GELOMBANG

GELOMBANG

Gelombang adalah getaran yang merambat. 

Berdasarkan ada tidaknya medium perambatan, terdapat dua jenis gelombang yaitu : 

  1. Gelombang mekanik. 

Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan medium untuk merambat. Contoh, gelombang tali, gelombang permukaan air dan gelombang bunyi.

    2. Gelombang elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang merambat tanpa memerlukan medium. Contoh, gelombang cahaya.

Berdasarkan arah getar dan rambatnya, terdapat dua jenis gelombang, yaitu :

  1. Gelombang longitudinal.

Gelombang yang arah getarnya sejajar dengan arah rambatnya. Contohnya adalah gelombang bunyi diudara. Bentuk gelombang longitudinal :

Panjang satu gelombang untuk gelombang longitudinal terdiri dari satu rapatan dan satu regangan. 

    2. Gelombang transversal.

Gelombang yang arah getarnya tegak lurus dengan arah rambatnya. Contoh gelombang tali.  

Panjang gelombang diberi simbol “λ” (dibaca lambda), adalah panjang satu gelombang yang terdiri dari satu bukit dan satu lembah geombang.

Bentuk gelombang transversal :

 

Panjang gelombang pada gambar diatas adalah jaraka-eb-fd-h, c-g, e-i dan g-k.

Sedangkan amplitudo gelombangnya adalah jarak b-b’, d-d’, f-f’, h-h’ dan j-j’.

Pada gambar tersebut terlihat bahwa gelombang transversal berbentuk bukit gelombang dan lembah gelombang yang merambat. Istilah-istilah yang berkaitan dengan gelombang transversal adalah sebagai berikut.

– simpangan : jarak suatu titik gelombang terhadap posisi setimbang.

– puncak gelombang : titik tertinggi pada gelombang

– dasar gelombang : titik terendah pada gelombang

– bukit gelombang : lengkungan yang berada diatas posisi setimbang

– lembah gelombang : lengkungan yang berada dibawah posisi setimbang

– amplitudo : jarak puncak gelombang atau dasar gelombang terhadap posisi setimbang. 

  1. Periode, Frekuensi dan Cepat Rambat Gelombang
  • Periode Gelombang

Gelombang juga memerlukan waktu dalam perambatannya. Selang waktu yang diperlukan untuk menempuh satu gelombang disebut periode. Periode disini sama artinya dengan selang waktu yang diperlukan untuk melakukan suatu getaran. Satuan periode adalah sekon.

 Untuk menentukan periode suatu gelombang kita bisa pake persamaan berikut.

  • Frekuensi Gelombang

Frekuensi adalah gelombang yang terjadi dalam satu sekon. Satuan frekuensi adalah gelombang per sekon atau hertz (Hertz). Sama seperti getaran, frekuensi gelombang juga memiliki persamaan berikut.

  • Cepat Rambat Gelombang

Kecepatan gelombang sering disebut dengan cepat rambat gelombang yang diberi simbol “v“.

Cepat rambat gelombang dapat ditentukan menggunakan persamaan berikut.

Sedangkan untuk menentukan panjang gelombang dapat digunakan persamaan berikut ini. 

 

Pengertian Gelombang Mekanik

Gelombang mekanik ialah sebuah gelombang yang dalam perambatannya memerlukan medium, yang menyalurkan energi untuk keperluan proses penjalaran sebuah gelombang. Suara adalah salah satu contoh gelombang mekanik yang merambat melalui suatu perubahan tekanan udara dalam ruang (rapat-renggangnya molekul-molekul udara). Tanpa udara, suara tidak dapat dirambatkan. Di pantai bisa dilihat ombak, yang merupakan suatu gelombang mekanik yang memerlukan air sebagai mediumnya. Contoh lain misalnya gelombang pada tali

Gelombang mekanik adalah suatu gelombang yang membutuhkan medium untuk berpindah tempat. Gelombang laut, gelombang tali atau gelombang bunyi termasuk dalam gelombang mekanik. Kita bisa menyaksikan gulungan gelombang laut karena gelombang menggunakan laut sebagai perantara. Kita dapat mendengarkan musik karena gelombang bunyi merambat melalui udara hingga sampai ke telinga kita. Tanpa udara kita tidak akan mendengarkan bunyi. Dalam hal ini udara berperan sebagai medium perambatan bagi gelombang bunyi.

Jenis-Jenis Gelombang Mekanik

Berdasarkan arah rambat dan arah getarnya, gelombang dibedakan menjadi 2 yaitu :

  • Gelombang transversal yaitu jenis gelombang yang arah rambatnya tegak lurus dengan arah getarnya. Contoh gelombang jenis ini adalah gelombang pada tali.
  • gelombang longitudinal yaitu jenis gelombang yang memiliki arah rambat sejajar dengan arah getarnya. Contoh gelombang longitudinal adalah gelombang pada slinky.

Rumus Gelombang Mekanik

Persamaan yang digunakan dalam gelombang adalah sebagai berikut :

Keterangan :

T adalah periode (s)

t adalah waktu (s)

n adalah banyaknya gelombang (kali)

f adalah frekuensi (Hz)

Untuk menentukan cepat rambat gelombang digunakan persamaan ;

Keterangan :

λ adalah panjang gelombang (m)

v adalah cepat rambat gelombang (m/s)

Gelombang cahaya

Interferensi

adalah penjumlahan superposisi dari dua gelombang cahaya atau lebih yang menimbulkan pola gelombang yang baru. Interferensi dapat bersifat membangun dan merusak. Bersifat membangun jika beda fasekedua gelombang sama sehingga gelombang baru yang terbentuk adalah penjumlahan dari kedua gelombang tersebut.

Bersifat merusak jika beda fasenya adalah 180 derajat, sehingga kedua gelombang saling menghilangkan.

Syarat Interferensi Cahaya :

Kedua sumber cahaya harus bersifat kokeren (Kedua sumber cahaya mempunyai beda fase,frekuensi dan amplitude sama)

Thomas Young, seorang ahli fisika membuat dua sumber cahaya dari satu sumber cahaya, yang dijatukan pada dua buah celah sempit.

Satu sumber cahaya, dilewatkan pada dua celah sempit, sehingga cahaya yang melewati kedua celah itu, merupakan dua sumbeer cahaya baru

Hasil interferensi dari dua sinar/cahaya koheren menghasilkan pola terang dan gelap.

Secara matematika rumus untuk mendapatkan pola terang dan gelap Sbb:


S1 = Sumber cahaya

S2 dan S3, dua sumber cahaya baru., d = jarak antar dua sumber c

θ= sudut belok, a=l = jarak antara dua sumber terhadap layar

Interferensi maksimum/terang/konstruktif, terjadi bila :

Keterangan :

P=jarak dari terang/gelap ke-m dengan terang pusat (meter)

d=jarak kedua sumber cahaya/celah(meter)

l=jarak antara sumber cahaya dengan layar (meter)

m=bilangan (1,2,3…dst)

l=panjang gelombang (meter, atau Amstrong A0=1.10-10meter)

Interferensi Minimum/Gelap/Destrutip, terjadi jika

Difraksi

Jika sebuah gelombang permukaan air tiba pada suatu celah sempit, maka gelombang ini akan mengalami lenturan/pembelokan sehingga terjadi gelombang-gelombang setengah lingkaran yang melebar di daerah belakang celah tersebut. Gejala ini disebut difraksiCahaya bila di jatuhkan pada celah sempit /penghalang, akan terjadi peristiwa difraksi

Beberapa Peristiwa Difraksi

  1. Difraksi Cahaya pada Celah Tunggal

Bila cahaya monokhromatik (satu warna) dijatuhkan pada celah sempit, maka cahaya akan di belokan /dilenturkan seperti gambar berikut

Difraksi pada celah sempit, bila cahaya yang dijatuhkan polikhromatik (cahaya putih\banyak warna), selain akan mengalami peristiwa difraksi, juga akan terjadi peristiwa interferensi, hasil interferensi menghasilkan pola warna pelangi

Gambar peristiwa difraksi pada celah tunggal

Berkas cahaya jatuh pada celah tunggal, seperti pada gambar , akan dibelokan dengan sudut belok θ. Pada layar akan terlihat pola gelap dan terang.Pola gelap dan terang akan terjadi bila mengalami peristiwa interferensi

Rumus, hasil interferensi pada celah tunggal dapat dituliskan Sbb :

Interferensi Maksimum (terjadinya pola terang )

d = lebar celah, θn= sudut belok, n = bilangan asli, λ = panjang gelombang,

l= jarak celah ke layar, p = jarak antara dua terang atau gelap

Interferensi Minimum (terjadi pola gelap)

  1. Difraksi Cahaya pada Celah Banyak (kisi Difraksi) Kisi/celah banyak, sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari terutama untuk dinding bangunan.

Kisi difraksi yang ada di laboratorium Fisika adalah Kaca yang digores dengan intan, sehingga dapat berfungsi sebagai celah banyak.

Jika seberkas sinar monokromatik jatuh pada kisi difraksi, akan terjadi peristiwa difraksi dan interferensi seperti pada gambar berikut

Skhema, saat berkas sinar jatuh pada kisi difraksi

Disebut kisi difraksi jika jumlah kisi menjadi N buah, pada umumnya:

Ncelah = ~ribuan buah per cm/mm

Hasil difraksi dan Interferensi, akan terlihat pola gelap dan terang pada layar

Rumus Interferensi pada Celah banyak/kisi difraksi kebalikan dari rumus interferensi pada celah tunggal

Interferensi maksimum (terjadi pola terang)

Interferensi Minimum (terjadi pola gelap)

d = konstanta kisi=lebar celah = 1/N (N = banyak celah/goresan), θ= sudut belok=sudut difraksi

n = bilangan asli= orde

λ = panjang gelombang, l= jarak celah ke layar, p = jarak antara dua terang atau gelap

Refraksi

cahaya yang melalui bidang batas antara dua medium, akan mengalami perubahan arah rambat atau pembelokan.

Peristiwa perubahan arah rambat cahaya dapat pada batas dua medium tersebut pada dasarnya disebabkan adanya perbedaan kecepatan merambat cahaya pada satu medium dengan medium yang lain. Peristiwa inilah yang disebut sebagai pembiasan cahaya

Kayu, bila dicelupkan kedalam minuman yang ada di dalam gelas, akan nampak terpatahkan. Peristiwa ini karena pembiasan.

Pelangi adalah salah satu contoh pembiasan. Jika sinar melalui medium udara yang kurang rapat ke medium yang lebih rapat seperti titik-titik air hujan, akan terjadi peristiwa pembiasan. Kenapa warnanya pelangi, karean sinar yang jatuh pada titik2 air hujan polikromatik, sinar putih, warnanya jadi terurai. Terurai karean tiap-tiap warna berbeda indeks biasnya.

Hukum Snellius tentang Pembiasan

  1. Sinar datang, garis normal dan sinar bias terletak pada satu bidang datar.
  2. Perbandingan sinus sudut dating dengan sinue sudut bias selalu konstan. Nilai konstanta dinamakan indeks bias(n)

Secara matematika hokum Snelius yang ke dua dapat ditulis sbb:

* n1 dan n2 menyatakan indeks bias medium 1 dan 2

* v1 dan v2 menyatakan kecepatan merambat cahayadalam medium 1 dan 2

Pemantulan Sempurna. Pada sudut kecil boleh dikatakan semua sinar dibiaskan. Ketika sudut bias mencapai 90, seluruh sinar dipantulkan oleh bidang batas. Sudut 90 disebut juga sudut kritis atau sudut batas

Pemantulan sempurna hanya dapat terjadi jika cahaya datang dari zat yang mempunyai kerapatan lebih besar ke zat yang mempunyai kerapatan lebih kecil. Jika ik menyatakan sudut kritis dan nm menyatakan indeks bias medium, maka :

Refleksi

Pemantulan cahaya ada 2 yaitu :

  1. Pemantulan Difuse ( pemantulan cahaya baur) yaitu : pemantulan cahaya kesegala arah
  2. Pemantulan cahaya teratur : yaitu pemantulan cahaya yang mempunyai arah teratur
  • Bila seberkas cahaya jatuh pada suatu permukaan maka cahaya ada yang dipantulkan oleh permukaan tersebut
  • Sifat-sifat pemantulan berkas cahaya itu diselidiki oleh Willebord Snellius(1581-1626). Dari hasil penyelidikan ini dapat dihasilkan suatu hukum yang disebutHukum Pemantulan snellius

Disversi

Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromarik (putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu)

Dsversi cahaya terjadi jika seberkas cahaya polikromatik (cahaya putih) jatuh pada sisi prisma. Cahaya putih tersebut itu akan diuraikan menjadi warna-warna pembentuknya yang disebut spektrum cahaya., seperti gambar diatas.

Mengapa DISPERSI cahaya bisa terjadi ???

Karena cahaya merah mempunyai kecepatan paling besar maka cahaya mengalami deviasi paling kecil. Sedangkan cahaya ungu yang mempunyai kecepatan paling kecil mengalami deviasi paling besar sehingga indeks bias cahaya ungu lebih besar dari pada cahaya merah

Apakah sudut dispersi itu ??

Sudut dispersi adalah sudut yang dibentuk oleh sinar merah dan sinar ungu setelah keluar dari prisma.

Besar sudut dispersi adalah

Bila sudut pembias prisma kecil

Deviasi pada prisma

.Pembiasan oleh kaca Prisma

Polarisasi

Polarisasi adalah peristiwa perubahan arah getar gelombang cahaya yang acak menjadi satu arah getar.

Polarisasi Gelombang menunjukkan arah medan listrik pada suatu titik yang dilewati oleh gelombang tersebut. Jenis polarisasi antena dapat dikategorikan berdasarkan polanya pada BIDANG yang TEGAK LURUS atau normal dengan sumbu propagasi.

► Gelombang yang dapat mengalami polarisasi hanyalah gelombang tranversal yang mempunyai arah getaran tegak lurus dengan arah perambatannya

► Terpolarisasi atau terkutub artinya memiliki satu arah getar tertentu saja, seperti pada gambar berikut :

Simbol Cahaya alami, yang bukan sinar terpolarisasi adalah gambar sbb:

Cahaya terpolarisasi didapatkan dengan cara sbb :

  1. Polarisasi Karena Pemantulan

Berkas sinar alami (sinar yang belum terpolarisasi) dijatuhkan dari medium udara, ke medium kaca (cermin datar). Dengan sudut datang i = 57o, maka sinar yang dipantulkan sudah terpolarisasi, seperti pada gambar berikut:

  1. Polarisasi Karena Pemantulan dan Pembiasan

Berkas Sinar alami melalui suatu medium kaca,akan dipantulakna dan dibiaskan. Sinar perpolarisasi bila sudut pantuk dan sudut bias membentuk sudut 90, seperti pada gambar brikut :

 

Dari peristiwa pemantulan dan pembiasan akan diperoleh Rumus Brewster, Sbb :

  1. Polarisasi karena penyerapan selektif.

Polarisasi dengan penyerapan selektif diperoleh dengan memasang dua buah polaroid, yaitu

Polarisator dan Analisator. Polarisator berfungsi untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi,

sedangkan Analisator untuk mengetahui apakah cahaya sudah terpolarisasi atau belum, seperti

pada gambar berikut

Jarak perut ketiga dari titik x = 0 adalah…..
Pembahasan :

Pola diatas adalah pola untuk persamaan gelombang stasioner ujung tetap atau ujung terikat. Untuk mencari jarak perut atau simpul dari ujung ikatnya, tentukan dulu nilai dari panjang gelombang.


Setelah ketemu panjang gelombang, tinggal masukkan rumus untuk mencari perut ke -3 . Lupa rumusnya,..!?! Atau takut kebalik-balik dengan ujung bebas,..!? Ya sudah tak usah pakai rumus, kita pakai gambar saja seperti di bawah:

Posisi perut ketiga Pdari ujung tetap A adalah satu seperempat panjang gelombang atau (5/4) λ (Satu gelombang = satu bukit – satu lembah), sehingga nilai X adalah :

X = (5/4) λ = (5/4) x 6 cm = 7,5 cm

OPTIKA GEOMETRIK

OPTIKA GEOMETRIK

Pengertian Optika

Optika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang konsep cahaya, terutama mengkaji sifat-sifat cahaya, hakikat, dan pemanfaatannya. Optika terbagi ke dalam dua bagian yaitu Optika Geometris dan Optika Fisis.

Optika Geometris

Optika Geometris merupakan optika yang membahas tentang pemantulan dan pembiasan cahaya. Sifat cahaya sama dengan sifat gelombang elektromagnetik. Cahaya dan gelombang elektromagnetik dapat merambat dalam ruang vakum (ruang hampa).

Jenis-jenis Pemantulan Cahaya

Ada dua jenis pemantulan cahaya, yaitu pemantulan teratur dan pemantulan baur. Pemantulan teratur terjadi ketika suatu berkas cahaya sejajar datang pada permukaan yang halus atau rata seperti permukaan cermin datar atau permukaan air yang tenang. Sedangkan pemantulan baur terjadi ketika suatu berkas cahaya sejajar datang pada permukaan yang kasar atau tidak rata sehingga dipantulkan keberbagai arah yang tidak tertentu.

1. Hukum Pemantulan Cahaya

Cermin merupakan suatu benda yang tidak tembus cahaya dan permukaannya sangat halus dan rata sehingga hampir semua cahaya yang datang padanya dapat dipantulkan.

Dari sifat-sifat pemantulan cahaya pada cermin diperoleh hukum pemantulan cahaya, yaitu :
a. Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar,
b. Sudut datang sama dengan sudut pantul.

Keterangan :

Sinar datang adalah sinar yang datang ke cermin.

Sinar pantul adalah sinar yang dipantulkan ke cermin.

Garis normal adalah garis yang tegak lurus permukaan cermin.

Sudut pantul adalah sudut antara sinar pantul dan garis normal.

2. Pemantulan Cahaya pada Cermin Datar

Cermin datar merupakan cermin yang permukaan pemantulnya datar (rata) dan salah satu permukaannya dilapisi logam (biasanya perak). Dalam kehidupan sehari-hari, contoh cermin datar adalah cermin yang biasa kita gunakan untuk berhias.

Bayangan pada cermin datar memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

  1. Merupakan bayangan maya.
  2. Tegak seperti bendanya.
  3. Sama besar dengan bendanya.
  4. Menghadap terbalik dengan bendanya.
  5. Jarak benda ke cermin sama dengan jarak bayangan ke cermin.

3. Pemantulan Cahaya pada Cermin Cekung

Cermin cekung adalah cermin yang permukaan pemantulnya melengkung kedalam. Cermin cekung bersifat mengumpulkan sinar pantul atau konvergen.

Tiga sinar istimewa pada cermin cekung, yaitu :

  1. Sinar datang sejajar sumbu utama cermin akan dipantulkan melalui titik fokus (f).
  2. Sinar datang melalui titik fokus akan dipantlkan sejajar sumbu utama.
  3. Sinar datang melalui titik pusat kelengkungan (M) akan dipantulkan kembali melalui titik pusat kelengkungan tersebut.

Bayangan benda yang terbentuk oleh cermin cekung memiliki sifat yang berbeda-beda tergantung letak benda terhadap cermin cekung.

4. Pemantulan Cahaya pada Cermin Cembung

Cermin cembung merupakan jenis cermin lengkung yang permukaan pemantulnya melengkung keluar. Cermin cembung disebut juga cermin divergen, karena cermin cembung bersifat menyebarkan cahaya yang mengenainya.

Tiga sinar istimewa pada cermin cembung, yaitu :

  1. Sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan seolah-olah berasal dari titik fokus cermin (f)
  2. Sinar datang menuju titik fokus (f) dipantulkan sejajar sumbu utama.
  3. Sinar datang menuju titik pusat kelengkungan cermin (M) dipantulkan kembali seakan-akan datang dari titik pusat kelengkungan tersebut.

Bayangan yang dibentuk oleh cermin cembung selalu bersifat maya, tegak, dan diperkecil.

5. Perhitungan pada Cermin Lengkung (cekung atau cembung)

Secara matematis, hubungan antara jarak benda ke cermin (s) jarak bayangan (s’), dan jarak fokus (f) atau jari-jari kelengkunagan (R) dapat ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

s = jarak benda ke lensa (m),

s’ = jarak bayangan ke lensa (m), dan

f = jarak fokus lensa (m).

Nilai f untuk cermin cekung bernilai positif (+) dan apabila dalam perhitungan diperoleh s’ yang bernilai negatif (-), maka bayangan yang terbentuk terletak dibelakang cermin.

  1. Hukum Pembiasan Cahaya

Pembiasan cahaya diselidiki oleh Willebrod Snellius dan Willebrod van Roijen yang hasilnya dinyatakan dengan hukum Snellius sebagai berikut.

  1. Sinar datang, sinar bias, dan garis normal terletak dalam satu bidang datar.
  2. Perbandingan proyeksi antara sinar datang dan sinar bias yang sama panjangnya pada bidang batas antara dua zat bening selalu merupakan bilangan tetap. Perbandingan tetap ini disebut indeks bias antara kedua zat itu.

Keterangan:
OA = sinar datang

∠AON = i = sudut datang

NN’ = garis normal

∠BON’ = r = sudut bias

OB = sinar bias

Untuk mengukur besarnya pembelokan arah cahaya jika sinar berpindah dari satu media ke media lain digunakan indeks bias (angka bias = penunjuk bias). Indeks bias mutlak suatu zat adalah perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam zat itu.

Keterangan:

Karena yang dilihat sehari-hari sinar berpindah dari satu media ke media lain maka indeks bias adalah perbandingan kecepatan cahaya dalam zat-zat itu. Misalkan, cahaya berpindah dari zat A ke zat B maka indeks biasnya dirumuskan sebagai berikut.

ndeks bias suatu medium dapat ditentukan jika kecepatan cahaya pada masing-masing medium diketahui.

CA = cepat rambat cahaya di medium A

CB = cepat rambat cahaya di medium B

Karena cahaya adalah salah satu jenis gelombang elektromagnetik yang memiliki frekuensi dan panjang gelombang maka rumus gelombang juga berlaku pada cahaya.

v = cepat rambat gelombang

Jadi, indeks bias cahaya dari zat A ke zat B adalah

  • CONTOH SOAL

Ayah Joko lupa membawa kacamata yang biasa digunakan untuk membaca koran sehingga saat itu beliau membaca koran dengan diletakkan sedikit lebih jauh dari jarak normal yaitu 50 cm. Perkirakan:
a) jenis kelainan mata yang terjadi pada ayah Joko
b) ukuran kacamata yang biasa dipakai ayah Joko
c) jenis lensa kacamata ayah Joko
d) panjang fokus lensa kacamata ayah Joko
(Soal Fisika Study Center Kacamata)

Pembahasan
a) jenis kelainan mata yang terjadi pada ayah Joko
Jarak titik dekat ayah joko bergeser menjauh dari titik dekat normal yang berada pada kisaran 25 cm atau 30 cm hingga disimpulkan bahwa beliau tidak bisa melihat jelas pada jarak dekat alias rabun dekat atau hipermetrop
b) ukuran kacamata yang biasa dipakai ayah Joko
Ukuran kacamata ditentukan dengan rumus berikut:
P = 100 / PPN – 100 / PP
dimana 
PPN = titik dekat normal dalam satuan cm, PP = titik dekat penderita miopi dalam satuan cm
sehingga 
P = 100/25 – 100/50 
P = 4 – 2 = 2 dioptri = + 2 D
Catatan:
Jika PPN dan PP dinyatakan dalam satuan meter maka gunakan rumus berikut
P = 1/ PPN – 1PP
Hasil akhir haruslah sama dengan rumus sebelumnya!
c) jenis lensa kacamata ayah Joko
Jenis lensa kacamata yang dipakai adalah lensa positif atau lensa cembung.
d) panjang fokus lensa kacamata ayah Joko
Hubungan panjang fokus lensa (f) dengan kuat lensa (P) 
f = 1/P 
f = 1/2 meter. Jika diubah ke cm P = 100/2 cm = 50 cm 

INTI ATOM

INTI ATOM

Konsep adanya inti atom pertama kali dinyatakan oleh Rutherford dari hasil serangkaian eksperimennya untuk menguji model atom yang dikemukakan oleh Thomson dengan percobaan yang terkenal dengan nama hamburan Rutherford. Dari eksperimen ini Rutherford menyimpulkan bahwa massa seluruh atom terkumpul pada suatu titik yang disebut inti atom yang bermuatan positif. Muatan positif yang terdapat pada inti atom sama dengan jumlah muatan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Partikel yang bermuatan positif dalam inti atom disebut proton. Kemudian ditemukannya neutronoleh James Chadwich yang juga merupakan partikel yang ada dalam inti atom tetapi tidak bermuatan (netral).

Advertisment

Inti Atom

Dengan demikian inti atom tersusun oleh dua partikel yaitu proton dan neutronproton bermuatan positif sedangkan neutron netral yang selanjutnya proton dan neutron ini disebut nukleon atau nuklida.

Massa neutron hampir sama dengan proton, hanya saja massa neutron lebih besar sedikit dibandingkan massa proton. Ukuran inti atom berkisar pada 10-15 m, sehingga massa partikelnya sangat kecil. Satuan massa untuk inti atom dipakai satuan massa atom yang disingkat sma di mana 1 sma = 1,6604 × 10-27 kg. 1 sma didefinisikan sama dengan  massa atom 6C12 .

Inti atom dilambangkan ZXA dengan X menyatakan nama inti atom, Z menyatakan nomor atom, dan A menyatakan nomor massa atom. Misalnya inti atom karbon memiliki nomor atom 6 sedangkan nomor massanya 12, maka lambang atom karbon tersebut dituliskan 6C12Nomor atom menyatakan jumlah proton dalam inti atom atau jumlah elektron yang mengelilingi inti dan nomor massa menyatakan jumlah proton dan neutron yang terdapat pada inti atom atau jumlah nukleon.

Gaya Ikat Inti Atom

Telah diketahui bahwa inti atom terdiri atas proton dan neutron, padahal antara proton dan neutron adalah bermuatan positif dan netral. Menurut hukum Coulomb, hal tersebut akan menimbulkan gaya elektrostatis, yaitu berupa gaya tolak menolak. Akan tetapi mengapa proton-proton tersebut dapat menyatu di dalam inti atom.

Sebenarnya dalam inti atom terdapat interaksi gaya gravitasi dan gaya elektrostatis, akan tetapi gaya gravitasi dapat diabaikan terhadap gaya elektrostatis. Jadi pasti ada gaya lain yang menyebabkan proton-proton dalam inti atom dapat menyatu. Gaya yang menyebabkan nulkeon bisa bersatu di dalam inti disebut gaya ikat inti. Gaya gravitasi menyebabkan gaya tarik-menarik antarmassa nukleon, yaitu proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron, sedangkan gaya elektrostatis menyebabkan gaya tolak-menolak antara muatan proton dan proton. Gaya ikat inti lebih besar dibandingkan gaya gravitasi dan gaya elektrostatis.

Gaya ikat inti bekerja antara proton dengan proton, proton dengan neutron, atau neutron dengan neutron. Gaya ikat inti bekerja pada jarak yang sangat dekat sampai dengan jarak pada diameter inti atom (10-15 m).

Energi Ikat Inti Atom

Hubungan antara massa inti atom dengan energi ikat inti dapat dijelaskan dengan teori yang dikemukakan oleh Albert Einstein yang menyatakan hubungan antara massa dan energi yang dinyatakan dalam persamaan E = mc2. Di mana E adalah energi yang timbul apabila sejumlah m(massa) benda berubah menjadi energi dan c adalah cepat rambat gelombang cahaya.

Dari hasil pengukuran massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon pada inti atom tersebut, penyusutan/pengurangan massa ini disebut defek massa. Besarnya penyusutan massa inti akan berubah menjadi energi ikat inti yang menyebabkan nukleon dapat bersatu dalam inti atom. Besarnya energi ikat inti dapat diketahui jika besarnya defek massa inti diketahui. Besarnya defek massa dinyatakan dengan selisih jumlah massa seluruh nukleon (massa proton dan neutron) dengan massa inti yang terbentuk yang dapat dinyatakan dalam persamaan :

dengan :

Δm = defek massa

mp = massa proton

mn = massa neutron

Z = jumlah proton dalam inti atom

(A – Z) = jumlah neutron pada inti atom

Menurut hasil pengukuran yang teliti jika massa 1 sma berubah menjadi energi setara dengan energi sebesar 931 MeV (Mega elektron volt) atau 1 sma = 931 MeV, sehingga besarnya energi ikat inti dapat dinyatakan :

dengan :

Δm = defek massa

ΔE = energi ikat inti

Apakah energi ikat inti selalu dapat menggambarkan tingkat kestabilan inti atom? Ternyata tidak selalu. Jika inti memiliki jumlah nukleon yang banyak energi ikatnya juga besar. Namum belum tentu inti tersebut stabil. Pada umumnya inti atom yang mempunyai jumlah neutron lebih banyak mempunyai tingkat kestabilan inti yang lebih rendah. Ada besaran yang mempunyai korelasi / hubungan dengan tingkat kestabilan inti yang disebut tingkat energi ikat per nukleon yaitu energi ikat inti dibagi dengan jumlah nukleon pada inti tersebut.

Grafik hubungan antara energi ikat per nukleon dengan nomor atom

Gambar diatas memperlihatkan grafik energi ikat per nukleon terhadap banyaknya nukleon dalam berbagai inti atomik. Pada grafik itu energi ikat terbesar adalah 8,8 MeV yaitu pada inti atom besi (26Fe56). Lebih besar energi ikat pernukleonnya, maka lebih mantap inti atom itu.

  • CONTOH SOAL

Waktu paruh suatu unsur radiokatif diketahui sebesar 30 menit.

Dalam waktu dua jam tentukan berapa bagian dari unsur radioaktif tersebut:

a) yang masih tersisa

b) yang sudah meluruh

Pembahasan
Data:
t = 2 jam = 120 menit
T1/2 = 30 menit
Menentukan bagian unsur yang masih tersisa dari perumusan waktu paruh: 

GETARAN

GETARAN

Getaran adalah gerakan bolak-balik suatu benda melalui titik setimbang.                                                   Perhatikan gambar dibawah :

Dari gambar diatas, kita bisa liat bahwa satu getaran penuh dari ilustrasi bandul tersebut teridiri dari :
A. B-A-B-C-B 

B. A-B-C-B-A 

C. C-B-A-B-C

  1. Simpangan dan Amplitudo Getaran

Simpangan adalah jarak beban ketitik setimbang. 

Dari gambar di atas, kita bisa liat kalo titik setimbangnya berada pada huruf “a”. Ketika jarak beban ketitik setimbang 1 cm, kita katakan simpangan getaran 1 cm. Ketika jarak beban ketitik setimbang itu 3 cm, kita katakan simpangan getaran 3cm. Demikian seterusnya. Simpangan berubah tiap waktu karena benda mendekati atau menjauhi titik setimbang.

Sedangkan amplitudo adalah simpangan terbesar dari suatu getaran. Besaran amplitudo dilambangkan dengan huruf “A”. Dari gambar diatas kita bisa liat kalo amplitudo dari pegas tersebut adalah jarak a-b atau jarak a-c.

  1. Periode Getaran

 Periode getaran adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan suatu getaran. Periode getaran dilambangkan dengan huruf T. Untuk menentukan periode getaran kita dapat mengukur langsung waktu yang diperlukan untuk melakukan satu getaran penuh.

Namun, cara mengukur semacam ini seringkali menimbulkan kesalahan karena salah satu getaran biasanya berlangsung sangat singkat. 

Oleh karena itu, biasanya kita mengukur waktu yang diperlukan benda untuk melakukan sejumlah getaran. Periode getaran dapat dihitung dari waktu yang tercatat dibagi jumlah getaran.

  1. Frekuensi Getaran

Frekuensi getaran adalah banyaknya getaran yang dilakukan benda setiap detik. Frekuensi dilambangkan dengan huruf “f”. Satuan frekuensi adalah getaran per sekon atau diberi istilah khusus, yaitu hertz disingkat Hz.

Untuk menentukan frekuensi pada suatu getaran, kita bisa gunakan persamaan berikut ini.

  • CONTOH SOAL

Suatu sumbu getar memancarkan gelombang dengan cepat rambat 340 ms–1, jika frekuensi gelombang tersebut 85 Hz, maka panjang gelombang tersebut adalah … 
Pembahasan
Data dari soal adalah

v = 340 m/s

f = 85 Hz

λ = ….. 
 λ = 340 / 85
λ = 4 meter

MEDAN MAGNETIK

MEDAN MAGNETIK

Apa yang anda pikirkan tentang gambar berikut !

Anda sudah mengetahui bahwa sebuah magnet selalau mempunyai dua kutub, yaitu yang satu disebut kutub utara (U)/ (N = North ), yang lain kutub selatan (S)/(S= South) , seperti pada jenis-jenis magnet gambar berikut :

Di sekitar magnet terdapat medan magnetic yang mempengaruhi magnet lain dan benda-benda yang terbuat dari bahan tertentu. Medan magnetic adalah ruang sekitar magnet sehingga magnet lain masih mengalami gaya. Ruang disekitar magnet  dapat digambarkan sebagai garis khayal sebagai garis-garis medan magnetic yang arahnya keluar dari kutub utara magnet  dan masuk ke kutub selatan magnet

Kutub sejenis, kutub utara dengan kutub utara, atau kutub selatan dengan kutub selatan akan saling tolak-menolak. Dua kutub tidak sejenis, kutub utara dengan kutub selatan akan saling tarik-menarik, seperti pada gambar berikut :

Bumi kita, ini juga mempunyai medan magnetic seperti pada gambar dibawah ini

Medan magnetic tidak hanya ditimbulkan oleh magnet permanent. Kenyataan menunjukkan bahwa magnet permanent bukan satu-satunya sumber medan magnet. Hal ini pertamakali ditemukan Oleh Hans Christian Oersted pada tahun 1820.

Induksi magnet (B) di sekitar penghantar berarus listrik

Perhatikan gambar percobaan berikut..!

Gambar (a-1) Kawat belum dialiri arus listrik, sehingga jarum magnet tidak menyimpang.

Gambar (a-2). Kawat dialiri arus listrik dengan arah ke bawah, jarum magnet menyimpang ke kanan.

Gambar (a-3). Kawat dialiri arus listrik dengan arah keatas, jarum magnetik menyimpang ke kiri.

Kesimpulan Percobaan Oersted, bahwa disekita kawat yang dialiri arus listrik terdapat medan magnet.

 Untuk menentukan arah medan magnet (B), menggunakan kaidah tangan kanan seperti pada gambar berikut!

  1. ibu jari menunjukkan arah arus (i)
  2. Keempat jari tangan menunjukkan arah medan magnet (B) 

Untuk menentukan Nilai atau rumus Induksi magnet disekitar kawar berarus listrik seperti pada gambar berikut

Induksi magnet (B) disekitar kawar melingkar berarus listrik.

Sebuah kawat melingkat kemudian dialiri arus listrik, maka pada sumbu kawat melingkar terdapat medan magnet yang arahnya seperti gambar. Arah medan magnet menggunakan kaidah tangan kanan

    1. Ibu jari menunjukkan arah medan magnet (B)

  1. Keempat jari tangan menunjukkan arah arus melingkar (i)

  Jika Titik P ada di pusat lingkaran, maka rumusnya menjadi

   

Pengertian Induksi Elektromagnetik

Induksi Elektromagnetik adalah peristiwa timbulnya arus listrik akibat adanya perubahan fluks magnetic. Fluks magnetic adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.

Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernama Michael Faraday memiliki gagasan bahwa medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. Pada tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus induksi dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik. Faktor yang mempengaruhi besar GGL induksi yaitu :

  • (1) Kecepatan perubahan medan magnet, Semakin cepat perubahan medan magnet, maka GGL induksi yang timbul semakin besar.
  • (2) Banyaknya lilitan, Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.
  • (3) Kekuatan magnet, Semakin kuat gejala kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.

Proses Terjadinya Induksi Elektromagnetik

Induksi elektromagnetik adalah gejala timbulnya gaya gerak listrik di dalam suatu kumparan/konduktor bila terdapat perubahan fluks magnetik pada konduktor tersebut atau bila konduktor bergerak relatif melintasi medan magnetik.

Ketika kutub utara magnet digerakkan memasuki kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke salah satu arah (misalnya ke kanan). Jarum galvanometer segera kembali menunjuk ke nol (tidak menyimpang) ketika magnet tersebut didiamkan sejenak  di dalam kumparan. Ketika magnet batang dikeluarkan, maka jarum galvanometer akan menyimpang dengan arah yang berlawanan (misalnya ke kiri). Jarum galvanometer menyimpang disebabkan adanya arus yang mengalir dalam kumparan. Arus listrik timbul karena pada ujung-ujung kumparan timbul beda potensial ketika magnet batang digerakkan masuk atau keluar dari kumparan. Beda potensial yang timbul ini disebut Gaya Gerak Listrik Induksi (ggl induksi).

Ketika magnet batang digerakkan masuk, terjadi penambahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan (galvanometer menyimpang atau ada arus yang mengalir). Ketika batang magnet diam sejenak maka jarum galvanometer kembali ke nol (tidak ada arus yang mengalir). Ketika batang magnet dikeluarkan terjadi pengurangan jumlah garis gaya magnetik yang memtong kumparan (galvanometer menyimpang dengan arah berlawanan). Jadi, akibat perubahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan, maka pada kedua ujung kumparan timbul beda potensial atau ggl induksi. Arus listrik yang disebabkan oleh perubahan jumlah garis gaya magnetik yang memotong kumparan disebut arus induksi.

Faktor-Faktor yang  Menentukan Besar GGL. Besarnya ggl induksi tergantung pada tiga faktor, yaitu ;

  • banyaknya lilitan kumparan
  • kecepatan keluar-masuk magnet dari dan keluar kumparan
  • kuat magnet batang yang digunakan

Penerapan Induksi Elektromagnetik ( Penerapan GGL Induksi dalam kehidupan sehari-hari )

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo.

Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan  atau  magnet  yang  berputar  menyebabkan  terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan  tersebut  menyebabkan  terjadinya  GGL  induksi  pada kumparan.

Energi  mekanik  yang  diberikan  generator  dan  dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal  itu menyebabkan GGL  induksi  dihasilkan  secara  terus-menerus  dengan  pola  yang berulang secara periodic

Generator listrik

Generator adalah alat untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator ada dua jenis yaitu generator arus searah (DC) atau dynamo dan generator arus bolak-balik (AC) atau alternator. Generator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yaitu dengan memutar suatu kumparan dalam medan magnet sehingga timbul GGL induksi.

 Jika kumparan dengan N buah lilitan diputar dengan kecepatan sudut w, maka GGL induksi yang dihasilkan oleh generator adalah :

Transformator

Transformator atau trafo merupakan alat untuk mengubah (memperbesar atau memperkecil) tegangan AC berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yaitu memindahkan energi listrik secara induksi melalui kumparan primer ke kumparan skunder. Trafo menimbulkan GGL pada kumparan skunder karena medan magnet yang berubah-ubah akibat aliran arus listrik bolak-balik pada kumparan primer yang diinduksikan oleh besi lunak ke dalam kumparan skunder.

 Trafo ada dua jenis, yaitu trafo step-up dan step-down. Trafo step-up berfungsi untuk menaikkan tegangan AC sumber, jumlah lilitan kumparan skunder lebih banyak dibandingkan jumlah lilitan primer. Trafo step-down berfungsi untuk menurunkan tegangan AC sumber, jumlah lilitan skundernya lebih sedikit.

Macam-Macam Transformator

Apabila tegangan terminal output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penurun tegangan. Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.

Trafo step up adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:

  1. jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder,
  2. tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder,
  3. kuat arus primer lebih besar daripada kuat arus sekunder.

Trafo step down adalah transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:

  1. jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder,
  2. tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder,
  3. kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.

Efisiensi Transformator

Di bagian sebelumnya kamu sudah mempelajari transformator atau trafo yang ideal. Namun, pada kenyataannya trafo tidak pernah ideal. Jika trafo digunakan, selalu timbul energi kalor. Dengan demikian, energi listrik yang masuk pada kumparan primer selalu lebih besar daripada energi yang keluar pada kumparan sekunder. Akibatnya, daya primer lebih besar daripada daya sekunder. Berkurangnya daya dan energi listrik pada sebuah trafo ditentukan oleh besarnya efisiensi trafo. Perbandingan antara daya sekunder dengan daya primer atau hasil bagi antara energi sekunder dengan energi primer yang dinyatakan dengan persen disebut efisiensi trafo. Efisiensi trafo dinyatakan

 

Np = tegangan primer; Ns = tegangan skunder

Pp = daya primer (Watt); Ps = daya skunder (Watt)

Ip = kuat arus primer (A); Is = kuat arus skunder (A)

Induktor

Dalam elektronika, Induktor adalah salah satu komponen yang cara kerjanya berdasarkan induksi magnet. Induktor biasa disebut juga spul dibuat dari bahan kawat beremail tipis. Induktor dibuat dari bahan tembaga, diberi simbol L dan satuannya Henry disingkat H. Fungsi pokok induktor adalah untuk menimbulkan medan magnet. Induktor berupa kawat yang digulung sehingga menjadi kumparan. Kemampuan induktor untuk menimbulkan medan magnet disebut konduktansi.

Satuan induktansi adalah henry (H) atau milihenry (mH). Untuk memperbesar induktansi, didalam kumparan disisipkan bahan sebagai inti. Induktor yang berinti dari bahan besi disebut elektromagnet. Induktor memiliki sifat menahan arus AC dan konduktif terhadap arus DC.

Macam-Macam Induktor

Macam-macam induktor menurut bahan pembuat intinya dapat dibagi 4 yaitu :

Simbol Induktor

Kegunaan Induktor dalam sistem elektronik

Induktor dalam rangkaian listrik atau elektronika dapat diaplikasikan kedalam rangkaian:

Induktor berfungsi sebagai :

  1. tempat terjadinya gaya magnet.
  2. pelipat tegangan.
  3. pembangkit getaran.

Berdasarkan kegunaannya Induktor bekerja pada :

  1. frekuensi tinggi pada spul antena dan osilator.
  2. frekuensi menengah pada spul MF.
  3. frekuensi rendah pada trafo input, trafo output, spul speaker, trafo tenaga, spul relay dan spul penyaring.

Terjadinya Medan Magnet

Induktansi Searah

Bila kita mengalirkan arus listrik melalui kabel, terjadilah garis-garis gaya magnet. Bila kita mengalirkan arus melalui spul atau coil (kumparan) yang dibuat dari kabel yang digulung, akan terjadi garis-garis gaya dalam arah sama yang membangkitkan medan magnet. Kekuatan medan magnet sama dengan jumlah garis-garis gaya magnet, dan berbanding lurus dengan hasil kali dari jumlah gulungan dalam kumparan dan arus listrik yang melalui kumparan tersebut.

Induktansi Bolak-balik

Bila dua kumparan ditempatkan berdekatan satu sama lain dan salah satu kumparan (L1) diberi arus listrik AC, pada L1 akan terjadi fluks magnet. Fluk magnet ini akan melalui kumparan kedua (L2) dan akan membangkitkan emf (elektro motorive force) pada kumparan L2. Efek seperti ini disebut induksi timbal balik (mutual induction). Hal seperti ini biasanya kita jumpai pada transformator daya.

 Perlawanan yang diberikan kumparan tersebut dinamakan reaktansi induktif. Reaktansi Induktif ini diberi simbol  dalam satuan Ohm.

Keterangan :

π = 3.14

F = frekwensi arus bolak-balik ( Hz)

L = Induktansi ( Henry )

= kecepatan sudut ( 2πfL)

XL = reaktansi induktif ( Ω )

Pengisian Induktor

Bila kita mengalirkan arus listrik I, maka terjadilah garis-garis gaya magnet. Bila kita mengalirkan arus melalui spul atau coil (kumparan) yang dibuat dari kabel yang digulung,a akan terjadi garis-garis gaya dalam arah sama membangkitkan medan magnet. Kekuatan medan magnet sama dengan jumlah garis-garis gaya magnet dan berbanding lurus dengan hasil kali dari jumlah gulungan dalam kumparan dan arus listrik yang melalui kumparan tersebut. Contoh rangkaian :

Bila arus bolak–balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl) induksi Hal ini berarti antara arus dan tegangan berbeda fase sebesar Л / 2 = 90 dan arus tertinggal (lag) dari tegangan sebesar 90 . 2Лf merupakan perlawanan terhadap aliran arus.

Pengosongan Induktor

Bila arus listrik l sudah memenuhi lilitan , maka terjadilah arus akan bergerak berlawanan arah dengan proses pengisian sehingga pembangkitan medan magnet dengan garis gaya magnet yang sama akan menjalankan fungsi dari lilitan tersebut makin tinggi nilai L ( induktansi) yang dihasilkan maka makin lama proses pengosongannya.

 Menghitung Impedansi Induktor

Setelah diperoleh nilai XL maka Impedansi dapat di hitung :

Z disebut impedansi Seri dengan satuan Ω (ohm).

Rumus  Induksi Elektromagnetik

  1. Fluks Magnetik

Fluks magnet diartikan sebagai perkalian antara medan magnet B (baca: medan magnet) dengan luas bidang A yang letakknya tegak lurus dengan induksi magnetnya. Secara matematis rumus fluks adalah

Faktanya, induksi magnet B tidak selalu tegak lurus pada bidang, bisa membentuk sudut tertentu. Misalkan ada sebuah induksi medan magnet yang membentuk sudut teta dengan garis normal maka besarnya fluks magnet yang dihasilkan adalah

 

Φ = Fluks magnet

B = induksi magnet

A = luas bidang

θ = sudut antara arah induksi magnet B dengan arah garis normal bidang

 

Hukum Faraday

Hasil percobaan yang dilakukan faraday menghasilkan sebuah hukum yang berbunyi :

  • Bila jumlah fluks magnet yang memasuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung-ujung kumparan timbul gaya gerak listrik induksi (ggl induksi)
  • Besarnya gaya gerak listrik induksi bergantung pada laju perubahan fluks dan banyaknya lilitan.

Secara matematis ggl yang dihasilkan dapat ditentukan dengan menggunakan rumus

(tanda negatif menunjukkan arah induksi)

ε = ggl induksi (volt)

N = jumlah lilitan

ΔΦ/Δt = laju perubahan fluks magnet

Untuk menimbulkan perubahan fluks magnet agar menghasilkan ggl induksi :

  • memperbesar perubahan induksi magnet B
  • memperkecil luas bindang A yang ditembus oleh medan magnet.
  • memperkecil sudut
  1. Hukum Lenz

Hukum Lenz berbunyi “arus induksi akan muncul di dalam arah yang sedemikian rupa sehingga arah induksi menentang perubahan yang dihasilkan. Dengan kata lain, arah arus induksi yang terjadi dalam suatu penghantar menimbulkan medan magnet yang menentang penyebab perubahan medan magnet tersebut”. Perhatikan gambar di bawah ini

Berdasarkan gambar di atas,

  • arah v merupakan arah dari penyebab perubahan
  • arah gaya lorentz FL akan selalu berlawanan dengan arah v
  • dengan menggunakan aturan tangan kanan, maka diperoleh arah I dari P ke Q

Rumus Hukum Lenz

GGL Induksi Diri (Hukum Henry)

Apapbila arus yang mengalir pada suatu penghantar berubah setiap waktu maka pada penghantar tersebut kan terjai ggl induksi diri dan oleh Josep Henry dirumuskan sebagai:

ε = ggl induksi diri (volt)

L = induktansi diri

dI/dt = besarnya perubahan arus tiap satuan waktu (A/s)

Induksi diri (L) adalah ggl yang terjadi dalam suatu penghantar dan terterjadi perubahan kuat arus 1 A setiap detiknya. Besarnya induksi diri pada sebuah penghantar dirumuskan:

L = induktansi diri

N = jumlah lilitan kumparan

Φ = fluks magnet (Wb)

I = kuat arus

Faktor Penyebab Timbulnya Gaya Gerak Listrik Induksi

Penyebab utama timbulnya ggl induksi adalah terjadinya perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu loop kawat. Besarnya fluks magnetik telah dinyatakan pada persamaan (1). Dengan demikian, ada tiga faktor penyebab timbulnya ggl pada suatu kumparan, yaitu:

Gaya Gerak Listrik Akibat Perluasan Kumparan dalam Medan Elektromagnetik

Kita asumsikan medan B tegak lurus terhadap permukaan yang dibatasi sebuah konduktor berbentuk U. Sebuah konduktor lain yang dapat bergerak dengan kecepatan v dipasang pada konduktor U. Dalam waktu Δt konduktor yang bergerak tersebut menempuh jarak:

Sehingga, luas bidang kumparan bertambah sebesar:

 Berdasarkan Hukum Faraday, akan timbul ggl induksi yang besarnya dinyatakan dalam persamaan :

 

Gaya Gerak Listrik Induksi Akibat Perubahan Orientasi Sudut Kumparan θ Terhadap Medan Elektromagnetik

Perubahan sudut antara induksi magnetik B dan arah bidang normal dapat menyebabkan timbulnya ggl induksi.

Gaya Gerak Listrik Induksi Akibat Perubahan Induksi Magnetik

Perubahan induksi magnetik juga dapat menimbulkan ggl induksi pada luasan bidang kumparan yang konstan, yang dinyatakan sebagai berikut:

Induktansi

Kumparan yang dirangkai paralel dengan lampu neon dihubungkan sumber tegangan (baterai). Pada saat saklar ditutup lampu tidak menyala karena arus akan ke kumparan, sehingga sedikit sekali atau hampir tidak ada arus yang lewat pada lampu neon. Adanya arus yang melalui kumparan inilah yang menimbulkan medan magnetik di sekitar kumparan. Dari hasil pengamatan yang telah dilakukan, ternyata bahwa pada saat arus diputus dengan membuka saklar, lampu menyala sesaat kemudian meredup dan padam.

Saat saklar dibuka, arus pada kumparan hilang mendadak sehingga terjadi perubahan fluks magnetik di sekitarnya yaitu dari ada menjadi tidak ada. Jadi timbul  yang menunjukkan adanya GG induksi dalam kumparan itu sendiri dan menyalakan lampu neon. GGL yang timbul disebut GGL induksi diri kumparan (karena ditimbulkan oleh kumparan itu sendiri). “Besarnya GGL induksi diri sebanding dengan laju perubahan kuat arus terhadap waktu”.

Dirumuskan sebagai berikut :

Tanda negatif menunjukan bahwa GGL induksi yang timbul adalah melawan GGL penyebabnya (Hukum Lenz). Karena perubahan kuat arus dalam kumparan berarti juga perubahan fluks magnetik dalam kumparan. Induktasi diri suatu penghantar sebesar 1 Henry didefinisikan sebagai perubahan kuat arus 1 ampere setiap detik secara beraturan yang menyebabkan timbulnya GGL induksi diri sebesar 1 Volt. Bila kumparan berupa solenoid atau tiroid, maka induktasi dirinya dapat ditentukan sebagai berikut.

Induktasi magnetik dipusat solenoid

 

 

 

 

Energi yang tersimpan dalam induktor

Telah kita ketahui bahwa daya yang dihasilkan oleh pengantar yang dilalui arus adalah  ,

Untuk memperoleh usaha/energi yang ada dalam induktor

Contoh Soal Induksi Elektromagnetik

  1. Sebuah kumparan dengan jumlah lilitan 100 dalam waktu 0,01 detik menimbulkan perubhan fluks magnet sebesar 10-4 Wb, berapat ggl induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan tersebut?

Pembahasan

(tanda negatif hanya menunjukkan arah arus induksi)

Jadi total ggl induksi elektromagnet yang dihasilkan di ujung-ujung kumparan tersebut 1 Volt

Kesimpulan

Timbulnya gaya listrik (GGL) pada kumparan hanya apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet. Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus induksi dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besar GGL induksi yaitu:

  1. Kecepatan perubahan medan magnet. Semakin cepat perubahan medan magnet, maka GGL induksi yang timbul semakin besar.
  2. Banyaknya lilitan Semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.
  3. Kekuatan magnet Semakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar.

Konsep induksi elektromagnetik dapat diterapkan dalam produk teknologi seperti;

  1. Generator adalah alat yang dapat merubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip yang digunakan adalah perubahan sudut berdasarkan hukum Faraday sehingga terjadi perubahan fluks magnetik.
  2. Transformator atau trafo merupakan alat untuk mengubah (memperbesar atau memperkecil) tegangan AC berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yaitu memindahkan energi listrik secara induksi melalui kumparan primer ke kumparan skunder.
  3. Induktor adalah salah satu komponen yang cara kerjanya berdasarkan induksi magnet. Induktor biasa disebut juga spul dibuat dari bahan kawat beremail tipis. Induktor berupa kawat yang digulung sehingga menjadi kumparan. Kemampuan induktor untuk menimbulkan medan magnet disebut konduktansi.

Arus dan Tegangan Listrik Bolak-balik

Arus dan tegangan bolak-balik (AC) yaitu arus dan tegangan yang besar dan arahnya berubah terhadap waktu secara periodik.

Nilai Efektif, Nilai Maksimum dan Nilai Rata-rata

Nilai efektif adalah nilai yang ditunjukkan oleh voltmeter/amperemeter. Sedangkan Nilai maksimum adakah nilai yang ditunjukkan oleh osiloskop. hubungan ketiga jenis nilai tersebut sebagai berikut :

Rangkaian Resesif, Induktif dan Kapasitif Murni

  1. Rangkaian Resesif Murni (R)

Pada rangkaian resesif murni arus dan tegangan sefase, artinya dalam waktu yang sama besar sudut fasenya sama.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        2. Rangkaian  Induktif Murni (L)

Pada rangkaian Induktif murni arus terlambat 900 dari tegangan atau tegangan mendahului 900 dari arusnya.

 

 

 

    3. Rangkaian  Kapasitif Murni (C)

Pada rangkaian Kapasitif murni arus mendahului 900 dari tegangan atau tegangan terlambat 900 dari arusnya.

Keterangan : 

XL  = reaktansi kapasitif (ohm)

C    = kapasitas kapasitor (C)

  • Rangkaian RL, RC, LC dan RLC

Rangkaian RL, RC, LC dan RLC merupakan gabungan antara resistor, induktor dan/atau kapasitor yang disusun secara seri. sebelum membahas lebih lanjut keempat jenis rangkaian di atas, perlu diketahui terlebih dahulu bahwa arus  dan tegangan yang digunakan merupakan arus efektif (Ief) dan tegangan efektif (Vef). sedangkan pada rangkaian resesif, induktif dan kapasitif murni pada pembahasan sebelumnya menggunakan arus dan tegangan maksimal.

Arus Efektif Sumber

Rumus impedansi rangkaian (Z) akan dibahas pada tiap-tiap jenis rangkaian di atas. Jika besarnya arus efektif telah diketahui maka besarnya tegangan tiap-tiap komponen dapat dicari dengan rumus-rumus

 

Cara penggunaan rumus-rumus dalam rangkaian R-L-C untuk jenis rangkaian lainnya :
– dalam rangkaian R-L tidak ada komponen kapasitor (C) maka nilai Xc dan Vc nya = nol (0).
– dalam rangkaian R-C tidak ada komponen induktor (L) maka nilai XL dan VL nya = nol (0).
– dalam rangkaian L-C tidak ada komponen resistor (R) maka nilai R dan VR nya = nol (0). 
Faktor Daya dan Daya Rangkaian

Grafik Hubungan antara Tegangan (V) dan Arus (I)

  1. Grafik Rangkaian Resesif

yang termasuk rangkaian resesif adalah rangkaian resesif murni (R) dan rangkaian RLC saat nilai XL=XC (saat terjadi resonansi).

    2. Grafik rangkaian Induktif

terjadi dalam rankaian LC atau RLC saat XL>XC. Tegangan (V) mendahului arus (I) maka grafik V bergeser ke kiri :

atau dengan kata lain arus (I) terlambat terhadap tegangan (V) maka grafik I bergeser ke kanan :

 

    3. Grafik rangkaian Kapasitif

terjadi dalam rankaian LC atau RLC saat XL.Tegangan (V) terlambat terhadap arus (I) maka grafik V bergeser ke kanan

atau dengan kata lain arus (I) mendahului tegangan (V) maka grafik I bergeser ke kiri :

Rangkaian R – L – C disusun seperti gambar di samping. 

   CONTOH SOAL

Grafik gelombang sinus yang dihasilkan jika XL > XC adalah….

Pembahasan

-Jawaban A dan E bisa dibuang dulu, karena menggambarkan I sebagai garis lurus.

-Jawaban B bisa dibuang kemudian, karena menunjukkan V sefase dengan I, kelihatan saat 0°, 180° dan 360°, V dan I berada pada satu titik, jadi sefase. Jangan terkecoh dengan garis merahnya V yang terlihat lebih tinggi dari garis birunya I.

-Tinggal C dan D. Mana yang V mendahului I yang C, terlihat saat I nya masih nol, V nya sudah punya nilai sudut tertentu yang lebih besar dari nol, jadi seperti grafik option B, tapi merahnya digeser sedikit ke sebelah kiri.

ELEKTROSTATIK

ELEKTROSTATIK

Muatan Listrik

Anda mungkin sudah akrab dengan beberapa contoh umum pengaruh muatan elektrostatik. Misalnya, pernahkah Anda terkejut ketika tangan Anda menyentuh layar TV? Apakah yang menyebabkan peristiwa sengatan yang kadang-kadang disertai  rasa sakit itu?  Sengatan itu merupakan akibat yang ditimbulkan oleh listrik  statis. Petir  yang sering  Anda lihat pada saat hari hujan itu juga merupakan  contoh peristiwa alam yang disebabkan listrik statis.

Pengertian Listrik Statis

Kata “listrik” dalam bahasa Inggris  electric,  berasal dari bahasa Yunani elektron, yang berarti “amber”. Amber adalah pohon damar yang membatu, dan pengetahuan kuno membuktikan bahwa jika Anda menggosok batang  amber dengan sepotong kain, maka amber menarik potongan daun kecil-kecil  atau debu. Batang karet keras, batang kaca, atau penggaris plastik, jika digosok dengan sepotong kain juga akan menunjukkan “efek amber” atau  listrik statis sebagaimana yang kita sebut sekarang. Barangkali  Anda telah  memiliki pengalaman tentang listrik statis yakni ketika  Anda menyisir rambut kering, atau ketika menyetrika baju nilon. Pada setiap kasus tadi, suatu benda  menjadi “bermuatan” listrik karena proses gosokan dan dikatakan memiliki muatan listrik.

Jenis Muatan Listrik

Ketika penggaris plastik kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan  pada  penggaris plastik pertama, penggaris pertama bergerak menjauhi penggaris kedua. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 2a. Ketika batang kaca kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan  pada batang kaca pertama, batang kaca kedua juga bergerak menjauhi batang  kaca pertama. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 2b. Tetapi, jika batang  kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang bermuatan, akan didapatkan  bahwa  keduanya  akan  saling menarik, Gambar 2c.

Jadi terdapat dua jenis muatan listrik yaitu, muatan yang ditolak batang kaca bermuatan, dan muatan yang ditarik batang kaca bermuatan. Dua jenis muatan listrik yang ditunjukkan tersebut dinyatakan oleh seorang Amerika, seorang saintis, seorang filosuf yang bernama Benjamin Franklin (1706-1790) sebagai muatan positif dan muatan negatif. Franklin memilih muatan pada batang kaca yang digosok adalah  muatan positif, sedangkan muatan pada penggaris plastik yang digosok (atau  amber) adalah muatan negatif.

Muatan Listrik dalam Suatu Atom

Gambar  3 memperlihatkan  model  atom sederhana, terdiri dari muatan positif di dalam inti, dikelilingi satu atau lebih elektron. Inti berisi protonproton bermuatan positif, dan netron yang tidak bermuatan listrik.   Besarnya muatan  proton   dan   elektron   adalah   sama,  tetapi   tandanya berlawanan.  Karena itu atom-atom netral berisi proton-proton dan elektronelektron dengan jumlah  yang sama.  Meskipun demikian, suatu atom kadangkadang akan  kehilangan  satu atau lebih  elektron,  atau akan  memperoleh elektron-elektron ekstra. Pada kasus ini, atom akan bermuatan positif atau negatif, dan disebut ion.

Umumnya, ketika benda dimuati melalui gosokan, benda-benda akan mempertahankan muatannya hanya sebentar, kemudian kembali ke keadaan netral. Kemana muatan pergi? Dalam beberapa kasus, hal ini dinetralkan oleh ion-ion bermuatan di udara (misalnya, oleh tumbukan dengan pertikel-partikel bermuatan, yang kita kenal sebagai sinar kosmik dari ruang angkasa yang mencapai bumi). Hal yang penting diketahui, bahwa muatan dapat lepas ke inti air di udara. Ini karena molekul-molekul air adalah polar,  meskipun molekul-molekul air tersebut adalah netral, muatan molekul-molekul air tidaklah disalurkan secara seragam sebagaimana diperlihatkan pada   Gambar 4. Jadi elektron-elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas ke udara karena ditarik menuju molekul-molekul positip air. Di sisi lain, benda-benda yang dimuati secara positif, dapat dinetralkan oleh hilangnya (berpindahnya) elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke bendabenda bermuatan positip tersebut. Pada udara kering, listrik statis lebih mudah diperoleh karena udara berisi lebih sedikit molekul-molekul yang dapat berpindah. Pada udara lembab, adalah sulit untuk membuat benda bermuatan tahan lama.

Cara Memperoleh Muatan Listrik

Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam logam yang netral akan ditarik menuju logam yang bermuatan positif tersebut sebagaimana diperlihatkan pada  Gambar 5.  Karena sekarang logam kedua tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan cara  kontak,  dan kedua benda tersebut akhirnya memiliki muatan dengan tanda yang sama.

Bila benda yang bermuatan positip didekatkan pada batang logam yang netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak meninggalkan batang, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positif pada ujung yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 6.

Muatan tersebut dikatakan telah diinduksikan pada kedua ujung batang logam. Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Tentu saja tidak ada muatan yang dihasilkan dalam batang; muatan hanya  dipisahkan. Jumlah muatan pada batang logam masih sama dengan nol. Meskipun demikian, jika dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan, satu bermuatan positif dan yang lain bermuatan negatif.

Cara lain untuk menginduksi muatan pada benda logam adalah dengan jalan menghubungkan logam tersebut menuju ground melalui kawat konduktor sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 7a. Selanjutnya benda dikatakan  di  “ground-kan” atau “dibumikan”. Karena bumi sangat besar  dan  dapat menyalurkan elektron, maka bumi  dengan mudah dapat menerima ataupun memberi elektron-elektron; karena itu dapat bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk  muatan.  Jika   suatu   benda   bermuatan  negatif  didekatkan   ke   sebuah logam, maka elektron-elektron bebas dalam logam akan menolak dan beberapa electron akan bergerak

menuju bumi melalui kabel (Gambar 7b).

 

Gambar 7 Induksi muatan pada suatu benda yang dihubungkan ke bumi. 

Ini menyebabkan logam bermuatan positif. Jika sekarang kabel dipotong,

maka logam akan memiliki muatan induksi positif

Konduktor dan Isolator

Pada saat kita menggosok suatu benda dengan benda lain, kita bukan menciptakan muatan listrik. Akan tetapi, hanya memindahkan elektron (yang sudah ada disitu) yang bermuatan negatif dari suatu benda ke benda lain. Pemindahan elektron ini dapat terjadi dengan mudah atau sulit, bergantung pada ikatan elektron di dalam atom. Apabila ikatan elektron pada atom sangat kuat, maka sulit untuk melepaskan elektron-elektron yang tidak bebas bergerak tersebut. Jika hal ini terjadi, maka benda tersebut digolongkan benda yang sukar menghantarkan atau mengalirkan muatan listrik. Benda itu disebut isolator listrik. Sebaliknya, apabila ikatan elektron pada atom sangat lemah sehingga mudah dilepaskan, maka benda tersebut dapat menghantarkan atau mengalirkan muatan listrik. Benda ini disebut konduktor listrik. Beberapa bahan yang tergolong konduktor dan isolator:

  1. Konduktor
    • Konduktor baik : berbagai jenis logam (perak, tembaga, logam)
    • Konduktor jelek : air, tanah, badan manusia
  2. Isolator : karet, berbagai plastik (PVC, politen, perspeks). Pada bahan-bahan yang tergolong isolator, elektron-elektron pada setiap atom diikat dengan kuat, sehingga dalam keadaan normal, elektron-elektron tidak bebas bergerak.  Akibatnya bahan isolator sukar menghantarkan muatan listrik.

Kapasitor

Kapasitor berfungsi sebagai penyimpan muatan sehingga dapat dikatakan bahwa kapasitor adalah sebuah alat elektronika yang mampu menyimpan muatan dalam jumlah tertentu dalam waktu singkat. Meskipun kapasitor terlihat sebagai alat elektronika yang pejal, tetapi sebenarnya di dalam kapasitor (antara penyekatnya) terdapat bahan isolator. Isolator dalam kapasitor (dinamakan dielektrik) bervariasi untuk mendapatkan nilai kapasitas penyimpanan muatan yang berbeda pula karena setiap bahan isolator yang digunakan dalam kapasitor mempunyai konstanta dielektrik yang berbeda.

dengan C adalah konstanta kesebandingan positif yang dinamakan kapasitansi. Secara fisis, kapasitansi adalah ukuran kapasitas penyimpanan muatan listrik. Satuan SI kapasitansi adalah farad (F).

1 Farad = 1 coulumb/volt = 1 C/V. Kapasitansi pada kapasitor biasanya berada dalam rentang pikofarad (1pF = 10-12F) sampai miliFarad (1mF = 10-3F).

Hukum Kekekalan Muatan

Franklin mengusulkan  bahwa  jumlah muatan yang dihasilkan oleh suatu benda melalui suatu proses penggosokan, adalah sama dengan jumlah muatan positip dan negatip yang dihasilkan. Jumlah bersih muatan yang dihasilkan oleh suatu benda selama proses penggosokan  adalah nol. Contoh, ketika penggaris plastik digosok dengan kain wol, plastik memperoleh muatan negatif dan kain wol memperoleh muatan positip dengan jumlah yang sama. Muatan-muatan tersebut dipisahkan, namun jumlah kedua jenis muatan adalah sama. Ini adalah contoh dari suatu hukum yang berlaku sampai sekarang, yang dikenal dengan nama  hukum kekekalan muatan listrik yang berbunyi:

Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang berbeda (penggaris plastik dan kain wol) dalam  suatu proses penggosokan adalah nol.

Jika suatu benda atau suatu daerah ruang memperoleh  muatan positif, maka akan dihasilkan sejumlah muatan negatif dengan jumlah yang sama pada daerah atau benda di sekitarnya.

Gaya Listrik

Gaya listrik merupakan salah satu bentuk gejala elektrostatika. Gaya listrik adalah interaksi listrik berupa gaya tarik menarik antara benda-benda bermuatan listrik tak sejenis atau gaya tolak menolak antara benda-benda bermuatan listrik sejenis. Jika benda-benda bermuatan listrik yang berinteraksi dengan gaya listrik berada pada jarak satu sama lain yang jauh lebih besar dari ukuran (geometri) benda-benda itu, maka benda-benda bermuatan listrik itu masing-masing disebut sebagai muatan titik.

Hukum Coulomb

Seorang ahli fisika Prancis bernama Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) melakukan penyelidikan terhadap interaksi antara dua muatan. Interaksi antara dua muatan ini disebut juga dengan Adanya interaksi antara dua muatan berarti antara dua muatan tersebut terjadi gaya, yaitu gaya listrik.

Dalam penelitiannya, Coulomb menggunakan neraca puntir seperti yang ditunjukkan gambar di bawah. Jika bola a dan b bermuatan, misalkan bola a dan bola b keduanya bermuatan positif, maka gaya pada bola a akan cenderung memuntir serat gantungan dan dalam keadaan seimbang, terjadi penyimpangan sudut akibat gerakan bola a, lalu lengan neraca mencapai kedudukan yang baru. Untuk menghilangkan efek puntiran ini, Coulomb memutar kepala gantungan melalui sudut θ yang diperlukan untuk mengatur jarak antara kedua bola. Dari sudut puntiran inilah Coulomb mengukur gaya listrik. Dengan mengubah-ubah jarak antara bola a dan b, gaya listrik dapat diukur sebagai fungsi kuadrat jarak.

Dari hasil percobaan Coulomb tersebut, diperoleh bahwa gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua bola bermuatan. Secara matematis,

                                                               (1) 

Kemudian, Coulomb membagi muatan pada bola b dan memvariasikannya. Ternyata, gaya di antara muatan-muatan bergantung juga pada besar muatan-muatan yang berinteraksi satu sama lain. Coulomb menarik kesimpulan bahwa gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak antara dua bola bermuatan juga sebanding dengan muatan-muatannya. Sehingga:

                                                               (2)

Pernyataan Coulomb bahwa besar gaya listrik berbanding lurus dengan perkalian besar kedua muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan ini dinamakan Hukum Coulomb, yaitu sebagai berikut.

Besar gaya tarik atau gaya tolak menolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan.

                                                                 (3)

Persamaan (3) yang merupakan bentuk matematis dari Hukum Coulomb ini hanya berlaku untuk benda-benda yang besar muatan-muatannya jauh lebih kecil daripada jarak di antara muatan-muatan tersebut. Persamaan (3) dapat dituliskan sebagai sebuah kesamaan dengan menyisipkan sebuah konstanta yang biasanya dilambangkan dengan k, sehingga:

                                                                  (4)

jika medium di mana muatan berada adalah vakum atau udara, maka diperoleh besar konstanta k adalah

Mengingat gejala antara batang kaca yang digantung, dapat disimpulkan adanya gaya yang menyebabkan tongkat kaca yang digosok dengan sutera akan berputar jika didekatkan dengan tongkat kaca lain yang juga sudah digosok dengan sutera. Besar gaya yang dirasakan masing-masing tongkat akibat interaksi dengan tongkat lainnya akan sama sesuai dengan prinsip aksi-reaksi pada Hukum III Newton.

Elektroskop

Elektroskop  adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk mendeteksi muatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 8, di dalam sebuah peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadangkadang yang dapat bergerak hanya satu daun saja), Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda yang bermuatan positif didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan terjadi melalui induksi, elektron-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga kedua daun elektroskop bermuatan positip dan saling menolak (Gambar 9a).

Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Sedangkan, jika bola dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun elektroskop memperoleh muatan positif, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 9b.

Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daun-daun elektroskop. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa dengan cara ini, anda tidak dapat menentukan tanda muatan, karena dalam setiap kasus, kedua daun elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu elektroskop   dapat  digunakan untuk  menentukan  “tanda muatan” jika pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya secara negatif, sebagaimana ditunjukkan pada  Gambar 10a.  Sekarang, jika benda bermuatan negatip didekatkan, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 10b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini  terpisah lebih lebar. Di sisi lain, jika muatan positif didekatkan, maka elektron-elektron akan diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatip dan jarak pisah kedua daun ini menjadi berkurang seperti pada Gambar 10c.

Pengosongan Muatan Listrik

Petir adalah peristiwa alam yang sangat berbahaya dan ditakuti semua orang, karena petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara. Apabila seseorang tersambar petir, maka tubuh orang tersebut akan terbakar. Terbakarnya tubuh orang tersebut menunjukkan bahwa petir sangat berbahaya. Oleh sebab itu, gedung-gedung bertingkat yang cukup tinggi dilengkapi dengan penangkal petir.

Loncatan muatan listrik terjadi pada saat  muatan listrik bergerak secara bersama-sama. Kejadian ini disebut pengosongan listrik statis.

Penangkal Petir

Batang logam penangkal petir  sering dipasang di atas atap rumah bertingkat atau di atas  bangunan tinggi,  dan  dihubungkan ke dalam tanah melalui kabel logam. Penangkal petir, melindungi rumah dan bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang besar di dalam petir. Penangkal petir ini  menyediakan  suatu jalan  aman, atau pentanahan, agar arus listrik petir mengalir masuk ke dalam tanah, bukan melewati rumah atau bangunan lain. Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan statis yang tidak menimbulkan kerusakan.

Penggunaan Listrik Statis

  1. Mesin Fotokopi

Cara kerja mesin fotokopi yaitu berdasarkan konsep listrik statis dan optik. Di dalam mesin ini terdapat logam selenium (merupakan konduktor foto), yang menghantarkan arus listrik saat terkena cahaya dan merupakan isolator listrik saat dalam kegelapan.

Prinsip kerja mesin fotokopi adalah sebagai berikut.

  1. a)     Pencahayaan

Cahaya yang sangat terang yang berasal dari lampu expose yang menyinari dokumen yang sudah diletakkan di atas kaca dengan posisi terbalik ke bawah pada kaca, gambar pada dokumen kemudian akan dipantulkan melalui lensa, kemudian lensa akan mengarahkan gambar tersebut kea rah tabung drum.

Tabung drum adalah silinder dari bahan aluminium yang dilapisi dengan selenium yang sangat sensitif terhadap cahaya.

  1. Pengecatan Mobil

Sebelum dicat, mobil biasanya diamplas terlebih dahulu, sehingga bergesekan dan akan menghasilkan muatan listrik. Sedangkan alat semprot cat elektrostatis saat akan disemprotkan maka butiran-butiran cat dari aerosol akan bergesekan dengan mulut pipa semprot dan udara sehingga butiran cat menjadi bermuatan listrik. Akibatnya muatatan tersebut akan ditarik ke badan mobil yang mau dicat. Cara ini sangat menghemat waktu dan murah biayanya.

  1. Pengendap Elektrostatis/ Penggumpal asap

Apabila sebuah cerobong PLTU batu bara tidak dipasang pengendap elektrostatis maka cerobong tersebut akan mengeluarkan gas buang yang sangat kotor sehingga menyebabkan polusi udara. Akan tetapi, dengan memasang sebuah pengendap elektrostatis pada cerobong tersebut, polusi udara dari gas buang menjadi sangat berkurang.

Gambar (a) menunjukkan diagram skematik dari sebuah pengendap elektroststik. Potensial listrik negatif yang tinggi tertahan pada kumparan kawat yang ada di bagian tengah membentuk sebuah lompatan listrik di sekitar kawat. Gambar (b) menunjukkan contoh aplikasi pengendap elektrostatik, sedangkan gambar (c) adalah gambar cerobong tanpa pengendap elektrostatik. Jika dibandingkan, gambar (c) akan menghasilkan polusi udara lebih besar dibanding gambar (b). Jika intensitas pembuangan gas (asap pabrik) terlalu banyak, maka akan merusak lingkungan di sekitarnya. Hal terburuk yang akan terjadi secara perlahan-lahan adalah rusaknya lapisan ozon di atmosfer yang merupakan salah satu bentuk penyebab pemanasan global (global warming).

Pengendap elektrostatik berfungsi untuk membersihkan partikel-partikel abu hasil pembakaran gas pada cerobong asap sehingga mengurangi pencemaran udara. Terdiri dari dua plat logam datar dan kawat  vertikal yang terbentang di antaranya. Plat-plat logam diketanahkan, sedangkan kawat-kawat di antara plat dijaga bermuatan sangat kuat. Dengan demikian, ada medan listrik kuat dalam daerah di antara kawat dan keping. Ion positif udara ditarik ke kawat bermuatan negative, tetapi ion negatif udara ditangkap oleh partikel polutan. Partikel polutan bermuatan positif ini lalu bergerak menuju plat logam dan terkumpul di bagian dasar.

Di atas adalah beberapa aplikasi listrik statis yang sangat bermanfaat dalam kehidupan kita, namun kita perlu berhati-hati terhadap listrik statis ini karena dapat  membahayakan benda-benda yang lainnya maupun terhadap keselamatan dan kesehatan manusia. Berikut akan dibahas tentang bahaya yang ditimbulkan oleh listrik statis ini.

Bahaya Listrik Statis

  1. Petir
  2. Percikan Api

Seringkali benda menjadi berbahaya ketika bermuatan listrik. Putaran ban pada saat mobil truk berjalan menghasilkan muatan negative yang diperoleh dari gesekan ban dengan jalan. Bagian badan logam mobil yang berdekatan dengan ban menjadi bermuatan positif dengan cara induksi. Hal ini dapat menimbulkan percikan api. Percikan api ini dapat membakar muatan mobil yang mudah terbakar seperti bensin. Untuk menghindari peristiwa tersebut, truk pengangkut bensin atau bahan yang mudah terbakar lainnya dilengkapi dengan sepotong logam di bagian belakang mobil yang menyentuh tanah. Logam ini menghantarkan electron dari tanah untuk menetralisir muatan positif yang ada di badan logam mobil sebelum terjadi percikan api.

  1. Resiko sengatan listrik
  2. Bahaya Listrik Statis di Pesawat

Listrik statis pesawat dibuang ke semua ujung dari struktur badan pesawat yaitu di atap sayap dan ekor bentuknya seperti penangkal petir berbentuk logam mencuat dan memanjang instrument pesawat sudah diproteksi sedemikian rupa tetapi bisa juga terjadi walaupun hanya berupa visual. Visual ini terlihat jika pesawat berada di ketinggian 30000 feet ke atas dan altimeter set ke 29.92Hg, partikel bebas dan ion2 di udara akan terkena gesekan body pesawat dan radiasi elektromagnetik dari sinyal HP akan meningkatkan sekian persen radiasi didalam pesawat, dimana sinyal HP akan dianggap sebagai radiasi dan diserap oleh struktur body dan dibuang ke setiap ujung badan pesawat, hal ini bisa mengakibatkan ujung-ujung pembuangan elektrostatis berpendar dan menyala sepeti kilat kecil. Hal ini memang tidak berbahaya, namun jika frekuensi HP sama dengan pesawat hal ini dapat menyebabkan mesin pesawat mati.

  1. Bahaya Listrik Statis di SPBU

Sering terjadi kebakaran di SPBU akibat kecerobohan manusia. Untuk menghindari hal ini jangan sekali-kali masuk kembali kedalam kendaraan Anda saat pengisian bensin sedang berlangsung. Jika Anda memang terpaksa harus masuk kembali kedalam kendaraan Anda saat bensin dipompa, pastikan Anda keluar, menutup pintu sambil menyentuh logam, sebelum Anda menarik nozzlekeluar. Dengan cara ini listrik statis dari tubuh Anda akan dibuang sebelum Anda menarik keluar nozzle.

  1. Bahaya Listrik Statis di Rel Kereta Api

Roda KA dari baja berjenis ferritic, mempunyai medan magnet yang sangat kuat. Medan magnet inilah yang dapat mengakibatkan mesin kendaraan mati di tengah rel kereta api. Biasanya kendaraan yang mudah mati adalah kendaraan berbahan bakar bensin karena kendaraan berbahan bakar bensin masih menggunakan platina dan CDI. Jika terkena medan magnet, maka pengapiannya akan terpengaruh sehingga mesin bisa mati. Sedangkan solar berbeda. Selain accunya di atas 12 volt juga tidak menggunakan platina.

TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKA

Pengertian Termodinamika

Jadi, ilmu ini menggambarkan usaha untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses.Cabang ilmu Fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan Termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

Prinsip-Prinsip Termodinamika

Gambar 2 menunjukkan bahwa penyelesaian suatu masalah/problema secara termodinamika dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu:

  • Formulasi problem ke dalam besaran & bentuk termodinamika. Hal ini yang dikatakan sebagai mengubah bahasa dalam problem ke dalam bahasa termodinamika, kemudian merumuskannya dengan menggunakan besaran-besaran termodinamika.
  • Evaluasi sifat dan fungsi termodinamika, berarti melakukan analisis terhadap formulasi yang telah disusun pada langkah pertama (1). Tahap ini membutuhkan pemahaman pengetahuan termodinamika yang memadai agar tidak terjadi kesalahan persepsi terhadap arah atau tujuan problema tersebut.
  • Penyelesaian problem termodinamika. Pada tahap ini dibutuhkan dukungan pengetahuan matematika/kalkulus (deferensial, integral) sehingga dapat diperoleh jawaban yang valid atau bisa dipertanggungjawabkan.
  • Ketiga langkah penyelesaian termodinamika tersebut harus berpijak pada dalil-dalil atau kaidah-kaidah dalam termodinamika.

Intinya, prinsip termodinamika sebenarnya yaitu hal alami yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, termodinamika direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi suatu bentuk mekanisme yang bisa membantu manusia dalam kegiatannya. Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena adanya perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17. Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik yakni perilaku umum partikel zat yang menjadi media pembawa energi.

Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

  • Sistem tertutup

Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

  • Pembatas Adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas
  • Pembatas Rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
  • Sistem terisolasi:

Tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

  • Sistem terbuka

Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Keadaan Termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan. Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut. Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.

Hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

  • Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum awal menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hukum ini dimasukkan setelah hukum pertama.

  • Hukum Pertama Termodinamika

Hukum yang sama juga terkait dengan kasus kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup, sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum ini dapat diuraikan menjadi beberapa proses, yaitu proses dengan Isokhorik, Isotermik, Isobarik, dan juga adiabatik.

  • Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius. 

Pernyataan clausius: tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang lebih tinggi. 

Pernyataan kelvin-planck: tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal.

  • Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

  • CONTOH SOAL

Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!
(1 atm = 1,01 x 105 Pa)
Pembahasan
Data :
V2 = 4,5 m3 
V1 = 2,0 m3 
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Isobaris → Tekanan Tetap
W = P (ΔV)
W = P(V2 − V1)
W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule 

TEORI KINETIK GAS

TEORI KINETIK GAS

Teori kinetik gas menjelaskan mengenai sifat-sifat gas ideal secara teoritis. Berdasarkan teori kinetik gas, gas terbentuk dari molekul-molekul gas yang bergerak secara acak dengan arah gerak konstan. Molekul gas bergerak dengan kecepatan tinggi dan saling bertubrukan dengan molekul lainnya dan juga dengan dinding secara terus-menerus.

Teori kinetik gas merupakan teori pertama yang menjelaskan tekanan gas berdasarkan tubrukan molekul-molekul, bukan berdasarkan gaya statik yang menyebabkan molekul menjauh satu sama lain. Teori kinetik gas juga menjelaskan bagaimana ukuran molekul di dalam gas dapat mempengaruhi kecepatan gerak molekul tersebut.

Asumsi yang Dipakai Pada Teori Kinetik Gas

Agar teori kinetik gas dapat menjelaskan alasan kenapa gas bereaksi seperti seharusnya, maka diperlukan asumsi-asumsi yang mendukung properti gas tersebut. Berdasarkan teori kinetik:

  • Gas terbentuk dari molekul-molekul gas yang bergerak secara konstan dan acak. Molekul bergerak secara lurus hingga bertubrukan dengan molekul lainnya atau dengan dinding.
  • Molekul dianggap titik bermassa yang tidak memiliki volume. (molekul berukuran sangat kecil dibandingkan dengan jarak antar molekul, maka pada gas ideal ukuran molekul diabaikan)
  • Tidak terdapat gaya molekular yang bekerja. (tidak ada gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antar molekul)
  • Tekanan gas disebabkan karena tubrukan molekul-molekul gas. Tidak ada energi yang hilang atau terbentuk karena tubrukan.
  • Waktu terjadinya tubrukan diabaikan dibandingkan dengan waktu antara tubrukan.
  • Energi kinetik gas merupakan sebuah pengukuran yang berdasarkan temperatur gas dalam Kelvin. Setiap molekul-molekul gas memiliki kecepatan yang erbeda-beda, akan tetapi temperatur dan energi kinetik gas tersebut diukur berdasarkan kecepatan rata-rata molekul-molekul tersebut.
  • Energi kinetik rata-rata molekul gas sebanding dengan temperaturnya. Semakin meningkat temperaturnya, maka kecepatan gerak molekul-molekul gas juga semakin meningkat.
  • Semua gas pada temperatur yang ditentukan memiliki energi kinetik rata-rata yang sama.
  • Molekul gas yang lebih ringan bergerak lebih cepat dibandingkan molekul gas yang lebih berat.

Energi Termal

Temperatur merupakan besaran yang didapat dari rata-rata energi kinetik suatu gas. Besarnya energi kinetik suatu molekul didapat dengan persamaan:

dimana m merupakan massa molekul dan v^2 adalah kuadrat kecepatannya. Temperatur suatu sistem adalah rata-rata besar energi kinetik setiap molekulnya dan energi termal adalah total energi kinetik dari semua molekul di sistem tersebut. Semakin besar kecepatannya molekul-molekulnya, maka energi kinetiknya akan semakin besar, begitu pula dengan temperatur dan energi termalnya.

Hukum Standar ABC Gas

Hukum Avogrado

Hukum Avogrado menyatakan bahwa volume suatu gas sebanding dengan jumlah molekul atom gas tersebut. Persamaan Hukum Avogrado dinyatakan dengan:

dimana V merupakan volume gas, n merupakan banyaknya mol atom-atom gas, dan k merupakan bilangan konstanta.

Hukum Boyle

Hukum Boyle menyatakan bahwa tekanan dan volume suatu gas, jika salah satu besaran dinaikkan maka besaran yang lain akan menurun selama temperatur dan dan banyaknya mole dijaga konstan. Hukum Boyle dinyatakan dengan:

                                                        PV = k

Dimana P adalah tekanan gas, V merupakan volumenya, dan k merupakan bilangan konstansta. 

Hukum Charles

Hukum Charles menyatakan bahwa temperatur dan volume suatu gas sangat berhubungan dan dinyatakan dengan:

Dimana V merupakan volume gas, T merupakan temperaturnya dalam Kelvin, dan k merupakan besaran konstansta. Sesuai dengan hukum ini, gas akan mengembang jika dipanaskan.

Hukum Tekanan Gas (Hukum Gay-Lussac)

Hukum Gay-Lussac menyatakan bahwa besarnya temperatur dan tekanan suatu gas sangat berhubungan dan dinyatakan dengan

Hukum Gas Ideal

Kesemua rumus tersebut dapat dijadikan satu dan dinyatakan sebagai persamaan hukum gas ideal:

Karena k merupakan besaran yang memiliki nilai yang selalu konstan, maka persamaan diatas dapat dinyatakan dengan:

Dengan memakai hukum Avogadro, kita dapat menyatakan hukum gas ideal berdasarkan molekul atom-atom pembentuknya.

                                                        PV = nRT

Dimana R merupakan konstanta sebesar 0,082057 L.atm/mol.k

  • CONTOH SOAL

16 gram gas Oksigen (M = 32 gr/mol) berada pada tekanan 1 atm dan suhu 27oC. Tentukan volume gas jika:
a) diberikan nilai R = 8,314 J/mol.K
b) diberikan nilai R = 8314 J/kmol.K

Pembahasan 
a) untuk nilai R = 8,314 J/mol.K
Data :
R = 8,314 J/mol.K
T = 27oC = 300 K
n = 16 gr : 32 gr/mol = 0,5 mol
P = 1 atm = 105 N/m2


 
b) untuk nilai R = 8314 J/kmol.K
Data :
R = 8314 J/kmol.K
T = 27oC = 300 K
n = 16 gr : 32 gr/mol = 0,5 mol
P = 1 atm = 105 N/m2

Kesetimbangan Benda Tegar

KESETIMBANGAN BENDA TEGAR

Kesetimbangan benda tegar adalah kondisi dimana momentum benda tegar sama dengan nol. Artinya jika awalnya benda tegar tersebut diam, maka ia akan tetap diam. Namun jika awalnya benda tegar tersebut bergerak dengan kecepatan konstan, maka ia akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan. 

Sedangkan benda tegar sendiri adalah benda yang bentuknya (geometrinya) akan selalu tetap sekalipun dikenakan gaya. Jadi sekalipun dia bergerak translasiatau rotasi bentuknya tidak akan berubah, contohnya meja, kursi, bola, dan lain-lain.

Suatu benda/sistem dikatakan setimbang jika ia memenuhi dua syarat berikut:

Jenis-jenis Kesetimbangan Benda Tegar

Secara umum kesetimbangan benda tegar dapat dikelompokkan menjadi dua, yakni kesetimbangan dinamis (benda yang bergerak baik secara translasi/linear ataupun secara angular dan kesetimbangan statis (benda yang betul-betul diam).

Kesetimbangan statis itu sendiri dikelompokkan menjadi 2, yaitu :

  1. Kesetimbangan stabil, terjadi apabila suatu benda diberikan gayamaka posisinya akan berubah. Namun bila gaya tersebut dihilangkan maka posisinya akan kembali ke titik semula.
  2. Kesetimbangan labil (tidak stabil), terjadi apabila suatu benda diberikan gaya maka posisinya akan berubah. Namun bila gaya tersebut dihilangkan maka posisinya tidak akan kembali ke titik semula.

Contoh kesetimbangan stabil: kelereng di dasar mangkok ½ lingkaran. Ketika kelerang diberi gangguan (gaya) sehingga posisinya menjadi naik, namun ketika gaya tersebut dihilangkan maka posisi kelereng akan kembali ke dasar mangkok.

Sedangkan contoh kesetimbangan labil: kelereng yang diam di puncak mangkok ½ lingkaran yang terbalik. Ketika kelereng diberi gangguan sedikit, maka ia akan jatuh ke bawah, dan tidak akan kembali ke posisi semula.

Contoh kesetimbangan netral: kelereng yang ada di atas lantai. Ketika kelereng diberi gangguan, maka posisinya akan bergeser. Namun titik beratnya tidak akan berpindah secara vertikal.

    CONTOH SOAL

Kotak lampu digantung pada sebuah pohon dengan menggunakan tali, batang kayu dan engsel seperti terlihat pada gambar berikut ini: 

Jika :
AC = 4 m
BC = 1 m
Massa batang AC = 50 kg
Massa kotak lampu = 20 kg
Percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s2
Tentukan besarnya tegangan tali yang menghubungkan batang kayu dengan pohon!
Pembahasan 
Penguraian gaya-gaya dengan mengabaikan gaya-gaya di titik A (karena akan dijadikan poros) : 

 

FLUIDA STATIS

FLUIDA STATIS

Fluida statis atau hidrostatika merupakan salah satu cabang ilmu sains yang membahas karakteristik fluida saat diam, biasanya membahas mengenai tekanan pada fluida ataupun yang diberikan oleh fluida (gas atau cair) pada objek yang tenggelam didalamnya. Fluida statis dipakai untuk menjelaskan fenomena-fenomena seperti kenaikan besar tekanan air terhadap kedalamannya dan perubahan besar tekanan atmosfer terhadap ketinggian pengukuran dari permukaan laut.

Massa Jenis

Massa jenis merupakan suatu ukuran kerapatan suatu benda dan didefinisikan sebagai berat suatu benda dibagi dengan dengan volumenya. Semakin besar massa jenisnya, maka benda tersebut memiliki kerapatan yang besar.

 Dimana:

  • ρ (dibaca rho) merupakan massa jenis suatu benda (kg/m3)
  • m merupakan massa benda (kg)
  • V merupakan volume benda (m^3)

Secara kasar, massa jenis dapat digunakan untuk mengetahui apakah benda dapat mengapung di permukaan air.

Benda/objek yang memiliki massa jenis lebih kecil akan selalu berada di atas massa jenis yang lebih besar. Contohnya, minyak akan selalu mengapung diatas permukaan air karena massa jenis minyak lebih kecil dari massa jenis air.

Semua benda/objek yang memiliki massa jenis lebih besar dari massa jenis air akan selalu tenggelam. Prinsip inilah yang dipakai oleh insinyur kapal dalam merancang kapal selam dapat menyelam dan mengapung kembali ke permukaan laut.

Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis (ketika fluida dalam keadaan diam) pada titik kedalaman berapapun tidak dipengaruhi oleh berat air, luasan permukaan air, ataupun bentuk bejana air, akan berdasarkan luasan objek yang menerimanya atau kedalaman ukur. Tekanan hidrostatis menekan ke segala arah dan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan pada luasan yang diukur atau dapat dihitung berdasarkan kedalamaan objeknya dengan persamaan

dimana:
ρ adalah berat jenis air (untuk air tawar, ρ = 1.000 kg/m3)

g adalah besar percepatan gravitasi (percepatan gravitasi di permukaan bumi sebesar g=9,8 m/s2)
h adalah titik kedalaman yang diukur dari permukaan air

Satuan tekanan adalah Newton per meter kuadrat (N/m2) atau Pascal (Pa). Contoh tekanan hidrostatik yakni pada pada aliran darah atau yang biasa kita sebut sebagai tekanan darah, merupakan tekanan yang diberikan oleh darah (sebagai fluida) terhadap dinding.

Tekanan mutlak merupakan tekanan total yang di alami benda atau objek yang berada didalam air dan dinyatakan dengan

Dimana Patm merupakan tekanan atmosfer. Tekanan mutlak merupakan tekanan sebenarnya, sehingga jika kita melakukan eksperimen dan mendapat data mengenai tekanan, maka perlu ditambah dengan tekanan atmosfer.

Hukum Pascal

Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan dibagi luasan yang menerima gaya tersebut.

Dimana F merupakan besarnya gaya (Newton)

A merupakan luasan penampang (m2)

Dibawah ini merupakan satuan-satuan tekanan dan konversinya. Pascal merupakan satuan internasional untuk tekanan, dan atm (atmosfer) merupakan satuan yang menunjukkan tekanan atmosfer (tekanan atmosfer di atas permukaan laut sebesar 1 atm).

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada fluida dalam ruang yang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah. Formula hukum Pascal dalam sistem tertutup dapat disimpulkan dengan:

Seperti yang sudah kita tahu bahwa tekanan adalah gaya dibagi besar luasan penampangnya, maka persamaan diatas dapat ditulis kembali sebagai berikut:

 Dimana d1 merupakan diameter permukaan 1 dan d2merupakan diameter permukaan 2.

Perhatikan skema mekanisme hidrolik diatas. Karena cairan tidak dapat ditambahkan ataupun keluar dari sistem tertutup, maka volume cairan yang terdorong di sebelah kiri akan mendorong piston (silinder pejal) di sebelah kanan ke arah atas. Piston di sebelah kiri bergerak ke bawah sejauh h1 dan piston sebelah kanan bergerak ke atas sejauh h2. Sesuai hukum Pascal, maka:

    CONTOH SOAL

Seekor ikan berada pada kedalaman 15 meter di bawah permukaan air. 

Jika massa jenis air 1000 kg/m3 , percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 dan tekanan udara luar 105 N/m, tentukan :
a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan
b) tekanan total yang dialami ikan

Pembahasan
a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan