fisika 2 (physics 2) 2 sks - · pdf filerangkaian listrik bolak-balik h.1. reaktansi...

Lab Elektronika Industri Fisika 2

FISIKA 2 (PHYSICS 2)

2 SKS SILABI

a. Konsep Listrik b. Sumber Daya Listrik c. Resistansi dan Resistor d. Kapasistansi dan Kapasitor e. Rangkaian Listrik Searah f. Konsep Elektro-Magnetik g. Induktansi dan Induktor h. Rangkaian Listrik Bolak-Balik i. Gelombang Elektromagnetik

KISI-KISI a. Konsep Listrik

a.1. Muatan listrik a.2. Elektron a.3. Arus listrik

b. Sumber Daya Listrik

b.1. Listrik Searah b.2. Listrik bolak-balik b.3. Pembangkit energi listrik

c. Resistansi dan Resistor

c.1. Efek resistansi suatu konduktor c.2. Komponen resistor c.3. Hukum Ohm c.4. Rangkaian resistor.

d. Kapasistansi dan Kapasitor

d.1. Efek Kapasitansi dua konduktor d.2. Komponen Kapasitor d.3. Rangkaian Kapasitor

e. Rangkaian Listrik Searah

e.1. Hukum Kirchoff tentang arus e.2. Hukum Kirchoff tentang tegangan e.3. Analisis rangkaian arus searah.

f. Konsep Elektro-Magnetik

f.1. Konsep magnet f.2. Elektromagnet

g. Induktansi dan Induktor

g.1. Efek induktansi g.2. Komponen induktor g.3. Transformator

h. Rangkaian Listrik Bolak-Balik

h.1. Reaktansi kapasitif h.2. Rekatansi induktif h.3. Analisis rangkaian arus bolak-balik h.4. Daya listrik

Iwan B Pratama Teknik Industri UAJY

1


PENDAHULUAN

1. FISIKA 2 Fisika 2 adalah matakuliah awal dari rangkaian matakuliah yang mempelajari otomasi industri. Matakuliah lanjutan dari Fisika 2 adalah Mekatronika, Sistem Kendali Industri, Otomasi Industri dan Sistem Manufaktur Fleksibel. Dalam Fisika 2 akan dijelaskan mulai dari konsep listrik, komponen kapasitor, resistor dan induktor, elektromagnetik dan analisis rangkaian listrik. 2. MUATAN LISTRIK Pada percobaan sebuah penggaris plastik digosok-gosokan pada kain sutra (rambut). Kemudian salah satu ujung penggaris itu didekatkan pada potongan-potongan kertas. Ternyata potongan-potongan kertas itu tertarik dan menempel ke ujung penggaris plastik. Bagaimana potongan kertas itu bisak menempel ke penggaris? Fenomendilanjutk

Iwan B Pra

a fisik seperti itu kemudian diterangkan dengan konsep listrik. Berikutnya percobaan an dengan benda yang berbeda seperti pada gambar berikut.

Percobaan dengan dua macam benda yaitu penggaris plastik dan batang kaca. Seperti pada percobaan sebelumnya kedua jenis benda digosok-gosokkan dulu ke rambut (kain sutra). Satu benda kemudian digantung sedang benda lainnya didekatkan. Ternyata terjadi fenomenda fisik sbb: a. Penggaris plastik yang didekatkan ke penggaris

plastik yang digantung akan membuat penggaris plastik menjauh.

b. Batang kaca didekatkan pada batang kaca yang digantung membuat batang kaca yang digantung menjauh.

c. Penggaris plastik didekatkan pada batang kaca yang digantung membuat batang kaca mendekat ke penggaris plastik.

Kejadian di atas bisa diterangkan dengan konsep listrik. Penggaris plastik dan batang kaca yang telah digosokkan ke rambut akan membuat penggaris plastik dan batang kaca bermuatan listrik. Ada dua jenis muatan listri sebut sebagai muatan plus (+) dan minus (-). Dari percobaan kedua didapatkan bahwa muatan yang sejenis akan tolak-menolak sedangkan muatan tak sejenis akan tarik-menarik.

tama Teknik Industri UAJY 2


3. ISOLATOR DAN PENGHANTAR LISTRIK (KONDUKTOR) Dbdbkm Ksm 4 Ft

a

Ga M Md C1

JPF

I

ua bola plastik yang satu digosok-gosokkan ke rambut sedang yang satunya tidak. Kita sebut saja ola yang pertama bermuatan +, sedang bola kedua tidak bermuatan (netral). Kedua bola kemudian ihubungkan dengan benda logam (paku) seperti gambar (b) di atas. Ternyata sebagian muatan akan erpindah dari bola satu ke bola dua hingga kedua bola bermuatan sama. Tetapi pada percobaan lain edua bola dihubungkan dengan kayu seperti gambar (c) di atas. Dan ternyata pada percobaan ini uatan kedua bola adalah tetap (tidak ada muatan listrik yang berpindah).

esimpulan dari percobaan ini adalah benda-benda logam dapat menghantarkan muatan listrik ehingga disebut penghantar (konduktor) sedang benda seperti kayu, karet, plastik dll tidak bisa enghantarkan listrik atau isolator.

. HUKUM COULOMB

isikawan Perancis yang bernama Charles Coulomb tahun 1780 meneliti besarnya gaya yang erjada pada muatan listrik dan menemukan hukum Coulomb.

Besarnya gaya listrik yang terjadi antara dua muatan listrik adalah sebanding dengan besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan

tau secara matematis ditulis

221

rQQ

kF = Q1 , Q2 = muatan satu (satuan Coulomb) r = jarak dua muatan (satuan meter) k = konstanta 9x109 Nm2/C2

aya listrik adalah besaran vektor sehingga mempunyai besar dan arah. Arah gaya listrik tersebut dalah sepajang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut.

uatan listrik terkecil dimiliki oleh sebuah elektron yang mempunyai muatan minus (-) sebesar,

e = 1,602 x 10-19 C

uatan pada elektron adalah paling kecil, sedang muatan benda-banda lain adalah kelipatan bulat ari muatan elektron ini. Sehingga muatan elektron sering disebut sebagai muatan elementer.

ontoh . Tiga muatan Q1, Q2 dan Q3 yang terletak seperti gambar di bawah. Hitung masing-masing gaya

yang terjadi pada ketiga muatan tersebut dan tentukan arahnya pula.

awab: ada Q1 terdapat gaya F12 dan F13, pada Q2 terdapat gaya F21 dan F23, dan pada Q3 terdapat gaya 31 dan F32.

wan B Pratama Teknik Industri UAJY 3


Arah gaya-gaya yang terja

rQQkF

rQQkF

rQQkF

510.9

510.9

510.9

92

23

3223

92

13

3113

92

12

2112

==

==

==

Iwan B Pratama

di seperti gambar di bawah,

F12 dan F21 besarnya sama hanya arahnya
yang berlawanan. Demikian pula F13 dan F31 serta F23 dan F32. Gaya itu karena Hk. Newton tentang aksi-reaksi.
Untuk menghitung besar dan arah dari semua gaya, masing-masing gaya diurai dulu menjadi komponen gaya horizontal (Fx) dan komponen gaya vertikal (Fy), seperti gambar berikut,

dimana: F12y = F12 F13x = F13 F23x = F23 cos θ1

F23y = F23 sin θ1

θ1 = arc cos (4/5) = 36,870

N

N

N

180)10.5(10.2.10.

225)10.4(

10.2.10.

250)10.3(10.5.10.

22

66

22

66

22

66

=

=

=

−

−−

−

−−

−

−−

Teknik Industri UAJY 4


Gaya di Q1 adalah F12y = F12 = 250N F13x = F = 225N

G

G

I

13

01-

13

121-

22213

212

48225250tantan

34,3362252501

=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=

=+=+=

x

y

xy

FF

NFFF

θ

aya di Q2 adalah F21y = F12 = 250N
F23y = F23 sin 36.87 = 180 sin 36.87 = 108N F23x = F23 cos 36.87 = 180 cos 36.87 = 144N F2x = F23x = 144N F2y = F21y – F23y = 250N – 108N = 142N
01-

2

21-

2222

22

6,44144142tantan

24,2021421442

=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=

=+=+=

x

y

yx

FF

NFFF

θ

aya di Q3 adalah F3x = F31x + F32x
= F13 + F23 cos 36.87 = 225 + 180 cos 36.87 = 225 + 144 = 369N F3y = F32y = 108N
01-

3

31-

2223

23

3,16369108tantan

48,3841083693

=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=

=+=+=

x

y

yx

FF

NFFF

θ

wan B Pratama Teknik Industri UAJY 5


5. MEDAN LISTRIK Menghitung gaya listrik adalah hal yang sulit apalagi jika muatan titik tersebut berjumlah sangat banyak. Karena itu ilmuwan Inggris, Michael Faraday, membuat konsep medan listrik (E) untuk mempermudah pemahaman dan penghitungan. Apabila terdapat muatan listrik pada suatu ruang, maka disekitar muatan tersebut akan muncul medan listrik yang keluar dari setiap muatan dan tersebar keseluruh ruang. Jika kemudian ada muatan lagi (P) yang didekatkan pada muatan yang telah ada di ruang, muatan P itu akan merasakan gaya yang disebabkan oleh medan listrik di ruang itu. Dengan demikian kita bisa menghitung kuat medan listrik (dan gaya) pada muatan P itu dengan lebih mudah.

Kemudian muatan P itu ditentukan sebesar q positif (yang kecil) yang

Mj

Ml

I

disebut muatan uji. Medan listrik E bisa didefinisikan sebagai gaya F yang diberikan pada muatan uji positif pada titik itu dibagi dengan besar muatan uji tersebut. Atau,

E adalsama d

edan listrik total E yang disebabumlahan vektor dari setiap medan li

. . . . 21 ++= EEE

edan listrik (demikian juga gayaistrik, dimana:

a. Garis-garis itu keluar dari mub. Garis-garis itu tidak terputusc. Antara dua garis tidak pernahd. Arah garis medan listrik jugae. Besar kecil kuat medan listr

(kerapatan garis per satuan lu

wan B Pratama

2rQk

qFE ==

ah juga besaran vektor dimana besar adalah F/q sedang arahnya engan arah vektor F.

kan oleh banyak medan listrik individual (E1, E2, ... ) adalah strik individual tersebut (prinsip superposisi).

listrik) dapat digambarkan dengan garis-garis medan (gaya)

atan positif menuju ke muatan negatif. berpotongan menunjukkan arah gaya listrik ik (gaya listrik) sebanding dengan jumlah garis per satuan luas as)

6

Teknik Industri UAJY


Contoh 2. Dua muatan listrik sebesar -25uC dan +50uC terpisah dengan jarak 10cm. a. Hitung besar dan arah medan listrik di titik P yang terletak diantara dua muatan itu dengan jarak

2cm dari muatan negatif dan 8cm dari muatan positif. b. Jika sebuah elektron kemudian diletakkan di titik P, hitung besar dan arah percepatan elektron

tersebut pada saat awal .
Jawab.
a. CNrQ

krQ

kEEEP /10.3,6)10.8(

10.50)10.2(

10.2510.9 822

6

22

69

22

22

1

121 =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=+=+= −

−

−

−

b. 220

31

819

/10.1,110.1,9

)/10.3,6)(10.6,1( smkg

CNCmqE

mFa ==== −

−

Latihan. 1. Mesin fotokopi elektrostatik bekerja dengan memilih dan menyusun muatan-muatan positif

(sesuai pola/gambar yang akan dikopi) pada permukaan drum yang tidak menghantar, kemudian dengan lembut menebarkan partikel toner (tinta) kering yang bermuatan negatif pada drum. Partikel-partikel toner untuk sementara melekat pada pola/gambar di drum dan kemudian dipindahkan ke kertas untuk kemudian dilelehkan sehingga menghasilkan kopi dari pola. Misalkan setiap partikel toner memiliki massa 9,0.10-16kg dan membawa muatan rata-rata 20 elektron untuk menyediakan muatan listrik. Jika gaya listrik harus dua kali lebih besar dari berat tiap partikel toner agar toner bisa menempel baik pada drum, hitung kuat medan listrik yang dibutuhkan di permukaan drum.

2. Hitung besar dan arah kuat medan listrik dititik A dan titik B seperti pada gambar di bawah ini,

Iwan
B Pratama Teknik Industri UAJY 7

fisika 2 (physics 2) 2 sks - · pdf filerangkaian listrik bolak-balik h.1. reaktansi...

Documents