√Arus Listrik ⊗ Full Pembahasanya
Arus listrik
Pengertian arus listrik
Di dalam konduktor seperti tembaga terdapat elektron-elektron yang bergerak bebas secara acak dengan laju tinggi tetapi tidak melepaskan diri dari logam tersebut. Elektron yang dapat bergerak bebas dinamakan elektron bebas. Walaupun elektron-elektron bergerak bebas ke segala arah tetapi tidak ada aliran total elektron-elektron menuju arah tertentu. Kondisi ini terjadi ketika tidak ada beda potensial di antara kedua ujung kawat tembaga.
Ketika kawat dihubungkan dengan sumber listrik maka timbul beda potensial di antara kedua ujung kawat tembaga sehingga memunculkan medan listrik di dalam kawat tembaga. Adanya medan listrik menyebabkan elektron-elektron bebas mengalami gaya listrik F = q E = e E, di mana F = gaya listrik, e = muatan elektron, E = medan listrik. Gaya listrik menyebabkan semua elektron yang sedang bergerak bebas mengalami percepatan bersama yang arahnya sama dengan gaya listrik.
Elektron-elektron bebas yang bergerak bersama ini berada di antara atom-atom yang diam dalam kawat tembaga sehingga semua elekton bertumbukkan dengan atom-atom tersebut. Adanya tumbukan menyebabkan arah gerak elektron bebas berubah. Semua elektron ini selalu mengalami gaya listrik sehingga semua elektron kembali dipercepat ke arah yang sama dengan arah gaya listrik. Setelah bergerak sesaat, elektron-elektron bebas kembali bertumbukan dengan atom-atom dalam kawat tembaga. Tetapi elektron-elektron bebas selalu mengalami gaya listrik sehingga semua elektron kembali dipercepat. Jadi selain bergerak acak ke berbagai arah, semua elektron bebas juga bersama-sama bergerak perlahan searah gaya listrik dan berlawanan arah dengan medan listrik. Arah medan listrik dari potensial listrik tinggi ke potensial listrik rendah, sedangkan elektron bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Gerak acak masing-masing elektron bebas mempunyai kelajuan sangat cepat sedangkan gerak bersama elektron-elektron bebas searah gaya listrik mempunyai kelajuan sangat lambat. Gerak bersama elektron-elektron bebas searah gaya listrik ini disebut juga sebagai kelajuan hanyut.
Arus listrik didefinisikan sebagai aliran muatan listrik melewati suatu penampang konduktor selama selang waktu tertentu. Sesuai dengan kesepakatan, arah arus listrik sama dengan arah gerak muatan positif. Kesepakatan ini dibuat sebelum diketahui bahwa yang sesungguhnya bergerak dalam konduktor adalah elektron-elektron bebas bermuatan listrik negatif. Arah gerakan elektron pada konduktor berlawanan dengan arah arus listrik. Jadi bila dibahas arus yang mengalir pada konduktor maka yang dimaksud adalah aliran muatan positif, yang disebut juga sebagai arus konvensional karena merupakan hasil kesepakatan.
Rumus arus listrik
Secara matematis, arus listrik dinyatakan dengan persamaan :
I = ΔQ / Δt
Keterangan rumus : I = arus listrik, ΔQ = jumlah muatan listrik, Δt = selang waktu.
Satuan arus listrik
Satuan muatan listrik adalah Coulomb, satuan waktu adalah sekon, sehingga satuan arus listrik adalah Coulomb/sekon. Coulomb/sekon disebut juga sebagai Ampere, nama fisikawan Perancis, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb / sekon (1 A = 1 C/s). Dengan kata lain, arus listrik sebesar 1 Ampere sama dengan muatan listrik sebanyak 1 Coulomb yang melewati suatu luas penampang kawat selama 1 sekon. Selain dinyatakan dalam Ampere, arus listrik juga dinyatakan dalam miliampere (1 mA = 10-3 A), mikroampere (1 μA = 10-6 A), nanoampere (1 nA = 10-9 A) atau pikoampere (1 pA = 10-12 A).
Contoh soal 1 :
Arus sebesar 2 Ampere mengalir melalui kawat selama 8 sekon. Tentukan besar muatan yang melewati suatu titik dan banyaknya elektron pada muatan tersebut!
Pembahasan
Diketahui :
Arus listrik (I) = 1 Ampere
Selang waktu (t) = 2 sekon
Ditanya : muatan (Q) dan jumlah elektron (e)
Jawab :
Rumus arus listrik :
I = Q/t
Keterangan rumus : I = arus listrik, Q = muatan listrik, t = selang waktu
Muatan listrik :
Q = I t = (2 Ampere)(8 sekon) = 16 Coulomb.
Muatan satu elektron adalah 1,6 x 10-19 Coulomb sehingga muatan 16 Coulomb mempunyai elektron sebanyak 16 C / 1,6 x 10-19 Coulomb = 10 x 1019 elektron.
Arus listrik, kelajuan hanyut dan kerapatan arus
Tinjau muatan positif yang sedang bergerak ke kanan dengan kelajuan hanyut v searah medan listrik E pada sebuah konduktor yang mempunyai luas penampang A. Muatan positif bergerak sejauh s = v t selama selang waktu t.
Jika jumlah partikel bermuatan per volume (kerapatan partikel bermuatan) adalah n dan volume konduktor adalah A s = A v t, maka banyaknya partikel bermuatan yang berada di dalam volume konduktor tersebut adalah n A v t. Apabila setiap partikel bermuatan mempunyai muatan sebesar q maka jumlah muatan yang melewati ujung konduktor selama selang waktu t adalah Q = n q A v t. Jadi arus listrik yang mengalir melalui ujung konduktor adalah I = Q/t = n q A v. Sedangkan kerapatan arus atau arus per luas penampang A adalah J = I/A = n q v. Dapat disimpulkan bahwa arus yang mengalir dalam konduktor merupakan hasil perkalian kerapatan partikel bermuatan (n), besar muatan masing-masing partikel (q), luas panampang konduktor (A) dan kelajuan hanyut partikel bermuatan (v).
Pelajari contoh soal berikut ini untuk memahami perbedaan kelajuan masing-masing partikel bermuatan dengan kelajuan hanyut semua partikel bermuatan.
Contoh soal 2 :
Arus konstan 10 Ampere mengalir di dalam kawat tembaga dengan luas penampang 3 x 10-6 m2. Kerapatan elektron bebas adalah 8,4 x 1028 elektron/m3. Tentukan kelajuan hanyut elektron bebas!
Pembahasan
Diketahui :
Arus listrik (I) = 10 Ampere
Luas penampang kawat (A) = 3 x 10-6 m2
Kerapatan elektron bebas (n) = 8,4 x 1028 m-3
Muatan elektron (q) = 1,6 x 10-19 C
Ditanya : Kelajuan hanyut elektron bebas (v)
Jawab :
Kelajuan elektron dihitung menggunakan rumus yang telah diturunkan sebelumnya :
Keterangan : I = arus listrik, n = kerapatan partikel bermuatan = kerapatan elektron bebas, q = muatan satu elektron, A = luas penampang konduktor, v = kelajuan hanyut elektron
Kelajuan hanyut elektron adalah 0,248 x 10-3 meter/sekon = 0,248 milimeter/sekon.
Elektron-elektron bebas bergerak bersama-sama di dalam kawat dengan kelajuan sebesar 0,248 milimeter per detik. Dengan kata lain, setiap satu detik semua elektron bebas bergerak sejauh 0,248 milimeter. Ini merupakan kelajuan yang sangat lambat. Jika gerakan elektron-elektron bebas sangat lambat, mengapa lampu listrik langsung menyala setelah sakelar dinyalakan ?
Untuk memahami hal ini, diumpakan aliran elektron pada konduktor seperti aliran air di dalam selang. Jika di dalam selang telah terisi air maka jika salah ujung selang dihubungkan dengan kran, air langsung mengalir keluar dari salah satu ujung selang lainnya. Demikian juga telah ada elektron-elektron bebas pada kawat tembaga dan kawat bola lampu. Ketika sakelar dinyalakan, timbul medan listrik dengan kelajuan mendekati kelajuan cahaya (kelajuan cahaya = 3 x 108 meter/sekon), yang menyebabkan elektron-elektron bebas mulai bergerak bersama-sama pada saat itu juga. Sudah ada elektron-elektron bebas pada kawat bola lampu sehingga lampu menyala pada saat itu juga.
Cermin cekung
Pengertian Cermin Cekung
Salah satu jenis cermin yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah cermin cekung. Cermin cekung adalah cermin yang bentuknya lengkung, di mana permukaan cermin yang memantulkan cahaya melengkung ke belakang. Untuk mempermudah pemahaman anda, amati gambar cermin cekung di samping.
Penggunaan Cermin Cekung
Bila hendak mengamati kulit wajah anda lebih jelas dan detail, dekatkan wajah anda pada permukaan cermin cekung yang memantulkan cahaya hingga bayangan wajah anda tampak lebih besar dan pori kulit wajah dapat dilihat dengan jelas. Bayangan wajah anda tampak lebih besar daripada wajah anda karena cermin cekung memperbesar bayangan wajah, di mana hal ini terjadi ketika jarak wajah anda dari cermin cekung lebih kecil daripada panjang fokus cermin cekung. Silahkan pelajari topik bayangan cermin cekung agar anda lebih memahami hal ini. Karena dapat memperbesar bayangan maka cermin cekung biasanya digunakan oleh wanita untuk berdandan dan digunakan pria ketika bercukur.
Cermin cekung juga digunakan pada lampu senter dan lampu depan mobil. Penggunaan cermin cekung pada lampu senter, lampu depan mobil atau lampu sorot lainnya adalah untuk memparalelkan cahaya sehingga semua cahaya dapat bergerak lurus ke depan. Jika anda membuka kaca penutup depan lampu senter dan melepaskan cermin cekung maka cahaya senter yang dihasilkan melebar ke semua arah dan tidak dapat menerangi benda atau permukaan jalan pada jarak jauh. Prinsip kerja cermin cekung pada lampu senter atau lampu depan mobil dijelaskan kemudian pada ulasan mengenai titik fokus cermin cekung. Selain digunakan pada lampu senter atau lampu sorot lainnya, cermin cekung juga digunakan pada pembangkit tenaga surya. Pada pembangkit listrik tenaga surya, cermin cekung mengumpulkan cahaya matahari dan semua cahaya diarahkan menuju titik fokus cermin cekung, di mana pada titik fokus cermin cekung ditempatkan bejana. Cahaya matahari digunakan untuk menguapkan air dalam bejana, di mana uap digunakan untuk menggerakan turbin pembangkit energi listrik.
Titik Fokus Cermin Cekung
Jika permukaan cermin cekung yang memantulkan cahaya dihadapkan pada benda yang sangat jauh misalnya matahari, maka berkas cahaya yang dipancarkan matahari akan sejajar dengan sumbu utama cermin cekung, sebagaimana diperlihatkan pada gambar di bawah. Sumbu utama adalah garis khayal yang tegak lurus dengan bagian tengah permukaan cermin cekung. Pada gambar di bawah, garis sumbu utama berhimpit dengan titik potong semua sinar cahaya pantul.
Ketika menumbuk permukaan cermin cekung, masing-masing berkas cahaya atau sinar cahaya mematuhi hukum pemantulan cahaya. Di antara sinar datang dan sinar pantul terdapat garis normal yang tegak lurus dengan permukaan cermin yang dilalui sinar cahaya, tetapi garis normal tidak digambarkan. Sudut antara sinar datang dengan garis normal sama dengan sudut antara sinar pantul dengan garis normal. Berbeda dengan cermin datar yang mempunyai permukaan datar sehingga semua garis normal searah, pada cermin cekung garis normal tidak searah karena permukaan cermin cekung melengkung dan tidak datar. Semua sinar pantul tersebut berpotongan pada satu titik yang berhimpit dengan sumbu utama yang dinamakan titik fokus (F). Dengan kata lain, titik fokus merupakan titik bayangan dari benda yang berjarak sangat jauh dari permukaan cermin cekung, misalnya matahari dan bintang.
Berpedoman pada hukum pemantulan cahaya, arah berkas cahaya atau sinar cahaya dapat dibalik, berlawanan dengan gambar sebelumnya. Jika diandaikan sebuah sumber cahaya berada pada titik fokus cermin cekung maka berkas cahaya yang dipancarkan benda tersebut mengenai permukaan cermin cekung dan dipantulkan oleh permukaan cermin cekung. Arah berkas cahaya pantul sejajar atau paralel dengan sumbu utama cermin cekung. Ini adalah prinsip dasar dibalik penggunaan cermin cekung pada lampu senter, lampu depan mobil atau lampu sorot lainnya, penggunaan cermin cekung pada pembangkit listrik tenaga matahari
Berdasarkan penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa jika terdapat sumber cahaya yang berada di titik fokus cermin cekung maka berkas cahaya yang dipancarkan benda tersebut dipantulkan oleh cermin cekung di mana berkas cahaya pantul sejajar dengan sumbu utama cermin cekung. Sebaliknya apabila benda berada pada jarak sangat jauh maka bayangan benda tersebut berada di titik fokus cermin cekung. Jika benda berjarak sangat jauh mempunyai bayangan pada titik fokus, di manakah bayangan benda tersebut jika jarak benda dari permukaan cermin cekung berhingga atau dekat ? Untuk memahami hal ini, silahkan pelajari topik bayangan cermin cekung dan untuk mempercepat pemahaman mengenai topik tersebut, pelajari terlebih dahulu sinar istimewa cermin cekung dan rumus cermin cekung.
Panjang Fokus Cermin Cekung
Panjang fokus (f) adalah jarak antara titik fokus (F) dengan permukaan cermin cekung. Berikut ini dijelaskan cara menentukan panjang fokus cermin cekung menggunakan sebuah sinar datang dan sinar pantul.
Titik C adalah titik pusat kelengkungan cermin cekung. Panjang fokus cermin cekung adalah f (panjang fokus = f = FQ) dan jari-jari kelengkungan cermin cekung adalah r (jari-jari kelengkungan = r = CQ = CP).
Sinar datang menumbuk cermin cekung di P lalu dipantulkan menuju titik fokus F. Garis putus-putus CP adalah garis normal. Sinar datang dan sinar pantul memenuhi hukum pemantulan cahaya di mana sudut datang (θ) sama dengan sudut pantul (θ) dan sudut ini sama dengan sudut segitiga PCQ (θ). Sudut segitiga PCQ sama dengan sudut segitiga CPF karenanya segitiga PFC merupakan segitiga sama sisi. Karena segitiga PFC merupakan segitiga sama sisi maka panjang PF sama dengan panjang CF. Dengan menganggap lebar cermin lebih kecil daripada jari-jari kelengkungan cermin karenanya panjang PF dianggap sama dengan panjang FQ. Karena CF = PF dan PF = FQ maka CQ = 2 CF = 2 FQ. CQ = r = jari-jari kelengkungan cermin cekung dan FQ = f = panjang fokus cermin cekung. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa jari-jari kelengkungan cermin cekung (r) = 2 x panjang fokus (f) cermin cekung. Secara matematis :
r = 2 f atau f = r / 2
Bayangan Cermin Cekung
Cermin datar hanya dapat membentuk bayangan maya sedangkan cermin cekung dapat membentuk bayangan nyata dan bayangan maya. Bayangan suatu benda bersifat nyata atau maya bergantung pada jarak benda tersebut dari permukaan cermin cekung dan mengenai hal ini sudah dijelaskan secara mendetail pada topik bayangan cermin cekung.
Bayangan Nyata
Suatu bayangan bersifat nyata jika berkas cahaya pantul atau sinar cahaya pantul melewati titik di mana bayangan tersebut berada. Bila diletakkan sebuah layar pada posisi di mana diperkirakan terdapat bayangan nyata maka akan tampak berkas cahaya pada layar tersebut dan berkas cahaya ini mempunyai bentuk seperti bentuk benda. Adanya bayangan nyata yang dibentuk oleh cermin cekung merupakan alasan mengapa cermin cekung dimanfaatkan pada teleskop astronomi. Pada topik alat optik lensa, anda akan mengetahui bahwa kemampuan suatu lensa membentuk bayangan nyata melatarbelakangi pemanfaatan lensa tersebut pada alat optik teleskop.
Bayangan Maya
Suatu bayangan bersifat maya jika berkas cahaya pantul atau sinar cahaya pantul tidak melewati titik di mana bayangan tersebut berada. Apabila diletakkan sebuah layar pada posisi di mana diperkirakan terdapat bayangan maya maka tidak tampak berkas cahaya pada layar tersebut. Bayangan yang bersifat maya/semu/palsu sebenarnya tidak ada tetapi mata manusia melihat berkas cahaya bergerak dalam lintasan lurus sehingga terlihat seolah-olah cahaya bergerak lurus dari titik di mana bayangan tersebut berada.
Contoh soal alat optik
Contoh soal alat optik meliputi contoh soal alat optik mata, contoh soal alat optik kacamata, contoh soal alat optik lensa kontak, contoh soal alat optik lup, contoh soal alat optik mikroskop, contoh soal alat optik teleskop bintang dan contoh soal alat optik kamera.
Contoh soal alat optik mata
Seseorang bermata normal pada mulanya melihat obyek berjarak 500 meter. Beberapa saat kemudian orang tersebut melihat obyek berjarak 1 meter. Jarak antara kornea dan retina mata dianggap sama dengan jarak bayangan yakni sekira 2,5 cm. Hitunglah :
(a) Panjang fokus dan kekuatan lensa mata ketika memfokus obyek berjarak 500 meter
(b) Panjang fokus dan kekuatan lensa mata ketika memfokus obyek berjarak 1 meter
(c) Perubahan panjang fokus lensa mata ketika pemfokusan beralih dari 500 meter ke 1 meter
Pembahasan
Diketahui :
Jarak obyek 1 (s1) = 500 meter = 50.000 cm
Jarak obyek 2 (s2) = 1 meter = 100 cm
Jarak bayangan (s’) = 2,5 cm
Jawab :
(a) Panjang fokus dan kekuatan lensa mata ketika mata memfokus obyek berjarak 500 meter
Panjang fokus (f) lensa mata dihitung menggunakan rumus lensa cembung :
1/f1 = 1/s1 + 1/s’ = 1/50.000 + 1/2,5 = 1/50.000 + 20.000/50.000 = 20.001/50.000
f1 = 50.000/20.001 = 2,499875 cm
f1 = 0,02499875 meter
Kekuatan lensa mata :
P1 = 1/f1 = 1/0,02499875 = 40,0 Dioptri
(b) Panjang fokus dan kekuatan lensa mata ketika mata memfokus obyek berjarak 1 meter
Panjang fokus (f) lensa mata :
1/f2 = 1/s2 + 1/s’ = 1/100 + 1/2,5 = 1/100 + 40/100 = 41/100
f2 = 100/41 = 2,439024 cm
f2 = 0,02439024 meter
Kekuatan lensa mata :
P2 = 1/f2 = 1/0,02439024 = 41,0 Dioptri
(c) Perubahan panjang fokus dan kekuatan lensa mata ketika pemfokusan beralih dari 500 meter ke 1 meter
Perubahan panjang fokus lensa mata = f1 – f2 = 0,02499875 – 0,02439024 = 0,00060851 meter
Perubahan kekuatan lensa mata = 41,0 – 40,0 = 1,0 Dioptri
Berdasarkan pembahasan soal di atas disimpulkan :
– Panjang fokus lensa mata lebih besar ketika mata mengamati obyek berjarak jauh dan panjang fokus lensa mata lebih kecil ketika mata mengamati obyek berjarak dekat
– Kekuatan lensa mata lebih besar ketika mata mengamati obyek berjarak dekat dan kekuatan lensa mata lebih kecil ketika mata mengamati obyek berjarak jauh. Jadi jika jarak obyek semakin dekat maka kekuatan lensa mata semakin besar.
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal alat optik mata
Contoh soal alat optik kacamata
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal alat optik kacamata
Contoh soal alat optik lensa kontak
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal alat optik lensa kontak
Contoh soal lup atau kaca pembesar
Suatu tulisan berukuran sangat kecil sehingga tidak bisa terbaca. Seseorang membaca tulisan menggunakan lup ketika mata berakomodasi minimum, perbesaran sudut lup adalah 5 x. Berapa panjang fokus lup tersebut ?
Pembahasan
Diketahui :
Titik dekat mata normal (N) = 25 cm
Perbesaran sudut lup (M) = 5 x
Ditanya : Panjang fokus lup (f)
Jawab :
Rumus perbesaran sudut lup ketika mata berakomodasi maksimum :
M = (N/f) + 1
5 = (25 cm / f) + 1
5 – 1 = 25 cm / f
4 = 25 cm / f
f = 25 cm / 4
f = 6,25 cm
Panjang fokus lup adalah 6,25 cm. Panjang fokus lup bertanda positif karena lup menggunakan lensa cembung alias lensa positif.
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal lup atau kaca pembesar
Contoh soal alat optik mikroskop
Seseorang bermata normal mengamati obyek menggunakan mikroskop. Panjang fokus lensa obyektif adalah 20 mm dan panjang fokus lensa okuler adalah 30 mm. Jika bayangan nyata yang dihasilkan lensa obyektif berjarak 10 cm, hitunglah perbesaran sudut mikroskop ketika diamati mata berakomodasi minimum.
Pembahasan
Diketahui :
Panjang fokus lensa obyektif (fob) = 20 mm
Panjang fokus lensa okuler (fok) = 30 mm
Jarak bayangan lensa obyektif (sob’) = 10 cm = 100 mm
Jarak titik dekat mata normal (N) = 25 cm = 250 mm
Ditanya : Perbesaran sudut mikroskop ketika diamati mata berakomodasi minimum
Jawab :
Rumus perbesaran sudut total mikroskop ketika mata berakomodasi minimum :
Perbesaran sudut total (M) mikroskop ketika mata berakomodasi minimum adalah sekira 42,0 x.
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal mikroskop cahaya
Contoh soal teleskop bintang
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal teleskop bintang
Contoh soal alat optik kamera
Pembahasan soal lebih lengkap bisa dipelajari pada tulisan mengenai contoh soal alat optik kamera
Ebook Pembahasan Soal Alat Optik 193 kB
Jumlah halaman : 31
Materi Pembahasan Soal :
- Contoh soal cermin cekung
- Contoh soal cermin cembung
- Contoh soal lensa cekung
- Contoh soal lensa cembung
- Contoh soal lensa ganda cembung cembung
- Contoh soal lensa ganda cembung cekung
- Contoh soal alat optik mata
- Contoh soal alat optik lensa kontak
- Contoh soal alat optik kacamata
- Contoh soal alat optik lup
- Contoh soal alat optik mikroskop
- Contoh soal alat optik teleskop (teropong bintang)
- Contoh soal alat optik kamera
0 Response to "√Arus Listrik ⊗ Full Pembahasanya"
Posting Komentar