induksi elektromagnetik: materi, rumus, aplikasi, contoh soal (materi fisika kelas 9)

MATERI FISIKA KELAS 9 : INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

gambar generator pembangkit listrik

Listrik merupakan salah satu energi yang sangat banyak dimanfaatkan oleh manusia untuk keperluan sehari-hari. Energi listrik ini dihasilkan dari generator listrik yang diputar dengan bantuan angin, air, panas bumi, uap, dll. contoh generator listrik tampak pada gambar di atas, ketika generator tersebut di putar maka akan menghasilkan energi listrik yang kemudian ditransmisikan ke rumah-rumah penduduk. Proses timbulnya energi listrik pada saat generator tersebut di putar termasuk dalam kajian ilmu fisika materi “induksi elektromagnetik”
Induksi elektromagnetik pertama kali diteliti oleh Michael Faraday (1791 – 1867). Pada tahun 1831 Michael Faraday menemukan bahwa timbul arus listrik ketika menggerakkan magnet keluar masuk kumparan, hasil penemuan ini berkebalikan dengan hasil penemuan Hans Christian Oersted di materi sebelumnya yang menyatakan adanya medan magnet disekitar kawat berarus. Berdasarkan hasil temuan kedua fisikawan tersebut kita dapat mengetahui bahwa:

Materi Kelas IX : Listrik Statis

Pada pelajaran fisika di SMP kelas 9 salah satu materi fisika yang dipelajari adalah tentang  listrik statis. materi ini sangat erat kaitannya dalam kehidupan sehari-hari baik yang menguntungkan ataupun yang merugikan, banyak sekali manfaat yang bisa kita ambil dari belajar listrik statis. materi ini dibuat berdasarkan apa yang saya pahami selama belajar fisika dan diambil dari berbagai sumber yang relevan. selamat menikmati...

Gambar1. Petir menyambar di laut

Petir merupakan salah satu fenomena fisika yang sering terjadi ketika hujan. Petir pada dasarnya adalah loncatan elektron dari awan ke bumi melalui partikel air dan udara. Petir ini berbeda dengan arus listrik yang ada di rumah kita, dalam fisika petir termasuk dalam kajian listrik statis sedangkan arus listrik rumah termasuk dalam kajian listrik dinamis. Apa perbedaan mendasar antara petir dan listrik rumah? Bagaimana proses petir bisa terjadi?Mari kita ikuti penjelasan di bawah ini!

dasar-dasar listrik statis

Muatan Listrik

Pada mulanya Demokritus (filsuf asal Yunani) mengemukakan gagasan bahwa suatu benda tersusun oleh partikel sangat kecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi yang disebut oleh atom. Akan tetapi dalam perkembangan zaman, para ilmuwan menemukan bahwa ternyata dalam atom masih ada partikel-partikel lain yang dimulai dari

JJ Thomson (1856-1940) menemukan muatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron) dan menganggap atom berbentuk seperti bola kismis

E. Rutherford menemukan bahwa sebagian besar massa atom terdapat di pusatnya yang disebut inti atom, serta elektron bergerak mengelilingi inti tersebut

Niels Bohr (1885-1962) menemukan spektrum atom hidrogen

James Chadwick (1891-1974) berhasil menemukan partikel lain di dalam inti atom yang memiliki massa hampir sama dengan massa proton tapi tidak bermuatan yang kemudian disebut dengan neutron.

Pada materi ini, kita akan membatasi bahwa atom terdiri atas tiga partikel tersebut yakni muatan positif (proton), muatan negatif (elektron), dan muatan netral (neutron). Konfigurasi ketiga partikel tersebut digambarkan sebagai berikut.

Gambar 2. Konfigurasi atom

(sumber: glencoe science)

Konfigurasi yang terlihat pada gambar 1 menjelaskan bahwa elektron bergerak mengelilingi inti atom yang terdiri dari proton dan neutron, dalam perkembangannya ternyata satu jenis atom dapat memiliki konfigurasi yang berbeda-beda seperti yang terlihat di bawah ini

Gambar 3. Konfigurasi atom lithium

(sumber: physics university)

Berdasarkan gambar 3, kita dapat mengetahui bahwa untuk satu atom saja ternyata konfigurasi jumlah elektronnya bisa berbeda, hal ini menyebabkan muatan dari atom tersebut berbeda. Gambar 3a,  menunjukkan jumlah proton sama dengan jumlah elektron sehingga atom lithium bersifat netral, gambar 3b. Menunjukkan jumlah elektron lebih sedikit dari pada jumlah proton sehingga atom lithium dikatakan bermuatan positif dan gambar 3c. Menunjukkan jumlah elektron lebih banyak dari jumlah proton, sehingga atom lithium dikatakan bermuatan positif. Untuk lebih mudah memahaminya perhatikan tabel berikut.

Tabel 1. Konfigurasi atom

Konfigurasi	Jenis  atom	Istilah	Alasan
Jumlah elektron lebih banyak dari jumlah proton	Negatif	Kelebihan elektron	Mendapat elektron dari atom lain
Jumlah elektron sama dengan jumlah proton	Netral	-	-
Jumlah elektron lebih sedikit dari jumlah proton	Positif	Kekurangan elektron	Kehilangan elektron

Muatan yang lebih mudah berpindah dari satu atom ke atom yang lain hanya elektron, sehingga pada kolom istilah tabel di atas, hanya menggunakan elektron bukan proton. Hal ini disebabkan karena energi untuk melepaskan elektron jauh lebih kecil daripada energi untuk melepaskan proton. Ada beberapa cara untuk memindahkan elektron antara lain dengan digosok dan induksi.

Interaksi antar muatan akan terjadi jika dua atau lebih muatan didekatkan satu sama lain.

Muatan yang sejenis akan saling tolak-menolak apabila di dekatkan

Gambar 4. Interaksi dua muatan sejenis (a) muatan positif dengan muatan positif, (b) muatan negatif dengan muatan negatif

(sumber: gloncoe science)

Apabila dua muatan yang berbenda jenis didekatkan maka akan saling tarik menarik.

Gambar 5. Interaksi dua muatan berbeda jenis di dekatkan

(sumber: gloncoe science)

baca juga : 

pembahasan soal UN fisika SMA 2019 nomor 1 - 10

pembahasan soal UN fisika SMA 2018 nomor 1 - 10

pembahasan soal UN fisika SMP 2019 nomor 1 - 4

pembahasan soal UN fisika SMP 2018 nomor 1 - 11

Benda Bermuatan Listrik

Gambar 6. Potongan kertas menempel pada penggaris plastik

(sumber: gloncoe science)

Pada gambar 6, terlihat potongan-potongan kecil dari kertas yang menempel pada sebuab penggaris plastik. Menurut kamu bagaimana hal ini dapat terjadi?

Pada dasarnya setiap benda terdiri dari atom-atom yang sangat banyak, hampir sebagian besar benda tersusun atas muatan-muatan yang stabil. Akan tetapi dengan beberapa perlakuan, elektron dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lain, sehingga membuat benda yang tadinya bersifat netral menjadi tidak netral lagi (bisa positif atau negatif.

Memuati benda dengan cara digosok

Beberapa jenis benda ketika saling digosokkan akan terjadi perpindahan elektron dari benda satu ke benda yang lain. Perhatikan gambar berikut

Gambar 7. (a) karet yang digosokkan dengan kain woll, (b) muatan pada kalor dan kain wol sebelum digosokkan

(sumber: physics principle and problems)

Gambar di atas menunjukkan bahwa ketika belum digosok susunan muatan-muatannya masih tersebar merata di kedua benda, kemudian karet digosokkan ke kain wol (gambar b) maka akan terjadi perpindahan kalor dari kain wol ke karet sehingga karet akan menjadi bermuatan negatif dan kain wol akan menjadi bermuatan positif. Beberapa benda ketika digosok akan terjadi perpindahan elektron antara lain.

Benda 1	Benda 2	Setelah di gosok		Keterangn
		Benda 1	Benda 2
Plastik	Rambut/kain wol	Negatif	Positif	Elektron berpindah dari benda 2 ke benda 1, sehingga benda 2 kekurangan elektron dan benda 1 kelebihan elektron
Karet	Rambut/kain wol	Negatif	Positif
Kaca	Kain sutera	Positif	Negatif	Elektron berpindah dari benda 1 ke benda 2, sehingga benda 1 kekurangan elektron dan benda 2 kelebihan elektron
Ebonit	Kain sutera	Positif	Negatif

Proses Induksi

Gambar 8. Proses pemuatan benda

(sumber: physics university)

Perhatikan gambar 8a ketika batang bermuatan negatif dihubungkan dengan bola besi menggunakan kawat konduktor, maka muatan negatif dari batang akan pindah ke bola besi, sehingga bola besi bermuatan negatif. Ketika didekati dengan benda bermuatan negatif maka bola besi akan menjauh (gambar 8b) dan ketika didekati dengan benda bermuatan positif akan mendekat (gambar 8c). Cara pemisahan muatan seperti ini disebut dengan Induksi. Contoh lain dari induksi adalah

Gambar 9. Proses induksi

(sumber: physics university)

Ketika bola besi netral (gambar 9a) di dekati dengan benda bermuatan negatif maka muatan positif bola besi tersebut akan tertarik ke kiri dan muatan negatif akan tertolak ke kanan (gambar 9b). Agar bola besi hanya bermuatan positif maka bola besi dihubungkan dengan konduktor ke tanah (bumi merupakan penerima elektron tak terbatas dan bersifat netral) (gambar 9c). Akhirnya bola besi menjadi bermuatan positif saja (gambar 9e)

Konduktor & isolator

Konduktor adalah benda-benda yang dapat menghantarkan muatan listrik, seperti : logam, tubuh manusia, air. Sedangkan isolator merupakan benda-benda yang susah menghantarkan muatan listrik, seperti karet, plastik, kertas. Perbedaan konduktor dan isolator terdapat pada susunan muatan pada benda-benda tersebut, ketika konduktor diberi muatan, maka muatan tersebut akan tersebar merata ke seluruh permukaan konduktor. Hal ini berbeda jika isolator di beri muatan, maka muatan tersebut tidak akan tersebar, ia hanya berada di tempat dimana muatan tersebut diletakkan. Perhatikan gambar berikut.

Gambar 10. (a) susunan muatan pada konduktor setelah dimuati, (b) susunan muatan pada isolator setelah dimuati

(sumber: physics principle and problems)

  

baca juga : 
materi kelas 7: besaran dan pengukuran; suhu dan pemuaian; kalor

Analisis listrik statis

Hukum Coulomb

 Gambar 11. Interaksi dua benda bermuatan

(sumber: physics principle and problems)

Dua benda bermuatan saling didekatkan seperti gambar di atas, akan saling berinteraksi. Gambar 11(a) menunjukkan interaksi antara dua benda bermuatan positif akan saling menjauhi (tolak menolak), begitu pula jika dua benda yang sama-sama bermuatan negatif (gambar 11b) jika didekatkan akan saling menjauhi (tolak-menolak), akan tetapi benda bermuatan negatif didekatkan ke benda bermuatan positif (gambar 11c) maka akan  saling mendekat (tarik-menarik).

Gaya interaksi antara dua benda bermuatan (atau dua muatan) disebut dengan gaya listrik atau gaya Coulomb sesuai dengan nama penemunya. Gaya listrik ini pertama kali diteliti oleh ilmuan yang bernama Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) berdasarkan eksperimennya mengemukakan hukum coulomb yakni “besarnya gaya listrik antara dua muatan sebanding dengan besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya” secara matematis dapat dituliskan

Keterangan :

F_C : gaya coulomb (N)

k : tetapan (9 x 10⁹ Nm²/C²)

q₁ & q₂ : besar muatan (C)

r : jarak kedua muatan (m)

Jurus jitu:

Dalam banyak kasus atau soal terkait dengan materi gaya Coulomb, sering kali kita dihadapkan pada masalah perbandingan antara gaya listrik dengan besar muatan, gaya listrik dengan kuadrat jarak antar muatan atau bahkan keduanya. Untuk menyelesaikan permasalahan ini hal penting yang perlu dipahami adalah

·      Besar gaya Coulomb sebanding dengan besar muatan

Konsep sebanding:

“Perhatikan letak indeks (a dan b)masing-masing variabel yang sama antara ruas kiri dan ruas kanan”

·      Besar gaya Coulomb berbanding terbalik dengan kuadrat jarak

Konsep berbanding terbalik

 “Perhatikan letak indeks (a dan b)masing-masing variabel yang berlawanan antara ruas kiri dan ruas kanan”

Indeks “a” untuk keadaan awal dan indeks “b” untuk keadaan akhir.

Sehingga persamaan perbandingan untuk hukum Coulomb adalah

Contoh soal:
Gambar berikut menunjukkan gaya tolak-menolak antara dua benda titik bermuatan listrik

Besar gaya tolak menolak antara kedua benda tersebut jika muatan listrik diganti menjadi +2Q dan +Q, dan jarak kedua benda menjadi 2d adalah…

a.  ½ F                         b.   2F                          c.   4F                          d.   8F

Pembahasan:

Keadaan awal

q_1a = +Q

q_2a = +Q

r_a = d

F_a = F

Keadaan akhir

q_1b = +2Q

q_2b = +Q

r_b = 2d

F_b = ..... ?

Soal merupakan perbandingan antara gaya listrik, muatan pertama dan jarak. Persamaan perbandingannya adalah.

Kunci jawaban : “D”

perlu diingat bahwa gaya termasuk besaran vektor sehingga selain besarnya gaya juga harus diperhatikan arahnya juga seperti gambar berikut.

 Gambar 12. (a) gaya interaksi dua muatan berbeda jenis, (b) gaya interaksi dua muatan sejenis

(sumber: physics principle and problems)

Dua muatan sejenis yang didekatkan akan saling menjauhi dengan arah gaya seperti yang ditunjukkan oleh gambar 12a, sedangkan dua muatan yang berbeda jenis didekatkan akan saling  mendekati seperti yang ditunjukkan oleh gambar 12b. Berdasarkan gambar terlihat baik muatan A dan muatan B keduanya saling memberikan gaya kepada kedua muatan (F_B on A maupun F_A on B), kedua gaya ini adalah pasangan gaya aksi dan reaksi (hukum III Newton)

Salah satu penerapan dari hukum Coulomb ini adalah pada penggunaan elektroskop. Elektroskop merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi suatu benda bermuatan atau tidak

Prinsip kerja dari elektroskop dapat dilihat dari gambar berikut:

 Gambar 13. Prinsip kerja elektroskop

Pada mula-mula elektroskop bermuatan netral sehingga muatan positif (proton) dan negatif (elektron) tersebar merata di seluruh elektroskop (gambar 12a) dan daun elektroskop dalam keadaan tertutup, kemudian benda bermuatan listrik negatif di dekatkan (tanpa bersentuhan) ke kepala elektroskop (gambar 12b), muatan negatif benda tersebut akan membuat muatan positif elektroskop tertarik ke kepala elektroskop dan muatan negatifnya tertolak hingga menuju daun elektroskop. Kedua bilah daun elektroskop akan bermuatan negatif, hal ini akan menimbulkan gaya interaksi (gaya listrik) saling tolak menolak sehingga membuat daun elektroskop terbuka (gambar 12c)

Medan Listrik

Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya bahwa dua muatan yang didekatkan akan saling berinteraksi satu Medan listrik merupakan daerah di sekitar muatan yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik (gaya coulomb). Medan listrik pada sebuah muatan digambarkan oleh garis-garis gaya listrik dengan Arah medan listrik adalah keluar dari muatan positif dan masuk ke dalam muatan negatif, seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut.

 Gambar 14. Arah medan magnet (a) muatan positif, (b) muatan negatif

(sumber: physics university)

Besarnya medan listrik pada suatu titik yang berjarak r dari sebuah muatan dapat ditentukan dengan persamaan matematis.

Keterangan :

E : medan listrik (N/C)

q : muatan listrik (C)

r : jarak (m)

k : tetapan (9 x 10⁹ Nm²/C²)

gambar medan magnet untuk dua muatan yang saling berinteraksi dapat digambarkan sebagai berikut.

Gambar 15. Arah medan magnet dua muatan yang berinteraksi (a) muatan positif dan negatif, (b) muatan positif dan positif.

(sumber : fundamentals of physics)

Sumber :

Glencoe.Electricity and magnetism. Mc Graw Hill. 2005

Glencoe. Physics Principle and Problems. Mc Graw Hill. 2005

Resnick, R., Halliday, D., Walker, J. Fundamentals of Physics, 10^th ed., John Wiley & Sons, Inc. 2014

Young, H. D., Freedman, R. A. Sears ana Zemansky’s university physics : with modern physics 13^th ed., Pearson education, Inc.2012