Kompetensi Dasar :
3.1 Menerapkan konsep listrik dan elektronika (gejala fisik arus listrik
dan potensial listrik)
4.1 Menggunakan konsep listrik dan elektronika (gejala fisik arus listrik
dan potensial listrik)
Tema: Penerapan Konsep
Listrik dan Elektronika
Atom
adalah partikel kecil dari sebuah molekul yang sifatnya tidak dapat dibagi
lagi. Atom terdiri dari proto, neutron, dan elektron, dimana proton bermuatan
positif terhadap elektron dan elektron bermuatan negatif sedangkan dalam
keadaan normal inti (neutron) tidak bermuatan. Karakteristik atom antara lain
sebagai berikut :
1. Setiap inti memiliki
medan gaya tarik dengan elektron dan dikenal sebagai muatan.
2. Inti bermuatan
positif terhadap elektron, sebaliknya elektron bermuatan negatif terhadap
intinya.
3. Kedua muatan tersebut saling tarik-menarik atau tolak-menolak dan juga bermuatan netral jika jumlah muatan positif dan negatif seimbang.
B. Susunan Atom
Banyaknya elektron yang melintas ditentukan oleh berat unsur
kimia, dimana semakin besar berat unsurnya suatu unsur maka akan semakin banyak
jumlah elektron yang mengelilingi intinya. Jumlah elektron yang melintasi tiap
lapisan dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut :
Keterangan:
e = Banyak elektron yang melintas
n = 1,2,3, … (nomor lintasan, dimana angka terkecil
menyatakan lintasan yang paling dekat intinya).
Dengan demikian banyaknya elektron yang melintas pada tiap
lintasan untuk unsur silikon seperti gambar di samping.
Lintasan pertama (1) = 2 . 12 = 2 buah elektron
Lintasan kedua (2) = 2 . 23 = 8 buah elektron
Lintasan ketiga (3) = 4 buah elektron sisa
Pada lintasan ketiga hanya melintasi empat buah elektron,
karena termasuk sisa dari 14 – (2 +8) = 4 buah elektron. Elektron-elektron yang
melintasi pada lapisan terdalam yang berdekatan dengan inti akan terikat kuat
oleh muatan intinya dan akan sulit melepaskan diri dari susunannya. Sedangkan
bagi elektron-elektron yang menempati lapisan terluar akan mudah dipengaruhi
oleh sejumlah tenaga dari terluar dan dapat keluar sebagai elektron bebas.
Sumber: Dewi Wahyuningsih, Dasar Listrik dan Elektronika
Bidang Keahlian Teknologi dan Rekayasa C2, Mediatama: Surakarta
Gambar Lapisan Atom Unsur Silikon dan Penyederhanaannya
Elektron yang menempati lapisan terluar akan memegang peranan
penting dalam menentukan sifat kimia dan kelistrikan unsur disebut dengan
elektron valensi. Pada tiap elektron memiliki kemampuan mengikat satu elektron
dari atom lain yang ada di sekitarnya. Terdapat beberapa atom silikon yang
saling berdekatan, maka elektro-elektron yang saling berdekatan akan menjalin
ikatan kovalen.
Sumber: Dewi Wahyuningsih, Dasar Listrik dan Elektronika
Bidang Keahlian Teknologi dan Rekayasa C2, Mediatama: Surakarta
Gambar Struktur Kristal Silikon deangan Ikatan Kovalen
C. Elektron Bebas dan Hole
Suatu efek agitasi seperti kenaikan temperatur akan
menghasilkan getaran pada inti atom sehingga berakibat ikatan kovalen akan
pecah dan diikuti oleh lepasnya elektron-elektron. Elektron yang lepas dari
ikatannya disebut elektron bebas yang bermuatan negatif. Sedangkan, tempat yang
ditinggalkan oleh elektron akan membentuk suatu muatan positif yang disebut
sebagai kekosongan atau hole.
Pada temperatur kamar 27°C, energi panas sudah mampu
membebaskan elektron dar ikatan kovalen, hingga kata lain temperatur kamar
memiliki sifat silikon yang pada kondisi semula bersifat sebagai penyekat
sempurna dapat berubah menjadi penghantar arus listrik. Daya hantar jenis bahan
semikonduktor murni sangat rendah, maka guna memperbesar daya hantar tersebut
dapat dilakukan dengan proses pencampuran dengan unsur lain dengan maksud untuk
memperbanyak terjadinya elektron-elektron bebas dan hole. Istilah pencampuran
ini dikenal dengan nama pengotoran (Impurity) atau Doping. Elektron bebas dan
hole yang terjadi disebut sebagai pembawa muatan (Charge-Carrier).
Elektron valensinya bergerak hampir bebas terhadap intinya.
Karakteristik dan macam aksi kelistrikan seperti loncatan listrik statis,
pembangkit panas, reaksi kimia terjadi karena adanya aliran listrik. Aliran
listrik terjadi karena adanya elektron bebas.
Gambar Elektron Bebas dan Hole
D. Listrik
Kejadian kesetrum listrik merupakan kejadian dimana terdapat
aliran listrik yang mengalir pada tubuh kita. Hal ini dapat terjadi karena pada
dasarnya tubuh manusia merupakan konduktor yang baik, dimana tubuh manusia
sebagian besar merupakan cairan sehingga mampu menghantarkan listrik dengan
baik. Listrik adalah suatu muatan yang terdiri atas muatan positif dan muatan
negatif. Listrik menimbulkan berbagai macam efek seperti petir, listrik statis,
induksi elektromagnetik, dan arus listrik.
Gambar Petir Merupakan Salah satu Efek dari Listrik
Munculnya listrik karena adanya beberapa tipe fisika, yaitu
muatan listrik, medan magnet, potensial listrik, arus listrik, dan
elektromagnet. Dalam kehidupan sehari-hari gejala listrik yakni pada sisir yang
digosokkan pada rambut, kemudian didekatkan pada kertas. Berikut hukum-hukum
dari gejala listrik:
1. Hukum Coulomb
Buku hukum coulomb sebagai berikut “Besarnya gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik antara dua benda bermuatan listrik, berbanding lurus dengan besar masing-amsing muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda bermuatan”. Rumus dari hukum Coulomb sebagai berikut:
a. Muatan Listrik yang
Berada di Ruang Hampa Udara/ Vakum
Keterangan:
F = Besar gaya
interaksi yang dialami oleh masing-masing muatan (Newton)
k = konstanta
pembanding besarnya 9 x 109
Nm2/C2
q1 =
besarnya muatan pertama (coulomb)
q2 =
besarnya muatan kedua (Coulomb)
r = jarak antara
kedua muatan listrik (meter)
b. Muatan Listrik yang
Berada di Medium Dielektrik
Keterangan:
ke =
konstanta dielektrik dari medium (permitivitas relatif)
Hubungan antara k dan ke sebagai berikut rumusnya
:
Keterangan:
ε0 =
permitivitas ruan vakum (ruang hampa) : 8,9 x 10-12 C2/Nm2
Gaya Coulomb termasuk besaran vektor. Jika sebuah benda
dipengaruhi benda bermuatan listrik lebih dari satu, maka besar gaya Coulomb
bekerja pada benda itu sama dengan jumlah vektor masing-masing gaya coulomb
yang ditimbulkan masing-masing benda bermuatan tersebut.
Gambar Neraca Puntir Coulomb
2. Hukum Faraday
Hukum Faraday berbunyi sebagai berikut “Sebuah garis gaya
yang dilukiskan apabila garis singgung pada setiap titiknya menunjukkan arah
medan listrik pada titik tersebut. Garis gaya menuju keluar dari muatan positif
dan masuk menuju ke muatan negatif”.
Sumber: Dewi Wahyuningsih, Dasar Listrik dan Elektronika
Bidang Keahlian Teknologi dan Rekayasa C2, Mediatama: Surakarta
Gambar Arah Garis Gaya
pada Hukum Faraday
3. Hukum Oersted
Hukum Oersted berbunyi sebagai berikut “Jika muatan listrik mengalir melalui kawat penghantar konduktor, maka akan timbul pengaruh magnetik di sekitar kawat berarus tersebut”. Pengaruh magnetik ini mampu menarik bahan magnetik lainnya. Jika serbuk besi diletakkan di sekitar kawat berarus, maka serbuk besi tersebut akan berarh secara teratur. Terdapat dua tipe listrik antara lain listrik statis dan dinamis. Listrik dinamis dibagi lagi menjadi dua antara lain, arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC). Listrik statis adalah suatu keadaan elektron bebas sudah terpisah dari atomnya masing-masing, tetapi tidak bergerak dan hanya berkumpul di atas permukaan benda tersebut. Sedangkan listrik dinamis adalah suatu keadaan terjadinya aliran elektron bebas, elektron ini berasal dari elektron yang sudah terpisah dari atomnya dan bergerak melalui benda yang memiliki sifat konduktor. Pada arus searah (DC) adalah elektron bebas bergerak dengan arah tetap. Sedangkan arus bolak-balik (AC) adalah arah gerakan dan jumlah arus bervariasi secara periodik terhadap waktu.
Gambar Percobaan Oersted
E. ArusListrik
Pada sebuah peralatan listrik yang menyala (lampu), terdapat
arus listrik yang mengalir pada rangkaiannya.
1. Pengertian Arus
Listrik
Arus listrik adalah muatan yang mengalir tiap satuan waktu.
Satuan untuk kuat arus listrik adalah coulomb per deti, tetapi untuk satuan
kuat arus listrik yang biasa digunakan adalah ampere. Satu coulomb per detik
sama dengan satu ampere. Berikut adalah rumus dari arus listrik :
Keterangan:
I = arus listrik
(ampere atau A)
Q = muatan listrik
(Coulomb atau C)
t = waktu (sekon
atau s)
Contoh Soal Latihan:
Sebuah baterai memberikan arus 0,5 A pada sebuah lampu selama
2 menit. Berapakah muatan listrik yang dipindahkan?
Penyelesaian:
Diketahui: I = 0,5 A
t = 2 menit = 120 detik
Ditanya: Q = … ?
Dijawab: Q = I x t
Q =
0,5 x 120 = 60 Coulomb
Kejadian yang disebabkan oleh arus listrik adalah sebagai
berikut :
a. Pembangkit Panas
Jika arus melewati konduktor, maka akan menghasilkan panas.
b. Aksi Kimia
Jika aksi kimia terjadi pada elektrolit akan menyebabkan arus
listrik mengalir.
a. Akasi Magnet
Jika arus mengalir melalui kabel akan menghasilkan medan
magnet sekitarnya.
2. Penyebab Aliran
Listrik
Suatu benda dapat bermuatan negatif [-], positif [+] atau
tidak bermuatan/netral [o]. Bila masing-masing muatan kita pertemukan pada:
[-] → [-] akan total-menolak [o] [+] tidak ada gerakan
[+] → [+] akan total-menolak [-] [o] tidak ada gerakan
[-] → [+] akan tarik-menarik [o] [o] tidak ada gerakan
Sifat utama arus listrik adalah mengalir dari positif (+) ke negatif (-) dimana dapat terjadi akibat adanya tegangan (beda potensial) antara dua titik itu. Air akan menangalir dari tangki A ke tangki B selama permukaan air di A lebih tinggi daripada B (selama potensial A lebih dari potensial B). Jika tinggi permukaan air di A dan di B sudah sama tinggi maka aliran berhenti. Supaya air tetap mengalir dari A ke B, maka air yang sudah sampai B dipindahkan kembali ke A dengan sebuah pompa. Muatan positif yang sudah sampai di B dipindahkan kembali ke A, sehingga potensial A selalu lebih tinggi dari potensila B. Alat yang digunakan untuk memindahan muatan-muatan listrik dari A ke B misalnya adalah sebuah baterai atau dinamo. Kedua alat ini sering disebut sumber arus listrik.
Sumber: Dewi Wahyuningsih, Dasar Listrik dan Elektronika
Bidang Keahlian Teknologi dan Rekayasa C2, Mediatama: Surakarta
Gambar Arah Aliran Listrik
3. Jenis Arus Listrik
Arus listrik
digolongkan menjadi dua macam sebagai berikut :
a. Arus Searah
Arus searah adalah arus listrik yang searah, besar arus, dan
tegangannya tetap. Contoh arus searah yaitu baterai primer (baterai kering) dan
baterai sekunder( akumulator = accu).
Gambar Simbol Arus Listrik Searah
b. Arus Bolak-balik
Arus bolak-balik adalah arus listrik yang arah arus, besar
arus dan tegangannya selalu berubah secara periodik (teratur). Contoh arus
bolak-balik yaitu generator atau dinamo.
Gambar Simbol Arus Listrik Bolak-Balik
F. Beda Potensial
Benda yang bermuatan listrik bila dihubungkan dengan tanah
(bumi) akan menjadi netral kembali, karena memberikan kelebihan elektronnya
kepada bumi atau megambil elektron dari bumi untuk mentup kekurangan
elektronnya. Jadi benda yang bermuatan dalam keadaan tidak seimbang, maka benda
yang bermuatan tersebut juga bertegangan. Dua benda yang tidak sama muatannya
mempunyai tegangan yang tidak sama. Antara dua benda yang tidak samabesar
muatannya atau tidak sama sifat muatannya memiliki beda potensial listrik
(disebut tegangan listrik).
Gambar Aliran Air pada Bejana Berhubungan
Beberapa cara membangkitkan beda potensial (tegangan) yaitu dengan cara induksi, tegangan kimiawi, panas, cahaya, dan listrik piezo. Satuan beda potensial yaitu volt. Adapun rumus beda potensial sebagai berikut :
Keterangan:
P = Potensial listrik
(V)
Q = Muatan listrik
(Coulomb atau C)
W = Usaha (J)
Contoh Soal Latihan:
Dalam memindahkan beberapa muatan sebesar 10 C dari A ke b,
maka diperlukan usaha sebesar 100 Joule. Tentukan beda potensial antara A dan B?
Penyelesaian:
Diketahui: Q = 10 C
W = 100 Joule
Ditanya: V = … ?
Dijawab:
G. Potensial Listrik
Sebuah elektron tidak dapat bergerak dengan sendirimya dari
pelat A ke pelat B, elektron bergerak secara alami, jika muatan positif (+)
menjauhi muatan negatif (-). Jadi untuk menggerakkan dengan arah sebaliknya
diperlukan suatu usaha.
Gambar Pergerakan Elektron dari Pelat A ke Pelat B
1. Pengertian Potensial
Listrik
Pada gambar di bawah ini dilukiskan elektron bergerak dari
pelat A ke pelat B. Potensial listrik yaitu usaha yang diperlukan untuk
memindahkan muatan positif sebanyak 1 satuan dari tempat tak terhingga ke suatu
titik tertentu.
Gambar Potensial Listrik
2. Rumus Potensial
Listrik
Teori elektron yang telah menjadi kesepakatan para ilmuwan
antara lain sebagai berikut :
a. Sebuah benda
memiliki jumlah elektron yang cukup sama dengan proton, amak benda dikatakan
netral.
b. Sebuah benda memiliki
jumlah elektron yang berlebih (lebih banyak dari jumlah proton), maka benda
dikatakan berpotensial rendah.
c. Sebuah benda
kekurangan elektron (lebih banyak proton) maka benda dikatakan berpotensi
tinggi.
Pada gambar di bawah ini dijelaskan sebagai berikut :
A = Jumlah elektron sama dengan jumlah proton disebut benda netral.
B = Jumlah elektron lebih
banyak dari proton disebut benda berpotensi rendah.
C = Jumlah elektron lebih
sedikit dibandingkan dengan jumlah proton disebut benda berpotensial tinggi.
Adapun rumus potensial listrik sebagai berikut :
Keterangan:
V = potensial listrik
(Joule/Coulomb)
Ep = energi potensial listrik (Joule)
Q = muatan
listrik (Coulomb)
k = konstanta (9 x 109Nm2C-2)
Silahkan lihat video tentang Konsep Listrik dan Elektronika di bawah ini:
Tidak ada komentar:
Posting Komentar