Fisika Dasar Listrik

FISIKA DASAR(LISTRIK)

LISTRIK

LISTRIK DINAMISLISTRIK STATIS

LISTRIK STATIS1. Gaya Listrik

Tarik menarik atau tolak menolak antara dua buah benda bermuatan listrik adalah bentuk dari gaya listrik yang dikenal juga sebagai gaya coulomb.

• Gaya Coulomb

Gaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding besar muatan listrik dari tiap-tiap benda danberbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.

Dimana :

F= gaya Coloumb (C)

k=   9 x 109 N m2 C–2

q1 & q2= muatan (C)

r = jarak muatan (m)

• Gaya CoulombGaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding besar muatan listrik dari tiap-tiap benda danberbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.

Jika benda A memiliki muatan q1 dan benda B memiliki muatan q2 dan benda A dan benda B berjarak r satu sama lain, gaya listrik yang timbul di antara kedua muatan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:

Dimana :F adalah gaya listrik atau gaya coulomb dalam satuan newton k adalah konstanta kesebandingan yang besarnya 9 x 109 N m2 C–

2 muatan q dihitung dalam satuan coulomb (C)

konstanta k juga dapat ditulis dalam bentuk :

dengan ε0 adalah permitivitas ruang hampa yang besarnya 8,85 x 10–12 C2 N–1 m–2

GAYA LISTRIK MERUPAKAN BESARAN VEKTOR SEHINGGA OPERASI PENJUMLAHAN ANTARA DUA GAYA ATAU LEBIH HARUS MENGGUNAKAN KONSEP VEKTOR, YAITU SESUAI DENGAN ARAH DARI MASING-MASING GAYA. SECARA UMUM, PENJUMLAHAN VEKTOR ATAU RESULTAN DARI DUA GAYA LISTRIK F1 DAN F2 ADALAH SEBAGAI BERIKUT :

1. untuk dua gaya yang searah maka resultan gaya sama dengan penjumlahan dari kedua gaya tersebut. Adapun, untuk dua gaya yang saling berlawanan, resultan gaya sama dengan selisih dari kedua gaya

R = F1 + F2 dan R = F1 – F2

2. untuk dua gaya yang saling tegak lurus, besar resultan gayanya adalah

3. untuk dua gaya yang membentuk sudut θ satu sama lain, resultan gayanya dituliskan sebagai berikut

2. MEDAN LISTRIK• Sebuah muatan listrik dikatakan memiliki medan listrik di

sekitarnya. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Jika muatan lain berada di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik, muatan tersebut akan mengalami gaya listrik berupa gaya tarik atau gaya tolak.

• Arah medan listrik dari suatu benda bermuatan listrik dapat digambarkan menggunakan garis-garis gaya listrik. Sebuah muatan positif memiliki garis gaya listrik dengan arah keluar dari muatan tersebut. Adapun, sebuah muatan negatif memiliki garis gaya listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut.

• Besar medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik dinamakan kuat medan listrik. Jika sebuah muatan uji q’ diletakkan di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan, kuat medan listrik E benda tersebut adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya dibagi besar muatan uji.

Jadi, dituliskan

dan F = E q’Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

Di sini kuat medan listrik dituliskan dalam satuan N/C.

Dua plat sejajar yang bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan listrik timbul di antara dua plat tersebut. Kuat medan listrik di dalam dua plat sejajar yang bermuatan listrik adalah :

Dimana:

σ adalah rapat muatan dari plat yang memiliki satuan C/m2

ε0 adalah permitivitas ruang hampa Kita juga dapat menghitung kuat medan listrik dari sebuah

bola konduktor berongga yang bermuatan listrik, yaitu sebagai berikut.

Di dalam bola (r < R), E = 0

Di kulit atau di luar rongga (r > R),

3. HUKUM GAUSS• Hukum Gauss dinyatakan dengan jumlah garis

medan (secara kuantitatif) yang menembus suatu permukaan tertutup. Michael Faraday memperkenalkan cara menggambarkan medan (listrik, magnet maupun gravitasi) melalui konsep garis gaya (garis medan).

• Garis-garis gaya berawal pada titik muatan positif dan berakhir pada titik muatan negatif. Diantara titik awal dan titik akhir, garis gaya selalu kontinu dan tidak mungkin berpotongan, kecuali pada titik muatan lain yang terdapat diantaranya. 

Gambar (a)Garis gaya oleh muatan positif, (b) dipol listrik dan (c)dua muatan positif

4. ENERGI POTENSIAL LISTRIK

• energi dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W) atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan ujiq’ yang dipindahkan dari posisi r1 ke posisi r2 adalah

• Dengan demikian, usaha atau energi potensial untuk memindahkan sebuah muatan uji q’ yang berjarak r dari sebuah muatan lain q ke jarak tak berhingga dapat dituliskan sebagai berikut :

• Dimana tanda minus berarti usaha yang dilakukan selalu melawan gaya tarik yang ada (biasanya usaha yang dilakukan adalah usaha untuk melawan gaya tarik antara dua muatan).

3. BEDA POTENSIAL LISTRIK• Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang

dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah ;V= beda potensial (volt)W= usaha (joule)q = muatan (C)

• Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut :V=beda potensial (volt)k= 9 x 109 N m2 C – 2

q = muatan (C)r= jarak muatan (m)

• Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu :

V= beda potensial (volt)

E= kuat medan (N/C) V = E rr= jarak muatan (m)

4. KAPASITAS LISTRIKMelalui percobaan banyaknya muatan (Q) yang disimpan dalam sebuah kapasitor besarnya linier dan proporsioal terhadap beda tegangan pada kedua lempeng konduktor kapasitor atau secara matematis dapat ditulis:

Dimana :

Q : muatan listrik (satuan Coulomb ( C ) )

C : kapasitas kapasitor (satuan Farrad (F))

 : beda tegangan listrik pada kedua lempeng konduktor (satuan Volt (V))

LISTRIK DINAMIS

1. Arus Listrik

2. Hukum Ohm

b. Rangkaian Listrik Arus SearahPada suatu rangkaian akan mengalir arus, apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut :

1. Adanya sumber tegangan2. Adanya alat penghubung 3. Adanya beban

Pada kondisi sakelar S terbuka maka arus tidak akan mengalir melalui beban. Apabila sakelar S ditutup maka akan mengalir arus ke beban R dan Ampere meter akan menunjuk. Dengan kata lain syarat mengalir arus pada suatu rangkaian harus tertutup. 

Hukum I Kirchoff merupakan hukum kekekalan muatan listrik yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik yang ada pada sebuah sistem tertutup adalah tetap.

Hukum II Kirchoff adalah hukum kekekalan energi yang diterapkan dalam suatu rangkaian tertutup. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah aljabar dari GGL (Gaya Gerak Listrik) sumber beda potensial dalam sebuah rangkaian tertutup (loop) sma dengan nol.Hukum II Kirchoff ini dirumuskan dengan persamaan

Di mana V adalah beda potensial komponen komponen dalam rangkaian (kecuali sumber ggl) dan E adalah ggl sumber.

• Dari rangkaian sederhana di atas, maka akan berlaku persamaan berikut (anggap arah loop searah arah arus)I . R + I . r - E = 0..............1)E = I (R + r)I = E/(R + r)Persamaan 1 dapat ditulis dalam bentuk lain seperti berikutI . R = E - I . rDi mana I . R adalah beda potensial pada komponen resistor R, yang juga sering disebut dengan tegangan jepit .

b. Pengertian Energi ListrikEnergi listrik adalah kemampuan yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari satu titik ke titik yang lain.  Sedangkan perumusan yang digunakan untuk menentukan besar energi listrik adalah :W = Q.Vketerangan :W = Energi listrik ( Joule)Q = Muatan listrik ( Coulomb)V =  Beda potensial ( Volt )Karena I = Q/t maka diperoleh perumusan turunan sebagai berikut:W = (I.t).VW = V.I.t

Apabila persamaan tersebut dihubungkan dengan hukum Ohm ( V = I.R) maka diperoleh

perumusanW = I.R.I.t

RUMUS ENERGI LISTRIK : W=V.I.T = I² R t = V²/R t

Satuan energi listrik lain yang sering digunakan adalah kalori, dimana 1 kalori sama dengan

0,24 Joule selain itu juga menggunakan satuan kWh (kilowatt jam).