LISTRIK STATIS UNTUK SMA/MA "Siapapun yang tidak pernah berbuat kesalahan, maka tidak akan pernah menemukan sesuatu yang baru" Albert Einstein B erd asark an Kurikulum 2013 T erb aru XII
Penyusun [email protected] Buku Pintar Belajar FFIISSIIKKAA Untuk Siswa SMA/MA Berdasarkan Kurikulum 2013 Terbaru Nanda Nur Maulidiya Citra Dewi [22030184081]
iii Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Kata Pengantar Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, karunia, taufik, beserta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyusun Modul Fisika Kelas XII. Dalam menyusun Modul Fisika Kelas XII ini kami mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak yang baik yang berupa saran, petunjuk ataupun yang lainnya yang tidak dapat kami sebutkan satu demi satu. Modul Fisika Kelas XII ini merupakan modul yang dapat digunakan sebagai bahan ajar mata pelajaran Fisika untuk siswa di Sekolah Menengah Atas (SMA) dan Madrasah Aliyah (MA) tentang Listrik Statis. Modul ini memenuhi kebutuhan pembelajaran IPA Fisika yang membangun siswa agar memiliki sikap ilmiah, objektif, jujur, berfikir kritis, bisa bekerjasama maupun bekerja mandiri. Untuk memenuhi tujuan di atas maka modul ini disajikan berupa penjelasan materi yang disesuaikan dengan pola berfikir siswa yaitu mudah diterima, contoh soal dan penyelesaian untuk mendukung pemahaman materi dengan disertai soal yang dapat dicoba, dan rangkuman untuk kilas balik materi penting yang perlu dikuasai, serta evaluasi disajikan sebagai evaluasi akhir. Penyusun menyadari bahwa modul ini masih terdapat banyak kekurangan dalam penyusunannya, tetapi penyusun berharap buku ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca dan semoga dapat membantu proses belajar mengajar. Kritik dan saran yang membangun dari semua pengguna modul ini sangat penyusun diharapkan. Semoga ilmu yang dipelajari dapat bermanfaat bagi semua pihak. Surabaya, 19 April 2023 Penyusun
iv Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 DDaaffttaarrIIssii COVER ...............................................................................................i LEMBAR PENGESAHAN ................................................................ii KATA PENGANTAR ........................................................................iii DAFTAR ISI ......................................................................................iv BAB 02: LISTRIK STATIS ...............................................................05 A. PENGERTIAN MUATAN LISTRIK .........................................06 B. GAYA COULOMB ANTARA DUA MUATAN TITIK ............08 C. RESULTAN GAYA COULOMB ................................................09 D. MEDAN LISTRIK ......................................................................10 E. HUKUM GAUSS .........................................................................12 F. MEDAN LISTRIK BAGI DISTRIBUTOR MUATAN KONTINU ......12 G. ENERGI POTENSIAL LISTRIK ................................................14 H. POTENSIAL LISTRIK ................................................................15 I. KAPASITOR .................................................................................18 J. KAPASITAS KAPASITOR KEPING SEJAJAR .........................19 K. ANALISIS RANGKAIAN KAPASITOR ...................................20 L. ENERGI POTENSIAL KAPASITOR ..........................................21 M. PENERAPAN LISTRIK STATIS DALAM KEHIDUPAN ......23 RANGKUMAN ..................................................................................24 EVALUASI ........................................................................................26 DAFTAR PUSTAKA .........................................................................30
05 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 LISTRIK STATIS BAB 02: Peta Konsep
06 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 A PENGERTIAN MUATAN LISTRIK Ledakan petir merupakan contoh nyata dari keberadaan listrik. petir merupakan hasil pelepasan muatan listrik di awan. energi yang dilepaskan itu sangat besar sehingga menimbulkan rentetan cahaya panas dan bunyi yang sangat keras. Perhatikan Gambar di Samping! D Sisir atau penggaris plastik yang digosok-gosokkan pada rambut yang kering atau kain wol dapat menarik potongan kertas kecil, perhatikan gambar 1.1a! alam kehidupan sehari-hari kita sering berhubungan dengan alat-alat yang menggunakan prinsip listrik, misalnya radio, televisi lampu pijar dan lain-lain. Dapatkah Anda membayangkan seperti apa kehidupan kita jika tidak ada listrik dan alat-alat listrik? Pada bahasan medan dan potensial listrik ini, kita akan mempelajari tentang muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (listrik statis). Dalam kehidupan sehari-hari terdapat beberapa contoh gejala listrik statis ini antara lain sebagai berikut : 1. Pendahuluan Gambar 1.1a
07 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Dua batang kaca yang telah digosok dengan kain sutera akan tolak menolak ( gambar 1.1b). Ha ini yang sama juga ditunjukkan oleh dua batang plastik yang telah digosok dengan kain wol. h j Batang kaca yang telah digosok dengan kain sutra akan tarikmenarik dengan batang plastik yang telah digosok dengan kain wol ( gambar 1.1c). 1. 2. 1. 2. 3. Peristiwa di atas menunjukkan adanya dua muatan listrik. Benjamin Franklin (1706 - 1790) menyarankan muatan listrik tersebut diberi nama muatan positif dan muatan negatif. Muatan positif adalah muatan muatan yang sejenis dengan muatan kaca yang digosok dengan kain sutera, sedangkan muatan negatif adalah muatan-muatan yang sejenis dengan muatan plastik yang digosok dengan kain wol. Dua benda yang bermuatan sejenis akan melakukan gaya tolak menolak, sedangkan dua benda yang muatannya tidak sejenis melakukan gaya tarik-menarik. Suatu benda dikatakan bermuatan listrik negatif jika benda tersebut kelebihan elektron, sedangkan suatu benda dikatakan bermuatan listrik positif jika benda tersebut kekurangan elektron. Benda netral adalah benda yang jumlah muatan positifnya sama dengan jumlah muatan negatifnya. Pada saat batang kaca ke kain sutra, elektron-elektron dari batang kaca pindah ke kain sutra sehingga batang kaca menjadi kekurangan elektron dan bermuatan positif. Pada saat batang plastik digosok dengan kain wol, elektron-elektron dari kain wol pindah ke batang plastik sehingga batang plastik menjadi kelebihan elektron dan bermuatan negatif. Gambar 1.1b Gambar 1.1c
08 Pada tahun 1786, seorang ahli Fisika berkebangsaan Perancis, Charles Augustin de Coulomb menyatakan hasil eksperimennya: "gaya interaksi antara dua buah benda titik bermuatan listrik berbanding lurus dengan muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda tersebut". Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Coulomb. Secara matematis, hukum Coulomb ini dapat dinyatakan: Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 B GAYA COULOMB ANTARA DUA MUATAN TITIK Kita telah mengetahui bahwa jika dua buah muatan listrik sejenis berdekatan akan terjadi gaya interaksi elektrostatik yang tolak menolak, sedangkan Jika dua buah muatan listrik yang tidak sejenis berdekatan akan terjadi gaya interaksi elektrostatik yang tarik-menarik. Perhatikan gambar 1.2! Gambar 1.2 (a) Gaya interaksi elektrostatis tolak-menolak antar muatan sejenis, (b) Gaya iteraksi elektrostratis tarik-menarik antar muatan tak sejenis (a) (b)
09 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Hukum Coulomb hanya berlaku untuk muatan titik atau ukuran muatan jauh lebih kecil daripada jarak kedua muatan. Tetapan permitivitas hampa hanya digunakan bila muatan muatan tersebut berada dalam ruang hampa atau udara (karena permitivitas udara hampir sama dengan permitivitas hampa). Hukum Coulomb berlaku untuk setiap pasangan muatan titik. Arah gaya F pada suatu muatan ditentukan oleh jenis tandanya dan tanda (jenis) pasangan yang melakukan gaya padanya. Gaya interaksi dua muatan listrik adalah besaran vektor. Catatan : 1. 2. 3. 4. 5. Secara umum gaya total yang bekerja pada sebuah muatan merupakan resultan atau penjumlahan vektor dari gaya-gaya yang bekerja pada muatan tersebut akibat interaksi dengan muatan-muatan yang ada di sekitarnya. C RESULTAN GAYA COULOMB
1 0 MEDAN LISTRIK Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 D Ketika Anda mendekatkan sisir atau penggaris plastik pada potongan kertas kecil, maka beberapa potongan kertas akan menempel pada sisir atau penggaris. Nah, bagaimana ketika sisir atau penggaris dijauhkan? Ternyata terdapat suatu wilayah di sekitar sisir atau penggaris plastik tersebut tersebut yang masih dapat terpengaruh oleh gaya listrik. Tempat di sekitar muatan listrik yang masih dipengaruhi gaya listrik itu merupakan medan listrik. Medan listrik adalah daerah di sekitar partikel bermuatan listrik yang masih dipengaruhi gaya Coulumb. Benda bermuatan yang menghasilkan medan listrik dinamakan muatan sumber. Muatan lain yang diletakkan dalam pengaruh medan listrik muatan sumber dinamakan muatan uji. Perhatikan ilustrasi berikut :
1 1 Partikel dalam Satu Garis Lurus Partikel Membentuk Sudut Tertentu a. Persamaan Medan Listrik Kuat medan listrik dapat didefinisikan dalam persamaan berikut : b. Resultan Medan Listrik Apabila terdapat lebih dari satu muatan sumber, maka besarnya medan listrik yang bekerja pada partikel itu sama dengan jumlah vektornya. Maka, dalam menghitung resultan medan listrik yang dihasilkan partikel bermuatan listrik harus memperhatikan arah vektor medan listriknya. Jika semua partikel bermuatan berada pada satu garis lurus, maka resultan medan listriknya dapat dirumuskan sebagai berikut : Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Gambar 1.3 (a) Gaya listrik yang bekerja pada muatan-muatan yang diletakkan dalam ruang di sekitar muatan sumber A. (b) Garis khayal arah medan listrik, arah gaya listrik muatan positif ke luar, dan muatan negatif ke dalam.
12 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 E HUKUM GAUSS Medan listrik divisualisasikan dengan menggunakan garis khayal medan listrik. Garis-garis medan listrik adalah garis bersambungan yang selalu mengarah menuju massa sumber medan listrik. Semakin banyak garis-garis medan listrik, maka semakin kuat medan listriknya. Hukum Gauss yang menjelaskan tentang jumlah garis-garis gaya listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup, sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup dibagi dengan permitivitas udara ɛ0. Secara sistematis, hukum Gauss dapat dirumuskan sebagai berikut : MEDAN LISTRIK BAGI DISTRIBUTOR MUATAN KONTINU F
1 3 Berdasarkan gambar di atas, dapat didefinisikan bahwa rapat muatan listrik (σ) yakni muatan per satuan luas, atau sebagai berikut : Jumlah garis medan yang menembus keping (fluks) adalah : Oleh karena medan listrik E menembus keping secara tegak lurus (pada gamb1.9), maka θ = 0, dimana cos 0o = 1, sehingga : b. Konduktor Bola Berongga Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Hukum Gauss dapat digunakan untuk menghitung kuat medan listrik dari suatu sistem muatan konduktor bersimetri tinggi, seperti konduktor dua keping sejajar dan konduktor bola berongga. a. Konduktor Dua Keping Sejajar Gambar 1.4 Konduktor dua keping sejajar dengan rapatan tiap muatan adalah +σ dan -σ. Arah medan dari muatan positif menuju muatan negatif. Gambar 1.5 Bola Konduktor Bila bola berongga diberi muatan, maka muatannya akan tersebar merata di permukaan bola ( di dalam bola tidak ada muatan atau q=0, sehingga kuat medan listrik (E) adalah 0 ).
14 Arah gaya F vertikal ke atas searah dengan arah pepindahn dr, karena muatan q dan q0 sejenis. Maka, usaha yang dilakukan oleh gaya Coulomb F untuk perpindahan dr searah dengan titik 1 ke titik 2 dapat dihitung dengan menggunakan integral. Karena θ = 0, maka cos 0o , maka : Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 G ENERGI POTENSIAL LISTRIK Gaya Coulomb yang bekerja pada muatan uji q0 dirumuskan sebagai berikut: Gambar 1.6 muatan uji q0 berpindah dari posisi 1 ke posisi 2
15 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Karena k, q0, dan q tak bergantung pada variabel integral r, maka : Gaya Coulomb termasuk gaya konsevatif, sehingga memenuhi H POTENSIAL LISTRIK Potensial listrik merupakan perubahan energi potensial per satuan muatan ketika sebuah muatan uji dipindahkan di antara dua titik. Berdasarkan gambar 1.6 di atas, beda potensial listrik dapat dituliskan dengan persamaan berikut:
1 6 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Hubungan Potensial Listrik dan Medan Listrik Potensial listrik adalah besaran skalar. Jika terdapat potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber, maka resultan potensial listriknya dapat dirumuskan dengan persamaan berikut : a. Pada Konduktor Dua Keping Sejajar Konduktor dua keping sejajar adalah dua keping logam sejajar yang dihubungkan dengan sebuah baterai sehingga kedua keping mendapat muatan sama tetapi berlawanan tanda. Medan listrik pada konduktor jenis ini disebut dengan medan listrik homogen. Pada muatan positif q bekerja gaya listrik F = qE yang arahnya ke kanan. Untuk memindahkan muatan positif q dari A ke B, diperlukan gaya F’ yang sama besar melawan gaya F. Usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan q dari A ke B, yakni : = ′ dengan ′ = = = Gambar 1.7 Dua keping sejajar yang terpisah pada jarak d diberi muatan sama yang berlawanan tanda oleh baterai dengan beda potensial V Maka, hubungan antara potensial listrik dan medan listrik, yakni sebagai berikut : = = = ( − ) =
1 7 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 b. Pada Konduktor Dua Keping Sejajar Muatan pada bola logam berongga tersebar pada permukaannya, sebab di dalam bola tidak ada muatan. Potensial listrik pada bola logam berongga bermuatan, yakni sebagai berikut : Gambar 1.8 Sebuah bola logam berongga dengan muatan q di permukaan dan jari-jari R. Gambar 1.8 (a) Grafik kuat medan listrik E terhadap jarak r (b) Grafik beda potensial V terhadap jarak r. Sumber : bagikancontoh.blogspot.com
1 8 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 I KAPASITOR Anda setiap hari tidak pernah lepas dengan segala macam alat-alat elektronika. Mulai dari berbagai macam gadget, TV, AC, dan lainnya. Pernahkah Anda bertanya bagaimana alat-alat tersebut dapat menyimpan energi sehingga bisa digunakan? Tahukah Anda bahwa di dalam alat-alat tersebut terdapat kapasitor? Gambar 1.9 Jenis-Jenis Kapasitor APA ITU KAPASITOR ?
1 9 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Sebuah kapasitor terdiri atas dua keping konduktor bermuatan sama besar dan tak sejenis, yang ruang di antaranya diisi oleh dielektrik (penyekat), seperti kertas atau udara. Satuan Internasional dari kapasitansi (sebutan kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik) adalah Farad (F). Kapasitor adalah tempat penyimpanan energi yang dapat menyimpan energi kurang dari 10 J. Kapasitor digunakan karena dapat dimuati dan melepas muatannya dengan sangat cepat. Beberapa aplikasi kapasitor, diantaranya adalah Blitz pada kamera. J KAPASITAS KAPASITOR KEPING SEJAJAR Kapasitor keping sejajar dihubungkan dengan baterai, dimana baterai memberikan muatan +q pada keping pertama, dan muatan -q pada keping kedua. Untuk menghitung kapasitas kapasitor, maka tentukan kuat medan listrik dalam ruang antara dua keping. Gambar 1.10 Kapasitor dua keping sejajar bermuatan sama dan tak sejenis, serta berjarak pisah d Dalam kapasitor dua keping sejajar, V = Ed
20 Setelah mendapatkan nilai V, maka secara sistematis, kapasitas kapasitor keping sejajar dapat dirumuskan dengan persamaan Jika terletak pada dielektik bukan udara, maka persamaannya yakni : ANALISIS RANGKAIAN KAPASITOR Muatan pada tiap kapasitor adalah sama dan kapasitas ekivalen dapat dihitung dengan persamaan berikut. Pada susunan seri, muatan listrik yang mengalir melalui tiap kapasitor adalah sama (q = q1 = q2 = q3 = ...). Secara sistematis, Kapasitas Ekivalen, merupakan muatan kapasitor q dibagi dengan beda potensial V nya. Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 K a. Susunan Seri Kapasitor Gambar 1.11 Rangkaian seri kapasitor
21 Muatan total pada susunan paralel q kapasitor ekivalen adalah Sejumlah partikel yang disusun paralel, maka Beda potensial tiap kapasitor dalam susunan paralel adalah sama, yaitu sama dengan beda potensial kapasitor ekivalennya. Tetapi, muatan tiap kapasitor umumnya tidak sama. Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 b. Susunan Paralel Kapasitor Gambar 1.12 Kapasitor yang disusun parallel, https://www.tneutron.net/elektro/rangkaian seri-dan-paralel kapasitor/ L ENERGI POTENSIAL KAPASITOR Sebuah kapasitor yang bermuatan memiliki potensial yang tersimpan di dalamnya. Pada sebuah kapasitor dua keping sejajar yang tak bermuatan, beda potensialnya adalah nol, sehingga beda potensial rata-rata (V) selama proses pemindahan muatan (dari satu keping ke keping lainnya) ini adalah
22 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Maka, persamaan energi yang tersimpan dalam kapasitor (energi potensial) adalah
23 PENERAPAN LISTRIK STATIS DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 M Debu yang Menempel Pada Layar Televisi Berikut ini adalah contoh penerapan listrik statis dalam kehidupan sehari-hari. Dalam kasus ini, menempelnya debu pada layar TV anda terjadi karena debu tersebut ditarik secara listrik. Sebuah layar TV secara konstan ditembaki oleh elektronelektron yang dihasilkan oleh bedil elektron, sehingga layar TV akan bermuatan negatif. Muatan negatif inilah yang akan menginduksi partikel debu dalam udara yang ada di depan kaca TV, sehingga akhirnya debu mendapat gaya tarikan, dan dapat menempel pada layar TV anda. Petir merupakan salah satu contoh dari fenomena listrik statis, karena terjadi sebab adanya perpindahan elektron. Petir hanya muncul dengan waktu yang singkat, ketika elektron bebas berhasil pindah tempat, maka petir akan hilang. Ketika langit kelebihan elektron, petir pun muncul mengarah ke daerah yang memiliki elektron yang lebih sedikit. Karena elektron di langit yang sudah terlalu menumpuk, petir pun akan secara cepat menyambar benda-benda tinggi yang ada di bumi. Terjadinya Petir Printer Laser Printer laser biasanya digunakan di sekolah atau di kantor – kantor. Printer laser bekerja menggunakan muatan listrik statis. Pada saat drum yang bermuatan positif berputar, laser bersinar melintasi permukaan yang
24 Jika muatan listrik didekatkan dengan muatan listrik sejenis interaksi yang terjadi yakni saling tolak-menolak. Sedangkan ketika suatu muatan listrik didekatkan dengan muatan listrik tak sejenis, maka akan terjadi tarik-menarik. Besar gaya Coulomb sebanding dengan perkalian kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut. Jika semua partikel bermuatan berada pada satu garis lurus, maka resultan gaya Coulomb-nya dapat dirumuskan sebagai berikut : Jika semua partikel bermuatan membentuk sudut bukan siku-siku, maka resultan gaya Coulomb-nya dapat dirumuskan sebagai berikut : Medan listrik adalah daerah di sekitar partikel bermuatan listrik yang masih dipengaruhi gaya Coulumb. Jika semua partikel bermuatan berada pada satu garis lurus, maka resultan medan listriknya dapat dirumuskan sebagai berikut: Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 tidak bermuatan. Laser selanjutnya menggambar pada kertas yang bermuatan negatif. Setelah melewati drum yang berputar kertas akan melewati fuser. Pada bagian fuser ini kertas akan mengalami pemanasan, yang menyebabkan kertas terasa panas pada saat keluar dari printer. Printer laser banyak dipilih untuk mencetak karena lebih cepat, lebih akurat, dan lebih ekonomis. Rangkuman
25 Jika semua partikel bermuatan membentuk sudut tertentu, maka resultan medan listriknya dapat dirumuskan sebagai berikut: Hukum Gauss menjelaskan tentang jumlah garis-garis gaya listrik (fluks listrik) yang menembus suatu permukaan tertutup, sama dengan jumlah muatan listrik yang dilingkupi oleh permukaan tertutup dibagi dengan pemitivitas udara ɛ0 Kapasitor terdiri atas dua keping konduktor bermuatan sama besar dan tak sejenis, yang ruang di antaranya diisi oleh dielektrik (penyekat), seperti kertas atau udara. Kapasitansi atau kapasitas adalah ukuran kemampuan atau daya tampung kapasitor dalam menyimpan muatan listrik untuk beda potensial yang diberikan. Dengan persamaan C = q/V Kapasitas kapasitor keping sejajar dapat dirumuskan dengan persamaan Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Penugasan Untuk penugasan mandiri, cobalah untuk membuat presentasi bisa berupa PPT atau video belajar. Kembangkan kemampuan berpikir kalian untuk menganalisis penerapan kapasitor dalam kehidupan sehari-hari. Presentasi dibuat dengan bahasa yang jelas dan singkat maksimal 10 slide. Jika membuat video, durasi maksimal 5 menit. Selalu SEMANGAT,
26 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Evaluasi Setelah mempelajari seluruh kegiatan belajar, maka ujilah pemahaman Anda dengan menyelesaikan evaluasi materi listrik statis. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat!
27 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2
28 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2
29 SELAMAT MENGERJAKAN... Modul Fisika Kelas XII KD 3.2
30 Modul Fisika Kelas XII KD 3.2 Kamajaya, K dan Purnama, W. 2014. Fisika untuk Kelas XII SMA. Bandung : Grafindo Kangenan, M. 2016. Fisika untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Penerbit Erlangga. Resnick, Halliday and Walker. 2009. Fundamental of physics 6th edition: John Wiley & Son. Giancoli, D.C. 2005. Physics. New York : Pretice Hall. In Daftar Pustaka