PROS Anita Setyawati Istianingrum Edy Saputro Adiwanto Andreas Setiawan Penggunaan IC CMOS NAND Full Text
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
PENGGUNAAN IC CMOS NAND GATE TIPE CD4011
SEBAGAI DETEKTOR MUATAN LISTRIK
Anita Seyawati, /stianinrum, Ey Saputro, Adiwinanto, Andreas Setiawan, Made Rai
Suci Shanti, Fery s. Rondonuwu
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Kristen Satya Wacana
Jl. Diponegoro 52-60 Salatiga, Jawa Tengah
ABSTK
Percobaan di bidang ke/istrian khususnya /istrik statis memang memerlukan beberapa
a/at yang seringali sulit dibuat. A/at yang sering digunaan dalam pelajaran listrik
statis adalah elektrosop. Dengan a/at ini, kita dapat mengetahui suatu benda bermuatan
atau netral, tetapi tidak dapat mengetahui jenis muatan listrik dari benda tersebut. A/at
yang didesain ini dapat mengetahui jenis muatan suatu benda dengan memanfaatkan
sebuah IC CD4011 sebagai pendetesinya. Sebagai indicator digunaan LED yang akan
menunjukan muatan tertentu. Wana merah mejadi hjau sebagai indiasi muatan
posit, perubahan warna hjau mejadi merah sebagai indikasi muatan muatan negative
dan tidak ada perubahan wana sebagai indikasi tidak bermuatan
l.PENDAHULUAN
Lisrik (khususnya lisrik statis) adalah salah satu bidang kajian dalam isika yang
sulit untuk diamati kejadian yang sesungguhnya secara langsung karena bersifat
kroskopik, akan tetapi hanya dapat diamati gejala-gejala yang timbul akibat adanya
peristiwa kelisrikan tersebut. Fenomena elektrostatik sudh dikenal manusia sejak dulu
arena mudah ditemukan di alam sekitar. Kita bisa dengan mudah menimbulkan muatan
lisrik statik pada benda-benda disekitar kita dengan menggosokkannya dengan benda
lin. Mungkin kita masih ingat eksperimen sederhana saat sekolah dulu : sisir plastik
yng digosok dengan kain, lalu didekatkn dekat lengan, akan menarik rambut-rambut di
kulit lengan, atau jika didekatkan ke sobekan-sobekan kertas diatas meja maka sisir
plastik akan menarik sobekan-sobekn kertas tersebut.Ini bukan sulap tapi sains. Di
·
labolatorium sendiripun sudah ada eleroskop yang dipakai untuk mengetahui apakah
suatu benda bermuatan atau tidak,tetapi alat ini tidak dapat mengethui jenis muatan
listrik dri suatu benda (positif atau negati). Untuk itu dalam makalah ini pertama-tama
an dibahas bagaimana menggunakan rangkaian elektronika sederhana sebagai detektor
jenis muatn listrik suatu benda. Kemudian bagaimana menyelidiki jenis muatan dari
satu
benda
menggunakan
detektor
sederhana.
Bagaimana
membu�t
petunjuk
07-1
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendfdikan Sains 2008
penggunaan alat dalam praktikum/demonstrasi pendeteksian jenis muatan listrik dari
suatu benda. Apakah detektor ini cukup sensitif jika dibandingkan dengan elektroskop
juga akan dibahas dalam makalah ini. Tujuan dari percobn ini meliputi: penggunaan
rangkaian elekronika sederhana sebagai detektor jenis muatan listrik suatu benda,
membuat petunjuk penggunaan alat dalam praktikum/demonstrasi pendeteksian jenis
muatan listrik dari suatu benda, menyelidiki jenis muatan listrik statis untuk berbagai
bahan yang dipakai sebagai indikator, dan menyelidiki kesensitifan detektor[3].
2. Teori
a. Muatan Listrik Statis
Semua zat terdiri dari partikel-partikel kecil yaitu atom.Suatu atom masih
tersusun oleh partikel yang lebih kecil yaitu inti atom dan elektron(bermuatan negati)
yang bergerak mengelilingi inti atom.Inti atom sendiri terdiri dari proton(bermuatan
positi) dan neutron(netral) sehingga inti atom bermuatn positi. Elektron-elektron
bergerak dengan sangat cepat mengelilingi inti dengan lintasan tertentu.Elektron-elekron
tersebut mengalami gaya tarik dari inti.Semakin jauh jarak elektron dari inti, elektron
tersebut mengalami gaya tarik yang lebih kecil terhadap inti.Oleh karena itu elektron
tersebut mudah terlepas dari atom atau berpindah ke atom yang lain jika mendapat energi
yang cukup untuk melepaskan diri dari atom.Jumlah proton dan elekron dalam atom
yang menyusun suatu benda menentukan muatan listrik benda tersebut.[l]
b. Interaksi Antara Dua Mua.n aiu ebih
Jika dua atau iebih na an saiin! didekan a kedunva n me2i
gaya interaksi yang berbeda tergantung jenis muatan dari msing-msng benda
tersebut.Jika benda-benda tersebut bermuatan sejenis (positif semua atau negatii semua)
maka interaksinya adalah tolak menolk tpi jka kenya era js (oif n
ne) a sya h k k
Setiap atom akan mencapai keadaan stabi'p jka m kan nel jh
promn n ei..n a), ngga � :r.i a; :.u li
n m n yg keleb.: b11�h >tn yg .::ng=; a .Jnn
(muataI �2) kn mngmbil eleron i tom ln ;·g kan r_Ti
atom yang kelebn elektron (bermuan negai)ja n a k bl n
melepas elekron (krena elekron yang bisa bergerak bebas). Jika kedua muatan tersebut
didekatkan maka akan saling berinteraksi (k menarik). Jika kedua atom bermuatan
sama,keduanya akan membutuhkan eletron Gika muatannya positi) atau melepaskan
ellron Gika muarya negati).[2]
-
J
-
Memberi Muatan Pada benda
Sebuah benda yang netral dapat dibuat mejadi bermuatan dengan menambh
atau mengurangi jumlah elektron dari atom-atom pennnya. Ca yang biasa
digunakan dalam memberi muatan adalah dengan cara persinggungan atau menggosok
dan dengan cara induksi.
c.
1) Cara menggosok
Salah satu contoh yang sering dilakukan dengan cara ini adalah karet yang digosok
dengan bulu dapat menarik kertas-kertas kecil (menunjukkan adanya muatan).Pada saat
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
07-2
Presiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
digosok akan tejadi perpindahan spontan elekron dari bulu ke karet (karena elektron
mudah bergerak). Perpindahan ini terjadi karena energi yang diberikan dengan
menggosok cukup untuk melepaskan elektron terluar dari bulu (energi yang diberikan
dengan
menggosok
belum cukup untUk melepaskan elektron pada karet).Dengan
deikian karet mendapat tambahan elekron dan bermuatan listrik negatif sedangkan
bulu kehilangan elekron dn bermuatan listrik positif.Karena jumlh elektron yang
diterima karet dan yang dilepaskan bulu sama,maka besar muatannya sama tetapi berbeda
jenis.
Hampir
setiap
penggosokan
antara
benda-benda
yang
bersifat
isolator
menghasilkan muatan pada benda-benda tersebut. Beberapa· contoh penggosokan yang
menghasilkan muatan listrik dapat dilihat dalam tabel berikut:
Tabe1 contoh benda bermuatan rIStrik seteIah menga
No
i
1
2
3
4
penggoso kan
Jenis muatan listrik
Benda
Perspek digosok dengan sutera
Positif
Batang kaca digosok dengan bulu
Negatif
Sutera penggosok perspek
Negatif
Bulu penggosok batang kaca
Positif
2) Cara Indusi
Cra i adalah mendekatkan sebuah benda bermuatan dengan benda lain yang
tidak bermuatan. Cara ini dapat menghasilkan muatan pada benda yang tak bermuatan
npa menghilangkan muatan dari benda bermuatan yang didekatkan.
3. Metodologi Perancangan
Alat detektor terdiri dari Antena, IC CMOS NAND Gate tipe CD4011, dioda tipe
IN4148, kapasitor, LED hijau dan merah, baterai 9 Volt, dan resistor . Sedangkan mika,
plastik, bulu, sutera, polyester, rayon, katun, nilon,ketas, ranbut, dan batang perspek
digunakan sebagai bahan yang akan diselidiki jenis muatannya
Bulu
Gambar Bahan
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
07-3
Prosiding Seminar Nasion aI Sains dan Pendidikan Sains 2008
Gambar Alat
Alat detektor jenis muatan listrik statis ini secara garis besar terbagi dalam tiga
bagian yaitu sensor, detektor, dan indikator seperti ditunjukkan oleh gambar di bawah ini
_
3
C2
pF
UlA
UlB
D3
LEDC
Gambar skema rangkaian detektor jenis muatan listrik statis
Keterangan:
a) antena
bi ) detektor muatan positif
b2 )
detektor muatan negatif
ci) indikator muatan positif
c2 ) indikator muatan negatif
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
074
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
- Antena
Bagian ini terdiri dari sebuah antena yng peka terhadap muatan listrik statis seperti
ditunjukan pada gambar di atas. Fungsi dari antena adalah sebagai tempat dimana benda
yng akan diuji muatn lisriknya harus didekatkn. Sedangkan hmbatan dengan nilai
yang besar dipasang untuk melindungi alat dari arus yang besar (misalnya terkena aliran
lisrik dinamis).
- Detektor
Bagian ini terbagi menjadi dua cabang yaitu: detektor muatan positif( b;) dan
detektor muatan negatif(b2 ) yang masing-masing terhubung dengan indikator sesuai jenis
muatannya.
Pada bagian ini terdiri dari dioda tipe N4148, IC CMOS NAND Gate tipe CD4011
dengan dua input dan kapasitor. Dioda dipasang pada dua cabang yang berbeda dengan
rah yng berlawanan. Dioda i yang akan menentukan detektor mana yang akan bekerja
(positifatau negati) tergantung dari jenis muatan yang didekatkan pada sensor,IC tipe ini
peka terhadap listrik statis dn kapasitor sebagai pengembali ke keadaan netral.
) Indikator
Sna seperti pada bagian detektor,bagian ini juga terbagi menjadi dua yaitu
indikator muatn positif( c;) yang terdiri dari LED merah dan indikator muatan negatif
( c2) yang terdiri dari LED hijau.Untuk melindungi LED dari kerusakan dipasang
hamb.atan yang nilainya kecil(270 ohm).LED merah menyala jika detetor muatn positif
bekeja dan berarti menunjukkan bahwa muatan yang mendekat pada sensor adalah
muatan positif, sedangkan LED hjau menyala jika detektor muatan negatif bekerja dan
berarti menunjukkan bhwa muatan yang mendekati sensor adalah muatan negati.
4. Pengambilan Data
Prinsip Kerja Alat
Alat ini akan bekeja apabila ada dua benda bermuatan mendekati sensor. Ada
iga keadaan penting yang perlu diperhatikan mengenai cara kerja dari alat ini,yaitu: (1)
keadaan awal, (2) saat benda bermuatan positif bergerak (nendekati/menjauhi antena)
dan (3) saat benda bermuatan negatifbergerak (mendekati/menjauhi antena).
:
••
1) Keadaan Awal
Keadaan ini adalah keadaan pada saat alat mulai dinyalakan dengan
menghidupkan sumber tegangan. Pada keadaan ini masukan untuk setiap gerbang dalam
nilai mengambang(bisa mendekati high atau mendekati low) sehingga tampak salah satu
indikator menyala. Jika nilai masukan pada gerbng benilai mendekati high maka
indikator muatan positif akan menyala tetapi jika masukannya benilai mendekati low
maka indikator tersebut mati, sedngkan jika llasukan pada gerbang G3 benilai
mendekati high mka indikator muatan negatiftidak akan menyala tetapi jika masukanya
beilai low maka indikator muatan negatif akan menyala. Bisa juga terjadi kedua
07-5
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
indikator menyala jika nilai masukan pada gerbang G1 mendekati high dan pada gerbang
G3 mendekati low pada saat bersamaan. Nyala indikator ini bukan berarti menunjukkan
alat sedang mendeteksi jenis muatan suatu benda tetapi hanya menunjukkan bahwa alat
sudah siap bekerja.
l
C2
3 pF
NTl
D3
LEDO
Indikator
muatan
positif
D4
L:Dl
Indikator muatan
negatif
Gambar Skema rangkaian pada keadaan awal
Gambar keadaan awal ketika detektor mulai dinyalakan
2) Saat benda bermuatan positif bergerak
Pada saat benda bermuatan positif bergerak mendekati antena maka akan tejadi
aliran elektron menuju antena akibat adanya interaksi elektrostatis (tarik-menarik) antara
proton-proton
dari
benda
dan
elektron-elekron
pada
rangkaian.
Dari
aliran
menyebabkan adanya arus yang mengalir dari antena menuju percabangan
ini
d1 dan
d2 ,sehingga d1 akan dibias maju dan d2 akan dibias mundur. Pada keadaan demikian,
C1 akan mengalami pengisian dan menyebabkan nilai high pada kaki masukan G1
•
Keluaran dari G1 akan bemilai low dan menjadi masukan bagi G 2 sehingga keluarannya
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
076
Presiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
a:an benilai high ,akibatnya LED indikator muatan positif akan dibias maJU dan
menyala.
- 3 pF
++++
� Cl
i
high
ohm
03
' LEDO
ohm:-
I3 pF
rv
C2
indikator
muatan
negatif
Vl
__
rangkaian yang sedang aktif
indikator
muatan
positif
rangkaian yang tidak aktif
Gambar Skema rangkaian saat benda bermuatan positif mendekati antena
Pada
saat
muatan
positif tersebut
dijauhkan,antena
yang
semula
banya:
mengandung elektron akan kembali kekeadaan semula (netral) sehingga ada pergerakan
elektron menjauhi antena. Pergera:an ini menyebabkan adanya arus yang bergerak
menuju antena , sehingga
d1 a:an dibias mundur
dan d2 akan dibias maju. Pada
keadaan ini menyebabkan masukan bagi gerbang G3 bernilai low sehingga keluarannya
bernilai high dan menyebabkan LED indikator muatan negatif menyala
Gambar LED indikator bermuatan positif dibias maju da! menyala
Faku�as Sains dan Matematika UKSW
07-7
Prosiding Seminar Nasional Sa ins dan Pendidikan Sains 2008
:- 3 pF
3) Saat benda bermuatan negatif bergerak
1------- I
�
i
--
Cl
Gl
G2
R2
R3
3p
f F
indikator
muatan
positif
' LEDO
270 ohm:-
- - C2
+
03
270 ohm
indikator
muatan
negatif
Vl
rv
angkaian yang tidak aktif
rangkaian yang sedang aktif
__
Gambar Skema rangkaian aat benda ermuatan negatif mendekati antena
Pada saat benda bermuatan negatif bergerak mendekati antena maka akn tejadi
aliran elekron menjauhi antena akioat adanya imeraksi eiektrostatis (tolak-menolak)
antara elektron-elekron i benda n eleron-elekron pada rangkaian. Dri aliran i
menyebabkan adanya
s
� ng�r i ·r
mn
ng�if mju e,
sehingga d1 akan dibias mundur dan d2 akan dibis maju. Keadan i menyebabkan
n pada G3 ii w ',gga kin. ii hih. Pada keadaan
demikia1 LED or bnn if dibis
dengan pada saat ena m.-
nf
bermuatan negatif tersebut menjauhi antena
ju ian
mnu
a
a
ny.. d��n i
a
A.angkan pada saat benda
dengan keaaan aat benda bermuatan
positif mendekati antena[3].
Gambar LED indikator bermuatan negatif dibias maju dan menyala
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
07-8
Presiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
•t•
Cora Kcrja
Lungkah-langkah yang dilakukan dalam percobaan yaitu sebagai berikut:
1.
hatang pcrspek digosok-gosokkan ke kain sutera selama beberapa menit
2.
hatang pcrspek didekatkan ke antena
3.
I ihat pcrubah
PENGGUNAAN IC CMOS NAND GATE TIPE CD4011
SEBAGAI DETEKTOR MUATAN LISTRIK
Anita Seyawati, /stianinrum, Ey Saputro, Adiwinanto, Andreas Setiawan, Made Rai
Suci Shanti, Fery s. Rondonuwu
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika, Universitas Kristen Satya Wacana
Jl. Diponegoro 52-60 Salatiga, Jawa Tengah
ABSTK
Percobaan di bidang ke/istrian khususnya /istrik statis memang memerlukan beberapa
a/at yang seringali sulit dibuat. A/at yang sering digunaan dalam pelajaran listrik
statis adalah elektrosop. Dengan a/at ini, kita dapat mengetahui suatu benda bermuatan
atau netral, tetapi tidak dapat mengetahui jenis muatan listrik dari benda tersebut. A/at
yang didesain ini dapat mengetahui jenis muatan suatu benda dengan memanfaatkan
sebuah IC CD4011 sebagai pendetesinya. Sebagai indicator digunaan LED yang akan
menunjukan muatan tertentu. Wana merah mejadi hjau sebagai indiasi muatan
posit, perubahan warna hjau mejadi merah sebagai indikasi muatan muatan negative
dan tidak ada perubahan wana sebagai indikasi tidak bermuatan
l.PENDAHULUAN
Lisrik (khususnya lisrik statis) adalah salah satu bidang kajian dalam isika yang
sulit untuk diamati kejadian yang sesungguhnya secara langsung karena bersifat
kroskopik, akan tetapi hanya dapat diamati gejala-gejala yang timbul akibat adanya
peristiwa kelisrikan tersebut. Fenomena elektrostatik sudh dikenal manusia sejak dulu
arena mudah ditemukan di alam sekitar. Kita bisa dengan mudah menimbulkan muatan
lisrik statik pada benda-benda disekitar kita dengan menggosokkannya dengan benda
lin. Mungkin kita masih ingat eksperimen sederhana saat sekolah dulu : sisir plastik
yng digosok dengan kain, lalu didekatkn dekat lengan, akan menarik rambut-rambut di
kulit lengan, atau jika didekatkan ke sobekan-sobekan kertas diatas meja maka sisir
plastik akan menarik sobekan-sobekn kertas tersebut.Ini bukan sulap tapi sains. Di
·
labolatorium sendiripun sudah ada eleroskop yang dipakai untuk mengetahui apakah
suatu benda bermuatan atau tidak,tetapi alat ini tidak dapat mengethui jenis muatan
listrik dri suatu benda (positif atau negati). Untuk itu dalam makalah ini pertama-tama
an dibahas bagaimana menggunakan rangkaian elektronika sederhana sebagai detektor
jenis muatn listrik suatu benda. Kemudian bagaimana menyelidiki jenis muatan dari
satu
benda
menggunakan
detektor
sederhana.
Bagaimana
membu�t
petunjuk
07-1
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendfdikan Sains 2008
penggunaan alat dalam praktikum/demonstrasi pendeteksian jenis muatan listrik dari
suatu benda. Apakah detektor ini cukup sensitif jika dibandingkan dengan elektroskop
juga akan dibahas dalam makalah ini. Tujuan dari percobn ini meliputi: penggunaan
rangkaian elekronika sederhana sebagai detektor jenis muatan listrik suatu benda,
membuat petunjuk penggunaan alat dalam praktikum/demonstrasi pendeteksian jenis
muatan listrik dari suatu benda, menyelidiki jenis muatan listrik statis untuk berbagai
bahan yang dipakai sebagai indikator, dan menyelidiki kesensitifan detektor[3].
2. Teori
a. Muatan Listrik Statis
Semua zat terdiri dari partikel-partikel kecil yaitu atom.Suatu atom masih
tersusun oleh partikel yang lebih kecil yaitu inti atom dan elektron(bermuatan negati)
yang bergerak mengelilingi inti atom.Inti atom sendiri terdiri dari proton(bermuatan
positi) dan neutron(netral) sehingga inti atom bermuatn positi. Elektron-elektron
bergerak dengan sangat cepat mengelilingi inti dengan lintasan tertentu.Elektron-elekron
tersebut mengalami gaya tarik dari inti.Semakin jauh jarak elektron dari inti, elektron
tersebut mengalami gaya tarik yang lebih kecil terhadap inti.Oleh karena itu elektron
tersebut mudah terlepas dari atom atau berpindah ke atom yang lain jika mendapat energi
yang cukup untuk melepaskan diri dari atom.Jumlah proton dan elekron dalam atom
yang menyusun suatu benda menentukan muatan listrik benda tersebut.[l]
b. Interaksi Antara Dua Mua.n aiu ebih
Jika dua atau iebih na an saiin! didekan a kedunva n me2i
gaya interaksi yang berbeda tergantung jenis muatan dari msing-msng benda
tersebut.Jika benda-benda tersebut bermuatan sejenis (positif semua atau negatii semua)
maka interaksinya adalah tolak menolk tpi jka kenya era js (oif n
ne) a sya h k k
Setiap atom akan mencapai keadaan stabi'p jka m kan nel jh
promn n ei..n a), ngga � :r.i a; :.u li
n m n yg keleb.: b11�h >tn yg .::ng=; a .Jnn
(muataI �2) kn mngmbil eleron i tom ln ;·g kan r_Ti
atom yang kelebn elektron (bermuan negai)ja n a k bl n
melepas elekron (krena elekron yang bisa bergerak bebas). Jika kedua muatan tersebut
didekatkan maka akan saling berinteraksi (k menarik). Jika kedua atom bermuatan
sama,keduanya akan membutuhkan eletron Gika muatannya positi) atau melepaskan
ellron Gika muarya negati).[2]
-
J
-
Memberi Muatan Pada benda
Sebuah benda yang netral dapat dibuat mejadi bermuatan dengan menambh
atau mengurangi jumlah elektron dari atom-atom pennnya. Ca yang biasa
digunakan dalam memberi muatan adalah dengan cara persinggungan atau menggosok
dan dengan cara induksi.
c.
1) Cara menggosok
Salah satu contoh yang sering dilakukan dengan cara ini adalah karet yang digosok
dengan bulu dapat menarik kertas-kertas kecil (menunjukkan adanya muatan).Pada saat
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
07-2
Presiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
digosok akan tejadi perpindahan spontan elekron dari bulu ke karet (karena elektron
mudah bergerak). Perpindahan ini terjadi karena energi yang diberikan dengan
menggosok cukup untuk melepaskan elektron terluar dari bulu (energi yang diberikan
dengan
menggosok
belum cukup untUk melepaskan elektron pada karet).Dengan
deikian karet mendapat tambahan elekron dan bermuatan listrik negatif sedangkan
bulu kehilangan elekron dn bermuatan listrik positif.Karena jumlh elektron yang
diterima karet dan yang dilepaskan bulu sama,maka besar muatannya sama tetapi berbeda
jenis.
Hampir
setiap
penggosokan
antara
benda-benda
yang
bersifat
isolator
menghasilkan muatan pada benda-benda tersebut. Beberapa· contoh penggosokan yang
menghasilkan muatan listrik dapat dilihat dalam tabel berikut:
Tabe1 contoh benda bermuatan rIStrik seteIah menga
No
i
1
2
3
4
penggoso kan
Jenis muatan listrik
Benda
Perspek digosok dengan sutera
Positif
Batang kaca digosok dengan bulu
Negatif
Sutera penggosok perspek
Negatif
Bulu penggosok batang kaca
Positif
2) Cara Indusi
Cra i adalah mendekatkan sebuah benda bermuatan dengan benda lain yang
tidak bermuatan. Cara ini dapat menghasilkan muatan pada benda yang tak bermuatan
npa menghilangkan muatan dari benda bermuatan yang didekatkan.
3. Metodologi Perancangan
Alat detektor terdiri dari Antena, IC CMOS NAND Gate tipe CD4011, dioda tipe
IN4148, kapasitor, LED hijau dan merah, baterai 9 Volt, dan resistor . Sedangkan mika,
plastik, bulu, sutera, polyester, rayon, katun, nilon,ketas, ranbut, dan batang perspek
digunakan sebagai bahan yang akan diselidiki jenis muatannya
Bulu
Gambar Bahan
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
07-3
Prosiding Seminar Nasion aI Sains dan Pendidikan Sains 2008
Gambar Alat
Alat detektor jenis muatan listrik statis ini secara garis besar terbagi dalam tiga
bagian yaitu sensor, detektor, dan indikator seperti ditunjukkan oleh gambar di bawah ini
_
3
C2
pF
UlA
UlB
D3
LEDC
Gambar skema rangkaian detektor jenis muatan listrik statis
Keterangan:
a) antena
bi ) detektor muatan positif
b2 )
detektor muatan negatif
ci) indikator muatan positif
c2 ) indikator muatan negatif
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
074
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
- Antena
Bagian ini terdiri dari sebuah antena yng peka terhadap muatan listrik statis seperti
ditunjukan pada gambar di atas. Fungsi dari antena adalah sebagai tempat dimana benda
yng akan diuji muatn lisriknya harus didekatkn. Sedangkan hmbatan dengan nilai
yang besar dipasang untuk melindungi alat dari arus yang besar (misalnya terkena aliran
lisrik dinamis).
- Detektor
Bagian ini terbagi menjadi dua cabang yaitu: detektor muatan positif( b;) dan
detektor muatan negatif(b2 ) yang masing-masing terhubung dengan indikator sesuai jenis
muatannya.
Pada bagian ini terdiri dari dioda tipe N4148, IC CMOS NAND Gate tipe CD4011
dengan dua input dan kapasitor. Dioda dipasang pada dua cabang yang berbeda dengan
rah yng berlawanan. Dioda i yang akan menentukan detektor mana yang akan bekerja
(positifatau negati) tergantung dari jenis muatan yang didekatkan pada sensor,IC tipe ini
peka terhadap listrik statis dn kapasitor sebagai pengembali ke keadaan netral.
) Indikator
Sna seperti pada bagian detektor,bagian ini juga terbagi menjadi dua yaitu
indikator muatn positif( c;) yang terdiri dari LED merah dan indikator muatan negatif
( c2) yang terdiri dari LED hijau.Untuk melindungi LED dari kerusakan dipasang
hamb.atan yang nilainya kecil(270 ohm).LED merah menyala jika detetor muatn positif
bekeja dan berarti menunjukkan bahwa muatan yang mendekat pada sensor adalah
muatan positif, sedangkan LED hjau menyala jika detektor muatan negatif bekerja dan
berarti menunjukkan bhwa muatan yang mendekati sensor adalah muatan negati.
4. Pengambilan Data
Prinsip Kerja Alat
Alat ini akan bekeja apabila ada dua benda bermuatan mendekati sensor. Ada
iga keadaan penting yang perlu diperhatikan mengenai cara kerja dari alat ini,yaitu: (1)
keadaan awal, (2) saat benda bermuatan positif bergerak (nendekati/menjauhi antena)
dan (3) saat benda bermuatan negatifbergerak (mendekati/menjauhi antena).
:
••
1) Keadaan Awal
Keadaan ini adalah keadaan pada saat alat mulai dinyalakan dengan
menghidupkan sumber tegangan. Pada keadaan ini masukan untuk setiap gerbang dalam
nilai mengambang(bisa mendekati high atau mendekati low) sehingga tampak salah satu
indikator menyala. Jika nilai masukan pada gerbng benilai mendekati high maka
indikator muatan positif akan menyala tetapi jika masukannya benilai mendekati low
maka indikator tersebut mati, sedngkan jika llasukan pada gerbang G3 benilai
mendekati high mka indikator muatan negatiftidak akan menyala tetapi jika masukanya
beilai low maka indikator muatan negatif akan menyala. Bisa juga terjadi kedua
07-5
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
indikator menyala jika nilai masukan pada gerbang G1 mendekati high dan pada gerbang
G3 mendekati low pada saat bersamaan. Nyala indikator ini bukan berarti menunjukkan
alat sedang mendeteksi jenis muatan suatu benda tetapi hanya menunjukkan bahwa alat
sudah siap bekerja.
l
C2
3 pF
NTl
D3
LEDO
Indikator
muatan
positif
D4
L:Dl
Indikator muatan
negatif
Gambar Skema rangkaian pada keadaan awal
Gambar keadaan awal ketika detektor mulai dinyalakan
2) Saat benda bermuatan positif bergerak
Pada saat benda bermuatan positif bergerak mendekati antena maka akan tejadi
aliran elektron menuju antena akibat adanya interaksi elektrostatis (tarik-menarik) antara
proton-proton
dari
benda
dan
elektron-elekron
pada
rangkaian.
Dari
aliran
menyebabkan adanya arus yang mengalir dari antena menuju percabangan
ini
d1 dan
d2 ,sehingga d1 akan dibias maju dan d2 akan dibias mundur. Pada keadaan demikian,
C1 akan mengalami pengisian dan menyebabkan nilai high pada kaki masukan G1
•
Keluaran dari G1 akan bemilai low dan menjadi masukan bagi G 2 sehingga keluarannya
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
076
Presiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
a:an benilai high ,akibatnya LED indikator muatan positif akan dibias maJU dan
menyala.
- 3 pF
++++
� Cl
i
high
ohm
03
' LEDO
ohm:-
I3 pF
rv
C2
indikator
muatan
negatif
Vl
__
rangkaian yang sedang aktif
indikator
muatan
positif
rangkaian yang tidak aktif
Gambar Skema rangkaian saat benda bermuatan positif mendekati antena
Pada
saat
muatan
positif tersebut
dijauhkan,antena
yang
semula
banya:
mengandung elektron akan kembali kekeadaan semula (netral) sehingga ada pergerakan
elektron menjauhi antena. Pergera:an ini menyebabkan adanya arus yang bergerak
menuju antena , sehingga
d1 a:an dibias mundur
dan d2 akan dibias maju. Pada
keadaan ini menyebabkan masukan bagi gerbang G3 bernilai low sehingga keluarannya
bernilai high dan menyebabkan LED indikator muatan negatif menyala
Gambar LED indikator bermuatan positif dibias maju da! menyala
Faku�as Sains dan Matematika UKSW
07-7
Prosiding Seminar Nasional Sa ins dan Pendidikan Sains 2008
:- 3 pF
3) Saat benda bermuatan negatif bergerak
1------- I
�
i
--
Cl
Gl
G2
R2
R3
3p
f F
indikator
muatan
positif
' LEDO
270 ohm:-
- - C2
+
03
270 ohm
indikator
muatan
negatif
Vl
rv
angkaian yang tidak aktif
rangkaian yang sedang aktif
__
Gambar Skema rangkaian aat benda ermuatan negatif mendekati antena
Pada saat benda bermuatan negatif bergerak mendekati antena maka akn tejadi
aliran elekron menjauhi antena akioat adanya imeraksi eiektrostatis (tolak-menolak)
antara elektron-elekron i benda n eleron-elekron pada rangkaian. Dri aliran i
menyebabkan adanya
s
� ng�r i ·r
mn
ng�if mju e,
sehingga d1 akan dibias mundur dan d2 akan dibis maju. Keadan i menyebabkan
n pada G3 ii w ',gga kin. ii hih. Pada keadaan
demikia1 LED or bnn if dibis
dengan pada saat ena m.-
nf
bermuatan negatif tersebut menjauhi antena
ju ian
mnu
a
a
ny.. d��n i
a
A.angkan pada saat benda
dengan keaaan aat benda bermuatan
positif mendekati antena[3].
Gambar LED indikator bermuatan negatif dibias maju dan menyala
Fakultas Sains dan Matematika UKSW
07-8
Presiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains 2008
•t•
Cora Kcrja
Lungkah-langkah yang dilakukan dalam percobaan yaitu sebagai berikut:
1.
hatang pcrspek digosok-gosokkan ke kain sutera selama beberapa menit
2.
hatang pcrspek didekatkan ke antena
3.
I ihat pcrubah