Capasitor and Voltage

40
Energi dan Potensial Listrik, Energi dan Potensial Listrik, Kapasitor, dan Rangkaian DC Kapasitor, dan Rangkaian DC

description

tugas Fisdas

Transcript of Capasitor and Voltage

Energi dan Potensial Listrik, Energi dan Potensial Listrik, Kapasitor, dan Rangkaian DCKapasitor, dan Rangkaian DC

Kerja oleh Gaya ListrikKerja oleh Gaya Listrik

Gaya elektrostatik adalah gaya Gaya elektrostatik adalah gaya konservatifkonservatif

Seperti pada mekanika, kerja Seperti pada mekanika, kerja didefinisikan sebagaididefinisikan sebagai

Kerja yang dilakukan oleh gaya Kerja yang dilakukan oleh gaya listrik pada muatan positif yang listrik pada muatan positif yang berpindah dari A ke B adalah berpindah dari A ke B adalah

A B

E��������������

d

cosW Fd

cosW Fd qEd

Energi Potensial dari Medan ElektrostatikEnergi Potensial dari Medan Elektrostatik

Kerja yang dilakukan oleh gaya konservatif adalah Kerja yang dilakukan oleh gaya konservatif adalah negatifnegatif dari perubahan energi potensial, dari perubahan energi potensial, EPEP

Persamaan di atas Persamaan di atas Benar, hanya untuk kasus medan listrik yang Benar, hanya untuk kasus medan listrik yang uniformuniform Dapat diperkenalkan konsep Dapat diperkenalkan konsep potensial listrikpotensial listrik

PE W qEd

Potensial ListrikPotensial Listrik

Beda potensialBeda potensial antara titik A dan B , V antara titik A dan B , VBB-V-VAA, didefinisikan , didefinisikan sebagai perubahan energi potensial (akhir kurang awal) sebagai perubahan energi potensial (akhir kurang awal) dari sebuah muatan q, yang bergerak dari A ke B, dibagi dari sebuah muatan q, yang bergerak dari A ke B, dibagi oleh muatan tersebutoleh muatan tersebut

Potensial listrik adalah Potensial listrik adalah kuantitas skalarkuantitas skalarBeda potensial listrik adalah ukuran energi listrik tiap Beda potensial listrik adalah ukuran energi listrik tiap satuan muatansatuan muatanPotensial biasanya disebut sebagai tegangan listrikPotensial biasanya disebut sebagai tegangan listrik

B A

PEV V V

q

Potensial ListrikPotensial ListrikSatuanSatuan

Satuan SI untuk potensial listrik Satuan SI untuk potensial listrik

Artinya, kerja sebesar 1 Joule dibutuhkan untuk Artinya, kerja sebesar 1 Joule dibutuhkan untuk menggerakan muatan sebesar 1 coulomb diantara dua menggerakan muatan sebesar 1 coulomb diantara dua titik yang berbeda potensial sebesar 1 volttitik yang berbeda potensial sebesar 1 volt

1 1V J C

Potensial ListrikPotensial Listrik (tambahan) (tambahan)

Satuan medan listrik (N/C) dapat dinyatakan dalam bentuk Satuan medan listrik (N/C) dapat dinyatakan dalam bentuk satuan potensial (sebagai volt per meter)satuan potensial (sebagai volt per meter)

Karena muatan positif cenderung untuk bergerak searah Karena muatan positif cenderung untuk bergerak searah dengan arah medan listrik, kerja harus dilakukan pada dengan arah medan listrik, kerja harus dilakukan pada muatan untuk menggerakannya dalam arah berlawanan muatan untuk menggerakannya dalam arah berlawanan medan. Jadi,medan. Jadi,

Sebuah muatan positif akan menambah energi potensial listriknya Sebuah muatan positif akan menambah energi potensial listriknya ketika bergerak dalam arah berlawanan medan listrikketika bergerak dalam arah berlawanan medan listrik

Sebuah muatan negatif akan kehilangan energi potensial listriknya Sebuah muatan negatif akan kehilangan energi potensial listriknya ketika bergerak dalam arah berlawanan medan listrikketika bergerak dalam arah berlawanan medan listrik

1 1N C V m

Energi Potensial Listrik pada Medan Listrik Homogen

Analogi antara Medan Listrik dan Analogi antara Medan Listrik dan Medan GravitasiMedan Gravitasi

Teorema enegi kinetik-potensial:Teorema enegi kinetik-potensial:A

B

qd

A

B

mdE

��������������g��������������

i i f fKE PE KE PE

Jika muatan positif dilepaskan dari A, muatan akan dipercepat Jika muatan positif dilepaskan dari A, muatan akan dipercepat searah dengan arah medan listrik, energi kinetiknya meningkatsearah dengan arah medan listrik, energi kinetiknya meningkat

Jika muatan negatif dilepaskan dari A, muatan akan dipercepat Jika muatan negatif dilepaskan dari A, muatan akan dipercepat berlawanan arah dengan arah medan listrikberlawanan arah dengan arah medan listrik

Potensial dan Energi Potensial Listrik dari Potensial dan Energi Potensial Listrik dari Muatan TitikMuatan Titik

Rangkaian listrik: titik dengan potensial nol didefinisikan Rangkaian listrik: titik dengan potensial nol didefinisikan sebagai titik yang digroundkan (dibumikan)sebagai titik yang digroundkan (dibumikan)

Potensial listrik dari muatan titik pada sebuah titik dalam Potensial listrik dari muatan titik pada sebuah titik dalam ruang: titik dengan potensial nol diambil pada jarak tak ruang: titik dengan potensial nol diambil pada jarak tak hingga dari muatan tersebuthingga dari muatan tersebut

Dengan pemilihan ini, potensial menjadiDengan pemilihan ini, potensial menjadi

Catatan: potensial hanya bergantung pada muatan, Catatan: potensial hanya bergantung pada muatan, qq, , dan jarak dari muatan ke titik dalam ruang, dan jarak dari muatan ke titik dalam ruang, rr..

e

qV k

r

Elektron VoltElektron VoltSatuan energi yang biasa digunakan dalam fisika atomik, Satuan energi yang biasa digunakan dalam fisika atomik, inti dan partikel adalah elektron volt (eV)inti dan partikel adalah elektron volt (eV)

Satu elektron volt didefinisikan sebagai energi yang Satu elektron volt didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan oleh sebuah elektron atau sebuah proton untuk dibutuhkan oleh sebuah elektron atau sebuah proton untuk melewati daerah dengan beda potensial satu volt melewati daerah dengan beda potensial satu volt

Vab=1 V

Hubungan dengan SI:Hubungan dengan SI:1 eV = 1.60´10-19 C·V = 1.60´10-19 J1 eV = 1.60´10-19 C·V = 1.60´10-19 J

a+Q

b-Q

Definisi KapasitansiDefinisi Kapasitansi

Kapasitor: Dua konduktor berlawanan muatan yang dipisahkan oleh vakum atau bahan isulator

Kapasitansi, C, dari sebuah kapasitor didefinisikan sebagai perbandingan besarnya muatan pada tiap konduktor dengan beda potensial pada kedua konduktor

QC

V

1. Sebuah kapasitor dasarnya adalah dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan isulator. Kapasitor tidak harus terlihat seperti keping logam.

2. Ketika sebuah kapasitor dihubungkan dengan beda potensial luar, muatan mengalir pada kepingan dan menghasilkan beda potensial antara plat.

+ -

- -

3. Simbol kapasitor dalam rangkaian listrik

Satuan KapasitansiSatuan KapasitansiSatuan dari C adalah farad (F), tetapi kebanyakan kapasitor memiliki nilai C dalam rentang picofarad ke microfarad (pF ke F).

Recall, micro 10-6, nano 10-9, pico 10-12

Jika potensial luar diputus, muatan akan berada dalam plat, sehingga kapasitor sangat baik digunakan untuk menyimpan muatan (dan energi)

1 1F C V

1

2U QV

Energi Disimpan dalam KapsitorEnergi Disimpan dalam Kapsitor

Tinjau sebuah batrei yang dihubungkan dengan kapasitor

Batrei harus melakukan kerja untuk menggerakan elektron dari satu plat ke plat yang lain. Kerja yang dilakukan untuk memindahkan muatan kecil q melalui beda potensial V adalah W = V q.

Ketika muatan meningkat, V meningkat juga sehingga kerja untuk membawaq juga meningkat. Dengan bantuan kalkulus kita akan menemukan bahwa energi (U) yang disimpan dalam kapasitor adalah

V

V

q

221

2 2

QCV

C

Q

Arus ListrikArus Listrik

Ketika muatan-muatan bertanda sama bergerak dalam Ketika muatan-muatan bertanda sama bergerak dalam arah tertentu, sebuah arus dikatakan hadir.arah tertentu, sebuah arus dikatakan hadir.Tinjau muatan-muatan yang bergerak melalui sebuah Tinjau muatan-muatan yang bergerak melalui sebuah permukaan seluas A secara tegaklurus.permukaan seluas A secara tegaklurus.Definisi: Definisi: Arus adalah laju muatan –muatan yang Arus adalah laju muatan –muatan yang mengalir melalui suatu permukaanmengalir melalui suatu permukaan..

A

+

+

+

+

+

I

Arus ListrikArus Listrik Definisi Definisi

Diketahui sejumlah muatan, Diketahui sejumlah muatan, Q, bergerak melewati luas Q, bergerak melewati luas permukaan A dalam selang waktu permukaan A dalam selang waktu t, arus adalah perbandingan t, arus adalah perbandingan muatan terhadap selang waktu.muatan terhadap selang waktu.

A

+

+

+

+

+

I

QI

t

Arus ListrikArus Listrik SatuanSatuan

Satuan SI dari arus adalah Satuan SI dari arus adalah ampere (A)ampere (A).. 1 A = 1 C/s1 A = 1 C/s 1 A arus ekivalen dengan 1 C muatan yang melalui suatu 1 A arus ekivalen dengan 1 C muatan yang melalui suatu

permukaan dalam selang waktu 1 s.permukaan dalam selang waktu 1 s.

Arus Listrik Arus Listrik (tambahan)(tambahan)

Arus dapat dikatakan sebagai gerak dari muatan-muatan Arus dapat dikatakan sebagai gerak dari muatan-muatan positif atau negatif positif atau negatif ..

Perjanjian, arah arus searah dengan arah aliran Perjanjian, arah arus searah dengan arah aliran muatan muatan positifpositif..

Dalam sebuah konduktor, seperti tembaga, arus adalah Dalam sebuah konduktor, seperti tembaga, arus adalah gerak dari elektron (muatan negatif). gerak dari elektron (muatan negatif).

Arah arus dalam tembaga adalah berlawanan dengan arah Arah arus dalam tembaga adalah berlawanan dengan arah gerak elektrongerak elektron..

--

-- v

I

Arus Listrik Arus Listrik (tambahan)(tambahan)

Pada berkas proton dalam sebuah Pada berkas proton dalam sebuah pemercepat partikel (seperti RHIC di pemercepat partikel (seperti RHIC di Brookhaven national laboratory), arus Brookhaven national laboratory), arus berarah sama dengan arah gerak berarah sama dengan arah gerak proton.proton.

Pada berbagai gas dan elektrolit Pada berbagai gas dan elektrolit (seperti batrei mobil), arus adalah (seperti batrei mobil), arus adalah aliran kedua muatan positif dan aliran kedua muatan positif dan negatif.negatif.                       

Arus Listrik Arus Listrik (tambahan)(tambahan)

Biasa untuk menyatakan sebuah muatan yang bergerak Biasa untuk menyatakan sebuah muatan yang bergerak sebagai sebuah sebagai sebuah pembawa muatan bergerakpembawa muatan bergerak..

Dalam logam, pembawa muatan adalah elektron.Dalam logam, pembawa muatan adalah elektron.

Dalam kondisi tertentu atau pada material-material yang Dalam kondisi tertentu atau pada material-material yang lain, pembawa muatan dapat berupa ion positif atau lain, pembawa muatan dapat berupa ion positif atau negatif.negatif.

Pertanyaan:Pertanyaan:

Jumlah muatan yang melalui Jumlah muatan yang melalui filamen dari sebuah bola lampu filamen dari sebuah bola lampu dalam 2.00 detik adalah 1.67 C. dalam 2.00 detik adalah 1.67 C.

TentukanTentukan(A) Arus dalam bola lampu.(A) Arus dalam bola lampu.

(B) Jumlah elektron yang melalui (B) Jumlah elektron yang melalui filamen dalam 1 detik.filamen dalam 1 detik.

Jawab:Jawab:(A) Arus dalam bola lampu:(A) Arus dalam bola lampu:

1.67

2.000.835

Q CI

t sA

(B) Jumlah elektron yang melalui filamen dalam 1 detik:(B) Jumlah elektron yang melalui filamen dalam 1 detik:

Dalam 1 detik terdapat 0.835 C muatan yang melalui Dalam 1 detik terdapat 0.835 C muatan yang melalui filamen, muatan total per detik ini adalah sama dengan filamen, muatan total per detik ini adalah sama dengan jumlah elektron, N, dikali muatan elektron tunggal. Sehinggajumlah elektron, N, dikali muatan elektron tunggal. Sehingga

1

18

19

9

1.60 10 / 0.835

0.835

1

5.22 10

.60 10 /

qN N C electron C

CN

C e

N electron

le o

s

ctr n

Hambatan dan Hukum OhmHambatan dan Hukum OhmPendahuluanPendahuluan

Ketika beda potensial di kenakan pada ujung-ujung Ketika beda potensial di kenakan pada ujung-ujung sebuah konduktor, nilai arus yang muncul berbanding sebuah konduktor, nilai arus yang muncul berbanding lurus dengan beda potensial yang dikenakan.lurus dengan beda potensial yang dikenakan.

I V V

I

HambatanHambatanDefinisiDefinisi

Dalam keadaan dimana kesebandingan arus dan Dalam keadaan dimana kesebandingan arus dan tegangan sangat akurat, dapat dituliskantegangan sangat akurat, dapat dituliskan

Konstanta kesebandingan R dinamakan hambatan dari konduktor.

Hambatan didefinisikan sebagai perbandingan antara:

V IR

VR

I

Dalam SI, hambatan dinyatakan dalam volt per ampere.Dalam SI, hambatan dinyatakan dalam volt per ampere.

Sebuah penamaan khusus diberikan: Sebuah penamaan khusus diberikan: ohms (ohms ().).

Contoh: jika beda potensial 10 V diberikan pada sebuah Contoh: jika beda potensial 10 V diberikan pada sebuah konduktor memberikan arus 0.2 A, maka kita dapat konduktor memberikan arus 0.2 A, maka kita dapat menyimpulkan bahwa konduktor tersebut mempunyai menyimpulkan bahwa konduktor tersebut mempunyai hambatan sebesar 10 V/0.2 A = hambatan sebesar 10 V/0.2 A = 50 50 ..

HambatanHambatanSatuanSatuan

Hukum OhmHukum Ohm

Hambatan dalam sebuah konduktor muncul karena adanya Hambatan dalam sebuah konduktor muncul karena adanya tumbukan antara elektron-elektron dan muatan yang tetap tumbukan antara elektron-elektron dan muatan yang tetap dalam suatu material.dalam suatu material.

Dalam kebanyakan material, hambatan yang dimiliki adalah Dalam kebanyakan material, hambatan yang dimiliki adalah konstan terhadap beda potensial yang diberikankonstan terhadap beda potensial yang diberikan

Ini adalah pernyataan dari hukum Ohm.Ini adalah pernyataan dari hukum Ohm.

George Simon Ohm(1787-1854)

I

V

I

V

Linier atau Material Ohmik Non-Linier atau Material Non-Ohmik

Semikonduktorcontoh dioda

Kebanyakan logam

V IR

Hukum Ohm

R tidak bergantung pada nilai V

Definisi:

Resistor : sebuah konduktor yang memberikan hambatan tertentu pada sebuah rangkaian listrik.

Lambang resistor dalam diagram rangkaian:

       

Contoh-Contoh ResistorContoh-Contoh Resistor

DayaDaya

Menghitung laju kehilangan energi (daya disipasi pada Menghitung laju kehilangan energi (daya disipasi pada resistor)resistor)

Gunakan hukum OhmGunakan hukum Ohm

Satuan daya (SI): Watt Satuan daya (SI): Watt energi yang tersalurkan: kilowatt-hours (kWh) energi yang tersalurkan: kilowatt-hours (kWh)

E QP V I V

t t

2

2 VP I V I R

R

3 61 kWh 10 3600 3.60 10W s J

Tes konsep 4

Sebuah bola lampu yang dibeli di toko memiliki spesifikasi 20 Watt – 220 Volt.Apa artinya!

Angka 20W/220V artinya ketika lampu dipasang pada tegangan 220V, lampu itu akan menghabiskan energy listrik sebesar 20 joule tiap detiknya (1 Watt = 1 joule/detik).

Voltmeter mengukur beda potensial (atau tegangan) dari sebuah divais dengan menempatkannya secara paralel dengan divais tersebut.

V

Ammeter mengukur arus listrik yang melalui sebuah divais dengan menempatkannya secara seri dengan divais tersebut.

A

Pengukuran dalam Rangkaian ListrikPengukuran dalam Rangkaian Listrik

ab eq

abeq

V IR

VR

I

Req

I

a

b

Rangkaian DCRangkaian DC

Dua prinsip dasar:

- Kekekalan muatan

- Kekekalan energi

Ekivalensi hambatan

1 21 2

eq

eq

V IR

IR IRVR R R

I I

Hambatan SeriHambatan Seri

1 2I I I

1. Kekekalan muatan, akibatnya

1 2V IR IR

2. Kekekalan energi, akibatnya

1 2eqR R R

R 2

R 1

v 2

v 1+ +

+

_

_

_v i1

A B

C

I

1 2

1 2 1 2

eq

eq

VI

R

V VV V VI

R R R R R

Hambatan PararelHambatan Pararel

1 2V V V

1. Beda potensial yang melewati R1 and R2 sama,

1 2I I I

2. Kekekalan muatan, akibatnya

1 2

1 1 1

eqR R R

I

I 2 I 1

R 2 R 1V

+

_

I

R e qV

+

_

A

atau 1 2

1 2eq

R RR

R R

Tes konsep 5

Jelaskan mengapa seekor burung tidak tersengat arus listrik (kesetrum) ketika bertengger di sebuah kabel telanjang bertegangan tinggi!

Tersengat listrik (electric shock) atau kesetrum secara sederhana sebagai suatu proses terjadinya arus listrik dari luar ke tubuh. Sengatan listrik terjadi karena kontak dari tubuh manusia dengan sumber tegangan yang cukup tinggi sehingga menimbulkan arus melalui otot atau rambut. Ketika tersengat lsitrik, terdapat beda potensial (arus dari potensial tinggi ke rendah) sehingga muncul tegangan listrik antara tubuh dan lingkungan kita.

Bumi atau tanah memiliki potensial rendah. Hal ini menyebabkan listrik selalu mengalir ke bumi dari sumber tegangan melalui konektor. Ketika kesetrum, manusia merupakan konektor atau konduktor.Nah sekarang pertanyaannya mengapa burung tidak kesetrum apabila bertengger di kabel tiang listrik?ini dia jawabannya :Dalam arus listrik terdapat arus elektron yang dapat mengalir pada rangkaian tertutup. Contoh sederhana : Kutub positif (+) baterai yang disambungkan dengan bola lampu, dari bola lampu disambungkan ke kutub negatif (-) baterai, bola lampu pun menyala. Jika tidak disambungkan, tidak menyala karena elektronnya tidak dapat mengalir bila beda potensial tidak dihubungkan dengan bahan konduktor dan membentuk rangkaian tertutup.Burung tidak tersengat listrik (tdk kesetrum) karena hanya menginjak salah satu kabel listrik.

Burung, saat bertengger pada kabel listrik memang menyentuh tegangan, namun pada saat yang bersamaan burung tidak menyentuh kabel yang netral ataupun tidak menyentuh tanah. Karenanya tidak ada aliran listrik melewati tubuh burung.