FISIKA II

BAB 1. TERMODINAMIKA

1. 1. Hukum Pertama Termodinamika

Energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan dua cara yaitu  :

(a) dengan menambahkan sejumlah panas Q pada benda tersebut, seperti telah dibahas pada bab18 dan 

(b) dengan melakukan usaha W terhadap benda tersebut. Kenyataan itu diungkapkan oleh hukum pertama   termodinamika yang dapat ditulis sebagai :

Kenaikan kekekalan energi dalam = Q+W

Untuk proses adibatis (Q=0) kenaikan energi dalam semata-mata hanya ditimbulkan oleh usaha yang dilakukan.

1.2. Mesin Kalor

Mengubah energi dalam menjadi energi makanik jauh lebih sulit dibanding proses sebaliknya, dan effisiensi yang betul-betul sempurna tidak mungkin dapat dicapai. Mesin kalor merupakan suatu perangkat atau sistem yang mampu melakukan tugas pengubahan itu, badan manusia dan atmosfir bumi merupakan mesin-mesin kalor, dan demikian juga dengan motor bensin, motor diesel, turbin uap dan mesin pesawat jet.

Semua mesin kalor beroperasi dengan menyerap panas dari suatu tandon (reservoir) yang bertemperatur tinggi, melakukan usaha, dan selanjutnya melepaskan panas ke tandon lainnya yang bertemperatur rendah. Berdasarkan prinsip kekekalan energi, usaha yang dilakukan dalam satu siklus atau daur sempurna sama dengan selisih antara panas yang diserap dengan panas yang dibuang.

1.3. Hukum Kedua Termodinamika

Energi dalam bentuk sebagai energi kinetik atom-atom dan molekul-molekul yang bergerak secara acak, yang keluarannya pada mesin kalor berupa gerak piston atau roda-roda. Karena semua sistem fisis yang ada didalam cenderung menuju ke arah yang berlawanan dari teratur menjadi tidak tidak teratur, maka tidak ada satupun mesin kalor yang mampu mengubah secara sempurna panas menjadi energi mekanik atau, secara umum, usaha. Prinsip dasar inilah yang mengarah pada hukum kedua termodinamika, yaitu : tidak mungkin membuat mesin yang mampu beroperasi terus-menerus mengambil panas dari sebuah sumber dan mengubahnya menjadi usaha yang benar-benar setara. Karena sejumlah panas masukan pada suatu mesin panas harus terbuang, dan juga mengingat bahwa panas mengalir dari reservoir yang lebih panas menuju reservoir yang lebih dingin, maka setiap mesin kalor harus mempunyai reservoir bertemperatur rendah untuk membuang panas buangan dan juga harus mempunyai reservoir bertemperatur tinggi sebagai sumber masukan panas.

1.4. Effisiensi

Effisiensi sebuah mesin kalor yang ideal (sering disebut sebagai mesin Carnot) yang tidak memiliki rugi-rugi akibat kesulitan-kesulitan teknis, misalnya gesekan, hanya tergantung pada temperatur panas masukan dan panas buangan. Jika panas yang diserap (panas masukan) bertemperatur absolut T₁ dan dibuang pada temperatur absolut T₂, maka effisiensi mesin seperti itu adalah

Effeisiensi = keluaran usaha/masukan panas = W/Q₁ = 1 – T₁/T₂

Semakin kecil harga perbandingan antara T₁ dan T₂, akan semakin effisien pula mesin tersebut. Karena tidak pernah ada reservoir yang bertemperatur OK, maka tidak ada pula mesin yang mempunyai effisiensi 100%.

1.5. Daur Carnot

Daur Carnot merupakan suatu daur teoritis dapat balik (reversible) yang banyak sekali memberikan informasi mengenai tingkah laku mesin kalor. Daur ini bersifat ideal karena menghasilkan effisiensi tertinggi yang mungkin dicapai untuk mengubah panas menjadi usaha. Sistem ini terdiri atas suatu zat kerja misalnya gas dan suatu daur proses yang terdiri dari dua buah proses dapat balik isotermal dan dua buah proses dapat balik adiabatis. Zat kerja, yang dapat dianggap sebagai ideal, dimasukkan kedalam silinder dengan dinding-dinding dan piston penghantar panas. Juga tersedia, sebagai bagian dari lingkungan sekitarnya, suatu reservoir panas dalam bentuk benda yang mempunyai kapasitas panas yang besar bertemperatur T₁, serta reservoir panas lain dengan kapasitas panas tinggi yang bertemperatur T₂ dan sebuah penyangga yang tidak menghantarkan panas. Daur Carnot lengkap dengan keempat langkahnya.

Langkah 1. Gas berada dalam keadaan seimbang awal dinyatakan oleh keadaan P₁, V₁, T₁. Silinder ditempatkan dalam reservoir panas bertemperatur T₁, dan biarkan gas memuai perlahan menuju P₂, V₂, T₁. Selama proses berlangsung energi panas Q₁ diserap oleh gas secara konduksi melalui dinding alas; ini berlangsung secara isotermal pada temperatur T₁ dan gas melakukan usaha mengangkat piston dan beban.

Langkah 2. Silinder diletakan diatas penyangga yang tidak menghantarkan panas dan gas dibiarkan terus perlahan menuju P₃, V₃, T₂. Pemuaian ini berlangsung secara adibatis sebab tidak ada panas yang masuk ataupun meninggalkan sistem. Gas melakukan usaha dengan mengangkat piston dan temperaturnya turun ke T₂.

Langkah 3. Silinder diletakkan dalam reservoir yang lebih dingin (T₂) dan gas ditekan perlahan-lahan menuju ke p₄, V₄, T₂. Selama proses berlangsung energi panas Q₂ dipindahkan dari gas ke reservoir secara konduksi melalui dinding alas. Penekan ini berlangsung secara isotermal dan usaha dilakukan pada gas oleh piston dan bebannya.

Langkah 4. Silinder diletakkan diatas penyangga yang tidak menghantar yang tidak menghantar panas dan gas diletakkan perlahan-lahan menuju P₁, V₁, T₁. Penekan ini berlangsung secara adibatis karena tidak ada panas yang masuk ataupun keluar dari sistem. Usaha dilakukan pada gas dan temperaturnya naik menjadi T₁.

Usaha netto w yang dilakukan oleh sistem selama daur dinyatakan oleh luas yang dibatasi abcd pada gambar 21.8. Jumlah panas netto yang diterima sistem dalam satu kali daur adalah Q1-Q2, dengan Q1 dan Q2 berturut-turut adalah panas yang diserap dalam tahap 1 dan yang dilepaskan dalam langkah 3. Keadaan awal dan akhir adalah sama sehingga energi dalam sistem U tidak mengalami perubahan. Jadi berdasarkan hukum pertama termodinamika berlakulah

W = Q₁ – Q₂

Untuk daur itu; Q₁ dan Q₂ diambil sebagai besaran-besaran positif. Hasil daur itu adalah diubahnya panas menjadi usaha. Jumlah usaha yang diinginkan dapat diperoleh dengan mengulang daur itu. Jadi sistem ini telah bertindak sebagai mesin kalor.

Dalam contoh diatas tealah digunakan gas ideal sebagai zat kerja. Meskipun demikian, zat kerja dapat berupa apa saja, dan sudah barang tentu akan menghasilkan diagram P.V yang berbeda-beda. Biasanya mesin-mesin panas menggunakan uap, atau campuran bahan bakar dan udara, atau bahan bakar dan oksigen sebagai zat kerjanya. Panas biasanya diperoleh dari pembakaran bahan bakar seperti bensin atau batu bara, atau berasal dari proses anihilasi massa melalui proses-proses fisi inti dalam suatu reaktor nuklir. Pelepasan panas dapat dilakukan melalui pembuangan atau kondenser.

1.6. Refrigerasi (Pendingin)

Mesin pendingin (refrigerasi) merupakan sebuah mesin kalor yang beroperasi terbalik agar dapat mengambil panas dari reservoir bertemperatur rendah, maka perlu disediakan energi pada refrigerator untuk melawan kecenderungan itu, dan energi itu akan menambah jumlah panas yang dibuang oleh refrigerator.

Prinsip-prinsip daur mesin pendingin secara skematis ditunjukkan pada gambar 21.9. Kompresor A mengirim gas (CCL₂F₂; NH₃ atau lainnya) dengan temperatur dan tekanan tinggi ke kumparan B. Panas dipindahkan dari gas oleh air atau udara pendingin di B₁ sehingga gas mengalami kondensasi menjadi cairan namun masih bertekanan tinggi. Cairan itiu selanjutnya mengalir melalui katup pemuai (ekspansi) C, muncul sebagai campuran cairan dan uap dengan temperatur lebih rendah. Dalam kumparan D, panas dimasukkan yang akan mengubah sisa cairan menjadi uap yang selanjutnya masuk ke kompresor A dan daur terulang kembali. Untuk lemari es domestik kumparan D ditempatkan pada ruang pembuatan es yang melakukan pendinginan langsung.

Dalam sistem pendinginan yang besar, kumparan D itu biasanya dibenamkan dalam tangki berisi air asin, dan selanjutnya air asin dingin itu dipompakan ke ruang pendinginan. Jika tidak ada usaha yang diperlukan untuk mengoprasikan refrigerator, maka koefisien perfromansinya (yaitu panas yang diambil dibagi usaha yang diperlukan) besarannya tak hingga.

Pada umumnya refrigerator mempunyai koefisien performansi antara 2 sampai 6. Pengalaman menunjukan bahwa untuk memindahkan panas dari daerah yang lebih panas selalu diperlukan usaha. Pernyataan ini membuahkan rumusan hukum kedua termodinamika yang lain yaitu: Tidak mungkin terjadi suatu proses yang semata-mata menghasilkan perpindahan panas dari daerah dingin ke daerah panas.

BAB 2. PERPINDAHAN PANAS

2.1. Konduksi

Ada tiga mekanisme perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lainnya, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Dalam konduksi, panas perpindahan melalui tumbukan antara molekul-molekul yang bergerak sangat cepat dibagian benda yang bertemperatur tinggi dan molekul yang bergerak lambat dibagian benda yang bertemperatur rendah. Sejumlah energi kinetik dari molekul-molekul yang bergerak cepat “pindah“ ke molekul-molekul yang bergerak lambat dan akibat tumbukan yang terus menerus itu maka akan timbul aliran panas secara konduksi. Konduksi terkecil terjadi ada gas karena molkul-molekul gas relatif berjauhan jaraknya sehingga interaksinya lebih sedikit dibandingkan dengan benda padat dan cair. Logam-logam merupakan konduktor panas yang baik karena beberapa dari elektron-elektronnya relatif dapat bergerak bebas dan dapat berpindah melalui atom-atom ketika tumbukan terjadi.

Laju konduksi panas melalui sebuah benda adalah sebanding dengan luas penampang A dan beda temperatur ∆T abtar sisi-sisinya, dan berbanding terbalik dengan tebal d.

Jumlah panas Q yang mengalir melalui benda selama waktu t dinyatakan oleh :

Laju konduksi panas = Q/t = (kA ∆T) d

Dengan k adalah konduktivitas panas bahan yang merupakan ukuran kemampuan penghantar panas. Satuan K adalah [w/m.K]

Tabel 22.1. Konduktiitas Panas

(untuk gas pada 0^o C; sedangkan selain gas pada temperatur ruangan)

	k kal/det.moC	J/det.moC
Logam :                – Aluminuim-          Kuningan -          Tembaga -          Timbal -          Perak -          Baja Gas : – Udara -          Hidrogen -          Oksigen Lainnya : – Asbes -          Beton -          Gabus -          Gelas -          Es -          Kayu	4,9 x 10-2 2,6 x 10-2 9,2 x 10-2 8,3 x 10-3 9,9 x 10-2 1,1 x 10-2 5,7 x 10-6 3,3 x 10-5 5,6 x 10-6 2 x 10-5 2 x 10-4 4 x 10-5 2 x 10-4 4 x 10-4 2 x 10-5	200 110 390 35 410 46 2,4 x 10-2 14 x 10-2 2,3 x 10-2 8 x 10-2 80 x 10-2 17 x 10-2 80 x 10-2 170 x 10-2 8 x 10-2

Titik bakar suatu gas

Gas-gas akan terbakar bila titik bakarnya dicapai, namun bila sebuah logam yang merupakan konduktor, ditempatkan dalam gas itu maka pembakaran dapat dihindarkan.

Lampu Pengaman Davy

Pada awal abad 19 Sir Humphry Davy, seorang ilmiawan terkenal pada jamannya, berusaha keras untuk membuat alat pengaman pekerja tambang untuk menghindari ledakan gas, terutama oleh gas metana, karena digunakannya lampu minyak untuk penerangan yang ada massa itu. Hasilnya lampu pengaman Davy dimana kasa logam berbentuk silinder menyelimuti cahaya dari nyala yang menggunakan bahan bakar minyak.Lubang diatas digunakan untuk masuknya udara dan keluarnya sisa pembakaran. Panas nyala api itu disalurkan menjauhi setiap gas yang ada diluar. Hal ini berarti menjaga agar gas tetap berada dibawah titik ledakan. Bila ada gas yang mudah meledak masuk melalui kasa maka akan terjadi nyala biru sekitar nyala putih dari minyak. Warna biru memberi indikasi adanya gas yang mudah meledak.

2.2. Konveksi

Pada konveksi, sejumlah fluida panas (gas atau cairan) berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya dan membawa serta “energi dalamnya“ sebagai contoh, disaat air dipanaskan dalam panci, air panas dibagian bawah memuai sehingga kerapatannya menurun dan akibat gaya keatas, maka air panas itu bergerak keatas dan air yang dingin dibagian atas akan menggantikan tempatnya.

Angin laut dan angin darat :

Angin laut dan angin darat didaerah pantai merupakan arus konveksi alamiah.

Pada siang hari, matahari memanasi daratan sehingga temperaturnya lebih tinggi dari pada laut, hal ini disebabkan karena daratan memiliki panas jenis lebih rendah dari pada air laut.

2.3. Radiasi

Pada radiasi. Energi dibawa oleh gelombang-gelombang elektromagnetik yang di pancarkan oleh setiap benda. Gelombang-gelombang elektromagnetk, misalnya cahaya, gelombang radio dan sinar x, bergerak dengan kecepatan cahaya (3 x 10⁸/detik). Dan tidak memerlukan medium untuk penjalarannya. Suatu benda penyerap radiasi yang baik, merupakan pemancar radiasi yang baik juga. Penyerap radiasi yang sempurna dinamakan “benda hitam (black body)“, dan juga merupakan sumber radiasi yang terbaik.

Suatu benda dengan luas permukaan A dan suhu mutlak T, memancarkan radiasi dengan laju diberikan oleh hukum Stefan Boltzman sebagai berikut:

R = P/A = eV . T⁴

Konstanta σ (sigma) mempunyai harga 5,67 x 10^-8W/m² K⁴.

Daya pancar e berharga antara 0 (untuk pemantul sempurna, sehingga tidak ada radiasi yang dipancarkan) dan 1 (untuk benda hitam) tergantung pada sifat permukaan pemancar. Dengan bertambahnya temperatur, panjang gelombang utama dari radiasi yang dipancarkan suatu benda akan turun. Jadi benda panas yang memancarkan cahaya merah lebih dingin dari pada yang memancarkan cahaya putih kebiru-biruan, karena cahaya merah mempunyai panjang gelombang lebih besar dari pada cahaya biru. Pada suhu kamar, suatu benda memancarkan radiasi yang sebagian besar berupa spektrum infra merah, sehingga tidak terlihat oleh mata.

Radiasi dapat ditentukan dengan merubah energi panas menjadi energi listrik.

Hal ini dapat dilakukan dengna melewatkan panas pada sambungan 2 logam yang berbeda, ujung-ujung logam yang lain dihubungkan dengan terminal galvanometer (suatu instrumen pengukur arus yang sensitif), yang akan mengukur besarnya arus. Bismuth dan antimon.

Adalah 2 logam yang dipergunakan pada “Thermophile“. Suatu instrumen untuk menentukan besarnya pancaran. Untuk memperbesar pengaruhnya, beberapa sambungan bismuth dan antimon dihubungkan secara seri. Dengan demikian radiasi akan mengenai salah satu rangkaian sambungan.

Batang-batang logam dengan hati-hati disekat satu terhadap yang lain, dan kemudian dimasukkan kedalam silinder logam, dan galvanometer dihubungkan dengan terminal-terminalnya bila termopile digunakan. Kerucut yang mempunyai permukaan dalam pemantul, dipasang diatas ujungnya.

BAB 3. KELISTRIKAN

3.1. Muatan Listrik

Muatan listrik seperti juga massa adalah salah satu sifat dasar dari partikel-pertikel elementer tertentu. Terdapat 2 jenis muatan, muatan positif dan muatan negatif oleh elektron. Muatan dengan tanda sama saling tolak menolak, sedangkan muatan yang berlawanan tandanya akan saling tarik menarik.

Suatu muatan adalah “coulumb (C)”. Muatan proton adalah + 1,6 x 10^-19C, sedangkan muatan elektron -1,6 x 10^-19C. seluruh muatan didalam adalah perkalian dari + l = ± 1,6 x 10^-19C. sesuai dengan prinsip kekekalan muatan, muatan listrik netto dari suatu sistem yang isolasi selalu konstan. (muatan netto adalah jumlah muatan positif – jumlah muatan negatif). Bila suatu benda terbentuk dari energi, sejumlah muatan positif dan negatif yang sama selalu muncul menyertainya dan bila suatu benda diubah menjadi energi, sejumlah muatuan positif dan negatif yang sama hilang.

Penjelasan Secara Atomik :

Atom setiap benda mengandung partikel yang dinamakan elektron, yang bermuatan negatif, dan partikel-partikel lain yang jumlahnya sama dengan elektron yang disebut proton, dan bermuatan positif. Jumlah total muatan listrik negatif sama dengan jumlah total muatan positif, dengan demikian atom normal bermuatan netral. Proton terletak jauh di dalam inti atom, sedangkan elektron-elektron terletak diluar inti, dan satu atau lebih terletak dipermukaan atom. Bila batang ebonit digosok dengan bulu binatang, beberapa elektron pada permukaan atom bulu binatang berpindah ke batang ebonit, dan ebonit menjadi bermuatan negatif. Bulu binatang kehilangan muataun negatif, sekarang memiliki muatan listrik positif, karena seluruh atom-atom semula bermuatan netral, memiliki jumlah proton dengan elektron yang sama. Akibatnya, bahan penggosok memiliki muatan sama dengan benda yang digosok. Dengan demikian gosokan menyebabkan muatan listrik berpindahdari suatu bahan ke bahan lain. Gosokan tidak menciptakan muatan lisrik.

3.2. Penguraian Muatan Listrik

Panjangnya isolator yang terbuat dari logam ringan digunakan untuk menyangga indikator yang diletakan  pada cincin besi. Indikatornya sendiri terbuat dari logam ringan yang diletakkan agar tidak simetris, sehingga beratnya sendiri menghasilkan momen balik yang cukup besar. Penyekat indikator dan alat pelengkap tambahan masing-masing mempunyai soket untuk pengukuran tegangan. Soket dengan menggunakan steker diletakkan pada elektroskop. Karena adanya cincin besi, instrumen ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan elektroskop sederhana, dalam distribusi medan dan kalibrasi beberapa besaran tertentu. Untuk percobaan elektrostatik, hal-hal berikut harus diperhatikan:

• hanya setengah bagian batang yang digosok, sedangkan bagian yang lain dipegang (misalnya penggunaan plastik). Bagian yang digosok tidak boleh lebih luas (banyak).

• Percobaan harus segera dilakukan setelah batang digosok.

• Dua batang yang sama dan digosok dengan bahan yang sama, akan saling tolak-menolak.

• Untuk menghasilkan muatan yang selalu bertanda sama, bahan-bahan yang dianjurkan dipergunakan sebagai penggosok adalah sebagai berikut:

Bahan Penyekat	Bahan Untuk Penggosok	Tanda muatan pada penyekat
Gelas Bahan Plastik	Kulit, Kertas Wol, Kapas	+ -

3.3. Hukum Coulomb

Gaya yang timbul antara suatu muatan dengan muatan yang lain diberikan oleh hukum Coulomb:

Gaya listrik = F = k  (q₁ q₂)/r²

Dimana  q₁ dan q₂ adalah besarnya muatan, r jarak antara kedua muatan dan k konstan yang harganya dalam ruang hampa adalah k = 9 x 10⁹ [N m²/C²]

Harga k udara sedikit lebih besar. Kadang-kadang konstanta k dinyatakan dengan

k = 1 / 4 π ε_o, dimana ε_o adalah permitivitas vakum yang berharga ε_o = 8,85 x 10^-12 [C/N.m²].

3.4. Struktur Atom

Struktur atom terdiri dari “inti“ yang bermuatan positif dan sejumlah elektron yang berjarak agak jauh. Inti terdiri dari atas proton (muatan + l, massa = 1,673 x 10^-27 kg) dan netron (tak bermuatan, massa = 1,675 x 10^-27kg), jumlah proton dalam inti biasnya sama dengan jumlah elektron yang mengelilinginya, jadi atom secara keseluruhan bermuatan netral. Gaya antar atom yang mengikatnya bersama-sama, misal dalam zat padat atau cairan pada mulanya adalah gaya listrik. Massa elektron adalah 9,1 x 10^-31 kg.

3.5. Ion

Pada keadaan tertentu atom dapat kehilangan satu atau lebih elektron dari ion positif, atau dapat menerima satu atau lebih elektron dan menjadi ion negatif. Kebanyakan zat padat terdiri atas ion-ion positif dan negatif dari pada yang terdiri dari atom-atom molekul. Suatu contoh adalah garam dapur biasa, yang dibentuk oleh ion positif sodium (Na⁺) dan ion negatif klorida (Cl^-). Larutan garam tersebut dalam air juga mengandung ion-ion. Percikan bunga api, nyala dari sinar x dapat mengakibatkan ionisasi gas-gas. Ion-ion yang berlawanan tanda dalam gas segera berkumpul setelah terbentuk, dan membentuk molekul-molekul netral. Gas dapat dipertahankan dalam keadaan ion dengan melewatkan arus listrik kepadanya (misal dalam gas neon), atau dengan menembaknya dengan sinar x atau sinar ultra violet (seperti terjadi pada batas atmosfir bumi, dimana radiasi datang dari sinar matahari).

3.6. Medan Listrik

Medan listrik adalah daerah dalam ruang dimana terhadap suatu muatan bekerja gaya listrik.

Medan listrik dihasilkan oleh satu atau lebih muatan, dan bisa seragam atau bervariasi besar dan arahnya. Jika muatan Q pada titik tertentu dipengaruhi oleh gaya F, medan listrik pada titik tersebut adalah perbandingan antara F dan Q.

E = F / Q

Medan listrik = gaya / muatan

Medan listrik adalah besaran vektor dimana arahnya sama dengan arah gaya pada muatan positif. Satuan E adalah [Newton/conl]. [N/C], atau lebih sering dipergunakan volt/meter (V/m). Dengan mengetahui medan listrik, besar gaya pada sebarang muatan q yang berada dalam medan magnet tersebut dapat ditentukan melalui hubungan:

F = q E

Gaya = muatan x medan listrik.

3.7. Garis gaya medan listrik

Garis gaya dipakai untuk menggambarkan medan gaya, misalnya pada medan listrik, dengan menggunakan garis khayal untuk menunjukan besar dan arah medan. Arah garis gaya listrik pada sebarang titik adalah arah gerak muatan positif jika diletakkan ditempat tersebut, dan garis gaya digambar rapat bila medan listrik kuat serta digambar jarang bila medannya lemah.

3.8. Beda Potensial

Beda potensial antara dua titik dalam medan listrik, adalah usaha yang dibutuhkan untuk membawa muatan ion dari satu titik ke titik yang lain. Jadi,

V = W / q

Beda potensial = usaha / muatan

Satuan beda potensial adalah volt (v) :

1 [volt] = 1 [joule / coulomb]

Beda potensial antara 2 titik pada medan listrik yang seragam adalah sama dengan perkalian E dengan jarak s antara kedua titik tersebut, yang sejajar E.

V = E s

Medan listrik mempergunakan reaksi kimia untuk menghasilkan beda potensial, sedangkan generator mempergunakan induksi elektromagnetik.

BAB 4. ARUS LISTRIK

4.1. Arus Listrik

Aliran muatan dari satu tempat ke tempat yang lain menyebabkan terjadinya arus listrik. Arus listrik selalu bergerak dari terminal positif ke terminal negatif. Arus listrik dalam kawat logam selalu terdiri dari aliran elektron, arus listrik tersebut dianggap berarah berlawanan dengan arah gerakan elektron.

Jadi muatan positif dan negatif mengalir pada jalur yang berbeda, asumsi demikian membuat tidak adanya perbedaan nyata.

Baik muatan positif atau negatif bergerak bila terdapat arus di dalam gas atau cairan penghantar.

Jika sejumlah muatan q melewati suatu titik dalam penghantar dalam selang waktu t, maka arus dalam penghantar adalah:

I = q / t

Arus listrik = muatan / selang waktu

Satuan arus listrik adalah “ampere“ (A), dimana 1 ampere = 1 [coulomb / detik]

4.2. Pembangkit/Generator kimiawi

Susunan lengkapnya terdiri atas sel-sel yang tersusun seri, untuk mendapatkan efek yang lebih besar.

Susunan demikian dinamakan baterai sel, dan arus listrik mengalir lewat kawat.

Pada dasarnya, sel atau baterai merubah enersi kimia menjadi enersi listrik oleh karena itu bahan kimia secara berangsur-angsur akan habis. Biasanya sel mempunyai 2 buah pelat metal tidak sejenis atau 2 buah kutub, bahan kimia ditempatkan diantara kedua kutub atau sel. Salah satu kutub atau sel. Salah satu kutub dinamakan kutub positif yang mempunyai potensial lebih tinggi dari pada yang lain, kutub lainnya dinamakan kutub negatif, sehingga arus mengalir jika kedua kutub tersebt dihubungkan dengan kawat. Istilah “positif” dan “negatif” tidak mempunyai arti matematis.

Kelemahan dari sel Polarisasi

Gelembung-gelembung gas hidrogen terkumpul pada pelat tembaga bila sel sederhana sedang bekerja. Gas hidrogen mempunyai tahanan listrik sangat tinggi, oleh karena itu arus di dalam rangkaian berkurang banyak sekali.

Antara hidrogen dan seng dalam sel juga mempunyai e.m.f, sebagaimana elemen-elemen tak sejenis yang lain.e.m.f, tersebut berarah berlawanan dengan arah tegangan antara tembaga dan seng, oleh karena itu dinamakan “e.m.f, balik“. e.m.f, balik karena hidrogen juga mengurai arus, dan jika sel berhenti bekerja dikatakan mengalami polarisasi.

Sel Daniel

Polarisasi dapat dicegah dengan menambahkan bahan kimia yang sesuai, yaitu berupa bahan depolarisasi, yang tidak bercampur dengan bahan kimia utama sel dan dinamakan elektrolit, akan tetapi ion-ion yang membawa arus didalam sel harus bergerak dari suatu kutub ke kutub yang lain melalui kedua bahan kimia tersebut. Akibatnya Cawan poraus yang mempunyai lubang sangat kecil digunakan untuk memisahkan kedua bahan tersebut.

Sel kering Leclanche.

Elektrolit dibuat dalam bentuk pasta atau krem dari amonium khlorida dengan tepung dan getah, sehingga relatif “kering“

Akumulator :

Sel-sel Leclanche dan Daniell dikenal sebagai sel-sel primer. Arus dihasilkan bahan kimia secara berangsur-angsur dan akhirnya berhenti.

Akumuilator, yang disebut sel sekunder dapat diisi kembali dengan melewatkan arus dari luar kedalam sel, sehingga bahan-bahan kimianya kembali ke pelat, oleh karena itu umurnya bisa lebih lama. Juga akumulator dapat mempertahankan arus yang besar dalam waktu lama, tanpa terjadi polarisasi.

Akumulator dipergunakan di mobil untuk menyediakan energi bagi pembakaran bahan bakar dalam mesin.

Akumulator asam-timah hitam.

Pada saat ini terdapat sejumlah akumulator yang berbeda-beda jenisnya.

Salah satu yang banyak dipergunakan adalah akumulator asam-timah hitam. Jenis lain adalah sel nikel-alkalin atau sel “Nife”.

Kita hanya akan membicarakan bentuk yang mempunyai

1. kutub (+) dari peroksida timah hitam berwarna coklat
2. kutub (-) dari batu tulis timah hitam berwarna kelabu
3. elektrolit cairan asam sulfurik

Peroksida timah hitam ditaruh di dalam celah pelat yang terbuat dari senyawa antimoni timah-hitam. Seluruh pelat positif dihubungkan bersama-sama, berselang dengan pelat negatif, tetapi tetap berpisah.

1. mempunyai e.m.f. sekitar 2 V
2. asam mempunyai berat jenis ± 1,25 tergantung pada pabrik pembuat

Kapasitas akumulator dinyatakan dalam “amper-jam“. Suatu akumulator 30 amper-jam dapat memberikan arus 1 A selama 30 jam, atau arus 2 A dalam 15 jam. Bila arus yang diambil lebih besar, maka waktu untuk pengisian kembali lebih kecil dari perhitungan teoritis tersebut.

Kondisi pembebanan dapat di cek dengan pengukuran kerapatan elektrolit.

Sel bahan bakar:

Sel-sel elektrik, misal sel leclanche atau akumulator, adalah alat untuk merubah enersi dari reaksi kimia menjadi arus listrik. Seperti telah diterangkan diatas, umumnya bahan-bahan kimia ditaruh didalam baterai. Disini bahan tersebut dipakai terus-menerus dan akhirnya harus diganti dengan bahan baru.

Proses yang lebih effisien adalah menggunakan sel bahan bakar. Pada sel ini bahan kimia disimpan di luar sel, dan dipergunakan hanya jika dibutuhkan enersi listrik. Banyak sel bahan bakar menggunakan reaksi antara hidrogen dan gas oksigen atau udara. Hidrogen dan oksigen dapat bercampur pada temperatur tinggi. Jika terjadi ledakan, akan terbentuk air  dan evolusi enersi panas yang sangat besar. Akan tetapi dalam sel bahan bakar kombinasi hidrogen dan oksigen terdapat dalam suhu kamar. Selain itu enersi yang dibebaskan, terutama diperlukan untuk menghasilkan listrik.

4.3. Hukum Ohm

Agar arus mengalir dalam penghantar, maka harus ada beda potensial antara kedua ujungnya, sama dengan perbedaan antara sumber dan keluaran yang dibutuhkan agar sungai mengalir. Dalam hal penghantar metalik, arus yang mengalir berbanding lurus dengan beda potensial, pelipatan V 2 kali menyebabkan I menjadi 2 kalinya dan seterusnya. Hubungan demikian dinamakan “Hukum Ohm“, yang dinyatakan dalam bentuk:

I = V/R

Arus litrik = Beda Potensial/tahanan

Besar R yang dipergunakan pada peghantar disebut ”tahanan”.

Satuan tahanan adalah ohm (Ω), dimana

1 ohm = 1 [volt/ampere]

Makin besar tahanan, makin kecil arus yang mengalir untuk beda potensial sama. Hukum ohm bukanlah prinsip fisika, tetapi merupakan hubungan eksperimental, dimana banyak metal yang memenuhinya untuk harga-harga V dan I yang bermacam-macam.

4.4. Resistivitas

Tahanan suatu penghantar menurut hukum ohm adalah :

R = ρ L/A

Dimana L = Panjang penghantar

A = Luas penampang

ρ = Resistivitas bahan penghantar

Dalam system SI, satuan resistivitas adalah ρ.m

Resistivitas sebagian besar bahan tergantung pada temperatur. Jika R adalah tahanan penghantar pada temperatur biasa, kemudian tahannya berubah ∆R bila temperatur berubah ∆ T, mempunyai hubungan linier.

∆R = αR ∆T

Besaran α adalah ”koefisien temperatur tahanan” suatu bahan.

4.5. Daya dan Kerja Listrik

Daya untun mempertahankan arus listrik diperoleh dari perkalian antara arus I dan beda tegangan V.

P = I . V

Daya    = arus x beda potensial

Dimana I dalam ampere, V dalam Volt dan P dalam watt.

Jika suatu konduktor atau peralatan dilalui arus yang menuruti hukum ohm, maka daya yang dipergunakan dinyatakan dalam bentuk:

P = I V = I² R = V²/R

BAB 5. RANGKAIAN ARUS SEARAH

5.1. Tahanan Seri

Tahanan ekivalen dari rangkaian beberapa tahanan tergantung pada cara menghubungkannya. Jika tahanan dihubungkan, tahanan ekivalen R adalah jumlah masing-masing tahanan.

5.2. Tahanan Paralel

Dalam rangkaian tahanan paralel, terminal-terminal resistor dihubungkan bersama-sama. Harga 1/R ekivalen sama dengan jumlah harga 1/resistansi masing-masing tahanan.

5.3. Gaya gerak listrik dan tahanan dalam.

Kerja yang dilakukan tiap coulomb pada muatan yang meninggalkan baterai, generator atau sumber enersi listrik yang lain disebut ”gaya gerak listrik (ggl)”. Ggl sama dengan beda tegangan pada terminal sumber bila tidak ada arus yang mengalir. Bila arus mengalir, beda potensial terserbut lebih kecil dari pada ggl, karena terdapatnya tahanan dalam sumber tegangan.

Besarnya terminal:

V = ε – I r

Dimana : V = Tegangan terminal

Ε = ggl

I r = tegangan jatuh

Bila ggl baterai generator dihubungkan dengan tahanan luar R, tahanan total dalam rangkaian adalah R+r, dan arus yang mengalir adalah:

I = ε/R+r

Arus = ggl / tahanan luar + tahanan dalam

5.4. Hukum khirchoff

Arus yang melalui setiap cabang rangkaian yang rumit dapat ditentukan dengan menggunakan hukum khirchoff. Hukum pertama dipergunakan untuk sambungan 3 kabel atau lebih, hukum kedua untuk rangkaian tertutup (loop), keduanya merupakan konsekuensi kekekalan energi, hukum tersebut adalah:

1. dalam arus yang masuk kedalam sambungan (junction) = arus keluar dari sambungan.
2. jumlah ggl seluruh loop = jumalah tegangan jatuh I R pada seluruh loop.

Prosedur pemakaina hukum kirchoff adalah sebagai berikut :

1. Pilih arus pada masing-masing tahanan. Bila pemilihan benar, arus yang diperoleh positif, jika salah, diperoleh arus negatif, yang berarti arus yang benar berarah kebalikannya.
2. Pada loop (dalam mengelilingi loop bisa searah ataupun berlawanan arah jarum jam). Ggl positif bila terminal pertama sumber yang diperoleh bertanda negatif dan negatif bila terminal tersebut positif.
3. Penurunan tegangan I R positif bila arus pada tahanan mempunyai arah sama dengan arah jejak mengelilingi loop, negatif bila berlawanan.

5.5. Amperemeter dan Voltmeter

Amperemeter adalah instrumen untuk mengukur besarnya arus.

Resistansi yang lebih rendah dari amperemeter, berarti instrumen tersebut lebih baik, karena resistansi akan mempengaruhi rangkaian yang diukur arusnya.

Dalam praktek, meter itu sendiri (biasanya galvanometer, dimana gaya megnetik dihasilkan oleh arus), meninggalkan beberapa bagian untuk melewati tahanan meter yang lebih tinggi. Voltmeter adalah instrumen untuk mengukur beda potensial. Makin tinggi tahanannya, voltmeter tersebut makin baik, karena pada saat dipergunakan mempengaruhi hasil pengukuran.

Galvanometer Cermin terdiri atas :

1. Pegas ulir, dipergunakan pada milliamperemeter sebagai pembagi dam mempergunakan kawat perunggu fosfor untuk mengendalikan putaran kecil
2. Jarum pembagi dan berkas cahaya dipergunakan untuk mengukur defleksi.

Bila arus yang kecil mengalir pada koil, pegas ulir terlalu kuat untuk memberikan defleksi yang banyak pada koil. Oleh karena itu kawat perunggu fosfor mempunyai kontrol yang sangat halus, sehingga defleksi menjadi agak besar. Berkas cahaya jauh lebih baik dibanding jarum bila dipergunakan untuk mengukur defleksi yang kecil.

Galvanometer cermin ditunjukkan dalam gambar 25.6. kawat perunggu fosfor OL dilapisi dengan serbuk penghantar dan arus lewat koil melalui terminal A dan B. Defleksi koil diukur dengan menggunakan cermin MM adalah cermin cekung dengan jari-jari kelengkungan yang besar, biasanya 1m, dan memfokuskan cahaya dari sumber cahaya T ke arah skala P yang dilengkapi dengan millimeter. Berkas cahaya berbentuk lingkaran bergerak sepanjang P bila arus mengalir pada galvanometer, dan defleksi yang terjadi menyatakan besarnya arus yang diukur. Pada salah satu jenis galvanometer 1 μA, berkas cahaya dapat berdefleksi sepanjang 20 cm pada skala.

BAB 6. KAPASITANSI

6.1. Kapasitansi

Kapasitor adalah suatu sistem yang menyimpan enersi dalam bentuk medan listrik. Bentuk yang paling sederhana suatu kapasitor terdiri dari pasangan pelat logam paralel dipisahkan oleh udara atau bahan-bahan penyekat.

Beda potensial V antara pelat-pelat kapasitor berbanding lurus dengan muatan Q pada setiap pelat kapasitor , sehingga perbandingan Q/V selalu sama untuk kapasitor tertentu. Perbandingan ini dinamakan kapasitansi (C) suatu kapasitor.

C = Q/V

Kapasitansi = Muatan pada setiap pelat kapasitor / beda tegangan antara kedua pelat

Suatu kapasitansi adalah farad (F), dimana 1 farad = 1 coulomb/volt.

Karena satuan farad terlalu besar untuk keperluan praktis, biasanya digunakan satuan mikrofarad dan pikofarad, dimana:

1 mikofarad = 1 μ F = 10^-6 F

1 piko farad = 1 F ρ F = 10^-12 F

Satuan muatan 10^-6 C pada sitiap pelat dari kapasitor 1 μ F akan menghasilkan beda tegangan antara pelat tersebut:

V= Q/C = 1 V

6.2. Kapasitor Pelat Paralel

Yaitu suatu kapasitor yang terdiri atas pelat-pelat paralel; jika luas setiap pelat adalah A dan terpisah sejauh d, maka kapasitansinya :

C = K . ε_o A/d

Konstanta ε_o adalah permitivitas hampa seperti telah dibicarakan pada bab 23; harganya adalah : ε_o = 8,85 x 10^-12 C²/N-m² = 8,85 x 10^-12 F/m

Besaran K adalah kontanta dielektrik bahan antara pelat-pelat kapasitor. Makin besar K, berarti bahan tersebut lebih efektif dalam mengurangi medan listrik. Untuk hampa, K = 1, udara K = 1,0006; gelas K = 6; dan air K = 80

Konstanta Dielektrik:

Bahan yang dipergunakan sebagai medium diatara pelat kapasitor dinamakan dielektrik. Bila dielektrik, misalnya kertas lilin, diisikan secara penuh pada ruang diantara pelat, kapasitansi akan bertambahya kira-kira 3 kali dibandingkan bila dipergunakan medium udara. Dengan demikian konstanta dielektrik kertas lilin berharga 3. Muatan kapasitor (Q) diukur dengan amplifier pengukur (a) [A.S=Coulomb]. Kapasitansi ditentukan dengan perhitungan C = Q/V

Kapasitor Praktis:

1. Kapasitor udara variabel :

Terdiri dari susunan pelat-pelat logam yang dapat diputar dengan proses, sedemikian hingga dapat menyisip ke susunan logam tetap. Kedua susunan logam disekat dengan bahan isolator. Luas keseluruhan, dan berarti kapasitansinya, dengan mudah dapat diubah. Tipe ini digunakan pada pada radio penerima untuk menentukan gelombang yang diinginkan. Bila diinginkan pemancar radio tertentu, knob diputar, sehingga pelat yang dapat bergerak berputar, dengan demikian merubah harga kapasitansi dalam rangkaian ”tuning”.

2. Kapasitor mika.

Kapasitor lain yang juga dipergunakan dalam radio adalah kapasitor tetap yang menggunakan medium mika. Kapasitor ini terdiri atas 2 buah susunan pelat logam masing-masing dihubungkan ke terminal T. Kapasitor mika dapat mempunyai skala dari 0,0001 μF sampai 1 μF.

3. Kapasitor kertas ;

Kertas lilin merupakan dielektrik yang lebih murah dari pada mika, dan mempunyai keuntungan lainnya yaitu menghemat ruang, karena tidak seperti mika, kertas lilin dapat digulung. Kapasitor kertas dibuat dengan mempergunakan susunan 2 lembar kertas diantara 2 lembar tipis timah putih, kemudian susunan ini dugulung. Terminal kapasitor dihubungkan pada tiap lembar tipis timah putih.

4. Kapasitor Elektrolitik :

Pada rangkaian radio, kapasitor yang dibutuhkan adalah yang mempunyai kapasitansi yang tinggi, misal 32 μ F. Kapasitor ini harus ekonomis dan praktis. Persoalan yang terdapat dalam perancangan ini dipecahkan dengan melewatkan arus diantara 2 pelat alumunium yang disisipkan kedalam larutan amonuim borat. Lapisan sangat tipis alumunium oksida terbentuk pada pelat anoda oleh aksi elektrolitik, dan oksida antara anoda dan larutan mengandung dielektrik yang sangat tipis pada saat aksi tersebut berhenti.

Dielektrik yang sangat tipis ini menghasilkan kapasitansi yang sangt tinggi antara anoda larutan. Kapasitor dengan beberapa ribu mikrofarad dapat dibuat dengan metoda tersebut.

Kapasitor elektrolitik memiliki pelat anoda dan katoda, serta larutan dengan resistansi rendah.

6.3. Enersi Kapasitor Bermuatan :

Untuk menghasilkan medan listrik dalam kapasitor bermuatan, harus dilakukan usaha untuk memisahkan muatan positif dan negatif. Kerja ini disimpan sebagai enersi potensial dalam kapasitor. Enersi potensial W suatu kapasitor dengan kapasitansi C dan muatannya Q serta beda potensial V adalah :

W = ½ Q V = ½ CV² = ½ Q²/C

6.4. Tetapan Waktu

Bila kapasitor diisi muatan, dengan segera didapat beda tegangan yang berlawanan arah dengan ggl yang digunakan, dengan demikian cenderung untuk melawan aliran penambahan muatan. Oleh karena itu kapasitor tidak pernah mencapai muatan akhir bila dihubungkan dengan baterai atau sumber tegangan yang lain. Perkalian R C dengan  Resistansi dan C kapasitansi, mengatur kelajuan kapasitor mencapai muatan akhir Q = CV. Setelah waktu yang sama dengan RC dilalui, muatan pada kapasitor menjadi 63% muatan akhirnya. Jika kapasitor dikosongkan muatannya (discharged), dengan menggunakan tahanan R, setealah waktu t = RC, muatan akan turun menjadi 37% harga mula. Besaran RC disebut ”tetapan waktu” rangkaian, makin kecil tetapan waktu, berarti lebih cepat dapat diisi atau dikosongkan muatannya.

Pengisisan/pengosonan muatan dari suatu kapasitor.

Harga resistansi tinggi (1 M Ω) akan memberikan waktu yang sangat lama. Impedansi yang tinggi dari amplifier pengukur menghasilkan ketelitian yang tinggi pada pengukuran tegangan.

6.5. Rangkaian Kapasitor :

Kapasitansi ekuivalen dari susunan kapasitor yang saling dihubungkan adalah : kapasitansi dari sebuah kapasitor pengganti.

Kapasitansi ekuivalen dari susunan seri adalah:

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ………

Jika hanya terdapat 2 buah kapasitor seri, maka:

1/C = 1/C1 + 1/C2 = [C1 C2] / [C1 C2],  jadi [C1 C2] / C1 + C2]

Jika kapasitor dirangkai paralel, maka kapasitansi ekuivalennya adalah :

C = C1 + C2 + C3 + ………….

BAB 7. MAGNETISME

7.1. Hakekat Megnetisme  :

Dua buah muatan listrik dalam keadaan diam mempunyai gaya satu terdapat yang lain, sesuai dengan hukum coloumb. Bila muatan-muatan bergerak, ada gaya lainnya yang berbeda, dan biasanya dikatakan sebagai perbedaan gaya megnetik yang terjadi diantara muatan-muatan yang bergerak, selain gaya listriknya. Dalam hal ini gaya total pada muatan Q terdiri atas gaya listrik yang hanya tergantung pada kecepatan gerak muatan V dan muatan Q. Pada kenyataannya, antar muatan-muatan hanya terdapat interaksi tunggal, yaitu ”interaksi elektromagnetik”. Teori relativitas memberikan hubungan antara gaya-gaya listrik dan magnetik; sebagaimana massa benda yang bergerak, tampak lebih besar dari pada dalam kedaaan diam, juga gaya-gaya listrik antara 2 muatan tampak berubah pada pengamatan bila muatan tersebut bergerak. Dalam hal demikian kemagnetan tidak berbeda dengan kelistrikannya, meskipun terdapat kesamaan interaksi elektromagnetik, biasanya untuk beberapa keperluan efek kelakuan listrik dan magnet dipisahkan.

7.2. Medan Magnet:

Jika ada medan magnet B, maka timbul gaya magnet pada muatan yang bergerak. Arah medan magnet B adalah sepemuatan dapat bergerak tanpa mengalami gaya magnetik; untuk arah yang lain, muatan yang bergerak akan mengalami gaya magnetik. Besarnya induksi magnetik B, sama dengan muatan 1 C yang bergerak dengan kecepatan 1 m/detik tegak lurus B.

Satuan induksi magnet ialah tesla (T)

1 tesla = 1 (newton)/(amperemeter)

Kadang-kadang ”tesla” disebut weber/m². 1 gauss sama dengan 10^-4 T, merupakan satuan medan magnet yang lain.

BAB 8. INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

8.1. Induksi elektromagnetik

Suatu arus yang dihasilkan bila konduktor melintasi garis gaya magnetik dinamakan induksi elektromagnetik. Bila gerakan konduktor sejajar garis gaya tidak ada arus yang dihasilkan. Induksi elektromagnetik dihasilkan oleh medan magnet pada muatan-muatan yang bergerak. Bila kabel bergerak melintasi medan magnet, elektron-elektron yang terkandung mendapatkan gaya, bergerak sepanjang kabel menyebabkan arus mengalir. Arus juga dapat terjadi pada konduktor diam yang berada pada medan magnet, bila medan dengan harga kuat medannya berubah sehingga jumlah garis gaya yang dilingkupi konduktor tersebut berubah pula. Bila konduktor lurus dengan panjang I bergerak melintas medan magnet B, dengan kecepatan v, harga emf yang diinduksikan pada konduktor adalah :

emf _induksi = ε = B I v

diamana B, v, dan I konduktor saling tegak lurus.

8.2. Hukum Lenz

Tanda negatif pada hukum faraday adalah konsekuensi dari hukum lenz : arus induksi selalu berarah demikian rupa hingga medan magnet yang timbul melawan perubahan yang terjadi pada medan magnet penyebabnya. Sebagai contoh, jika B berkurang harganya dalam percobaan gambar 28.2. Arus induksi dalam koil berarah berlawanan jarum jam, dalam usaha untuk menambah medan B sehingga mengurangi laju penurunan B. Jika B naik, maka arus induksi yang terjadi searah dengan jarum jam, hingga medan magnet akan mengurangi laju kenaikan B.

8.3. Trafo

Suatu trafo terdiri atas 2 buah lilitan kawat, biasanya membungkus inti besi. Bila arus bolak-balik mengalir melalui salah satu lilitan, perubahan medan magnetik menghasilkan induksi arus bolak-balik pada lilitan lain.

Beda teganagn setiap lilitan pada kedua kumparan (primer dan sekunder) sama, sehingga perbandingan jumlah lilitan menentukan perbandingan tegangan primer dan sekunder sehingga;

V₁/V₂ = N₁/N₂

Tegangan primer/tegangan sekunder = lilitan primer/lilitan sekunder

Jika daya I₁V₁ masuk kedalam trafomator harus sama dengan daya yang keluar I₂V₂, dimana I₁ dan I₂ adalah arus pada primer dan sekunder, maka perbandingan arus primer dan sekunder berbanding terbalik dengan perbandingan lilitannya.

8.4. Induksi diri

Bila arus dalam rangkaian berubah. Medan magnet didalamnya juga berubah, dan perubahan fluk yang terjadi ini menyebabkan emf induksi diri, yakni;

Emf _{induksi diri} = ε = -L (∆i/∆t)

Dimana ∆i/∆t adalah laju perubahan arus dan L adalah sifat rangkaian yang dinamakan induktansi diri, atau lebih umum disebut induktansi. Tanda negatif menunjukan bahwa arah ε adalah sedemikian hingga melawan perubahan arus ∆i yang menyebabkannya.

Satuan induktansi adalah henry (H). Suatu rangkaian atau elemen rangkaian (misalnya solenoid) yang mempunyai induktansi 1 H akan memiliki emf induksi 1 V bila arus yang melewatinya berubah dengan laju 1 A/det. Karena satuan henry terlalu besar, maka sering digunakan satuan milihenry atau mikrohenry.

1 milihenry = 1 mH = 10^-3 H

1 mikrohenry = 1 μ H = 10^-6 H

Induktansi solenoid adalah :

L = (μ N²A)/1

Dimana: μ = permeabilitas inti, N = jumlah lilitan, A = luas penampang lilitan, 1 = panjang solenoid.

8.5. Enersi induktor pembawa arus

Karena emf induksi diri melawan perubahan arus dalam induktor, kerja harus dilakukan untuk melawan emf tersebut, agar terdapat arus yang mengalir dalam induktor. Kerja ini disimpan dalam bentuk enersi potensial bila konduktor membawa arus I adalah :

W = ½ I² L

Enersi ini adalah enersi yang dayanya dipergunakan melawan penurunan arus dalam induktor.

8.6. Konstanta waktu

Karena emf induksi diri dalam rangkaian adalah selalu melawan perubahan-perubahan arus dalam rangkaian, arus tidak naik segera untuk mencapai harga akhir ε/R bila diberikan sumber tegangan luar ε. Dalam rangkaian yang mengandung induktansi L dan resistansi R, perbandingan L/R mengatur laju arus yang terjadi dalam rangkaian. Seperti gambar 28.7, arus naik dengan tiba-tiba hingga setelah waktu = L/R, mencapai 63% harga akhir. Jika emf dihubung singkat, arus turun sedemikian hingga setelah t = L/R, berkurang 37% dari harga mula-mula. Besaran L/R disebut konstanta waktu rangkaian, makin kecil harganya, makin cepat arus dapat berubah.

8.7. Arus pusar (Eddy Currents)

Sejauh ini kumparan kawat telah dipergunakan untuk mempertunjukkan arus-arus induksi, asal saja bahan yang dipergunakan adalah penghantar, meskipun arus induksi dapat mengalir dalam benda padat, dalam cairan atau gas. Dalam logam padat, arus induksi berputar mirip pusaran dalam air, karena itu dinamakan arus pusar.

BAB 9. RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK

9.1. Arus bolak-balik

Frekuensi arus bolak-balik adalah jumlah siklus lengkap setiap detik seperti pada gerak harmonik, satuan frekuensi adalah (Hz), dimana 1 Hz = 1 siklus/detik.

Arus bolak-balik, dengan frekuensi f dan ggl maksimum ε_max, mempunyai ggl yang tergantung pada waktu yaitu :

ε = ε_max sin 2 π f t = ε_max sin wt

Besaran w = 2 π f adalah frekuensi sudut dari ggl dalam radian/detik. Sama dengan pada ggl, arus bolak-balik dengan frekuensi f, dan harga maksimum I_max, mempunyai hubungan:

I = I_max sin 2π ft = I_max sin wt

9.2. Harga-harga efektif:

Harga puncak ke puncak dari gelombang sinus didefinisikan sebagai : perbedaa \n antara harga maksimum dan minimumnya

Resistor yang dipasang pada gelombang sinus tegangan akan memiliki efek panas. Harga efektif (Vrms atau Irms) dari gelombang sinus tegangan atau arus adalah harga tegangan atau arus DC yang mempunyai efek yang sama (panas) pada tahanan (resistor).

Harga efektif dapat dihitung dengan cara sebagai berikut:

I eff = Irms = Imax/√2 = 0,707, Imax

ε eff = ε rms = ε max/√2 = 0,707 ε max

Contoh dalam kedua kasus berikut, tahanan R mendisipasikan panas dengan jumlah sama.

Catatan : 220 V = 0,707 x 311 V

Jaringan daya AC :

Listrik yang digunakan dalam rumah juga diberikan oleh gaya efektifnya. Biasanya ditulis dalam bentuk: 220V_AC untuk 220V_rms atau 110V_AC untuk 110V_rms. Sangat berguna untuk diingat bahwa 110V_AC akan memiliki positif dan negatif maksimum 155,58V dan 220V_AC memiliki harga positif dan negatif maksimum 311,17 V. Juga frekuensi 50 Hz dihubungkan dengan perioda 20 mili detik (20 x 10^-3 detik).

Juga perlu diingat bahwa jaringan daya AC 110V_AC atau 220V_AC adalah suatu tegangan yang sangat berbahaya.

9.3. Reaktansi:

Reaktansi induktif suatu induktor adalah ukuran keefektifan dalam menghambat aliran arus bolak-balik oleh sifat melawan ggl induksi diri yang dapat menyebabkan perubahan arus. Tidak seperti resistor, dalam induktor murni tidak ada daya yang didisipasi. Reaktansi induktif XL dari suatu induktor dengan induktansi L (dalam henry) bila frekuensi arus f (dalam Hz) adalah:

Reaktansi induktif = XL = 2π fL

Bila beda tegangan V dari frekuensi f diberikan pada konduktor dimana reaktansi adalah XL pada frekuensi f, arus I = V/XL akan mengalir. Satuan dari XL adalah ohm.

Reaktansi kapasiti dari kapasitor adalah ukuran keefektifan dalam menghambat aliran arus bolak-balik, dalam hal ini disebabkan oleh sifat beda potensial balik yang disebabkan oleh penumpukan muatan pada pelat-pelat.

Tidak ada daya hilang yang dihubungkan dengan kapasitor dalam rangkaian ac. Reaktansi kapasitif Xc dari kapasitor dengan kapasitansi C (dalam farad) bila frekuensi arus f (dalam Hz) adalah:

Reaktansi kapasitif = Xc = 1/ 2π fc

Bila beda tegangan dengan frekuensi f dipasang pada kapasitor yang reaktansinya Xc (pada frekuensi f), akan mengalir arus sebesar I = V/Xc, satuan dari Xc adalah ohm.

9.4. Impedansi

Impedansi rangkaian ac yang terdiri dari resistansi, induktansi dan kapasitansi adalah ekuivalen dengan resistansi rangkaian dc. Jika resistansinya R, reaktansi induktif XL dan reaktansi kapasitif Xc pada frekuensi F, impedansi pada frekuensi tersebut adalah :

Z = √(R² + (XL – Xc)²)

Satuan z adalah ohm. Bila beda tegangan V dengan frekuensi f dikenakan pada rangkaian yang impedansinya z, arus yang dihasilkan adalah:

I = V/Z

Beda tegangan pada rangkaian dikaitkan dengan beda tegangan pada tahanan V_R, pada induktor VL dan kapasitor Vc adalah:

V = √(VR² + (VL – Vc)²)

Dimana V_R = I R; VL = I XL dan Vc = I Xc

9.5. Rangkaian L – C

Dengan membuka saklar S dihasilkan osilasi antara kapasitor yang paralel dengan induktor

9.6. Resonansi 

Impedansi dalam rangkaian ac seri, minimum bila XL = Xc; pada kejadian Z = R dan I = V/R. Frekuensi resonansi fo dari suatu rangkaian adalah frekuensi dimana XL = Xc;

2 π fo L = 1/(2π fo C)             fo = 1/(2 π √Lc)

Bila beda tegangan yang digunakan pada rangkaian mempunyai frekuensi fo, arus dalam rangkaian akan maksimum. Kondisi demikian dikenal sebagai resonansi.

9.7. Sudut fasa

Pada rangkaian ac yang hanya terdiri atas resistansi saja, tegangan dan arus sefasa satu terhadap yang lain berarti mencapai harga 0 (nol) maksimum dan harga-harga yang lain dalam waktu yang sama. Dalam rangkaian ac yang hanya terdiri atas induktansi saja, tegangan akan mendahului arus ¼ siklus. Jika satu siklus lengkap berarti perubahan dalam 2 π ft dari 300^o dan 360^o/4 = 90^o, biasanya dikatan bahwa pada induktor murni, tegangan mendahului arus 90^o.

Dalam rangkaian ac yang terdiri atas kapasitansi saja, tegangan ketinggalan ¼ siklus 90^o dari arus. Sudut φ antara tegangan dan arus dinamika sudut fasa, dalam satu rangkaian ac yang terdiri atas R,L,C diberikan oleh hubungan

Tan φ = (XL – Xc)/R

Jika XL > Xc, sudut fasa φ positif dan tegangan mendahului arus sebesar φ. Jika Xc > XL, sudut fasa φ negatif dan tegangan ketinggian terhadap arus sebesar φ. Pada resonansi XL = Xc dan φ = 0. hubungan lain untuk sudut fasa adalah:

Cos φ = R/Z

9.8. Faktor daya

Daya yang digunakan dalam rangkaian ac diberikan oleh:

P = I V cos φ

Dimana φ adalah sudut fasa antara tegangan dan arus. Besaran cos φ adalah faktor daya rangkaian. Pada keadaan resonansi φ = 0, cos φ = 1, daya yang diserap maksimum. Faktor daya dalam rangkaian ac sama dengan perbandingan antara resistansi dan impedansinya.

Faktor daya =cos φ = R/Z = R/(√R² + (XL-Xc)²)

Faktor daya sering dinyatakan dalam persen, jadi jika dikatakan sudut fasanya 25; berarti dayanya cos 25^o = 0,906 = 90,6%. Sumber tegangan ac biasanya dikatakan dalam volt ampere, perkalian dari V efb dan I efb, tanpa memperhatikan daya yang sebenarnya P, karena lebih tinggi harga dalam besaran tersebut yang harus diberikan kepada rangkaian (faktor daya kurang dari 1) dari pada daya dalam watt. Suatu faktor daya 90,6% berarti daya yang sebenarnya 1 VA harus diberikan untuk setiap 0,906 daya sebenarnya, dipergunakan oleh rangkaian.

BAB 10. CAHAYA

10.1. Gelombang Elektromagnetik

Gelombang-gelombang elektromagnet terdiri dari pasangan medan magnetik dan medan listrik yang bergerak secara periodik dalam suatu ruangan. Medan magnet dan medan listrik saling tegak lurus satu terhadap yang lain dan terhadap arah penjalaran gelombang, jadi gelombang elektromagnetik adalah gelombang transversal dan variasi dalam E dan B terjadi bersama-sama. Gelombang-gelombang elektromagnetik menyalurkan enersi dan tidak membutuhkan medium perantara untuk penjalarannya. Gelombang radio, gelombang cahaya, sinar x, dan sinar    adalah contoh-contoh gelombang elektromagnetik, dan berbeda dalam frekuensi.

Warna gelombang cahaya tergantung pada frekuensinya, dengan cahaya merah memiliki frekuensi nampak terkecil dan cahaya violet tertinggi. Cahaya putih atas gelombang semua cahaya-cahaya semua frekuensi.

Gelombang-gelombang elektromagnetik dihasilkan dengan mempercepat muatan-muatan listrik, biasanya elektron. Elektron-elektron bergetar kedepan dan kebelakang, dalam antena mengeluarkan gelombang-gelombang radio, dan elektron yang dipercepat dalam atom mengeluarkan cahaya.

Dalam angkasa bebas seluruh gelombang elektromagnetik memiliki kecepatan cahaya yang besanya adalah:

Kecepatan cahaya = c = 3 x 10⁸ m/detik

Trafomator Tesla dipergunakan untik menghasilkan frekuensi tinggi. Trafomator Tesla disusun dari rangkaian osilator dilingkari dengan rangkaian discharge dan kail primer (12 lilitan) dan kail sekunder (2500 lilitan). Bila rangkaian primer dan sekunder diatur hingga terjadi resonansi, medan elektromagnet yang kuat disekitar rangkaian sekunder menyebabkan fenomena luminous yang mengesankan di dalam tabung discharge tanpa elektroda. Pengaturan rangkaian osilator dalam percobaan ini dilakukan dengan merubah letak pemilik lilitan pada koil primer.

Pada ekperimen resonansi r-f lebih lanjut, trafomator Tesla tanpa lilitan sekunder digunakan sebagai r-f generator, dan rangkaian osilator penerima dibuat dari lodge (20 lilitan) dan botol layden (berfungsi sebagai kapasitor). Untuk frekuensi-frekuensi yang berbeda pada rangkaian primer (dengan merubah titik hubung lilitan) rangkaian penerima osilator yang dapat diletakkan pada jarak ± 40 cm dari sumber r-f, dapat diatur untuk mendapatkan frekuensi resonansi. Hal ini ditunjukkan oleh lampu aliran yang dihubungkan paralel dengan botol Leyden.

Tabung amplifier ECg² rangkaian yang sesuai dapat dipergunakan untuk menghasilkan osilasi elektrik (tabung osilator). Eksitansi dari osilator berdasarkan pada perinsip penguat dengan umpan balik (feed back) : tegangan bolak-balik rendah diberikan pada celah, hal ini dapat menghasilkan intervensi tegangan secara spontan, sebagai contoh hasil penguatan tegangan bolak balik dalam rangkaian anoda yang melalui umpan baik dipergunakan lagi pada kisi. Fasa dan amplitudo tertentu dari osilasi bila resonansi dicapai, ditentukan oleh jenis rangkaian osilator dan tegangan kerjanya. Rangkaian osilator dapat disusun oleh koil dan botol Leyden.

10.2. Fluk dan intensitas luminous

Respon mata hanya pada sebagaian dari radiasi elektromagnet yang dipancarkan oleh sebagai besar sumber cahaya (± 10% adalah bola lampu biasa), selebihnya tidak sama sensitifnya untuk warna yang berbeda sensitifitas yang terbesar adalah cahaya kuning ke hijau-hijauan (yellow-green light). Karena alasan inilah watt bukan merupakan satuan yang dapat dipergunakan untuk membandingkan sumber cahaya dan illuminasinya dan satuan lain yang lebih sering didasarkan pada respon visuil mata.

Satuan intensitas luminous I adalah kandela (cd), juga disebut sebagai ”new international candela”. Kandela didefinisikan sebagai cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam pada permukaan platinum 1773^oC. Intensitas dari sumber cahaya biasanya dinyatakan sebagai daya kandela (candle power).

Satuan fluk luminous F adalah lumen (lm). Satu lumen adalah sama dengan fluk luminous yang mengenai pada tiap-tiap m² bola berjari-jari 1m bila sumber cahaya isotropik 1 candela (radiasi kesegala arah sama) berada pada pusat bola. Jika luas permukaan bola berjari-jari r adalah 4 π r², bola yang berjari-jari 1m, mempunyai luas permukaan 4 π m² dan fluk luminous total yang dipancarkan sumber 1 candela adalah 4π lumen. Jadi fluk luminous yang dipancarkan oleh sumber cahaya isotropik yang intensitasnya 1 diberikan oleh F = 4π I.

Fluk luminous = 4π x intensitas luminous

Rumus ini tidak dapat dipergunakan pada sumber cahaya yang radiasinya tidak sama untuk arah yang berbeda. Effisiensi luminous dari sumber cahaya adalah jumlah fluk luminous yang dipancarkan oleh tiap watt daya masuk.

Effisiensi luminous filamen tungsten naik dengan naik daya, karena makin tinggi dan lebih banyak bagian tampak dari spektrum radiasi yang dipancarkan. Effesiensi lampu tersebut kira-kira 8 km/watt untuk lampu 10 w hingga 22lom/w untuk lampu 100 w. Lampu pelepasan listrik mempunyai effisiensi dari 40 hingga 75 lm/watt.

10.3. Iluminasi.

Iluminasi (atau ilumination) E dari suatu permukaan adalah fluk luminous tiap satuan luas yang mencapai permukaan.

E = F/A

Iluminasi = Fluk luminous/luas

Dalam sistim SI, satuan dari iluminasi adalah lumen/m² atau lux.

Iluminasi pada permukaan berjarak R dari sumber isotropik yang intensitasnya adalah:

E = I cos ø/R²

Dimana ø adalah sudut antara arah cahaya dan arah normal permukaan. Jadi iluminasi dari sumber demikian berbanding terbalik dengan R², seperti juga dalam gelombang suara; penambahan jarak menjadi 2 kali berati pengurangan iluminasi menjadi (1/2)² = ¼ harga mula-mula. Untuk cahaya yang datang tegak lurus pada permukaan, ø = 0 dan cos ø = 1, sehingga dalam hal ini E = 1/R²

10.4. Pemantulan cahaya

Bila cahaya dipantulkan dari permukaan datar dan halus, besarnya sudut pantul sama dengan sudut datang.

Bayangan dari benda pada cermin datar mempunyai ukuran dan bentuk yang sama dengan bendanya, tetapi kiri dan kanannya terbalik, jarak bayangan dibalik cermin sama dengan jarak kecermin.

10.5. Pembiasan cahaya

Bila cahaya lewat tidak tegak lurus dari satu medium yang lain, kecepatan pada kedua medium berbeda, dan arahnya akan merubah. Makin besar perbandingan antara kedua kecepatan makin besar simpangan (defleksion) yang terjadi. Jika cahaya datang dari medium dengan kecepatan rendah, akan dibelokkan menjauhi normal. Cahaya yang datang tegak lurus tidak dibelokkan. Jika cahaya datang dari medium dengan kecepatan tinggi ke medium dengan kecepatan rendah, akan dibelokkan mendekati normal permukaan; jika sebaliknya maka dibelokkan menjauhi normal. Cahaya yang datang tegak lurus tidak dibelokkan.

BAB 11. FISIKA DAN KUANTUM OPTIK

11.1. Interferensi:

Pada pengujian pemantulan dan pembiasan cahaya, maka cahaya dianggap terdiri dari berkas-berkas sinar yang bergerak lurus bila melalui suatu medium yang sama. Fenomena-fenomena lain yang dapat diamati adalah: interperensi, difraksi dan polarisasi, yang hanya dapat dipahami melalui sifat-sifat gelombang cahaya, dan studi fenomena-fenomena tersebut disebut ”fisika optik”.

Interferensi terjadi bila gelombang yang sifatnya sama dari sumber gelombang berbeda bertemu pada suatu tempat yang sama.

Dalam interferensi konstroktif, gelombang-gelombang dalam kedaan sejalan dan akan saling memperkuat satu dengan yang lain, sedang pada interferensi destruktif gelombang-gelombang dalam kedaan tidak sejalan dan akan saling menghilangkan sebagian atau keseluruhan satu dengan yang lain. Seluruh type gelombang menunjukkan interferensi dalam keadaan yang tepat.

Gelombang air berinterferensi serta menghasilkan permukaan laut yang tidak teratur, gelombang suara yang berdekatan frekuensinya berinterferensi menghasilkan gaung, dan gelombang cahaya berinterferensi menghasilkan pinggiran disekitar bayangan yang dibentuk oleh instrumen optik dan warna terang pada gelombang sabun dan lapisan tipis minyak dalam air.

11.2. Difraksi

Kemampuan suatu gelombang untuk melengkung mengelilingi pinggiran suatu penghalang disebut difraksi. Disebabkan oleh pengaruh difraksi dan interferensi, bayangan dari suatu sumber cahaya titik selalu serupa pinggiran dengan lingkaran gelap dan terang mengelilinginya.

Tebal angular (dalam radian) bayangannya dari sumber titik kira-kira:

Ø_o = 1,22 λ/D

Dimana λ adalah panjang gelombang cahaya dan D diameter lensa atau cermin.

Bayangan dari suatu obyek yang berdekatan hingga ø₀ berimpitan, dan dengan demikian tidak terdapat pemecahan persoalan bagaimana perbesaran yang besar dihasilkan oleh lensa aau cermin.

Dalam hal teleskop atau mikroskop, D adalah diameter lensa obyektif. Jika dua obyek terpisah sejauh d₀ yang berjarak L dari pengamat, sudut dalam radian antara kedua benda (obyek) tersebut adalah ø₀= d₀/, jadi persamaan diatas dapat ditulis dalam bentuk:

Daya pemisah = do = 1,22 (λL/D)

Cahaya yang melewati melalui tempat terbuka luas, seperti jendela atau kotak surat kedalam tempat yang gelap, mempunyai batas yang tajam pada bagian dimana bayang-bayang mulai terjadi.

Tidak ada difraksi yang tampak. Lubang (bukaan) yang sempit, misalkan celah pada kotak sinar yang luasnya hanya beberapa mm², tetap melewatkan sinar yang melaluinya dalam bentuk berkas cahaya yang lurus, akan tetapi celah yang dapat diatur diletakkan kira-kira 1 meter dari sumber sinar yang terang atau lampu motor, bagian cahaya pada layar diluar celah nampak meus jika celah menyempit.

Beberapa bagian cahaya nampak terpancar disekelilingi ujung-ujungnya. Bayangan kabur yang disebabkan difraksi terjadi pada kamera berlubang kecil (pin hole), bila lubang tersebut dibuat sangat kecil.

11.3 Polarisasi

Berkas polarisasi suatu cahaya adalah suatu dimana medan listrik gelombang cahaya semuanya berarah sama. Apabila medan listrik berarah sembarang (walaupun, tentu saja selalu berarah tegak lurus dengan arah penjalarannya) berkas cahaya tidak terpolarisasi yang berbeda arahnya, dan hal tersebut dapat dipergunakan untuk membuat suatu alat, dimana hanya polarisasi cahaya tertentu yang dapat melewati bahan tersebut.

Efek magnetik optik yang pertama (efek magnetik optik yang lebih lanjut adalah misalnya efek zaeman) telah ditemukan pada tahun 1845 oleh faraday). Faraday mengamati bahwa bidang polarisasi dari suatu berkas cahaya terpolarisasi linier akan berputar bila melewati batang gelas dan suatu medan magnet dikenakan dengan arah sejajar dengan arah penjalaran sinar. Bila cahaya melewati medium demikian, dua buah komponen polarisasi yang berputar dari suatu cahaya yang terpolarisasi linier mengandung gambar (display) yang berbeda-beda penjalarannya, jadi mengakibatkan terjadinya pemutaran bidang polarisasi. Dalam demonstrasi percobaan efek Faraday tersebut., dipergunakan batang gelas batu api yang diletakkan pada medan magnet yang kuat dari suatu elektromagnetik.

Kutub batang-batang magnet dilengkapi dengan suatu lubang yang memungkinkan berkas cahaya melalui magnet sesuai dengan arah medan. Satu filter polarisasi dipergunakan untuk mempolarisasi berkas cahaya datang dan filter kedua dipergunakan sebagai analisa berkas cahaya yang timbul.

11.4. Teori Kuantum Cahaya

Penggambaran sifat-sifat cahaya hanya dapat diterangkan berdasarkan bahwa cahaya terdiri dari quanta individual atau foton-foton.

Enersi dari suatu foton cahaya yang dimiliki frekuensi f adalah :

Enersi kuantum = E = hf

Dimana h adalah konstanta Planck

Memiliki h = 6,63 x 10^-34 joule – detik

Foton memiliki banyak sifat-sifat yang dikaitkan dengan partikel, materi tersebut terdapat dalam ruang dan memiliki enersi dan momentum, tetapi tidak bermassa. Foton bergerak dengan kecepatan cahaya.

Teori-teori elektromagnetik dan kuantum cahaya saling berhubungan satu dengan yang lain. Pada suatu keadaan, cahaya bersifat gelombang, sedang pada suatu keadaan lain cahaya bersifat partikel.

Kedua aspek tersebut berdasarkan pada gejala-gejala yang sama.

11.5. Sinar X

Sinar X adalah gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi, yang dihasilkan bila elektron-elektron kecepatan tinggi menumbuk suatu sasaran. Jika elektron-elektron dipercepat dengan menggunkana perbedaan potensial V, maka setiap elektron akan memiliki enersi KE = eV. Jika seluruh enersi tersebut menghasilkan foton sinar X, maka:                 e V = hf

Enersi elektron kinetik = enersi foton sinar X dan frekuensi sinar X adalah f = ev/h

11.6. Elektron Volt.

Satuan enersi umum yang dipergunakan dalam fisika kuantum dan atomik adalah elektron volt (eV), yang didefinisikan sebagai enersi penguatan elektron, bila elektron-elektron bergerak melalui benda potensial, volt disini

1 eV = 1,60 x 10^-19 J

Bila dinyatakan dalam satuan yang lebih besar yakni : keV, MeV, GeV, maka : 1k.eV = 10³ eV; 1 MeV = 10⁶ eV; 1 G eV = 10⁹ eV.

BAB 12. FISIKA ATOM

12.1. Struktur Atom :

Suatu atom terdiri atas inti pusat yang disusun oleh proton dan netron, serta dikelilingi oleh elektron-elektron.

Seluruh atom-atom elemen dengan nomor atom Z, memiliki Z proton dan Z elektron. Walaupun keadaan yang sebenarnya lebih komplek, elektron-elektron dalam suatu atom dapat dibayangkan bergerak dalam orbit mengelilingi inti. Elektron suatu atom dapat menempati hanya pada orbit-orbit tertentu, masing-masing memiliki enersi khusus yang berkaitan dengan orbit yang ditempati tersebut. Orbit-orbit elektron yang mungkin terdapat, dikelompokkan dalam group yang disebut ”kulit”, elektron dalam kulit, semuanya memiliki enersi yang setara dan juga jarak yang setara dari intinya.

Kulit terdalam (terdekat dengan inti) berisi paling banyak 2 elektron, kulit berikutnya berisi paling banyak 8 elektron, kulit ketiga berisi paling banyak 18 elektron, dan seterusnya. Atom dalam keadaan normal, atau keadaan azas, seluruh elektronnya mempunyai orbit dengan enersi terendah yang ada pada setiap kulit, dengan jumlah setiap kulit sesuai dengan pembatasan tersebut diaras. Bila satu elektron terluar dari suatu atom untuk sementara berada pada orbit dengan enersi lebih tinggi dari pada biasanya, atom tersebut dikatakan dalam keadaan ”ekited”. Enersi ionisasi suatu atom adalah enersi yang dibutuhkan untuk melepaskan satu elektron terluar.

12.2. Spektra atom

Bila gas atau uap dieksitasi dengan melewatkan arus listrik, dihasilkan cahaya yang terdiri dari panjang gelombang panjang gelombang tertentu. Setiap elemen memiliki karateristik spektrum garis emisi.

Panjang gelombang dalam spektrum ini mempunyai harga-harga yang terbatas dan dihubungkan dengan persamaan yang sederhana.

Bila cahaya putih dilewatkan gas atau uap tipis, panjang gelombang tertentu dari cahaya tersebut akan diserap. Panjang gelombang-panjang gelombang dalam spektrum garis serapan berkaitan dengan banyaknya panjang gelombang dalam spektrum emisi elemen yang bersangkutan.

Spektrum garis menunjukan adanya level enersi dala atom-atom.

Pada suatu atom, keadaan eksitasi terjadi hanya dalam waktu yang singkat (biasanya ± 10⁸ detik) sebelum turun kepada keadaan yang lebih rendah. Perbedaan enersi yang timbul dinyatakan sebagai frekuensi foton f, dimana :

Eawal – Eakhir = hf

Spektrum serapan dihasilkan oleh transisi dalam arah yang berlawanan, dari keadaan azas keadaan eksitasi. Cahaya yang frekuensinya berkaitan dengan berbagai selisih enersi diserap oleh atom-atom yang diiluminasi oleh cahaya yang memiliki spektrum kontinyu (dengan demikian, cahaya tersebut mengandung seluruh frekuensi). Atom-atom ini akan memancarkan kembali cahaya yang diserapnya, pada saat kembali ke keadaan azas, tetapi pemancar kembali tersebut terjadi pada arah yang acak dan juga banyak yang teredam pada arah sinar semula.

Gas mulia dan uap-uap logam yang berada phasa gas, terdiri atas atom-atom tunggal, mengeluarkan spektrum yang tidak kontinyu pada waktu tereksitasi. Setiap garis spektrum tampak jelas, dan berkaitan dengan transisi elektron kulit dari atom yang bersangkutan. Seperti spektra dari gas dan uap yang digunakan untuk menunjukan rangkaian yang komplek, adalah tidak mudah untuk mendapatkan informasi dari struktur atomnya sendiri (rangkaian model atom Bohr dan Balmer). Tetapi dilain pihak berbagai jenis spektra dapat diperlihatkan dengan jelas dan pengukuran dapat dilakukan pada spektrum tunggal.

Sebagaimana busur pelepasan yang merupakan metoda yang sangat effisien untuk mendapatikan intensitas lumination tinggi, lampu pelepasan gas diperlukan dalam percobaan bersama-sama dengan katup cerat umum (universal choke). Cara lain untuk menghasilkan spektra, menggnakan prisma pandang langsung atau kisis.

12.3. Ikatan-ikatan kimia

Bila suatu senyawa terbentuk, atom-atom dari elemen yang ada terikat oleh ikatan-ikatan kimia. Biasanya ikatan yang sesunguhnya seringkali berupa ikatan antara kedua jenis tersebut.

Dalam ikatan ionik, satu atau lebih elektron-elektron dari suatu atom berpindah ke atom yang lain, dan hasilnya berupa ion-ion positif dan negatif yang saling tarik menarik satu dengan yang lain.

Pada ikatan kovalen, satu atau lebih pasangan-pasangan elektron dipergunakan oleh atom-atom yang berbatasan. Elektron tersebut bergerak kesana kemari, dan lebih banyak berada diantara atom, daripada di tempat lain, menghasilkan gaya listrik tarik menarik, dan mengkilat atom-atom tersebut.

Suatu molekul adalah kelompaok atom-atom yang berikatan cukup rapat dengan ikatan kovalen, dan bersifat seperti partikel tunggal. Molekul selalu memiliki komposisi dan struktur yang terbatas, dan mempunyai kecenderungan kecil untuk menambah atau mengurangi atom-atomnya. Ikatan ionik biasanya membentuk krisatal-kristal padat, tidak berupa molekul. Zat padat demikian mengandung kumpulan ion-ion positif dan negatif, dalam karakteristik susunan yang stabil, dari senyawa yang rumit. Beberapa kristal zat padat bersifat kovalen dari pada ionik, seperti dibahas dalam bab berikut.

12.4. Kristal:

Sebagian besar zat padat adalah kristalin, dengan kandungan ion-ion, atom-atom atau molekul-molekulnya, susunan dalam bentuk-bentuk yang teratur. Dalam kristal terdapat 4 jenis ikatan: ionik, kovalen, metalik dan van der walls. Kristal dari garam biasa, Na Cl, adalah contoh padatan ionik, dengan ion-ion Na⁺ dan Cl^- menempati kisi-kisi sederhana.

Contoh padatan kovalen adalah intan, setiap karbonnya berikatan secara kovalen dengan 4 atom karbon yang lain, dan susunan ini berulang-ulang pada seluruh bagian kristal. Baik benda padat ionik maupun kovalen adalah keras dan memiliki titik lebur yang tinggi, yang mencerminkan kekuatan ikatannya. Zat padat ionik lebih banyak terdapat dari pada kovalen.

Dari logam, elektron terluar dari setiap atom bersama-sama dipakai oleh seluruh atom, dengan demikian ”awan” atau ”lautan” elektron-elektron dapat bergerak lebih bebas bila melewatinya.

Interaksi antara lautan elektron dan ion-ion logam positif menghasilkan gaya tarik menarik, sama seperti dalam ikatan kovalen, tetapi dalam skala yang lebih besar. Terdapatnya elektron bebas mempengaruhi sifat-sifat logam dalam kapasitas, kekuatan permukaan serta konduktivitas panas dan listrik. Seluruh molekul yang berikatan berdasarkan gaya Van der Waals dan juga atom-atom gas mulia, tampak lemah gaya tarik menariknya antara satu atom dengan atom yang lain. Gaya-gaya ini berperan dalam kondensasi gas ke keadaan cair dan pembekuan cairan menjadi padatan.

Sifat-sifat bahan seperti: gesekan, viskositas dan tarik menarik dipengaruhi oleh gaya Van der Waals. Gaya Van der Waals timbul dari ketidak simetrian distribusi sementara elektron didalam molekul. Apabila dua buah molekul berdekatan, muatan sesaat yang tidak simetri cenderung berubah keduanya, dengan bagian positif dari molekul selalu berdekatan dengan bagian negatif, dan lokasi kedua bagian selalu bergantian. Gaya Van der Waals lemah dan bahannya terdiri dari molekul-molekul utuh, misalnya air, biasannya memiliki titik lebur dan titik didih rendah dan kekuatan mekanik kecil untuk keadaan padat.

12.5. Pita Enersi (Energy Bands)

Sebagian besar kristal zat padat, baik logam maupun bukan logam, letaknya berdekatan, dimana elektron terluarnya berupa sistim tunggal dari elektron bersama untuk seluruh kristal. Sebagian pengganti dari setiap definisi karakteristik level enersi atom-atom tunggal, seluruh kristal mempunyai pita enersi yang diizinkan yang merupakan rentang enersi yang mungkin.

Pita enersi yang diizinkan dalam zat padat berkaitan dengan level enersi level enersi atom, dan elektron dalam zat padat hanya dapat memiliki enersi yang terdapat dalam pita enersi. Bila pita-pita enersi yang diizinkan, tidak saling tumpang tindih, selang diantara pita-pita tersebut merupakan enersi yang tidak dapat dimiliki oleh elektron-elektron. Interval-interval demikian disebut ”pita terlarang (forbidden bands)”. Sifat-sifat elelktrik kristal zat padat diselidiki melalui struktur pita enersi dan cara-cara pengisian kedalam pita enersi yang biasanya terjadi.

BAB 13. FISIKA NUKLIR

13.1. Struktur Nuklir

Inti atom terdiri dari proton dan neutron yang mempunyai massa:

m_p = 1,673 x 10^-27 kg = 1,007277 u

m_p = 1,675 x 10^-27 kg = 1,008665 u

Proton bermuatan +e dan netron tidak bermuatan. Nomor atom dari setiap unsur adalah jumlah proton dalam inti atomnya. Proton dan netron bersama-sama ”nukleon (nucleons)”. Walaupun seluruh atom suatu unsur mempunyai jumlah proton yang sama, jumlah netronnya dapat berbeda. Setriap variasi inti pada suatu unsur dinamakan ’isotop” unsur. Simbol isotop adalah:

^A_ZX

Dimana :          X = simbol kimia unsur

A = nomor massa isotop + jumlah proton+netron

Z = nomor atom unsur = jumlah proton

13.2. Enersi Ikat

Massa atom selalu lebih kecil dibandingkan jumlah massa-massa netron, proton dan elektron yang ada dalam atom tersebut. Enersi setara dari massa yang hilang disebut ”enersi ikat (dinding energi)” inti; semakin besar enersi ikat maka makin stabil inti tersebut.

Perbedaan massa inti ∆m, dengan jumlah proton Z dan jumlah netron N, dapat dihitung dari massa atom dengan menggunakan persamaan:

∆m = (Z_mH + N_mn) –m

Dimana m_H adalah massa atom hidrogen (mengandung 1 proton dan 1 elektron) adalah : m_H = 1,007825 u. Untuk mendapatkan enersi ikat dalam MeV (satuan yang biasa dipakai). ∆ m dikalikan dengan faktor konversi 931 MeV/u.

13.3. Gaya-gaya dasar

Gaya yang mengikat nukleon pada inti atom menjadi satu dihasilkan oleh ”interaksi kuat”, walaupun terdapat gaya listrik antar proton yang saling tolak-menolak. Pengertian interaksi dasar ini sama dengan interaksi gravitasi dan elektromagnetik. Tetapi tidak seperti interaksi gravitasi dan elektromagnetik, interaksi kuat hanya mempunyai lingkup yang sangat kecil dan hanya efektif digunakan untuk inti atom. Interaksi lain adalah ” interaksi lemah” yang terdapat pada peluruhan.

Fakta-fakta akhir-akhir ini menunjukkan bahwa ”interaksi lemah” mungkin berasal dari interaksi elektromagnetik dan bukan dari interaksi dasar.

13.4. Reaksi Nuklir

Inti atom dapat dirubah kedalam bentuk lain melalui interaksi satu dengan yang lainnya. Jika inti adalah muatan positif semuanya, enersi tumbukan yang tinggi diperlukan diantara 2 inti bila keduanya hendak berdekatan hingga jarak yang cukup untuk bersama-sama bereaksi. Karena tidak bermuatan, netron dapat mengawali reaksi nuklir, meskipun berjalan lambat. Pada beberapa reaksi nuklir, jumlah total dari proton dan netron hasil reaksi harus sama dengan jumlah keseluruhan reaktannya (unsur yang bereaksi).

13.5. Fusi dan Fisi

Inti dengan ukuran menengah mempunyai enersi ikat tiap nukleon tertinggi dan dengan demikian lebih stabil daripada inti yang lebih ringan atau berat.

Jika inti berat terbelah menjadi 2 bagian yang lebih kecil, enersi ikat yang lebih besar dari keadaan akhir, berarti bahwa enersi tersebut akan dibebaskan. Proses demikian disebut ”pembelahan nuklir”. Inti yang sangat besar, misal ²³⁵₉₂U, mengalami pembelahan nuklir bila menyerap netron bila hasil pembelahan mengandung beberapa netron, misalnya 2 inti ”bersaudara” (daughter nuclei), reaksi berantai dapat terjadi didalam kumpulan isotop-isotop yang dapat membelah.

Jika tidak dikendalikan, hasilnya adalah bom atom dan jika dikendalikan, berati laju pembelahan tetap, hasilnya berupa reaktor nuklir yang merupakan sumber enersi untuk membangkitkan tenaga listrik atau untuk mesin kapal. Dalam penggabungan nuklir (nuclear fusion), dua cahaya inti berkombinasi untuk membentuk inti yang lebih berat, dimana energi ikat tiap nukleon bertambah besar. Beda enersi ikat akan dilepaskan didalam proses.

Untuk memperoleh reaksi penggabungan, inti pertama harus digerakkan dengan cepat untuk mengatasi penolakan elektrik inti pada saat bertumbukan.

Penggabungan nuklir adalah sumber enersi pada matahari dan bintang-bintang, dimana temperatur yang tinggi padanya, berarti inti atom mempunyai kecepatan yang cukup tinggi dan tekanan yang tinggi, sehingga tumbukan nuklir sering kali terjadi. Dalam cara kerja bom hidrogen, yang pertama meledak adalah bom pembelah, untuk menghasilkan suhu dan tekanan tinggi yang diperlukan agar terjadi reaksi penggabungan. Persoalan yang dihadapi dalam pembuatan reaktor penggabungan adalah untuk mengendalikan produksi enersi yang berisi campuran cukup panas dan padat dari isotop yang diperlukan dalam waktu yang cukup lama untuk menghasilkan kekuatan enersi.