Bab6.Biolistrik(AlKhaer)

5/17/2018 Bab6.Biolistrik(AlKhaer) - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/bab6biolistrikalkhaer 1/14

FISIKA MEDIK

VI-1

BAB VI

BIOLISTRIK

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa akan dapat:

a. Menerapkan hukum-hukum ke listrikan

b. Menjelaskan tentang Arus listrik, Voltase dan hambatan listrik

c. Memahami prinsip-prinsip biolistrik dalam keperawatan

d. Menjelaskan efek fisiologi dari arus listrik

HUKUM COULOMB

Gaya interaksi antara dua benda bermuatan adalah berbanding lurus perkalian antara

kedua muatan dan berbanding terbalik dengan jarak kuadarat kedua muatan tersebut.

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) pada tahun 1784 ternyata dari hasil

percobaannya, yang secara matematis diperoleh:

1 212 2

q qF k

r

dengan k adalah tetapan pembanding yang besarnya tergantung pada sistem satuan yang

digunakan. Pada sistem SI, mempunyai harga :

9 2 2

0

19.0 10 /

4k x Nm C

Contoh 1 : Berapa besar gaya interaksi antara dua muatan yang masing-masing

bermuatan 1 coulomb dan berjarak 1 meter.

Jawab: Gunakan hukum Coulomb pers. (5.1)

newton x

m

C Cx

C

Nm x

r

qqk F

9

22

9

2

21 109

1

11109

MEDAN LISTRIK DAN POTENSIAL

Medan adalah suatu besaran yang mempunyai harga pada tiap titik dalam ruang

dan bersifat kontinu. Medan ada dua macam yaitu :

Medan skalar, misalnya temperatur, potensial dan ketinggian



FISIKA MEDIK

VI-2

Medan vektor, misalnya medan listrik dan medan magnet

Medan listrik menyatakan besarnya gaya Coulomb yang bekerja pada satu satuan muatan

listrik positif, yaitu:

r r q

qF r E c

ˆ

41)(

2

0

dengan q memainkan peranan sebagai muatan penguji yang memenuhi syarat harus diam

dan merupakan muatan titik.

Untuk mencari energi potensial listrik bila muatan q’ dipindahkan dari Q ke P,

pada jarak r adalah :

0

1 '( )

4

qqU r

r

Dalam membahas medan listrik , kita tidak menggunakan pengertian energi potensial

tetapi menggunakan pengertian potensial listrik yaitu energi potensial listrik persatuan

muatan yang dituliskan sebagai :

( )( )

U r V r

q

Dan mempunyai satuan volt yang di defenisikan sebagai:

coulomb

joule1volt1

ARUS LISTRIK, TEGANGAN, HAMBATAN DAN HUKUM JOULE

Suatu muatan listrik dapat diterbitkan dengan melepaskan elektron dari ikatannya

karena adanya tegangan listrik. Secara fisis suatu bahan akan bersifat sebagai penghantar

listrik yang baik jika elektron-elektron atom-atom dalam bahan mudah terlepas dari

ikatannya. Andaikan banyaknya muatan yang melewati suatu penampang penghantar

adalah ∆q dalam selang waktu 0t (gbr 1), maka arus listrik yang melalui

penampang tersebut didefinisikan sebagai:

A

Avdt V d

A-

-

-

+

+

+

vdt dx



FISIKA MEDIK

VI-3

dt

dq

t

qi

t

0lim

Jadi arus listrik adalah banyaknya muatan yang mengalir melalui suatu penampang

tiap satuan waktu. Satuannya adalah ampere, (1 ampere = 1 coulomb/detik). Hambatan

listrik satuannya adalah ohm dan biasanya disimbolkan dalam huruf Yunani Ω..

Hubungan antara arus listrik, tegangan dan hambatan adalah diberikan oleh hukum Ohm,

yakni:

RIV

dimana I = arus, V = tegangan dan R adalah hambatan. Hambatan listrik untuk sebuah

kawat dapat dinyatakan dalam:

A

L R

dengan adalah hambatan jenis, A adalah luas penampang kawat dan L adalah panjang

kawat.

Gaya Gerak Listrik (GGL)

Bila sebatang logam panjang berada di dalam medan listrik, maka akan menyebabkan

electron bebas akan bergerak ke kiri yang akhirnya akan menimbulkan medan listrik

induksii E

yang sama kuat dengan medan listrik 0

E

. (lihat Gambar ) dan logam kuat

medan medan total menjadi nol. Dalam hal ini potensial kedua ujung logam menjadi

sama besar dan aliran electron akan berhenti, dan pada kedua ujung ujung logam terdapat

muatan induksi. Agar aliran electron bebas berjalan terus, harus muatan induksi ini terus

diambil, sehingga pada logam tidak timbul medan listrik induksi.

-----+++++-----+++++

E

-qi +q

Eo



FISIKA MEDIK

VI-4

Sumber gaya gerak listrik, misalnya baterai, adalah alat yang dapat terus

mempertahankan aliran electron atau arus listrik. Gaya gerak listrik (ggl atau emf), ialah

kemampuan untuk membuat agar beda potensial kedua ujung logam tetap harganya. Agar

ini terjadi, electron yang mengalir harus terus diputar dalam rangkaian sehingga tidak sempat muatan induksi pada kedua ujung logam.

Agar ini dapat terjadi, dalam baterai misalnya (lihat gambar berikut), haruslah terjadi

mekanisme yang hasilnya seolah-olah menyeberangkan muatan negatif dari kutub positif

ke kutub negative. Karena ini melawan gaya medan listrik, untuk melaksanakannya

diperlukan energi. Dalam sumber ggl terjadi perubahan atau konversi energi dari suatu

bentuk energi menjadi listrik.

Gambar Batang logam AB dihubungkan dengan kutub-kutub baterai agar terjadi

aliran listrik.

E

+ -

B

+ -A



FISIKA MEDIK

VI-5

Selanjutnya ggl atau lebih tepat disebut potensial penggerak listrik (ppl), ialah beda

potensial antara kedua kutub sumber ggl bila tidak arus mengalir, dan dinyatakan sebagai

. Sumber ggl juga sering disebut sumber tegangan

Bila tidak ada ggl, kerja untuk memindahkan muatan q dalam suatu lintasan atau

rangkaian tertutup oleh medan listrik haruslah sama dengan nol. Secra matematika dapat

ditulis :

0 ld E qC

tanpa ggl.

Bila dalam rangkain tertutup ada sumber tegangan dengan ggl sebesar , muatan q

mendapat tambahan energi q, sehingga kerja yang dilakukan oleh medan listrik untuk

menggerakkan muatan q dalam lintasan tertutup haruslah :

ld E qqW C

atau

ld E C

Contoh 3 : Seutas kawat yang panjangnya 100 m, diameternya 2 mm, mempunyai

hambatan jenis 4,8 x 10-8

m. hitunglah hambatan kawat tersebut.

Jawab:

527,1

)m10x2)(14,3(4

1

)m100)(m10x8,4(

d4

1

L

A

LR

23

8

2

Perhatikan rangkaian sederhana yang terdiri atas sebuah baterai yang

dihubungkan dengan sebuah resistor seperti pada gambar 2(a). Rangkaian 2 (a) dapat



FISIKA MEDIK

VI-6

dinyatakan dengan rangkaian seperti pada gambar 2 (b). Baterai dinyatakan dengan

sumber ggl () yang dihubungkan seri dengan hambatan dalam (r).

Gambar. 2 (a) Rangkaian sederhana baterai dan resistor

(b) Rangkaian ekivalen sumber ggl dengan hambatan dalam r

dan beban R

Gaya gerak listrik yang dilambangkan dengan dari suatu sumber ggl menyatakan

banyaknya kerja yang dilakukan sumber ggl pada setiap satuan muatan yang

melewatinya(volt). Sumber ggl dapat pula diartikan sebagai beda potensial (tegangan)

antara kutub positif dan kutub negative (V = Vb – Va ) bila tidak dialiri arus. Karena

tegangan V harus sama dengan beda potensial di antara kedua ujung resistor R (V=iR),sehingga arus yang melalui rangkaian dapat ditulis:

r Ri

Atau secara umum

R

i

Contoh 4: Sebuah baterai 1,5 volt memiliki hambatan dalam 1 ohm dihubungkan dengan

suatu beban sebesar 4 ohm, tentukan besar arus yang mengalir dalam

rangkaian.

Jawab: Dengan menggunakan persamaan (5.8), yakni:

amperer R

i 3,014

5,1

r

Rresistor

baterai

+



FISIKA MEDIK

VI-7

Selanjutnya bila sebatang logam dialiri arus listrik, maka tumbukan oleh

pembawa muatan dalam logam mendapat energi sehingga menjadi panas dan atom-atom

akan bergerak semakin kuat. Daya hilang yang diubah menjadi getaran atom dalam

logam, dengan kata lain hilang sebagai kalor. Ini dapat dipahami bahwa muatan dq yangbergerak akan mendapat tambahan energi sebesar dU = (dq) V. Karena arus dan

kecepatan tetap, maka energi yang hilang persatuan waktu (daya), adalah :

R

V RiiV

dt

dqV

dt

dU P

22

Persamaan ini dikenal sebagai Hukum Joule yang menyatakan daya yang hilang (daya

disipasi) pada konduktor dengan hambatan R dan di aliri arus i. Sedangkan besar kalor

disipasi (kalor Joule) dalam waktu dt adalah :

dt R

V iVdt Rdt idQ

22

Kalor ini disebut kalor Joule dimana 1 kalori = 4,2 Joule

AV

R

V i 625,0

96

60

W R

V P 5,37

96

)60(22

EFEK FISIOLOGI DARI ARUS LISTRIK

Biolistrik adalah suatu fenomena listrik dalam tubuh manusia. Dengan

mengetahui isyarat listrik tubuh secara selektif, maka akan dapat diperoleh informasi

tentang fungsi tubuh. Akibat adanya fenomena listrik ini, dapat menimbulkan syok lisrik

yaitu suatu nyeri pada syaraf sensoris yang diakibatkan oleh aliran listik yang mengalir

secara tiba-tiba melalui tubuh.

Syok listrik dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu: syok dengan tujuan tertentu

(terapi pada penderita psikosis dan gangguan jiwa) dan syok listrik secara tidak sengaja



FISIKA MEDIK

VI-8

(karena kecelakaan). Pada terapi, arus sebesar 0,5A hingga 1,5A dengan tegangan 90

volt diberikan pada kepala pasien selama 1/10 hingga 1/5 detik, akan membuat pasien

tidak sadarkan diri.

Syok listrik akibat kecelakaan umumnya dapat dibedakan menjadi 2 (dua) bagian,yakni mikro syok dan makro syok . Mikro syok timbul karena adanya aliran listrik

langsung mengikuti arteri ke jantung. Keadaan ini dapat terjadi karena adanya kebocoran

pada peralatan (misalnya EKG, radiografi, pemasangan elektroda pada alat pemacu

jantung, pengatur tekanan darah jantung) yang menggunakan keteter (merupakan cairan

atau kawat yang bersifat konduktor). Makro syok timbul karena kecerobohan petugas

yaitu adanya satu elektroda menyentuh tangan dan elektroda lain menentuh kulit yang

lain, sehingga terjadi aliran listrik melalui permukaan kulit.

Beberapa hal yang dapat mempengaruhi syok listrik, yakni:

1. Tegangan listrik

2. Basah tidaknya kulit penderita. Kulit penderita yang basah akan mempunyai

hambatan yang lebih kecil (1000 Ohm) dibanding kulit penderita yang kering

(10.000 Ohm)

3. Basah tidaknya lantai

4. Jenis kelamin. Laki-laki mempunyai nilai ambang (1,1 mA) yang lebih tinggi dari

wanita (0,7 mA)

5. Frekuensi arus listrik rendah dibawah 50-60 Hz akan menaikkan”let go current”

dan diatas 50-60 Hz, selain menaikkan”let go current” juga akan menyebabkan

terbakar.

6. Durasi atau lamanya paparan

7. Semakin tinggi kenaikan berat badan akan meninggikan nilai ambang.

8. Jalan yang ditempuh atau organ yang dilalui

Contoh 6: Seseorang memegang instrument listrik yang dapat mengalirkan arus 20

mA ke tubuhnya, akibatnya orang tersebut tidak dapat melepaskan diri.

Bila hambatan orang tersebut adalah 20.000 ohm, maka berapa tegangan

instrument tersebut.

Jawab:



FISIKA MEDIK

VI-9

volt ohm xampere xiRV 400000.201020 3

Tabel 5.1 Beberapa efek yang dapat ditimbulkan akibat adanya makro syok dan

mikro syok

Arus Efek Tegangan (Volt)

(kontak 1dtk) 10.000 1000

Arus aman

< 1mA

1-8 mA

Nilai ambang

Sensasi syok, tidak terasa

sakit

10

10-80

1

1-8

Arus berbahaya

8-15 mA

15-20 mA

100-300 mA

Syok yang menyakitkan

(arus “can not let go”)

Menyakitkan, kontraksi otot

yang tidak terkontrol

Fibrillasi ventricular, fatal

bila berlanjut, pernapasan

masih berlanjut.

80-150

200-500

1.000-3000

8-15

20-50

100-300

.

Salah satu penyebab syok listrik adalah adanya hubungan dengan tanah. Keadaan ini

diperkuat dengan pola tingkah laku arus yang selalu mencari dengan tanah. Untuk hal

tersebut perlu diperhatikan:



FISIKA MEDIK

VI-10

1. Jangan membuat pasien merupakan bagian dari rangkaian listrik, yang

memungkinkan arus listrik melalui tubuhnya bila pasien menyentuh arus

(seperti pada gambar 5.3).

Gambar 5.3 Contoh kecelakaan shok listrik

2. Semua peralatan listrik sekitar pasien harus dihubungkan dengan luaran listrik

yang mempunyai 3(tiga) kabel, dimana salah satu kabel dihubungkan

langsung dengan tanah sehingga tidak memungkinkan adanya tegangan yang

timbul pada diperalatan logam.

3. Selalu melakukan pemeriksaan rutin terhadap peralatan.

4. Selalu membungkus peralatan yang mempunyai potensi menimbulkan syok

listrik dengan bahan isolator seperti plastik

Medan magnet adalah medan vektor, artinya besaran yang dilukiskan medan tersebut

adalah besaran vektor. Besaran vektor medan magnet ini biasanya disebut induksi

magnet dan dinyatakan dengan vektor B . Seperti halnya medan listrik, medan magnet

dapat dilukiskan dengan garis-garis yang dinamakan garis induksi magnet, yaitu garis

yang arah garis singgung pada setiap titiknya menyatakan arah induksi magnet B di titik

tersebut. Besar vektor induksi magnet B menyatakan rapat garis induksi, yaitu



FISIKA MEDIK

VI-11

banyaknya garis induksi magnet yang melalui satu satuan luas bidang dan tegak lurus

arah medan di titik itu.

Bila Ad adalah vektor elemen luas pada S, dan B adalah vektor induksi pada elemen

luas tersebut, maka jumlah garis gaya atau fluks yang keluar dari permukaan S adalah

:

s

BAdA B coscos..

adalah sudut antara ktor B dan Ad , sedang cos B Bn tidak lain adalah komponen

B pada arah normal. Dalam SI satuan jumlah garis gaya adalah weber. Satu weber (1

W) menyatakan satu buah garis gaya. Jadi, satuan untuk rapat fluks atau induksi magnet

B adalah weber/m2. Untuk 1 Wm-3 = 1 T = 104 Gauss.

Gaya Magnet pada Muatan Bergerak

Muatan yang bergerak dalam medan magnet mengalami gaya yang disebut gaya magnet

atau gaya Lorentz. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa gaya magnet mempunyai

sifat-sifat :

a. Besar gaya magnet sebanding dengan muatan (q), kecepatan(v), induksi magnet yang

dilewati muatan (B), dan sinus sudut antara )(sin.. Bdanv .

b. Arah gaya magnet ditentukan oleh jenis muatan, arah v dan arah B.

Secara matematik, gaya magnet tersebut dapat dinyatakan dengan :

BvqF

Jika sudut antara v dan B dinyatakan dengan , maka besar gaya magnet adalah :

sinqvBF

Dari bentuk gaya ini, nyata akan adanya sifat berikut :

a. Gaya magnet hanya bekerja bila muatan q bergerak terhadap medan magnet, untuk

muatan yang diam tidak merasana gaya magnet.

b. Bila v mempunyai arah yang sama dengan B , maka gaya sama dengan nol.

c. Bila Bv

, maka besar gaya adalah : F = q v B.

Contoh :



FISIKA MEDIK

VI-12

Sebuah elektron bergerak dengan kecepatan 12102 msiv

, melintasi medan magnet

serba sama dengan Tesla j B .5,0

, hitunglah gaya magnet yang bekerja pada proton jika

bergerak melalui medan magnet tersebut dengan kecepatan 1510)43( ms ji

.

Penyelesaian :

Gaya magnet pada proton :

BvqF

= (1,6 x 10-19

C)( )5,0)10)43 15 T jms ji

= 2,4 10-14

N

Hukum Biot-Savart

Hukum Biot-Savart menyatakan bahwa induksi magnet Bd yang dihasilkan disuatu titik

oleh elemen kawat ld yang berarus listrik adalah :

2

0

2

0 sin..

4

.

4 r

ld i

r

r ld i Bd

0 adalah tetapan permeabilitas ruang hampa dan r

adalah vektor satuan pada arah r .

b

ld i.

r P

i

a

Medan Magnet oleh Kawat Lurus Berarus

Andaikan suatu kawat lurus panjang , dialiri arus listrik i di dalamnya. Maka dapat

ditentukan rapat fluks B pada suatu titik P yang berjarak a dari kawat adalah:

a

i

a

i B

2)180cos0(cos

4

0000



FISIKA MEDIK

VI-13

Medan Magnet oleh Kawat Lingkaran Berarus

Tinjau sebuah kawat lingkaran (loop) dengan jejari a dialiri arus i maka rapat fluks dB

yang disebabkan oleh elemen arus i dl adalah :

2

0 ....

4 r

r xld i Bd

dimana : r r r .

berpangkal pada titik P.

i.dl θ

r Bd d B

i a θ

b

k .dBZ

i P

Gambar . Loop kawat dialiri arus i

Vektor Bd dapat kita uraikan dalam dua arah, yaitu arah sumbu z, dan arah bidang loop,

yaitu tegak lurus sumbu. Jadi dapat dituliskan Bd = Bd +

k .dBZ

Rapat fluks B pada titik P menjadi

2322

2

0 )2(.

4 ba

a I B

Dengan hukum Biot-Savart kita dapat menghitung induksi magnet B yang dihasilkan

oleh arus listrik. Perhitungan dengan hokum ini seringkali sulit dilakukan. Untuk bentuk-

bentuk tertentu induksi magnet B dapat lebih mudah dihitung dengan menggunakan

hukum lain, yaitu hukum Ampere. Misalkan suatu lengkungan tertutup C yang

mengelilingi suatu kawat berarus i. Hukum Ampere menyatakan bahwa dalam vakum,

integral garis



FISIKA MEDIK

VI-14

C

ild B 0

SOAL LATIHAN

1. Sebuah muatan sebesar 120 coulomb mengalir sepanjang kawat selama 1

menit. Berapa arus listrik dalam ampere?

2. Berapa besar gaya antara 2 muatan sebesar 10 µC (mikrocoulomb) yang

terpisah sejauh 5 cm?

3. Jika seseorang memegang sebuah benda bertegangan tinggi dan menyebabkan

arus 20 milliampere atau lebih mengalir ke dalam tubuh.. Jika seseorang

mempunyai hambatan yang berhubungan ke tanah sebesar 200.000 ohm,

berapa besar tegangan yang diperlukan untuk menghasilkan arus “can’t let

go”.

Bab6.Biolistrik(AlKhaer)

Documents

Transcript of Bab6.Biolistrik(AlKhaer)