Listrik Magnet

LISTRIK STATIS

Konsep Dasar Listrik Statis

Listrik statis (electrostatic) membahas muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik.

Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Muatan listrik timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron dikatakan bermuatan negatif. Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik suatu benda.

Dua buah benda yang memiliki muatan sejenis akan saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Adapun dua buah benda dengan muatan yang berbeda (tidak sejenis) akan saling tarik menarik saat didekatkan satu sama lain. 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 dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.

gaya coulomb antara dua benda bermuatan listrik

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

(gambar)

R = F₁ + F₂ dan R = F₁ – F₂

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

(gambar)

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

(gambar)

Untuk penjumlahan lebih dari dua gaya, perhitungannya dapat menggunakan metode analitis (lihat pembahasan tentang analisis vektor).

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.

Gambar

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.

Kuat medan listrik juga merupakan besaran vektor karena memiliki arah, maka penjumlahan antara dua medan listrik atau lebih harus menggunakan penjumlahan vektor. Arah medan listrik dari sebuah muatan positif di suatu titik adalah keluar atau meninggalkan muatan tersebut. Adapun, arah medan listrik dari sebuah muatan negatif di suatu titik adalah masuk atau menuju ke muatan tersebut.

Gambar

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

(gambar) (gambar)

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),

Energi Potensial Listrik

Dua buah benda bermuatan listrik yang terletak berdekatan akan mengalami gaya listrik di antara keduanya. Suatu usaha diperlukan untuk memindahkan (atau menggeser) salah satu muatan dari posisinya semula. Karena usaha merupakan perubahan energi, maka besar usaha yang diperlukan sama dengan besar energi yang dikeluarkan. energi dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W) atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan dari posisi r₁ ke posisi r₂ adalah

(gambar)

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).

Potensial Listrik

Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah

Dimana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V).

Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut

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

V = E r

Gambar

Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik, potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.

Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.

Induksi Silang

Dalam bidang kelistrikan ada konsep yang sangat berguna, yaitu konsep induksi silang (mutual induction) atau ada juga yang menyebutnya sebagai induksi timbal-balik. Konsep ini merupakan awal mula dari pengembangan elektronika telekomunikasi. Aplikasi induksi timbal-balik digunakan untuk mentransmisikan sinyal elektromagnet melalui ruang dari satu perangkat ke perangkat lain. Di sini akan dibahas konsep dasar dari induksi silang sebagai dasar pemahaman bagi pengertian lebih lanjut tentang elektronika komunikasi.

arus listrik dalam loop kawat menginduksi medan magnet

Sebelumnya, kamu sudah mempelajari tentang medan magnet, bukan? Dalam pembahasan tentang medan magnet kamu sudah belajar bagaimana muatan listrik yang bergerak atau arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Bukankah begitu? Apakah kamu masih ingat, siapakah tokoh yang memperkenalkan konsep ini? Ya, dia adalah Hans Christian Oersted, seorang ahli fisika yang berasal dari Denmark. Konsep medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik dirumuskan secara lengkap oleh Ampere, dan dikenal dengan hukum Ampere. Konsep arus listrik yang dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet dikenal sebagai induksi magnet.

Selain itu, sebelumnya kamu juga sudah mempelajari bagaimana medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan arus listrik, bukan? Apakah kamu masih ingat siapakah tokoh yang berjasa dalam mengembangkan konsep ini? ya, dia adalah Michael Faraday, seorang tokoh terkemuka dalam fisika yang berkebangsaan Inggris. Konsep medan listrik (dalam bentuk arus listrik) yang dihasilkan (diinduksi) dari medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dikenal sebagai induksi elektromagnet.

medan magnet yang berubah-ubah menghasilkan arus listrik

Kedua konsep ini sangat berguna untuk memahami pengertian induksi silang yang akan dijelaskan berikut ini.

Induksi silang dapat terjadi pada dua buah rangkaian listrik. Salah satu rangkaian tersebut dialiri arus listrik sedangkan rangkaian yang lain tidak. Melalui peristiwa induksi silang, rangkaian yang dialiri arus listrik dapat “menginduksi” (baca: mentransmisikan listrik ke) rangkaian yang lain sehingga arus listrik dapat dihasilkan dalam rangkaian ini. untuk lebih jelasnya, coba kamu perhatikan gambar berikut ini.

induksi silang antara dua rangkaian

Berdasarkan prinsip Ampere bahwa arus listrik dapat menginduksi medan magnet, pada rangkaian dua (#2) arus listrik (i) dalam rangkaian dapat menghasilkan medan magnet (B). arus listrik yang digunakan dalam rangkaian haruslah arus yang berubah-ubah besarnya (bisa dilakukan dengan menggunakan arus bolak-balik). Mengapa? Coba kamu cari alasannya. Selanjutnya medan magnet ini menghasilkan fluks magnet yang menembus rangkaian listrik satu (#1) secara tegak lurus. Karena medan magnet yang menginduksi rangkaian listrik berubah-ubah maka arus listrik akan dihasilkan dalam rangkaian kedua ini. (Jadi, pertanyaan tadi sudah terjawab, kan).

Dihasilkannya arus listrik pada rangkaian kedua yang disebabkan oleh medan magnet dari rangkaian listrik lain yang dialiri arus listrik ini di mana antara kedua rangkaian tidak saling berhubungan dan terpisah oleh ruang merupakan konsep dasar dari induksi silang. Bagaimana, sudah paham kan sekarang?

Prinsip induksi silang dapat juga dimanfaatkan untuk memahami cara kerja transformator (trafo). Tahukah kamu, apa yang dimaksud dengan transformator? Secara singkat dijelaskan di sini bahwa transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik. Pembahasan tentang trafo akan diberikan dalam bahasan tersendiri.

Apakah kamu dapat menghubungkan konsep induksi silang yang sudah dibahas di sini dengan bagaimana cara kerja telepon seluler, radio, atau TV? Telepon seluler dapat menerima sinyal listrik dari perangkat lain walaupun kedua perangkat tidak saling bersentuhan atau berhubungan. Demikian juga dengan radio dan TV. Secara luas juga mencakup perangkat wireless (tanpa kabel) yang saat ini sangat bermanfaat dan banyak digunakan sehari-hari. Tentu saja konsep induksi silang dapat digunakan untuk menjelaskan peristiwa tersebut. Penjelasan lebih lanjut tentang cara kerja baik telepon seluler, radio, TV, maupun perangkat wireless lainnya akan dibahas dalam materi gelombang Elektromagnetik.

LISTRIK DINAMIS

Listrik Dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik. kuat arus pada rangkaian bercabang sama dengan kuata arus yang masuk sama dengan kuat arus yang keluar. sedangkan pada rangkaian seri kuat arus tetap sama disetiap ujung-ujung hambatan. Sebaliknya tegangan berbeda pada hambatan. pada rangkaian seri tegangan sangat tergantung pada hambatan, tetapi pada rangkaian bercabang tegangan tidak berpengaruh pada hambatan. semua itu telah dikemukakan oleh hukum kirchoff yang berbunyi "jumlah kuat arus listrik yang masuk sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar". berdasarkan hukum ohm dapat disimpulkan cara mengukur tegangan listrik adalah kuat arus × hambatan. Hambatan nilainya selalu sama karena tegangan sebanding dengan kuat arus. tegangan memiliki satuan volt(V) dan kuat arus adalah ampere (A) serta hambatan adalah ohm.

Hukum Ohm

Aliran arus listrik dalam suatu rangkaian tidak berakhir pada alat listrik. tetapi melingkar kernbali ke sumber arus. Pada dasarnya alat listrik bersifat menghambat alus listrik. Hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dapat diibaratkan seperti air yang mengalir pada suatu saluran. Orang yang pertama kali meneliti hubungan antara arus listrik, tegangan. dan hambatan adalah Georg Simon Ohm (1787-1854) seorang ahli fisika Jerman. Hubungan tersebut lebih dikenal dengan sebutan hukum Ohm.
Setiap arus yang mengalir melalui suatu penghantar selalu mengalami hambatan. Jika hambatan listrik dilambangkan dengan R. beda potensial V, dan kuat arus I, hubungan antara R, V, dan I secara matematis dapat ditulis:

Sebuah penghantar dikatakan mempunyai nilai hambatan 1 Ω jika tegangan 1 V di antara kedua ujungnya mampu mengalirkan arus listrik sebesar 1 A melalui konduktor itu. Data-data percobaan hukum Ohm dapat ditampilkan dalam bentuk grafik seperti gambar di samping. Pada pelajaran Matematika telah diketahui bahwa kemiringan garis merupakan hasil bagi nilai-nilai pada sumbu vertikal (ordinat) oleh nilai-nilai yang bersesuaian pada sumbu horizontal (absis). Berdasarkan grafik, kemiringan garis adalah α = V/T Kemiringan ini tidak lain adalah nilai hambatan (R). Makin besar kemiringan berarti hambatan (R) makin besar. Artinya, jika ada suatu bahan dengan kemiringan grafik besar. bahan tersebut makin sulit dilewati arus listrik. Komponen yang khusus dibuat untuk menghambat arus listrik disebut resistor (pengharnbat). Sebuah resistor dapat dibuat agar mempunyai nilai hambatan tertentu. Jika dipasang pada rangkaian sederhana, resistor berfungsi untuk mengurangi kuat arus. Namun, jika dipasang pada rangkaian yang
rumit, seperti radio, televisi, dan komputer, resistor dapat berfungsi sebagai pengatur kuat arus. Dengan demikian, komponen-komponen dalam rangkaian itu dapat berfungsi dengan baik. Resistor sederhana dapat dibuat dari bahan nikrom (campuran antara nikel, besi. krom, dan karbon). Selain itu, resistor juga dapat dibuat dari bahan karbon. Nilai hambatan suatu resistor dapat diukur secara langsung dengan ohmmeter. Biasanya, ohmmeter dipasang hersama-sama dengan amperemeter dan voltmeter dalam satu perangkat yang disebut multimeter. Selain dengan ohmmeter, nilai hambatan resistor dapat diukur secara tidak langsung dengan metode amperemeter voltmeter.

Hambatan Kawat Penghantar

Berdasarkan percobaan di atas. dapat disimpulkan bahwa besar hambatan suatu kawat penghantar 1. Sebanding dengan panjang kawat penghantar. artinya makin panjang penghantar, makin besar hambatannya, 2. Bergantung pada jenis bahan kawat (sebanding dengan hambatan jenis kawat), dan 3. berbanding terbalik dengan luas penampang kawat, artinya makin kecil luas penampang, makin besar hambatannya. Jika panjang kawat dilambangkan ℓ, hambatan jenis ρ, dan luas penampang kawat A. Secara matematis, besar hambatan kawat dapat ditulis :



Nilai hambatan suatu penghantar tidak bergantung pada beda potensialnya. Beda potensial hanya dapat mengubah kuat arus yang melalui penghantar itu. Jika penghantar yang dilalui sangat panjang, kuat arusnya akan berkurang. Hal itu terjadi karena diperlukan energi yang sangat besar untuk mengalirkan arus listrik pada penghantar panjang. Keadaan seperti itu dikatakan tegangan listrik turun. Makin panjang penghantar, makin besar pula penurunan tegangan listrik.

Hukum Kirchoff

Arus listrik yang melalui suatu penghantar dapat kita pandang sebagai aliran air sungai. Jika sungai tidak bercabang, jumlah air di setiap tempat pada sungai tersebut sama. Demikian halnya dengan arus listrik.

Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Pernyataan itu sering dikenal sebagai hukum I Kirchhoff karena dikemukakan pertama kali oleh Kirchhoff.
Maka diperoleh persamaan :
I₁ + I₂ = I₃ + I₄ + I₅
I _masuk = I _keluar

Rangkaian Hambatan

• Rangkaian Seri

Berdasarkan hukum Ohm: V = IR, pada hambatan R₁ terdapat teganganV₁ =IR₁ dan pada hambatan R₂ terdapat tegangan V₂ = IR ₂. Karena arus listrik mengalir melalui hambatan R₁ dan hambatan R_2, tegangan totalnya adalah V_AC = IR₁ + IR₂.
Mengingat VAC merupakan tegangan total dan kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian seperti di atas (rangkaian tak bercabang) di setiap titik sama maka
V_AC = IR₁ + IR₂
I R₁ = I(R₁ + R₂)
R₁ = R₁ + R₂ ; R₁ = hambatan total
Rangkaian seperti di atas disebut rangkaian seri. Selanjutnya, R₁ ditulis R_s (R seri) sehingga R_s = R₁ + R₂ +...+R_n, dengan n = jumlah resistor. Jadi, jika beberapa buah hambatan dirangkai secara seri, nilai hambatannya bertambah besar. Akibatnya, kuat arus yang mengalir makin kecil. Hal inilah yang menyebabkan nyala lampu menjadi kurang terang (agak redup) jika dirangkai secara seri. Makin banyak lampu yang dirangkai secara seri, nyalanya makin redup. Jika satu lampu mati (putus), lampu yang lain padam.

• Rangakaian Paralel

Mengingat hukum Ohm: I = V/R dan I = I₁+ I₂, maka

Pada rangkaian seperti di atas (rangkaian bercabang), V _AB =V₁ = V₂ = V. Dengan demikian, diperoleh persamaan

Rangkaian yang menghasilkan persamaan seperti di atas disebut rangkaian paralel. Oleh karena itu, selanjutnya R_t ditulis R_p (R_p = R _paralel). Dengan demikian, diperoleh persamaan
Berdasarkan persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa dalam rangkaian paralel, nilai hambatan total (R_p) lebih kecil dari pada nilai masing-masing hambatan penyusunnya (R₁ dan R₂). Oleh karena itu, beberapa lampu yang disusun secara paralel sama terangnya dengan lampu pada intensitas normal (tidak mengalami penurunan). Jika salah satu lampu mati (putus), lampu yang lain tetap menyala.

Download Buku-Buku Listrik Magnet

1. Fisika Dasar 1B (Listrik & Magnet) - Download  

2.  Listrik & magnet - Download 

3. Electromagnetism - Pollack, Stump - Download

4. Physics - An Introductory To Electromagnetic - download

5. (Electrical Engineering) Introduction to Electromagnetic Compatibility [Paul, Wiley 2006](1013s) - download 

6. Schaum's Electromagnetics - Download

7. Wangness - Electromagnetismo (Spanish) - download

Posted in: Listrik Magnet,Physics