Fisika Ii

BAB 1. TERMODINAMIKA

1. 1. Hukum Pertama Termodinamika

Energi dalam suatu benda sanggup ditingkatkan dengan dua cara yaitu :

(a) dengan menambahkan sejumlah panas Q pada benda tersebut, menyerupai telah dibahas pada bab18 dan

(b) dengan melaksanakan perjuangan W terhadap benda tersebut. Kenyataan itu diungkapkan oleh aturan pertama termodinamika yang sanggup ditulis sebagai :

Kenaikan kekekalan energi dalam = Q + W

Untuk proses adibatis (Q=0) kenaikan energi dalam semata-mata hanya ditimbulkan oleh perjuangan yang dilakukan.

1.2. Mesin Kalor

Mengubah energi dalam menjadi energi makanik jauh lebih sulit dibanding proses sebaliknya, dan effisiensi yang betul-betul tepat mustahil sanggup dicapai. Mesin kalor merupakan suatu perangkat atau sistem yang bisa melaksanakan kiprah pengubahan itu, tubuh insan dam atmosfir bumi merupakan mesin-mesin kalor, dan demikian dengan motor bensin, motor diesel, turbin uap dan mesin pesawat jet.

Semua mesin kalor beroprasi dengan menyerap panas dari suatu tandon (reservoir) yang bertemperatur tinggi, melaksanakan usaha, dan selanjutnya melepaskan panas ke tandon lainnya yang bertemperatur rendah. Berdasarkan prinsip kekekalan energi, perjuangan yang dilakukan dalam satu siklus atau daur tepat sama dengan selisih anatara panas yang diserap dengan panas yang dibuang.

1.3. Hukum Kedua Termodinamika

Energi dalam bentuk sebagai energi kinetik atom-atom dan molekul-molekul yang bergerak secara acak, yang keluarannya pada mesin kalor berupa gerak piston atau roda-roda. Karena semua sistem fisis yang aa didalam cenderung menuju ke arah yang berlawanan dari teratur menjadi tidak tidak teratur, maka tidak ada satupun mesin kalor yang bisa mengubah secara tepat panas menjadi energi mekanik atau, secara umum, usaha. Prinsip dasar inilah yang mengarah pada aturan kedua termodinamika, yaitu : mustahil membuat mesin yang bisa beroperasi terus-menerus mengambil panas dari sebuah sumber dan mengubahnya menjadi perjuangan yang benar-benar setara. Karena sejumlah panas masukan pada suatu mesin panas harus terbuang, dan juga mengingat bahwa panas mengalir dari reservoir yang lebih panas menuju reservoir yang lebih dingin, maka setiap mesin kalor harus mempunyai resernoir bertemperatur rendah untuk membuang panas buangan dan juga harus mempunyai reservoir bertemperatur tinggi sebagai sumber masukan panas.

1.4. Effisiensi

Effisiensi sebuah mesin kalor yang ideal (sering disebut sebagai mesin Carnot) yang tidak mempunyai rugi-rugi akhir kesulitan-kesulitan teknis, contohnya gesekan, hanya tergantung pada temperatur panas masukan dan panas buangan. Jika panas yang diserap (panas masukan) bertemperatur diktatorial T₁ dan dibuang pada temperatur diktatorial T₂, maka effisiensi mesin menyerupai itu adalah

Effeisiensi = keluaran usaha/masukan panas = W/Q₁ = 1 – T₁/T₂

Semakin kecil harga perbandingan antara T₁ dan T₂, akan semakin effisien pula mesin tersebut. Karena tidak pernah ada reservoir yang bertemperatur OK, maka tidak ada pula mesin yang mempunyai effisiensi 100%.

1.5. Daur Carnot

Daur Carnot merupakan suatu daur teoritis sanggup balik (reversible) yang banyak sekali memperlihatkan informasi mengenai tingkah laku mesin kalor. Daur ini bersifat ideal lantaran menghasilkan effisiensi tertinggi yang mungkin dicapai untuk mengubah panas menjadi usaha. Sistem ini terdiri atas suatu zat kerja contohnya gas dan suatu daur proses yang terdiri dari dua buah proses sanggup balik isotermal dan dua buah proses sanggup balik adiabatis. Zat kerja, yang sanggup dianggap sebagai ideal, dimasukkan kedalam silinder dengan dinding-dinding dan piston penghantar panas. Juga tersedia, sebagai penggalan dari lingkungan sekitarnya, suatu reservoir panas dalam bentuk benda yang mempunyai kapasitas panas yang besar bertemperatur T₁, serta reservoir panas lain dengan kapasitas panas tinggi yang bertemperatur T₂ dan sebuah penyangga yang tidak menghantarkan panas. Daur Carnot lengkap dengan keempat langkahnya.

Langkah 1. Gas berada dalam keadaan seimbang awal dinyatakan oleh keadaan P₁, V₁, T₁. Silinder ditempatkan dalam reservoir panas bertemperatur T₁, dan biarkan gas memuai perlahan menuju P₂, V₂, T₁. Selama proses berlangsung energi panas Q₁ diserap oleh gas secara konduksi melalui dinding alas; ini berlangsung secara isotermal pada temperatur T₁ dan gas melaksanakan perjuangan mengangkat piston dan beban.

Langkah 2. Silinder diletakan diatas penyangga yang tidak menghantarkan panas dan gas dibiarkan terus perlahan menuju P₃, V₃, T₂. Pemuaian ini berlangsung secara adibatis lantaran tidak ada panas yang masuk ataupun meninggalkan sistem. Gas melaksanakan perjuangan dengan mengangkat piston dan temperaturnya turun ke T₂.

Langkah 3. Silinder diletakkan dalam reservoir yang lebih cuek (T₂) dan gas ditekan perlahan-lahan menuju ke p₄, V₄, T₂. Selama proses berlangsung energi panas Q₂ dipindahkan dari gas ke reservoir secara konduksi melalui dinding alas. Penekan ini berlangsung secara isotermal dan perjuangan dilakukan pada gas oleh piston dan bebannya.

Langkah 4. Silinder diletakkan diatas penyangga yang tidak menghantar yang tidak menghantar panas dan gas diletakkan perlahan-lahan menuju P₁, V₁, T₁. Penekan ini berlangsung secara adibatis lantaran tidak ada panas yang masuk ataupun keluar dari sistem. Usaha dilakukan pada gas dan temperaturnya naik menjadi T₁.

Usaha netto w yang dilakukan oleh sistem selama daur dinyatakan oleh luas yang dibatasi abcd pada gambar 21.8. Jumlah panas netto yang diterima sistem dalam satu kali daur ialah Q1-Q2, dengan Q1 dan Q2 berturut-turut ialah panas yang diserap dalam tahap 1 dan yang dilepaskan dalam langkah 3. Keadaan awal dan selesai ialah sama sehingga energi dalam sistem U tidak mengalami perubahan. Kaprikornus berdasarkan aturan pertama termodinamika berlakulah

W = Q₁ – Q₂

Untuk daur itu; Q₁ dan Q₂ diambil sebagai besaran-besaran positif. Hasil daur itu ialah diubahnya panas menjadi usaha. Jumlah perjuangan yang diinginkan sanggup diperoleh dengan mengulang daur itu. Kaprikornus sistem ini telah bertindak sebagai mesin kalor.

Dalam pola diatas tealah digunakan gas ideal sebagai zat kerja. Meskipun demikian, zat kerja sanggup berupa apa saja, dan sudah barang tentu akan menghasilkan diagram P.V yang berbeda-beda. Biasanya mesin-mesin panas memakai uap, atau adonan materi bakar dan udara, atau materi bakar dan oksigen sebagai zat kerjanya. Panas biasanya diperoleh dari pembakaran materi bakar menyerupai bensin atau kerikil bara, atau berasal dari proses anihilasi massa melalui proses-proses fisi inti dalam suatu reaktor nuklir. Pelepasan panas sanggup dilakukan melalui pembuangan atau kondenser.

1.6. Refrigerasi (Pendingin)

Mesin pendingin (refrigerasi) merupakan sebuah mesin kalor yang beroperasi terbelik biar sanggup mengambil panas dari reservoir bertemperatur rendah, maka perlu disediakan energi pada refrigerator untuk melawan kecenderungan itu, dan energi itu akan menambah jumlah panas yang dibuang oleh refrigerator.

Prinsip-prinsip daur mesin pendingin secara skematis ditunjukkan pada gambar 21.9. Kompresor A mengirim gas (CCL₂F₂; NH₃ atau lainnya) dengan temperatur dan tekanan tinggi ke kumparan B. Panas dipindahkan dari gas oleh air atu udara pendingin di B₁ sehingga gas mengalami kondensasi menjadi cairan namun masih bertekanan tinggi. Cairan itiu selanjutnya mengalir melalui katup pemuai (ekspansi) C, muncul sebagai adonan cairan dan uap dengan temperatur lebih rendah. Dalam kumparan D, panas dimasukkan yang akan mengubah sisa cairan menjadi uap yang selanjutnya masuk ke kompresor A dan daur terulang kembali. Untuk lemari es domestik kumparan D ditempatkan pada ruang pembuatan es yang melaksanakan pendinginan langsung.

Dalam sistem pendinginan yang besar, kumparan D itu biasanya dibenamkan dalam tangki berisi air asin, dan selanjutnya air asin cuek itu dipompakan ke ruang pendinginan. Jika tidak ada perjuangan yang dibutuhkan untuk mengoperasikan refrigerator, maka koefisien performansinya (yaitu panas yang diambil dibagi perjuangan yang diperlukan) besarannya tak hingga.

Pada umumnya refrigerator mempunyai koefisien performansi antara 2 hingga 6. Pengalaman mengambarkan bahwa untuk memindahkan panas dari kawasan yang lebih panas selalu dibutuhkan usaha. Pernyataan ini membuahkan rumusan aturan kedua termodinamika yang lain yaitu : Tidak mungkin terjadi suatu proses yang semata-mata menghasilkan perpindahan panas dari kawasan cuek ke kawasan panas.

BAB 2. PERPINDAHAN PANAS

2.1. Konduksi

Ada tiga prosedur perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lainnya, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Dalam konduksi, panas perpindahan melalui tumbukan antara molekul-molekul yang bergerak sangat cepat dibagian benda yang bertemperatur tinggi dan molekul yang bergerak lambat dibagian benda yang bertemperatur rendah. Sejumlah energi kinetik dari molekul-molekul yang bergerak cepat “pindah“ ke molekul-molekul yang bergerak lambat dan akhir tumbukan yang terus menerus itu maka akan timbul pemikiran panas secara konduksi. Konduksi terkecil terjadi ada gas lantaran molkul-molekul gas relatif berjauhan jaraknya sehingga interaksinya lebih sedikit dibandingkan dengan benda padat dan cair. Logam-logam merupakan konduktor panas yang baik lantaran beberapa dari elektron-elektronnya relatif sanggup bergerak bebas dan sanggup berpindah melalui atom-atom ketika tumbukan terjadi.

Laju konduksi panas melalui sebuah benda ialah sebanding dengan luas penampang A dan beda temperatur ∆T abtar sisi-sisinya, dan berbanding terbalik dengan tebal d.

Jumlah panas Q yang mengalir melalui benda selama waktu t dinyatakan oleh :

Laju konduksi panas = Q/t = (kA ∆T) d

Dengan k ialah konduktivitas panas materi yang merupakan ukuran kemampuan penghantar panas. Satuan K ialah [w/m.K]

Tabel 22.1. Konduktiitas Panas

(untuk gas pada 0^o C; sedangkan selain gas pada temperatur ruangan)

	k kal/det.moC	J/det.moC
Logam : – Aluminuim- Kuningan           -          Tembaga -          Timbal -          Perak -          Baja Gas : – Udara -          Hidrogen -          Oksigen Lainnya : – Asbes -          Beton -          Gabus -          Gelas -          Es -          Kayu	4,9 x 10-2 2,6 x 10-2 9,2 x 10-2 8,3 x 10-3 9,9 x 10-2 1,1 x 10-2 5,7 x 10-6 3,3 x 10-5 5,6 x 10-6 2 x 10-5 2 x 10-4 4 x 10-5 2 x 10-4 4 x 10-4 2 x 10-5	200 110 390 35 410 46 2,4 x 10-2 14 x 10-2 2,3 x 10-2 8 x 10-2 80 x 10-2 17 x 10-2 80 x 10-2 170 x 10-2 8 x 10-2

Titik bakar suatu gas

Gas-gas akan terbakar bila titik bakarnya dicapai, namun bila sebuah logam yang merupakan konduktor, ditempatkan dalam gas itu maka pembakaran sanggup dihindarkan.

Lampu Pengaman Davy

Pada awal kala 19 Sir Humphry Davy, seorang ilmiawan populer pada jamannya, berusaha keras untuk membuat alat pengaman pekerja tambang untuk menghindari ledakan gas, terutama oleh gas metana, lantaran digunakannya lampu minyak untuk penerangan yang ada massa itu. Hasilnya lampu pengaman Davy dimana kasa logam berbentuk silinder menyelimuti cahaya dari nyala yang memakai materi bakar minyak.Lubang diatas digunakan untuk masuknya udara dan keluarnya sisa pembakaran. Panas nyala api itu disalurkan menjauhi setiap gas yang ada diluar. Hal ini berarti menjaga biar gas tetap berada dibawah titik ledakan. Bila ada gas yang gampang meledak masuk melalui kasa maka akan terjadi nyala biru sekitar nyala putih dari minyak. Warna biru memberi indikasi adanya gas yang gampang meledak.

2.2. Konveksi

Pada konveksi, sejumlah fluida panas (gas atau cairan) berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya dan membawa serta “energi dalamnya“ sebagai contoh, disaat air dipanaskan dalam panci, air panas dibagian bawah memuai sehingga kerapatannya menurun dan akhir gaya keatas, maka air panas itu bergerak keatas dan air yang cuek dibagian atas akan menggantikan tempatnya.

Angin bahari dan angin darat :

Angin bahari dan angin darat didaerah pantai merupakan arus konveksi alamiah.

Pada siang hari, matahari memanasi daratan sehingga temperaturnya lebih tinggi dari pada laut, hal ini disebabkan lantaran daratan mempunyai panas jenis lebih rendah dari pada air laut.

2.3. Radiasi

Pada radiasi. Energi dibawa oleh gelombang-gelombang elektromagnetik yang di pancarkan oleh setiap benda. Gelombang-gelombang elektromagnetk, contohnya cahaya, gelombang radio dan sinar x, bergerak dengan kecepatan cahaya (3 x 10⁸/detik). Dan tidak memerlukan medium untuk penjalarannya. Suatu benda penyerap radiasi yang baik, merupakan pemancar radiasi yang baik juga. Penyerap radiasi yang tepat dinamakan “benda hitam (black body)“, dan juga merupakan sumber radiasi yang terbaik.

Suatu benda dengan luas permukaan A dan suhu mutlak T, memancarkan radiasi dengan laju diberikan oleh aturan Stefan Boltzman sebagai berikut:

R = P/A = eV . T⁴

Konstanta σ (sigma) mempunyai harga 5,67 x 10^-8W/m² K⁴.

Daya pancar e berharga antara 0 (untuk pemantul sempurna, sehingga tidak ada radiasi yang dipancarkan) dan 1 (untuk benda hitam) tergantung pada sifat permukaan pemancar. Dengan bertambahnya temperatur, panjang gelombang utama dari radiasi yang dipancarkan suatu benda akan turun. Kaprikornus benda panas yang memancarkan cahaya merah lebih cuek dari pada yang memancarkan cahay putih kebiru-biruan, lantaran cahaya merah mempunyai panjang gelombang lebih besar dari pada cahaya biru. Pada suhu kamar, suatu benda memncarkan radiasi yang sebagian besar berupa spektrum infra merah, sehingga tidak terlihat oleh mata.

Radiasi sanggup ditentukan dengan merubah energi panas menjadi energi listrik.

Hal ini sanggup dilakukan dengna melewatkan panas pada sambungan 2 logam yang berbeda, ujung-ujung logam yang lain dihubungkan dengan terminal galvanometer (suatu instrumen pengukur arus yang sensitif), yang akan mengukur besarnya arus. Bismuth dan antimon.

Adalah 2 logam yang dipergunakan pada “Thermophile“. Suatu instrumen untuk memilih besarnya pancaran. Untuk memperbesar pengaruhnya, beberapa sambungan bismuth dan antimon dihubungkan secara seri. Dengan demikian radiasi akan mengenai salah satu rangkaian sambungan.

Batang-batang logam dengan hati-hati disekat satu terhadap yang lain, dan kemudian dimasukkan kedalam silinder logam, dan galvanometer dihubungkan dengan terminal-terminalnya bila termopile digunakan. Kerucut yang mempunyai permukaan dalam pemantul, dipasang diatas ujungnya.

BAB 3. KELISTRIKAN

3.1. Muatan Listrik

Muatan listrik menyerupai juga massa ialah salah satu sifat dasar dari partikel-pertikel elementer tertentu. Terdapat 2 jenis muatan, muatan positif dan muatan negatif oleh elektron. Muatan dengan tanda sama saling tolak menolak, sedangkan muatan yang berlawanan tandanya akan saling tarik menarik.

Suatu muatan ialah “coulumb (C)”. Muatan proton ialah + 1,6 x 10^-19C, sedangkan muatan elektron -1,6 x 10^-19C. seluruh muatan didalam ialah perkalian dari + l = ± 1,6 x 10^-19C. sesuai dengan perinsip kekekalan muatan, muatan listrik netto dari suatu sistem yang isolasi selalu konstan. (muatan netto ialah jumlah muatan positif – jumlah muatan negatif). Bila suatu benda terbentuk dari energi, sejumlah muatan positif dan negatif yang sama selalu muncul menyertainya dan bila suatu benda diubah menjadi energi, sejumlah muatuan positif dan negatif yang sama hilang.

Penjelasan Secara Atomik :

Atom setiap benda mengandung partikel yang dinamakan elektron, yang bermuatan negatif, dan partikel-partikel lain yang jumlahnya sama dengan elektron yang disebut proton, dan bermuatan positif. Jumlah total muatan listrik negatif sama dengan jumlah total muatan positif, dengan demikian atom normal bermuatan netral. Proton terletak jauh di dalam inti atom, sedangkan elektron-elektron terletak diluar inti, dan satu atau lebih terletak dipermukaan atom. Bila batang kayu hitam digosok dengan bulu binatang, beberapa elektron pada permukaan atom bulu hewan berpindah ke batang ebonit, dan kayu hitam menjadi bermuatan negatif. Bulu hewan kehilangan muataun negatif, kini mempunyai muatan listrik positif, lantaran seluruh atom-atom semula bermuatan netral, mempunyai jumlah proton dengan elektron yang sama. Akibatnya, materi penggosok mempunyai muatan sama dengan benda yang digosok. Dengan demikian gosokan menimbulkan muatan listrik berpindahdari suatu materi ke materi lain. Gosokan tidak membuat muatan lisrik.

3.2. Penguraian Muatan Listrik

Panjangnya isolator yang terbuat dari logam ringan digunakan untuk menyangga indikator yang diletakan  pada cincin besi. Indikatornya sendiri terbuat dari logam ringan yang diletakkan biar tidak simetris, sehingga beratnya sendiri menghasilkan momen balik yang cukup besar. Penyekat indikator dan alat aksesori tambahan masing-masing mempunyai soket untuk pengukuran tegangan. Peket dengan memakai steker diletakkan pada elektroskop. Karena adanya cincin besi, instrumen ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan elektroskop sederhana, dalam distribusi medan dan kalibrasi beberapa besaran tertentu. Untuk percobaan elektrostatik, hal-hal berikut harus diperhatikan :

- hanya setengah penggalan batang yang digosok, sedangkan penggalan yang lain dipegang (misalnya penggunaan plastik). Bagian yang digosok dihentikan lebih luas (banyak).

- Percobaan harus segera dilakukan sesudah batang digosok.

- Dua batang yang sama dan digosok dengan materi yang sama, akan saling tolak-menolak.

- Untuk menghasilkan muatan yang selalu bertanda sama, bahan-bahan yang dianjurkan dipergunakan sebagai penggosok ialah sebagai berikut:

Bahan Penyekat	Bahan Untuk Penggosok	Tanda muatan pada penyekat
Gelas Bahan Plastik	Kulit, Kertas Wol, Kapas	+ -

3.3. Hukum Coulomb

Gaya yang timbul antara suatu muatan dengan muatan yang lain diberikan oleh aturan Coulomb:

Gayalistrik = F = k  (q₁ q₂)/r²

Dimana  q₁ dan q₂ adalah besarnya muatan, r jarak antara kedua muatan dan k konstan yang harganya dalam ruang hampa ialah k = 9 x 10⁹ [N m²/C²]

Harga k udara sedikit lebih besar. Kadang-kadang konstanta k dinyatakan dengan

k = 1 / 4 π ε_o, dimana ε_o ialah permitivitas vakum yang berharga ε_o = 8,85 x 10^-12 [C/N.m²].

3.4. Struktur Atom

Struktur atom terdiri dari “inti“ yang bermuatan positif dan sejumlah elektron yang berjarak agak jauh. Inti terdiri dari atas proton (muatan + l, massa = 1,673 x 10^-27 kg) dan netron (tak bermuatan, massa = 1,675 x 10^-27kg), jumlah proton dalam inti biasnya sama dengan jumlah elektron yang mengelilinginya, jadi atom secara keseluruhan bermuatan netral. Gaya antar atom yang mengikatnya bersama-sama, misal dalam zat padat atau cairan pada mulanya ialah gaya listrik. Massa elektron ialah 9,1 x 10^-31 kg.

3.5. Ion

Pada keadaan tertentu atom sanggup kehilangan satu atau lebih elektron dari ion positif, atau sanggup mendapatkan satu atau lebih elektron dan menjadi ion negatif. Kebanyakan zat padat terdiri atas ion-ion positif dan negatif dari pada yang terdiri dari atom-atom molekul. Suatu pola ialah garam dapur biasa, yang dibuat oleh ion positif sodium (Na⁺) dan ion negatif klorida (Cl^-). Larutan garam tersebut dalam air juga mengandung ion-ion. Percikan bunga api, nyala dari sinar x sanggup menimbulkan ionisasi gas-gas. Ion-ion yang berlawanan tanda dalam gas segera berkumpul sesudah terbentuk, dan membentuk molekul-molekul netral. Gas sanggup dipertahankan dalam keadaan ion dengan melewatkan arus listrik kepadanya (misal dalam gas neon), atau dengan menembaknya dengan sinar x atau sinar ultra violet (seperti terjadi pada batas atmosfir bumi, dimana radiasi tiba dari sinar matahari).

3.6. Medan Listrik

Medan listrik ialah kawasan dalam ruang dimana terhadap suatu muatan bekerja gaya listrik.

Medan listrik dihasilkan oleh satu atau lebih muatan, dan bisa seragam atau bervariasi besar dan arahnya. Jika muatan Q pada titik tertentu dipengaruhi oleh gaya F, medan listrik pada titik tersebut ialah perbandingan antara F dan Q.

E = F / Q

Medan listrik = gaya / muatan

Medan listrik adala besaran vektor diman arahnya sama dengan arah gaya pada muatan positif. Satuan E ialah [Newton/conl]. [N/C], atau lebih sering dipergunakan volt/meter (V/m). Dengan mengetahui medan listrik, besar gaya pada sebarang muatan q yang berada dalam medan magnet tersebut sanggup ditentukan melalui hubungan:

F = q E

Gaya = muatan x medan listrik.

3.7. Garis gaya medan listrik

Garis gaya digunakan untuk menggambarkan medan gaya, contohnya pada medan listrik, dengan memakai garis khayal untuk mengambarkan besar dan arah medan. Arah garis gaya listrik pada sebarang titik ialah arah gerak muatan positif kalau diletakkan ditempat tersebut, dan garis gaya digambar rapat bila medan listrik berpengaruh serta digambar jarang bila medannya lemah.

3.8. Beda Potensial

Beda potensial antara dua titik dalam medan listrik, ialah perjuangan yang dibutuhkan untuk membawa muatan IC dari satu titik yang lain. Jadi,

V = W / q

Beda potensial = perjuangan / muatan

Satuan beda potensial ialah volt (v) :

1 [volt] = 1 [joule / coulomb]

Beda potensial antara 2 titik pada medan listrik yang seragam ialah sama dengan perkalian E dengan jarak s antara kedua titik tersebut, yang sejajar E.

V = E s

Medan listrik mempergunakan reaksi kimia untuk menghasilkan beda potensial, sedangkan generator mempergunakan induksi elektromagnetik.

BAB 4. ARUS LISTRIK

4.1. Arus Listrik

Aliran muatan dari satu tempat ke tempat yang lain menimbulkan terjadinya arus listrik. Arus listrik selalu bergerak dari terminal positif ke terminal negatif. Arus listrik dalam kawat logam selalu terdiri dari pemikiran elektron, arus listrik tersebut dianggap berarah berlawanan dengan arah gerakan elektron.

Jadi muatan positif dan negatif mengalir pada jalur yang berbeda, perkiraan demikian membuat tidak adanya perbedaan nyata.

Baik muatan positif atau negatif bergerak bila terdapat arus di dalam gas atau cairan penghantar.

Jika sejumlah muatan q melewati suatu titik dalam penghantar dalam selang waktu t, maka arus dalam penghantar adalah:

I = q / t

Arus listrik = muatan / selang waktu

Satuan arus listrik ialah “ampere“ (A), dimana 1 ampere = 1 [coulomb / detik]

4.2. Pembangkit/Generator kimiawi

Susunan lengkapnya terdiri atas sel-sel yang tersusun seri, untuk mendapatkan imbas yang lebih besar.

Susunan demikian dinamakan baterai sel, dan arus listrik mengalir lewat kawat.

Pada dasarnya, sel atau baterai merubah enersi kimia menjadi enersi listrik oleh lantaran itu materi kimia secara berangsur-angsur akan habis. Biasanya sel mempunyai 2 buah pelat metal tidak sejenis atau 2 buah kutub, materi kimia ditempatkan diantara kedua kutub atau sel. Salah satu kutub atau sel. Salah satu kutub dinamakan kutub positif yang mempunyai potensial lebih tinggi dari pada yang lain, kutub lainnya dinamakan kutub negatif, sehingga arus mengalir kalau kedua kutub tersebt dihubungkan dengan kawat. Istilah “positif” dan “negatif” tidak mempunyai arti matematis.

Kelemahan dari sel Polarisasi

• Gelembung-gelembung gas hidrogen terkumpul pada pelat tembaga bila sel sederhana sedang bekerja. Gas hidrogen mempunyai tahanan listrik sangat tinggi, oleh lantaran itu arus di dalam rangkaian berkurang banyak sekali.
• Antara hidrogen dan seng dalam sel juga mempunyai e.m.f, sebagaimana elemen-elemen tak sejenis yang lain.e.m.f, tersebut berarah berlawanan dengan arah tegangan antara tembaga dan seng, oleh lantaran itu dinamakan “e.m.f, balik“. e.m.f, balik lantaran hidrogen juga mengurai arus, dan kalau sel berhenti bekerja dikatakan mengalami polarisasi.

Sel Daniel

• Polarisasi sanggup dicegah dengan menambahkan materi kimia yang sesuai, yaitu berupa materi depolarisasi, yang tidak bercampur dengan materi kimia utama sel dan dinamakan elektrolit, akan tetapi ion-ion yang membawa arus didalam sel harus bergerak dari suatu kutub ke kutub yang lain melalui kedua materi kimia tersebut. Akibatnya Cawan poraus yang mempunyai lubang sangat kecil digunakan untuk memisahkan kedua materi tersebut.

Sel kering Lε clanche.

• Elektrolit dibuat dalam bentuk pasta atau krem dari amonium khlorida dengan tepung dan getah, sehingga relatif “kering“

Akumulator :

• Sel-sel Leclanche dan Daniell dikenal sebagai sel-sel primer. Arus dihasilkan materi kimia secara berangsur-angsur dan jadinya berhenti.
• Akumulator, yang disebut sel sekunder sanggup diisi kembali dengan melewatkan arus dari luar kedalam sel, sehingga bahan-bahan kimianya kembali ke pelat, oleh lantaran itu umurnya bisa lebih lama. Juga akumulator sanggup mempertahankan arus yang besar dalam waktu lama, tanpa terjadi polarisasi.
• Akumulator dipergunakan di kendaraan beroda empat untuk menyediakan energi bagi pembakaran materi bakar dalam mesin.

Akumulator asam-timah hitam.

• Pada ketika ini terdapat sejumlah akumulator yang berbeda-beda jenisnya.
• Salah satu yang banyak dipergunakan ialah akumulator asam-timah hitam. Jenis lain ialah sek nikel-alkalin atau sel “Nife”.

Kita hanya akan membicarakan bentuk yang mempunyai

1. kutub (+) dari peroksida timah hitam berwarna coklat
2. kutub (-) dari kerikil tulis timah hitam berwarna kelabu
3. elektrolit cairan asam sulfurik

Peroksida timah hitam ditaruh di dalam celah pelat yang terbuat dari senyawa antimoni timah-hitam. Seluruh pelat positif dihubungkan bersama-sama, berselang dengan pelat negatif, tetapi tetap berpisah.

1. mempunyai e.m.f. sekitar 2 V
2. asam mempunyai berat jenis ± 1,25 tergantung pada pabrik prmbuat

Kapasitas akumulatur dinyatakan dalam “amper-jam“. Suatu akumulator 30 amper-jam sanggup memperlihatkan arus 1 A selama 30 jam, atau arus 2 A dalam 15 jam. Bila arus yang diambil lebih besar, maka waktu untuk pengisian kembali lebih kecil dari perhitungan teoritis tersebut.

Kondisi pembebanan sanggup di cek dengan pengukuran kerpatan elektrolit.

Sel materi bakar:

• Sel-sel elektrik, misal sel leclanche atau akumulator, ialah alat untuk merubah enersi dari reaksi kimia menjadi arus listrik. Seperti telah diterangkan diatas, umumnya bahan-bahan kimia ditarh didalam baterai. Disini materi tersebut digunakan terus-menerus dan jadinya harus diganti dengan materi baru.
• Proses yang lebih effisien ialah memakai sel materi bakar. Pada sel ini materi kimia disimpan di luar sel, dan dipergunakan hanya kalau dibutuhkan enersi listrik. Banyak sel materi bakar memakai reaksi antara hidrogen dan gas oksigen atau udara. Hidrogen dan oksigen sanggup bercampur pada temperatur tinggi. Jika terjadi ledakan, akan terbentuk air  dan evolusi enersi panas yang sangt besar. Akan tetapi dalam sel materi bakar kobinasi hidrogen dan oksigen terdapat dalam suhu kamar. Selain itu enersi yang dibebaskan, terutama dibutuhkan untuk menghasilkan listrik.

4.3. Hukum Ohm

Agar arus mengalir dalam penghantar, maka harus ada beda potensial antara kedua ujungnya, sama dengan perbedaan antara sember dan keluaran yang dibutuhkan biar sungai mengalir. Dalam hal penghantar metalik, arus yang mengalir berbanding lurus dengan beda potensial, pelipatan V 2 kali menimbulkan I menjai 2 kainya dan seterusnya. Hubungan dmikian dinamakan “Hukum Ohm“, yang dinyatakan dalam bentuk:

I = V/R

Arus litrik = Beda Potensial/tahanan

Besar R yang dipergunakan pada peghantar disebut ”tahanan”.

Satuan tahanan ialah ohm (Ω), dimana

1 ohm = 1 [volt/ampere]

Makin besar tahanan, makin kecil arus yang mengalir untuk beda potensial sama. Hukum ohm bukanlah perinsip fisika, tetapi merupakan kekerabatan eksperimental, dimana banyak metal yang memenuhinya untuk harga-harga V dan I yang bermacam-macam.

4.4. Resistivitas

Tahanan suatu penghantar berdasarkan aturan ohm ialah :

R = ρ L/A

Dimana L = Panjang penghantar

A = Luas penampang

ρ = Resistivitas materi penghantar

Dalam system SI, satuan resistivitas ialah ρ.m

Resistivitas sebagian besar materi tergantung pada temperatur. Jika R ialah tahanan penghantar pada temperatur biasa, kemudian tahannya berubah ∆R bila temperatur berubah ∆ T, mempunyai kekerabatan linier.

∆R = αR ∆T

Besaran α ialah ”koefisien temperatur tahanan” suatu bahan.

4.5. Daya dan Kerja Listrik

Daya untun memperthankan arus listrik diperoleh dari perkalian antara arus I dan beda tegangan V.

P = I . V

Daya    = arus x beda potensial

Dimana I dalam ampere, V dalam Volt dan P dalam watt.

Jika suatu konduktor atau peralatan dilalui arus yang menuruti aturan ohm, maka daya yang dipergunakan dinyatakan dalam bentuk:

P = I V = I² R = V²/R

BAB 5. RANGKAIAN ARUS SEARAH

5.1. Tahanan Seri

Tahanan ekivalen dari rangkaian beberapa tahanan tergantung pada cara menghubungkannya. Jika tahanan dihubungkan, tahanan ekivalen R ialah jumlah masing-masing tahanan.

5.2. Tahanan Paralel

Dalam rangkaian tahanan paralel, terminal-terminal resistor dihubungkan bersama-sama. Harga 1/R ekivalen sama dengan jumlah harga 1/resistansi masing-masing tahanan.

5.3. Gaya gerak listrik dan tahanan dalam.

Kerja yang dilakukan tiap coulomb pada muatan yang meninggalkan baterai, generator atau sumber enersi listrik yang lain disebut ”gaya gerak listrik (ggl)”. Ggl sama dengan beda tegangan pada terminal sumber bila tidak ada arus yang mengalir. Bila arus mengalir, beda potensial terserbut lebih kecil dari pada ggl, lantaran terdapatnya tahanan dalam sumber tegangan.

Besarnya terminal:

V = ε – I r

Dimana : V = Tegangan terminal

Ε = ggl

I r = tegangan jatuh

Bila ggl baterai generator dihubungkan dengan tahanan luar R, tahanan total dalam rangkaian ialah R+r, dan arus yang mengalir adalah:

I = ε/R+r

Arus = ggl / tahanan luar + tahanan dalam

5.4. Hukum khirchoff

Arus yang melalui setiap cabang rangkaian yang rumit sanggup ditentukan dengan memakai aturan khirchhoff. Hukum pertama dipergunakan untuk sambungan 3 kabel atau lebih, aturan kedua untuk rangkaian tertutup (loop), keduanya merupakan konsekuensi kekekalan energi, aturan tersebut adalah:

1. dalam erus yang masuk kedalam sambungan (junction) = arus keluar dari sambungan.
2. jumlah ggl seluruh loop = jumalah tegangan jatuh I R pada seluruh loop.

Prosedur pemakaina aturan kirchhoff ialah sebagai berikut :

1. Pilih arus pada masing-masing tahanan. Bila pemilihan benar, arus yang diperoleh positif, kalau salah, diperoleh arus negatif, yang berarti arus yang benar berarah kebalikannya.
2. Pada loop (dalam mengelilingi loop bisa searah ataupun berlawanan arah jarum jam). Ggl positif bila terminal pertama sumber yang diperoleh bertanda negatif dan negatif bila terminal tersebut positif.
3. Penurunan tegangan I R positif bila arus pada tahanan mempunyai arah sama dengan arah jejak mengelilingi loop, negatif bila berlawanan.

5.5. Amperemeter dan Voltmeter

Amperemeter ialah instrumen untuk mengukur besarnya arus.

Resistansi yang lebih rendah dari ampermeter, berarti instrumen tersebut lebih baik, lantaran resistansi akan mensugesti rangkaian yang diukur arusnya.

Dalam prktek, meter itu sendiri (biasanya galvanometer, dimana gaya megnetik dihasilkan oleh arus), meninggalkan beberapa penggalan untuk melewati tahanan meter yang lebih tinggi. Voltmeter ialah instrumen untuk mengukur beda potensial. Makin tinggi tahanannya, voltmeter tersebut makin baik, lantaran pada ketika dipergunakan mensugesti hasil pengukuran.

Galvanometer Cermin terdiri atas :

1. Pegas ulir, dipergunakan pada miliampermetersebagai pembagi dam mempergunakan kawat perunggu fosfor untuk mengendalikan putaran kecil
2. Jarum pembagi dan berkas cahaya dipergunakan untuk mengukur defleksi.

Bila arus yang kecil mengalir pada koil, pegas ulir terlalu berpengaruh untuk memperlihatkan defleksi yang banyak pada koil. Oleh lantaran itu kawat perunggu fosfor mempunyai kontrol yang sangat halus, sehingga defleksi menjadi agak besar. Berkas cahaya jauh lebih baik dibanding jarum bila dipergunakan untuk mengukur defleksi yang kecil.

Galvanometer cermin ditunjukkan dalam gambar 25.6. kawat perunggu fosfor OL dilapisi dengan serbuk penghantar dan arus lewat koil melalui terminal A dan B.Defleksi koil diukurdenan memakai cermin MM ialah cermin cekung denganjari-jari kelengkungan yang besar, biasanya 1m, dan menfokuskan cahaya dari sumber cahaya T ke arah skala P yang dilengkapi dengan milimeter. Berkas cahaya berbentuk bundar bergerak sepanjang P bila arus mengalir pada galvanometer, dan defleksi yang terjadi menyatakan besarnya arus yang diukur. Pada salah satu jenis galvanometer 1 μA, berkas cahaya sanggup berdefleksi sepanjang 20 cm pada skala.

BAB 6. KAPASITANSI

6.1. Kapasitansi

Kapasitor ialah suatu sisitem yang menyimpan enersi dalam bentuk medan listrik. Bentuk yang paling sederhana suatu kapasitor terdiri dari pasangan pelat logam paralel dipisahkan oleh udara atau bahan-bahan penyekat.

Beda potensial V antara pelat-pelat kapasitor berbanding lurus dengan muatan Q pada setiap pelat kapasitor , sehingga perbandingan Q/V selalu sama untuk kapasitor tertentu. Perbandingan ini dinamakan kapasitansi (C) suatu kapasitor.

C = Q/V

Kapasitansi = Muatan pada setiap pelat kapasitor/beda tegangan antara kedua pelat

Suatu kapasitansi ialah farad (F), dimana 1 farad = 1 coulomb/volt.

Karena satuan farad terlalu besar untuk keperluan praktis, biasanya digunakan satuan mikrofarad dan pikofarad, dimana:

1 mikofarad = 1 μ F = 10^-6 F

1 piko farad = 1 F ρ F = 10^-12 F

Satuan muatan 10^-6 C pada sitiap pelat dari kapasitor 1 μ F akan menghasilkan beda teganagan antara pelat tersebut:

V= Q/C = 1 V

6.2. Kapasitor Pelat Paralel

Yaitu suatu kapasitor yang terdiri atas pelat-pelat paralel; kalau luas setiap pelat ialah A dan terpisah sejauh d, maka kapasitansinya :

C = K . ε_o A/d

Konstanta ε_o adalah permitivitas hampa menyerupai telah dibicarakan pada penggalan 23; harganya ialah : ε_o = 8,85 x 10^-12 C²/N-m² = 8,85 x 10^-12 F/m

Besaran K ialah kontanta dielektrik materi antara pelat-pelat kapasitor. Makin besar K, berarti materi tersebut lebih efektif dalam mengurangi medan listrik. Untuk hampa, K = 1, udara K = 1,0006; gelas K = 6; dan air K = 80

Konstanta Dielektrik:

Bahan yang dipergunakan sebagai medium diatara pelat kapasitor dinamakan dielektrik. Bila dielektrik, contohnya kertas lilin, diisikan secara penuh pada ruang diatara pelat, kapasitansi akan bertambahy kira-kira 3 kali dibandingkan bila dipergunakan medium udara. Dengan demikian konstanta dielektrik kertas lilin berharga 3. Muatan kapasitor (Q) diukur dengan amplifier pengukur (a) [A.S=Coulomb]. Kapasitansi ditentukan dengan perhitungan C = Q/V

Kapasitor Praktis:

1. Kapasitor udara variabel :

Terdiri dari susunan pelat-pelat logam yang sanggup diputar dengan proses, sedemikian hingga sanggup mnyisip ke susunan logam tetap. Kedua susunan logam disekat dengan materi isolator. Luas keseluruhan, dan berarti kapasitansinya, dengan gampang sanggup diubah. Tipe ini digunakan pada pada radio peserta untuk memilih gelombang yang diinginkan. Bila diinginkan pemancar radio tertentu, knob diputar, sehingga pelat yang sanggup bergerak berputar, dengan demikian merubah harga kapasitansi dalam rangkaian ”tuning”.

2. Kapasitor mika.

Kapasitor lain yang juga dipergunakan dalam radio ialah kapasitor tetap yang memakai medium mika. Kapasitor ini terdiri atas 2 buah susunan pelat logam masing-masing dihubungkan ke terminal T. Kapasitor mika sanggup mempunyai skala dari 0,0001 μF hingga 1 μF.

3. Kapasitor kertas ;

Kertas lilin merupakan dielektrik yang lebih murah dari pada mika, dan mempunyai laba lainnya yaitu menghemat ruang, lantaran tidak menyerupai mika, kertas lilin sanggup digulung. Kapasitor kertas dibuat dengan mempergunakan susunan 2 lembar kertas diantara 2 lembar tipis timah putih, kemudian susunan ini dugulung. Terminal kapasitor dihubungkan pada tiap lembar tipis timah putih.

4. Kapasitor Elektrolitik :

Pada rangkaian radio, kapasitor yang dibutuhkan ialah yang mempunyai kapasitansi yang tinggi, misal 32 μ F. Kapasitor ini harus hemat dan praktis. Persoalan yang terdapat dalam perancangan ini dipecahkan dengan melewatkan arus diantara 2 pelat alumunium yang disisipkan kedalam larutan amonuim borat. Lapisan sangat tipis alumunium oksida terbentok pada pelat anoda oleh agresi elektrolitik, dan oksida antara anoda dan larutan mengandung dielektrik yang sangat tipis pada ketika agresi tersebut berhenti.

Dielektrik yang sangat tipis ini menghasilkan kapasitansi yang sangt tinggi antara anoda larutan. Kapasitor dengan beberapa ribu mikrofarad sanggup dibuat dengan metoda tersebut.

Kapasitor elektrolitikmemiliki pelat anoda dan katoda, serta larutan dengan resistansi rendah.

6.3. Enersi Kapasitor Bermuatan :

Untuk menghasilkan medan listrik dalam kapasitor bermuatan, harus dilakukan perjuangan untuk memisahkan muatan positif dan negatif. Kerja ini disimpan sebagai enersi potensial dalam kapasitor. Enersi potensial W suatu kapasitor dengan kapasitansi C dan muatannya Q serta beda potensial V ialah :

W = ½ Q V = ½ CV² = ½ Q²/C

6.4. Tetapan Waktu

Bila kapasitor diisi muatan , dengan segera sanggup beda tegangan yang berlawanan arah dengan ggl yang digunakan, dengan demikian cenderung untuk melawan pemikiran penambahan muatan. Oleh lantaran itu kapasitor tidak pernah mencapai muatan selesai bila dihubungkan dengan baterai atau sember tegangan yang lain. Perkalian R C dengan  Rresistansi dan C kapasitansi, mengatur kelajuan kapasitor mencapai muatan selesai Q = CV. Setelah waktu yang sama dengan RC dilalui, muatan pada kapasitor menjadi 63% muatan akhirnya. Jika kapasitor dikosongkan muatannya (discharged), dengan memakai tahanan R, setealah waktu t = RC, muatan akan turun menjadi 37% harga mula. Besaran RC disebut ”tetapan waktu” rangkaian, makin kecil tetapan waktu, berarti lebih cepat sanggup diisi atau dikosongkan muatannya.

Pengisisan/pengosonan muatan dari suatu kapasitor.

Harga resistansi tinggi (1 M Ω) akan memperlihatkan waktu yang sangat lama. Impedansi yang tinggi dari amplifier pengukur menghasilkan ketelitian yang tinggi pada pengukuran tegangan.

6.5. Rangkaian Kapasitor :

Kapasitansi ekuivalen dari susunan kapasitor yang saling dihubungkan ialah : kapasitansi dari sebuah kapasitor pengganti.

Kapasitansi ekuivalen dari susunan seri adalah:

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ………

Jika hanya terdapat 2 buah kapasitor seri, maka:

1/C = 1/C1 + 1/C2 = [C1 C2]/[C1 C2], jadi [C1 C2]/C1 + C2]

Jika kapasitor dirangkai paralel, maka kapasitansi ekuivalennya ialah :

C = C1 + C2 + C3 + ………….

BAB 7. MAGNETISME

7.1. Hakekat Megnetisme  :

Dua buah muatan listrik dalam keadaan membisu mempunyai gaya satu terdapat yang lain, sesuai dengan aturan coloumb. Bila muatan-muatan bergerak, ada gaya lainnya yang berbeda, dan biasanya dikatakan sebagai perbedaan gaya megnetik yang terjadi diantara muatan-muatan yang bergerak, selain gaya listriknya. Dalam hal ini gaya total pada muatan Q terdiri atas gaya listrik yang hanya tergantung pada kecepatan gerak muatan V dan muatan Q. Pada kenyataannya, antar muatan-muatan hanya terdapat interaksi tunggal, yaitu ”interaksi elektromagnetik”. Teori relativitas memperlihatkan kekerabatan antara gaya-gaya listrik dan magnetik; sebagaimana massa benda yang bergerak, tampak lebih besar dari pada dalam kedaaan diam, juga gaya-gaya lisatrik antara 2 muatan tampak berubah pada pengamatan bila muatan tersebut bergerak. Dalam hal demikian kemagnetan tidak berbeda dengan kelistrikannya, meskipun terdapat kesamaan interaksi elektromagnetik, biasanya untuk beberapa keperluan imbas kelakuan listrik dan magnet dipisahkan.

7.2. Medan Magnet:

Jika ada medan magnet B, maka timbul gaya magnet pada muatan yang bergerak. Arah medan magnet B ialah sepamuatan sanggup bergerak tanpa mengalami gaya magnetik; untuk arah yang lain, muatan yang bergerak akan mengalami gaya magnetik. Besarnya induksi magnetik B, sama dengan muatan 1 C yang bergerak dengan kecepatan 1 m/detik tegak lurus B.

Satuan induksi magnet ialah tesla (T)

1 tesla = 1 (newton)/(ampermeter)

Kadang-kadang ”tesla” disebut weber/m². 1 gauss sama dengan 10^-4 T, merupakan satuan medan magnet yang lain.

BAB 8. INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

8.1. Induksi elektromagnetik

Suatau arus yang dihasilkan bila konduktor melintasi garis gaya magnetik dinamakan induksi elektromagnetik. Bila gerakan konduktor sejajar garis gaya tidak ada arus yang dihasilkan. Induksi elektromagnetik dihasilkan oleh medan magnetpada muatan-muatan yang bergerak. Bila kabel bergerak melintasi medan magnet, elektron-elektron yang terkandung mendapatkan gaya, bergerak sepanjang kabel menimbulkan arus mengalir. Arus juga sanggup terjadi pada konduktor membisu yang berada pada medan magnet, bila medan dengan harga berpengaruh medannya berubah sehingga jumlah garis gaya yang dilingkupi konduktor tersebut berubah pula. Bila konduktor lurus dengan panjang I bergerak melintas medan magnet B, dengan kecepatan v, harga emf yang diinduksikan pada konduktor ialah :

emf_induksi = ε = B I v

diamana B, v, dan I konduktor saling tegak lurus.

8.2. Hukum Lenz

Tanda negatif pada aturan faraday ialah konsekuensi dari aturan lenz : arus induksi selalu berarah demikian rupa hingga medan magnet yang timbul melawan perubahan yang terjadi pada medan magnit penyebabnya. Sebagai contoh, kalau B berkurang harganya dalam percobaan gamabar 28.2. Arus induksi dalam koil berarah berlawanan jarum jam, dalam perjuangan untuk menambah medan B sehingga mengurangi laju penurunan B. Jika B naik, maka arus induksi yang terjadi searah dengan jarum jam, hingga medan magnit akan mengurangi laju kenaikan B.

8.3. Trafo

Suatu trafo terdiri atas 2 buah lilitan kawat, biasanya membungkus inti besi. Bila arus bolak-balik mengalir melalui salah satu lilitan, perubahan medan magnetik menghasilkan induksi arus bolak-balik pada lilitan lain.

Beda teganagn setiap lilitan pada kedua kumparan (primer dan sekunder) sama, sehingga perbandingan jumlah lilitan memilih perbandingan tegangan primer dan sekunder sehingga;

V₁/V₂ = N₁/N₂

Tegangan primer/tegangan sekunder = lilitan primer/lilitan sekunder

Jika daya I₁V₁ masuk kedalam trafomator harus sama dengan daya yang keluar I₂V₂, dimana I₁ dan I₂ ialah arus pada primer dan sekunder, aka perbandingan arus primer dan sekunder berbanding terbalik dengan perbandingan lilitannya.

8.4. Induksi diri :

Bila arus dalam rangkaian berubah. Medan magnit didalamnya juga berubah, dan perubahan fluk yang terjadi ini menimbulkan emf induksi diri, yakni;

Emf_{induksi diri} = ε = -L (∆i/∆t)

Dimana ∆i/∆t ialah lajuperubahan arus dan L ialah sifat rangkaian yang dinamakan induktansi diri, atau lebih umum disebut induktansi. Tanda negatif mengambarkan bahwa arah ε ialah sedemikian hingga melawan perubahan arus ∆i yang menyebabkannya.

Satuan induktansi ialah henry (H). Suatu rangkaian atau elemen rangkaian (misalnya solenoid) yang mempunyai induktansi 1 H akan mempunyai emf induksi 1 V bila arus yang melewatinya berubah dengan laju 1 A/det. Karena satuan henry terlalu besar, maka sering digunakan satuan milihenry atau mikrohenry.

Satuan induktansi ialah henry (H). Suatu rangkaian atau elemen rangkaian (misal solenoid) yang mempunyai induktansi 1 H akan mempunyai emf induksi 1 V bila arus yang melewatinya berubah dengan laju 1A/det. Karena satuan henry telalu besar, maka sering digunakan satuan milihenry atau mikrohenry.

1 milihenry = 1 mH = 10^-3 H

1 mikrohenry = 1 μ H = 10^-6 H

Induktansi solenoid ialah :

L = (μ N²A)/1

Dimana: μ = permeabilitas inti, N = jumlah lilitan, A = luas penampang lilitan, 1 = panjang solenoid.

8.5. Enersi induktor pembawa arus

Karena emf induksi diri melawan perubahan arus dalam induktor, kerja harus dilakukan untuk melawan emf tersebut, biar terdapat arus yang mengalir dalam induktor. Kerja ini disimpan dalam bentuk enersi potensial bila konduktor membawa arus I ialah :

W = ½ I² L

Enersi ini ialah enersi yang dayanya dipergunakan melawan penurunan arus dalam induktor.

8.6. Konstanta waktu

Karena emf induksi diri dalam rangkaian adalahselalu melawan perubahan-perubahan arus dalam rangkaian, arus tidak naik segera untuk mencapai harga selesai ε/R bila diberikan sumber teganagn luar ε. Dalam rangkaian yang mengandun induktansi L dan resistansi R, perbandingan L/R mengatur laju arus yang terjadi dalam rangkaian. Seperti gambar 28.7, arus naik dengan tiba-tiba hingga sesudah waktu = L/R, mencapai 63% harga akhir. Jika emf dihubung singkat, arus turun sedemikian hingga sesudah t = L/R, berkurang 37% dari harga mula-mula. Besaran L/R disebut konstanta waktu rangkaian, makin kecil harganya, makin cepat arus sanggup berubah.

8.7. Arus pusar (Eddy Currents)

Sejauh ini kumparan kawat telah dipergunakan untuk mempertunjukkan arus-arus induksi, asal saja materi yang dipergunakan ialah penghantar, meskipun arus induksi sanggup mengalir dalam benda padat, dalam cairan atau gas. Dalam logam padat, arus induksi berputar menyerupai pusaran dalam air, lantaran itu dinamakan arus pusar.

BAB 9. RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK

9.1. Arus bolak-balik

Frekuensi arus bolak-balik ialah jumlah siklus lengkap setiap detik menyerupai pada gerak harmonik, satuan frekuensi ialah (Hz), dimana 1 Hz = 1 siklus/detik.

Arus bolak-balik, dengan frekuensi f dan ggl maksimum ε_max, mempunyai ggl yang tergantung pada waktu yaitu:

ε = ε_max sin 2 π f t = ε_max sin wt

Besaran w = 2 π f ialah frekuensi sudut dari ggl dalam radian/detik. Sama dengan pada ggl, arus bolak-balik dengan frekuensi f, dan harga maksimum I_max, mempunyai hubungan:

I = I_max sin 2π ft = I_max sin wt

9.2. Harga-harga efektif:

Harga puncak ke puncak dari gelombang sinus didefinisikan sebagai : perbedaa \n antara harga maksimum dan minimumnya

Resistor yang dipasang pada gelombang sinus tegangan akan mempunyai imbas panas. Harga efektif (Vrms atau Irms) dari gelombang sinus tegangan atau arus ialah harga tegangan atau arus DC yang mempunyai imbas yang sama (panas) pada tahanan (resistor).

Harga efektif sanggup dihitung dengan cara sebagai berikut:

I eff = Irms = Imax/√2 = 0,707, Imax

ε eff = ε rms = ε max/√2 = 0,707 ε max

Contoh dalam kedua kasus berikut, tahanan R mendisipasikan panas dengan jumlah sama.

Catatan : 220 V = 0,707 x 311 V

Jaringan daya AC :

Listrik yang digunakan dalam rumah juga diberikan oleh gaya efektifnya. Biasanya ditulis dalam bentuk: 220V_AC untuk 110V_rms atau 220V_AC untuk 110V_rms. Sangat mempunyai kegunaan untuk diingat bahwa 110V_AC akan mempunyai positif dan negatif maksimum 155,58V dan 220V_AC mempunyai harga positif dan negatif maksimum 311,17 V. Juga frekuensi 50 Hz dihubungkan dengan perioda 20 mili detik (20 x 10^-3 detik).

Juga perlu diingat bahwa jaringan daya AC 110V_AC atau 220V_AC ialah suatu tegangan yang sangat berbahaya.

9.3. Reaktansi:

Reaktansi induktif suatu induktor ialah ukuran keefektifan dalam menghambat pemikiran arus bolak-balik oleh sifat melawan ggl induksi diri yang sanggup menimbulkan perubahan arus. Tidak menyerupai resistor, dalam induktor murni tidak ada daya yang didisipasi. Reaktansi induktif XL dari suatu induktor dengan induktansi L (dalam henry) bila frekuensi arus f (dalam Hz) adalah:

Reaktansi induktif = XL = 2π fL

Bila beda tegangan V dari frekuensi f diberikan pada konduktor dimana reaktansi ialah XL pada frekuensi f, arus I = V/XL akan mengalir. Satuan dari XL ialah ohm.

Reaktansi kapasiti dari kapasitor ialah ukuran keefektifan dalam menghambat pemikiran arus bolak-balik, dalam hal ini disebabkan oleh sifat beda potensial balik yang disebabkan oleh penumpukan muatan pada pelat-pelat.

Tidak ada daya hilang yang dihubungkan dengan kapasitor dalam rangkaian ac. Reaktansi kapasitif Xc dari kapasitor dengan kapasitansi C (dalam farad) bila frekuensi arus f (dalam Hz) adalah:

Reaktansi kapasitif = Xc = 1/ 2π fc

Bila beda tegangan dengan frekuensi f dipasang pada kapasitor yang reaktansinya Xc (pada frekuensi f), akan mengalir arus sebesar I = V/Xc, satuan dari Xc ialah ohm.

9.4. Impedansi:

Impedansi rangkaian ac yang terdiri dari resistansi, induktansi dan kapasitansi ialah ekuivalen dengan resistansi rangkaian dc. Jika resistansinya R, reaktansi induktif XL dan reaktansi kapasitif Xc pada frekuensi F, impedansi pada frekuensi tersebut ialah :

Z = √(R² + (XL – Xc)²)

Satuan z ialah ohm. Bila beda tegangan V dengan frekuensi f dikenakan pada rangkaian yang impedansinya z, arus yang dihasilkan adalah:

I = V/Z

Beda tegangan pada rangkaian dikaitkan dengan beda tegangan pada tahanan V_R, pada induktor VL dan kapasitor Vc adalah:

V = √(VR² + (VL – Vc)²)

Dimana V_R = I R; VL = I XL dan Vc = I Xc

9.5. Rangkaian L – C;

Dengan membuka saklar S dihasilkan osilasi antara kapasitor yang paralel dengan induktor

9.6. Resonansi :

Impedansi dalam rangkaian ac seri, minimum bila XL = Xc; pada kejadian Z = R dan I = V/R. Frekuensi resonansi fo dari suatu rangkaian ialah frekuensi dimana XL = Xc;

2 π fo L = 1/(2π fo C)             fo = 1/(2 π √Lc)

Bila beda tegangan yang digunakan pada rangkaian mempunyai frekuensi fo, arus dalam rangkaian akan maksimum. Kondisi demikian dikenal sebagai resonansi.

9.7. Sudut fasa

Pada rangkaian ac yang hanya terdiri atas resistansi saja, tegangan dan arus sefasa satu terhadap yang lain berarti mecapai harga 0 (nol) maksimum dan harga-harga yang lain dalam waktu yang sama. Dalam rangkaian ac yang hanya terdiri atas induktansi saja, tegangan akan mendahului arus ¼ siklus. Jika satu siklus lengkap berarti perubahan dalam 2 π ft dari 300^o dan 360^o/4 = 90^o, biasanya dikatan bahwa pada induktor murni, tegangan mendahului arus 90^o.

Dalam rangkaian ac yang terdiri atas kapasitansi saja, tegangan ketinggalan ¼ siklus 90^o dari arus. Sudut φ antara tegangan dan arus dinamika sudut fasa, dalam satu rangkaian ac yang terdiri atas R,L,C diberikan oleh hubungan

Tan φ = (XL – Xc)/R

Jika XL > Xc, sudut fasa φ positif dan tegangan mendahului arus sebesar φ. Jika Xc > XL, sudut fasa φ negatif dan tegangan ketinggian terhadap arus sebesar φ. Pada resonansi XL = Xc dan φ = 0. kekerabatan lain untuk sudut fasa adalah:

Cos φ = R/Z

9.8. Faktor daya:

Daya yang digunakan dalam rangkaian ac diberikan oleh:

P = I V cos φ

Dimana φ ialah sudut fasa antara tegangan dan arus. Besaran cos φ ialah faktor daya rangkaian. Pada keadaan resonansi φ = 0, cos φ = 1, daya yang diserap maksimum. Faktor daya dalam rangkaian ac sama dengan perbandingan antara resistansi dan impedansinya.

Faktor daya =cos φ = R/Z = R/(√R² + (XL-Xc)²)

Faktor daya sering dinyatakan dalam persen, jadi kalau dikatakan sudut fasanya 25; berarti dayanya cos 25^o = 0,906 = 90,6%. Sumber tegangan ac biasanya dikatakan dalam volt amper, perkalian dari V efb da I efb, tanpa memperhatikan daya yang gotong royong P, lantaran lebih tinggi harga dalam besaran tersebut yang harus diberikan kepada rangkaian (fktor daya kurang dari 1) dari pada daya dalam watt. Suatu faktor daya 90,6% berarti daya yang gotong royong 1 VA harus diberikan untuk setiap 0,906 daya sebenarnya, dipergunakan oleh rangkaian.

BAB 10. CAHAYA

10.1. Gelombang Elektromagnetik

Gelombang-gelombang elektromagnet terdiri dari pasangan medan magnetik dan medan listrik yang bergerak secara periodik dalam suatu ruangan. Medan magnit dan medan listrik saling tegak lurus satu terhadap yang lain dan terhadap arah penjalaran gelombang, jadi gelombang elektromagnetik ialah gelombang transversal dan variasi dalam E dan B terjadi bersama-sama. Gelombang-gelombang elektromagnetik menyalurkan enersi dan tidak membutuhkan medium mediator untuk penjalarannya. Gelombang radio, gelombang cahaya, sinar x, dan sinar    ialah contoh-contoh gelombang elektromagnetik, dan berbeda dalam frekuensi.

Warna gelombang cahaya tergantung pada frekuensinya, dengan cahaya merah mempunyai frekuensi nampak terkecil dan cahaya violet tertinggi. Cahaya putih atas gelombang semua cahaya-cahaya semua frekuensi.

Gelombang-gelombang elektromagnetik dihasilkan dengan mempercepat muatan-muatan listrik, biasanya elektron. Elektron-elektron bergetar kedepan dan kebelakang, dalam antena mengeluarkan gelombang-gelombang radio, dan elektron yang dipercepat dalam atom mengeluarkan cahaya.

Dalam angkasa bebas seluruh gelombang elektromagnetik mempunyai kecepatan cahaya yang besanya adalah:

Kecepatan cahaya = c = 3 x 10⁸ m/detik

Trafomator Tesla dipergunakan untik menghasilkan frekuensi tinggi. Trfomator Tesla disusun dari rangkaian osilator dilingkari dengan rangkaian discharge dan kail primer (12 lilitan) dan kail sekunder (2500 lilitan). Bila rangkaian primer dan sekunder diatur hingga tejadi resonansi, medan elektromagnet yang berpengaruh disekitar rangkaian sekunder menimbulkan fenomena luminous yang mengesankan di dalam tabung discharge tanpa elektroda. Pengaturan rangkaian osilator dalam percobaan ini dilakukan dengan merubah letak pemilik lilitan pada koil primer.

Pada ekperimen resonansi r-f lebih lanjut, trafomator Tesla tanpa lilitan sekunder digunakan sebagai r-f generator, dan rangkaian osilator peserta dibuat dari lodge (20 lilitan) dan botol layden (berfungsi sebagai kapasitor). Untuk frekuensi-frekuensi yang berbeda pada rangkaian primer (dengan merubah titik hubung lilitan) rangkaian peserta osilator yang sanggup vdiletakkan pada jarak ± 40 cm dari sumber r-f, sanggup diatur untuk mendapatkan frekuensi resonansi. Hal ini ditunjukkan oleh lampu pemikiran yang dihubungkan paralel dengan botol Leyden.

Tabung amplifier ECg² rangkaian yang sesuai sanggup dipergunakan untuk menghasilkan osilasi elektrik (tabung osilator). Eksitansi dari osilator berdasarkan pada perinsip penguat dengan umpan balik (feed back) : tegangan bolak-balik rendah diberikan pada celah, hal ini sanggup menghasilkan intervensi tegangan secara spontan, sebagai pola hasil penguatan tegangan bolak balik dalam rangkaian anoda yang melalui umpan baik dipergunakan lagi pada kisi. Fasa dan amplitudo tertentu dari osilasi bila resonansi dicapai, ditentukan oleh jenis rangkaian osilator dan tegangan kerjanya. Rangkaian osilator dan tegangan kerjanya. Rangkaian osilator dan tegangan kerjanya. Rangkaian osilator sanggup disusun oleh koil dan botol Leyden.

10.2. Fluk dan intensitas luminous

Respon mata hanya pada sebagaian dari radiasi elektromagnet yang dipancarkan oleh sebagai besar sumber cahaya (± 10% ialah bola lampu biasa), selebihnya tidak sama sensitifnya untuk warna yang berbeda sensitifitas yang terbesar ialah cahaya kuning ke hijau-hijauan (yellow-green light). Karena alasan inilah watt bukan merupakan satuan yang sanggup dipergunakan untuk membandingkan sumber cahaya dan illuminasinya dan satuan lain yang lebih sering didasarkan pada respon visuil mata.

Satuan intensitas luminous I ialah kandela (cd), juga disebut sebagai ”new international candela”. Kandela didefinisikan sebagai cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam pada permukaan platinum 1773^oC. Intensitas dari sumber cahaya biasanya dinyatakan sebagai daya kandela (candle power).

Satuan fluk luminous F ialah lumen (lm). Satu lumen ialah sama dengan fluk luminous yang mengenai pada tiap-tiap m² bola berjari-jari 1m bila sumber cahaya isotropik 1 candela (radiasi kesegala arah sama) berada pada sentra bola. Jika luas permukaan bola berjari-jari r ialah 4 π r², bola yang berjari-jari 1m, mempunyai luas permukaan 4 π m² dan fluk luminous total yang dipancarkan sumber 1 candela ialah 4π lumen. Kaprikornus fluk luminous yang dipancarkan oleh sumber cahaya isotropik yang intensitasnya 1 diberikan oleh F = 4π I.

Fluk luminous = 4π x intensitas luminous

Rumus ini tidak sanggup dipergunakan pada sumber cahaya yang radiasinya tidak sama untuk arah yang berbeda. Effisiensi luminous dari sumber cahaya ialah jumlah fluk luminous yang dipancarkan oleh tiap watt daya masuk.

Effisiensi luminous filamen tungsten naik dengan naik daya, lantaran makin tinggi dan lebih banyak penggalan tampak dari spektrum radiasi yang dipancarkan. Effesiensi lampu tersebut kira-kira 8 km/watt untuk lampu 10 w hingga 22lom/w untuk lampu 100 w. Lampu pelepasan listrik mempunyai effisiensi dari 40 hingga 75 lm/watt.

10.3. Iluminasi.

Iluminasi (atau ilumination) E dari suatu permukaan ialah fluk luminous tiap satuan luas yang mencapai permukaan.

E = F/A

Iluminasi = Fluk luminous/luas

Dalam sistim SI, satuan dari iluminasi ialah lumen/m² atau lux.

Iluminasi pada permukaan berjarak R dari sumber isotropik yang intensitasnya adalah:

E = I cos ø/R²

Dimana ø ialah sudut antara arah cahaya dan arah normal permukaan. Kaprikornus iluminasi dari sumber demikian berbanding terbalik dengan R², menyerupai juga dalam gelombang suara; penambahan jarak menjadi 2 kali berrati pengurangan iluminasi menjadi (1/2)² = ¼ harga mula-mula. Untuk cahaya yang tiba tegak lurus pada permukaan, ø = 0 dan cos ø = 1, sehingga dalam hal ini E = 1/R²

10.4. Pemantulan cahaya

Bila cahaya diantulkan dari permukaan datar dan halus, besarnya sudut pantul sama dengan sudut datang.

Bayangan dari benda pada cermin datar mempunyai ukuran dan bentuk yang sama dengan bendanya, tetapi kiri dan kanannya terbalik, jarak bayangan dibalik cermin sama dengan jarada kecermin.

10.5. Pembiasan cahaya

Bila cahaya lewat tidak tegak lurus dari satu medium yang lain, kecepatan pada kedua medium berbeda, dan arahnya akan merubah. Makin besar perbandingan antara kedua kecepatan makin besar simpangan (defleksion) yang terjadi. Jika cahaya tiba dari medium dengan kecepatan rendah, akan dibelokkan menjauhi normal. Cahaya yang tiba tegak lurus tidak dibelokkan. Jika cahaya tiba dari medium dengan kecepatan tinggi ke medium dengan kecepatan rendah, akan dibelokkan mendekati normal permukaan; kalau sebaliknya maka dibelokkan menjauhi normal. Cahaya yang datng tegak lurus tidak dibelokkan.

BAB 11. FISIKA DAN KUANTUM OPTIK

11.1. Interferensi:

Pada pengujian pemantulan dan pembiasan cahaya, maka cahaya dianggap terdiri dari berkas-berkas sinar yang bergerak lurus bila melalui suatu medium yang sama. Fenomena-fenomena lain yang sanggup diamati adalah: interperensi, difraksi dan polarisasi, yang hanya sanggup dipahami melalui sifat-sifat gelombang cahaya, dan studi fenomena-fenomena tersebut disebut ”fisika optik”.

Interfernsi terjadi bila gelombang yang sifatnya sama dari sumber gelombang berbeda bertemu pada suatu tempat yang sama.

Dalam interferensi konstroktif, gelombang-gelombang dalam kedaan sejalan dan akan saling memperkuat satu dengan yang lain, sedang pada interferensi destruktif gelombang-gelombang dalam kedaan tidak sejalan dan akan saling menghilangkan sebagian atau keseluruhan satu dengan yang lain. Seluruh type gelombang memperlihatkan interferensi dalam keadaan yang tepat.

Elomabng air berinterferensi serta menghasilkan permukaan bahari yang tidak teratur, gelombang bunyi yang berdekatan frekuensinya berinterferensi menghasilkan gaung, dan gelombang cahaya berinterferensi menghasilkan pinggiran disekitar bayangan yang dibuat oleh instrumen optik dan warna terang pada gelombang sabun dan lapisan tipis minyak dalam air.

11.2. Difraksi

Kemampuan suatugelombang untuk melengkung mengelilingi pinggiran suatu penghalang disebut difraksi. Disebabkan oleh dampak difraksi dan interferensi, bayangan dari suatu sumber cahaya titik selalu serupa pinggiran dengan bundar gelap dan terang mengelilinginya.

Tebal angular (dalam radian) bayangannya dari sumber titik kira-kira:

Ø_o = 1,22 λ/D

Dimana λ ialah panjang gelombang cahaya dan D diameter lensa atau cermin.

Bayangan dari suatu obyek yang berdekatan hingga ø₀ berimpitan, dan dengan demikian tidak terdapat pemecahan kasus bagaimana perbesaran yang besar dihasilkan oleh lensa aau cermin.

Dalam hal teleskop atau mikroskop, D ialah diameter lensa obyektif. Jika dua obyek terpisah sejauh d₀ yang berjarak L dari pengamat, sudut dalam radian antara kedua benda (obyek) tersebut ialah ø₀= d₀/, jadi persamaan diatas sanggup ditulis dalam bentuk:

Daya pemisah = do = 1,22 (λL/D)

Cahaya yang melewati melalui tempat terbuka luas, menyerupai jendela atau kotak surat kedalam tempat yang gelap, mempunyai batas yang tajam pada penggalan dimana bayang-bayang mulai terjadi.

Tidak ada difraksi yang tampak. Lubang (bukaan) yang sempit, misalkan celah pada kotak sinar yang luasnya hanya beberapa mm², tetap melewatkan sinar yang melaluinya dalam bentuk berkas cahaya yang lurus, akan tetapi celah yang sanggup diatur diletakkan kira-kira 1 meter dari sumber sinar yang terang atau lampu motor, penggalan cahaya pada layar diluar celah nampak meus kalau celah menyempit.

Beberapa penggalan cahaya nampak terpancar disekelilingi ujung-ujungnya. Bayangan kabur yang disebabkan difraksi terjadi pada kamera berlubang kecil (pin hole), bila lubang tersebut dibuat sangat kecil.

11.3 Polarisasi;

Berkas polarisasi suatu cahaya ialah suatu dimana medan listrik gelombang cahaya semuanya berarah sama. Apabila medan listrik berarah sembarang (walaupun, tentu saja selalu berarah tegak lurus dengan arah penjalarannya) berkas cahaya tidak terpolarisasi yang berbeda arahnya, dan hal tersebut sanggup dipergunakan untuk membuat suatu alat, dimana hanya polarisasi cahaya tertentu yang sanggup melewati materi tersebut.

Efek magnetik optik yang pertama (efek magnetik optik yang lebih lanjut ialah contohnya imbas zaeman) telah ditemukan pada tahun 1845 oleh faraday). Faraday mengamati bahwa bidang polarisasi dari suatu berkas cahaya terpolarisasi linier akan berpurar bila melewati batang gelas dan suatu medan magnet dikenakan dengan arah sejajar dengan arah penjalaran sinar. Bila cahaya melewati medium demikian, dua buah komponen polarisasi yang berputar dari suatu cahaya yang terpolarisasi linier mengandung gambar (display) yang berbeda-beda penjalarannya, jadi menimbulkan terjadinya pemutaran bidang polarisasi. Dalam demonstrasi percobaan imbas Faraday tersebut., dipergunakan batang gelas kerikil api yang diletakkan pada medan magnit yang berpengaruh dari suatu elektromagnetik.

Kutub batang-batang magnit dilengkapi dengan suatu lubang yang memungkinkan berkas cahaya melalui manit sesuai dengan arah medan. Satu filter polarisasi dipergunakan untuk mempolarisasi berkas cahaya tiba dan filter kedua dipergunakan sebagai analisa berkas cahaya yang timbul.

11.4. Teori Kuantum Cahaya:

Penggambaran sifat-sifat cahaya hanya sanggup diterangkan berdasarkan bahwa cahaya terdiri dari quanta individuil atau foton-foton.

Enersi dari suatu foton cahaya yang dimiliki frekuensi f ialah :

Enrsi kuantum = E = hf

Dimana h ialah konstanta Planck

Memiliki h = 6,63 x 10^-34 joule – detik

Foton mempunyai banyak sifat-sifat yang dikaitkan dengan partikel, materi tersebut terdapat dalam ruang dan mempunyai enersi dan momentum, tetapi tidak bermassa. Foton bergerak dengan kecepatan cahaya.

Teori-teori elektromagnetik dan kuantum cahaya saling berafiliasi satu dengan yang lain. Pada suatu keadaan, cahaya bersifat gelombang, sedang pada suatu keadaan lain cahaya bersifat partikel.

Kedua aspek tersebut berdasarkan pada gejala-gejala yang sama.

11.5. Sinar X

Sinar X ialah gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi, yang dihasilkan bila elektron-elektron kecepatan tinggi menumbuk suatu sasaran. Jika elektron-elektron dipercepat dengan menggunkana perbedaan potensial V, maka setiap elektron akan mempunyai ener4si KE = eV. Jika seluruh enersi tersebut menghasilkan foton sinar X, maka:                 e V = hf

Enersi elektron kinetik = enersi foton sinar X dan frekuensi sinar X ialah f = ev/h

11.6. Elektron Volt.

Stua enersi umum yang dipergunakan dalam fisika kuantum dan atomik ialah elektron volt (eV), yang didefinisikan sebagai enersi penguatan elektron, bila elektron-elektron bergerak melalui benda potensial, volt disini

1 eV = 1,60 x 10^-19 J

Bila dinyatakan dalam satuan yang lebih besar yakni : keV, MeV, GeV, maka : 1k.eV = 10³ eV; 1 MeV = 10⁶ eV; 1 G eV = 10⁹ eV.

BAB 12. FISIKA ATOM

12.1. Struktur Atom:

Suatu atom terdiri atas inti sentra yang disusun oleh proton daqn netron, serta dikelilingi oleh elektron-elektron.

Seluruh atom-atom elemen dengan nomor atom Z, mempunyai Z proton dan Z elektron. Walaupun keadaan yang gotong royong lebih komplek, elektron-elektron dalam suatu atom sanggup dibayangkan bergerak dalam orbit mengelilingi inti. Elektron suatu atom sanggup menempati hanya pada orbit-orbit tertentu, masing-masing mempunyai enersi khusus yang berkaitan dengan orbit yang ditempati tersebut. Orbit-orbit elektron yang mungkin terdapat, dikelompokkan dalam group yang disebut ”kulit”, elektron dalam kulit, semuanya mempunyai enersi yang setara dan juga jarak yang setara dari intinya.

Kulit terdalam (terdekat dengan inti) berisi paling banyak 2 elektron, kulit berikutnya berisi paling banyak 8 elektron, kulit ketiga berisi paling banyak 18 elektron, dan seterusnya. Atom dalam keadaan normal, atau keadaan azas, seluruh elektronnya mempunyai orbit dengan enersi terendah yang ada pada setiap kulit, dengan jumlah setiap kulit sesuai dengan pembatasan tersebut diaras. Bila satu elektron terluar dari suatu atom untuk sementara berada pada ornit dengan enersi lebih tinggi dari pada biasanya, atom tersebut dikatakan dalam keadaan ”ekited”. Enersi ionisasi suatu atom ialah enersi yang dibutuhkan untuk melepaskan satu elektron terluar.

12.2. Spektra atom

Bila gas atau uap dieksitasi dengan melewatkan arus listrik, dihasilkan cahaya yang terdiri dari panjang gelombang panjang gelombang terteantu. Setiap elemen mempunyai karateristik spektrum garis emisi.

Panjang gelomabng dalam spektrum ini mempunyai harga-harga yang terbatas dan dihubungkan dengan persamaan yang sederhana.

Bila cahaya putih dilewatkan gas atau uap tipis, panjang gelombang tertentu dari cahaya tersebut akan diserap. Panjang gelombang panjng gelombang dalam spektrum garis serapan berkaitan dengan banyaknya panjang gelombang dalam spektrum emisi elemen yang bersangkutan.

Spektrum garis mengambarkan adanya level enersi dala atom-atom.

Pada suatu atom, keadaan eksitasi terjadi hanya dalam waktu yang singkat (biasanya ± 10⁸ detik) sebelum turun kepada keadaan yang lebih rendah. Perbedaan enersi yang timbul dinyatakan sebagai frekuensi foton f, dimana :

Eawal – Eakhir = hf

Spektrum serapan dihasilkan oleh transisi dalam arah yang berlawanan, dari keadaan azas keadaan eksitasi. Cahaya yang frekuensinya berkaitan dengan aneka macam selisih enersi diserap oleh atom-atom yang diiluminasi oleh cahaya yang mempunyai spektrum kontinyu (dengan demikian, cahaya tersebut mengandung seluruh frekuensi). Atom-atom ini akan memancarkan kembali cahaya yang diserapnya, pada ketika kembali ke keadaan azas, tetapi pemancar kembali tersebut terjadi pada arah yang acak dan juga banyak yang teredam pada arah sinar semula.

Gas mulia dan uap-uap logam yang berada phasa gas, terdiri atas atom-atom tunggal, mengeluarkan spektrum yang tidak kontinyu pada waktu tereksitasi. Setiap garis spektrum tampak jelas, dan berkaitan dengan transisi elektron kulit dari atom yang bersangkutan. Seperti spektra dari gas dan uap yang digunakan untuk mengambarkan rangkaian yang komplek, ialah tidak gampang untuk mendapatkan informasi dari struktur atomnya sendiri (rangkaian model atom Bohr dan Balmer). Tetapi dilain pihak aneka macam jenis spektra sanggup diperlihatkan dengan terperinci dan pengukuran sanggup dilakukan pada spektrum tunggal.

Sebagaimana busur pelepasan yang merupakan metoda yang sangat effisien untuk mendapatikan intensitas lumination tinggi, lampu pelepasan gas dibutuhkan dalam percobaan bersama-sama dengan katup cerat umum (universal choke). Cara lain untuk menghasilkan spektra, menggnakan prisma pandang eksklusif atau kisis.

12.3. Ikatan-ikatan kimia

Bila suatu senyawa terbentuk, atom-atom dari elemen yang ada terikat oleh ikatan-ikatan kimia. Biasanya ikatan yang sesunguhnya seringkali berupa ikatan antara kedua jenis tersebut.

Dalam ikatan ionik, satu atau lebih elektron-elektron dari suatu atom berpindah ke atom yang lain, dan hasilnya berupa ion-ion positif dan negatif yaqng saling tarik menarik satu dengan yang lain.

Pada ikatan kovalen, satu atau lebih pasangan-pasangan elektron dipergunakan oleh atom-atom yang berbatasan. Elektron tersebut bergerak kesana kemari, dan lebih banyak berada diantara atom, daripada di tempat lain, menghasilkan gaya listrik tarik menarik, dan mengkilat atom-atom tersebut.

Suatu molekul ialah kelompaok atom-atom yang berikatan cukup rapat dengan ikatan kovalen, dan bersifatseperti partikel tunggal. Molekulselalu mempunyai komposisi dan struktur yang terbatas, dan mempunyai kecenderungan kecil untuk menambah atau mengurangi atom-atomnya. Ikatan ionok biasanya membentuk krisatal-kristal padat, tidak berupa molekul. Zat padat demikian mengandung kumpulan ion-ion positif dan negatif, dalam karakteristik susunan yang stabil, dari senyawa yang rumit. Beberapa kristal zat padat bersifat kovalen dari pada ionik, menyerupai dibahas dalam penggalan berikut.

12.4. Kristal:

Sebagian besar zat padat ialah kristalin, dengan kandungan ion-ion, atom-atom atau molekul-molekulnya, susunan dalam bentuk-bentuk yang teratur. Dalam kristal terdapat 4 jenis ikatan: ionik, kovalen, metalik dan van der walls. Kristal dari garam biasa, Na Cl, ialah pola padatan ionik, dengan ion-ion Na⁺ dan Cl^- menempati kisi-kisi sederhana.

Contoh padatan kovalen ialah intan, setiap karbonnya berikatan secara kovalen dengan 4 atom karbon yang lain, dan susunan ini berulang-ulang pada seluruh penggalan kristal. Baik benda padat ionik maupun kovalen ialah keras dan mempunyai titik lebur yang tinggi, yang mencerminkan kekuatan ikatannya. Zat padat ionik lebih banyak terdapat dari pada kovalen.

Dari logam, elektron terluar dari setiap atom bersama-sama digunakan oleh seluruh atom, dengan demikian ”awan” atau ”lautan” elektron-elektron sanggup bergerak lebih bebas bila melewatinya.

Interaksi antara lautan elektron dan ion-ion logam positif menghasilkan gaya tarik menarik, sama menyerupai dalam ikatan kovalen, tetapi dalam skala yang lebih besar. Terdapatnya elektron bebas mensugesti sifat-sifat logam dalam kapasitas, kekuatan permukaan seta konduktivitas panas dan listrik. Seluruh molekul yang berikatan berdasarkan gaya Van der Waals dan juga atom-atom gas mulia, tampak lemah gaya tarik menariknya antara satu atom dengan atom yang lain. Gaya-gaya ini berperan dalam kondensasi gas ke keadaan cair dan pembekuan cairan menjadi padatan.

Sifat-sifat materi seperti: gesekan, viskositas dan tarik menarik dipengaruhi oleh gaya Van der WAals. Gaya Van der Waals timbul dari ketidak simetrian distribuso sementara elektron didalam molekul. Apabila dua buah molekul berdekatan, muatan sesaat yang tidak simetri cenderung berubah keduanya, dengan penggalan positif dari molekul selalu berdektan dengan penggalan negatif, dan lokasi kedua penggalan selalu bergantian. Gaya Van der Waals lemah dan bahannya terdiri dari molekul-molekul utuh, contohnya air, biasannya mempunyai titik lebur dan titik didih rendah dan kekuatan mekanik kecil untuk keadaan padat.

12.5. Pita Enersi (Energy Bands)

Sebagian besar kristal zat padat, baik logam maupun bukan logam, letaknya berdekatan, dimana elektron terluarnya berupa sisitim tunggal dari elektron bersama untuk seluruh kristal. Sebagian pengganti dari setiap definisi karakteristik level enersi atom-atom tunggal, seluruh kristal mempunyai pita enersi yang diizinkan yang merupakan rentang enersi yang mungkin.

Pita enersi yang diizinkan dalam zat padat berkaitan dengan level enersi level enersi atom, dan elektron dalam zat padat hanya sanggup mempunyai enersi yang terdapat dalam pita enersi. Bila pita-pita enersi yang diizinkan, tidak saling tumpang tindih, selang diantara pita-pita tersebut merupakan enersi yang tidak sanggup dimiliki oleh elektron-elektron. Interval-interval demikian disebut ”pita terlarang (forbidden bands)”. Sifat-sifat elelktrik kristal zat padat diselidiki melalui struktur pita enersi dan cara-cara pengisian kedalam pita enersi yang biasanya terjadi.

BAB 13. FISIKA NUKLIR

13.1. Struktur Nuklir

Intin atom terdiri dari proton dan neutron yang mempunyai massa:

m_p = 1,673 x 10^-27 kg = 1,007277 u

m_p = 1,675 x 10^-27 kg = 1,008665 u

Proton bermuatan +e dan netron tidak bermuatan. Nomor atom dari setiap unsur ialah jumlah proton dalam inti atomnya. Proton dan netron bersama-sama ”nukleon (nucleons)”. Walaupun seluruh atom suatu unsur mempunyai jumlah proton yang sama, jumlah netronnya sanggup berbeda. Setriap variasi inti pada suatu unsur dinamakan ’isotop” unsur. Simbol isotop adalah:

^A_ZX

Dimana :          X = simbol kimia unsur

A = nomor massa isotop + jumlah proton+netron

Z = nomor atom unsur = jumlah proton

13.2. Enersi Ikat

Massa atom selalu lebih kecil dibandingkan jumlah massa-massa netron, proton dan elektron yang ada dalam atom tersebut. Enersi setara dari massa yang hilang disebut ”enersi ikat (dinding energi)” inti; semakin besar enersi ikat maka makin stabil inti tersebut.

Perbedaan massa inti ∆m, dengan jumlah proton Z dan jumlah netron N, sanggup dihitung dari massa atom dengan memakai persamaan:

∆m = (Z_mH + N_mn) –m

Dimana m_H ialah massa atom hidrogen (mengandung 1 proton dan 1 elektron) ialah : m_H = 1,007825 u. Untuk mendapatkan enersi ikat dalam MeV (satuan yang biasa dipakai). ∆ m dikalikan dengan faktor konversi 931 MeV/u.

13.3. Gaya-gaya dasar

Gaya yang mengikat nukleon pada inti atom menjadi satu dihasilkan oleh ”interaksi kuat”, walaupun terdapat gaya listrik antar proton yang saling tolak-menolak. Pengertian interaksi dasar ini sama dengan interaksi gravitasi dan elektromagnetik. Tetapi tidak menyerupai interaksi gravitasi dan elektromagnetik, interaksi berpengaruh hanya mempunyai lingkup yang sangat kecil dan hanya efektif digunakan untuk inti atom. Interaksi lain ialah ” interaksi lemah” yang terdapat pada peluruhan.

Fakta-fakta akhir-akhir ini memperlihatkan bahwa ”interaksi lemah” mungkin berasal dari interaksi elektromagnetik dan bukan dari interaksi dasar.

13.4. Reaksi Nuklir

Inti atom sanggup dirubah kedalam bentuk lain melalui interaksi satu dengan yang lainnya. Jika inti ialah muatan positif semuanya, enersi tumbukan yang tinggi dibutuhkan diantara 2 inti bila keduanya hendak berdekatan hingga jarak yang cukup untuk bersama-sama bereaksi. Karena tidak bermuatan, netron sanggup mengawali reaksi nuklir, meskipun berjalan lambat. Pada beberapa reaksi nuklir, jumlah total dari proton dan netron hasil reaksi harus sama dengan jumlah keseluruhan reaktannya (unsur yang bereaksi).

13.5. Fusi dan Fisi

Inti dengan ukuran menengah mempunyai enersi ikat tiap nukleon tertinggi dan dengan demikian lebih stabil daripada inti yang lebih ringan atau berat.

Jika inti berat terbelah menjadi 2 penggalan yang lebih kecil, enersi ikat yang lebih besar dari keadaan akhir, berarti bahwa enersi tersebut akan dibebaskan. Proses demikian disebut ”pembelahan nuklir”. Inti yang sangat besar, misal ²³⁵₉₂U, mengalami pembelahan nuklir bila menyerap netron bila hasil pembelahan mengandung beberapa netron, contohnya 2 inti ”bersaudara” (daughter nuclei), reaksi berantai sanggup terjadi didalam kumpulan isotop-isotop yang sanggup membelah.

Jika tidak dikendalikan, hasilnya ialah bom atom dan kalau dikendalikan, berati laju pembelahan tetap, hasilnya berupa reaktor nuklir yang merupakan sumber enersi untuk membangkitkan tenaga listrik atau untuk mesin kapal. Dalam penggabungan nuklir (nuclear fusion), dua cahaya inti berkombinasi untuk membentuk inti yang lebih berat, dimana energi ikat tiap nukleon bertambah besar. Beda enersi ikat akan dilepaskan didalam proses.

Untuk memperoleh reaksi penggabungan, inti pertama harus digerakkan dengan cepat untuk mengatasi penolakan elektrik inti pada ketika bertumbukan.

Penggabungan nuklir ialah sumber enersi pada matahari dan bintang-bintang, dimana temperatur yang tinggi padany, berarti inti atom mempunyai kecepatan yang cukup tinggi dan tekanan yang tinggi, sehingga tumbukan nuklir sering kali terjadi. Dalam cara kerja bom hidrogen, yang pertama meledak ialah bom pembelah, untuk menghasilkan suhu dan tekanan tinggi yang dibutuhkan biar terjadi reaksi penggabungan. Persoalan yang dihadapi dalam pembuatan reaktor penggabungan ialah untuk mengendalikan produksi enersi yang berisi adonan cukup panas dan padat dari isotop yang dibutuhkan dalam waktu yang cukup usang untuk menghasilkan kekuatan enersi.