrik pada penghantar tersebut. Dengan cara induksi, muatan listrik yang dihasilkan akan berbeda jenis dengan muatan listrik pada benda yang digunakan untuk menginduksi. Contohnya adalah pemisahan muatan listrik pada elektroskop yang didekati oleh mistar plastik yang telah digosokkan pada kain wol. Pada induksi ini, muatan listrik yang dihasilkan elektroskop adalah muatan positif karena muatan listrik dari mistar plastik sebagai penghantar adalah muatan negatif.
Konduksi Metode ini hanya dapat dilakukan pada benda yang terbuat dari bahan- bahan tertentu. Dalam metode ini, untuk menghasilkan muatan listrik, kedua benda harus mengalami kontak langsung agar sejumlah elekton mengalir dari satu benda ke benda yang lainnya. Bahan yang dapat mengalirkan sejumlah elektron secara bebas pada bahan lain disebut konduktor. Berdasarkan kekuatannya, bahan konduktor terbagi dua, yaitu konduktor baik dan konduktor kurang baik. Bahan yang termasuk konduktor baik adalah logam, khususnya aluminium, tembaga, dan perak. Sedangkan, bahan yang termasuk konduktor kurang baik adalah air, badan manusia, dan tanah. Sementara itu, bahan yang tidak dapat mengalirkan elektron pada bahan lain disebut
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 7 isolator. Bahan yang termasuk isolator di antaranya karet, plastik- plastik seperti PVC, politen, dan perspek.
Ringkas_Sekilas
1. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu materi. Atom terdiri dari inti atom dan kulit atom. Dalam inti atom terdapat partikel penyusun atom yaitu neutron dan proton. Pada kulit atom terdapat elektron yang bergerak mengelilingi inti atom. Atom satu dengan atom yang lain dibedakan berdasarkan jumlah proton.
2. Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah Coulomb (C).
Berapakah muatan listrik sebuah elektron, proton, dan neutron?
a. Muatan elektron= –1,6 × 10-19 Coulomb b. Muatan proton = +1,6 × 10-19 Coulomb c. Muatan neutron = 0 (tidak bermuatan)
3. Benda-benda yang berperilaku seperti paku besi digolongkan sebagai konduktor listrik, yaitu benda-benda yang dapat menghantarkan listrik. Sebaliknya, benda- benda yang berperilaku seperti kayu digolongkan sebagai isolator listrik, yaitu benda-benda yang tidak dapat menghantarkan listrik. Dapatkah kamu memberikan contoh lain konduktor dan isolator listrik? Selain bersifat konduktor dan isolator, ada bendabenda yang bersifat di antara kategori tersebut. Misalnya silikon, germanium, dan arsen. Benda-benda ini termasuk dalam kategori semi-konduktor.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 8
“LISTRIK STATIS” PERTEMUAN 2
A. ELEKTROSKOP
Elektroskop adalah alat yang digunakan untuk mengetahui adanya muatan listrik pada suatu benda. Salah satu jenis elektroskop yang sering digunakan adalah elektroskop daun. Bagian penting elektroskop daun adalah sebuah tangkai logam dari bagian logam kuningan dengan ujung bawah berbentuk pipih. Pada ujung ini ditempatkan dua helai logam sangat tipis yang terbuat dari bahan aluminium atau emas, biasa disebut dengan bagian daun. Ujung atas berbentuk cakram atau bola yang berfungsi sebagai penghantar muatan dan kotak kaca.
B. PENGOSONGAN KAPASITOR
Muatan listrik pada suatu benda dapat hilang dengan pengosongan.
Pengosongan muatan listrik dapat terjadi jika ada jalan agar muatan yang terkumpul pada suatu benda dapat berpindah ke benda lain, atau ke bumi.
Pengosongan muatan listrik ke bumi disebut pentanahan.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 9 Kita tidak khawatir dengan pengosongan muatan listrik pada benda-benda seperti plastik, sisir, batang kaca, dan lain-lain. Namun kita mesti berhati-hati dan peduli dengan pengosongan muatan listrik yang besar, misalnya pengosongan muatan listrik pada awan dalam bentuk petir.
Selain berbahaya bagi manusia karena dapat mengakibatkan kematian bagi yang disambarnya, petir dapat menyebabkan kerusakan bangunan yang tinggi.
Untuk mencegahnya, gedung-gedung dipasang penangkal petir. Penangkal petir berupa batang logam yang berujung lancip, dan dihubungkan ke tanah dengan kawat logam yang relative besar. Penangkal petir menyediakan jalan bagi muatan listrik di awan agar dapat berpindah menuju tanah melalui kawat, dan bukannya melalui bangunan.
C. HUKUM COULOMB
Ketika dua buah muatan sejenis didekatkan satu sama lain, terdapat sebuah gaya yang saling menolak yang mencegah kedua muatan tersebut bersatu.
Sebaliknya, jika dua buah muatan yang berlainan jenis didekatkan, akan timbul gaya saling menarik. Gaya tolak-menolak dan gaya tarik-menarik ini disebut gaya elektrostatis.
Coulomb berhasil menghitung besarnya gaya antarmuatan ini. Sebagai penghargaan atas penemuannya, gaya antarmuatan ini dinamakan gaya Coulomb.
Dalam penelitiannya, Coulomb menggunakan alat yang dinamakan neraca punter.
Jika bola A dan B yang bermuatan sejenis didekatkan, maka akan tolak menolak, sehingga lengan neraca terpuntir dari kedudukan seimbang. Makin besar sudut puntiran lengan neraca, makin besar gaya listrik. Coulomb mengukur gaya listrik untuk berbagai pasangan bola A dan B yang muatan listriknya berbeda dan gaya listrik antara pasangan bola A dan B untuk berbagai jarak pisah dengan dasar sudut puntiran tersebut.
Beberapa kesimpulan tentang munculnya hokum Coulomb :
Dengan menempatkan bola B yang berubah-ubah jaraknya dari bola A, dan mengukur gaya listrik yang dihasilkan, Coulomb berkesimpulan bahwa gaya listrik (F) yang terjadi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua pusat bola A dan B. Pernyataan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 10 Berdasarkan hasil tersebut, jika jarak antara muatan listrik menjadi 2 kalinya, ternyata gaya listrik yang terjadi tinggal ¼ dari gaya semula.
Coulomb selanjutnya mengubah-ubah muatan listrik pada bola A dan bola B, dengan cara menyentuhkan bola A dan bola B pada bola serupa yang netral, sehingga muatan di bola A dan bola B menjadi tinggal separuhnya. Hasil percobaannya menunjukkan, gaya listrik berbanding lurus dengan besar muatan di bola A (qA) dan besar muatan di bola B (qB) :
Berdasarkan hasil tersebut, misalkan muatan di bola A menjadi 2 kali semula, dan muatan di bola B menjadi 3 kali semula, maka gaya listrik yang terjadi menjadi 2 × 3 atau 6 kali semula.
Berdasarkan hasil-hasil di atas, akhirnya Coulomb menyimpulkan besar gaya listrik antara dua muatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu berbanding lurus dengan besar kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan tersebut. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Coulomb, secara matematika dapat dituliskan sebagai berikut.
atau : Dengan :
F = gaya Coloumb (Newton = N)
q1, q2 atau Q1, Q2 = muatan listrik benda 1 dan 2 (Coloumb = C) r = jarak antara dua muatan listrik (m)
k = konstanta gaya Coloumb = 9 × 109 Nm2C-2 (konstanta pembanding)
ε0 = permitivitas ruang hampa = 8,854 × 10-12 C2N-1m-2
Dari hasil penelitiannya, Charles Coulomb menyimpulkan bebagai berikut:
Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan hasil kali kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.
D. SATUAN MUATAN
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 11 Muatan suatu benda sangat sulit untuk diukur secara langsung. Tetapi Coulomb menunjukkan bahwa besarnya muatan listrik dapat ditentukan dengan cara mengukur gaya listrik yang dihasilkannya. Di dalam sains, setiap besaran memiliki satuan. Satuan muatan listrik dalam sistem SI adalah coulomb (C).
Muatan listrik 1 elektron adalah 1,6 × 10−19 coulomb, dan jenisnya negatif, sedangkan muatan listrik 1 proton besarnya sama dengan muatan 1 elektron, namun jenisnya positif. Besar muatan 1 elektron disebut muatan elementer, dan merupakan besar muatan terkecil di alam.
E. MEDAN LISTRIK
Coba kamu ingat kembali pelajaran sebelumnya, bahwa setiap benda bermuatan listrik. Jika benda A yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruang yang di dalamnya sudah ada benda B. Jika benda B bermuatan listrik, benda A akan mengalami gaya listrik juga. Ruang di sekitar A maupun B disebut medan listrik. Jadi, yang dimaksuddengan medan listrik (E) adalah ruangan di sekitar benda bermuatan listrik yang mengalami gaya listrik.
Jika suatu benda yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruangan, maka dalam ruangan tersebut terdapat medan listrik. Jika benda lain yang bermuatan listrik diletakkan di ruang tersebut, maka kedua benda akan mengalami gaya.
Jika muatan kedua benda sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tolak-menolak dan jika kedua benda mempunyai muatan yang tidak sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tarik-menarik.
Medan listrik dilukiskan dengan garis-garis gaya listrik yang arahnya dari kutub positif ke kutub negatif. Kuat medan listrik bergantung pada kerapatan garis-garis gaya listrik. Besar kuat medan listrik dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut :
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 12 dengan
E = kuat medan listrik (N/C) F = gaya Coulomb (N)
q = besar muatan listrik (C)
Karena berarti
dengan
k = tetapan = 9 × 109 Nm2/C2 r = jarak antara dua muatan (m)
q = muatan listrik pada sumber medan (C) CONTOHH
1. Dua benda A dan B masing-masing bermuatan listrik sebesar 6 × 10−9 C dan 8
× 10−9 C pada jarak 4 cm. Tentukan:
a. gaya tolak-menolak antara kedua benda itu tersebut, b. kuat medan listrik pada titik B oleh muatan A.
Diketahui : qa = 6 × 10-9 C qb = 8 × 10-9 C k = konstanta = 9 × 109 Nm2C-2
Ditanya : a. F b. E Jawab :
RANGKUMAN
1. Kumpulan muatan listrik pada suatu benda disebut listrik statis.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 13 2. Terdapat dua jenis muatan listrik, yaitu muatan positif dan negatif.
3. Muatan-muatan yang sejenis tolak-menolak dan muatan yang tidak sejenis tarik-menarik.
4. Pengumpulan muatan listik dapat diperoleh melalui cara menggosok, menyentuhkan benda netral dengan benda bermuatan (konduksi), dan induksi.
5. Muatan listrik dapat dideteksi dengan elektroskop.
6. Penghilangan muatan listrik yang terkumpul pada suatu benda disebut pengosongan muatan.
7. Hukum Coulomb menyatakan, bahwa gaya yang terjadi antara dua buah muatan berbanding lurus dengan besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan itu.
8. Contoh penerapan listrik statis antara lain sebagai berikut.
a. Pengendap elektrostatis pada cerobong asap, fungsinya membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikel-partikel pencemar.
b. Pengecatan mobil, penggunaan penyemprot cat elektrostatis.
c. Mesin fotokopi (selain menerapkan konsep optik).
d. Petir
LATIHAN
1. Sebutkan bagian-bagian dari atom.
2. Apa yang terjadi jika benda bermuatan positif didekatkan dengan benda bermuatan negatif?
3. Sebutkan 5 contoh benda yang ada disekitarmu termasuk konduktor listrik.
4. Apa perbedaan konduktor dan isolator?
5. Sebutkan benda-benda yang termasuk dalam semikonduktor.
6. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya gaya listrik.
7. Sebutkan contoh peristiwa di sekitarmu yang termasuk dalam pengosongan muatan listrik.
8. Apa perbedaan dari induksi dan konduksi dalam pengumpulan muatan listrik?
9. Dua buah benda A dan B masing-masing memiliki muatan listrik sejenis 3 × 10-9 C dan 5 × 10-9 C terpisah sejauh 3 cm. Jika k = 9 × 109 Nm2/C2, maka
hitung gaya tolak antara kedua muatan listrik tersebut.
M. Reza Primadi | Asyiknya Belajar IPA Fisika 14 10. Besar gaya Coulomb antara dua benda adalah 7 × 10-5 N. Hitunglah besar kuat
medan listrik pada salah satu muatan oleh muatan lain yang besarnya 3,5 × 10-9 C.
