II.5 Efek Dielektrik - Fakultas keguruan dan ilmu pendidikan universitas muhammadiyah prof. Dr. Hamka jakarta selatan

II.5 Efek Dielektrik
Pada kebanyakan kapasitor,antara pelatnya tersisip bahan padat yang tak menghantar, disebut dielektrik. Kapasitor yang umum ialah kapasitor dari kertas dan lembaran logam. Pada jenis ini pelatnya berupa logam lembaran dan dielektriknya berupa kertas yang dilapis dengan malam. Denga menggulung kapasitor seperti ini dapat diperoleh kapasitansi sebesar beberapa mikrofarad pada volum yang relatif kecil.
Fungsi dielektrik padat antara pelat sebuah kapasitor ada tiga. Pertama, mengatasi masalah mekanika menempatkan dua lembaran besar logam sangat berdekatan tanpa terjadi persentuhan. Kedua, karena kuat sifat dielektrik ini lebih besar dari pada kuat sifat dielektrik udara, maka maksimum beda potensial yang dapat ditahan oleh kapasitor bertambah tanpa merusaknya. Ketiga, pada suatu dimensi tertentu, kapasitansi sebuah kapasitor akan beberapa kali lebih besar bila ada dielektrik tersisip antara pelatnya dibandingkan dengan bila pelat – pelatnya berada dalam vakum.
Menjadi turunnya beda potensial akibat penyisipan dielektrik antara kedua pelat berarti turunnya pula intensitas listrik, yang selanjutnya mengakibatkan turunnya muatan netto per satuan luas. Karena tak ada muatan yang bocor keluar dari pelat, penurunan itu hanya dapat disebabkan muatan terinduksi yang muncuk pada kedua permukaan dielektrik. Artinya, permukaan dielektrik yang berdekatan dengan pelat positif memiliki muatan induksi negatif, dan yang berdekatan dengan pelat negatif, bermuatan induksi positif.
II.6 Teori Kemolekulan muatan terinduksi pada dielektrik
Bila sebuah konduktor ditempatkan dalam suatu medan listrik, muatan bebas di dalamnya akan berpindah karena pengaruh gaya yang dikerjakan medan terhadapnya. Dalam keadaan stabil akhir, konduktor itu akan mempunyai muatan induksi pada permukaannya, yang terdistribusi demikian rupa sehingga medan muatan yang terinduksi itu menetralkan medan asal disemua titik dalam dan intensitas listrik netto di dalam konduktor turun sampai menjadi nol. Tetapi, dielektrik tidak mengandung muatan bebas.
Molekul sebuah dielektrik dapa berupa molekul polar atau molekul nonpolar. Molekul nonpolar adalah molekul dalam mana pusat – pusat gaya berat inti positif dan elektron normalnya berhimpitan, sedangkan pada molekul polar tidaklah berhimpitan. Molekul simetris seperti H2, N2, dan O2 adalah nonpolar. Di dalam molekul N2O dan molekul H2O, sebaliknya, kedua atom nitrogen atau kedua atom hidrogennya terletak pada sisi yang sama dari atom oksigen. Semua molekul ini polar, dan masing – masing merupakan dipol listrik yang sangat kecil. Di bawah pengaruh medan listrik, muatan molekul nonpolar berpindah. Molekul ini dikatakan dipolarisasi oleh medan tersebut dan disebut dipol terinduksi. Bila sebuah molekul nonpolar terpolarisasi, maka timbul gaya pemulih (restoring force) pada muatan yang berpindah itu, menarik kembali seolah – olah ada hubungan pegas. Di bawah pengaruh suatu medan luar tertentu, muatan itu saling berpisahan sampai gaya pemulih tadi sama besar dan berlawanan dengan gaya yang dikerjakan terhadap muatan oleh medan. Sudah tentu gaya pemulihan itu berbeda besarnya menurut jenis molekul. Bedanya sepadan dengan perpindahan yang ditimbulkan suatu medan tertentu.
Gambar 27-10 perilaku molekul polar (a) bila medan listrik tidak ada dan (b) bila medan listrik ada.
Bila sebuah dielektrik terdiri atas molekul polar atau dipol permanen, orientasi dipol ini acakan (random) kalau tak ada medan listrik. Bila ada medan listrik, gaya terhadap sebuah dipol akan menimbulkan sebuah kopel, yang efeknya membuat arah kopel sama dengan arah medan itu. Makin kuat medan, makin besar efek yang mengarahkan itu. Muatan yang terinduksi pada permukaan sebuah dielektrik yang berada di dalam suatu medan luar dapat memberikan penjelasan tentang tertariknya sebuah bola empulur tak bermuatan atau secarik kertas oleh sebuah batang dari karet atau dari gelas yang bermuatan.
Pandangan lebih umum atas dasar faktor energi menunjukkan bahwa setiap benda dielektrik yang berada dalam medan yang tidak merata selalu mengalami suatu gaya yang mendorongnya dari medan yang lebih lemah ke medan yang lebih kuat, asal koefisien dielektrik benda itu lebih besar dari koefisien dielektrik medium tempat benda bersangkutan berada. Jika koefisien dielektrik itu kecil, terjadilah hal yang sebaliknya.
II.7 Polarisasi dan Perpindahan
Sampai sejauh mana molekul dielektrik dipolarisasi oleh medan listrik, atau terionisasi dalam arah medan, diperinci berdasarkan sebuah besaran vektor yang disebut polarisasi P. Jika p ialah komponen vektor momen dipol tiap molekul dalam arah medan yang ada, dan ada n molekul per satuan volum, maka polarisasinya ialah
P = np (27-10)
Karena itu polarisasi tidak lain ialah momen dipol per satuan volum. Vektor polarisasinya sama arahnya dengan arah momen dipol molekul, dari kiri ke kanan dalam gambar 27-11. Khusus dalam kejadian seperti pada gambar 27-11, besar P itu sama di semua titik dielektrik. Dalam kejadian lain, besarnya itu dapat berbeda-beda dari titik ke titik dan kuantitas n dan p dengan demikian hanya menyangkut volum kecil termasuk titik. Satuan mksc untuk P ialah satu coulomb meter per m3, atau satu coulomb per m2 (1 C/m2).
Gambar 27-11 Polarisasi sebuah dielektrik dalam medan listrik menimbulkan lapis-lapis tipis muatan yang terikat di permukaannya.
Momen dipol sebuah dipol didefinisikan sebagai perkalian salah satu muatan yang membentuk dipol dengan jarak pemisahan muatan. Dielektrik terpolarisasi dalam gambar 27-11 dapat dianggap sebagai satu dipol besar, yang terjadi dari muatan terikat yang terinduksi Q pada permukaan-permukaan berhadapan yang dipisahkan oleh table dielektrik, ℓ. Maka momen dipol dielektrik sama dengan Qb 1, dank arena volum dielektrik sama dengan perkalian luas penampang A dengan tebal ℓ, maka momen dipol per satuan volum, atau polarisasi P, ialah:
(27-11)
disini σb berarti rapat permukaan muatan yang terikat. Khusus dalam kejadian ini, polarisasi sama bilangannya dengan bilangan rapat permukaan muatan sekitarnya. Yang lebih umum, rapat permukaan muatan yang terikat itu sama dengan komponen normal P pada permukaan.
Gambar 27-13 melukiskan selembar dielektrik terpolarisasi dalam medan listrik yang ditimbulkan pelat-pelat konduktor yang muatannya berlawanan. Garis-garis putus adalah garis batas sebuah permukaan Gauss yang tertutup berbentuk silinder yang luas penampang lintang A. Polarisasinya merata di seluruh dielektrik itu dan digambarkan dengan vektor tunggal P. Polarisasi itu nol pada muka sebelah kiri silinder dan integral permukaan P atas seluruh permukaan tertutup itu menjadi perkalian PA. Tetapi karena berdasarkan persamaan (27-11) PA = Qb, maka integral permukaan sama dengan muatan di dalam silinder. Dalam kejadian umum, kita dapatkan
(27-12)
disini tanda minus harus tercantumkan karena seperti jelas terlihat dari diagram, fluksi P mengarah ke luar (dank arena itu positif), sedangkan muatan terikat di dalam permukaan tertutup itu negatif. Persamaan (27-12) adalah hukum Gauss untuk vektor polarisasi P. Integral permukaan P atas seluruh suatu permukaan tertutup (fluksi P) sama dengan harga negatif muatan yang terikat di dalam permukaan tersebut.
Resultan intensitas listrik E di sembarang titik, bila ada muatan terikat, ditimbulkan baik oleh muatan bebas maupun oleh muatan terikat bentuk umum hukum Gauss untuk E karena itu ialah
Bila Qb ditiadakan dari dua persamaan di atas, maka kita peroleh
(27-13)
Atau
(27-14)
Mari kita rumuskan sebuah besaran baru D yang disebut perpindahan sebagai penjumlahan vektor
(27-15)
Maka persamaan (27-14) mengambil bentuk sederhana
(27-16)
yang tak lain adalah hukum Gauss untuk vektor perpindahan: integral permukaan D atas seluruh sembarang permukaan tertutup (fluksi D) hanya sama dengan muatan bebas di dalam permukaan itu.
Ringkasnya, untuk setiap permukaan tertutup, fluksi E sama dengan total muatan terkurang (dibagi ), fluksi P sama dengan (harga negatif) muatan terikat, dan fluksi D sama dengan muatan bebas. Vektor perpindahan memiliki beberapa kegunaan dan sifat penting yang akan kita bahas nanti. Seperti halnya medan listrik, medan perpindahan dapat dilukiskan dengan garis-garis, yang disebut garis perpindahan. Dalam ruang bebas, bentuknya sama seperti garis E. Dalam dielektrik, . Dalam ruang bebas dimana P = 0, .
II.8 Suseptibilitas, koefisien dielektrik, dan permitivitas
Vektor polarisasi P dalam sebuah dielektrik isotopik sama arahnya dengan arah vektor elektrik resultan E dan besarnya bergantung kepada E dan kepada sifat dielektrik itu. Kita difinisikan dielektrik tersebut sebagai suseptibilitas berdasarkan persamaan
P = x E (27-17)
Makin besar suseptibilitas, makin besar polaritas pada suatu medan listrik tertentu. “Suseptibilitas ruang hampa” nol, karena hanya benda yang dapat terpolarisasi. Suseptibilitas hanyalah sebuah bilangan, karena baik satuan P maupun satuan E ialah 1 C/m2.
Dinyatakan dengan suseptibilitas, perpindahan D itu ialah
(27-18)
Koefisien dielektrik K ditentukan oleh
K = 1 x (27-19)
Sehingga
D = KE (27-20)
Koefisien dielektrik juga hanya sebuah bilangan, sama dengan 1 untuk vakum dan lebih besar dari 1 untuk benda zat, koefisien dielektrik beberapa bahan tertera dalam table 27-1.
Perkalian K disebut permitivitas :
(27-21)
Dan karena itu
(27-22)
Dalam vakum, K = 1 dan . Karena itu konstanta elektrik sering disebut permitivitas hampa, atau permitivitas ruang bebas.
Karena K = , koefisien dielektrik juga disebut permitivitas relatif, yaitu relatif terhadap ruang dan waktu.
Dalam table 27-1 dapat dilihat bahwa koefisien dielektrik udara begitu hampir sama dengan 1, sehingga untuk hampir semua penggunaan, setiap susunan benda bermuatan dalam udara praktis ekuivalen dengan susunannya dalam ruang hampa.
Besaran X, K dan hanyalah tiga macam cara menjelaskan suatu sifat yang itu juga dari sebuah dielektrik, yaitu sampai sejauh mana dielektrik itu terpolarisasi bila benda berada dalam medan listrik. Yang mana saja dari besaran yang tiga itu dapat dinyatakan dengan dan dengan yang lainnya. Jadi, sebagai contoh
Kiranya dapatlah kita memahami sekarang mengapa beda potensial V, dalam gambar 27-7 lebih kecil dari beda potensial V0. Untuk rapat muatan bebas σ yang tertentu pada semua pelat, intensitas listrik E0 antara pelat dalam ruangan hampa ialah
Dan beda potensial V0 ialah
disini 1 ialah jarak pemisahan antara pelat.
TABEL 27-1. KOEFISIENSI DIELEKTRIK K
Bahan
|
t, 0C
|
K
|
Ruang hampa (vakum)
Gelas
Mika
Karet hevea
Neoprene
Bakelit
Pleksiglas
Politilen
Vinilit
Teflon
Germanium
Stronsium titanat
Titanium dioksida (rutil)
Air
Gliserin
Ammonia cair
Benzena
Udara (1 atm)
Udara (100 atm)
|
-
25
25
27
24
27
57
88
27
23
20
47
76
96
110
22
20
20
20
25
25
77,7
20
20
20
|
1
5 – 10
3 – 6
2,94
6,70
5,50
7,80
18,2
3,40
2,25
3,18
3,60
3,92
6,60
9,9
2,1
16
310
173 (┴), 86 (║)
78,54
42,5
25
2,284
1,00059
1,0548
|
BAB III
PENUTUP
III.1 Kesimpulan
Kapasitansi atau kapasitans adalah ukuran jumlah muatan listrik yang disimpan (atau dipisahkan) untuk sebuah potensial listrik yang telah ditentukan. Bentuk paling umum dari piranti penyimpanan muatan adalah sebuah kapasitor dua lempeng/pelat/keping. Jika muatan di lempeng/pelat/keping adalah Q dan –Q, dan V adalah tegangan listrik antar lempeng/pelat/keping, maka rumus kapasitans adalah:
Dielektrik didefinisikan sebagai sebuah bahan atau materi dimana semua muatannya terikat pada atom atau molekul dan hanya mengalami pergeseran dalam skala mikroskopik, sehingga bergerak sedikit dalam molekul.
Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan (polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti bahan konduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik.
DAFTAR PUSTAKA
D.Halliday, R.Resnick. Fundamentals Of Physics,edisi ke-2. New York.1981
Giancoli. Fisika Edisi Kelima Jilid-2.Jakarta: Erlangga.2001
Zemansky, Sears. Fisika Untuk Universitas 2 Listik Magnet. Bandung: Bina Cipta. 1962
ARUS, HAMBATAN, dan GAYA GERAK LISTRIK
MAKALAH
”Untuk memenuhi salah satu tugas pada mata kuliah Listrik Magnet”
Disusun oleh:
Muchlas Yulianto
1001135038
Nurul Hikmah
1001135046
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA 5B
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PROF. DR. HAMKA
JAKARTA
2013 M/1433 H
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb
Puji serta syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan nikmatnnya kepada kami yang salah satunnya adalah nikmat sahat wal ‘afiat, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah kami yang berjudul “Arus, Hambatan, dan Gaya Gerak Listrik” tepat waktu. Shalawat serta salam tak lupa kami haturkan keharibaan baginda Nabi Muhammad SAW yang kami kagumi kearifannya dan kami coba contoh akhlaknya yang mulia.
Pertama-tama kami mengucapkan terima kasih kepada bunda Yulia Rahmadhar, M.pd selaku dosen kami dalam mata kuliah Listrik Magnet, perpustakaan UHAMKA yang mempermudah kami mendapatkan buku-buku referensi untuk makalah kami ini dan beberapa pihak yang tidak bisa kami sebutkan namannya satu persatu, tapi tetap tidak mengurangi rasa trimkasih kami atas bantuan dan masukannya.
Kami berharap makalah ini dapat bermanfaat dan bisa menjadi sedikit pengetahuan baik untuk kami khususnya dan teman-teman yang membaca umumnya.tapi seperti kata pepatah “tiada yang sempurna selain Allah SWT” kami sangat menyadari bahwa makalah kami ini memiliki banyak kekurangan, baik dari segi isi ataupun sistematika penulisan yang kami gunakan. Karena itu kami mohon dibukakan pintu maaf apa bila ada ketidak sesuaian dalam makalah kami ini, masukan dari teman sekalian pastinya akan sangat membantu untuk kami.
Wassalamu’alaikum wr. Wb
Jakarta, januari 2013
DAFTAR ISI
Cover
Kata Pengantar ……………………………………………………………
Daftar Isi ………………………………………………………………….
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang ………………………………………………...
I.2 Pembatasan Masalah …………………………………………..
I.3 Tujuan …………………………………………………………
BAB II KAJIAN TEORI
II.1 Kapasitor ……………………………………………………..
II.2 Kapasitor Pelat Paralel ……………………………………….
II.3 Kapasitor dalam Seri dan Paralel …………………………….
II.4 Energi Kapasitor Bermuatan …………………………………
II.5 Efek Dielektrik ……………………………………………….
II.6 Teori Kemolekulan Muatan Terinduksi pada Dielektrik ……...
II.7 Polarisasi dan Perpindahan …………………………………...
II.8 Suseptibilitas, Koefisien Dielektrik, dan Permitivitas ………..
BAB III PENUTUP
III.1 Kesimpulan ………………………………………………….
Daftar Pustaka
|
i
ii
1
2
2
3
4
5
9
10
11
13
16
19
|
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan elektron – elektron, mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Arus listrik dalam diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere. Dalam suatu rantai aliran listrik, kuat arus berbanding lurus dengan beda potensial antara kedua ujung – ujungnya dan berbanding terbalik dengan besarnya hambatan listrik.
Hambatan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik dengan arus listrik yang melewatinya. Hambatan listrik mempunyai satuan Ohm. Hambatan suatu konduktor selain tergantung pada karakteristik dan geometrik benda juga tergantung pada temperatur. Sebenarnya lebih tepat dikatakan harga resistivitas suatu konduktor adalah tergantung pada temperatur.
Jika kutub utara magnet di dekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan semakin banyak. Perubahan jumlah garis gaya itulah yang menyebabkan terjadinya penyimpangan jarum glavanometer. Hal yang sama juga akan terjadi jika magnet digerakkan keluar dari kumparan. Akan tetapi, arah simpangan jarum galvanometer berlawanan dengan penyimpangan semula. Dengan demikian, dapat dsimpulkan bahwa penyebab timbulnya GGL induksi adalah perubahan garis gaya magnet yang dilingkupi oleh kumparan.
1.2 Pembatasan Masalah
Dalam makalah ini kami membatasi pembatasannya yaitu membahas mengenai arus, hambatan dan gaya gerak listrik.
1.3 Tujuan
Adapun tujuandalam pembuatan makalah ini adalah
-
Mengetahui apa yang dimaksud dengan arus listrik
-
Mengetahui apa yang dimaksud dengan hambatan listrik
-
Mengetahui apa yang dimaksud dengan gaya gerak listrik
-
Memahami penghitungan arus, hambatan dan gaya gerak listrik
BAB II
ARUS, HAMBATAN, DAN GAYA GERAK LISTRIK
-
Arus
Partikel itu umumnya dapat bergerak bebas. Arus melalui suatu daerah secara kuantitatif didefinisikan sebagai muatan partikel (dQ) yang mengalir dalam selang waktu (dt).
Satuan arus dalam system mkcs adalah coulomb per sekon, disebut satu ampere (1 A). karena arus itu aliran muatan, ungkapan “aliran arus” janganlah dipakai karena secara harfiah akan berarti “alirannya aliran muatan”. Jadi, kita seharusnya sebagai contoh, menyebut “arus dalam sebuah konduktor 10 A” bukan “arus mengalir dalam konduktor 10A”.
Mari kita tinjau sepotong konduktor yang penampang lintangnya A di dalamny ada medan listrik resultan E dari kiri ke kanan. Anggap saja, konduktor itu mengandung partikel bermuatan bebas, positif maupun negative. Partikel yang bermuatan positif bergerak menurut arah medan dan yang bermuatan negative bergerak kea rah yang berlawanan. Misalkan ada partikel sebanyak per satuan volum, selama bergerak dengan kecepatan hanyut . Dalam selang waktu dt masing-masing maju sejauh dt. Dengan demikian, semua partikel dalam bagian silinder yang tergambar seperti petak sepanjang dt. Volum silinder itu Adt, banyaknya partikel didalamnya Adt.
Arus yang diangkut oleh partikel bermuatan positif karena itu ialah
Begitu pula, jika ada partikel negative sebanyak per satuan volum, yang masing-masing mempunyai muatan dan bergerak dari kanan ke kiri dengan kecepatan , maka arus yang diangkutnya adalah
Partikel positif yang melintas dari kiri ke kanan menaikkan muatan positif yang ada di sebelah kanan penampang, sedangkan partikel negative yang bergerak dari kanan ke kiri mengurangi muatan negative yang ada di sebelah kanan penampang. Arus total I pada penampang karena itu sama dengan jumlah arus ditambah arus :
Secara umum bisa ditulis
Arus per satuan luas penampang lintang disebut rapat arus J:
Rapat arus adalah arus yang mengalir persatuan luas penampang dari persamaan diatas dapat diketahui nahwa rapat arus vektor J adalah
-
|