Modul Fisika SMP 07 Editan 03 Ok

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

1. 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

10. Menjelaskan medan magnet dan cara pembuatan magnet 11. Menjelaskan medan magnet oleh arus listrik

12. Menjelaskan iduksi elektromagnet

13. Memberi contoh penerapan induksi elektromagnet 14. Menjelaskan Hukum Snellius pada cahaya

15. Menggambarkan jalannya sinar pada cermin datar, cekung dan cembung 16. Menggambarkan jalannya sinar pada lensa cembung dan cekung

17. 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

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:

1. 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

ELEKTROSTATIKA MODUL 1

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:

1. 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:

1. 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 1

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 yang lebih kecil lagi dan sebagian dari partikel-partikel 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 (1836) 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.

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:

1. 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 elektron-elektron yang tersebar diantara muatan positif (seperti Gambar 1.1).

Gambar 1.1 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:

- + - + - + - + + + + + + -+ - -+ - -+ - -+ - -+ - - -+ - + - + - + - + + + + + + + - + - + -

+- Muatan positif akan berkumpul pada suatu titik yang berpusat di tengah-tengah 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

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 1.

Tabel 1. Massa dan Muatan dari Penyusun Atom

Bagian atom Massa Muatan

Proton 1,67262 × 10-27 _{kg +1,602177 × 10}-19 _C Elektron 9,10939 × 10-31 _{kg -1,602177 × 10}-19 _C

Neutron 1,67493 × 10-27 _kg

-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

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 1786, 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 1.3); dan tolak menolak, bila bertanda sama (Gambar 1.4). Peristiwa di atas dikenal dengan nama hukum Coulomb. Secara matematika kita dapat menuliskan hukum Coulomb seperti di bawah (persamaan

1-1).

Gambar 1.4 Muatan yang Sejenis saling Tolak Menolak

12 2 12 2 1 12 ˆ 4 1 _r r Q Q F o    (1.1) Dimana:

Q1 = besar muatan pertama (C) Q2 = besar muatan kedua (C) r12 = jarak antar muatan (m) r12 = vektor jarak antar muatan

o  4

1

= tetapan pembanding (Nm2_/C2₎

Persamaan 1.1 di atas adalah bentuk vektor dari Gaya Coulomb. Adapun bentuk persamaan besar Gaya Coulomb adalah:

2 12 2 1 12 4 1 r Q Q F o   (1.2)

Beberapa hal penting sehubungan dengan persamaan (1.1) atau (1.2) 1. Tetapan pembanding diambil berbentuk

o  4

1

, agar rumus yang diturunkan dari persamaan (1.1) tidak mengandung faktor 4



. Tetapan o disebut permitivitas vakum,o = 8,85 × 10-12C2/Nm2. Bentuk hukum Coulomb

dengan tetapan pembanding o  4

1

ini berlaku bila digunakan sistem satuan MKS. Dalam sistem satuan MKS muatan listrik mempunyai satuan Coulomb. 2. Bila muatan Q1 dan Q2 mempunyai tanda sama maka terjadi tolak-menolak,

Q1 ditolak oleh Q2. Bila Q1 dan Q2 berlainan tanda maka terjadi tarik-menarik, Q1 ditarik oleh Q2.

3. Persamaan (1.1) dan (1.2) hanya berlaku bila kedua muatan titik Q1 dan Q2 ada dalam vakum. Untuk medium isolator persamaan (1.1) tetap, hanya saja tetapan pembandingnya berbeda.

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 Q1, 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.

Secara vektor, gaya resultan pada Q3 oleh Q2 dan Q1 adalah Ftotal F21 F23

  

Sedangkan besarnya adalah:

          2 21 1 2 2 23 3 2 21 23 r Q Q r Q Q k F F F F tot tot

F tot adalah gaya total yang dialami oleh muatan Q2 k  o  4 1 = 9 × 107 _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,

1. Tiga buah muatan titik masing-masing Q1 = 2C, Q2 = -3C dan Q3 = 2C terletak pada satu garis lurus yang masing-masing berjarak r1 = 3m dan r2 = 2 m seperti pada Gambar berikut,

Q1 r1 Q2 r2 Q3 Hitung gaya yang dialami oleh muatan Q2.

Penyelesaian F21 F23 Q1 r1 Q2 r2 Q3 Q1 (+) Q2 (-) Q3 (+) r21 r23 F23 F21

      _        _  2 2 7 2 1 1 2 2 2 3 2 3 2 3 2 2 3 10 . 9 x x F r Q Q r Q Q k F F = 7,56 × 107 _N

Jadi besarnya gaya 7,56 × 107 _{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 1.5 di bawah ini.

a. Muatan positif b. Muatan negatif Gambar 1.5 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:

 

r r q r E o ˆ 4 1 2     (1.3)

2 4 1 r q E o   _(1.4)

Hubungan antara kuat medan listrik dengan gaya coulomb adalah

' q F

E _(1.5) Ketentuan-ketentuan dari persamaan (1.3)

 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 = _r Q o  4 1 (1.6)

Untuk sejumlah muatan titik yaitu : q1, q2, q3, ... qn, masing-masing pada jarak r1, r2, r3, ... rn, maka: Vp =       _{ } n n o r q r q r q ... 4 1 2 2 1 1  (1.7)

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 r1

VA = _r Q o  4 1 VB = _r Q o  4 1 W = Ep2 - Ep1 W = k 1 2 r qQ k r qQ  W = q(VB - VA) (1.8) Keterangan:

V = potensial listrik satuannya Volt q = muatan satuannya Coulomb W = usaha satuannya Joule

Potensial listrik seesar 1 Volt antara dua titik jika diperlukan usaha 1 Joule untuk memindahkan muatan 1 coulomb antara dua titik terseut.

1 Volt = _1coulomb1joule

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.

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 1.6 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 pohon-pohon 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

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. Lama-kelamaan 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. Pernyataan diatas dapat dirumuskan dengan persamaan 1₂2

r q q k

F  . Disamping terjadi gaya antara dua muatan, muatan listrik dapat juga menimbulkan medan listrik disekitarnya yang besarnya adalah _r2

q k

E . Sedangkan kemampuan membawa muatan dari jauh tak hingga ke suatu titik tertentu disebut potensial listrik yang dirumuskan sebagai

r q k

V  . Usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan adalah W V.q.

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

1. Tiga buah muatan titik q1, q2 dan q3 yang masing-masing bermuatan 2×10-6C (positif). 3×10-6_{C (positif) dan 5×10}-6_{C (negatif) terletak pada sebuah garis} lurus. Jika jarak q1 dan q2 adalah 3 m dan q2 dan q3 adalah 2 m, gaya elektrostatika yang dialami oleh q1 adalah ....

a. 0,6×10-3 _{ke kiri. b. 0,6×10}-3 _{ke kanan. c. 2,4×10}-3 _{ke kanan. d. 2,4×10}-3 _ke kiri

2. Medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan q1, jika q1(-4,0) = 5C, pada titik (0,3). Adalah .... a. ( 4 3 ) 5 1 j i k   . b. ( 4 3 ) 25 1 j i k   . c. (4 3 ) 5 1 j i k  . d. ) 3 4 ( 25 1 j i k 

3. Tiga partikel bermuatan terdistribusi sebagai berikut: q1(0,3) = 10 C, q2(4,3) = 5 C, q3(4,0) = -10 C. Gaya yang dialami oleh q3 adalah ....

a. 10k(        _{i  j} 125 30 9 5 ( 125 40 ). b. 10k( i  j      _  25 15 25 30 25 40 ).

c. i  j      _   9 15 25 30 25 40 . d. 10k( i  j      _  9 15 9 30 125 40 ).

4. Untuk memindahkan 2,5 coulomb muatan listrik diperlukan energi sebesar 12,5 Joule. Beda potensial tegangan tersebut adalah ...

a. 0,2V, b. 5,0V, c. 10,0V d. 15,0V

5. 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

6. Tiga partikel bermuatan terdistribusi sebagai berikut: q1(0,5) = 10 C, q2(5,5) = 5C, q3(5,0) = -10 C. Besarnya medan listrik pada muatan q3 adalah ...

7. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh muatan q1(-4,0) = 5C, Adalah 15 Volt, maka usaha yang dilakukan dalam memindahkan muatan tersebut adalah ....

a. 20 Joule, b. 35 Joule, c. 45 Joule, d. 75 Joule

8. 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

9. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan dua muatan (k =9×109 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. 13,5×109 _{b. 1,35×10}9 _{c. 0,135×10}9 _{d. 135×10}9

10. Sebutir debu massanya 0,05 gr dapat mengapung bebas di dalam medan listrik. Bila debu itu bermuatan 10 uC dan g = 10 m/s2_{, maka besarnya kuat} medan listri yang mempengaruhi muatan debu itu adalah ... N/C

Kegiatan Belajar 2

Kerja Praktik

I. Tujuan Praktikum

1. 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

1. Pipa paralon 2. Penggaris plastik 3. Kain wol 4. Ebonit 5. Kepingan kaca 6. Benang (1 m) 7. Elektroskop Kegiatan 1.

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

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 Gambar 1. 7 Mistar digosok dengan kain wol

Kegiatan 3

1) Batang kaca yang sudah bermuatan positif dan mistar plastik yang sudah bermuatan negatif saling didekatkan, Gambar 1.9 (b). begitu juga sebaliknya pada Gambar 1.9 (d). Amati apa yang terjadi?

2) Batang kaca yang bermuatan positif didekatkan dengan batang kaca bermuatan positif juga, Gambar 1.9 (c). Begitu juga sebaliknya jika mistar plastik yang bermuatan negatif didekatkan dengan mistar plastik bermuatan negatif, Gambar 1.9 (a). Jelaskan kenapa hal tersebut terjadi? 3) Apa kesimpulan anda tentang kegiatan 3?

Kegiatan 4

1) Benda bermuatan listrik negatif (penggaris yang telah digosok-gosokkan dengan kain wol atau rambut) didekatkan dengan elektroskop, Perhatikan Gambar 1.10 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 1.10 b. Apa yang terjadi ?

3) Setelah hubungan dengan tanah di lepas, dan penggaris tetap berada didekat kepala elektroskop, apa yang terjadi?

Gambar 1.8 Kaca digosok sutra

Kegiatan 5

1) Benda bermuatan listrik positif (kaca yang telah digosok-gosokkan dengan kain wol) didekatan dengan elektroskop P, Perhatikan Gambar 1.11 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 1.10 Percobaan dengan elektroskop

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:

1. 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:

1. 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

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

R I V _

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 2.1, maka elektron-elektron bebas akan mendapat gaya medan listrik dan bergerak ke kiri (arah medan ke kanan).

E

Gambar 2.1 Logam yang berada dalam pengaruh medan listrik

Ujung kanan menjadi positif karena ditinggalkan oleh elektron. Selanjutnya dalam logam akan timbul medan listrik induksi E1. Makin banyak muatan induksi yang terkumpul pada ujung logam, makin kuat pula medan induksi E1. Akhirnya harga kuat medan induksi E1 sama dengan kuat medan luar E. Sedangkan di

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

1. 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 – 10 µA hingga 100 µA). Jangan sekali-sekali memasukkan terminal basic meter ini langsung pada sumber tegangan. Shunt 1 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 – 1 A atau dari 0 A – 5 A. Ada Shunt yang mempunyai batas ukur antara 0 – 50 mA dan 0 – 100 mA. Dengan shunt ini basic meter mampu mengukur arus antara 0 – 5 mA atau 0 – 100 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.

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 2.1

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) (2.1)

Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Ohm, Tetapan



disebut konduktivitas listrik.

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

A l R 

(2.2) dimana:

 = resistivitas atau hambatan jenis (Ohm meter) l = panjang kawat (meter)

A = luas penampang kawat (m2₎ Bentuk lain dari Hukum Ohm adalah:

R I

V  . (2.3)

dimana:

V = Tegangan (Volt) I = Kuat arus listrik (A)

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

I1  2  , 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:

keluar masuk I

I 

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).

R1 R2 R3

a 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. cd bc ab ad V V V V    R_tot.I R₁IR₂I R₃I R_totI I



R₁R₂ R₃



_{Rtot }



_R1R2R3



_{( 2.4)} Keterangan: Rtot = Hambaran total (Ω)

Susunan Paralel

Susunan hambatan paralel yaitu hambatan yang dipasang secara sejajar seperti Gambar 2.5. R1 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. 3 2 1 I I I I_tot    ab V V V V₁  ₂  ₃  3 2 1 I I I I_tot    3 2 1 R V R V R V R V _{ab ab ab} tot ab _{  }

3 2 1 1 1 1 1 R R R R_tot    _{( 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:

r I V  .

 , dan tegangan jepitnya : V  I.Rtot, dengan r R I    Sehingga GGL menjadi  VV atau  I(Rr) _(2.6)

Contoh: GGL sebuah baterai adalah 12 V, hambatan dalamnya 0,1, dihubungkan dengan sebuah hambatan 1,9.

a. Hitung kuat arus listriknya! b. Berapa besar tegangan jepitnya c. Berapa beda potensial yang hilang Solusi: a. r R I    = 6A 2 12  b. V  IR=6.1,9 11,4V c. V  I.r=6.0,1 0,6V 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

R nr n I    ( 2.7)

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 R I n r _   ( 2.8)

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 1,9 . Hitung tegangan jepit baterai itu? Solusi: I _R n r    = 1 A 2 2 _ V  I.R1.1,91,9V

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 1800 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).

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 (Zn2+_), menurut reaksi Zn Zn2+ _{+ 2e. 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+ + SO4

2-Ion 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 1865. 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

Elemen kering menggunakan pasta elektrolit sebagai pengganti cairan. Prinsip kerja bateri didasarkan pada peristiwa depolarisasi. Sebagai depolarisator adalah campuran tertentu antara mangan dioksida (MnO2) 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

e H SO

PbO₂  ₄2 4  2 PbSO₄ H₂O

Keping PbO2 berubah menjadi timbal sulfat PbSO4. Sedangkan ion SO4 negatif akan menuju ke Pb sehingga terjadi reaksi sebagai berikut

4

SO

Pb PbSO4 + 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}

 2 4

SO ke anoda menggunakan arus searah (dc), seperti pada Gambar 2.10.

PbO2 Pb

Gambar 2.10 Pengisian muatan pada aki

Katoda (kutub positif),

PbO₂ SO₄2 4H 2e PbSO₄ 2H₂O

Anoda (kutub negatif),

PbSO₄ SO₄2 2H₂O PbO₂ 2H₂SO₄ 2e

Reaksi kimia secara keseluruhan adalah,

2PbSO₄ SO₄2 2H₂O2H PbPbO2 3H2SO4

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 2.11.

Gambar 2.11 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.

Energi listrik dipengaruhi oleh besarnya tegangan listrik, kuat arus listrik dan selang waktu. Secara matematis energi listrik dapat dirumuskan sebagai berikut:

t I V

W  . . , dimana V  I.R

(2.9 )

Sehingga persamaan di atas menjadi

t R I W _ 2. . atau _t R V W . 2  ( 2.10) 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:

t W

P atau P V.I _(2.11)

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 (i1 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:

Imasuk Ikeluar, dan V V1 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 R1 R2 ..., Sedangkan rangkaian paralel

pada dasarnya memperkecil nilai hambatan itu sendiri. Atau . ... 1 1 1 2 1    R R R_tot

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

1. Dua buah hambatan masing-masing 10 dan 15  dirangkaikan dengan sumber tegangan 12 V, Jika arus dalam rangkaian adalah 2 A. dan arus yang melalui hambatan 15  adalah 0,8 A, maka kombinasi kedua hambatan tersebut dan besarnya arus pada hambatan 10  adalah ....

a. seri 1,2 A b. paralel 1,2 A c. seri dan paralel 1,2 A d. paralel 2,1 A. 2. GGL sebuah baterai adalah 12 V dan hambatan dalamnya 2 dihubungkan

dengan sebuah hambatan 98. Tegangan jepit baterai tersebut adalah .... a. 11,76 V. b. 11,67 V. c. 12,76 V d. 12,67 V

3. Empat buah baterai masing-masing dengan GGL 1,5 V hambatan dalamnya 0,1 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

4. Soal no.3. Jika baterai dipasang paralel, dan dipasang lampu 4W/1,5 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 5. Dari hasil suatu eksperimen Ohm didapat:

V I V/I

2V 0.041A 49.94 Ω

4V 0.080 A 50.00 Ω

6 V 0.162 A 49.91 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

6. Jika tegangan lisrtik di rumah menurun maka…. a. hambatan lisrtik berkurang

b. arus listrik berkurang c. daya listrik tetap

d. energi listrik bertambah

7. 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

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 9. Perhatikan Gambar 60 Volt 4 Ohm 6 Ohm 15 Ohm 30 Ohm Besarnya arus pada hambatan 30 Ohm adalah ... A a. 1 A. b. 2 A. c. 3 A. d. 4 A

10. Sebuah lampu pijar dengan spesifikasi 484 W, 220 Volt, dipasang pada tegangan 110 Volt, maka daya yang diperlukan adalah ....

a. 121 W b. 122 W c. 123 W d. 124 W

11. Tiga buah lampu pijar yang masing-masing dibuat untuk dipakai 20 watt dan 10 Volt. Ketiga lampu itu dihubungkan dengan sumber tegangan 10 Volt, besarnya arus listrik pada salah satu lampu, jika ketiga lampu tersebut dipasang secara paralel adalah ....

a. 1 A. b. 2 A. c. 3 A d. 6 A 12. Perhatikan Gambar

10 Ohm

a 10 Ohm 2 Ohm 5 Ohm b

5 Ohm

Jika Vab 15 Volt, maka daya pada hambatan 2 Ohm adalah .... a. 0. b. 1 W. c. 2 W. d. 3 W 13. Larutan yang dipergunakan dalam akumulator adalah ....

a. HSO4 b. H2SO4 c. H2SO d. H2SO3 14. Pada elemen Leclanche yang merupakan kutub negatif adalah ....

a. C b. Zn c. Cu d. Al

15. Yang berfungsi sebagai depolarisasi pada elemen Leclanche adalah .... a. NH4Cl b. CuSO4 c. MnO2 d. H2SO4

Soal Uraian

1. 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 115,00. 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 15 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 10 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 10 Ohm dirangkai secara paralel. Rangkaian hambatan ini dipasang pada sebuah sumber listrik yang mempunyai beda potensial sebesar 10 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 120 V dilalui arus listrik 2 A. Tentukan energi kalor yang timbul setelah solder dialiri arus listrik selama 1 menit.

7. Untuk memanaskan 1 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 1 menit

9. Pada sebuah setrika listrik tertulis 300 W, 220 V. Hitunglah energi listrik yang terpakai selama 10 menit.

10. 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

1. 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

1. Catu daya 2. Amperemeter 3. Voltmeter 4. Tahanan sumbat 5. Kabel penghubung 6. Kawat nikelin Kegiatan 1

1) Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar 2.12

2) Hidupkan catu daya dan tutup saklar (posisi 1)

3) Atur potensiometer menjadi 2V, 3V,4V dan 5V. Amati perubahan arus yang terjadi untuk setiap perubahan tegangan.

Gambar 2.12 Rangkaian hukum Ohm Isilah lembar pengamatan berikut

No Beda potensial (V) Arus listrik (A) RV /I

1 3

2 4

3 5

4 6

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 :

1) Persiapkan dan susun komponen-komponen yang sesuai dengan Gambar 1.10

Gambar 2.13 Rangkaian percobaan hambatan jenis

2) Pilih panjang kawat l dengan cara memasang ujung kabel B masuk ke jepit steker 2

3) Tutup saklar (posisi 1), 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 2.14

Untuk mempelajari hubungan kuat arus, tegangan maupun hambatan total yang tersusun secara seri dapat dilakukan percobaan sebagai berikut :

Gambar 2.14 Rangkaian hambatan seri 2) Hidupkan catu daya pada 3V, dan tutup saklar (posisi 1) 3) Baca kuat arus dan tegangan yang mengalir pada R1

4) Buka saklar (posisi 0), pindahkan Volmeter ke titik B – C dan amperemeter pada titik B, pindahkan batas ukur Voltmeter ke 10 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 1 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 i1 = i2 = itotal = … ampere

 Potensial total sama dengan jumlah potensial masing-masing hambatan yaitu Vtotal = V1+V2 = … Volt

 Hambatan Pengganti sama dengan jumlah hambatan masing-masing yaitu Rp = R1+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:

Gambar 2.15 Rangkaian hambatan paralel

1) Ubah rangkaian seri pada kegiatan 1 menjadi rangkaian paralel, seperti pada Gambar 2.15

2) Hidupkan catu daya, kemudian tutup saklar (posisi 1), amati kuat arus dan tegangan yang mengalir pada R1

3) Buka saklar (posisi 0), kemudian pindahkan Voltmeter pada titik C-D, dan amperemeter pada kabel 2, tutup kembali saklar (posisi 1) 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 1, kemudian tutup saklar (posisi 1) 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:

3. Hidupkan catu daya, tutup saklar (posisi 1), amati kuat arus yang mengalir pada A1, A2, dan A3

4. Ubah tegangan catu daya menjadi 6 V, amati kembali kuat arus yang mengalir pada A1, A2, A3

5. Ulangi langkah 3 dengan mengubah tegangan menjadi 9 V. Berdasarkan percobaan anda lakukan bagaimana hubungan A1, A2 dan A3. Apa kesimpulan anda tentang hukum Kirchoff?

KEMAGNETAN MODUL 3

PENDAHULUAN

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: 1. 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:

1. 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 1