prototipe buku materi pokok - repository.unesa.ac.id

ii

PROTOTIPE BUKU MATERI POKOK PRAKTIKUM IPA

MODEL PHYSICS INDEPENDENT

LEARNING

KELISTRIKAN & KEMAGNETAN

Paken Pandiangan, S.Si., M.Si.

Prof. Dr. Budi Jatmiko, M. Pd.

Dr. I Gusti Made Sanjaya, M. Si.

JAUDAR PRESS

iii

Hak Cipta @ pada penulis dilindungi oleh Undang-undang

Hak percetakan dan penerbitan pada Jaudar Press

Jl. Jemur Wonosari Lebar 61

Surabaya 60237

Telp & Fax: (031) 8491461

Email: [email protected]

Dilarang mengutip sebagian ataupun seluruh buku ini

dalam bentuk apapun tanpa seizing dari penerbit

ISBN: 978-602-6691-06-4

No. Hak Cipta: EC00201700962/ 02036

Edisi pertama, Pebruari 2017

Penulis:

Paken Pandiangan, S.Si., M. Si.

Prof. Dr. Budi Jatmiko, M. Pd.

Dr. I Gusti Made Sanjaya, M. Si.

v

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan yang

Maha Kuasa yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya

sehingga penulis dapat menyelesaikan Buku Materi Pokok (BMP)

Praktikum IPA di SD Model Physics Independent Learning (PIL)

materi Kelistrikan dan Kemagnetan ini dengan baik. Prototipe BMP

Model PIL ini disusun melalui kajian mendalam baik secara teoretis

maupun secara empiris yang diharapkan dapat meningkatkan

keterampilan pemecahan masalah (KPM) dan keterampilan belajar

mandiri (KBM) mahasiswa pada PTJJ. Prototipe BMP Model PIL ini

dikembangkan berdasarkan Buku Model PIL yang sudah

dikembangkan sebelumnya di mana setiap uraian materi dirancang

secara khusus melalui sintak model PIL yang terdiri atas 6 fase, yaitu:

Inisiation and Persistence, Responsibiliyi, Self and Group

Investigation, Analysis, Analysis, Presenting and Discussion,

Strenghening and Evaluation. Setiap fase pada Prototipe BMP Model

PIL ini disusun berdasarkan aktivitas mahasiswa dan tutor dalam

proses face to face tutorial sehingga dapat memenuhi harapan

pembelajaran abad 21 dan sesuai dengan tuntutan kurikulum KKNI

pada jenjang pendidikan tinggi menurut Standar Nasional Pendidikan

Tinggi (SNPT) pada PTJJ. Prototipe BMP Model PIL ini juga

dilampiri dengan perangkat tutorial berupa Silabus [Garis-garis Besar

Rancangan Pembelajaran (GBRP), Rancangan aktivitas Tutorial

(RAT), Satuan Aktivitas Tutorial (SAT)], Lembar Kerja Mahasiswa

(LKM), dan Rubrik Penilaian Pemecahan Masalah Fisika (RPPMF).

Penulis menyadari bahwa penulisan Buku Model PIL ini tidak

terlepas dari dukungan dan bantuan berbagai pihak. Atas dukungan

dan bantuan itu penulis ucapkan banyak terima kasih. Oleh karena itu,

pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan

penghargaan yang setinggi-tingginya kepada: Prof. Dr. Indrawati,

M.P, Prof. Dr. I Ketut Mahardika, M.Si., Dr. Artoto Arkundato, M.Si.

sebagai ahli (ahli Pembelajaran Fisika/ Sains, ahli Materi Fisika/

vi

Sains, Praktisi Pendidikan Terbuka dan Jarak Jauh) yang bersedia

memberikan masukan dan memvalidasi model ini sehingga

dinyatakan valid baik isi maupun konstruknya; Prof. Dr. M. Nur, Prof.

Dr. Muslimin Ibrahim, M. Pd, Prof. Dr. Prabowo, M.Pd., Prof.

Suparman Kardi, Ph.D., Prof. Dr. Leny Yuanita, M.Kes., Prof. Dr.

Tjandrakirana, MS., Sp.And atas masukan dan diskusinya yang sangat

bermanfaat.

Penulis menyadari bahwa Buku model PIL ini masih belum

sempurna sehingga diharapkan saran dan kritik dari semua pihak.

Semoga Buku model PIL ini dapat menjadi acuan kepada peneliti

dalam melaksanakan kegiatan penelitian yang berkaitan dengan

keterampilan pemecahan masalah dan keterampilan belajar mandiri

mahasiswa pada PTJJ.

Surabaya, Pebruari 2016

Penulis

vii

DAFTAR ISI

JUDUL .................................................................................................... ii

SERTIFIKAT HAK CIPTA ................................................................. iv

KATA PENGANTAR ........................................................................... v

DAFTAR ISI ......................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................ viii

DAFTAR TABEL .................................................................................. ix

Kompetensi inti KKNI dan SNPT ........................................................ x

Kompetensi Umum dan Kompetensi Khusus...................................... x

Sintaks, aktivitas mahasiswa, dan aktivitas tutor model PIL ............ x

setiap Kegiatan Belajar pada Buku Materi Pokok ............................. xi

PENDAHULUAN .................................................................................. 8.1

Kelistrikan dan Kemagnetan ................................................................ 8.1

Kegiatan Belajar 1: Listrik Statis......................................................... 8.3

Fase 1: Initiation and persistence/ Inisiasi dan persistensi ...................... 8.3

Fase 2: Responsibility/ Tanggung jawab ................................................. 8.6

Fase 3: Self and group investigation/ Investigasi mandiri dan kelompok 8.7

Percobaan Muatan Listrik 8.7

Fase 4: Analisys/ analisis ......................................................................... 8.9

Fase 5: Presenting and discussion/ Presentasi dan diskusi ...................... 8.9

A. Muatan listrik ....................................................................... 8.9

B. Hukum Coulomb .................................................................. 8.14

C. Medan listrik......................................................................... 8.16

D. Energi Potensial listrik ......................................................... 8.20

Fase 6: Strengthening and evaluation/ Penguatan dan evaluasi .............. 8.26

Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.26

Kesimpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.27

Evaluasi Formati f 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.27

Kegiatan Belajar 2: Listrik Dinamis .................................................... 8.29


Fase 2: Responsibility/ Tanggung jawab ................................................. 8.31

Fase 3: Self and group investigation/ Investigasi mandiri dan keompok . 8.32

Percobaan 1: Arus Listrik ........................................................ 8.32

viii

Percobaan 2: Tegangan Listrik ................................................ 8.34

Fase 4: Analisys/ Analisis ........................................................................ 8.37


A. Arus, Tegangan, Hambatan, Resistivitas, dan

Konduktivitas Listrik ............................................................ 8.40

B. Hukum Ohm ...................................................................... 8.42

C. Gaya Gerak Listrik ........................................................... 8.46

Fase 6: strengthening and evaluation/ Penguatan dan evaluasi ............... 8.48

Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.48

Kesimpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.49


Kegiatan Belajar 3: Bentuk dan Gejala Medan Magnet .................... 8.51


Fase 2: Responsibility/ Tanggung jawab .................................................. 8.53


Percobaan Bentuk Medan Magnet .......................................... 8.54

Percobaan Mengamati Gejala Medan Magnet ....................... 8.55



A. Sifat kemagnetan .................................................................. 8.58

B. Medan Magnetik ................................................................... 8.60

Fase 6: Strengthening and evaluation/ Penguatan dan evaluasi ............... 8.65

Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.65

Kesimpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.67


Kegiatan Belajar 4: Sifat Kemagnetan Zat dan Cara Membuat

Magnet ................................................................ 8.69


Fase 2: Responsibility/ Tanggung jawab .................................................. 8.71


Percobaan Mengamati Sifat-sifat Magnet ............................... 8.72

Percobaan Penerapan hukum Faraday ................................... 8.73



C. Sifat kemagnetan zat ............................................................ 8.80

ix

D. Penerapan gaya magnetik pada arus listrik....................... 8.84

E. Induksi elektromagnetik ...................................................... 8.87

F. Penerapan Hukum Faraday ................................................ 8.89

Fase 6: Strengthening and evaluation/ Penguatan dan evaluasi .............. 8.95

Rangkuman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.95

Kesimpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.97


Kunci Jawaban Evaluasi Formatif ....................................................... 8.99

Evaluasi Formatif 1 ......................................................................... 8.99




Glosarium ........................................................................................ 8.103

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................... 8.104

PDGK4107/MODUL 8 8.1

Setelah mempelajari modul ini mahasiswa

diharapkan mampu menerapkan konsep-

konsep dasar IPA Fisika melalui kegiatan

praktikum kelistrikan dan kemagnetan.

Modul 8

Kelistrikan dan Kemagnetan

Paken Pandiangan, S.Si., M.Si.

lmu tentang kelistrikan bermula dari pengamatan sepotong ambar yang

digosok sehingga dapat menarik potongan jerami. Gejala kelistrikan ini

ditemukan pertama kali oleh seorang Yunani yang bernama Thales dari

Militus pada abad ke-6 sebelum Masehi. Kelistrikan diterjemahkan dari kata

"electricity" yang berasal dari

kata dalam bahasa Yunani

"elektron", yang berarti

"ambar". Ambar adalah

pohon damar yang membatu.

Orang-orang zaman purba

mengetahui bahwa jika

batang ambar yang digosok dengan sepotong kain, maka ambar tersebut akan

memiliki sifat yang dapat menarik benda-benda kecil yang berada di

sekitarnya.

Tahun 1600, William Gilbert seorang dokter pribadi Ratu Elizabeth I

dari Inggris meneliti lebih lanjut tentang peristiwa ini, dengan membedakan

benda menjadi dua golongan, yang sekarang dinamakan isolator dan

konduktor. Berkaitan dengan perkembangan ilmu pengetahuan telah

dibuktikan pula bahwa listrik terdiri atas partikel-partikel kecil yang

bermuatan negatif dan positif yang selanjutnya dinamakan elektron dan

proton.

Hukum-hukum pada kelistrikan memiliki hubungan yang sangat erat

dengan hukum-hukum pada kemagnetan. Hukum-hukum ini memiliki

peranan sentral dalam mengoperasikan beberapa rangkaian elektronik, seperti

pada radio, televisi, motor listrik, akselerator energi tinggi, rangkaian

elektronik untuk alat-alat kedokteran dan lain sebagainya. Sedangkan kata

"magnet" berasal dari kata magnesia. Magnesia adalah nama sebuah kota

I

Kompetensi Umum

8.2 Praktikum IPA di SD

Setelah mempelajari modul ini mahasiswa dapat

belajar mandiri dan memecahkan masalah yang

berhubungan dengan:

1. karakteristik muatan listrik dan gaya Coulomb;

2. medan listrik dan energi potensial listrik;

3. arus listrik dan besaran-besaran pada hukum

Ohm;

4. besaran pada gaya gerak listrik;

5. sifat kemagnetan zat dan medan magnetik;

6. gaya magnetik pada arus listrik dan peristiwa

induksi elektromagnetik;

7. hukum Faraday dan penerapan induksi

elektromagnetik.

tua di daerah Asia Kecil yaitu tempat di mana ditemukannya magnet alam

yang merupakan butir-butir kasar dari biji besi. Magnet alam itu bersifat

menarik terhadap besi.

Sejak tahun 121 telah

diketahui bahwa sebatang

besi bila didekatkan pada

sebuah magnet alam, maka

besi akan memiliki sifat

seperti magnet alam juga.

Ditinjau dari asal

terbentuknya, magnet

digolongkan menjadi dua

bagian yaitu magnet alam

dan magnet buatan.

Magnet alam adalah

magnet yang secara alami

telah terbentuk di alam

sejak awal, sedangkan

magnet buatan adalah

magnet yang sengaja

dibuat oleh manusia

dibuat oleh manusia dengan cara tertentu. Dalam dunia teknologi, magnet

sangat banyak dimanfaatkan misalnya digunakan untuk mengangkat barang-

barang rongsokan dari bahan logam yang sangat berat.

Materi yang akan dibahas dalam modul ini terdiri atas empat kegiatan

belajar. Kegiatan Belajar 1 & 2 adalah Kelistrikan yang membahas tentang

Listrik Statis (muatan listrik, gaya Coulomb, medan listrik, energi listrik,

potensial listrik) dan Listrik Dinamis (arus listrik, hukum Ohm, dan gaya

gerak listrik). Sedangkan Kegiatan Belajar 3 & 4 adalah Kemagnetan yang

membahas tentang sifat kemagnetan, medan magnetik, sifat kemagnetan zat,

penerapan gaya magnetik pada arus listrik, induksi elektromagnetik, dan

penerapan hukum Faraday.

Kompetensi Khusus


Kegiatan Belajar

1

Penerapan pembelajaran model PIL pada fase 1 ini,

mahasiswa dihadapkan pada masalah yang bersifat autentik

tentang materi listrik statis untuk membangkitkan inisiasi

dan persistensi mahasiswa. Inisiasi mahasiswa dapat tumbuh

dengan cara mengamati dan memprediksi apa yang akan

terjadi pada percobaan listrik statis, sedangkan untuk

membangkitkan persistensi mahasiswa, yaitu dengan cara

mencoba dan melakukan simulasi yang diberikan oleh tutor.

Pada fase ini, mahasiswa diharapkan mampu menggunakan

dan mengembangkan kemampuan dasar yang dimilikinya untuk

menentukan tujuan pembelajaran dan merumuskan masalah

secara mandiri.

Listrik Statis

Gambar 8.1. Sebuah balon siap digosok pada kain wool

Masalah Autentik:

Apakah yang akan terjadi

apabila sebuah balon yang

terbuat dari bahan karet ketika

digosokkan pada sebuah kain

wool dalam waktu tertentu

(lihat Gambar 8.1), kemudian

balon tersebut didekatkan

pada dinding?

FASE 1: INITIATION AND PERSISTENCE

(INISIASI DAN PERSISTENSI)


Gambar 8.2. Setelah digosok balon tertarik pada kain wool

Gambar 8.3. Setelah digosok balon tertarik pada dinding

Untuk membangkitkan

inisiasi dalam diri

mahasiswa dalam masalah

autentik materi listrik statis

ini, mahasiswa dapat

mengamati dan memprediksi

fenomena apa yang akan

terjadi dari peristiwa

tersebut? Untuk

membangkitkan persistensi,

mahasiswa diharapkan dapat

mencoba dan melakukan

simulasi Balloons and Static

Electricity secara mandiri

baik individu maupun dalam

kelompok seperti

ditunjukkan pada Gambar

8.2 dan Gambar 8.3.

Gambar 8.4. Dua buah muatan terpisah pada jarak tertentu

Masalah Autentik:

Perhatikan Gambar 8.4. Bagaimana

pengaruh gaya Coulomb pada dua buah

muatan positif dan negatif yang

ditempatkan terpisah pada jarak tertentu?

Bagaimana pengamatan dan prediksi

mahasiswa terhadap pola garis-garis

gaya yang timbul di antara dua muatan

tersebut?


Gambar 8.5. Pola garis gaya pada dua buah muatan berbeda

Gambar 8.6. Pola garis gaya pada empat buah muatan

Ambil dua buah muatan masing-masing

satu muatan positif dan satu muatan

negatif kemudian kedua muatan

diletakkan di tengah kotak dengan jarak

tertentu sampai mahasiswa menyaksikan

suatu pola garis gaya yang terbentuk

antara dua muatan. Agar mahasiswa

memahami bagaimana interaksi antara

dua buah muatan, coba dan simulasikan

dengan cara menggerakkan salah satu

muatan ke berbagai posisi dan

perhatikan pola-pola yang sangat

menarik pada Charges and Fields

Simulation seperti diperlihatkan pada

Gambar 8.5. mahasiswa dapat mencoba

melakukan simulasi dengan jumlah

muatan yang bervariasi, jarak dan posisi

yang bervariasi seperti diperlihatkan

pada Gambar 8.6, amati bagaimanakah

pola-pola garis-garis gaya yang

dihasilkan?

Dari dua peristiwa masalah autentik tersebut, apakah mahasiswa

menemukan hasil yang sama antara fenomena yang diamati/diprediksi

dengan hasil simulasi yang dilakukan? Bila ternyata sama, maka mahasiswa

dapat menentukan tujuan pembelajaran dan melanjutkan pada fase

pembelajaran selanjutnya dengan semangat dan pemahaman yang benar.

Tetapi bila tidak sama, maka mahasiswa dapat mencoba dan melakukan

kembali simulasi dengan usaha yang lebih bersungguh-sungguh sehingga

mahasiswa dapat memahami perbedaan yang terjadi sebelum menentukan

tujuan pembelajaran dan melanjutkan pada fase berikutnya.


Pada fase 2 ini, tutor memberikan

tanggung jawab kepada mahasiswa

sehingga diharapkan mampu

mengidentifikasi variabel-variabel, dan

merumuskan hipotesis tentang listrik

statis secara mandiri.

F

A

S

E

Berdasarkan masalah autentik tersebut, mahasiswa secara mandiri dapat

menentukan tujuan pembelajaran yang berkaitan dengan listrik statis, yaitu:

1. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

4. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

Rumusan masalah dalam percobaan listrik statis ini adalah:

1. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

4. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

FASE 2: RESPONSIBILITY

(TANGGUNG JAWAB)


Pada fase 3 ini, mahasiswa melakukan investigasi mandiri

secara individu dan dalam kelompok sehingga mahasiswa

diharapkan mampu menentukan tujuan percobaan, menyiapkan

alat dan bahan, menyusun cara kerja, dan mengumpulkan

data yang diperlukan tentang listrik statis.

Variabel-variabel yang ada pada materi listrik statis ini adalah:

Variabel bebas: --------------------------------------------------------------------

Variabel terikat: -------------------------------------------------------------------

Berdasarkan rumusan masalah dan identifikasi variabel, maka dapat

diajukan hipotesis sebagai berikut.

1. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

4. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

Kegiatan Penyelidikan

1. Percobaan Muatan Listrik

a. Alat dan Bahan

1) Bola pingpong 2 buah.

2) Benang jahit secukupnya.

3) Lembaran wool dan nilon.

4) Tas plastik.

5) Isolasi.

6) Sisir plastik.

7) Potongan kertas yang kecil-kecil.

FASE 3: SELF AND GROUP INVESTIGATION

(INVESTIGASI MANDIRI SECARA

INDIVIDU DAN DALAM KELOMPOK)


b. Cara Kerja

1) Gantunglah sebuah bola pingpong pada bagian pinggir meja

dengan menggunakan benang dan isolasi. Gosoklah tas plastik

pada baju mahasiswa beberapa kali, kemudian dekatkan pada

bola pingpong. Amatilah apa yang terjadi!

2) Gosoklah sisir pada rambut mahasiswa beberapa kali, kemudian

dekatkan pada potongan-potongan kertas yang terletak di atas

meja. Amatilah apa yang terjadi!

3) Apa yang terjadi apabila percobaan (2) dibiarkan dalam waktu

yang cukup lama? Berikan penjelasan.

4) Ikatlah kedua bola pingpong dengan benang, kemudian

gantungkan ke bagian pinggir meja (tempelkan dengan isolasi).

Dekatkanlah kedua bola (jangan sampai bersentuhan). Amati

apa yang terjadi!

5) Gosoklah bola kiri dan kanan dengan kain wool, dekatkan

keduanya. Amati apa yang terjadi!

6) Lengkapilah tabel di bawah ini dengan hasil pengamatan

mahasiswa. Apakah hasilnya "tolak-menolak" atau "tarik-

menarik". Tabel 8.1. Interaksi dua buah benda bermuatan

Bola pingpong kiri

digosok dengan

Bola pingpong kanan digosok dengan

wool plastik nilon

wool

plastik

nilon


Pada fase 4 ini mahasiswa diharapkan mampu secara

mandiri mengolah data yang diperoleh dari hasil

percobaan listrik statik dan menganalisis data

percobaan tersebut secara individu dan dalam

kelompok serta membandingkan hasilnya secara

teoretis maupun empiris.

Pada fase 5 ini masing-masing kelompok mahasiswa

diharapkan mampu mempresentasikan hasil investigasi dan

analisis yang diperoleh serta mendiskusikan materi listrik

statis dengan kelompok yang lain. Salah satu dari anggota

masing-masing kelompok dipilih sebagai juru bicara untuk

presentasi, sedangkan salah seorang lainnya menjadi

moderator untuk memimpin jalannya diskusi pleno.

Agar dapat melakukan analisis terhadap hasil penyelidikan pada fase 4,

maka mahasiswa harus mencermati secara teliti mengapa kedua bola

pingpong tidak ada interaksi dan hubungkan dengan sifat muatan pada suatu

benda. Telusuri lebih jauh bagaimana sifat-sifat muatan suatu benda ditinjau

dari jenisnya, garis-garis gaya yang timbul, dan kuat medan magnetnya.

Berdasarkan sifat-sifat muatan tersebut, maka mahasiswa dapat menarik

suatu kesimpulan yang berkaitan dengan muatan listrik, gaya Coulomb, jarak

antara dua muatan, kuat medan listrik, dan potensial listrik.

A. MUATAN LISTRIK

Studi tentang kelistrikan dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu,

Listrik Statis dan Listrik Dinamis. Listrik statis adalah suatu bidang ilmu

yang mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan diam.

FASE 4: ANALISYS (ANALISIS)

FASE 5: PRESENTING AND DISCUSSION

(PRESENTASI DAN DISKUSI)


Suatu benda dikatakan bermuatan listrik negatif jika benda tersebut

memperoleh tambahan elektron dari benda lain. Sebaliknya, benda bermuatan

listrik positif apabila benda tersebut

mengalami pengurangan elektron.

Pada peristiwa penggosokan ebonit

dengan kain wool misalnya.

Sebelum Proses penggosokan, baik

kain wool sebagai penggosok

maupun ebonit sebagai benda yang

digosok adalah sama-sama bersifat

netral. Pada keadaan netral, jumlah

muatan listrik positif sama dengan

jumlah muatan listrik negatif

(jumlah proton sama dengan

jumlah elektron). Ketika proses

penggosokan berlangsung, akan

terjadi perpindahan elektron dari

kain wool ke ebonit. Jadi setelah

proses penggosokan, kain wool

mengalami pengurangan elektron

sehingga bermuatan positif,

sedangkan batang ebonit mengalami penambahan elektron, sehingga

bermuatan negatif.

Proses penggosokan batang kaca dengan kain sutra, pada awalnya baik

batang kaca maupun kain sutra masih bersifat netral. Tetapi akibat

penggosokan batang kaca dengan kain sutra, maka terjadilah perpindahan

elektron dari kaca ke kain sutra. Setelah proses penggosokan, kain sutra

mendapat tambahan elektron hingga bermuatan negatif. Sebaliknya pada

batang kaca karena pada proses penggosokan tersebut mengalami

pengurangan elektron, di mana elektron-elektron batang kaca menempel pada

kain sutra, maka menjadi bermuatan listrik positif.

Untuk mengetahui sifat muatan listrik statis, kita dapat melakukan

percobaan sederhana, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.7. Sebatang kaca

digantungkan dengan seutas benang dan digosok secara hati-hati dengan kain

untuk memberikan muatan padanya. Jika batang kaca kedua yang dimuati

dengan cara serupa didekatkan penggaris pertama, ternyata penggaris

pertama ditolak, seperti diperlihatkan pada Gambar 8.7(a). Dengan cara yang

Apakah yang menyebabkan

benda-benda bermuatan listrik

positif atau bermuatan listrik

negatif?

Bagaimanakah interaksi antara

dua buah muatan yang sejenis

dan muatan yang berlawanan

jenis?

Jelaskan sifat-sifat muatan.

Jelaskan perbedaan konduktor

dan isolator serta berikan

contohnya masing-masing.

Presentasi dan Diskusi


Gambar 8.7. Interaksi dua buah muatan yang sejenis dan berlawanan jenis

Gambar 8.8.

Model atom helium

sama, sebuah penggaris plastik tergantung yang telah digosok akan ditolak

oleh penggaris plastik kedua yang diberi muatan seperti yang diperlihatkan

pada Gambar 8.7(b). Sebaliknya, jika kaca bermuatan didekati penggaris

bermuatan, ternyata

dua benda itu saling

tarik-menarik,

seperti

diperlihatkan pada

Gambar 8.7(c).

Kemudian dapat

ditarik kesimpulan

bahwa muatan

sejenis akan tolak-

menolak dan

muatan berlawanan

jenis akan tarik-

menarik.

Apakah muatan listrik itu? Muatan listrik berasal dari atom-atom

penyusun zat itu. Pandangan ilmiah saat ini menyatakan bahwa atom terdiri

atas inti berat yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh satu elektron atau

lebih yang bermuatan positif. Inti terdiri atas proton yang bermuatan positif

dan neutron yang tidak

bermuatan listrik. Muatan

proton sama dengan muatan

elektron, tetapi berlawanan

tanda. Massa proton adalah

1,675 x 10-27 kg, hampir

sama dengan massa neutron

sebesar 1,673 x 10-27 kg,

sedangkan massa elektron

kira-kira 1/1836 kali massa

proton, yaitu 9,11 x 10-31

kg. Atom-atom netral memiliki jumlah elektron yang sama dengan jumlah

proton. Gambar 8.8 menunjukkan model atom helium.

Inti atom dalam zat padat cenderung berada pada posisi tertentu yang

tetap, sedangkan elektron-elektron bergerak bebas. Dalam zat cair dan gas

inti dan ion dapat bergerak seperti elektron. Pada waktu penggaris plastik


Gambar 8.9. (a) Batang logam netral memperoleh muatan (b) Ketika disentuhkan dengan batang logam

lain yang bermuatan

digosok dengan kain, elektron-elektron dalam kain berpindah ke dalam

penggaris plastik, sehingga kain bermuatan positif yang besarnya sama

dengan muatan negatif yang diperoleh penggaris plastik itu. Jelaskan apa

yang terjadi jika sebatang kaca digosok dengan kain sutra.

Aliran muatan disebut arus listrik. Berdasarkan sifat hantaran listrik,

hampir semua zat dapat dikelompokkan dalam dua kategori, yaitu konduktor

dan isolator. Dalam konduktor muatan dapat mengalir dengan mudah.

Logam, banyak zat cair, dan plasma (gas-gas yang memiliki partikel-partikel

bermuatan) adalah konduktor. Zat padat bukan logam, zat cair tertentu, dan

gas yang netral adalah isolator. Beberapa zat (misalnya germanium, silikon,

dan karbon) memiliki kategori antara, yang disebut semikonduktor. Pada

temperatur sangat rendah terdapat logam, campuran logam, dan senyawa

kimia tertentu yang memungkinkan arus lewat tanpa mengalami rintangan.

Peristiwa ini disebut superkonduktivitas dan zat-zat itu termasuk dalam

kategori superkonduktor.

Dari sudut pandang atomik, konduktor terdapat sejumlah elektron yang

terikat lemah terhadap inti, sehingga bisa bergerak secara bebas dalam zat itu

dan elektron-elektron ini disebut elektron bebas atau elektron konduksi.

Sebaliknya, elektron-elektron dalam isolator terikat kuat terhadap inti, hampir

tidak ada elektron bebas. Dalam semikonduktor terdapat sangat sedikit

elektron bebas.

Misalkan batang logam netral dalam Gambar 8.9(a) disentuh dengan

batang logam bermuatan positif seperti dalam Gambar 8.9(b). Elektron bebas

dalam batang logam netral akan tertarik ke dalam batang logam bermuatan

positif, sehingga

batang logam yang

mula-mula netral

sekarang menjadi

bermuatan positif.

Proses semacam ini

disebut “memuati

dengan konduksi”

atau “dengan

sentuhan”, dan dua

benda itu akhirnya mempunyai muatan yang sama.

Sekarang misalkan batang logam bermuatan positif didekatkan pada

batang logam netral, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.10. Elektron-

elektron pada batang logam netral akan bergerak mendekati batang logam


Gambar 8.10.

Muatan terinduksi pada dua ujung batang logam

Gambar 8.11. (a) Bagian-bagian elektroskop yang

dimuati dengan: (b) induksi, (c) konduksi

bermuatan positif itu. Dalam batang logam yang netral itu terjadi pemisahan

muatan dengan muatan-muatan yang berlawanan pada masing-masing

ujungnya. Dikatakan bahwa muatan telah terinduksi (atau terimbas) pada dua

ujung batang logam ini.

Muatan neto pada batang

logam ini tetap nol, jika

kita bisa memotong

batang logam itu menjadi

dua, kita akan

memperoleh dua batang

logam, satu batang

bermuatan positif dan

batang lainnya bermuatan

negatif.

Piranti yang dapat digunakan untuk mendeteksi muatan listrik disebut

elektroskop, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.11(a). Di dalam suatu kotak

terdapat dua daun yang dapat bergerak (kadang-kadang hanya satu daun yang

dapat bergerak). Daun-daun ini terbuat dari perak atau emas.

Daun-daun itu dihubungkan dengan

batang konduktor dengan tombol

bola logam di luar kotak itu, tetapi

terisolasi dengan kotak ini. Misalkan

benda bermuatan positif didekatkan

dengan tombol elektroskop, maka

pemisahan muatan terinduksi karena

elektron-elektron tertarik ke atas dan

meninggalkan daun-daun

elektroskop bermuatan positif. Dua

daun ini saling tolak-menolak dan

membuka, seperti dalam Gambar

8.11(b). Jika tombol dimuati dengan

sentuhan, maka seluruh piranti

memperoleh muatan neto, seperti

ditunjukkan dalam Gambar 8.11(c).

Dalam masing-masing kasus itu,

makin besar muatan, makin besar

pula daun-daun elektroskop akan

membuka.

Dengan jalan tersebut kita tidak dapat mengetahui jenis muatan, kita

hanya dapat mengetahui benda bermuatan listrik atau tidak, karena gejala


Gambar 8.12. Elektroskop yang sebelumnya dimuati dapat digunakan untuk menentukan jenis muatan tertentu

yang sama akan terjadi jika benda bermuatan listrik didekatkan atau

disentuhkan dengan tombol elektroskop. Dalam masing-masing kasus daun-

daun elektroskop saling tolak-menolak. Namun demikian, jika elektroskop

dimuati lebih dulu, maka kita dapat mengetahui jenis muatan suatu benda.

Misalnya mula-mula

elektroskop diberi muatan

negatif dengan cara konduksi.

Perhatikan Gambar 8.12(a).

Jika benda bermuatan negatif

didekatkan dengan tombol

elektroskop, maka lebih

banyak elektron yang

terinduksi bergerak ke daun-

daun elektroskop, sehingga

daun-daun elektroskop itu

membuka lebih lebar, seperti

ditunjukkan dalam Gambar

8.12(b). Sebaliknya, jika benda bermuatan positif didekatkan tombol

elektroskop, elektron-elektron terinduksi bergerak naik, mengakibatkan

elektroskop kurang negatif sehingga daun-daun elektroskop itu lebih

menutup, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.12(c).

B. HUKUM COULOMB

Charles Coulomb (1736-1806) menyelidiki gaya-gaya listrik dengan

eksperimen yang mirip dengan eksperimen Cavendish dalam kajian gravitasi.

Hasil eksperimen itu sekarang dikenal dengan hukum Coulomb, yang

menyatakan bahwa gaya antara dua benda bermuatan Q1 dan Q2 yang

berjarak adalah berbanding lurus dengan hasil kali besar dua muatan itu

dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya, yang dapat dituliskan

sebagai

(8-1)

dengan k adalah konstanta Coulomb.


Bagaimanakah gaya antara dua

buah muatan yang terpisah

sejauh r?

Bagaimana cara menentukan

arah gaya antara dua buah

muatan?

Jelaskan pengaruh jarak antara

dua buah muatan terhadap

gaya elektrostatika.

Jelaskan perbedaan gaya

interaksi pada muatan listrik

dengan gaya gravitasi.

Gambar 8.13. (a) Hukum Coulomb, gaya antara dua muatan Q1 dan Q2 yang terpisah

pada jarak r (b) Arah gaya tergantung pada jenis muatan, muatan sejenis (tanda sama)

atau berlawanan jenis (tanda berlawanan)

F12 = gaya pada muatan Q1

karena muatan Q2.

F21 = gaya pada muatan Q2

karena muatan Q1.

Satuan muatan listrik yang

paling banyak digunakan adalah

Coulomb (C) dalam SI. Konstanta k

mempunyai nilai

k = 9,0 x 109 Nm2/C2

Jadi 1 C dapat didefinisikan

sebagai besar muatan yang masing-

masing ditempatkan pada jarak 1 m

dan menghasilkan gaya pada

masing-masing muatan itu sebesar

(9 ×109 Nm2 /C2)(1 C)(1 C)/(1 m)2

= 9 ×109 N.

Konstanta k sering dinyatakan

sebagai

0 disebut permitivitas ruang bebas dan besarnya adalah

12 2 20 8,85 10 C / N.m

. Dengan demikian, Persamaan (8-1) dapat

dituliskan sebagai



(8-2)

Hukum Coulomb tersebut di atas secara eksak hanya dapat diterapkan

pada muatan listrik atau partikel. Akan tetapi gaya interaksi tersebut

mengikuti hukum ketiga Newton. Oleh karena itu, gaya F12 dan F21 adalah

sama tetapi arahnya berlawanan. Kita melihat bahwa gaya interaksi antara

benda bermuatan listrik mirip dengan gaya gravitasi, namun ada perbedaan

dalam penggunaannya. Gaya interaksi pada muatan listrik dapat berupa

gaya tarik-menarik dan gaya tolak-menolak tetapi pada gaya gravitasi

selalu berupa gaya tarik-menarik.

Elektron dan proton dari atom hidrogen dipisahkan oleh jarak sebesar 3,5.

10-11 m. Hitunglah besarnya gaya listrik antara kedua partikel!

Berdasarkan hukum Coulomb, kita dapat menghitung besarnya gaya

Coulomb, yaitu:

C. MEDAN LISTRIK

Medan listrik merupakan salah satu besaran listrik yang memiliki kaitan

dengan interaksi Coulomb. Medan listrik merupakan suatu besaran fisis yang

memiliki nilai pada setiap listrik dalam ruang. Hal ini mirip dengan

pengertian medan temperatur pada bahasan termofisika. Pada termodinamika

temperatur dalam ruang dapat dikatakan suatu medan, karena kalau kita

meletakkan termometer pada setiap listrik dalam ruangan itu maka

termometer akan menunjukkan nilai tertentu.

Medan dapat dikategorikan menjadi dua, yaitu medan skalar dan

medan vektor. Medan skalar adalah medan untuk besaran skalar yang hanya

Contoh:

Penyelesaian:


mempunyai besar, yang selalu dapat digambarkan dengan plot isogaris (garis-

garis yang menghubungkan nilai-nilai besaran yang identik). Sebagai contoh,

medan temperatur digambarkan

dengan garis-garis isotermis (garis-

garis yang menghubungkan listrik-

listrik yang mempunyai temperatur

sama). Medan vektor adalah medan

untuk besaran vektor yang

mempunyai besar dan arah,

sehingga penggambarannya tidak

selalu mudah. Medan listrik-listrik

adalah contoh medan vektor.

Ketika sebuah muatan listrik

berada di suatu tempat, sifat-sifat

ruang di sekitar muatan itu diubah

sedemikian rupa sehingga muatan

lain yang di bawa ke daerah ini

akan mengalami gaya. “Perubahan ruang” yang disebabkan oleh muatan

diam disebut medan listrik.

Medan listrik di sekitar sebuah muatan atau sekelompok muatan dapat

diselidiki dengan mengukur gaya pada sebuah muatan uji positif yang kecil.

Medan listrik pada suatu listrik dalam ruang didefinisikan sebagai gaya

yang dilakukan pada muatan uji positif kecil pada listrik itu dibagi dengan

besar muatan uji q, yang dapat dituliskan sebagai

(8-3)

Persamaan (8-3) menunjukkan bahwa medan listrik adalah besaran

vektor yang mempunyai arah sama dengan arah gaya dan besarnya sama

dengan besar gaya per satuan muatan. Oleh karena itu satuan medan listrik

adalah Newton/Coulomb (N/C).

Jika medan listrik di suatu listrik diketahui, kita dapat menentukan

gaya yang dilakukan medan terhadap muatan q di listrik itu dengan

Persamaan (8-3), sehingga

(8-4)

Apa perbedaan medan skalar dan

medan vektor?

Jelaskan pengertian dan sifat-

sifat medan listrik!

Bagaimana pengaruh gaya listrik

terhadap medan listrik?.

Bagaimana pengaruh muatan

listrik terhadap medan listrik?



Karena muatan proton adalah q = +1,6 . 10-19 C maka medan listrik yang

bekerja pada muatan itu adalah:

Jika q adalah muatan positif, maka dan akan mempunyai arah sama.

Jika q adalah muatan negatif, maka dan mempunyai arah berlawanan.

Kita dapat menggunakan hukum Coulomb untuk menentukan besar

medan listrik pada suatu listrik yang berjarak dari muatan Q. Jika besar

muatan uji pada listrik itu adalah q, maka gaya yang akan dialami oleh

muatan uji itu adalah

sehingga medan listriknya adalah

(8-5)

Jika lebih dari satu muatan listrik yang memberikan kontribusi medan listrik

pada suatu listrik yang ditentukan, medan listrik neto pada listrik itu

merupakan jumlah vektor dari medan-medan yang dihasilkan masing-masing

muatan. Kemudian kita dapat menuliskan

(8-6)

Hitunglah besarnya medan listrik, apabila besarnya gaya listrik yang

bekerja pada sebuah proton yang berada dalam medan listrik adalah

3,2.10-13 N.

Contoh:

Penyelesaian:


Sifat-sifat medan listrik dapat dirangkum sebagai berikut.

1. Garis-garis medan menunjukkan arah medan listrik; medan listrik di

suatu listrik pada garis medan merupakan garis singgung terhadap garis

medan di listrik itu.

2. Garis-garis medan listrik digambarkan sedemikian rupa sehingga besar

medan listrik E sebanding dengan jumlah garis yang menembus satuan

luas yang tegak lurus garis-garis itu. Makin dekat jarak garis-garis,

makin kuat medannya.

3. Garis-garis medan listrik berawal pada muatan positif dan berakhir pada

muatan negatif; jumlah garis awal dan garis akhir sebanding dengan

besar muatan.

Gambar 8.14 berikut ini menunjukkan pola-pola garis medan listrik di

sekitar muatan positif dan muatan negatif serta sekitar pasangan muatan.

Gambar 8.14. Garis-garis medan listrik di sekitar: (a) muatan positif (b) muatan negatif (c) pasangan dua muatan positif (d) pasangan muatan positif dan muatan negatif


Jelaskan pengertian potensial

dan energi potensial listrik.

Bagaimana pengaruh muatan

listrik terhadap potensial

listrik?

Jelaskan hubungan antara

potensial listrik dengan energi

potensial listrik.

Gambarkan medan listrik dan

kuat medan listrik pada dua

buah lempeng sejajar yang

bermuatan listrik seragam

(homogen).

D. ENERGI POTENSIAL LISTRIK

Setelah kita membicarakan medan listrik, maka selanjutnya kita akan

membahas pengertian potensial listrik. Untuk menentukan medan listrik di

suatu ruang tertentu yang ditimbulkan oleh sejumlah muatan, kita akan

mengalami kesulitan. Oleh karena itu untuk memudahkan menghitung medan

listrik sejumlah muatan yang berada

dalam suatu ruangan, digunakan

konsep potensial listrik, sebab

potensial listrik dalam hal ini dapat

dipandang sebagai besaran skalar.

Potensial listrik pada suatu

listrik dalam medan listrik

didefinisikan sebagai energi potensial

tiap satuan muatan pada listrik

tersebut. Selain itu juga dapat

didefinisikan sebagai usaha yang

diperlukan tiap satuan muatan

terhadap gaya yang ditimbulkan oleh

medan listrik, bila suatu muatan

dibawa dari tempat tak berhingga ke

suatu listrik tertentu.

Gambar 8.15 (a) menunjukkan

medan listrik E yang seragam antara

dua lempeng sejajar, dengan

lempeng A dan B yang bermuatan

seragam. Dalam Gambar 8.15 (b)

ditunjukkan partikel bermuatan Q

(dianggap positif) yang ditempatkan di antara dua lempeng itu akan

mengalami gaya listrik

(8-7)



Gambar 8.15. (a) medan listrik dan garis-garis medan listrik antara dua lempeng sejajar (b) muatan Q mengalami gaya karena medan listrik (c) energi potensial listrik ketika mencapai lempeng B (d) muatan dilepaskan dan kembali ke lempeng A

Jika muatan itu berada pada lempeng A dan kita ingin membawanya ke

lempeng B, kita harus memberikan gaya sebesar QE padanya karena kita

harus mendorong melawan gaya yang besarnya sama dan berlawanan arah

yang dilakukan oleh medan listrik. Ketika muatan itu sampai di B, kita telah

melakukan usaha sebesar

(8-8)

dengan d adalah jarak yang telah ditempuh oleh muatan itu, seperti

ditunjukkan dalam Gambar 8.8(c).

Pada lempeng B muatan itu mempunyai energi potensial EP sebesar

(8-9)

terhadap A. Jika kita melepaskan muatan itu, energi potensial EP akan

berubah menjadi energi kinetik karena medan listrik akan mempercepat

muatan itu. Ketika muatan itu kembali pada lempeng A, muatan itu akan

mempunyai energi kinetik EK = QEd, seperti ditunjukkan dalam Gambar

8.15(d).


Besaran yang terkait dengan energi potensial listrik adalah potensial

listrik (kadang-kadang hanya disebut potensial saja), yang didefinisikan

sebagai energi potensial per satuan muatan dan diberi lambang V. Jika

muatan Q mempunyai energi potensial EPA ketika berada pada listrik A, maka

besarnya potensial listrik VA di situ adalah

(8-10)

Karena hanya beda energi potensial yang dapat diukur, maka hanya beda

potensial listrik (atau hanya disebut beda potensial) yang dapat diukur.

Karena beda energi potensial EPA – EPB sama dengan kerja yang dilakukan

oleh gaya listrik untuk memindahkan muatan dari listrik A ke listrik B, maka

besarnya beda potensial VAB antara dua listrik A dan B dapat dituliskan

sebagai

(8-11)

Sesuai dengan Persamaan (8-11) satuan potensial listrik adalah

joule/Coulomb (J/C) yang disebut juga volt (V),

1 volt = 1 joule/Coulomb

Volt adalah nama yang diberikan menurut ahli fisika Italia, Alessandro Volta

(1745-1827), yang menemukan baterai. Karena beda potensial dinyatakan

dalam volt, maka beda potensial sering diacu sebagai voltage (tegangan).

Dalam medan listrik seragam seperti Gambar 8.8, WAB = QEd, dengan

hasil bahwa besarnya beda potensial antara A dan B adalah

VAB = Ed (8-12)

Berdasarkan Persamaan (8-11) terlihat bahwa volt/meter (V/m) sama

dengan Newton/Coulomb (N/C), sehingga salah satu dari dua satuan ini dapat

digunakan satuan medan listrik.

Jika kita ingin berbicara potensial pada suatu listrik, misalnya VA di

listrik A, kita harus menyadari bahwa VA tergantung pada potensial yang


Gambar 8.16. Garis-garis ekuipotensial (garis terputus-putus) antara dua lempeng sejajar yang bermuatan tegak lurus pada medan listrik

(garis penuh)

Gambar 8.17. Garis-garis ekuipotensial (garis terputus-putus) untuk dua partikel bermuatan sama, tetapi berlawanan, yang selalu tegak lurus pada garis-garis medan listrik (garis penuh).

dipilih sebagai potensial nol. Tanah atau konduktor yang terhubung langsung

dengan tanah sering diambil sebagai potensial nol. Dalam situasi lain, kita

mungkin mengambil potensial nol di tak berhingga.

Kenyataan menunjukkan

bahwa garis-garis medan listrik

dan permukaan ekuipotensial

adalah saling tegak lurus,

sehingga membantu kita untuk

menggambarkan garis-garis

(atau permukaan-permukaan)

ekuipotensial bilamana garis-

garis medan diketahui. Dalam

Gambar 8.16 dilukiskan beberapa

garis ekuipotensial (garis putus-

putus) untuk medan listrik antara

dua lempeng sejajar dengan beda potensial 40 V. Garis-garis ekuipotensial

untuk dua partikel bermuatan sama tetapi berlawanan ditunjukkan dalam

Gambar 8.17.

Joule merupakan satuan energi

yang terlalu besar untuk elektron,

atom, atau molekul dalam fisika

atom, fisika inti, kimia, atau

biologi molekuler. Untuk

keperluan ini biasanya digunakan

satuan electron volt (eV). Satu

electron volt didefinisikan sebagai

energi yang diperlukan oleh

partikel yang membawa muatan

sama dengan muatan elektron (q =

e) untuk berpindah melalui beda

potensial 1 volt. Karena muatan

sebuah elektron adalah 1,6 ×

10-19 C dan perubahan energi

potensial sama dengan qV, maka

19

1 eV (1,6 10 C)(1,0 V)

191,6 10 J

(8-13)


Sebuah elektron yang dipercepat melalui beda potensial 2000 V akan

kehilangan energi potensial 2000 eV dan memperoleh energi kinetik 2000 eV

atau 2 KeV.

Sekarang kita akan meninjau potensial listrik yang disebabkan oleh

muatan listrik. Potensial listrik pada jarak r dari muatan listrik tunggal Q

dapat diturunkan dari ungkapan medan listrik dengan bantuan kalkulus.

Dalam hal ini potensial listrik biasanya diambil nol di tak berhingga;

demikian juga besarnya kuat medan listrik (E = kQ/r2) adalah nol di tak

berhingga,

atau

(8-14)

Kemudian penentuan potensial listrik pada suatu listrik dari dua muatan

listrik atau lebih dapat diperoleh dengan cara menggunakan prinsip

superposisi, yaitu total potensial pada listrik P terhadap sejumlah muatan

listrik, nilainya akan sama dengan jumlah potensial dari masing-masing

muatan.

(8-15)

Gambar 8.18. Potensial V sebagai fungsi jarak r dari muatan listrik tunggal Q bilamana muatan itu adalah (a) positif dan (b) negatif.


Potensial V di sini menggambarkan potensial absolut, dengan V = 0 pada

r = ∞, atau V dibayangkan sebagai beda potensial antara r dan tak berhingga.

Persamaan (8-15) menunjukkan bahwa potensial V berbanding terbalik

dengan jaraknya. Sedangkan medan listrik berbanding terbalik dengan

kuadrat jaraknya. Perhatikan Gambar 8.18. Potensial dekat muatan positif

adalah besar, dan potensial ini berkurang menuju nol pada jarak yang sangat

jauh. Untuk muatan negatif, potensialnya adalah negatif dan bertambah

menuju nol pada jarak yang kecil.

Sebuah elektron yang mula-mula diam, kemudian dipercepat melalui

beda potensial 10.000 Volt. Hitunglah kecepatan akhir elektron tersebut!

Usaha yang dilakukan oleh medan listrik adalah W = eV dan energi

kinetik elektron adalah 2

2

1mvK . Karena energi kinetik elektron sama

dengan kerja yang dilakukan padanya, maka

Contoh:

Penyelesaian:


Berdasarkan uraian materi listrik statis, maka hal-hal yang dapat disimpulkan

adalah sebagai berikut.

1. ----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

4. ----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------

RANGKUMAN

Pada fase 5 ini masing-masing mahasiswa secara

mandiri dan dalam kelompok diharapkan mampu

membuat penguatan berupa rangkuman,

kesimpulan, dan menerima tugas lanjutan berupa

tes evaluasi formatif materi listrik statis.

FASE 6: STRENGTHENING AND EVALUATION

(PENGUATAN DAN EVALUASI)


Berdasarkan rumusan masalah, identifikasi variabel, rumusan

hipotesis, analisis data, dan pembahasan, maka dapat disimpulkan:

1) ----------------------------------------------------------------------------------------

2) ----------------------------------------------------------------------------------------

3) ----------------------------------------------------------------------------------------

4) ----------------------------------------------------------------------------------------

1) Elektroskop adalah suatu alat yang dapat digunakan untuk

menentukan ... A. jenis bahan listrik

B. jenis muatan listrik

C. potensial listrik

D. arah medan listrik

2) Cara sederhana untuk mendapatkan muatan positif adalah ... A. menggosok besi dengan kain wool

B. menggosok kaca dengan kain berbulu

C. menggosok batang karet dengan kain sutra

D. menggosok batang gelas dengan kain sutra

3) Besarnya medan listrik dari suatu titik yang berjarak 30 cm dari muatan

0,1 C adalah ….

A. 1010 N/C

B. 10 N/C

C. 10-10 N/C

D. 1010 N/stat C

EVALUASI FORMATIF 1

Kerjakan soal-soal berikut dan pilihlah satu jawaban yang paling

tepat!


4) Jika usaha yang dikerjakan untuk memindahkan muatan 0,025 C dari

suatu titik ke titik yang lain adalah 5 J, maka beda potensial antara kedua

titik itu adalah ... A. 2 V

B. 20 V

C. 200 V

D. 0,2 V

5) Besaran berikut ini yang termasuk besaran vektor dalam Fisika adalah

.... A. medan listrik

B. energi listrik

C. muatan listrik

D. potensial Listrik

Cocokkanlah jawaban mahasiswa dengan Kunci Jawaban Evaluasi

Formatif 1 yang terdapat di bagian akhir modul ini. Hitunglah jawaban yang

benar. Kemudian, gunakan rumus berikut untuk mengetahui tingkat

penguasaan mahasiswa terhadap materi Kegiatan Belajar 1.

Apabila mencapai tingkat penguasaan 80 % atau lebih, mahasiswa dapat

meneruskan dengan Kegiatan Belajar 2. Bagus! Jika masih di bawah 80 %,

mahasiswa harus mengulangi materi Kegiatan Belajar 1, terutama bagian

yang belum dikuasai.

Tingkat penguasaan = x 100 %

Arti tingkat penguasaan: 90 – 100 % = baik sekali

80 - 89 % = baik

70 - 79 % = cukup

< 70 % = kurang


Kegiatan Belajar

2

Penerapan pembelajaran model PIL pada fase 1 ini, mahasiswa

dihadapkan pada masalah yang bersifat autentik tentang

materi listrik dinamis untuk membangkitkan inisiasi dan

persistensi mahasiswa. Inisiasi mahasiswa dapat tumbuh

dengan cara mengamati dan memprediksi apa yang akan

terjadi pada percobaan listrik dinamis, sedangkan untuk

membangkitkan persistensi mahasiswa, yaitu dengan cara

mencoba dan melakukan simulasi yang diberikan oleh tutor.

Pada fase ini, mahasiswa diharapkan mampu menggunakan

dan mengembangkan kemampuan dasar yang dimilikinya untuk

menentukan tujuan pembelajaran dan merumuskan

masalahsecara mandiri.

Listrik Dinamis

Gambar 8.19. Pengaruh tegangan terhadap arus dan hambatan listrik

Masalah Autentik:

Pada Gambar 8.19, tersedia peralatan

baterai, kabel, lampu, ampere meter,

dan volt meter yang dapat dirangkai

secara seri dan paralel. Bagaimana

pengaruh tegangan terhadap arus

listrik dan hambatan berdasarkan

hukum Ohm? Prediksilah apabila

disusun dua buah rangkaian, secara

seri dan paralel dengan menggunakan

dua buah baterai dan dua buah lampu.

Rangkaian pertama lampu dipasang

seri sedangkan rangkaian kedua lampu

dipasang paralel. Amati dan prediksi

fenomena apa yang terjadi? dan

bandingkan hasil antara keduanya!




Gambar 8.20. Rangkaian listrik: (a) seri, (b) paralel

Untuk membangkitkan inisiasi dalam

diri mahasiswa dalam masalah

autentik materi listrik dinamis ini,

mahasiswa dapat mengamati dan

memprediksi fenomena apa yang akan

terjadi apabila dua buah baterai

disusun secara seri lalu dihubungkan

dengan lampu yang disusun secara (a)

seri dan (b) paralel? Untuk

membangkitkan persistensi,

mahasiswa diharapkan dapat mencoba

dan melakukan simulasi Circuit

Construction Kit secara mandiri baik

individu maupun dalam kelompok

seperti ditunjukkan pada Gambar 8.20

(a) dan (b).

Dari peristiwa masalah autentik tersebut, apakah mahasiswa









Tujuan dari pembelajaran ini adalah mahasiswa diharapkan mampu

memecahkan masalah secara mandiri terhadap materi yang berkaitan dengan

listrik Dinamis, yaitu:

1. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------


Pada fase 2 ini, tutor memberikan tanggung

jawab kepada mahasiswa sehingga diharapkan

mampu mengidentifikasi variabel-variabel,

dan merumuskan hipotesis tentang listrik

dinamis secara mandiri.

F

A

S

E

2

:

R

E

S

P

O

N

S

I

B

I

L

I

T

Y

Rumusan masalah dalam percobaan listrik dinamis ini adalah:

1. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

Variabel-variabel yang ada pada materi listrik dinamis ini adalah:

Variabel bebas: …………………………………………………………..

Variabel terikat: ………………………………………………………….

Berdasarkan rumusan masalah, maka dapat diajukan hipotesis sebagai

berikut.

1. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

2. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

3. ----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------

----------------------------------------------------------------------------------------


(TANGGUNG JAWAB)


Pada fase 3 ini, mahasiswa melakukan investigasi

mandiri secara individu dan dalam kelompok sehingga

mahasiswa diharapkan mampu menentukan tujuan

percobaan, menyiapkan alat dan bahan, menyusun

cara kerja, dan mengumpulkan data yang diperlukan

tentang listrik dinamis.


Percobaan Arus, Tegangan, dan Hambatan Listrik

a. Alat dan Bahan:

1) Baterai 1,5 volt 3 buah.

2) Kabel penjepit secukupnya (merah dan hitam).

3) Bola lampu 1,5 volt - 3,6 volt/0,007A 3 buah.

4) AVO meter 1 buah.

5) Dudukan baterai 3 buah.

b. Cara Kerja

Percobaan 1: Arus Listrik

1) Susunlah 3 buah baterai secara seri! Buatlah gambar

rangkaiannya.

2) Hubungkanlah kabel merah pada kutub (+) dan kabel hitam

pada kutub (-).

3) Salah satu ujung kabel merah dan hitam yang telah terpasang

bola lampu (dipilih salah satu dari bola lampu 2,5 volt - 5,6

volt). Jika lampu menyala menandakan adanya aliran anus dari

kutub (+) menuju kutub (-). Tetapi jika belum menyala

periksalah sebabnya.

4) Besarnya arus listrik yang mengalir dalam rangkaian dapat

menggunakan ampere meter yang dipasang secara seri, catat





besarnya. Tetapi jika tidak tersedia AVO meter, nyala lampu

sudah cukup membuktikan adanya arus yang mengalir.

5) Susunlah rangkaian seperti Gambar 8.21.

Gambar 8.21. Rangkaian listrik secara seri

Tentukanlah apakah jenis bahan yang digunakan termasuk

konduktor atau isolator dengan cara mengisi hasil pengamatan

mahasiswa pada Tabel 8.2.

Tabel 8.2. Hasil pengamatan terhadap jenis bahan

Berilah tanda cek () pada tabel berikut ini dengan No. Bahan Lampu Konduktor

Menyala Tidak Ya Tidak

1. Kawat besi

2. Kawat tembaga

3. Sendok perak

4. Kayu

5. Karet penghapus

6. Grafit (mata pensil)

7. Kertas

8. Tas plastik

9. Air keran

10. Air garam


Percobaan 2: Tegangan Listrik

1) a) Buatlah rangkaian seperti Gambar 8.22.

Gambar 8.22 Rangkaian listrik dengan salah satu ujung baterai tidak tersambung

Tutuplah saklar S, kemudian amatilah apakah lampu

menyala? Mengapa demikian?

b) Kemudian buatlah rangkaian seperti Gambar 8.23.

Gambar 8.23. Rangkaian listrik sederhana dengan satu baterai

Setelah saklar S ditutup, apakah lampu (tidak menyala,

menyala redup, menyala lebih terang, menyala sangat

terang). Mengapa demikian?

c) Lanjutkan dengan membuat rangkaian seperti Gambar

8.24.

Gambar 8.24. Rangkaian listrik sederhana dengan dua baterai


Setelah saklar S ditutup, apakah lampu (tidak menyala,

menyala redup, menyala lebih terang). Mengapa demikian?

d) lakukanlah hal yang sama pada langkah a, b, dan c dengan

menggunakan 3 buah baterai yang dirangkai secara seri dan

paralel. Amatilah dan berikan penjelasan!

2) Mengapa pada percobaan langkah b, c, dan d nyala lampu

berbeda?

3) Susunlah sebuah percobaan secara mandiri dengan

menggunakan sebuah lampu/hambatan yang konstan (misalnya

R = 350 ) dan 6 baterai masing-masing sebesar 1,5 volt

seperti Gambar 8.25.

Gambar 8.25. Rangkaian listrik sederhana dengan R konstan

Rangkaian listrik disusun seperti percobaan 1 (b) kemudian

dilakukan sebanyak 6 kali dengan cara memvariasi harga

tegangan secara seri. Gunakan ampere meter untuk mengukur

besarnya arus yang mengalir melalui lampu untuk setiap

percobaan dan tuliskan hasilnya pada Tabel 8.3.

Tabel 8.3. Data pengamatan V vs I dengan R konstan

No. V (volt) I (A) R () konstan

1 1,5

2 3,0

3 4,5

4 6,0

5 7,5

6 9,0


1) Susunlah sebuah percobaan secara mandiri dengan

menggunakan sebuah baterai yang konstan (misalnya V = 1,5

volt) dan 6 hambatan masing-masing sebesar 100 Ohm seperti

Gambar 8.26.

Gambar 8.26. Rangkaian listrik sederhana dengan V konstan

Rangkaian listrik disusun seperti percobaan 1 (b) kemudian

dilakukan sebanyak 6 kali dengan cara memvariasi harga

hambatan secara seri. Gunakan ampere meter untuk mengukur

besarnya arus yang mengalir melalui lampu untuk setiap

percobaan dan tuliskan hasilnya pada Tabel 8.4. Tabel 8.4. Data pengamatan R vs I dengan V konstan

No. R () I (A) V (volt) konstan

1 100

2 200

3 300

4 400

5 500

6 600


Pada fase 4 ini mahasiswa diharapkan mampu

secara mandiri mengolah data yang diperoleh dari

hasil percobaan listrik dinamis dan menganalisis

data percobaan tersebut secara individu dan dalam




maka mahasiswa harus mencermati secara teliti mengapa arus yang mengalir

dalam rangkaian memiliki harga yang berbeda ketika tegangan dan hambatan

diubah. Telusuri lebih jauh bagaimana sifat-sifat arus listrik, tegangan listrik,

dan hambatan listrik berdasarkan hukum Ohm. Menurut hukum Ohm

besarnya arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian tertutup adalah

berbanding lurus dengan besarnya tegangan dan berbanding terbalik dengan

besarnya hambatan listrik. Untuk membuktikan keberlakuan hukum Ohm,

maka mahasiswa harus melakukan analisis data yang diperoleh dari

percobaan.

Analisis Kuat arus listrik dari data tegangan yang bervariasi dengan

hambatan konstan.

Langkah pertama adalah mengubah persamaan hukum Ohm menjadi

persamaan linear berbentuk y = ax + c, sehingga persamaan hukum Ohm

dapat dirumuskan sebagai:

(8-15a)

Di mana I merupakan variabel terikat (respons), V adalah variabel

bebas (manipulasi), dan 1/R merupakan gradien (slope) grafik data yang

dapat dihitung melalui analisis berdasarkan kurva kemiringan I vs V seperti

ditunjukkan Gambar 8.27.

FASE 4: ANALISYS (ANALISIS)


Gambar 8.27. Grafik arus I vs tegangan V

Berdasarkan grafik I vs V tersebut, maka dapat dihitung gradien grafik

dengan formulasi

(8-15b)

Sehingga diperoleh harga R = 1/a

Langkah selanjutnya adalah membandingkan harga R yang

diperoleh dari grafik dengan harga R yang diukur langsung dengan

menggunakan Ohm meter. Berdasarkan perbandingan harga tersebut,

mahasiswa dapat menguji keberlakuan hukum Ohm.

Analisis Kuat arus listrik dari data hambatan yang bervariasi dengan

tegangan konstan.

Langkah kedua adalah mengubah persamaan hukum Ohm menjadi

persamaan linear berbentuk y = ax + c, sehingga persamaan hukum Ohm

dapat dirumuskan sebagai:

(8-15c)


Di mana R merupakan variabel terikat (respons), V adalah variabel

bebas (manipulasi), dan 1/I merupakan gradien (slope) grafik data yang dapat

dihitung melalui analisis berdasarkan kurva kemiringan R vs 1/I seperti

ditunjukkan gambar 8.28.

Dari data yang diperoleh dari percobaan, buatlah grafik R vs I

kemudian carilah harga V dengan menggunakan metode grafik seperti

sebelumnya dari Gambar 8.27.

Gambar 8.28. Grafik hambatan R vs arus 1/I

Berdasarkan grafik R vs 1/I tersebut, maka dapat dihitung gradien

grafik dengan formulasi

(8-15d)

sehingga diperoleh harga V = a.

Langkah selanjutnya adalah membandingkan harga V yang

diperoleh dari grafik dengan harga V yang diukur langsung dengan

menggunakan Ohm meter. Berdasarkan perbandingan harga tersebut,

mahasiswa dapat menguji keberlakuan hukum Ohm.




analisis yang diperoleh serta mendiskusikan materi listrik

dinamis dengan kelompok yang lain. Salah satu dari

anggota masing-masing kelompok dipilih sebagai juru bicara

untuk presentasi, sedangkan salah seorang lainnya menjadi

moderator untuk memimpin jalannya diskusi pleno.

Apakah yang menyebabkan ter-

jadinya arus listrik?

Jelaskan pengertian dan sifat-

sifat arus listrik.

Faktor-faktor apa saja yang

mempengaruhi besarnya ham-

batan listrik sebuah kawat

penghantar suatu bahan

konduktor?

Bagaimana pengaruh resistivitas

suatu bahan terhadap tempe-

rature?

A. ARUS, TEGANGAN, HAMBATAN, RESISTIVITAS, DAN

KONDUKTIVITAS LISTRIK

Arus listrik (I) dapat

dihasilkan dari sebuah muatan

(Q) bergerak yang melalui suatu

penampang penghantar selama

waktu t. Jika muatan Q yang

lewat dalam interval waktu t

adalah konstan, maka arus listrik

rata-ratanya adalah

(8.16)

Tetapi, jika muatan yang

mengalir persatuan waktu tidak

konstan, maka arus yang timbul

akan berubah dengan waktu,

sehingga dalam kondisi seperti

ini, maka besarnya arus yang

terjadi dapat dirumuskan sebagai

(8.17)





Satuan arus listrik adalah ampere (A), Coulomb (C) untuk muatan, dan

sekon (s) untuk waktu, di mana I ampere = 1 Coulomb/sekon. Menurut

perjanjian, arah arus listrik diambil sebagai arah muatan positif yang akan

bergerak untuk menghasilkan efek yang sama seperti arus yang teramati. Jadi

arus listrik selalu diasumsikan bergerak dari terminal positif baterai menuju

terminal negatif dalam suatu rangkaian listrik eksternal.

Dalam keadaan sesungguhnya arus listrik dalam logam terdiri atas aliran

elektron-elektron, yang membawa muatan negatif. Namun demikian, arus

yang terdiri atas muatan-muatan negatif yang bergerak dalam suatu arah

sama dengan arus yang terdiri atas muatan-muatan positif yang bergerak

dalam arah yang berlawanan. Oleh karena itu, perjanjian tersebut tetap

digunakan.

Hambatan (R) konduktor adalah perbandingan antara beda potensial V

antara ujung-ujung konduktor dan arus I yang dihasilkan, sehingga

(8.18)

Satuan hambatan adalah Ohm (), yaitu 1 Ohm = 1 volt/ampere. Jika

beda potensial antara ujung-ujung konduktor adalah 1 V dan arus yang

mengalir adalah 1 A, maka konduktor tersebut mempunyai hambatan 1 .

Hambatan (R) listrik suatu konduktor yang mengikuti hukum Ohm

tergantung pada tiga faktor, yaitu sebagai berikut.

1. Resistivitas (). Kemampuan membawa arus listrik bervariasi terhadap

sifat fisis zat.

2. Panjang kawat penghantar (L). Makin panjang konduktor, makin besar

hambatannya.

3. Luas penampang kawat (A). Makin tebal konduktor, makin kecil

hambatannya.

Sehingga, besarnya hambatan sebuah kawat penghantar suatu bahan

dapat dirumuskan sebagai

(8.19)

Resistivitas sebagian besar zat bervariasi terhadap temperatur, karena

atom-atomnya bergetar dengan amplitudo lebih besar jika temperatur


Pada saat menggunakan baterai

secara bersamaan, manakah yang

lebih baik, disusun secara seri atau

secara paralel? Jelaskan mengapa

demikian!

Bagaimana nilai tegangan listrik pada

kawat penghantar yang panjang:

tetap, makin besar, atau makin

kecil? Mengapa hal itu terjadi?

Bagaimanakah hubungan antara arus

listrik, tegangan, dan hambatan

listrik?

dinaikkan sehingga gerak elektron-elektron bebas dalam logam makin cepat.

Sedangkan konduktivitas (σ) dari suatu bahan merupakan kebalikan dari

resistivitas, dirumuskan:

(8.20)

B. HUKUM OHM

Hambatan suatu

konduktor tergantung

pada sifat-sifatnya

(misalnya sifat zat dan

ukurannya) dan beda

potensial yang

diberikan padanya.

Dalam beberapa

konduktor, R

bertambah jika V

dinaikkan, pada

beberapa konduktor

lainnya R berkurang

jika V bertambah.

Dalam konduktor

lainnya lagi R

tergantung pada arah

arus. Hubungan antara

arus I dan tegangan V

diperlihatkan pada Gambar 8.29.

Dalam konduktor yang mempunyai hambatan konstan arus I sebanding

dengan beda potensialnya, sehingga

(8.21)



Gambar 8.29. Hubungan antara arus dan tegangan listrik untuk: (a) logam (b) larutan NaCl (c) diode semikonduktor

Hubungan ini dikenal sebagai hukum Ohm karena hubungan ini pertama

kali dibuktikan secara eksperimen oleh ahli fisika Jerman bernama George

Ohm (1787-1854).

Hukum Ohm tidak sama dengan definisi hambatan, R = V/I. Hukum

Ohm hanya berlaku untuk konduktor-konduktor yang mempunyai

perbandingan V/I adalah konstan.

1. Gabungan Resistor

Kita dapat menggabungkan resistor secara seri dan secara paralel. Beda

potensial V antara ujung-ujung gabungan resistor secara seri adalah jumlah

dari beda potensial pada masing-masing resistor V1, V2, V3, ... Vn. Untuk tiga

resistor R1, R2, dan R3, dalam Gambar 8.13 dapat dirumuskan:

(8.22)

Karena arus I yang sama melewati masing-masing resistor, penurunan

potensial pada masing-masing resistor adalah

(8.23)

Jika R adalah hambatan ekuivalen untuk gabungan resistor tersebut, beda

potensial pada ujung-ujungnya adalah

(8.24)


Oleh karena itu kita memperoleh

(8.25)

Gambar 8.30. Tiga resistor dirangkai secara seri

Secara umum, hambatan ekuivalen dari himpunan resistor yang

dihubungkan secara seri sama dengan jumlah hambatan masing-masing

resistor, yaitu

(8.26)

Sekarang kita perhatikan tiga resistor R1, R2, dan R3 yang

dihubungkan secara paralel, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.14.

Arus total yang melalui gabungan resistor itu adalah jumlah arus yang

melalui masing-masing resistor, sehingga

(8.27)

Beda potensial V adalah sama untuk semua resistor. Dengan

menerapkan hukum Ohm diperoleh:

(8.28)

Jika R adalah hambatan ekuivalen dari gabungan tiga resistor tersebut,

maka arus total I yang melewati hambatan ekuivalen adalah:

(8.29)


Gambar 8.31. Tiga resistor dirangkai secara paralel

Dengan demikian diperoleh

(8.30)

Jadi, hambatan ekuivalen dari himpunan resistor yang dihubungkan

secara paralel sama dengan jumlah dari kebalikan hambatan masing-masing

resistor, yaitu

(8.31)

Empat buah hambatan masing-masing besarnya 2 Ohm, 3 Ohm, 5 Ohm dan

7 Ohm, disusun secara seri dan kemudian dihubungkan dengan sumber

tegangan 12 V, tentukanlah:

a. hambatan ekuivalen dari keempat hambatan!

b. besarnya arus yang lewat hambatan tersebut!

a. Hambatan ekuivalen keempat hambatan yang disusun secara seri adalah

Contoh:

Penyelesaian:


Mengapa jika pada saat kita

menghidupkan mobil dalam

keadaan lampu menyala, maka

nyala lampu tersebut sesaat

menjadi redup?

Jelaskan pengaruh hambatan

dalam baterai terhadap

besarnya ggl induksi!

Bagaimanakah hubungan antara

ggl induksi dengan arus listrik,

tegangan, dan hambatan

listrik?

b. Arus yang melalui hambatan adalah

C. GAYA GERAK LISTRIK (GGL)

Beda potensial antara ujung-ujung baterai, generator, atau sumber energi

listrik lainnya ketika sumber energi itu tidak dihubungkan dengan

rangkaian listrik eksternal disebut gaya gerak listrik (emf = electromotive

force), dan diberi lambang ε.

Pengalaman sehari-hari

menunjukkan bahwa ketika arus

ditarik dari suatu baterai, voltage

(tegangan) pada terminal (ujung-

ujungnya) turun di bawah nilai

ggl-nya. Sebagai contoh, ketika

kita menghidupkan mobil atau

sepeda motor dengan lampu dalam

keadaan hidup, kita bisa

memperhatikan bahwa nyala

lampu menjadi redup. Hal ini

terjadi karena "starter" menarik

arus yang besar, akibatnya

tegangan baterai turun.

Penurunan tegangan terjadi

karena reaksi kimia dalam

baterai tidak dapat memasok

muatan cukup cepat untuk

mempertahankan ggl secara

penuh.

Muatan mengalir dalam elektrolit antara elektrode-elektrode baterai dan

selalu ada rintangan untuk mengalir secara bebas. Jadi di dalam baterai

sendiri ada hambatan, yang disebut hambatan internal, yang biasanya diberi

lambang r. Oleh karena itu baterai sering dimodelkan seolah-olah

sebagai ggl sempurna ε yang dihubungkan secara seri dengan resistor r.



Apa yang kita ukur pada ujung-ujung baterai adalah tegangan terminal

V. Bilamana tidak ada arus yang ditarik, tegangan terminal sama dengan

ggl (V = s) yang ditentukan oleh reaksi kimia dalam baterai. Tetapi, ketika

arus I mengalir dari baterai, terdapat penurunan tegangan sebesar Ir dalam

resistor internal, sehingga

(8.32)

Jika baterai itu dihubungkan dengan resistor eksternal dengan

hambatan R, seperti Gambar 8.32, maka hambatan total dalam rangkaian

adalah R + r, sehingga arus yang mengalir adalah

(8.33)

Gambar 8.32.

Tegangan terminal V baterai dalam suatu rangkaian selalu lebih kecil dari ggl karena penurunan potensial di dalam baterai sendiri






tes evaluasi formatif materi listrik statis.

Berdasarakan uraian materi listrik Dinamis, hal-hal yang dapat

dirangkum adalah sebagai berikut.

1. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

2. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

3. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

4. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

RANGKUMAN





hipotesis, analisis data, dan pembahasan dapat disimpulkan:

1) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

2) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

3) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

1) Satuan arus listrik dapat dinyatakan dengan ....

A. A

B. C/s

C. V/Q

D. ketiga satuan tersebut adalah sama

2) Diketahui kawat nichrome memiliki jari jari penampang 0,321 mm. Jika

hambatan jenis kawat tersebut 1,5.10-6 Ohm m, maka besarnya hambatan

persatuan panjang dari kawat adalah .... A. 4,64 /m

B. 46 /m

C. 2 /m

D. 4 /m

EVALUASI FORMATIF 2


tepat!


3) Dua hambatan yang tersusun seri masing-masing besarnya 4 Ohm dan

2 Ohm. Bila kedua hambatan ini disusun secara paralel dengan suatu

hambatan yang besarnya 6 Ohm, maka besarnya hambatan total

adalah ....

A. 2 Ohm

B. 3 Ohm

C. 6 Ohm

D. 9 Ohm

4) Dari empat besaran berikut yang termasuk besaran vektor adalah .... A. muatan listrik

B. energi listrik

C. medan listrik

D. beda potensial listrik

5) Dari empat besaran berikut yang tidak termasuk satuan energi adalah ....

A. eV

B. V/m

C. J

D. kwh





Apabila mencapai tingkat penguasaan 80 % atau lebih, mahasiswa dapat

meneruskan dengan Kegiatan Belajar 3. Bagus! Jika masih di bawah 80 %,





80 - 89 % = baik

70 - 79 % = cukup

< 70 % = kurang


Kegiatan Belajar

3

Bentuk dan Gejala Medan Magnet

Gambar 8.33. Peragaan sebatang magnet di atas sebuah kompas

Masalah Autentik:

Pada Gambar 8.33, tersedia

peralatan sebatang magnet dan

sebuah kompas. Bagaimana

bentuk medan magnet di dalam

dan di luar batang magnet?

Pikirkan cara yang paling baik

memperoleh bentuk medan

magnet apakah dengan

menggerakkan kompas di bawah

batang magnet secara terus

menerus atau menggerakkan

batang magnet di atas kompas?

Penerapan pembelajaran model PIL pada fase 1 ini, mahasiswa

dihadapkan pada masalah yang bersifat autentik tentang materi

bentuk dan gejala medan magnet untuk membangkitkan inisiasi dan

persistensi mahasiswa. Inisiasi mahasiswa dapat tumbuh dengan cara

mengamati dan memprediksi apa yang akan terjadi pada percobaan

bentuk dan gejala medan magnet, sedangkan untuk membangkitkan

persistensi mahasiswa, yaitu dengan cara mencoba dan melakukan

simulasi yang diberikan oleh tutor. Pada fase ini, mahasiswa

diharapkan mampu menggunakan dan mengembangkan kemampuan

dasar yang dimilikinya untuk menentukan tujuan pembelajaran dan

merumuskan masalah secara mandiri.




Gambar 8.34. Tampak garis gaya magnet di dalam batang magnet

Gambar 8.35. Tampak garis gaya magnet di dalam dan di luar batang magnet


diri mahasiswa dalam masalah

autentik materi bentuk dan gejala

magnet ini, mahasiswa dapat

mengamati dan memprediksi

fenomena apa yang akan terjadi

apabila sebuah medan magnet

digerakkan secara terus menerus di

atas sebuah kompas?

Untuk membangkitkan persistensi,

mahasiswa diharapkan dapat

mencoba dan melakukan simulasi

Faraday’s Electromagnetic Lab

secara mandiri baik individu maupun

dalam kelompok seperti ditunjukkan

pada Gambar 8.34 dan Gambar 8.35.

Gambar 8.36. Hubungan antara medan listrik dengan medan magnet

Sedangkan untuk

melihat simulasi

hubungan antara

medan listrik dengan

medan magnet dapat

dilihat pada Gambar

8.36 dan dapat diakses

di:

http://hyperphysics.phy

-

astr.gsu.edu/hbase/mag

netic/magcur.html#c3

atau di:

http://www.livephysics

.com/simulations/electr

icity-magnetism-

sim/electric-current-

magnetic-field/

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magcur.html#c3




http://www.livephysics.com/simulations/electricity-magnetism-sim/electric-current-magnetic-field/






Pada fase 2 ini, tutor memberikan tanggung jawab kepada

mahasiswa sehingga diharapkan mampu mengidentifikasi

variabel-variabel, dan merumuskan hipotesis tentang listrik

statis secara mandiri.

FASE 2:

RESPONSIBILIT

Y/ TANGGUNG

JAWAB

Mahasiswa diberikan tanggung jawab dalam merumuskan masalah,

mengidentifikasi variabel-variabel, dan merumuskan hipotesis












bentuk dan gejala medan magnet, yaitu:

1. …………………………………………………………………………….

2. …………………………………………………………………………….

Rumusan masalah dalam percobaan bentuk dan gejala medan magnet ini

adalah:

1. …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

2. …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

Variabel-variabel yang ada pada materi bentuk dan gejala medan magnet

ini adalah:

Variabel bebas: ………………………………………………………

Variabel terikat: ……………………………………………………..


(TANGGUNG JAWAB)


Pada fase 3 ini, mahasiswa melakukan investigasi

mandiri secara individu dan dalam kelompok sehingga

mahasiswa diharapkan mampu menentukan tujuan

percobaan, menyiapkan alat dan bahan, menyusun cara

kerja, dan mengumpulkan data yang diperlukan tentang

bentuk dan gejala magnet.


berikut.

1. …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

2. …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….


1. Percobaan Bentuk Medan Magnet

a. Alat dan Bahan

1) Karton putih beberapa lembar.

2) Magnet batang beberapa buah.

3) Serbuk-serbuk besi secukupnya.

b. Cara Kerja

1) Letakkan sebuah magnet batang di atas meja.

2) Peganglah selembar karton putih di atas magnet tersebut.

3) Taburlah serbuk-serbuk besi secara merata di atas karton,

kemudian ketuklah karton itu secara perlahan beberapa kali.

4) Amatilah dan gambarkan pola-pola yang dibentuk serbuk-

serbuk besi itu.





5) Lakukan (1) – (4) dengan menggunakan dua buah magnet


Gambar 8.37. Mengamati bentuk medan magnet

2. Percobaan Mengamati Gejala Medan Magnet

a. Alat dan Bahan

1) Kabel secukupnya.


3) Bola lampu 1,5 volt - 3,6 volt/0,007A.

4) Kompas.

5) Kumparan tipis.

b. Cara Kerja

1) Susunlah peralatan seperti Gambar 8.38. Dalam keadaan saklar

S terbuka, letakkan penghantar di atas kompas pada posisi

sejajar.

Gambar 8.38. Mengamati gejala medan magnet


2) Alirkan arus listrik ke dalam penghantar dengan menutup saklar

S (arus mengalir jika lampu menyala).

a. Apakah jarum kompas menyimpang? Mengapa demikian?

b. Ke mana arah jarum kompas menyimpang (ke kiri atau ke

kanan)? Jelaskan!

3) Buka saklar S, balik polaritas baterai, kemudian alirkan kembali

arus listrik melalui penghantar dengan menutup skalar.

a. Apakah jarum kompas menyimpang? Mengapa demikian?

b. Ke mana arah menyimpangnya?

4) Lakukanlah langkah (1), (2), dan (3), tetapi dengan memakai 5

baterai yang dirangkai secara seri. Dari percobaan tersebut

isilah Tabel 8.4. Tabel 8.5. Data pengamatan V vs B

No. Tegangan (volt) Medan Magnet (T)

1 2

2 4

3 6

4 8

5 10



mandiri mengolah data yang diperoleh dari hasil

percobaan bentuk dan gejala magnet dan menganalisis

data percobaan tersebut secara individu dan dalam




maka mahasiswa harus mencermati secara teliti mengapa kutub magnet

membentuk pola berupa garis-garis gaya magnet yang terlihat dari bentuk

serbuk besi di atas kertas. Jelaskan secara rinci bagaimana aturan (tata cara)

melukis garis gaya medan magnet. Untuk membuktikannya, maka mahasiswa

harus melakukan analisis data yang diperoleh dari percobaan 1.

Untuk membuktikan hubungan antara kuat arus listrik dan medan

magnet, maka mahasiswa harus memperhatikan pengaruh penambahan

tegangan listrik terhadap perubahan medan magnet. Pertama-tama gunakan

dengan menggunakan tegangan V1 diperoleh harga B1, demikian seterusnya

dengan menambah tegangan pada V5 diperoleh B5. Ujilah hubungan antara

kuat arus listrik dengan medan magnet dengan membandingkan besarnya B1,

B2, B3, B4, dan B5. Apabila B2 > B1, B3 > B2, B4 > B3, dan B5 > B4, maka dari

hasil perbandingan tersebut menunjukkan bahwa semakin besar tegangan

listrik dalam rangkaian tersebut, semakin besar pula medan magnet yang

ditimbulkannya. Mengingat bahwa besarnya tegangan listrik sebanding

dengan besarnya arus listrik, maka berdasarkan analisis data tersebut dapat

dipastikan bahwa besarnya kuat arus listrik sebanding dengan besarnya

medan magnet yang ditimbulkan.

FASE 4: ANALYSIS (ANALISIS)


Bagaimanakah sifat kemag-

netan suatu zat dilihat dari

bahan dan arah medan mag-

net?

Jika sebuah magnet digan-

tungkan dengan benang yang

dapat bergerak bebas, maka

bagaimanakah arah kedua ujung

magnet tersebut?

Jelaskan perbedaan antara

kutub magnet dan muatan

listrik!



analisis yang diperoleh serta mendiskusikan materi bentuk

dan gejala magnet dengan kelompok yang lain. Salah satu

dari anggota masing-masing kelompok dipilih sebagai juru

bicara untuk presentasi, sedangkan salah seorang lainnya

menjadi moderator untuk memimpin jalannya diskusi pleno.

A. SIFAT KEMAGNETAN

Menurut teori kemagnetan, bahan besi/baja memiliki magnet-

magnet elementer yang

susunannya tidak teratur. Pada

dasarnya membuat magnet adalah

mengatur magnet-magnet

elementer dalam bahan sehingga

memiliki arah yang teratur. Jika

arah magnet elementer sudah

teratur, maka bahan itu telah

memiliki sifat seperti magnet.

Magnet buatan sifatnya sementara,

artinya jika arah magnet-magnet

elementer dalam bahan tidak

teratur lagi, maka bahan tersebut

hilang sifat kemagnetannya.

Untuk mengacak arah magnet

elementer tersebut dapat

dilakukan dengan cara

memanaskan magnet, memukuli

magnet, membiarkan (tidak

menyimpan dengan baik) magnet

tersebut.

Kita telah mengetahui bahwa sebuah magnet dapat menarik jarum, paku,

clips kertas, serbuk besi, dan sebagainya. Sebuah magnet, apakah berbentuk





Gambar 8.39.

Kutub magnet Utara dan Selatan

batang atau ladam (sepatu kuda), mempunyai dua ujung yang disebut kutub-

kutub magnet, yang merupakan bagian magnet yang mempunyai pengaruh

kemagnetan paling kuat. Jika sebuah magnet digantungkan dengan benang

dan bisa bergerak bebas, maka salah satu ujungnya selalu menunjuk ke arah

utara dan ujung yang lain

menunjuk arah selatan.

Ini merupakan asas

piranti yang kita kenal

dengan kompas. Jarum

kompas adalah sebuah

magnet yang ditopang

pada pusat beratnya

sehingga dapat berputar

secara bebas. Kutub

magnet yang menunjuk

arah utara disebut kutub

utara; kutub magnet yang menunjuk arah selatan disebut kutub selatan seperti

diperlihatkan pada Gambar 8.39.

Kenyataan yang sudah biasa kita amati bahwa dua magnet yang saling

didekatkan akan melakukan gaya satu sama lain. Gaya tolak akan terjadi jika

kutub-kutub yang didekatkan sejenis (kutub utara dengan kutub utara atau

kutub selatan dengan kutub selatan). Gaya tarik-menarik akan terjadi jika

kutub-kutub yang didekatkan berlawanan jenis (kutub utara dengan kutub

selatan). Gejala ini mirip dengan gaya antara muatan-muatan listrik. Tetapi

jangan menyamakan kutub magnet dengan muatan listrik. Salah satu

perbedaan penting adalah bahwa muatan listrik positif atau negatif dapat

diisolasi dengan mudah. Tetapi kita tidak mungkin dapat mengisolasi kutub

magnet tunggal. Jika magnet batang dipotong berulang-ulang, kita selalu

mendapatkan kutub utara dan kutub selatan yang berpasangan.


Jelaskan faktor-faktor yang

mempengaruhi gaya magnetik pada

muatan yang sedang bergerak!

Bagaimanakah hubungan antara

medan magnetik dengan gaya

magnetik, muatan, dan kecepatan

bergerak partikel bermuatan yang

tegak lurus dengan medan magnet?

Bagaimanakah cara menentukan arah

medan magnet sesuai dengan aturan

tangan kanan?

Jelaskan cara menentukan arah

medan magnet dan arah arus listrik

sesuai dengan aturan tangan kanan

pada: kawat lurus dan panjang, loop

arus, dan solenoida.

B. MEDAN MAGNETIK

Ilmu pengetahuan magnetisme tumbuh dari pengamatan bahwa batu-batu

tertentu akan menarik potongan besi yang kecil-kecil. Magnetisme berasal

dari daerah Magnesia di Asia kecil, yaitu salah satu di antara tempat di mana

batu-batu tersebut ditemukan.

Medan magnetik diberi

lambang . Karena gaya-gaya

magnetik hanya bekerja pada

muatan-muatan yang sedang

bergerak, didefinisikan dari

sudut pandang gaya magnetik

yang dilakukan pada

sebuah muatan positif Q yang

mempunyai kecepatan v.

Teori dan eksperimen

menunjukkan bahwa gaya

magnetik pada muatan yang

sedang bergerak adalah

sebanding dengan dua faktor.

Faktor pertama adalah hasil

kali Qv. Makin besar muatan

dan makin cepat muatan itu

bergerak, makin besar gaya

magnetiknya.

Faktor kedua

berhubungan dengan arah.

Ketika sebuah muatan berada

dalam suatu medan magnetik,

akan selalu ada garis tertentu yang merupakan tempat muatan itu dapat

bergerak tanpa mengalami gaya magnetik. Arah diambil terletak sepanjang

garis ini. Bilamana v membentuk sudut terhadap , gaya magnetik pada

muatan tersebut ditemukan sebanding dengan sin . Jadi adalah maksimum

pada = 90o yang berarti bahwa gaya maksimum terjadi untuk gerak tegak

lurus terhadap . Karena besar tergantung pada Qv sin, maka besar

dari medan magnetik yang menentukan didefinisikan sebagai



(8-34)

Kita perhatikan bahwa sin θ adalah komponen v yang tegak lurus pada

. Ketika v sendiri tegak lurus pada , sin θ = sin 90o = 1, sehingga

(8-35)

( tegak lurus pada )

Gambar 8.40.

(a) Aturan tangan kanan tentang arah medan magnetik yang melakukan gaya

pada partikel bermuatan positif yang sedang bergerak dengan kecepatan

(b) Besar didefinisikan dalam , Q, dan

(c) Ketika tegak lurus pada , sin θ = sin 90o

Meskipun pada suatu listrik terletak sepanjang garis yang melalui

listrik itu di mana = 0, ada dua arah berlawanan yang mungkin sepanjang

garis itu. Oleh karena itu harus ditegaskan lebih jauh tentang arah . Marilah

kita perhatikan sebuah muatan yang sedang bergerak tegak lurus pada garis

itu. Menurut perjanjian arah ditentukan dengan aturan tangan kanan seperti

terlihat pada Gambar 8.40(a)

“Buka telapak tangan kanan mahasiswa sehingga empat jari sejajar

satu sama lain dan ibu jari menjulur ke luar. Bilamana ibu jari

mahasiswa adalah arah dan telapak tangan menghadap arah ,

empat jari lainnya adalah arah .”


Menurut definisi tersebut satuan medan magnetik adalah

Newton/Ampere meter (N/A.m). Satuan ini diberi nama Tesla, disingkat T,

sehingga

1 Tesla = 1 T = 1 N/A.m (8-36)

Satuan B lainnya adalah gauss, dengan

1 gauss = 10-4 T (8-37)

Medan magnetik karena arus listrik

a. Kawat lurus dan panjang

Gambar 8.41 menunjukkan medan magnetik di sekitar kawat lurus dan

panjang yang mengalirkan arus I. Garis-garis medan magnetik yang

dihasilkan adalah lingkaran-lingkaran konsentris dengan arus listrik pada

pusatnya. Arah medan magnetiknya dapat ditentukan dengan aturan tangan

kanan yang lain:

“Genggamlah kawat berarus dengan tangan kanan mahasiswa

sehingga ibu jari mahasiswa menunjuk arah arus. Jari-jari yang

melingkar menunjukkan arah medan magnetik.”

Gambar 8.41. Garis-garis medan magnetik di sekitar kawat lurus dan panjang berarus listrik terdiri atas lingkaran-lingkaran konsentris dengan aturan tangan kanan

Besarnya medan magnetik pada jarak a dari kawat adalah

(8-38)

Makin besar arus dan makin dekat dengan arus itu, makin kuat medan

magnetiknya.


Konstanta μ disebut permeabilitas medium tempat medan magnetik

berada. Dalam ruang hampa adalah

7 6

0 4 10 T.m / A 1,257 10 T.m / A

.

Nilai μ di udara mendekati μ0 dan sering kali dianggap sama. Satuan

permeabilitas yang lain adalah N/A2.

Hitunglah medan magnetik di udara pada jarak 45 cm dari kawat lurus

panjang yang membawa arus 9 A!

Besar medan magnetik di udara pada jarak 4,5 × 10-2 m adalah

.

b. Loop arus

Medan magnetik di sekitar loop arus lingkaran mempunyai bentuk

seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.42. Pada pusat loop (loop) medan

magnet B tegak lurus pada bidang loop yang dapat dirumuskan:

(8-39)

dengan I adalah arus dalam loop dan r adalah jari-jarinya. Arah ditentukan

dengan aturan tangan kanan yang lain lagi:

“Genggamlah loop sehingga jari-jari tangan mahasiswa yang

melingkar menunjuk pada arah arus, maka ibu jari tangan itu

menunjuk pada arah .”

Dalam hal kumparan pipih yang lebih dari satu loop, seperti

Gambar 8.42(c), besarnya medan magnetik masing-masing loop individual

Contoh:

Penyelesaian:


dijumlahkan dan memberikan medan yang lebih kuat secara sebanding. Jika

terdapat N lilitan, maka besarnya medan magnetik masing-masing loop

individual adalah

(8-40)

Gambar 8.42. (a) Medan magnetik di sekitar loop arus lingkaran

(b) Pada pusat loop tegak lurus pada bidang loop dan arahnya sesuai aturan

tangan kanan (c) Jika terdapat N loop, medan magnetik individual dijumlahkan dan memberikan medan N kali medan yang dihasilkan oleh setiap loop sendiri

c. Solenoida

Solenoida adalah suatu kumparan kawat dalam bentuk helix, seperti

Gambar 8.43. Jika lilitan-lilitan itu berdekatan dan solenoida itu cukup

panjang relatif terhadap diameternya, maka medan magnetik di dalamnya

adalah seragam dan sejajar dengan sumbunya kecuali dekat ujung-ujung

solenoida itu. Arah medan di dalam solenoida ditentukan dengan aturan

tangan kanan seperti di dalam loop arus.

Besarnya medan magnetik di dalam solenoida yang panjangnya l dan

mempunyai N lilitan kawat serta mengalirkan arus I mempunyai besar

(8-41)

Diameter solenoida tidak menjadi masalah, asalkan diameter itu adalah

kecil dibandingkan dengan panjang l seperti Gambar 8.43.






tes evaluasi formatif materi bentuk dan gejala

medan magnet

Gambar 8.43. (a) Medan magnetik di dalam solenoida, (b) medan magnetik seragam di dalam solenoida

Berdasarkan uraian materi bentuk dan gejala medan magnet, maka hal-

hal yang dapat dirangkum adalah sebagai berikut.

1. ………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

RANGKUMAN




2. ………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

3. ………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

4. ………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………



hipotesis, analisis data, dan pembahasan, maka dapat disimpulkan:

1) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

2) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

1) Sebuah benda diletakkan dalam medan magnet sangat kuat. Bila benda

itu ditolak oleh medan magnet berarti benda tersebut ....

A. para magnetik

B. diamagnetik

C. feromagnetik

D. elektromagnetik

2) Arus listrik dalam suatu kawat jaringan listrik mengalir dari Barat ke

Timur. Jika medan magnetik bumi diabaikan, maka arah medan

magnetik di atas kawat adalah ke ....

A. Utara

B. Timur

C. Selatan

D. Barat.

3) Benda yang termasuk feromagnetik dapat dibuat menjadi magnet,

sebab ....

A. memiliki permeabilitas besar

B. mengandung unsur besi

C. memiliki magnet elementer

D. penghantar listrik yang baik

EVALUASI FORMATIF 3


tepat!


4) Magnet batang yang dipanaskan atau dipukul dengan palu lama

kelamaan hilang sifat kemagnetannya. Hal ini disebabkan ....

A. magnet rusak

B. sifat magnetnya pindah ke palu

C. magnet tersebut merupakan magnet buatan

D. susunan magnet elementernya menjadi tidak teratur

5) Sebuah kawat lurus dialiri arus listrik, maka di sekitarnya akan timbul

medan magnet. Arah medan magnetnya adalah ....

A. sesuai dengan arah arus

B. mengelilingi kawat

C. berlawanan dengan arah arus

D. tegak lurus terhadap arus





Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, mahasiswa dapat

meneruskan dengan modul selanjutnya. Bagus! Jika masih di bawah 80%,





80 - 89 % = baik

70 - 79 % = cukup

< 70 % = kurang


Kegiatan Belajar

4

Penerapan pembelajaran model PIL pada fase 1 ini, mahasiswa dihadapkan pada

masalah yang bersifat autentik tentang materi sifat kemagnetan zat

dan cara membuat magnet untuk membangkitkan inisiasi dan

persistensi mahasiswa. Inisiasi mahasiswa dapat tumbuh dengan cara

mengamati dan memprediksi apa yang akan terjadi pada percobaan

sifat kemagnetan zat dan cara membuat magnet, sedangkan untuk

membangkitkan persistensi mahasiswa, yaitu dengan cara mencoba

dan melakukan simulasi yang diberikan oleh tutor. Pada fase ini,

mahasiswa diharapkan mampu menggunakan dan mengembangkan

kemampuan dasar yang dimilikinya untuk menentukan tujuan

pembelajaran dan merumuskan masalah secara mandiri.

Sifat Kemagnetan Zat dan Cara Membuat Magnet

Gambar 8.44. Pembuktian hukum Faraday

Masalah Autentik:

Pada Gambar 8.44, tersedia peralatan

berupa baterai 5 volt, solenoida, dan

Tesla meter. Bagaimana pengaruh

tegangan terhadap medan magnet

berdasarkan hukum Faraday? Amati dan

prediksi fenomena apa yang terjadi

apabila baterai dihubungkan pada

kumparan panjang yang terdiri atas satu

lilitan dan tiga lilitan? Bandingkan hasil

antara keduanya. Prediksi pula

fenomena yang terjadi apabila tegangan

baterai diperbesar dua kali lipat!




Gambar 8.45. Medan magnet di sekitar kawat berarus dengan 1 lilitan dihubung-kan dengan sumber tegangan 5 volt

Gambar 8.46. Medan magnet di sekitar kawat berarus dengan 3 lilitan dihubung-kan dengan sumber tegangan 5 volt


diri mahasiswa dalam masalah autentik

materi sifat kemagnetan zat dan cara

membuat magnet ini, mahasiswa dapat

mengamati dan memprediksi fenomena

apa yang akan terjadi apabila sebuah

lilitan kumparan dihubungkan dengan

sumber tegangan 5 volt?

Untuk membangkitkan persistensi,

mahasiswa diharapkan dapat mencoba

dan melakukan simulasi magnetic

properties of materials secara mandiri

baik individu maupun dalam kelompok

seperti ditunjukkan pada Gambar 8.45

dan Gambar 8.46.

Lakukan juga simulasi yang sama

dengan cara memvariasi tegangan

maupun jumlah lilitan dan amati apa

yang terjadi!











Pada fase 2 ini, tutor memberikan tanggung jawab kepada

mahasiswa sehingga diharapkan mampu mengidentifikasi

variabel-variabel, dan merumuskan hipotesis tentang sifat

kemagnetan zat dan cara membuat magnet secara mandiri.

FASE 2:

RESPONSIBILITY

/ TANGGUNG

JAWAB


mengidentifikasi variabel-variabel, dan merumuskan hipotesis

FASE 2:

RESPONSIBILITY

/ TANGGUNG

JAWAB




materi sifat kemagnetan zat dan cara membuat magnet, yaitu:

1. …………………………………………………………………………….

2. …………………………………………………………………………….

3. …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

Rumusan masalah dalam percobaan sifat kemagnetan zat dan cara

membuat magnet ini adalah:

1. …………………………………………………………………………….

2. …………………………………………………………………………….

3. …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

Variabel-variabel yang ada pada materi sifat kemagnetan zat dan cara

membuat magnet ini adalah:

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….


berikut.

1. Jika bahan yang digunakan dalam uji coba bersifat magnetik, maka

bahan tersebut akan ditarik/ditolak ketika didekatkan pada magnet,

demikian juga sebaliknya jika bahan yang digunakan dalam uji coba


(TANGGUNG JAWAB)


Pada fase 3 ini, mahasiswa melakukan investigasi mandiri

secara individu dan dalam kelompok sehingga mahasiswa

diharapkan mampu menentukan tujuan percobaan,

menyiapkan alat dan bahan, menyusun cara kerja, dan

mengumpulkan data yang diperlukan tentang sifat

kemagnetan zat dan cara membuat magnet.

tidak bersifat magnetik, maka bahan tersebut tidak memiliki respons

ketika didekatkan pada magnet.

2. Jika sebuah paku besi digosok pada sebuah magnet secara terus menerus

dalam arah yang sama, maka paku tersebut akan bersifat magnet buatan

dengan cara gesekan. Demikian juga jika sebuah paku besi diletakkan di

dalam kumparan yang dialiri arus listrik, maka paku tersebut akan

bersifat magnet buatan secara elektromagnetik.

3. Jika jumlah lilitan solenoida diperbesar dalam peristiwa induksi

elektromagnetik, maka medan magnetik yang terbentuk juga akan

semakin besar.


1. Percobaan Mengamati Sifat-sifat Magnet

a. Alat dan bahan

1) Magnet batang 2 buah.

2) Statis.

3) Benang secukupnya.

4) Benda-benda yang dapat ditarik magnet (misalnya besi,

aluminium, kaca, dan seng).

b. Cara kerja

1) Beri tanda S untuk kutub selatan, dan U untuk kutub utara pada

kedua magnet batang yang tersedia.





2) Gantunglah salah satu magnet dengan menggunakan benang

pada statisk seperti lihat Gambar 8.47.

Gambar 8.47. Mengamati sifat-sifat magnet

3) Dekatkan kutub selatan magnet kedua yang dipegang ke kutub

Selatan magnet batang yang digantung secara perlahan-lahan.

Amatilah apa yang terjadi pada magnet batang yang digantung.

4) Dekatkan kutub Utara magnet yang dipegang pada kutub

selatan magnet batang yang digantung secara perlahan-lahan.

Amati apa yang terjadi pada magnet batang yang digantung.

5) Dengan cara yang lama, dekatkan kutub selatan magnet yang

dipegang pada kutub utara magnet yang digantung. Amati apa

yang terjadi.

6) Dekatkan kutub utara magnet yang dipegang pada kutub utara

magnet yang digantung. Amati apa yang terjadi.

2. Percobaan Penerapan hukum Faraday

a. Alat dan bahan

1) Klip kertas 3- 5 buah.

2) Magnet batang 1 buah.

3) Kabel kecil berukuran 1 m 5 buah.


5) Paku besi 4 buah.

6) Isolasi secukupnya.


b. Cara kerja

Mahasiswa dapat menciptakan magnet buatan melalui 3 cara, yaitu

dengan cara gesekan, elektromagnetik, dan cara magnet induksi.

l) Membuat magnet melalui gesekan

a) Siapkan sebuah batang besi yang bukan magnet, lalu

dekatkan ujung batang besi tersebut pada beberapa klip

kertas. Amati apakah batang besi tersebut dapat menarik

klip kertas?

b) Geseklah batang besi pada magnet batang dalam satu arah

saja secara berulang-ulang kira-kira 10 detik lamanya

seperti Gambar 8.48. Dekatkan batang besi yang telah

digosok pada beberapa klip. Amati apa yang terjadi pada

klip!

Gambar 8.48. Batang magnet digosok pada batang besi

c) Lakukan hal yang sama seperti pada nomor 2, tetapi dalam

waktu yang lebih lama, misalnya 40 detik. Amati apa yang

terjadi pada klip!

2) Membuat magnet dengan cara induksi.

a) Peganglah sebuah magnet batang di salah satu kutubnya,

sedangkan kutub yang lain menjadi pusat bumi.

b) Dekatkan sebuah klip tepat di ujung salah satu kutub

magnet batang. Amati apa yang terjadi?

c) Dekatkan lagi sebuah klip kedua tepat di ujung klip yang

pertama. Amati apa yang terjadi?

d) Lakukan hal yang sama pada nomor b dan nomor c hingga

menggunakan klip sebanyak 4 buah. Amatilah apa yang

terjadi!

e) Induksi magnet juga dapat dibuktikan dengan

menggerakkan sebatang magnet di antara kumparan toroida

secara terus menerus. Induksi magnetik terjadi dengan


indikator lampu menyala ketika magnet batang melewati

tengah kumparan seperti Gambar 8.49.

Gambar 8.49. Membuat magnet dengan cara induksi

3) Membuat magnet dengan cara aliran arus listrik

a) Rangkailah alat seperti Gambar 8.50.

Gambar 8.50. Membuat magnet dengan cara aliran arus listrik

Amatilah, apakah paku menjadi magnet atau tidak?

Mengapa demikian?

b) Tutuplah saklar S, lalu dekatkan sebuah paku yang lain

pada paku yang dililiti kumparan. Amatilah apakah paku

tersebut sudah menjadi magnet? Jelaskan!

c) Lakukanlah hal yang sama pada nomor a dan nomor b,

tetapi dengan cara mengurangi jumlah lilitan kumparan

pada paku. Amatilah apakah kemagnetan yang terjadi pada

paku makin besar atau makin kecil? Beri penjelasan!

d) Lakukan hal yang sama pada nomor c, tetapi dengan cara

menambah lilitan kumparan pada paku!

e) Rancang sebuah percobaan seperti Gambar 8.51.


(a) (b) Gambar 8.51. Percobaan membuat magnet dengan: (a) arus konstan, (b) jumlah lilitan konstan

1). Pada posisi V= 0 tidak ada medan magnet, kemudian

atur posisi V = 3 volt (arus disetting konstan) dan

lakukan percobaan dengan memvariasi jumlah lilitan

dan catat hasilnya pada tabel berikut.

No. N B (Tesla)

1 1

2 2

3 3

4 4

2). Pada posisi N = 2 (jumlah lilitan disetting konstan), dan

lakukan percobaan dengan memvariasi arus sebagai

fungsi tegangan dan catat hasilnya pada tabel berikut.



mandiri mengolah data yang diperoleh dari hasil percobaan

sifat kemagnetan zat dan cara membuat magnet dan

menganalisis data percobaan tersebut secara individu dan

dalam kelompok serta membandingkan hasilnya secara


No. V (volt) I = V/R (ampere) B (Tesla)

1 1

2 3

3 6

4 7

5 9

Dari data tersebut jelaskan faktor apakah yang

dapat mempengaruhi kekuatan magnet dan bagaimana

hubungan antara kuat medan magnet dengan jumlah

lilitan kumparan dan arus listrik?


maka mahasiswa harus

mencermati secara teliti setiap

percobaan yang dilakukan.

Sebatang baja dapat dibuat

menjadi magnet dengan cara

menggosokkan sebuah batang

magnet pada baja tersebut. Perlu

diketahui bahwa menggesekkan

batang magnet

FASE 4: ANALYSIS (ANALISIS)

Gambar 8.52. Membuat magnet dengan cara gesekan


Gambar 8.53. Membuat magnet dengan cara induksi

Gambar 8.54. Induksi magnet pada kumparan

harus dengan teratur dalam satu arah dan dilakukan berulang-ulang seperti

diperlihatkan Gambar 8.52.

Setelah selesai melakukan penggosokan dalam waktu yang lama, maka

batang baja akan menjadi magnet. Bila yang digunakan untuk menggosok

adalah kutub utara (U) magnet, maka tempat mulai menggosoknya akan

menjadi kutub utara (U), dan ujung batang besi lainnya menjadi kutub selatan

(S). Sebaliknya, bila yang dipakai menggosok adalah ujung kutub selatan (S)

magnet, maka tempat mulai penggosokan akan menjadi kutub selatan (S).

Semakin lama batang besi digosok pada batang magnet, maka semakin besar

gaya magnet yang dimiliki batang besi. Hal ini disebabkan karena gaya

magnet yang dimiliki batang magnet tersebut berpindah melalui gesekan ke

batang besi.

Pada induksi magnet, mula-mula magnet batang didekatkan pada

sebatang paku sehingga paku tersebut menjadi magnet secara induksi.

Menginduksikan magnet berarti memberikan sifat

magnet kepada besi atau baja tanpa disentuhkan

kepadanya. Caranya adalah dengan mendekatkan

sebatang besi atau baja ke magnet batang yang kuat


Ujung besi yang dekat ke salah satu

kutub magnet memperoleh kutub yang

berlawanan dengan kutub magnet itu.

Misalnya, kutub selatan magnet batang

didekatkan pada kepala paku, maka

kepala paku menjadi kutub utara,

sedangkan ujung paku lainnya

menjadi kutub selatan. Jika ujung

paku dicelupkan ke dalam klip

kertas, maka ada klip kertas akan

tertarik dan melekat pada paku.

Kekuatan magnet hasil induksi

sangat lemah, sehingga bila magnet

batang dijauhkan dari paku, klip

kertas akan jatuh kembali. Demikian


Gambar 8.55. Magnet listrik yang disebabkan arus listrik

juga halnya dengan batang magnet yang digerakkan secara terus menerus di

antara kumparan kawat akan menimbulkan magnet di sekitar kawat. Adanya

magnet induksi yang timbul diindikasikan oleh adanya nyala lampu ketika

batang magnet digerakkan melewati tengah kumparan seperti diperlihatkan

pada Gambar 8.54.

Sebuah magnet dapat dibuat dengan menggunakan arus listrik.

Adapun caranya dengan melilitkan kawat penghantar pada batang paku di

sekelilingnya. Kemudian, ujung-ujung kawat dihubungkan dengan baterai

sehingga arusnya mengalir melalui lilitan

kawat sehingga menghasilkan magnet listrik

yang disebut dengan elektromagnet. Magnet

yang dibuat dengan cara ini akan hilang sifat

magnetnya jika aliran arus listrik dihilangkan

seperti ditunjukkan pada Gambar 8.55.

Untuk membuktikan bahwa medan

magnet dipengaruhi oleh arus listrik dan

jumlah lilitan kumparan, maka mahasiswa

dapat menganalisisnya melalui data yang

diperoleh dari percobaan.

Medan magnet yang dipengaruhi oleh arus listrik dengan N konstan.

Langkah pertama yang perlu diuji adalah persamaan Ir

NB

2

adalah

persamaan linear di mana B berbanding lurus dengan I seperti ditunjukkan

Gambar 8.56.


Gambar 8.56. Grafik medan magnet vs arus listrik

Berdasarkan grafik pada Gambar 8.36. Terlihat bahwa I1 > I2, I3 > I2, I4 >

I3, I5 > I4 dan B1 > B2, B3 > B2, B4 > B3, B5 > B4 yang menunjukkan bahwa

semakin besar harga arus listrik I yang mengalir dalam kumparan semakin

besar harga medan magnet B. Dengan bantuan program Excel buatlah

analisis data yang diperoleh dari percobaan di mana medan magnet

dipengaruhi oleh jumlah lilitan dengan arus yang konstan.


Pada fase 5 ini masing-masing kelompok mahasiswa diharapkan

mampu mempresentasikan hasil investigasi dan analisis yang

diperoleh serta mendiskusikan materi sifat kemagnetan zat dan

cara membuat magnet dengan kelompok yang lain. Salah satu dari

anggota masing-masing kelompok dipilih sebagai juru bicara untuk

presentasi, sedangkan salah seorang lainnya menjadi moderator

untuk memimpin jalannya diskusi pleno.

Jelaskan perbedaan para magnetik dan

diamagnetik!

Bagaimanakah hubungan antara besar gaya pada

elemen arus sepanjang ΔL ketika berada dalam

medan magnetik?

Berikan contoh Penerapan gaya magnetik pada

motor listrik dan pengeras suara.

Mengapa pada induksi elektromagnetik

perubahan medan magnetik dapat menghasilkan

arus listrik?

Jelaskan penerapan hukum Faraday pada

generator dan transformator.

C. SIFAT KEMAGNETAN ZAT

Kuat medan magnetik

dalam solenoida berarus

akan berubah jika diberi

batang keras yang terbuat

dari berbagai zat.

Beberapa zat menaikkan

medan (misalnya

oksigen dan aluminium),

zat lain menurunkan

(misalnya, air raksa dan

bismuth), tetapi dalam

hampir semua kasus

perubahannya sangat

kecil. Tetapi, beberapa zat

dapat memberikan

kenaikan yang luar

biasa medan magnetik baru bisa ratusan atau ribuan kali lebih besar.

Zat semacam itu disebut feromagnetik, seperti ditunjukkan dalam Gambar

8.57. Besi nikel, cobalt, dan ferrite adalah contoh feromagnetik. Susunan

solenoida dengan teras besi sering disebut elektromagnetik. Besi yang

digunakan sebagai teras elektromagnetik memperoleh dan kehilangan sifat





kemagnetan dengan sangat cepat ketika arus dihidupkan atau dimatikan,

sehingga besi itu disebut “besi lunak.”

Gambar 8.57. (a) Medan magnetik solenoida tanpa teras; (b) Menaikkan medan magnetik dengan menggunakan teras feromagnetik

Sifat kemagnetan zat dapat dilacak berdasarkan elektron-elektron

atomik; kontribusi inti sangat kecil. Perilaku magnetik elektron atomik

mempunyai dua asal-usul, yaitu:

1. Sebuah elektron dalam hal tertentu mirip sebuah bola bermuatan yang

sedang berputar (spinning), yang bisa kita bayangkan sebagai rangkaian

loop yang sangat kecil, seperti dalam Gambar 8.57(a). Oleh karena itu

setiap elektron mempunyai medan magnetik seperti magnet batang yang

kecil.

2. Elektron juga merupakan bagian atom, elektron bisa dibayangkan sedang

mengelilingi inti. Seperti dalam spin elektron, hal ini merupakan model

kasar dari situasi sebenarnya, tetapi cukup memadai untuk sejumlah

tujuan. Sebuah elektron yang sedang berkeliling merupakan suatu loop

arus, sehingga mempunyai medan magnetik seperti magnet batang yang

kecil.

Bilamana medan magnetik eksternal ada, gerak orbit elektron-elektron

dipengaruhi. Menurut hukum Lenz, perubahan medan magnetik orbit yang

dihasilkan sedemikian rupa sehingga berlawanan dengan medan

magnetik eksternal, suatu efek yang disebut diamagnetisme. Jadi

diamagnetisme menurunkan kuat medan magnetik. Zat yang mempunyai

sifat seperti ini disebut diamagnetik.


Dalam sejumlah zat lainnya satu elektron atau lebih per atom atau per

molekul mempunyai medan magnetik spin yang tidak ditiadakan. Dalam

medan magnetik eksternal, medan elektron-elektron ini cenderung terarahkan

untuk mempertinggi medan eksternal. Efek ini disebut para magnetisme dan

zat yang mempunyai sifat semacam itu disebut para magnetik. Kenaikan

karena para magnetisme selalu lebih besar daripada penurunan karena

diamagnetisme, sehingga hasilnya adalah kenaikan tetapi kenaikan ini

biasanya kecil karena agitasi termal yang konstan dari atom-atom atau

molekul-molekul mencegah pelurusan sepenuhnya medan magnetik spin

dengan medan magnetik luar.

Medan magnetik dapat melakukan gaya pada arus listrik, apakah arus

dalam kawat, muatan yang bergerak,

atau arus atomik seperti arus-arus

dalam besi. Dalam pembicaraan

tentang medan magnetik kita telah

memperoleh hubungan antara

besaran-besaran , Q, v, dan B

sebagai berikut.

(8-42)

Berarti besar gaya pada sebuah partikel bermuatan Q dan kecepatan v

dalam medan magnetik adalah

(8-43)

dengan θ adalah sudut antara v dan .

Sebuah partikel bermuatan Q yang sedang bergerak dengan kecepatan

dalam arah tegak lurus medan magnetik seragam akan mengalami gaya

sebesar

Gambar 8.58. Lintasan partikel bermuatan yang bergerak tegak lurus pada medan magnetik seragam berbentuk lingkaran


(untuk tegak lurus pada ) (8-44)

karena sin θ = sin 90o = 1. Gaya ini tegak lurus pada dan , sehingga

partikel tersebut menempuh lintasan lingkaran seperti ditunjukkan dalam

Gambar 8.58.

Jari-jari lintasan lingkaran R tersebut dapat dicari dengan mengingat

gaya magnetik sebesar tersebut sama dengan gaya sentripetal mv2/R,

sehingga

atau

(8-45)

Gaya pada Arus Listrik dalam Medan Magnetik

Karena arus listrik adalah aliran muatan, kita dapat menduga bahwa

kawat berarus listrik akan dipengaruhi oleh medan magnetik seperti halnya

sebuah partikel yang sedang bergerak. Seperti pembicaraan sebelumnya gaya

yang akan dialami muatan Q yang bergerak dengan kecepatan dalam

medan magnetik adalah

Gambar 8.59 (a) menunjukkan partikel bermuatan Q bergerak dengan

kecepatan . Dalam waktu t partikel t telah menempuh jarak sebesar

(8-46)

Gerak muatan tersebut setara dengan arus sebesar

(8-47)

Oleh karena itu

dan

sehingga

(8-48)


Gambar 8.59.

Gaya pada muatan Q yang bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnetik

sama dengan gaya pada kawat sepanjang ΔL yang membawa arus I = Q/t

Dapat disimpulkan bahwa besar gaya pada elemen arus I sepanjang ΔL

ketika berada dalam medan magnetik adalah

(8-49)

dengan θ adalah sudut antara I dan , seperti dalam Gambar 8.59 (b). Arah

gaya tersebut dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan seperti yang

digunakan untuk partikel yang bergerak dalam medan magnetik, kecuali

bahwa ibu jari tangan kanan menunjuk ke arah arus.

D. PENERAPAN GAYA MAGNETIK PADA ARUS LISTRIK

1. Motor listrik

Motor listrik dapat mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Bagan motor arus searah (dc = direct current) ditunjukkan dalam

Gambar 8.60, dengan satu loop agar lebih sederhana.

Bagaimana motor listrik mencapai gerak kontinu? Torka medan

magnetik yang bekerja pada loop arus akan menghilang ketika loop itu

berputar sehingga bidangnya tegak lurus pada arah medan magnetik. Jika

loop berputar melewati posisi ini, torka padanya akan berlawanan arah dan

akan mengembalikan loop ke arah tegak lurus. Agar motor berputar secara

kontinu, arus dalam loop harus dibalik setiap kali loop berputar 180°. Arus

diarahkan ke loop melalui batang grafit yang disebut sikat yang menempel

rapat pada cincin bercelah yang disebut komutator. Selama loop berputar,

arus dibalik dua kali per putaran selama segmen-segmen komutator


bersentuhan secara

bergantian dengan sikat-

sikat itu. Torka selalu

mempunyai arah yang sama,

kecuali ketika switching

torka itu nol karena loop

tegak lurus pada medan.

Namun demikian,

momentum sudut loop itu

membawanya melewati

listrik ini sehingga loop

dapat terus berputar.

Dalam motor listrik dc sebenarnya, seperti starter motor pada mobil,

prinsip kerjanya mirip dengan yang kita bicarakan di sini, namun digunakan

sejumlah metode untuk meningkatkan torka yang ada. Medan magnetik

diberikan oleh elektromagnetik, bukan magnet permanen.

Energi listrik untuk tujuan industri dan rumah tangga biasanya

dikirimkan dengan arus bolak-balik (ac = alternating current), yang

mempunyai arah berbalik sendiri secara periodik. Frekuensi yang digunakan

biasanya adalah 60 Hz, yang berarti bahwa arus berubah arah 120 kali per

sekon. Dalam motor listrik arus bolak-balik komutator dan sikat tidak

diperlukan karena arus sendiri sudah bolak-balik, sehingga motor semacam

itu lebih mudah dibuat dan lebih handal daripada motor dc.

Gambar 8.60.

Motor arus listrik searah yang disederhanakan


Suatu kumparan kawat lingkaran mempunyai diameter 20,0 cm dan berisi 30

lilitan. Arus dalam masing-masing lilitan adalah 2,0 A dan kumparan itu

ditempatkan pada medan magnetik 4,0 T. Hitunglah torka maksimum yang

dilakukan oleh medan pada kumparan itu.

Luas permukaan kumparan adalah

Torka maksimum terjadi ketika kumparan sejajar dengan medan

magnetik, sehingga θ = 90o dan sin 90o = 1. Jadi torka maksimumnya adalah

2. Pengeras suara

Pengeras suara bekerja dengan asas bahwa magnet melakukan suatu

gaya pada kawat berarus listrik. Keluaran radio atau pesawat TV

dihubungkan dengan kabel penghubung pengeras suara (speaker). Kabel ini

dihubungkan secara internal dengan kumparan kawat yang melekat kerucut

pengeras suara, seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.61. Kerucut pengeras

suara biasanya dibuat dari cardboard yang dikeraskan dan dipasang

sedemikian rupa sehingga dapat bergerak bolak-balik secara bebas. Magnet

permanen dipasang secara langsung dengan kumparan kawat tersebut.

Contoh:

Penyelesaian:


Gambar 8.61. Penampang pengeras suara

Bilamana arus bolak-balik dari sinyal suara mengalir melewati kumparan

kawat, kumparan dan

kerucut pengeras suara

yang melekat mengalami

suatu gaya yang

disebabkan oleh medan

magnetik dari magnet

permanen. Karena arus

berganti-ganti pada

frekuensi sinyal suara,

kerucut pengeras suara

akan bergerak bolak-

balik dengan frekuensi

yang sama; hal ini

menimbulkan rapatan

dan renggangan pada

udara di dekatnya,

sehingga gelombang

bunyi dihasilkan. Jadi pengeras suara mengubah energi listrik menjadi energi

bunyi.

E. INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Kita telah membicarakan bahwa arus listrik menghasilkan medan

magnetik dan medan magnetik melakukan gaya pada arus listrik. Para

ilmuwan kemudian bertanya-tanya apakah medan magnetik dapat

menghasilkan arus listrik. Joseph Henry (1797-1878 dari Amerika dan

Michael Faraday dari Inggris berhasil melakukan eksperimen yang menjawab

pertanyaan tersebut.

Gambar 8.62 menunjukkan asas eksperimen Faraday untuk

menghasilkan arus listrik dari medan magnetik. Kumparan kawat P

dihubungkan dengan baterai dan kumparan kawat Q dihubungkan dengan

galvanometer. Arus yang mengalir melalui P menghasilkan medan magnetik

yang diperkuat oleh teras besi. Faraday berharap bahwa medan magnetik

yang dihasilkan oleh arus dalam kumparan P dapat menghasilkan arus listrik


Gambar 8.62. Eksperimen Faraday untuk menginduksi ggl

Gambar 8.63. (a) Arus terinduksi ketika magnet mendekati

kumparan (b) Arus induksi berlawanan ketika magnet

digerakkan menjauhi kumparan (c) Tidak ada arus induksi jika magnet tidak

bergerak terhadap kumparan

pada kumparan Q. Setelah melakukan berbagai eksperimen Faraday

mengamati bahwa jarum galvanometer menyimpang ke arah tertentu ketika

saklar ditutup dan

jarum galvanomeneter

itu menyimpang ke

arah berlawanan ketika

saklar dibuka. Arus

tunak dalam kumparan

P tidak menghasilkan

arus pada kumparan Q.

Arus pada kumparan Q hanya terjadi pada saat arus dalam kumparan P

disambung atau diputus.

Faraday menyimpulkan bahwa perubahan medan magnetik dapat

menghasilkan arus listrik. Arus semacam itu disebut arus induksi (atau arus

imbas). Ketika medan magnetik yang melewati kumparan Q berubah, arus

listrik mengalir seolah-

olah terdapat sumber ggl

dalam rangkaian. Kita

dapat mengatakan

bahwa ggl induksi dapat

dihasilkan oleh medan

magnetik yang sedang

berubah. Gejala

semacam itu disebut

induksi elektromagnetik.

Faraday

melanjutkan eksperimen

dengan bagan seperti

ditunjukkan dalam

Gambar 8.63. Magnet

batang digerakkan

secara cepat ke dalam

kumparan kawat, arus

induksi terjadi dalam

kawat itu. Jika magnet batang digerakkan secara cepat menjauhi kumparan,

arus induksi dalam kawat terjadi dalam arah berlawanan. Eksperimen


diulangi dengan posisi magnet batang diam dan kumparan digerakkan ke

luar atau masuk, ternyata arus induksi juga terjadi.

F. PENERAPAN HUKUM FARADAY

Faraday menyelidiki secara kuantitatif faktor-faktor yang mempengaruhi

besar ggl induksi. Mula-mula Faraday mendapatkan bahwa ggl induksi

tergantung pada waktu; makin cepat

medan magnetik berubah, makin besar

ggl induksi. Dengan perkataan lain, ggl

induksi sebanding dengan laju

perubahan medan magnetik . Ggl

induksi ini juga sebanding dengan laju

perubahan fluks magnetik Φ (huruf

besar Yunani phi) yang melalui loop

dengan luas A (lihat Gambar 8.64) dan

didefinisikan sebagai

(8-50)

Dengan adalah komponen dalam arah tegak lurus pada bidang

loop. Satuan fluks adalah weber (Wb), dengan

1 Wb = 1 T.m2 (8-51)

Faraday mendapatkan bahwa ggl εi dalam loop kawat semacam itu sama

dengan laju perubahan fluks yang melewatinya. Dengan demikian,

(8-52)

Dalam hal ini ΔΦ adalah perubahan fluks Φ yang terjadi selama periode

waktu Δt. Persamaan (8-52) adalah hukum Faraday tentang induksi

elektromagnetik.

Ggl induksi dalam suatu loop kawat sama dengan beda potensial yang

akan diperoleh antara ujung-ujung suatu loop kawat terbuka yang identik.

Ggl dalam suatu rangkaian tertutup adalah beda potensial yang akan

Gambar 8.64. Penentuan fluks yang melewati suatu loop kawat


ditemukan antara ujung-ujung rangkaian itu jika rangkaian ini dipotong di

mana saja.

Jika suatu kumparan dengan n lilitan menggantikan loop tunggal dalam

Gambar 8.64, ggl induksi dalam lilitan-lilitan saling menjumlahkan, dan ggl

total dalam kumparan secara keseluruhan adalah

(8-53)

Tanda negatif dalam Persamaan (8-52) dan Persamaan (8-53) mengikuti

hukum kekekalan energi. Hal ini sesuai dengan hasil eksperimen yang

disimpulkan dalam hukum Lenz sebagai berikut.

“Arah arus induksi selalu sedemikian rupa sehingga medan

magnetiknya sendiri melawan perubahan fluks yang menghasilkan

arus induksi itu.”

1. Generator

Sebagian besar energi listrik dihasilkan dengan induksi elektromagnetik.

Dalam pembangkit listrik (generator), kumparan kawat diputar dalam medan

magnetik sehingga fluks yang melewati kumparan itu berubah secara

konstan. Ggl yang dihasilkan dalam kumparan menimbulkan arus yang

mengalir ke rangkaian luar, kemudian arus ini dialirkan melalui kabel sampai

pada jarak yang jauh. Generator mengubah energi mekanik menjadi energi

listrik.

Gambar 8.65 menunjukkan bagan generator ac yang disederhanakan.

Generator terdiri

atas banyak

kumparan kawat

yang dililitkan pada

gambar (armature)

dan dapat diputar

dalam medan

magnetik. Sumbu

diputar secara

mekanis (misalnya oleh air terjun

pada PLTA), sehingga ggl induksi terjadi

dalam kumparan yang sedang berputar. Jadi keluaran

pada generator adalah arus listrik.

Gambar 8.65.

Generator ac


Misalkan gambar kumparan diputar berlawanan arah putaran jarum jam,

menurut aturan tangan kanan arah arus dalam kawat cd adalah keluar

(menuju pembaca), sehingga arus itu akan keluar dari sikat e dan masuk ke

sikat f. Setelah setengah putaran, kawat cd akan berada pada posisi di mana

kawat ab sekarang berada, sehingga arus keluar dari sikat f dan masuk ke

sikat e. Jadi arus yang dihasilkan adalah arus bolak-balik.

Komponen kecepatan yang tegak lurus adalah sinv .

Jika kumparan berputar dengan kecepatan sudut konstan ω (huruf

Yunani omega), maka sudut θ = ωt. Jika panjang kawat bc atau da adalah h,

maka v = ωh/2. Oleh karena itu kita memperoleh

atau

(8-54)

dengan A = Lh adalah luas

loop. Luas ini berlaku untuk

semua bentuk loop, bukan

hanya untuk loop persegi

panjang seperti yang

diturunkan. Karena

kecepatan sudut ω dinyatakan

dalam radian per sekon,

kita juga dapat

menuliskan

dengan f adalah

frekuensi, sehingga

(8-55)

dengan adalah ggl maksimum.

Gambar 8.66. Generator dc sederhana dengan cincin luncur pada generator ac diganti

komutator


2. Transformator

Transformator (sering disingkat trafo) adalah piranti untuk menaikkan

atau menurunkan tegangan

bolak-balik. Transformator

terdiri atas dua kumparan kawat

yang dikenal sebagai kumparan

primer dan kumparan sekunder,

seperti ditunjukkan dalam

Gambar 8.67. Dua kumparan itu

dililitkan pada teras besi lunak

berlapis-lapis. Transformator

dirancang sedemikian rupa agar

luks magnetik yang dihasilkan

oleh arus dalam kumparan primer juga melewati kumparan sekunder.

Jika tegangan bolak-balik diberikan pada kumparan primer, perubahan

medan magnetik yang berubah-ubah dalam kumparan primer akan

menginduksi tegangan bolak-balik pada kumparan sekunder dengan

frekuensi yang sama. Namun demikian, tegangannya akan berbeda dan

tergantung pada jumlah lilitan pada dua kumparan itu. Menurut hukum

faraday, tegangan atau ggl induksi masukan pada kumparan primer dapat

dituliskan sebagai

(8-56)

dengan Np adalah jumlah lilitan pada kumparan primer, dan ΔΦ/Δt adalah

laju perubahan fluks magnetik. Tegangan keluaran pada kumparan sekunder

mempunyai laju perubahan fluks yang sama, sehingga

(8-57)

dengan Ns adalah jumlah lilitan pada kumparan sekunder. Dengan

menganggap tidak ada fluks yang hilang, kita dapat membagi dua persamaan

terakhir ini sehingga diperoleh

(8-58)

Persamaan ini disebut persamaan transformator, yang menunjukkan

hubungan tegangan kumparan sekunder terhadap tegangan kumparan primer.

Gambar 8.67.

Bagan transformator


Jika Ns lebih besar dari Np, kita mempunyai transformator penaik-

tegangan (step-up transformer). Tegangan kumparan sekunder lebih besar

daripada tegangan kumparan primer. Jika Ns lebih kecil dari Np, kita

mempunyai transformator penurun-tegangan (step-down transformer).

Menurut hukum kekekalan energi daya keluaran tidak boleh lebih besar

daripada daya masukan. Transformator yang dirancang secara baik dapat

menghasilkan efisiensi lebih dari 99 persen, sehingga kehilangan energi

panas adalah sangat kecil. Karena daya P = VI, kita memperoleh

(8-59)

Arus bolak-balik banyak digunakan berkat transformator yang mengubah

tegangan pada waktu pengiriman ke konsumen. Energi listrik mungkin

dibangkitkan pada tegangan 10 kV dan dinaikkan sampai 700 kV oleh

transformator untuk dikirimkan, dan kemudian diturunkan dengan

transformator pada gardu sub-induk pada tegangan kurang dari 1 kV.

Akhirnya trasformator lokal menurunkan tegangan lebih jauh sampai 220 V

untuk digunakan para pelanggan. Tegangan tinggi diperlukan karena daya P

= VI; makin tinggi tegangan, makin kecil arus untuk suatu daya tertentu.

Daya yang hilang sebagai panas adalah I2R, sehingga makin kecil arus,

makin kurang daya yang hilang karena hambatan R dalam jaringan transmisi.


Hitunglah daya yang hilang sebagai panas bilamana kabel 20,0 Ω yang

digunakan untuk mengirimkan 1000 W listrik pada 220 V dan pada 220 KV!

Besarnya arus yang mengalir dalam kabel pada masing-masing kasus adalah:

Laju panas yang hilang dalam kabel adalah

Jadi transmisi pada tegangan 220 V mengakibatkan panas yang hilang jutaan

kali daripada transmisi pada tegangan 220 KV.

Contoh:

Penyelesaian:


Berdasarkan uraian materi sefat kemagnetan zat dan cara membuat

magnet, maka hal-hal yang dapat dirangkum adalah sebagai berikut.

1. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

2. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

3. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

4. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

5. ……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

RANGKUMAN





tes evaluasi formatif materi sifat kemagnetan

zat dan cara membuat magnet.




6. Hukum Faraday juga menyatakan bahwa perubahan medan

magnetik menghasilkan medan listrik. Jika kawat sepanjang L

bergerak dengan kecepatan v tegak lurus pada medan magnetik B,

maka ggl induksi antara ujung-ujungnya adalah

7. Hukum Faraday diterapkan dalam generator yang mengubah energi

mekanik menjadi energi listrik. Generator listrik menghasilkan ggl

yang dapat dituliskan sebagai

8. Transformator merupakan piranti yang mengubah tegangan ac, yang

terdiri atas kumparan primer dan kumparan sekunder. Perubahan

fluks karena tegangan ac dalam kumparan primer menginduksi

tegangan ac pada kumparan sekunder. Hubungan antara tegangan

dan jumlah lilitan dalam kumparan primer dan kumparan sekunder

dapat dituliskan sebagai

9. Sedangkan hubungan arus dan jumlah lilitan dalam kumparan

primer dan kumparan sekunder adalah



hipotesis, analisis data, dan pembahasan dapat disimpulkan:

1) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

2) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

3) …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………….

1) Dalam suatu motor listrik, kawat yang membawa arus 8 A berada dalam

arah tegak lurus medan magnetik 0,5 T. Gaya yang bekerja pada tiap cm

kawat ini adalah ....

A. 0,04 N

B. 0,16 N

C. 4,00 N

D. 16,0 N

2) Penghantar kawat lurus dialiri arus yang konstan. Besarnya medan

magnet di sekitar kawat ....

A. sama untuk tiap listrik

B. tergantung dari panjang kawat

C. tergantung jaraknya terhadap kawat

D. tergantung bahan kawat

EVALUASI FORMATIF 4


tepat!


3) Suatu kumparan kawat dihubungkan dengan baterai akan menimbulkan

magnet. Agar magnet yang ditimbulkan lebih kuat, maka yang dilakukan

adalah ....

A. mengurangi jumlah baterai

B. membalik arah arus listrik

C. membungkus kumparan agar medan magnet tidak bocor

D. menambah jumlah baterai

4) Simpal kawat bujur sangkar dengan sisi 5 cm berada dalam arah tegak

lurus medan magnetik 0,08 T, Jika medan magnetik itu turun menjadi

nol dalam waktu 0,2 s, maka ggl induksi rata-rata dalam loop selama

selang waktu ini adalah ....

A. 0,04 mV

B. 0,50 mV

C. 1,00 mV

D. 8,00 mV

5) Sebuah transformator mempunyai kumparan primer 200 lilitan dan

kumparan sekunder 40 lilitan. Jika arus yang mengalir dalam kumparan

primer adalah 20 A, maka arus dalam kumparan primernya adalah ....

A. 100 A

B. 5 A

C. 4 A

D. 2 A





Apabila mencapai tingkat penguasaan 80% atau lebih, mahasiswa dapat

meneruskan dengan modul selanjutnya. Bagus! Jika masih di bawah 80%,





80 - 89 % = baik

70 - 79 % = cukup

< 70 % = kurang


Kunci Jawaban Evaluasi Formatif

Evaluasi Formatif 1

1) B. Jika kita memiliki muatan positif didekatkan pada elektroskop,

maka daun/plat pada alat tersebut akan menyimpang dengan sudut

lebih besar, sedangkan jika didekatkan pada muatan negatif, plat

elektroskop akan menyimpang dengan membentuk sudut lebih

kecil daripada simpangan sudut awal. Dengan demikian

elektroskop dapat membedakan muatan positif dan negatif,

dengan kata lain dapat digunakan untuk menentukan jenis muatan.

2) D. Gelas yang digosok dengan kain sutra akan menjadi bermuatan

positif, karena dalam penggosokan terjadi proses pemindahan

muatan positif dari kain sutra ke batang gelas. Hal ini

menyebabkan batang gelas bermuatan positif.

3) A.

4) D.

5) A. Medan listrik adalah suatu besaran fisis yang memiliki arah dan

besar.


Evaluasi Formatif 2

1) D. Kita masukkan satuan muatan listrik, hambatan dan tegangan

pada rumus,

2) A. Gunakan 2A r maka

3) B.

Jadi,

4) C. Muatan, energi, dan potensial listrik adalah besaran skalar karena

hanya mempunyai besar dan tidak mempunyai arah. Sedangkan

medan listrik adalah besaran vektor karena mempunyai besar dan

arah.

5) B. Menurut definisi electron volt adalah energi yang diperlukan

untuk membawa muatan +e lewat beda potensial 1 volt, sehingga

elektron volt adalah satuan energi. Satuan medan listrik dapat

dinyatakan dalam N/C atau V/m. Joule adalah satuan untuk

energi. Sedangkan kWh (kilowatt hour) adalah satuan daya

dikalikan satuan waktu, sehingga merupakan satuan energi juga.


Evaluasi Formatif 3

1) B. Bahan tersebut tidak memiliki unsur-unsur sifat kemagnetan.

2) A. Dengan menggunakan aturan tangan kanan kita ketahui bahwa

arah medan magnetik di atas kawat berarus tersebut adalah ke

utara.

3) C. Menurut teori kemagnetan, membuat magnet pada dasarnya

mengatur arah magnet elementer dalam bahan yang semula tidak

teratur.

4) D. Magnet batang yang dipanaskan atau dipukul dengan palu, lama

kelamaan hilang sifat kemagnetannya disebabkan susunan magnet

elementernya menjadi tidak teratur.

5) B. Kawat lurus yang dialiri arus listrik, maka di sekitarnya akan

timbul medan magnet dengan arah medan magnetnya sesuai

dengan kaidah tangan kanan.

Evaluasi Formatif 4

1) A. Gaya terhadap kawat berarus dapat dirumuskan sebagai

Dengan memasukkan besaran-besaran yang diketahui, diperoleh:


2) C. Besarnya medan magnet di sekitar kawat tergantung pada arus

listrik yang mengalir dan jaraknya terhadap kawat.

3) D. menambah jumlah baterai berarti menambah besarnya arus yang

mengalir dalam kumparan. Penambahan besarnya arus berakibat

medan magnet semakin kuat.

4) C. Fluks magnetik dalam simpal adalah

Perubahan fluks dalam simpal itu adalah

Ggl induksi dalam simpal adalah

5) C. Arus dalam kumparan primer adalah


Glosarium

Elektroskop : Suatu alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi

adanya muatan listrik atau medan listrik.

Konduktor : Suatu bahan yang mudah menghantarkan arus listrik.

Isolator : Suatu bahan yang sukar menghantarkan arus listrik.

Medan listrik : Merupakan besaran listrik yang memiliki nilai pada

setiap listrik dalam ruang, yang dapat dinyatakan

dengan gaya persatuan muatan.

Potensial listrik : Suatu usaha yang diperlukan tiap satuan muatan

terhadap gaya yang ditimbulkan oleh medan listrik,

bila suatu muatan dipindahkan dari suatu listrik ke

listrik tertentu.

Gaya gerak

listrik (ggl)

: Merupakan suatu sumber energi yang digunakan

untuk mengalirkan muatan dalam suatu rangkaian.

Para magnetik : Suatu bahan yang ditarik magnet dengan lemah.

Diamagnetik : Suatu jenis bahan yang memiliki sifat non- magnetik.

Bahan jenis ini biasanya ditolak oleh magnet.

Feromagnetik : Suatu jenis bahan yang memiliki sifat magnetik.

Bahan ini ditarik magnet dengan kuat dan mudah

dibuat untuk menjadi magnet.

Generator : Suatu alat yang mengubah energi mekanik menjadi

listrik.

Medan : Suatu besaran dalam fisika yang memiliki nilai pada

setiap titik dalam ruang.

Medan magnet : Daerah yang masih merasakan adanya gaya magnet.

Permeabilitas : Tetapan suatu bahan yang berhubungan dengan sifat

kemagnetan.

Solenoida : Kumparan kawat yang panjang.


Daftar Pustaka

Barba, P. D., Savini, A., & Wiak, S. (2008). Field Models in Electricity and

Magnetism. Springer.

Kelly, P. F. (2014). Electricity and Magnetism. CRC Press.

Kirkland, K. (2007). Electricity and magnetism. USA: Facts on File, Inc.

Crowell, B. (2007). Electricity and Magnetism. California: Benjamin

Crowell.

Garrity, T. A., & Neumann-Chun, N. (2015). Electricity and magnetism for

mathematicians : a guided path from Maxwell's equations to Yang-

Mills. Cambridge University Press.

Glencoe. (2004). Glencoe Science: Electricy and Magnetism, Student Edition

(Glencoe Science Series) (2 ed.). USA: Glencoe/McGraw-Hill.

Glencoe. (2005). Physics: Principles and Problems. Columbus: McGraw-

Hill.

Guglielmino, P. J. (2011). An Exploration of Cultural Dimensions and

Economic Indicators As Predictors of Self-Directed Learning

Readiness. International Journal of Self-Directed Learning Volume

8, Number 1, 29-59.

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2011). Fundamentals of physics.

USA: Wiley.

Heller, K., & Docktor, J. (2009). Assessment of Student Problem Solving

Processes. Physics Education Research, 1179, 133-140.

Kemdikbud. (2012). Pergeseran Paradigma Belajar Abad 21. Jakarta:

http://kemdikbud.go.id/.

Kuehn, K. (2015). A Student's Guide Through the Great Physics Texts:

Volume III: Electricity, Magnetism and Light. Springer.


Nieveen, N., & Plomp, T. (2007). An Introduction to Educational Design

Research. (pp. 23-26). Shanghai: China Normal University Press.

Nightingale, D., & Spencer, C. (2015). A Kitchen Course in Electricity and

Magnetism. Springer International Publishing.

Pandiangan, P. (2016). Model Physics Independent Learning (PIL).

Surabaya: PPs Unesa.

Pandiangan, P., Safitri, H., Mujadi, Widiasih, Rumanta, M., Iryani, K., et al.

(2012). Praktikum IPA di SD. Jakarta: Universitas Terbuka.

Pandiangan, P., Sumardi, Y., Safitri, H., Herawati, Syulasmi, A., Rumanta,

M., et al. (2011). Konsep Dasar IPA di SD. Jakarta: Universitas

Terbuka.

Purcell, E. M. (2011). Electricity and magnetism. USA: Cambridge

University Press.

Ramsey, A. S. (2009). Electricity and Magnetism: An Introduction to the

Mathematical Theory. Cambridge University Press.

Sirdeshmukh, & Subhadra. (2014). Electrical, Electronic and Magnetic

Properties of Solids. New York: Springer International Publishing.

prototipe buku materi pokok - repository.unesa.ac.id

Documents