MODUL FISIKA XII SMT GANJIL 17 1
MODUL FISIKA
(KELAS XII SEMESTER GANJIL)
OLEH :IDA AYU KADE WIJAYANTI, S.Pd NIP. 19830323 200501 2 015
SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN NEGERI 1 SUKASADA
(SMK NEGERI 1 SUKASADA)
Alamat : Jalan Srikandi, Sambangan-Sukasada, Telp/Fax (0362) 26055
E-mail PO.BOX : 236
LISTRIK STATIS
Listrik statis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan diam. Hukum Coulomb Sebuah sisir yang digosokkan pada rambut menjadi bermuatan listrik positif sehingga dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Muatan listrik memiliki sifat-sifat sebagai berikut: 1. Muatan listrik digolongkan menjadi dua jenis yaitu muatan listrik positif dan muatan listrik negatif.
2. Muatan listrik yang sejenis akan saling tolak-menolak dan muatan listrik yang tak sejenis tarik-menarik.
Fisikawan Perancis bernama Charles Coulomb pada tahun 1785. Dari percobaannya yang menggunakan neraca puntir, Coulomb merumuskan hukum Coulomb yang berbunyi:
“Besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding
terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan
”.
Secara matematis hukum Coulomb dinyatakan sebagai berikut:
q q
1
2 F = k
2 r
Keterangan : F = gaya coulomb atau gaya elektrostatis antara kedua muatan (N)
1
9 2 -2
k = tetapan / konstanta = 9 x 10 Nm C untuk benda yang berada di dalam medium vakum (udara) dimana k = o dan ε
4
- 12 2 -1
2
= 8,85 x 10 C N m
- 6 -9
C dan 1 nC = 10
C) q = besar muatan (C, dimana 1 μC = 10 r = jarak antara kedua muatan (m)
Perhatikan gambar di bawah ini !
a. Muatan sejenis tolak menolak
F
12 F
21 F
12 F
21
1
2
1
2 q r q q r q
b. Muatan tak sejenis tarik menarik
F
12 F
21
- q
1 r q
2
Medan Listrik Medan listrik didefinisikan sebagai ruang di sekitar suatu muatan listrik sumber dimana muatan listrik lainnya dalam ruang ini akan mengalami gaya Coulomb atau gaya listrik (tarik atau tolak). Secara matematis kuat medan listrik dirumuskan dengan:
F q
E = Atau E = k
2 q r o
Keterangan : E = kuat medan listrik (N/C) F = gaya Coulomb (N) q o = besar muatan uji (C)
Hukum Gauss Tiga hal tentang garis-garis medan listrik: 1. Garis-garis medan listrik tidak pernah berpotongan.
2. Garis-garis medan listrik selalu mengarah radial ke luar menjauhi muatan positif (gambar a) dan radial ke dalam mendekati muatan negatif (gambar b).
3. Tempat di mana garis-garis medan listrik rapat menyatakan tempat yang medan listriknya kuat. Sedangkan tempat dimana garis-garis medan listrik renggang menyatakan tempat yang medan listriknya lemah.
Gambar (a) Gambar (b)
Secara matematis fluks listrik dirumuskan dengan: Ф = E A cos θ
Keterangan :
- 1
2
m atau disebut Weber) Ф = fluks listrik (NC E = kuat medan listrik (N/C)
2 A = luas bidang (m )
Potensial Listrik Persamaan energi potensial listrik yaitu:
q q o
Ep =
k r
Beda potensial listrik didefinisikan sebagai perubahan energi potensial per satuan muatan ketika sebuah muatan uji dipindahkan di antara dua titik atau secara matematis dirumuskan dengan:
Ep
1
1
atau
kq ( )
ΔV = ΔV =
q r r o
2
1 Secara umum dapat pula didefinisikan potensial mutlak pada suatu titik yang berjarak r dari muatan sumber q sebagai: kq
V = atau V = E.r
r
Keterangan : V = potensial listrik (Volt) r = jarak muatan uji ke muatan sumber (m) E = kuat medan listrik (N/C) r
1 = jarak awal muatan uji ke muatan sumber (m)
q o = muatan uji (C) r
2 = jarak akhir muatan uji ke muatan sumber (m)
q = muatan sumber (C)
KAPASITOR
Kapasitas Kapasitor Kapasitor adalah komponen listrik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik. Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian adalah :
a. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain (pada power supply)
b. Sebagai filter dalam rangkaian power supply
c. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antenna
d. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon
e. Menghilanghkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar Kapasitas kapasitor (C) merupakan ukuran kemampuan suatu kapasitor dalam menyimpan muatan listrik pada saat dihubungkan dengan suatu beda potensial listrik. Persamaan kapasitas kapasitor :
q A
C = , sedangkan kapasitas kapasitor untuk keping sejajar akan menjadi: C =
o
V d
Keterangan : C = kapasitas kapasitor (Farad)
o = permitivitas ruang hampa/udara
ε
2 A = luas tiap-tiap keping (m )
d = jarak antar keping (m) Susunan Kapasitor
1. Rangkaian Seri
Dua kapasitor atau lebih bila disusun seri maka muatan pada tiap-tiap kapasitornya sama sebab muatan total seluruh kapasitor sama dengan muatan tiap-tiap kapasitor.
a b c . . .
C C
1
2 Untuk kapasitor yang disusun seri:
V ac = V ab + V bc
q q q ac ab bc
= q = q = q , sehingga diperoleh kapasitas kapasitor pengganti untuk kapasitor yang
ab bc
C C C g
1
2
1
1
1
1
disusun seri adalah: ....
C C C C g
1 2 n
2. Rangkaian Paralel
Apabila ada beberapa buah kapasitor dipasang paralel maka kapasitor-kapasitor tersebut akan mempunyai beda potensial yang sama, dan sama dengan beda potensial gabungan seluruh kapasitor.Sedangkan kapasitas gabungannya lebih besar dari kapasitas tiap-tiap kapasitor. Jadi, untuk mendapatkan kapasitas kapasitor yang besar, kapasitor- kapasitor harus disusun secara paralel.
a b C 1
. . c d
C 2 . . e f
C 3 . . Untuk kapasitor yang disusun paralel: V g = V ab = V cd = V ef q g = q
1 + q 2 + q
3 C g
V g = C
1 V ab + C
2 V cd + C
3 V ef , sehingga diperoleh kapasitas kapasitor pengganti
untuk kapasitor yang disusun secara paralel yaitu: C g = C
1 + C 2 + C
3
3. Rangkaian Gabungan Merupakan rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.
Contoh Soal
1. Hitung kapasitas pengganti dari rangkaian tersebut! C
1 = 3 µF
C
2 = 6 µF
C
3 = 4 µF
Jawab : C dan C tersusun seri sehingga : 1/C = 1/ C + 1/C = 1/3 + 1/6 = 3/6, sehingga : C = 6/3 = 2 µF
1 2 s 1,2
1 2 s 1,2
C s 1,2 dan C
3 tersusun paralel sehingga : C p 1,2, 3 = C s + C 3 = 2 µF + 4 µF = 6 µF
Energi yang Tersimpan dalam Kapasitor Bila sebuah kapasitor diberikan muatan listrik, sesungguhnya yang terjadi adalah perpindahan muatan dari satu keping ke keping yang lainnya. Untuk itu diperlukan usaha. Usaha yang telah dipakai untuk pemberian muatan itu akan disimpan oleh kapasitor
2 q
2
sebagai energi. Secara matematis usaha tersebut dirumuskan sebagai : W = ½ = ½ q V = ½ C V
C
Tugas 1
Kerjakan dengan cara yang lengkap dan jelas !
1. Dua buah muatan listrik masing-masing besarnya 4 µC dan -5 µC terpisah di udara sejauh 3 meter. Tentukan gaya
- 6
elektrostatis (Gaya Coulomb) yang dialami kedua muatan tersebut ! (1 µC = 10
C)
2. Sebuah titik berjarak 50 cm dari sebuah muatan listrik q, mengalami kuat medan listrik sebesar 40 N/C. Hitung besarnya potensial listrik yang dialami titik tersebut !
3. Sebutkan 5 fungsi dari kapasitor !
4. Di bawah ini terpasang 5 buah kapasitor yang sama besar yaitu 1 µF. Hitung kapasitas kapasitor antara titik A dan B ! C
- 6
(1 µF = 10
F) A C C C C B
- 6
joule. Jika kapasitas kapasitor 0,04 F, maka hitung beda
5. Energi yang tersimpan pada suatu kapasitor keping sejajar 8. 10 potensial antara kedua keping !
LISTRIK DINAMIS
Listrik dinamis mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan bergerak. Arus Listrik Kata arus berarti aliran atau gerakan. Tiga hal tentang arus listrik yaitu:
1. Arus listrik adalah aliran partikel-partikel bermuatan positif
2. Arah arus listrik berlawanan dengan arah arus elektron
3. Arus listrik mengalir dari titik berpotensial tinggi ke potensial rendah Ada beberapa azas penting yang perlu diingat yaitu:
1. Terdapat dua jenis muatan listrik yaitu muatan positif dan muatan negatif 2. Muatan positif ada pada inti atom, sedangkan muatan negatif ada pada elektron.
3. Elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lain, sedangkan inti tdak dapat berpindah
4. Atom-atom penghantar (konduktor) memiliki elektron-elektron bebas yang sangat mudah berpindah dari satu tempat ke tempat lain di dalam penghantar itu.
5. Muatan listrik dapat bergerak (mengalir) jika ada beda potensial (tegangan) Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan lsitrik positif (q) yang mengalir melalui suatu penghantar per satuan waktu. Secara matematis: I = q / t Keterangan: I = kuat arus listrik (Ampere disingkat A) q = jumlah muatan yang mengalir (C)
= n.e (n = jumlah partikel, e = besar muatan elektron) t = lamanya (waktu) muatan mengalir (s) Alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus pada suatu rangkaian disebut dengan Amperemeter. Bagian-bagian dari amperemeter ditunjukkan oleh gambar berikut.
Besar arus listrik yang mengalir dalam rangkaian atau suatu komponen, ditentukan dengan persamaan : Angka yang ditunjuk jarum I = x Angka pada saklar pemilih
Batas maksimum
X A
Pada saat mengukur kuat arus, amperemeter dipasang sesara seri dengan rangkaian . Hukum Ohm Hukum Ohm menyatakan :
Besar kuat arus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar tersebut, dengan syarat suhu penghantar tetap.
Secara matematis dirumuskan : V = I . R
Keterangan : V = beda potensial atau tegangan (Volt) I = kuat arus listrik (Ampere)
a. Rangkaian Seri
- … + V
2. Memperkecil arus yang mengalir dalam suatu rangkaian.
b. Rangkaian Paralel
- … + I
1 : V 2 : V 3 : V n = 1/R 1 : 1/ R 2 : 1/R 3 : 1/R n
3. Luas penampang penghantar
2. Panjang penghantar
1. Jenis penghantar (hambatanb jenis)
Hambatan suatu penghantar Besar hambatan suatu penghantar dipengaruhi oleh :
Rangkaian paralel hambatan listrik berfungsi untuk : 1. Memperkecil nilai hambatan pengganti dalam suatu rangkaian.
n
V
R =
= V
3
= V
2
= V
4. Perubahan suhu penghantar Secara matematis dirumuskan :
2
A l
Keterangan : ρ = hambatan jenis (Ω m) l = panjang penghantar (m) A = luas penampang penghantar (m
) Pengaruh suhu terhadap besar hambatan penghantar
Hambatan suatu penghantar semakin besar jika suhunya semakin tinggi. Hal ini dapat diamati pada kinerja suatu alat listrik yang semakin menurun pada saat alat listrik tersebut dipakai dalam waktu yang cukup lama tanpa dimatikan. Secara matematis pengaruh suhu terhadap besar hambatan suatu penghantar adalah :
R t = R ( 1 + α . ΔT)
Keterangan : R
= besar hambatan pada suhu awal (Ω)
R
1 R
2 R
3 V s I s R
1 R
2 R
3 V p
I p
1
= V
p
1 + R 2 + R 3 +
1 + V 2 + V
V s = V
1 = I 2 = I 3 = I n
I s = I
n
… + R
Persamaan yang berlaku pada rangkaian seri : R s = R
n
Rangkaian Hambatan
I I
keluar masuk
Secara matematis :
Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan tersebut.
Hukum Kirchoff I Hukum Kirchoff I menyatakan :
3
V
V
3
n
3
1 + I 2 + I
I p = I
1
2
1
1 : V 2 : V 3 : V n = R 1 : R 2 : R 3 : R n
1
1
1
1 ....
Rn R R R R p
Persamaan yang berlaku pada rangkaian paralel :
Rangkaian seri hambatan listrik berfungsi untuk : 1. Memperbesar nilai hambatan pengganti dalam suatu rangkaian.
2. Memperbesar arus yang mengalir dalam suatu rangkaian.
c. Rangkaian Gabungan Merupakan rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.
= koefisien suhu ( /
C) α
= perubahan suhu (
C) ΔT
Beda Potensial atau Tegangan Listrik Tegangan listrik dibagi menjadi dua, yaitu :
1. Gaya Gerak Listrik (GGL) dilambangkan dengan ε, yaitu besar beda potensial dari suatu sumber tegangan sebelum mengalirkan arus.
Persamaan : ε = I (r + R) 2. Tegangan jepit (V) yaitu beda potensial dari suatu sumber tegangan setelah mengalirkan arus.
Persamaan : V = I . R
Keterangan : r ε = gaya gerak listrik (volt) = hambatan dalam sumber tegangan (Ω) V = tegangan jepit (volt) R
= hambatan rangkaian atau hambatan luar (Ω) I = kuat arus (A)
Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial dalam rangkaian disebut dengan Voltmeter. Pada saat mengukur beda potensial, voltmeter dipasang secara paralel pada rangkaian.
X V
Besar tegangan listrik yang mengalir dalam rangkaian atau suatu komponen, ditentukan dengan persamaan : Angka yang ditunjuk jarum V = x Angka pada saklar pemilih
Batas maksimum Energi dan Daya Listrik Arus listrik sebagai aliran muatan-muatan listrik menghasilkan energi listrik yang dimanfaatkan oleh manusia. Energi listrik yang diterima besarnya dinyatakan :
2 W = Q.V atau W = V.I.t atau W = I.R.I.t atau W = V /R . t
Berkaitan dengan energi litrik dikenal juga daya listrik, yang didefinisikan sebagai besarnya energi listrik yang dipakai per satu satuan waktu pakai. Secara matematika daya listrik dinyatakan dengan :
2 P = W/t atau P = V.I. atau P = I.R.I. atau P = V /R
Untuk menghitung energi listrik yang terpakai oleh berbagai alat dapat digunakan rumus : W tot = W
1 + W 2 + W
3
- …., dimana nilai masing-masing energi adalah : W = n . P . t Keterangan : W = energi listrik (Joule)
I = kuat arus listrik (Amper) 1 kWh = 1 kilo Watt hour P = daya listrik (Watt) R = hambatan listrik (Ohm) = 1000 Watt hour (Wh) Q = muatan listrik (Coulomb) t = waktu (sekon) V = tegangan listrik (Volt) n = jumlah alat
Contoh Soal :
a. Wt = W1 + W2 + W3
2 I
4. Setrika 1 350 Watt 2 jam/hari Jika biaya listrik tiap kWh adalah Rp 1.000,- hitung :
a. Besar energi yang terpakai dalam 1 hari !
b. Besar energi yang terpakai dalam 1 bulan (30 hari) !
c. Besar biaya yang harus dikeluarkan oleh pemilik kamar dalam 1 bulan tanpa uang beban !
500 (mA)
10 I 1 I
4 I
50 Watt 6 jam/hari
3 Diketahui :
I 1 = 10 mA
I 2 = 7 mA
I 3 = 15 mA
A B 3Ω 3Ω
6Ω
3. Televisi 1 100 Watt 10 jam/hari
1
1. Dalam sebuah rumah terdapat : 1 buah televisi 100 watt menyala 15 jam/hari 1 buah setrika listrik 350 watt dipakai 2 jam/hari Tiga buah lampu masing-masing 5 watt dipakai 10 jam/hari. Jika biaya 1 kWh adalah Rp 200,- dan biaya beban Rp 20.000,- tentukan :
c. Biaya total selama 30 hari ! Jawab :
10 Watt 10 jam/hari
5
1. Lampu
No Alat Jml Daya Pemakaian
5. Di dalam sebuah kamar terdapat peralatan berikut.
a. Energi yang terpakai selama 1 hari (dalam kWh) !
b. Energi yang terpakai selama 30 hari (dalam kWh) !
2. Kipas angin
1. Kuat arus yang mengalir melalui sepotong kawat penghantar adalah 3 ampere. Jika beda potensial antara ujung-ujung kawat 15 volt, hitung besarnya hambatan kawat tersebut !
Kerjakan dengan cara yang lengkap dan jelas !
c. Biaya 1 bulan = biaya beban + biaya kWh = Rp 20.000,- + Rp 14.000,- = Rp 34.000,- Tugas 2
b. Wt 1 bulan = 2, 35 x 30 hari = 70, 5 kWh
= n1.P1.t1 + n2.P2.t2 + n3.P3.t3 = 1. 100. 15 + 1. 350. 2 + 3. 5. 10 = 1500 + 700 + 150 = 2350 Wh = 2, 35 kWh
2. Tentukan nilai arus yang terukur pada Amperemeter berikut !
4 !
4. Hitung besar hambatan pengganti AB pada rangkaian di bawah ini !
3. Perhatikan arus listrik pada titik cabang di bawah ini ! Hitung besar I
LATIHAN SOAL
6.
Sebuah atom dikatakan netral (tidak bermuatan) jika Perhatikan gambar ! 1.
3 …. Intinya bermuatan positif a.
2 Elektronnya bermuatan negatif b.
4
1 Inti dan elektron yang mengelilinginya tidak 5 c. bermuatan Muatan yang terkandung dalam inti sama dengan d. jumlah muatan elektronnya Untuk mengukur arus dengan tegangan lampu, maka Jumlah elektron lebih banyak dari proton amperemeter dan voltmeter harus diletakkan pada e. posisi ….
Amperemeter di 2, voltmeter di 1 a.
2. Sifat muatan listrik yang benar adalah ….
Amperemeter di 1, voltmeter di 5 b.
a. Muatan listrik yang tidak sejenis akan tarik-menarik Amperemeter di 3, voltmeter di 2 c.
b. Muatan listrik yang sejenis akan tarik-menarik Amperemeter di 3, voltmeter di 5 d.
c. Muatan listrik yang tidak sama besar akan tarik- Amperemeter di 5, voltmeter di 4 menarik e.
d. Muatan listrik yang tidak sama besar akan tolak- menolak Banyaknya muatan total yang mengalir pada sebatang 7.
e. Muatan listrik yang sama besar akan tolak-menolak konduktor setiap detiknya disebut ….
Beda potensial
d. Kapasitas kapasitor a. Hambatan
e. Potensial listrik Benda A menarik benda B. Benda B menolak benda C.
b.
3. Kuat arus listrik
Benda C menolak benda D. Jika benda D bermuatan c. negatif, maka dapat disimpulkan bahwa:
Kuat arus yang mengalir melalui sepotong kawat (2) Benda A bermuatan positif 8. penghantar adalah 3 ampere. Jika beda potensial
(3) Benda B bermuatan positif antara ujung-ujung kawat 15 volt, maka besarnya (4) Benda C bermuatan negatif Pernyataan yang benar adalah …. hambatan kawat tersebut adalah ….
c. (2) dan (3)
e. Hanya (3) 45 ohm
c. 5 ohm
e. 0,2 ohm
a. (1) dan (2) a.
d. Hanya (2) 20 ohm
d. 0,5 ohm
b. (1) dan (3) b.
9.
Gaya tarik-menarik dua benda bermuatan listrik Berikut ini merupakan faktor-faktor yang berpengaruh 4.
besarnya sebanding dengan perkalian masing-masing terhadap nilai hambatan suatu penghantar, kecuali …. muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat Panjang kawat penghantar a. jarak antara kedua muatannya adalah bunyi dari Luas penampang kawat penghantar b.
Hambatan jenis kawat penghantar hukum …. c.
c. Kirchoff
e. Newton Massa jenis kawat penghantar
a. Coulomb d.
d. Faraday Kuat arus yang mengalir melalui penghantar
b. Ohm e.
Kapasitas suatu kapasitor keping sejajar menjadi lebih Berikut adalah benda-benda yaitu: 5.
10.
(3) Seng (5) Plastik kecil apabila …. (1) Karet
Luas permukaan kedua keping diperbesar (4) Alumunium (6) Kayu a.
(2) Besi Jarak antar kedua kepingnya diperbesar b. Diisi dengan dielektrik yang konstantanya lebih c.
Benda yang termasuk konduktor adalah …. besar
(1), (2), dan (3)
d. (2), (3), dan (4) a. Muatan setiap keping dikurangi (1), (2), dan (4)
e. (2), (5), dan (6) d. b.
Beda tegangan kedua kepingnya diperkecil (2), (3), dan (5) e. c. Tiga buah hambatan bernilai sama, ketika dirangkai Alat-alat di bawah ini yang dimanfaatkan untuk 11.
16.
seri hambatan penggantinya 9 ohm. Besar hambatan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah …. tersebut masing-
a. 1 ohm
Lampu pijar dan rice cooker masing adalah ….
c. 6 ohm
e. 27 ohm Lampu pijar dan setrika listrik a. b.
3 ohm
d. 9 ohm Lampu TL dan kompor listrik b. c.
Kompor listrik dan akumulator d. Kompor listrik dan solder listrik
12.
Besar hambatan pengganti AB pada rangkaian di e.
bawah ini adalah ….
3Ω 3Ω Pada proses pengosongan (pemakaian) akumulator, 17. A B terjadi perubahan energi ….
6Ω Energi kimia energi listrik a.
Energi listrik energi kimia b. 2 ohm
c. 4 ohm
e. 6 ohm Energi listrik energi cahaya a. c.
3 ohm
d. 5 ohm Energi kimia energi cahaya b. d.
Energi kimia energi gerak e. Perhatikan gambar ! 13.
Sebuah lampu mempunyai hambatan 5 ohm dan dialiri 18.
R =1,5 R =1 =1,5
1
2
3 Ω Ω R Ω
arus sebesar 2 ampere. Energi yang digunakan lampu selama 10 menit adalah ….
100 J
c. 2.000 J
e. 12.000 J a.
V=12 volt
1.000 J
d. 6.000 J b. Berdasarkan ragkaian di atas, besar kuat arus yang
Lampu 100 watt, 110 volt bila dipasang pada tegangan 19. 220 volt akan putus karena daya lampu berubah mengalir melalui rangkaian adalah …. 0,3 A
c. 3 A
e. 5 A a.
menjadi …. 0,4 A
d. 4 A 50 watt c. 150 watt
e. 400 watt b. a.
100 watt
d. 200 watt b. Perhatikan arus listrik pada titik cabang di bawah ini ! 14.
Alat untuk menyambung dan memutus aliran listrik 20. Diketahui :
I
I = 10 mA
4 adalah ….
1 I
1 I 2 = 7 mA
Sekering
d. Fiting a.
I 3 = 15 mA
Stop kontak
e. Kabel b.
I
3 I
2 Saklar c.
Besar I
4 adalah ….
18 mA
c. 12 mA
e. 2 mA a. 15 mA
d. 7 mA b. Nilai arus yang terukur pada Amperemeter berikut 15. adalah ….
500 (mA)
10
8 mA
c. 40 mA