SOAL LISTRIK STATIS

LISTRIK STATIS

A.     MUATAN LISTRIK DAN GAYA COULOMB

Pernahkah saat kecil Anda memainkan sebuah penggaris bersama potongan kertas kecil hasil sobek-sobek kemudian menggosok-gosokan penggaris tersebut ke rambut atau kulit kemudian didekatkan ke potongan kertas kecil tadi? yang terjadi kertas kecil akan terangkat ke penggaris yang baru saja digosok-gosok. Kenapa bisa terjadi seperti itu? itu karena terdapat muatan listrik di kejadian tersebut, mari kita bahas pengertian, rumus, contoh soal, dan penerapannya.

Listrik statis adalah kumpulan muatan listrik dalam jumlah tertentu yang tetap (statis), ketidakseimbangan muatan listrik di dalam atau permukaan benda. Muatan listrik akan tetap ada sampai benda kehilangan dengan cara sebuah arus listrik melepaskan muatan listrik.

Muatan listrik muncul karena adanya perpindahan elektron dari satu benda ke benda lain. Terdapat 2 muatan listrik yaitu muatan positif dan muatan negatif, dikatakan bermuatan positif apabila proton lebih banyak daripada jumlah elektron, dan begitupun sebaliknya. Sedangkan benda yang tidak memiliki muatan disebut netral.

Benda yang mempunyai muatan yang sejenis akan saling tolak-menolak ketika didekatkan satu sama lain, sebaliknya benda yang mempunyai muatan yang berbeda akan saling tarik-menarik. Interaksi yang terjadi antar muatan listrik bisa dijelaskan dengan Gaya Coulomb

Rumus Hukum Coulomb

Secara matematis, persamaan Hukum Coulomb dapat dituliskan sebagai berikut :

Keterangan

·       F adalah gaya tarik menarik atau tolak menolak (N)

·       k adalah konstanta pembanding yang nilainya 9x10⁹ Nm²/C²

·       q₁ adalah muatan pertama (C)

·       q₂ adalah muatan kedua (C)

·       r adalah jarak antar muatan (m) 

B.    KUAT MEDAN LISTRIK DAN FLUKS LISTRIK

1.   MEDAN LISTRIK PADA BOLA KUNDUKTOR

Medan listrik adalah daerah di sekitar benda yang bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Atau bisa disebut medan listrik adalah suatu daerah dimana gaya listrik masih bekerja. Medan listrik merupakan efek yang timbul oleh muatan listrik dalam suatu benda.

Arah medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik bisa digambarkan dengan garis-garis gaya listrik. Sebuah muatan positif mempunyai garis gaya listrik menjauhi (keluar) dari muatan tersebut. Dan sebuah muatan negatif mempunyai garis gaya listrik mendekati (masuk) muatan negatif.

Contoh Soal :

1.   Sebuah titik bermuatan q berada di titik P dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan (+) sehingga mengalami gaya sebesar 0,05 N dalam arah menuju muatan tersebut. Jika kuat medan di titik P besarnya 2 x 10 ^–2 NC ^–1, tentukan besar dan jenis muatan yang menimbulkan medan listrik tersebut !

Pembahasan

Diketahui :

Gaya listrik (F) = 0,05 N

Kuat medan listrik (E) = 2 x 10 ^–2 NC ^–1 = 0,02 NC ^–1

Ditanya : Besar dan jenis muatan yang menimbulkan medan

Jawab :

Muatan listrik dihitung menggunakan rumus yang menyatakan hubungan antara gaya listrik (F), medan listrik (E) dan muatan listrik (q) :

Muatan q mengalami gaya listrik dalam arah menuju muatan (+) yang menimbulkan medan listrik, sehingga muatan q bertanda negatif.

2.  Jarak dua muatan A dan B adalah 4 m. Titik C berada di antara kedua muatan berjarak 1 m dari A. Jika Q_A = –300 μC, Q_B = 600 μC. 1/4 π ε₀ = 9 × 10⁹ N m² C^–2 , tentukan kuat medan listrik di titik C pengaruh dari kedua muatan tersebut !

Pembahasan

Diketahui :

Jarak antara muatan A dan B (r_AB) = 4 meter

Jarak antara titik C dan muatan A (r_AC) = 1 meter

Jarak antara titik C dan muatan B (r_BC) = 3 meter

Muatan A (q_A) = –300 μC = -300 x 10^-6 C = -3 x 10^-4 Coulomb

Muatan B (q_B) = 600 μC = 600 x 10^-6 C = 6 x 10^-4 Coulomb

Konstanta (k) = 9 × 10⁹ N m² C^–2

Ditanya : kuat medan listrik di titik C

2. MEDAN LISTRIK PADA KEPING-KEPING SEJAJAR

   Pada dua keping sejajar yang mempunyai muatan listrik sama, tetapi berlawanan jenisnya, antara kedua keping tersebut terdapat medan listrik homogen. Di luar kedua keping juga terdapat medan listrik yang sangat kecil jika dibandingkan dengan medan listrik di antara kedua keping, sehingga dapat diabaikan, seperti pada Gambar 

  Jika luas keping A, masing-masing keping bermuatan +q dan -q, medan listrik dinyatakan oleh banyaknya garis- garis gaya, sedangkan garis-garis gaya dinyatakan sebagai jumlah muatan yang menimbulkan garis gaya tersebut (Hukum Gauss). Muatan listrik tiap satu satuan luas keping penghantar didefinisikan sebagai rapat muatan permukaan diberi lambang σ (sigma), yang diukur dalam C/m².

  Contoh  :

Sebuah bola kecil bermuatan listrik 10 μC berada di antara keping sejajar P dan Q dengan muatan yang berbeda jenis dengan rapat muatan 1,77 x 10-8 C/m². Jika g = 10 m/s² dan permitivitas udara adalah 8,85 × 10^-12 C² /Nm ², hitung massa bola tersebut!

 3 .   FLUKS LISTRIK

Pengertian Fluks Listrik

Kata fluks berasal dari kata bahasa latin, fluere, yang artinya mengalir. Secara harafiah, fluks listrik dapat diartikan sebagai aliran medan listrik. Kata aliran di sini tidak menunjukkan medan listrik mengalir seperti air mengalir, tetapi menjelaskan adanya medan listrik yang mengarah ke arah tertentu. Pada topik Garis-garis medan listrik telah dijelaskan bahwa medan listrik divisualisasikan atau digambarkan menggunakan garis-garis medan listrik karenanya fluks listrik juga digambarkan berupa garis-garis medan listrik. Jadi fluks listrik merupakan garis-garis medan listrik yang melewati suatu luas permukaan tertentu, sebagaimana dicontohkan pada gambar di bawah.

Rumus Fluks Listrik

Secara matematis, fluks listrik adalah hasil kali antara medan listrik (E), luas permukaan (A) dan cosinus sudut antara garis medan listrik dengan garis normal yang tegak lurus permukaan.

SOAL ARUS LISTRIK SEARAH

ARUS LISTRIK SEARAH (DC)

A. ALAT UKUR LISTRIK

Alat-alat ukur dasar listrik yang sering digunakan adalah Voltmeter, Ampermeter, Ohmeter. namun ketiga alat ukur itu sering dijadikan satu dengan nama Multimeter baik yang analog maupun digital dan Osiloskop

B.     PENGERTIAN ARUS LISTRIK SEARAH

Arus listrik searah (Direct Current atau DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah.

Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif sumber arus listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan-pengamatan yang lebih baru menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron ini menyebabkan terjadinya lubang-lubang bermuatan positif, yang “tampak” mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Contoh Soal

Arus listrik sebesar 5 A mengalir melalui seutas kawat penghantar selama 1,5 menit. Hitunglah banyaknya  muatan listrik yang melalui kawat  tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:     I   = 5 A            

                    t   =  1,5  menit  =  90 sekon

Ditanya:        Q =  ... ?

Jawab : Q = I.t = (5A) (90 s) = 450  C

C.     HAMBATAN LISTRIK DAN BEDAPOTENSIAL

HUKUM OHM

Bunyi Hukum Ohm

Pada dasarnya, bunyi dari Hukum Ohm adalah :

“Besar arus listrik (I) yang mengalir melalui sebuah penghantar atau Konduktor akan berbanding lurus dengan beda potensial / tegangan (V) yang diterapkan kepadanya dan berbanding terbalik dengan hambatannya (R)”.

Dimana :
V   = Volt (beda potensial atau tegangan listrik dengan satuan Volt (V))
I    = Kuat arus listrik dengan satuan Ampere (A))
R   = Hambatan listrik dengan satuan Ohm (Ω))

Contoh Soal

Setting DC Generator atau Power Supply untuk menghasilkan Output Tegangan 10V, kemudian atur nilai Potensiometer ke 1 kiloOhm. Berapakah nilai Arus Listrik (I)?

Penyelesaian:

Diketahui:              V  = 10 V         

                             R  =  1 KΩ  =  1000 Ω

Ditanya:                I    =  ... ?

Jawab :                  I = V / R
I = 10 / 10
I = 1 Ampere
Maka hasilnya adalah 1 Ampere.

Dengan R adalah hambatan kawat atau suatu alat lainnya,  V adalah beda potensial antara kedua ujung penghantar, dan I adalah arus yang mengalir. Hubungan ini (persamaan (7.2))  sering  dituliskan:

  V = I . R .................................................................................................................... (1.3)

Contoh Soal

Sebuah pemanas listrik memiliki hambatan listrik 5 Ω  dan kuat arus listrik 4 A. Berapakah  bedapotensial yang dibutuhkan pemanas tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:  R  =  5 Ω

I   =  4 A

Ditanya:     V  = ... ? Jawab:

Jawab :      V  = I x R

                      = 4 x 5

                      = 20 Volt

D.     HAMBATAN JENIS

Kita mungkin menduga bahwa hambatan yang di- miliki kawat yang tebal lebih kecil daripada kawat yang tipis, karena kawat yang lebih tebal memiliki area yang lebih luas untuk aliran elektron. Kita tentunya juga mem- perkirakan bahwa semakin panjang suatu penghantar, maka hambatannya juga semakin besar, karena akan ada lebih  banyak  penghalang  untuk  aliran elektron.

Berdasarkan eksperimen, Ohm juga merumuskan bahwa hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang l, berbanding terbalik dengan luas penampang lintang kawat A, dan bergantung kepada jenis bahan tersebut. Secara  matematis dituliskan:

dengan:

R  =  hambatan kawat penghantar ( Ω  )

l   =  panjang kawat penghantar (m)

A  =  luas penampang lintang penghantar  (m2)

ρ  =  hambatan jenis kawat penghantar   ( Ω .m)

Contoh Soal

Berapakah hambatan seutas kawat aluminium (hambatan jenis 2,65 x 10-8 Ωm) yang memiliki panjang 40 m dan diameter  4,2  mm?

Penyelesaian:

Diketahui:  ρ  =  2,65 x 10-8   Ω .m

     l   =  40 m

    d  =  4,2 mm           r = 2,1 mm = 2,1 x  10-3   m

Ditanya:     R  = ... ? 

Jawab:

Jenis-jenis Hambatan Listrik

Berbagai jenis hambatan listrik (Resistor)yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya sebagai berikut :

1.     Resistor Variabel

Variable Resistor adalah jenis Resistor yang nilai resistansinya dapat berubah dan diatursesuai dengan keinginan. Pada umumnya Variable Resistor terbagi menjadi Potensiometer, Rheostat dan Trimpot.

Rheostat

Rheostat merupakan jenis Variable Resistor yang dapat beroperasi pada Tegangan dan Arus yang tinggi. Rheostat terbuat dari lilitan kawat resistif dan pengaturan Nilai Resistansi dilakukan dengan penyapu yang bergerak pada bagian atas Toroid

         2.   Resistor tetap

Perhatikan gambar disamping! Pada resistor tetap, nilai hambatannya disimbolkan dengan warna-warna-warna yang melingkar pada kulit luarnya atau disebut cincin, nilai resistansi dihitung berdasarkan warna cincin pada kulit resistor.

TABEL WARNA RESISTOR

Rangkaian Hambatan

Pada rangkaian resistor terdiri dari dua rangkaian yaitu :

a.   Rangkaian Seri

b.   Rangkaian Paralel

A. Rangkaian Seri

Rangkaian seri dapat digambarkan sebagai beriku :

B. Rangkaian Paralel

Rankaian paralel dapat digambarkan sebagai berikut:

E.     GAYA GERAK LISTRIK

Gaya Gerak Listrik dapat timbul dari alat yang memiliki kutub negatif dan kutub positif yang terpisah. Dua kutub ini disebut terminal. Muatan listrik positif akan berkumpul di terminal positif. Muatan listrik positif akan berkumpul di terminal positif. Terminal positif disebut juga dengan anoda, sedangkan terminal negatif disebut juga dengan katoda.

Baterai dapat dianggap sebagai sebuah baterai ideal dengan gaya gerak listrik (E) disusun seri terhadap hambatan dalam (r). Tegangan jepit yang merupakan tegangan luar iR disimbolkan dengan V_AB.

Contoh Soal

1.     Empat (4) buah baterai yang masing-masing memiliki GGL 3V dan mempunyai hambatan dalam 1 Ω dirangkai dengan sebuah lampu yang berhambatan 8 Ω. Hitunglah kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian jika baterai dirangkai secara seri!

Jawaban:
Diketahui:
– Jumlah baterai (n) = 4
– Hambatan dalam baterai (r) = 1 Ω
– Gaya Gerak Listrik (ε) = 3 V
– Hambatan Lampu (R) = 8 Ω

Ditanyakan
– Kuat Arus Listrik (i) jika disusun secara seri

F.     DAYA DAN ENERGI LISTRIK

 1.     ENERGI LISTRIK

Peralatan yang kita gunakan seperti setrika, pemanas listrik, pengering rambut, pemanggang roti dan bola lampu jika dialiri listrik akan mengubah energi listrik menjadi energi bentuk lain, misalnya energi panas, atau cahaya pada lampu. Karena setiap alat-alat listrik mempunyai hambatan, dan arus yang melewatinya merupakan elektron yang bergerak dan kemudian akan bertumbukan dengan atom pada hambatan kawat, maka hambatan kawat pada alat tersebut menjadi panas.
Besarnya energi (W) ketika muatan (elektron) mengalir dengan beda potensial (V) adalah sebagai berikut

energi listrik menjadi cahaya

1.     DAYA LISTRIK

Energi yang diubah oleh peralatan listrik bila muatan q bergerak melintasi beda potensial sebesar V adalah qV. Daya P merupakan kecepatan perubahan energi atau energi persatuan waktu dan dirumuskan sebagai berikut :

Contoh Soal

Sebuah lampu bertuliskan 40 W/110 V dinyalakan selama 10 menit. Berapakah  arus listrik dan energi listrik yang diperlukan?

G.     HUKUM KIRCHOFF

Hukum Kirchhoff adalah dua persamaan yang berhubungan dengan arus dan beda potensial (umumnya dikenal dengan tegangan) dalam rangkaian listrik. Hukum ini pertama kali diperkenalkan oleh seorang ahli fisika Jerman yang bernama Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) pada tahun 1845.

1.     Hukum 1 Kirchhoff

Hukum Kirchhoff 1 menyatakan bahwa:

“Jumlah arus listrik yang masuk melalui titik percabangan dalam suatu rangkaian listrik sama dengan jumlah arus yang keluar melalui titik percabangan tersebut”

1.     Hukum 2 Kirchhoff

Jika hukum kirchoff pertama mengulas tentang arus listrik (pada percabangan) maka hukum kedua mengulas tentang hubungan tegangan dalam sebuah rangkaian tertutup kemudian disebut dengan “loop“.

Hukum Kirchhoff 1 menyatakan bahwa:

“Di dalam suatu rangkaian tertutup (loop) jumlah aljabar dari gaya gerak listrik dengan besarnya penurunan tegangan adalah sama dengan nol”