Materi Fisika (Kelas 12) : Listrik Statis, Medan Magnet, dan Induksi Elektromagnetik (+ Video Pembelajaran) [#BelajarDiRumah]

December 03, 2020

Assalammu‘alaikum wr. wb.

Hello gaes! Apakah kalian malas belajar Fisika? Dan jangan malas untuk mempelajari tentang Ilmu Sains. Kali ini kita berjumpa lagi di Kelas 12, dan saya akan membahas tentang Listrik Statis, Medan Magnet, dan Induksi Elektromagnetik untuk Materi Pelajaran Fisika.

LISTRIK STATIS

Sumber Materi : Kelaspintar.id (Blog), Tanya-tanya.com, dan Fisikastudycenter.com

Pernahkah kalian mencoba menggosok-gosokkan penggaris plastik ke rambut, kemudian didekatkan pada sobekan kertas? Jika belum pernah, kertas kecil-kecil tersebut akan menempel pada penggaris, seperti magnet. Fenomena ini berkaitan dengan listrik statis.

Pengertian listrik statis adalah kumpulan muatan listrik dalam jumlah yang tetap (statis) atau ketidakseimbangan muatan listrik pada benda. Ketika kita menggosokkan penggaris plastik ke rambut, penggaris tersebut menjadi bermuatan negatif sedangkan rambut menjadi bermuatan positif. Pelepasan muatan saat menggosokkan kedua bahan tersebut membuat bahan-bahan dialiri atau bermuatan listrik.

Muatan listrik adalah kuantitas fisika yang berkaitan dengan efek listrik dan hal lainnya yang terkait dalam material. Penetralan muatan yang diperoleh karena penggosokan menunjukkan bahwa muatan seperti tidak menghilangkan efek satu sama lain.

Benjamin Franklin memperkenalkan dua jenis muatan, yaitu muatan positif dan negatif.

Dalam listrik statis terdapat fenomena perpindahan muatan. Selama proses penggosokan dua benda satu sama lain, muatan tidaklah diciptakan. Kondisi muatan didasarkan pada perpindahan muatan. Salah satu benda kehilangan elektron, sementara yang lainnya memperoleh elektron. Pada penggosokan batang kaca dengan sutera, misalnya, elektron dipindah atau ditransfer dari kaca ke sutera.

Jika benda bermuatan positif didekatkan pada benda netral, benda bermuatan menarik muatan yang berlawanan dan menolak muatan yang sejenis dalam benda netral tersebut. Akibatnya, salah satu sisi benda netral (yang lebih dekat dengan benda bermuatan positif) menjadi bermuatan negatif sedangkan sisi lainnya menjadi bermuatan positif. Proses ini disebut dengan pengisian muatan dengan induksi.

Ketika benda bermuatan dikontakkan secara langsung dengan benda netral, muatan mulai mengalir dari benda bermuatan menuju benda netral hingga keduanya memiliki jumlah muatan yang sama atau berada dalam kesetimbangan. Proses ini disebut dengan pengisian muatan dengan konduksi.

Pada Tahun 1909, Robert Millikan menemukan bahwa muatan listrik selalu muncul sebagai kelipatan integral dari sejumlah muatan dasar ‘e’.

Dalam istilah modern, muatan listrik ‘q’ dikatakan terkuantisasi di mana ‘q’ digunakan sebagai variabel muatan. Muatan listrik muncul sebagai “paket” diskrit dan kita dapat menuliskan q = n x e, di mana n adalah bilangan bulat. Dalam sistem satuan (SI), satuan muatan disebut dengan Coulomb dan disimbolkan dengan C.

Adapun Rumus-rumusnya yaitu :

$F = k \cdot \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}$

Berikut ini ditampilkan beberapa soal dan pembahasan materi Listrik Statis yang dibahas di kelas XII SMA. Menentukan besaran-besaran yang terjadi akibat interaksi muatan-muatan listrik diantaranya seperti gaya coulomb, kuat medan listrik dengan beberapa variasi posisi dan jumlah muatan yang terlibat dalam interaksi tersebut.

Menentukan letak posisi titik nol akibat pada gaya maupun kuat medan listrik.
Membedakan penggunaan besaran skalar ataupun besaran vektor saat mengerjakan soal-soal listrik statis.

CONTOH SOAL :

1.) Dua buah partikel bermuatan berjarak R satu sama lain dan terjadi gaya tarik-menarik sebesar F. Jika jarak antara kedua muatan dijadikan 4 R, tentukan nilai perbandingan besar gaya tarik-menarik yang terjadi antara kedua partikel terhadap kondisi awalnya!

Pembahasan :

$F = k \cdot \frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}$

Sehingga :

$\frac{F_{2}}{F_{1}} = \left (\frac{r_{1}}{r_{2}} \right)^{2}$

Atau :

$F_{2} = \left (\frac{r_{1}}{r_{2}} \right)^{2} \cdot F_{1}$

$F_{2} = \left (\frac{R}{4R} \right)^{2} \cdot F_{1}$

$F_{2} = \frac{1}{16}F$

2.) Tiga buah muatan A, B dan C tersusun seperti gambar berikut!

Jika QA = + 1 μC, QB = − 2 μC ,QC = + 4 μC dan k = 9 x 109 Nm2C− 2 tentukan besar dan arah gaya Coulomb pada muatan B !

Pembahasan :

Pada muatan B bekerja 2 buah gaya, yaitu hasil interaksi antara muatan A dan B sebut saja FBA yang berarah ke kiri dan hasil interaksi antara muatan B dan C sebut saja FBC yang berarah ke kanan. Ilustrasi seperti gambar berikut :

Karena kedua gaya segaris namun berlawanan arah maka untuk mencari resultan gaya cukup dengan mengurangkan kedua gaya, misalkan resultannya kasih nama Ftotal :

F total = FBC - FBA

F total = 72 X 10 - 3 - 18 x 10 -3 = 54 x 10 -3 N

Arah sesuai dengan FBC yaitu ke kanan.

Untuk lebih mengerti dalam memahami materi ini, silahkan tonton Video dari YouTube di bawah ini :

MEDAN MAGNET(IK)

Sumber Materi : Ruangguru.com (Blog) dan Fisikastudycenter.com

Tahukah kamu ternyata kawat lurus dan kawat melingkar ketika diberi arus listrik akan menghasilkan besar medan magnet yang berbeda lho? Mengapa demikian? Hal ini karena adanya perbedaan arah arus dan arah medan magnet di sekitar kawat.

A. Medan Magnet di Sekitar Kawat Lurus

Kawat lurus yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang homogen untuk jarak yang sama dari kawat tersebut. Medan magnet yang dihasilkan membentuk lingkaran mengelilingi kawat dan arahnya ditentukan menggunakan kaidah tangan kanan. Ibu jari tangan kanan menyatakan arah arus listrik dan keempat jari lainnya yang menekuk menunjukkan arah medan magnet. Untuk lebih jelasnya simak gambar berikut :

Besar medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik dipengaruhi oleh besar arus lisrik dan jarak titik tinjauan terhadap kawat. Semakin besar kuat arus yang diberikan dan semakin dekat jaraknya terhadap kawat, maka semakin besar kuat medan magnetnya. Besarnya kuat medan magnet pada kawat lurus panjang dapat dirumuskan seperti di bawah ini :

$B = \frac{\mu_{0}I}{2\pi r}$

Untuk jumlah N lilitan :

$B = \frac{\mu_{0} IN}{2\pi r}$

Keterangan :

CONTOH SOAL :

Sebuah kawat lurus panjang dialiri arus sebesar 3 A. Tentukan besar medan magnet yang berjarak 3 cm dari kawat tersebut! (μ0 = 4 πx 10-7 Wb/Am)

Diketahui :

I = 3 A

r = 3 cm = 3 x 10^-2 m

μ₀ = 4 πx 10^-7 Wb/Am

Ditanya : B = ?

Jawab :

B. Medan Magnet di Sekitar Kawat Melingkar

Kawat lurus melingkar yang dialiri arus listrik pada arah tertentu maka di sumbu pusat lingkaran akan timbul medan magnet dengan arah tertentu. Medan Magnet di sekitar kawat melingkar juga dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Berbeda dengan kawat lurus panjang, pada kawat melingkar ibu jari tangan kanan menyatakan arah medan magnet dan keempat jari lainnya yang menekuk menunjukkan arah arus listrik seperti pada gambar berikut :

Besar Medan Magnet di sekitar kawat melingkar dipengaruhi oleh besar Arus Listrik dan jari-jari lingkaran kawat. Semakin besar kuat arus yang diberikan dan semakin kecil jari-jari lingkaran kawat, maka semakin besar kuat Medan Magnet-nya. Besarnya kuat medan magnet pada kawat melingkar dapat dirumuskan seperti di bawah ini :

$B = \frac{\mu_{0}I}{2r}$

Untuk jumlah N lilitan :

$B = \frac{\mu_{0}IN}{2r}$

Keterangan :

CONTOH SOAL :

Diketahui :

r = 10 cm = 10 x 10-2 = 10-3 m

I = 4 A

μ0 = 4π x 10-7 Wb/Am

Ditanya : B = ?

Jawab :

Untuk lebih mengerti dalam memahami materi ini, silahkan tonton Video dari YouTube di bawah ini :

INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Sumber Materi : Kelaspintar.id (Blog), Studiobelajar.com, dan Seputarilmu.com

Induksi Elektromagnetik adalah proses ketika konduktor yang diletakkan di suatu medan magnet yang bergerak / berubah (atau konduktornya yang digerakkan melewati Medan Magnet yang diam) menyebabkan terproduksinya Voltase disepanjang Konduktor. Proses Induksi Elektromagnetik ini menghasilkan Arus Listrik.

Michael Faraday merupakan Ilmuwan yang menemukan fenomena ini pada Tahun 1831 dan James Clerk Maxwell merupakan ilmuwan yang mendeskripsikannya secara matematik sebagai Hukum Induksi Faraday. Nama formal persamaan yang mendefinisikan karakteristik Induksi Medan Elektromagnetik dari Fluks Magnetik (Perubahan pada Medan Magnet) disebut sebagai Hukum Faraday, yang kemudian digeneralisasikan menjadi persamaan Maxwell-Faraday, satu dari empat persamaan pada teori elektromagnetik oleh James Clerk Maxwell; persamaan ini mendefinisikan hubungan antara perubahan medan listrik dan medan magnet. Selain itu, terdapat Hukum Lorentz yang mendeskripsikan arah dari medan induksi.

Proses Induksi Elektromagnetik dapat bekerja pula secara kebalikannya, jadi pergerakan arus listrik dapat menghasilkan sebuah medan magnetik. Faktanya, sebuah magnet biasa memiliki medan magnet akibat gerakan individual elektron-elektron dalam atom-atom penyusun magnet; elektron-elektron tersebut bergerak secara seragam sehingga menghasilkan medan magnet uniform.

Induksi Elektromagnetik telah diterapkan pada berbagai teknologi seperti komponen-Komponen Elektrikal : Induktor dan Transformator, dan alat-alat yang sangat krusial : Motor Elektrik dan Generator.

A. Rumus Induksi Elektromagnetik

1. Fluks Magnet

Fluks magnet adalah perubahan pada Medan Magnet. Fluks magnet dihasilkan dari perkalian antara Medan Magnet (B) dengan luas bidang (A) yang saling tegak lurus. Fluks Magnet dapat dinyatakan dengan :

$\phi = BA$

Rumus diatas adalah Fluks Magnet dimana medan magnetnya tegak lurus dengan luas bidangnya. Jika tidak tegak lurus, tapi membentuk sudut, maka besar fluks magnetnya dikalikan cosinus sudutnya :

$\phi = BA \cos(\theta)$

2. Hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahwa jika jumlah fluks magnet yang memasuki suatu kumparan berubah, maka pada ujung-ujung kumparan akan timbul GGL (gaya gerak listrik) induksi. Besarnya GGL induksi ini bergantung pada laju perubahan fluks magnet dan banyaknya lilitan kumparan. GGL induksi tersebut dapat dihitung secara matematis dengan Rumus :

$\epsilon = -N \cdot \frac{\Delta\phi}{\Delta t}$

Dimana :

$\epsilon$ = GGL Induksi (volt);

N = Jumlah Lilitan Kumparan;

$\Delta \phi / \Delta t$ = Laju Perubahan Fluks Magnet.

Tanda delta ( $\Delta$ ) mengungkapkan perubahan. Jadi, ( $\Delta \phi / \Delta t$ ) adalah perubahan fluks magnet terhadap perubahan waktunya, sehingga disebut sebagai laju perubahan fluks.

[Untuk membaca lebih lanjutnya, silahkan lihat dan baca di sini.]

B. Penerapan Induksi Elektromagnetik

Induksi Elektromagnetik sangatlah krusial penerapan fenomena inilah yang mampu menghasilkan listrik (dan sebaliknya) sehingga kita dapat menjalani kehidupan di era modern.

1. Generator

Generator merupakan alat yang mempu mengubah putaran poros menjadi arus listrik dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Bagian generator yang berputar disebut rotor, dan bagian diam disebut stator. Terdapat dua tipe generator, yaitu generator AC (arus searah) dan generator DC (arus bolak-balik).

2. Dinamo (Motor Listrik)

Dinamo merupakan alat yang bekerja kebalikan dari generator. Dinamo mampu mengubah arus listrik menjadi putaran poros yang mampu menggerakkan berbagai alat. Nama bagian-bagian dinamo sama seperti generator, begitu pula tipe-tipe dinamo.

3. Transfomator Listrik (Trafo)

Trafo merupakan alat yang mampu mengubah arus listrik dan juga voltasenya. Kegunaan ini sangatlah penting karena sangat dibutuhkan baik dalam pendistribusian listrik maupun dalam berbagai alat elektrik.

C. Contoh Soal Induksi Elektromagnetik

1. Sebuah kumparan dengan jumlah 200 Lilitan dalam waktu 0,1 detik menimbulkan perubahan fluks magnet sebesar $3 \times 10^{-4} Wb$ , berapa GGL induksi yang timbul pada ujung-ujung kumparan tersebut?

Pembahasan :

Kita dapat mencari nilai GGL induksinya dengan menggunakan Hukum Faraday :

$\epsilon = N (\frac{\Delta \phi}{\Delta t})$

$\epsilon = (200) (\frac{3 \times 10^{-3} Wb}{0,1 s})$

$\epsilon = 6 Volt$

Tanda Minus (jika memakai persamaan sebenarnya) hanya menunjukkan arah arus induksi yang berlawanan dengan Fluks Magnet-nya.

2. Sebuah Kumparan Flat berbentuk Persegi memiliki Jumlah Lilitan sebanyak 5. Kumparan tersebut memiliki sisi sepanjang 0,5 m dan memiliki medan magnet sebesar 0,5 T. Kumparan tegak lurus dengan medan magnet. Medan magnet mengalami kenaikan dari 0,5 T menjadi 1 T dalam 10 sekon. Dengan menggunakan hukum faraday, hitunglah berapa GGL induksi yang timbul.

$\phi = BA$