LISTRIK MAGNET (diajukan guna memenuhi laporan Tugas Fisika Sekolah II) Oleh: Kiki Widiya Putri 110210152013 Geraldin Cintia Rosa 110210152019 Rivalia Anggraini 110210152020 Kelompok 3 Kelas X PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS JEMBER 2013
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LISTRIK MAGNET
(diajukan guna memenuhi laporan Tugas Fisika Sekolah II)
Oleh:
Kiki Widiya Putri 110210152013
Geraldin Cintia Rosa 110210152019
Rivalia Anggraini 110210152020
Kelompok 3
Kelas X
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS
JEMBER
2013
LISTRIK STATIS
Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering berhubungan dengan alat-alat
yang menggunakan prinsip listrik, misalnya radio, televisi, lampu, dan lain-lain.
Pada makalah ini kita membahas elektrostatik. Sebelum belajar tentang itu , perlu
untuk memahami arti dari elektrostatik. Elektrostatik adalah listrik yang tidak
bergerak seperti arus listrik . Ini berarti bahwa itu adalah stasioner . Sebenarnya
kita sering bertemu fenomena elektrostatik, seperti sisir yang digosok-gosokkan
pada rambut yang kering atau kain wol dan dapat menarik sepotong kertas kecil.
Hal ini dapat terjadi disebabkan oleh adanya muatan listrik.
Dua batang kaca yang telah digosokkan dengan kain sutera akan tolak-
menolak. Hal ini sama juga ditunjukkan oleh dua batang plastic yang telah
digosok dengan kain wol. Sedangkan batang kaca yang telah digosokkan dengan
kain sutera akan tarik-menarik dengan batang plastic yang telah digosok dengan
kain wol.
Peristiwa di atas menunjukkan adanya dua muatan listrik. Muatan positif
adalah muatan-muatan yang sejenis dengan muatan kaca yang digosok dengan
kain sutera, sedangkan muatan negative adalah muatan-muatan yang sejenis
dengan muatan plastic yang digosok dengan kain wol. Dua benda yang bermuatan
sejenis akan melakukan gaya tolak-menolak, sedangkan dua benda yang
muatannya tidak sejenis melakukan gaya tarik-menarik
Suatu benda dikatakan bermuatan listrik negative jika benda tersebut
kelebihan electron, sedangkan suatu benda dikatakan bermuatan listrik positif jika
beda tersebut kekurangan electron. Benda netral adalah benda yang jumlah
muatan positifnya sama dengan jumlah muatan negatifnya.
Pada saat batang kaca digosokkan ke kain sutera, electron-elektron dari
batang kaca berpindah ke kain utera, ehingga batang kaca menjadi kekurangan
electron dan bermuatan poitif. Sedangkan pada saat batang platik digosok dengan
kain wol, electron-elektron dari kain wol pindah langsung ke batang plastic,
sehingga batang platik menjadi kelebihan electron dan bermuatan negative.
A. GAYA COULOMB ANTARA DUA MUATAN TITIK
Kita telah mengetahui bahwa jika dua buah muatan listrik sejenis
berdekatan akan terjadi gaya interaksi elektrostatik yang tolak-menolak,
sedangkan jika dua buah muatan listrik yang tidak sejenis berdekatan akan
terjadi gaya interaksi elektrostatik yang tarik-menarik.
Pada tahun 1786, seorang ahli Fisika berkebangsaan Perancis, Charles
Augustin de Coulomb menyatakan hasil eksperimennya: “Gaya interaksi
antara dua buah benda titik bermuatan listrik berbanding lurus dengan muatan
masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar kedua
benda tersebut”. Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Coulomb.
2
21
r
qqkF =
04
1
2
21
r
qq
Dimana k adalah konstanta yang tergantung pada sistem satuan. Dalam
satuan SI nilai perkiraan adalah
k9 x 109 N.m2/C2
Keterangan:
F = gaya Coulomb (N)
k = konstanta pembanding (9 x 109 N.m2/C2)
q1 = muatan partikel pertama (C)
q2 = muatan partikel kedua (C)
0 = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10-12C2 / Nm2)
r = jarak antara kedua muatan (m)
Catatan:
a. Hukum Coulomb hanya berlaku untuk muatan titik atau ukuran muatan
jauh lebih kecil daripada jarak kedua muatan.
b. Tetapan permitivitas akum hanya digunakan bila muatan tersebut berada
dalam ruang hampa atau udara (karena permitivitas udara hampir sama
dengan permitivitas hampa).
c. Hukum Coulomb berlaku untuk setiap pasangan muatan titik.
d. Arah gaya F pada suatu muatan ditentukan oleh jenis tandanya dan tanda
(jenis) pasangan yang melakukan gaya padanya.
e. Gaya interaksi dua muatan listrik adalah besaran vector.
B. MEDAN LISTRIK
Medan listrik adalah ruang di sekitar benda bermuatan listrik dimana
benda-benda bermuatan listrik lainnya akan mengalami gaya listrik. Arah
medan listrik pada suatu tempat tertentu didefinisikan oleh Michael Faraday
sebagai arah gaya yang dialami oleh suatu benda bermuatan positif. Medan
listrik dapat digambarkan dengan garis-garis gaya listrik yang menjauhi
(keluar dari) muatan positif dan mendekati (masuk ke) muatan negative.
Kerapatan garis-garis gaya listrik menggambarkan besarnya kuat medan
listrik.
1. Kuat Medan Listrik Akibat Sebuah Muatan Titik
Di sekitar muatan sumber q terdapat medan listrik. Efek medan
listrik suatu muatan sumber q dapat ditinjau dengan melakukan suatu
muatan uji q’ di sekitar medan listrik tersebut. Muatan uji adalah muatan
yang cukup kecil, sehingga tidak mempengaruhi muatan sumber. Besarnya
kuat medan listrik (E) didefinisikan sebagai hasil bagi antara gaya
Coulomb yang bekerja pada muatan uji dengan besarnya muatan uji
tersebut (q’). Secara matematis:
atau
Keterangan:
E = kuat medan listrik akibat muatan sumber (N/C)
F = gaya Coulomb pada muatan uji oleh muatan sumber (N)
q’ = muatan (C)
Persamaan di atas menunjukkan bahwa untuk muatan uji positif,
vector gaya Coulomb F searah dengan vector kuat medan listrik E,
sedangkan untuk muatan uji negative, vector gaya Coulomb F berlawanan
arah dengan vector kuat medan listrik E.
Apabila q dan q’ adalah muatan titik dan jarak antara q dan q’
adalah r, besarnya gaya Coulomb antara muatan sumber q dan muatan uji
q’ adalah:
Besar kuat medan listrik di suatu titik pada kedudukan muatan uji
q’ adalah hasil bagi antara gaya Coulomb dengan muatan uji.
Dimana:
E = kuat medan listrik akibat titik muatan sumber q (N/C)
q = titik muatan sumber (C)
r = jarak titik terhadap muatan sumber q (m)
2. Kuat Medan Listrik Akibat Dua Muatan Titik
Vektor kuat medan listrik pada titik P yang terletak di antara
muatan q1 dan q2 dapat ditentukan dengan menghitung besarnya E1 yang
disebabkan oleh muatan q1 dan E2 yang disebabkan oleh muatan q2.
Sehingga ada dua vector kuat medan listrik total di titik P merupakan
resultan dari kedua vector kuat medan listrik tersebut:
Ep = E1 + E2
3. Hukum Gauss
Hukum Gauss dinyatakan dengan jumlah gars medan (secara
kuantitatif) yang menembus suatu permukaan tertutup. Apabila terdapat
garis-garis gaya dari suatu medan listrik homogen yang menembus tegak
lurus suatu bidang seluas A, maka didefinisikan jumlah garis medan yang
menembus tegak lurus bidang tersebut sama dengan perkalian E dan A.
Jumlah garis medan per satuan luas sebanding dengan kuat medan
listrik E, sehingga jumlahgaris medan yang menembus bidang seluas A
sebanding dengan EA. Hasil kali antara kuat medan listrik E dengan luas
bidang A yang tegak lurus dengan medan listrik tersebut diamakan fluks
listrik ( ). Secara matematis:
Dimana:
= fluks listrik (NC-1m2 atau weber)
= kuat medan listrik (N/C)
= luas bidang yang ditembus medan listrik (m2)
Apabila garis-garis gaya dari medan listrik homogeny tersebut
menembus bidang tidak secara tegak lurus, maka persamaan fluks
listriknya adalah:
Dari konsep jumlah garis medan yang kuantitatif tersebut Gauss
mengemukakan hukumnya sebagai berikut: “Jumlah garis medan yang
menembus suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan
listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup tersebut.”
4. Kuat Medan Listrik pada Dua Pelat Konduktor Sejajar
Pada dua pelat konduktor sejajar yang luas setiap pelatnya A dan
masing-masing pelat diberi muatan yang besarnya sama tetapi berlawanan
jenis, yaitu +q dan –q. Terdapat rapat muatan listrik yang didefinisikan
sebagai muatan per satuan luas. Secara matematis:
Dimana:
= rapat muatan setiap pelat (C/m2)
luas setiap pelat (m2)
Dari gambar di atas terlihat bahwa garis-garis medan listrik E tegak
lurus pada pelat di antara kedua pelat besarnya:
5. Kuat Medan Listrik pada Konduktor Bola
Konduktor mempunyai muatan bebas. Jika di dalam konduktor
terdapat kuat medan E, maka muatan bebas akan mendapat gaya dan
bergerak dalam keadaan static (tidak bergerak lagi), maka kuat medan di
dalam konduktor tentulah nol.
Apabila sebuah konduktor bola yang berjari-jari R diberi muatan
listrik, maka muatan tersebut akan tersebar merata di permukaan bola
sehingga di daam bola tidak terdapat muatan. Ini dapat kita buktikan
dengan Hukum Gauss.
a. Di dalam bola konduktor (r < R), E = 0 karena sifat konduktor (di
dalam bola tak bermuatan.
b. Di permukaan bola (r = R),
c. Di luar bola (r > R),
C. POTENSIAL DAN ENERGI POTENSIAL LISTRIK
1. Potensial Listrik
Seperti halnya dengan medan gravitasi dapat dikaitkan dengan
potensial gravitasi, medan listrik (E) dapat pula dikaitkan dengan potensial
listrik (V). Kuat medan listrik merupakan besaran scalar. Potensial listrik P
yang ditimbulkan oleh muatan q positif besarnya adalah:
Sedangkan yang ditimbulkan oleh muatan negative :
Jika potensial listrik disebabkan oleh lebih dari satu muatan listrik,
potensial disuatu titik merupakan jumlah aljabar potensial terhadap tiap-
tiap muatan listrik.
2. Energi Potensial Listrik
Sebuah muatan q1 berada di dekat muatan q2, energi potensial (Ep)
yang dimiliki oleh q1 adalah:
Usaha untuk memindahkan sebuah muatan listrik q1 dari satu titik
ke titik lainnya adalah sebagai berikut:
3. Hubungan Usaha dan Beda Potensial Listrik
atau
Dengan (V2 – V1) adalah beda potensial listrik antara titik 1 dan 2.
4. Hukum Kekekalan Energi Mekanik dalam Medan Listrik
Apabila resultan gaya luar (misalnya gaya gesekkan) yang bekerja
pada partikel bermuatan sama dengan nol dan pada partikelnya hanya
terdapat resultan gaya yang berasal dari dari gaya Coulomb, maka pada
partikel tersebut berlaku hokum kekekalan energy mekanik:
Karena energy potensial listrik dan energy kinetic
, maka persamaan di atas dapat dituliskan:
MEDAN MAGNET
A. MEDAN MAGNET
Kemagnetan Seperti halnya kelistrikan, tidak
dapat dirasakan tapi dapat dilihat pengaruhnya.
Magnet dapan menarik besi dan baja. Mirip dengan
definisi medan Listrik, Medan magnet adalah ruang
di sekitar magnet yang apabila suatu magnet lain
atau benda bersifat magnet lain ketika berada dalam
daerah tersebut akan terpengaruh gaya Magnet.
1. Medan Magnet oleh Arus Listrik
Hubungan antara kemagnetan dan Listrik
pertama kali dinyatakan oleh Hans Cristian
Oersted. Odersted menemukan bahwa ketika
kompas yang diletakkan di dekat kawat yang
dialiri arus listrik maka jarum kompas
menyimpang dari semula ketika kawat
dihuungkan dengan batrai dan arus listrik mengalir. Padahal telah kita ketahui
bersama bahwa jarum kompas akan menyimpang ketika berada pada medan
magnet. Oleh karena itu Oersted menyimpulkan bahwa arus listrik
menghasilkan medan magnet. Pada saat arus listrik yang mengalir dalam
penghantar diperbesar, ternyata kutub utara jarum kompas menyimpang lebih
jauh. Hal ini berarti semakin besar arus listrik yang digunakan, semakin besar
medan magnet magnetik yang dihasilkan. Arah medan magnetik di sekitar
kawat penghantar lurus berarus listrik dapat ditentukan dengan kaidah tangan
kanan. Jika arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik (I), maka arah keempat
jarimu yang lain menunjukkan arah medan magnetik (B). Kaidah tangan
kanan ini juga dapat digunakan untuk menentukan arah medan magnetik pada
penghantar berbentuk lingkaran yang dialiri listrik.
Untuk mengetahui letak kutub utara dan kutub selatan yang terbentuk pada
kumparan berarus listrik dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut.
Perhatikan arah arus listrik
yang mengalir pada kumparan.
Ujung kumparan yang pertama
ksli mendapat arus listrik
dijadikan pedoman untuk
menentukan letak kutub-kutub
magnet. Caranya, genggamlah
ujung kumparan yang pertama
kali teraliri arus listrik dengan posisi jari tangan kanan sesuai dengan letak
kawat pada inti besi. Apabila kawat itu berada di depan inti besi, letakkan
telapak tangan menghadap ke depan, kemudian genggamlah kumparan berinti
besi itu. Letak kutub utara magnet ditunjukkan oleh arah ibu jari, sedangkan
arah sebaliknya menunjukkan kutub selatan.
Untuk mengamati bentuk medan magnet di sekitar
penghantar lurus, lewatkan penghantar itu pada
sehelai karton yang disekitarnya ditaburi serbuk besi.
Apabila kertas diketuk, ternyata serbuk besi akan
membentuk pola lingkaran sepusat dengan
penghantar itu sebagai pusatnya. Hal ini
menunjukkan bahwa medan magnet disekitar
penghantar lurus berarus listrik berbentuk lingkaran
sepusat dengan penghantar itu sebagai pusatnya.
Arah medan magnet di sekitar penghantar berarus
listrik dapat dilihat pada gambar di samping.
Cara untuk menentukan arah medan magnet disekitar penghantar berarus
digunakan :
Kaidah tangan kanan, dengan ketentuan arah ibu jari menunjukkan arah arus
listrik.
2. Hukum Ampere Biot-Savart
Tiga orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863),
Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan
bahwa:
“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar
yang berada diantara medan magnetik”
Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday
memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang
bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-
mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.
Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862)berhasil
menemukan persamaan kuitaantitatif untuk menentukan besar induksi magnetik
oleh kawat berarus
Menentukan besar medan magnet pada kawat terbatas
.
.....................................(1)
Besar Induksi magnetik kawat lurus sangat panjang dan berarus