Fisika Dasar 3Tahanan isolator, konduktor Hukum Ohm10TAHANAN ISOLATOR, KONDUKTOR DAN HUKUM OHM1.1 Kompetensi DasarMemahami Hukum Ohm dan pengertian dari tahanan isolator dan kondutor. 1.2Indikator Menjelaskan pengertian tahanan, isolator dan konduktor.Menjelaskan pengertian Hukum Ohm. 1.3 PendahuluanDalam kehidupan sehari-hari kita tidak bisa lepas akan peranan listrik , karena dengan adanya listrik kita bisa melakukan segala kegiatan.Elektron yang bergerak dapat dimanfaatkan untuk keperluan hidup manusia, diantaranya untuk penerangan.Makin banyak electron yang meleawti filamen lampu pijar,makin terang cahaya yang dihasilkan.Saat ini electron tidak hanya dimanfaatkan untuk penerangan. Pada bagian ini kita akan mempelajari fenomena tersebut pada hukum ohm dan hambatan jenis. 1.4 Tahanan Isolator KonduktorTahanan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik (misalnya resistor) dengan arus listrik yang melewatinya. Hambatan listrik yang mempunyai satuan Ohm dapat dirumuskan sebagai berikut: Besaran R yang disebut hambatan atau resistansi tidak tergantung pada I ataupun V. Untuk logam berpenampang serbasama, harga R bergantung pada jenis, panjang dan luas penampang logam.Dari persamaan rapat arus listrik sebelumnya, yaitu: atau Dimana rapat arus juga sebanding dengan kuat medan listrik. Sehingga rapat arus dapat ditulis :Sehingga:Maka untuk mengitung tahanan jenis suatu bahan digunakan persamaan:Besaran R di sini disebut hambatan, tahanan atau Resistansi dan mempunyai satuan Ohm (). Tahanan suatu Resistor besamya bervariasi dari kurang satu ohm hingga berjuta-juta ohm. Persamaan tersebut didapat dari hasil eksperimen dimana hambatan R kawat logam berbanding lulus dengan panjang l dan berbanding terbalik dengan luas penampang lintangA. Besar Kecilnya nilai hambatan suatu kawat pengantar tergantung kepada faktor-faktor:Panjang penghantar, semakin panjang kawat maka semakin besar hamabatan listriknya.Luas penanang, semakin luas penampang, maka semakin kecil hambatan listriknyaHambatan jenis pengantar Tabel 18-1 hambatan jenis dan koefisien temperatur pada (20C) Bahan Hambatan jenis,Temperatur koefisien KonduktorPerakTembaga EmasAluminiumTungstenBesiPlatinaAir raksaNikromSemi konduktorKarbon(grafit)GermaniumSilikonIsolatorKaca Karet padatan 1,591,682,442,655,69,7110,698100(3-60) (1-500) 0,1-60--0,00610,00680,00340,004290,00450,006510,0039270,0090,004-0,005-0,05-0,07 Nilai bergantung pada ada tidaknya ketidakmurnian yang sekecil apapun.Hambatan jenis suatu bahan sebagian bergantung pada temperature. Pada umumnya, hambatan logam bertambah terhadap temperature. Hal ini tidak mengejutkan, karena pada temperature yang lebih tinggi, atom-atom bergerak lebih cepat dan tersusun dengan tidak begitu teratur, sehingga bisa dianggap lebih menganggu aliran electron. Jika perubahan temperature tidak begitu besar, hambatan logam biasanya naik hampir linier terhadap temperature. Maka:di mana 0 adalah hambat jenis pada temperature acuan T0 (misalnya 00C atau 200C), T adalah hambat jenis pada suatu temperature T dan adalah koefisien temperature hambat jenis. Nilai diberikan pada tabel 18-1. Perhatikan bahwa koefisien temperature untuk semikonduktor bisa negative. Mengapa? Tampaknya pada temperature yang lebih tinggi, beberapa electron yang pada keadaan normal tidak bebas pada semi konduktor menjasi bebas dan bisa berperan dalam arus. Dengan demikian, hambatan semikonduktor dapat berkurang dengan penambahan temperature, walaupun tidak selamanya demikian. Bahan-bahan yang mengikuti hukum Ohm disebut bahan yang bersifat ohmik. Isolator, Konduktor,dan SemikonduktorBerdasarkan kemampuannya dalam mengantarkan arus listrik, bahan-bahan atau zat dapt gigolongkan sebagi konduktor atau isolator. Konduktor adalah bahan atau zat yang dapat mengantarkan arus listrik karena pada bahan padat, arus listrik ditimbulkan oleh aliran dari electron-electron, pada bahan konduktor electron-electron pada setiap atomnya tidak terikat dengan kuat oleh inti atom sehingga electron-electron tersebut mudah bergerak dan berpindah,contoh bahan konduktor misalnya tembaga, perak, dan alimunium. Adapun isolator adalah bahan atau zat yang tidak dapat dialiri arus listrik, hal ini karena electron-electron pada setiap atomnya diikat dengan kuat oleh inti-inti atom sehingga electron-electron tersebut sukar bergerak dan berpindah, contoh bahan isolator misalnya kayu, karet , dan plastik. Salah satu manfaat bahan isolator dan konduktor adalah ada kabel listrik. Kawat tembaga sebagai konduktor berfungsi sebagai penghantar arus listrik. Sementara plastik sebagai bahan isolator berfungsi sebagai pengisolasi arus listrik agar tidak terkena arus listrik saat menyentuh kabel dan menghindari persentuhan antara kedua kawat tembaga yang dapat mengakibatkan hubungan singkat.Selain itu ada juga bahan yang disebut semikondutor , yaitu bahan-bahan yang dapat bersifat seperti konduktor dan isolator, misalnya germanium dan silikon. Bahan-bahan semikonduktor biasanya digunakan untuk membuat transistor, yaitu komponen listrik yang digunakan pada radio dan televisi.Berikut ini harga hambatam jenis dari beberapa bahan konduktor dan isolator. Hukum OhmDalam banyak pemakain, arus listrik yang mengalir mempunyai harga yang konstan. Hal ini berarti rapatan arus J juga tetap, dan kecepatan rata-rata pembawaan muatan juga tetap besarnya. Dalam kawat ada medan listrik , berarti pada pembawaan muatan q bekerja gaya , tetapi kecepatannya konstan. Ini melanggar hukum Newton II, yang seharusnya pembawaan muatan dipercepat. Namun dalam hal ini gaya bukanlah satu-satunya gaya yang bekerja pada pembawaan muatan ada gaya lain yaitu gaya gesekan.Pada waktu bergetar di dalam logam, pembawaan muatan tidak bergerak pada satu garis lurus tetapi selalu bertumbukan dengan atom logam. Dalam tumbukan ini terjadi perpindahan energi. Makin cepat gerak pembawaan gerakan makin banyak pula tumbukan yang dialami setiap satuan waktu. Secara rata-rata pembawaan muatan akan terus kehilangan energi. Ini tak lain akibat Hukum II Termodinamika. Kecepatan akhir rata-rata muatan haruslah konstan dan sebanding dengan kuat medan listrik E. Akibatnya rapatan arus juga sebanding dengan kuat medan listrik E. Secara matematis dapat dituis:..........................................................................(1)Hubungan ini dikenal dengan Hukum Ohm. Terdapat yang disebut konduktivitas listrik.Suatu bahan dengan harga konduktivitas yang besar akan mengalirkan arus yang besar pula untuk suatu harga kuat medan listrik E. Bahan seperti ini disebut konduktor baik.OIAAl Gambar 1Suatu kawat berpenampang serba sama dialiri arus I seperti pada gambar 1 di atas. Misalkan beda potensial pada titik P dan Q adalah V, yaitu V(P) - V(Q)=V. Bila medan listrik dalam logam dapat dianggap serba sama, kuat medan listrik dalam logam haruslah:...................................................................................(2)Hukum ohm pada persamaan 1 ini menyatakan bahwa rapat arus ........................................................................(3)Sehingga arus......................................................................(4)Bila tetapan ,persamaan 4 menjadi:atau ................................................................(5)Persamaan 5 menyatakan arus sebanding dengan beda potensial, ternyata berlaku pada banyak keadaan. Hubungan ini dikenal dengan Hukum Ohm, bentuk ini lebih dikenal daripada persamaan 1. Untuk logam berpenampang serba samaTetapan disebut relatvitas atau hambatan jenis. Sedangkan besar R disebut hambatan atau resistansi. Satuan resistansi adaah VA-1 dan disebut ohm.Sebenarnya hukum ohm ditemukan oleh George Simon Ohm (1787-1854) ,dengan eksperiment bahwa arus pada kawat logam sebanding dengan beda potensial V yang diberikan ke ujung-ujungnya. arus sebanding dengan teganan. Hubunga tersebut sesuai dengan persamaan (5) . Persamaan tersebut dikenal dengan Hukum Ohm yang berbunyi:tegangan V pada hambatan yang memenuhi hukum Ohm berbading lurus terhadap kuat arus I untuk suhu yang konstan. Sebagai penghormatan kepada Georg Simon Ohm, maka satua hambatan R(volt/ampere) dinamkan ohm(). Perlu diketahui bahwa hukum ohm tidak merupakan pernyataan yang universal, tapi sekedar hukum empiris yang menyediakan deskripsi(gambaran) yang baik bagi sebagian materi tertentu yang mengikuti hukum ohm yang disebut komponen ohmik . Nilai hambatan R untuk komponen ohmik selalu konstan asalkan suhunya konstan. Jadi, komponen ohmik resistensinya tidak bergantung pada arus, yaitu perbandingan tidak tergantung pada I. Untuk komponen yang tidak memenuhi hukum ohm disebut non-ohmik, hambatan R tergantung pada tegangan, jadi tidak konstan. Grafik I sebagai fungsi V untuk konponen non-ohmik dapat dilihat pada gambar di bawah iniNon-ohmik(R berkurang ketika V naik)Gradien=1/R (ohmik)Non-ohmik(R bertambah ketika V bertambah)=1/R (ohmik)KonseptualPeregangan mengubah hambatan. Kawat dengan hambatan R diregangkan merata sampai mencapai dua kali lipat panjang secara keseluruhan. Apa yang terjadi terhadap hambatannya?Jawaban: Jika panjang L digandakan maka luas penampang A terbagi 2, agar volume (V=AL) kawat tetap sama. Dari persamaan , kita lihat bahwa hambatan bertambah dengan faktor empat . KontektualMengapa pada bagian alas setrika yang terbut dari logam, dapat merapikan pakaian ?Jawab: Karena Alat listrik ini(setrika) mengubah energi listrik menjadi energi panas. Panas yang dihasilkan digunakan untuk merapikan pakaian. Agar panasnya sampai dari kabel listrik ke pakaian maka pada alas atau bagian bawah setrika dibuat dari bahan logam. Sedangkan bagian pegangan setrika terbuat dari plastik yang bersifat isolator.Aplikasi Pendeteksi kebohongan merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi seseorang berbohong atau tidak dengan cara mengukur hambatan kulit. Hambatan pada kulit akan sangat berkurang ketika kuklit mengeluarkan keringat. Ketika orang dalam kondisi tertekan , misalnya berbohong, orang akan lebih banyak berkeringat , perubahan hambatan inilah yang dideteksi oleh alat sehingga orang tersebut diintensifikasikan berbohong.Sekering. Adalah alat untuk mencegah arus listrik terlalu besar yang mengalir melalui suatu pengantar bila terjadi hubungan singkat. Hubungan singkat(korsleting) terjadi bila ketika ada bagian kabel yang terkelupas, sehingga kabel bersentuhan satu sama lain. Kabel yang terkelupas mempunyai hambatan yang lebih kecil, daripada lampu. Sehingga arus akan menumpuk pada kabel yang mengalami konsleting. Sementara itu pada lampu hampir tidak ada arus yang mengalir. Dengan demikian sekring berfungsi sebagai pengaman, sehingga dipasang di depan alat-alat listrik yang fungsinya untuk mencegah arus listrik agar tidak masuk ke dalam alat listrik, sehingga kebakaran dapat dihindari.FenomenaMengapa burung-burung dapat bertengger di kabel listrik dengan aman, sementara menyandarkan tangga logam ke tiang listrik untuk mengambil layang-layang putus sangat berbahaya? Jawab:Sengatan listrik atau aliran muatan listrik akan terjadi jika ada konduktor listrik dan terdapat beda potensial antara 2 kutubnya. Ketika kita menyandarkan sebatang besi pada kabel listrik maka terjadi beda potensial antara ujung (yang menyentuh kabel) dengan ujung bawah (yang menyentuh tanah). Oleh karenanya, muatan listrik bisa mengalir dan bila kita sentuh besi tersebut kita akan tersengat listrik (disebabkan ada beda potensial antara tangan dengan kaki kita yang menginjak tanah). Ketika burung bertengger di kabel listrik maka antara kedua kakinya tidak ada beda potensial (=potensialnya sama) sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir dalam tubuhnya. Begitu pula jika kita bergantung pada kabel listrik (dengan tidak menyentuh tanah) kita juga tidak akan tersengat listrik.Kenapa listrik kalau dipegang menyetrum?Jawab: Listrik menyengat karena didalam tubuh kita mengalir arus listrik. Arus tersebut mengalir dari kutub positif ke kutub negatif atau bumi. Bila kita memakai isolator (misal mengenakan sepatu dari plastik/karet) maka arus listrik tidak bisa mengalir melalui tubuh kita & kita tidak tersetrum.Testpen itu apa ? Jawab:Testpen merupakan suatu alat yang digunakan untuk menguji apakah ada tegangan listrik pada suatu benda/logam. Testpen tersusun atas suatu konduktor yang terbuat dari logam yang disentuhkan dengan objek yang akan diuji, lampu, bahan resistor, dan handel pegangan.Bahan resistor ini mempunyai hambatan yang besar sehingga arus yang mengalir sangat kecil (tapi mampu menyalakan lampu). Bila pada objek yang diuji ada tegangan, badan kita akan menjadi ground negatif, sehingga ada arus listrik yang mengalir daam test pen dan lampu indikator menyala.