Materi IPA kelas 9 Semester 2 (Fisika)

Materi Fisika Kelas 9

A. Listrik Statis

1. Hukum Colomb

Charles Augustin de Coulomb, seorang fisikawan berkebangsaan Perancis, pada tahun 1785 pertama kali yang meneliti hubungan gaya listrik dengan dua muatan dan jarak antara keduanya dengan menggunakan sebuah neraca puntir. Untuk mengenang jasa Charles A. de Coulomb, namanya digunakan untuk satuan internasional muatan listrik, yaitu coulomb (C).

Gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antara dua muatan listrik disebut gaya Coulomb (F_c). Apabila dua muatan yang berdekatan jenis muatannya sama, maka gaya Coulombnya berupa gaya tolak-menolak. Sebaliknya, dua muatan yang berdekatan jenis muatannya tak senama, maka gaya Coulombnya berupa gaya tarik menarik.

Besar gaya Coulomb bergantung pada:

• besar masing-masing muatan (Q₁ dan Q₂ ),
• kuadrat jarak antara dua muatan (r²).

Arah gaya Coulomb dua muatan listrik yang sejenis

Arah gaya Coulomb dua muatan listrik yang tak sejenis

Bunyi Hukum Coulomb

Besar gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik antara dua benda bermuatan listrik, berbanding lurus dengan besar masing-masing muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda bermuatan.

Rumus Hukum Coulomb

Secara matematik Hukum Coulomb dirumuskan:

 

Dengan: 

F_c = gaya tolak-menolak atau gaya tarik-menarik dalam satuan newton (N)
Q₁ = besar muatan pertama dalam satuan coulomb (C)
Q₂ = besar muatan kedua dalam satuan coulomb (C)
r = jarak antara dua benda bermuatan dalam satuan meter (m)
k = konstanta pembanding besarnya 9 x 10⁹ Nm²/C²

Contoh Soal Hukum Coulomb

• Dua muatan sejenis besarnya + 2 x 10^-6 C dan + 6 x 10^-4 C. Jika jarak kedua muatan 6 cm, berapakah gaya Coulomb yang dialami kedua muatan?

• Dua buah muatan besarnya Q₁ dan Q₂ berada pada jarak r memiliki gaya Coulomb sebesar F_C Berapakah besar gaya Coulomb, jika:

a. muatan pertama diperbesar 6 kali,

b. jarak kedua muatan diperbesar 4 kali.

B. Listrik Dinamis

1. Pengertian Arus Listrik

Benda atau tempat yang muatan listrik positifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih tinggi. Adapun, benda atau tempat yang muatan listrik negatifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih rendah. Dua tempat yang mempunyai beda potensial dapat menyebabkan terjadinya arus listrik. Syaratnya, kedua tempat itu dihubungkan dengan suatu penghantar. Dalam kehidupan sehari-hari, beda potensial sering dinyatakan sebagai tegangan. Selanjutnya perhatikan Gambar berikut.

Pada Gambar di atas, A dikatakan lebih positif atau berpotensial lebih tinggi daripada B. Arus listrik yang terjadi berasal dari A menuju B Arus listrik terjadi karena adanya usaha penyeimbangan potensial antara A dan B. Dengan demikian dapat dikatakan, arus listrik seakan-akan berupa arus muatan positif. Arah arus listrik berasal dari tempat berpotensial tinggi ke tempat yang berpotensial lebih rendah. Pada kenyataannya muatan listrik yang dapat berpindah bukan muatan positif, melainkan muatan negatif atau elektron.

Rumus Kuat Arus Listrik

Karena itu, berdasarkan Gambar yang terjadi sebenarnya adalah terjadinya aliran elektron dari tempat berpotensial lebih rendah ke tempat yang berpotensial lebih tinggi. Jadi berdasarkan uraian di atas, arus listrik terjadi jika ada perpindahan elektron. Kedua benda bermuatan , jika dihubungkan melalui kabel akan menghasilkan arus listrik yang besarnya dapat ditulis dalam rumus.

Dengan :

I = besar kuat arus, satuannya ampere (A)Q = besar muatan listrik, satuannya coulomb (C)t = waktu tempuh, satuannya sekon (s)

Rumus Beda Potensil Listrik

Berdasarkan uraian tersebut, arus listrik dapat didefinisikan sebagai banyaknya elektron yang berpindah dalam waktu tertentu. Kamu sudah mengetahui bahwa perbedaan potensial akan mengakibatkan perpindahan elektron. Banyaknya energi listrik yang diperlukan untuk mengalirkan setiap muatan listrik dari ujung-ujung penghantar disebut beda potensial listrik atau tegangan listrik. Hubungan antara energi listrik, muatan listrik, dan beda potensial listrik secara matematik dirumuskan.

dengan:

V = beda potensial listrik satuannya volt (V)W = energi listrik satuannya joule (J)Q = muatan listrik satuannya coulomb (C)

Dengan demikian, beda potensial adalah besarnya energi listrik untuk memindahkan muatan listrik.

Contoh Soal :

Kuat arus listrik yang mengalir pada lampu 250 mA. Jika lampu menyala selama 10 jam, berapakah

a. muatan listrik yang mengalir pada lampu?

b. banyaknya electron yang mengalir pada mapu (1 elektron = 1,6 x 10^-19C)

2. Hukum Ohm

Arus listrik dapat mengalir pada rangkaian listrik apabila dalam rangkaian itu terdapat beda potensial dan rangkaiannya tertutup. Hubungan antara kuat arus listrik dengan beda potensial listrik pertama kali diteliti oleh ahli Fisika dari Jerman bernama Georg Simon Ohm (1789–1854). Hasil penelitiannya dikenal dengan nama Hukum Ohm. Untuk memahami lebih mendalam tentang Hukum Ohm, lakukan tugas berikut secara berkelompok. Sebelumnya bentuklah kelompok yang terdiri 4 orang; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

Percobaan Hukum Ohm

Tujuan: 

Menyelidiki Hukum Ohm

Alat dan Bahan:

• Lampu
• Sakelar
• Voltmeter (basicmeter)
• Amperemeter (basicmeter)
• Baterai 4 buah

Cara Kerja:

• Rangkailah alat-alat seperti gambar di bawah.
  
• Tutup sakelar S, amati voltmeter dan amperemeter dan catat hasil pengukuran kedua alat itu ke dalam tabel.
• Ulangilah langkah 2 dengan mengganti sumber tegangan dengan 2 baterai, 3 baterai, dan 4 baterai.
• Buka sakelar S.
• Hitunglah hambatan lampu dengan membandingkan kolom beda potensial (V) dan kolom kuat arus (I).
• Buatlah grafik V-I di buku kerjamu.

Pertanyaan:

• Bagaimanakah hasil perbandingan beda potensial dengan kuat arus listrik dalam tiap-tiap percobaan?
• Bagaimanakah nyala lampu dalam tiap-tiap percobaan?
• Bagaimanakah bentuk grafik V–I?
• Apa kesimpulanmu setelah melakukan kegiatan ini?
• Presentasikan tugasmu di muka kelas.

Rumus Hukum Ohm

Hubungan antara beda potensial (V) dengan kuat arus (I) dapat dinyatakan dengan grafik, seperti pada Gambar berikut.

Grafik Hukum Ohm

Garis kemiringan merupakan perbandingan antara ordinat dengan absis yang besarnya selalu tetap. Jika nilai perbandingan yang besarnya tetap itu didefinisikan sebagai hambatan listrik (disimbolkan dengan huruf R) maka dapat dinyatakan dengan rumus.

Dengan:

V = tegangan listrik satuan volt (V)I = kuat arus listrik satuan ampere (A)R = hambatan listrik satuan ohm ( Ω )

Rumus di atas dikenal dengan nama Hukum Ohm yang menyatakan bahwa, besar kuat arus listrik yang mengalir sebanding dengan beda potensial listrik dan berbanding terbalik dengan hambatan. Untuk lebih memahami Hukum Ohm perhatikan contoh soal berikut.

Contoh Soal Hukum Ohm

• Kawat penghantar kedua ujungnya memiliki beda potensial 6 volt, menyebabkan arus listrik mengalir pada kawat itu 2 A. Berapakah hambatan kawat itu?
  
  
  

• Konduktor berhambatan 400 Ω dihubungkan dengan sumber tegangan, sehingga mengalir arus listrik 500 mA. Berapakah beda potensial ujung-ujung konduktor tersebut?
  
  
  

3. Hambatan Jenis Kawat Penghantar

Hubungan antara hambatan kawat penghantar, panjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis kawat secara matematis dirumuskan.

Dengan:

R = hambatan kawat satuan ohm (Ω )ρ = hambatan jenis kawat satuan ohm meter ( Ω.m)l = panjang kawat satuan meter (m)A = luas penampang kawat satuan meter kuadrat (m2)

Apakah pengaruh penggunaan kawat penghantar yang panjang pada jaringan listrik PLN? Penggunaan kawat penghantar yang panjang menyebabkan turunnya tegangan listrik. Tegangan listrik yang diberikan pada kawat yang panjang tidak dapat merubah besar hambatan, tetapi hanya merubah besar arus listrik yang mengalir melalui kawat itu. Jika kawat penghantar itu panjang, kuat arus listrik yang mengalir kecil seiring turunnya tegangan listrik. Oleh karena itu diperlukan tegangan yang tinggi untuk mengalirkan arus listrik. Hal ini diterapkan pada jaringan kabel listrik yang panjangnya mencapai ratusan kilometer. Agar listrik dapat dinikmati konsumen diperlukan tegangan listrik yang tinggi sampai ribuan megavolt.

Contoh Soal Daya Hantar Listrik

• Kawat tembaga panjangnya 15 m memiliki luas penampang 5 mm2. Jika hambatan jenisnya 1,7 x 10-8 Ω .m, berapakah hambatan kawat tembaga?
  
  
  
• Dua kawat A dan B luas penampangnya sama dan terbuat dari bahan yang sama. Panjang kawat A tiga kali panjang kawat B. Jika hambatan kawat A 150 Ω, berapakah hambatan kawat B?
  
  
  

Jenis Bahan berdasarkan Daya Hantar Listrik

Hambatan jenis setiap bahan berbeda-beda. Bahan yang mempunyai hambatan jenis besar memiliki hambatan yang besar pula, sehingga sulit menghantarkan arus listrik. Berdasarkan daya hantar listriknya (konduktivitas listrik), bahan dibedakan menjadi tiga, yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor.

1. Konduktor adalah bahan yang mudah menghantarkan arus listrik. Bahan konduktor memiliki hambatan kecil karena hambatan jenisnya kecil. Bahan konduktor memiliki elektron pada kulit atom terluar yang gaya tariknya terhadap inti atom lemah. Dengan de mikian, apabila ujung-ujung konduktor dihubungkan dengan tegangan kecil saja elektron akan bergerak bebas sehingga mendukung terjadinya aliran elektron (arus listrik) melalui konduktor. Contohnya: tembaga, perak, dan aluminium.
2. Isolator merupakan bahan yang sulit menghantarkan arus listrik. Bahan isolator memiliki hambatan besar karena hambatan jenisnya besar. Bahan isolator memiliki elektron-elektron pada kulit atom terluar yang gaya tariknya dengan inti atom sangat kuat. Apabila ujung-ujung isolator dihubungkan dengan tegangan kecil, elektron terluarnya tidak sanggup melepaskan gaya ikat inti. Oleh karena itu, tidak ada elektron yang mengalir dalam isolator, sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melalui isolator. Plastik, kaca, karet busa termasuk isolator. Dapatkah isolator bersifat seperti konduktor?
3. Semikonduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya berada di antara konduktor dan isolator. Semikonduktor memiliki elektron-elektron pada kulit terluar terikat kuat oleh gaya inti atom. Namun tidak sekuat seperti pada isolator. Bahan yang termasuk semikonduktor adalah karbon, silikon dan germanium. Karbon digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti resistor. Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti diode, transistor, dan IC (integrated circuit).