Pernahkah kamu melihat pelangi? Pernahkah kamu melihat warna-warni di jalan aspal yang basah? Pelangi terjadi akibat dispersi cahaya matahari pada titik-titik air hujan. Adapun warna-warni yang terlihat di jalan beraspal terjadi akibat gejala interferensi cahaya. Gejala dispersi dan interferensi cahaya menunjukkan bahwa cahaya merupakan gejala gelombang. Gejala difraksi dan polarisasi cahaya juga menunjukkan sifat gelombang dari cahaya.
pola warna-warni di atas aspal basah yang dikenai bensin terjadi akibat interferensi cahaya
Gejala fisika yang lain seperti spektrum diskrit atomik, efek fotolistrik, dan efek Compton menunjukkan bahwa cahaya juga dapat berperilaku sebagai partikel. Sebagai partikel cahaya disebut dengan foton yang dapat mengalami tumbukan selayaknya bola.
Efek Fotolistrik
Ketika seberkas cahaya dikenakan pada logam, ada elektron yang keluar dari permukaan logam. Gejala ini disebut efek fotolistrik. Efek fotolistrik diamati melalui prosedur sebagai berikut. Dua buah pelat logam (lempengan logam tipis) yang terpisah ditempatkan di dalam tabung hampa udara. Di luar tabung kedua pelat ini dihubungkan satu sama lain dengan kawat. Mula-mula tidak ada arus yang mengalir karena kedua plat terpisah. Ketika cahaya yang sesuai dikenakan kepada salah satu pelat, arus listrik terdeteksi pada kawat. Ini terjadi akibat adanya elektron-elektron yang lepas dari satu pelat dan menuju ke pelat lain secara bersama-sama membentuk arus listrik.
Hasil pengamatan terhadap gejala efek fotolistrik memunculkan sejumlah fakta yang merupakan karakteristik dari efek fotolistrik. Karakteristik itu adalah sebagai berikut.
1. hanya cahaya yang sesuai (yang memiliki frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tertentu saja) yang memungkinkan lepasnya elektron dari pelat logam atau menyebabkan terjadi efek fotolistrik (yang ditandai dengan terdeteksinya arus listrik pada kawat). Frekuensi tertentu dari cahaya dimana elektron terlepas dari permukaan logam disebut frekuensi ambang logam. Frekuensi ini berbeda-beda untuk setiap logam dan merupakan karakteristik dari logam itu.
2. ketika cahaya yang digunakan dapat menghasilkan efek fotolistrik, penambahan intensitas cahaya dibarengi pula dengan pertambahan jumlah elektron yang terlepas dari pelat logam (yang ditandai dengan arus listrik yang bertambah besar). Tetapi, Efek fotolistrik tidak terjadi untuk cahaya dengan frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi ambang meskipun intensitas cahaya diperbesar.
3. ketika terjadi efek fotolistrik, arus listrik terdeteksi pada rangkaian kawat segera setelah cahaya yang sesuai disinari pada pelat logam. Ini berarti hampir tidak ada selang waktu elektron terbebas dari permukaan logam setelah logam disinari cahaya.
Karakteristik dari efek fotolistrik di atas tidak dapat dijelaskan menggunakan teori gelombang cahaya. Diperlukan cara pandang baru dalam mendeskripsikan cahaya dimana cahaya tidak dipandang sebagai gelombang yang dapat memiliki energi yang kontinu melainkan cahaya sebagai partikel.
Perangkat teori yang menggambarkan cahaya bukan sebagai gelombang tersedia melalui konsep energi diskrit atau terkuantisasi yang dikembangkan oleh Planck dan terbukti sesuai untuk menjelaskan spektrum radiasi kalor benda hitam. Konsep energi yang terkuantisasi ini digunakan oleh Einstein untuk menjelaskan terjadinya efek fotolistrik. Di sini, cahaya dipandang sebagai kuantum energi yang hanya memiliki energi yang diskrit bukan kontinu yang dinyatakan sebagai E = hf.
Konsep penting yang dikemukakan Einstein sebagai latar belakang terjadinya efek fotolistrik adalah bahwa satu elektron menyerap satu kuantum energi. Satu kuantum energi yang diserap elektron digunakan untuk lepas dari logam dan untuk bergerak ke pelat logam yang lain. Hal ini dapat dituliskan sebagai
Energi cahaya = Energi ambang + Energi kinetik maksimum elektron
E = W0 + Ekm
hf = hf0 + Ekm
Ekm = hf – hf0
Persamaan ini disebut persamaan efek fotolistrik Einstein. Perlu diperhatikan bahwa W0 adalah energi ambang logam atau fungsi kerja logam, f0 adalah frekuensi ambang logam, f adalah frekuensi cahaya yang digunakan, dan Ekm adalah energi kinetik maksimum elektron yang lepas dari logam dan bergerak ke pelat logam yang lain. Dalam bentuk lain persamaan efek fotolistrik dapat ditulis sebagai
Dimana m adalah massa elektron dan ve adalah dan kecepatan elektron. Satuan energi dalam SI adalah joule (J) dan frekuensi adalah hertz (Hz). Tetapi, fungsi kerja logam biasanya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV) sehingga perlu diingat bahwa 1 eV = 1,6 × 10−19 J.
Potensial Penghenti
Gerakan elektron yang ditandai sebagai arus listrik pada gejala efek fotolistrik dapat dihentikan oleh suatu tegangan listrik yang dipasang pada rangkaian. Jika pada rangkaian efek fotolistrik dipasang sumber tegangan dengan polaritas terbalik (kutub positif sumber dihubungkan dengan pelat tempat keluarnya elektron dan kutub negatif sumber dihubungkan ke pelat yang lain), terdapat satu nilai tegangan yang dapat menyebabkan arus listrik pada rangkaian menjadi nol.
Arus nol atau tidak ada arus berarti tidak ada lagi elektron yang lepas dari permukaan logam akibat efek fotolistrik. Nilai tegangan yang menyebabkan elektron berhenti terlepas dari permukaan logam pada efek fotolistrik disebut tegangan atau potensial penghenti (stopping potential). Jika V0 adalah potensial penghenti, maka
Ekm = eV0
Persamaan ini pada dasarnya adalah persamaan energi. Perlu diperhatikan bahwa e adalah muatan elektron yang besarnya 1,6 × 10−19 C dan tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V).
Aplikasi Efek fotolistrik
Efek fotolistrik merupakan prinsip dasar dari berbagai piranti fotonik (photonic device) seperti lampu LED (light emitting device) dan piranti detektor cahaya (photo detector).
5 Comments | Fisika Atom, Fisika Modern | Tagged: efek fotolistrik, einstein, elektron, foton, fungsi kerja logam, LED, potensial penghenti | Permalink
Posted by duniakufisika
________________________________________
Model Atom Mekanika Kuantum
6 February 2009
Penjelasan tentang struktur atom yang lebih lengkap diperlukan untuk mengetahui struktur yang lebih detil tentang elektron di dalam atom. Model atom yang lengkap harus dapat menerangkan misteri efek Zeeman dan sesuai untuk atom berelektron banyak. Dua gejala ini tidak dapat diterangkan oleh model atom Bohr.
Efek Zeeman
Spektrum garis atomik teramati saat arus listrik dialirkan melalui gas di dalam sebuah tabung lecutan gas. Garis-garis tambahan dalam spektrum emisi teramati jika atom-atom tereksitasi diletakkan di dalam medan magnet luar. Satu garis di dalam spektrum garis emisi terlihat sebagai tiga garis (dengan dua garis tambahan) di dalam spektrum apabila atom diletakkan di dalam medan magnet. Terpecahnya satu garis menjadi beberapa garis di dalam medan magnet dikenal sebagai efek Zeeman.
pemisahan garis spektrum atomik di dalam medan magnet
Efek Zeeman tidak dapat dijelaskan menggunakan model atom Bohr. Dengan demikian, diperlukan model atom yang lebih lengkap dan lebih umum yang dapat menjelaskan efek Zeeman dan spektrum atom berelektron banyak.
Model Atom Mekanika Kuantum
Sebelumnya kita sudah membahas tentang dualisme gelombang-partikel yang menyatakan bahwa sebuah objek dapat berperilaku baik sebagai gelombang maupun partikel. dalam skala atomik, elektron dapat kita tinjau sebagai gejala gelombang yang tidak memiliki posisi tertentu di dalam ruang. Posisi sebuah elektron diwakili oleh kebolehjadian atau peluang terbesar ditemukannya elektron di dalam ruang.
Demi mendapatkan penjelasan yang lengkap dan umum dari struktur atom, prinsip dualisme gelombang-partikel digunakan. Di sini gerak elektron digambarkan sebagai sebuah gejala gelombang. Persamaan dinamika Newton yang sedianya digunakan untuk menjelaskan gerak elektron digantikan oleh persamaan Schrodinger yang menyatakan fungsi gelombang untuk elektron. Model atom yang didasarkan pada prinsip ini disebut model atom mekanika kuantum.
posisi dan keberadaan elektron di dalam atom dinyatakan sebagai peluang terbesar elektron di dalam atom
Persamaan Schrodinger untuk elektron di dalam atom dapat memberikan solusi yang dapat diterima apabila ditetapkan bilangan bulat untuk tiga parameter yang berbeda yang menghasilkan tiga bilangan kuantum. Ketiga bilangan kuantum ini adalah bilangan kuantum utama, orbital, dan magnetik. Jadi, gambaran elektron di dalam atom diwakili oleh seperangkat bilangan kuantum ini.
Bilangan Kuantum Utama
Dalam model atom Bohr, elektron dikatakan berada di dalam lintasan stasioner dengan tingkat energi tertentu. Tingkat energi ini berkaitan dengan bilangan kuantum utama dari elektron. Bilangan kuantum utama dinyatakan dengan lambang n sebagaimana tingkat energi elektron pada lintasan atau kulit ke-n. untuk atom hidrogen, sebagaimana dalam model atom Bohr, elektron pada kulit ke-n memiliki energi sebesar
Adapun untuk atom berelektron banyak (terdiri atas lebih dari satu elektron), energi elektron pada kulit ke-n adalah
Dimana Z adalah nomor atom. Nilai-nilai bilangan kuantum utama n adalah bilangan bulat mulai dari 1.
n = 1, 2, 3, 4, ….
Bisa dikatakan bahwa bilangan kuantum utama berkaitan dengan kulit elektron di dalam atom. Bilangan kuantum utama membatasi jumlah elektron yang dapat menempati satu lintasan atau kulit berdasarkan persamaan berikut.
Jumlah maksimum elektron pada kulit ke-n adalah 2n2
Bilangan Kuantum Orbital
Elektron yang bergerak mengelilingi inti atom memiliki momentum sudut. Efek Zeeman yang teramati ketika atom berada di dalam medan magnet berkaitan dengan orientasi atau arah momentum sudut dari gerak elektron mengelilingi inti atom. Terpecahnya garis spektum atomik menandakan orientasi momentum sudut elektron yang berbeda ketika elektron berada di dalam medan magnet.
Tiap orientasi momentum sudut elektron memiliki tingkat energi yang berbeda. Meskipun kecil perbedaan tingkat energi akan teramati apabila atom berada di dalam medan magnet. Momentum sudut elektron dapat dinyatakan sebagai
Dimana
Bilangan l disebut bilangan kuantum orbital. Jadi, bilangan kuantum orbital l menentukan besar momentum sudut elektron. Nilai bilangan kuantum orbital l adalah
l = 0, 1, 2, 3, … (n – 1)
misalnya, untuk n = 2, nilai l yang diperbolehkan adalah l = 0 dan l = 1.
Bilangan Kuantum Magnetik
Momentum sudut elektron L merupakan sebuah vektor. Jika vektor momentum sudut L diproyeksikan ke arah sumbu yang tegak atau sumbu-z secara tiga dimensi akan didapatkan besar komponen momentum sudut arah sumbu-z dinyatakan sebagai Lz. bilangan bulat yang berkaitan dengan besar Lz adalah m. bilangan ini disebut bilangan kuantum magnetik. Karena besar Lz bergantung pada besar momentum sudut elektron L, maka nilai m juga berkaitan dengan nilai l.
m = −l, … , 0, … , +l
misalnya, untuk nilai l = 1, nilai m yang diperbolehkan adalah −1, 0, +1.
Gambar
Bilangan Kuantum Spin
Bilangan kuantum spin diperlukan untuk menjelaskan efek Zeeman anomali. Anomali ini berupa terpecahnya garis spektrum menjadi lebih banyak garis dibanding yang diperkirakan. Jika efek Zeeman disebabkan oleh adanya medan magnet eksternal, maka efek Zeeman anomali disebabkan oleh rotasi dari elektron pada porosnya. Rotasi atau spin elektron menghasilkan momentum sudut intrinsik elektron. Momentum sudut spin juga mempunyai dua orientasi yang berbeda, yaitu spin atas dan spin bawah. Tiap orientasi spin elektron memiliki energi yang berbeda tipis sehingga terlihat sebagai garis spektrum yang terpisah.
garis spektra atom yang terpisah di dalam medan magnet berasal dari spin elektron
Spin elektron diwakili oleh bilangan kuantum tersendiri yang disebut bilangan kuantum magnetik spin (atau biasa disebut spin saja). Nilai bilangan kuantum spin hanya boleh satu dari dua nilai +½ atau −½. jika ms adalah bilangan kuantum spin, komponen momentum sudut arah sumbu-z dituliskan sebagai
Sz = msћ
Dimana
Spin ke atas dinyatakan dengan
Spin ke bawah dinyatakan dengan
Atom Berelektron Banyak
Model atom mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan struktur atom untuk atom berelektron banyak. Posisi atau keadaan elektron di dalam atom dapat dinyatakan menggunakan seperangkat (empat) bilangan kuantum. Misalnya, elektron dengan bilangan kuantum n = 2, l = 1, m = −1 dan ms = −½ menyatakan sebuah elektron pada kulit L, subkulit p, orbital −1 dengan arah spin ke bawah.
19 Comments | Fisika Atom | Tagged: atom berelektron banyak, bilangan kuantum, efek Zeeman, mekanika kuantum, Persamaan Schrodinger, spin elektron | Permalink
Posted by duniakufisika
________________________________________
Spektrum Garis Atomik dan Model Atom Bohr
6 February 2009
Spektrum Garis Atomik
Jika sebuah gas diletakkan di dalam tabung kemudian arus listrik dialirkan ke dalam tabung, gas akan memancarkan cahaya. Cahaya yang dipancarkan oleh setiap gas berbeda-beda dan merupakan karakteristik gas tersebut. Cahaya dipancarkan dalam bentuk spektrum garis dan bukan spektrum yang kontinu.
Kenyataan bahwa gas memancarkan cahaya dalam bentuk spektrum garis diyakini berkaitan erat dengan struktur atom. Dengan demikian, spektrum garis atomik dapat digunakan untuk menguji kebenaran dari sebuah model atom.
spektrum garis berbagai gas
Spektrum garis membentuk suatu deretan warna cahaya dengan panjang gelombang berbeda. Untuk gas hidrogen yang merupakan atom yang paling sederhana, deret panjang gelombang ini ternyata mempunyai pola tertentu yang dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan matematis. Seorang guru matematika Swiss bernama Balmer menyatakan deret untuk gas hidrogen sebagai persamaan berikut ini. selanjutnya, deret ini disebut deret Balmer. Dimana panjang gelombang dinyatakan dalam satuan nanometer (nm).
Beberapa orang yang lain kemudian menemukan deret-deret yang lain selain deret Balmer sehingga dikenal adanya deret Lyman, deret Paschen, Bracket, dan Pfund. Pola deret-deret ini ternyata serupa dan dapat dirangkum dalam satu persamaan. Persamaan ini disebut deret spektrum hidrogen.
Dimana R adalah konstanta Rydberg yang nilainya 1,097 × 107 m−1.
- Deret Lyman (m = 1)
dengan n = 2, 3, 4, ….
- Deret Balmer (m = 2)
dengan n = 3, 4, 5 ….
- Deret Paschen (m = 3)
dengan n = 4, 5, 6 ….
- Deret Bracket (m = 4) dengan n = 5, 6, 7, ….
- Deret Pfund (m = 5) dengan n = 6, 7, 8 ….
Dalam model atom Rutherford, elektron berputar mengelilingi inti atom dalam lintasan atau orbit. Elektron yang berputar dalam lintasan seolah-olah bergerak melingkar sehingga mengalami percepatan dalam geraknya. Menurut teori elektromagnetik, elektron yang mengalami percepatan akan memancarkan gelombang elektromagnetik secara kontinu. Ini berarti elektron lama kelamaan akan kehabisan energi dan jatuh ke dalam tarikan inti atom. Ini berarti elektron tidak stabil. Di pihak lain elektron memancarkan energi secara kontinu dalam spektrum kontinu. Ini bertentangan dengan kenyataan bahwa atom memancarkan spektrum garis.
Ketidakstabilan elektron dan spektrum kontinu sebagai konsekuensi dari model atom Rutherford tidak sesuai dengan fakta bahwa atom haruslah stabil dan memancarkan spektrum garis. Diperlukan penjelasan lain yang dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen.
Model Atom Bohr
Model atom Bohr dikemukakan oleh Niels Bohr yang berusaha menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen yang tidak dapat dijelaskan oleh model atom Rutherford. Model atom Bohr memuat tiga postulat sebagai berikut.
1. di dalam atom hidrogen, elektron hanya dapat mengelilingi lintasan tertentu tertentu yang diijinkan tanpa membebaskan (melepaskan) energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu yang sesuai.
2. elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang lain. Energi dalam bentuk foton cahaya akan dilepaskan jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dalam, sedangkan Energi dalam bentuk foton cahaya akan diserapkan supaya elektron berpindah ke lintasan yang lebih luar. Energi dilepas atau diserap dalam paket sebesar hf sesuai dengan persamaan Planck.
E = hf
Dimana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi cahaya atau foton yang dilepas atau diserap.
3. lintasan-lintasan stasioner yang diijinkan untuk ditempati elektron memiliki momentum sudut yang merupakan kelipatan bulat dari nilai
(nilai ini biasa ditulis juga sebagai ћ)
Model atom Bohr
Model atom Bohr berhasil menjelaskan kestabilan elektron dengan memasukkan konsep lintasan atau orbit stasioner dimana elektron dapat berada di dalam lintasannya tanpa membebaskan energi. Spektrum garis atomik juga merupakan efek lain dari model atom Bohr. Spektrum garis adalah hasil mekanisme elektron di dalam atom yang dapat berpindah lintasan dengan menyerap atau melepas energi dalam bentuk foton cahaya.
Dengan demikian, struktur atom berdasarkan model atom Bohr adalah elektron dapat berada di dalam lintasan-lintasan stasioner dengan energi tertentu. Lintasan elektron dapat juga dianggap sebagai tingkat energi elektron.
Elektron yang berada di lintasan tertentu yang stasioner dengan jari-jari tertentu dikatakan memiliki energi tertentu. Elektron yang berada di lintasan ke-n berada pada jari-jari lintasan dan energi sebagai berikut.
Dalam persamaan ini, jari-jari r dinyatakan dalam satuan nanometer (nm) dan energi E dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV).
Misteri Efek Zeeman
Meskipun model atom Bohr dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen, model atom Bohr tidak dapat digunakan untuk menentukan spektrum atom berelektron banyak. Selain itu, terdapat garis-garis spektra misterius akibat efek Zeeman yang masih perlu penjelasan lebih lanjut. Ini adalah kelemahan model atom Bohr yang masih belum lengkap walaupun sudah lebih maju dibanding model atom Rutherford.
Rabu, 15 Desember 2010
Radiasi Benda Hitam
Ketika sebuah benda dikenai radiasi, maka benda tersebut akan menyerap dan memancarkan kembali radiasi tersebut.
Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sekaligus pemancar radiasi yang buruk sedangkan benda putih mengkilap merupakan pemancar radiasi yang baik. Benda dikatakan hitam sempurna bila seluruh radiasi yang datangi kepadanya terserap semuanya tanpa sedikitpun yang terpancar kembali.Kemampuan suatu bahan untuk menyerap radiasi dinamakan sebagai emisivitas (ε). Benda hitam mempunyai emisivitas = 1 sedangkan benda mengkilap mempunyai emisivitas = 0.
besarnya intensitas radiasi yang dipancarkan benda bergantung pada sifat bahan (emisivitas) dan suhunya. Secara matematis ditulis :
R = ε . σ . T4
R = Intensitas radiasi
ε = Emisivitas bahan
Intensitas energi radiasi yang dipancarkan benda hitam dinyatakan sebagai
Hukum pergeseran Wien menyatakan bahwa panjang gelombang dengan intensitas maksimumyang dipancarkan benda hitam selalu berbanding terbalik dengan suhu benda hitam tersebut.
Hubungannya adalah
Tλmax=2.898...x10 pangkat 6 nm K
Dalam teori klasik dinyatakan bahwa kerapatan energi yang dipancarkan sebuah benda adalah
u(λ, T) = 8.phi.kTλ^-4
Pada persamaan tersebut terlihat bila lambda mendekati nol maka kerapatan energinya tak terhingga. Ini disebut bencana ultraviolet.
Dalam persamaan Planck, persamaan dalam teori klasik tersebut dikoreksi menjadi
sehingga ketika lambda mendekati nol, kerapatan energi tidak tak terhingga.
Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sekaligus pemancar radiasi yang buruk sedangkan benda putih mengkilap merupakan pemancar radiasi yang baik. Benda dikatakan hitam sempurna bila seluruh radiasi yang datangi kepadanya terserap semuanya tanpa sedikitpun yang terpancar kembali.Kemampuan suatu bahan untuk menyerap radiasi dinamakan sebagai emisivitas (ε). Benda hitam mempunyai emisivitas = 1 sedangkan benda mengkilap mempunyai emisivitas = 0.
besarnya intensitas radiasi yang dipancarkan benda bergantung pada sifat bahan (emisivitas) dan suhunya. Secara matematis ditulis :
R = ε . σ . T4
R = Intensitas radiasi
ε = Emisivitas bahan
Intensitas energi radiasi yang dipancarkan benda hitam dinyatakan sebagai
Hukum pergeseran Wien menyatakan bahwa panjang gelombang dengan intensitas maksimumyang dipancarkan benda hitam selalu berbanding terbalik dengan suhu benda hitam tersebut.
Hubungannya adalah
Tλmax=2.898...x10 pangkat 6 nm K
Dalam teori klasik dinyatakan bahwa kerapatan energi yang dipancarkan sebuah benda adalah
u(λ, T) = 8.phi.kTλ^-4
Pada persamaan tersebut terlihat bila lambda mendekati nol maka kerapatan energinya tak terhingga. Ini disebut bencana ultraviolet.
Dalam persamaan Planck, persamaan dalam teori klasik tersebut dikoreksi menjadi
sehingga ketika lambda mendekati nol, kerapatan energi tidak tak terhingga.
GGL Induksi
Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris, membuat hipotesis (dugaan) bahwa medan magnet seharusnya dapat menimbulkan arus listrik. Untuk membuktikan kebenaran hipotesis Faraday.
Berdasarkan percobaan, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Penyimpangan jarum galvanometer tersebut menunjukkan bahwa pada kedua ujung kumparan terdapat arus listrik. Peristiwa timbulnya arus listrik seperti itulah yang disebut induksi elektromagnetik. Adapun beda potensial yang timbul pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.
Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan makin banyak. Perubahan jumlah garis gaya itulah yang menyebabkan terjadinya penyimpangan jarum galvanometer. 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 disimpulkan bahwa penyebab timbulnya GGL induksi adalah perubahan garis gaya magnet yang dilingkupi oleh kumparan.
Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Adapun yang dimaksud fluks nmgnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.
Generator
Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubalian energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.
Generator AC
Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday
GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara:
memperbanyak lilitan kumparan,
menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.
mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.
Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).
Generator DC
Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).
Transformator
Agar tidak berbahaya tegangan yang tinggi itu harus diturunkan terlebih dahulu sebelum arus listrik disalurkan ke rumah-rumah penduduk. Pada umumnya tegangan listrik yang disalurkan ke rumah-rumah penduduk ada dua macam, yaitu 220 volt dan 1l0 volt. Alat yang digunakan untuk menurunkan tegangan disebut transformator.
Bagian utama transformator adalah dua buah kumparan yang keduanya dililitkan pada sebuah inti besi lunak. Kedua kumparan tersebut memiliki jumlah lilitan yang berbeda. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC disebut kumparan primer, sedangkan kumparan yang lain disebut kumparan sekunder.
Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan AC (dialiri arus listrik AC), besi lunak akan menjadi elektromagnet. Karena arus yang mengalir tersebut adalah arus AC, garis-garis gaya elektromagnet selalu berubah-ubah. Oleh karena itu, garis-garis gaya yang dilingkupi oleh kumparan sekunder juga berubah-ubah. Perubahan garis gaya itu menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Hal itu menyebabkan pada kumparan sekunder mengalir arus AC (arus induksi).
Kita dapat rnembedakan transformator menjadi dua macam. yaitu transformator step up dan transformator step down. Transformator .step up adalah transformator yang jumlah lilitan primernya lebih kecil dari pada lilitan sekunder. Oleh karena itu, transformator step up dapat digunakun untuk
Berdasarkan percobaan, ditunjukkan bahwa gerakan magnet di dalam kumparan menyebabkan jarum galvanometer menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan mendekati kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kanan. Jika magnet diam dalam kumparan, jarum galvanometer tidak menyimpang. Jika kutub utara magnet digerakkan menjauhi kumparan, jarum galvanometer menyimpang ke kiri. Penyimpangan jarum galvanometer tersebut menunjukkan bahwa pada kedua ujung kumparan terdapat arus listrik. Peristiwa timbulnya arus listrik seperti itulah yang disebut induksi elektromagnetik. Adapun beda potensial yang timbul pada ujung kumparan disebut gaya gerak listrik (GGL) induksi.
Terjadinya GGL induksi dapat dijelaskan seperti berikut. Jika kutub utara magnet didekatkan ke kumparan. Jumlah garis gaya yang masuk kumparan makin banyak. Perubahan jumlah garis gaya itulah yang menyebabkan terjadinya penyimpangan jarum galvanometer. 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 disimpulkan bahwa penyebab timbulnya GGL induksi adalah perubahan garis gaya magnet yang dilingkupi oleh kumparan.
Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Adapun yang dimaksud fluks nmgnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.
Generator
Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu. Caranya ialah bagian atas dinamo (bagian yang dapat berputar) dihubungkan ke roda sepeda. Pada proses itulah terjadi perubalian energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik. Alat ini pertama kali ditemukan oleh Michael Faraday.
Berkebalikan dengan motor listrik, generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Energi kinetik pada generator dapat juga diperoleh dari angin atau air terjun. Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.
Generator AC
Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday
GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara:
memperbanyak lilitan kumparan,
menggunakan magnet permanen yang lebih kuat.
mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan.
Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).
Generator DC
Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator).
Transformator
Agar tidak berbahaya tegangan yang tinggi itu harus diturunkan terlebih dahulu sebelum arus listrik disalurkan ke rumah-rumah penduduk. Pada umumnya tegangan listrik yang disalurkan ke rumah-rumah penduduk ada dua macam, yaitu 220 volt dan 1l0 volt. Alat yang digunakan untuk menurunkan tegangan disebut transformator.
Bagian utama transformator adalah dua buah kumparan yang keduanya dililitkan pada sebuah inti besi lunak. Kedua kumparan tersebut memiliki jumlah lilitan yang berbeda. Kumparan yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC disebut kumparan primer, sedangkan kumparan yang lain disebut kumparan sekunder.
Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan AC (dialiri arus listrik AC), besi lunak akan menjadi elektromagnet. Karena arus yang mengalir tersebut adalah arus AC, garis-garis gaya elektromagnet selalu berubah-ubah. Oleh karena itu, garis-garis gaya yang dilingkupi oleh kumparan sekunder juga berubah-ubah. Perubahan garis gaya itu menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Hal itu menyebabkan pada kumparan sekunder mengalir arus AC (arus induksi).
Kita dapat rnembedakan transformator menjadi dua macam. yaitu transformator step up dan transformator step down. Transformator .step up adalah transformator yang jumlah lilitan primernya lebih kecil dari pada lilitan sekunder. Oleh karena itu, transformator step up dapat digunakun untuk
Medan Magnetik Induks
Fisika OnlineInduksi Elektromagnetik.Listrik dalam era industri merupakan keperluan yang sangat vital.
Dengan adanya transformator, keperluan listrik pada tegangan yang sesuai dapat terpenuhi. Dahulu untuk membawa listrik diperlukan kuda. Kuda (pada gambar) sedang membawa pembangkit listrik untuk penerangan lapangan ski. Seandainya transformator belum ditemukan, berapa ekor kuda yang diperlukan untuk penerangan sebuah kota? Fenomena pemindahan listrik akan kamu pelajari pada bab ini. Pada bab ini kamu akan mempelajari pemanfaatan kemagnetan dalam produk teknologi.
Pretest
1. Bagaimanakah cara membuat elektromagnetik?
2. Apakah kegunaan galvanometer?
3. Berilah contoh alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik !
Kata-Kata Kunci
– arus induksi
– generator
– dinamo
– GGL induksi
– efisiensi transformator
– transformator
– fluks magnetik
– transmisi daya listrik
Adakah pusat pembangkit listrik di dekat rumahmu? Pembangkit listrik biasanya terletak jauh dari permukiman penduduk. Untuk membawa energi listrik, atau lebih dikenal transmisi daya listrik, diperlukan kabel yang sangat panjang. Kabel yang demikian dapat menurunkan tegangan. Karena itu diperlukan alat yang dapat menaikkan kembali tegangan sesuai keperluan. Pernahkah kamu melihat tabung berwarna biru yang dipasang pada tiang listrik? Alat tersebut adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. Bagaimanakah cara menaikkan dan menurunkan tegangan listrik? Untuk memahami hal ini pelajari uraian berikut.
A. GGL INDUKSI
Pada bab sebelumnya, kamu sudah mengetahui bahwa kelistrikan dapat menghasilkan kemagnetan. Menurutmu, dapatkah kemagnetan menimbulkan kelistrikan? Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.
1. Penyebab Terjadinya GGL Induksi
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis- garis gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida).
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut induksi elektromagnetik. Coba sebutkan bagaimana cara memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi?
2. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu : a. kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik), b. jumlah lilitan, c. medan magnet
Latihan
1. Apakah penyebab terjadinya GGL induksi?
2. Mengapa magnet yang diam di dalam kumparan tidak menimbulkan GGL induksi? 3. Apakah perubahan bentuk energi yang terjadi pada peristiwa induksi elektromagnetik?
4. Sebutkan tiga cara memperbesar arus induksi.
B. PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi mekanik yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal itu menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang berulang secara periodik
1. Generator Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator AC dapat diubah menjadi generator DC dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah generator AC kumparan berputar di antara kutub- kutub yang tak sejenis dari dua magnet yang saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian generator yang berputar (bergerak) disebut rotor. Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator. Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 0 derajat), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi (perhatikan Gambar 12.2). Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.
Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahanlahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga memb entuk sudut 360 derajat.
2. Dinamo Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.
C. TRANSFORMATOR
Di rumah mungkin kamu pernah dihadapkan persoalan tegangan listrik, ketika kamu akan menghidupkan radio yang memerlukan tegangan 6 V atau 12 V. Padahal tegangan listrik yang disediakan PLN 220 V. Bahkan generator pembangkit listrik menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Kenyataannya sampai di rumah tegangan listrik tinggal 220 V. Bagaimanakah cara mengubah tegangan listrik? Alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC disebut transformator (trafo). Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output. Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output. Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Adapun, arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder. Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output).
1. Macam-Macam Transformator
Apabila tegangan terminal output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penurun tegangan. Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.
Trafo step up adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder,
b. tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih besar daripada kuat arus sekunder.
Trafo step down adalah transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder,
b. tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.
2. Transformator Ideal
Besar tegangan dan kuat arus pada trafo bergantung banyaknya lilitan. Besar tegangan sebanding dengan jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan tegangan yang dihasilkan makin besar. Hal ini berlaku untuk lilitan primer dan sekunder. Hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan tegangan primer dan tegangan sekunder dirumuskan Trafo dikatakan ideal jika tidak ada energi yang hilang menjadi kalor, yaitu ketika jumlah energi yang masuk pada kumparan primer sama dengan jumlah energi yang keluar pada kumparan sekunder. Hubungan antara tegangan dengan kuat arus pada kumparan primer dan sekunder dirumuskan Jika kedua ruas dibagi dengan t, diperoleh rumus Dalam hal ini faktor (V × I) adalah daya (P) transformator.
Berdasarkan rumus-rumus di atas, hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan kuat arus primer dan sekunder dapat dirumuskan sebagai Dengan demikian untuk transformator ideal akan berlaku persamaan berikut. Dengan:
Vp = tegangan primer (tegangan input = Vi ) dengan satuan volt (V)
Vs = tegangan sekunder (tegangan output = Vo) dengan satuan volt (V)
Np = jumlah lilitan primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Ip = kuat arus primer (kuat arus input = Ii) dengan satuan ampere (A)
Is = kuat arus sekunder (kuat arus output = Io) dengan satuan ampere (A)
LATIHAN
1. Sebuah trafo digunakan untuk menaikkan tegangan AC dari 12 V menjaDI 120 V. Hitunglah:
a. kuat arus primer jika kuat arus sekunder 0,6 A,
b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 300. 2. Sebuah transformator dihubungkan dengan PLN pada tegangan 100 V menyebabkan kuat arus pada kumparan primer 10 A. Jika perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder 1 : 25, hitunglah:
a. tegangan pada kumparan sekunder,
b. kuat arus pada kumparan sekunder.3. Efisiensi Transformator
Di bagian sebelumnya kamu sudah mempelajari transformator atau trafo yang ideal. Namun, pada kenyataannya trafo tidak pernah ideal. Jika trafo digunakan, selalu timbul energi kalor. Dengan demikian, energi listrik yang masuk pada kumparan primer selalu lebih besar daripada energi yang keluar pada kumparan sekunder. Akibatnya, daya primer lebih besar daripada daya sekunder. Berkurangnya daya dan energi listrik pada sebuah trafo ditentukan oleh besarnya efisiensi trafo. Perbandingan antara daya sekunder dengan daya primer atau hasil bagi antara energi sekunder dengan energi primer yang dinyatakan dengan persen disebut efisiensi trafo. Efisiensi trafo dinyatakan dengan η . Besar efisiensi trafo dapat dirumuskan sebagai berikut. LATIHAN
1. Sebuah trafo arus primer dan sekundernya masing-masing 0,8 A dan 0,5 A. Jika jumlah
lilitan primer dan sekunder masing-masing 1000 dan 800, berapakah efisiensi trafo?
2. Efisiensi sebuah trafo 60%. Jika energi listrik yang dikeluarkan 300 J, berapakah energi listrik yang masuk trafo?SOAL LATIHAN
1. Tegangan primer dan sekunder sebuah trafo masing-masing 10 V dan 200 V. Jika jumlah lilitan sekunder 6.000, berapakah jumlah lilitan primer?
2. Sebuah trafo step down digunakan untuk mengubah tegangan AC dari 220 V menjadi 20 V. Berapakah:
a. perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder;
b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 100?
3. Manakah yang lebih bagus kualitasnya trafo A efisiensinya 85% dan trafo B yang efisiensinya 90%? Mengapa? Coba jelaskan.
4. Penggunaan Transformator
Banyak peralatan listrik di rumah yang menggunakan transformator step down. Trafo tersebut berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik PLN yang besarnya 220 V menjadi tegangan lebih rendah sesuai dengan kebutuhan. Sebelum masuk rangkaian elektronik pada alat, tegangan 220 V dari PLN dihubungkan dengan trafo step down terlebih dahulu untuk diturunkan. Misalnya kebutuhan peralatan listrik 25 V. Jika alat itu langsung dihubungkan dengan PLN, alat itu akan rusak atau terbakar. Namun, apabila alat itu dipasang trafo step down yang mampu mengubah tegangan 220 V menjadi 25 V, alat itu akan terhindar dari kerusakan. Ada beberapa alat yang menggunakan transformator antara lain catu daya, adaptor, dan transmisi daya listrik jarak jauh.
a. Power supply (catu daya)
Catu daya merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan tegangan AC yang rendah. Catu daya menggunakan trafo step down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan 220 V menjadi beberapa tegangan AC yang besarnya antara 2 V sampai 12 V
b. Adaptor (penyearah arus)
Adaptor terdiri atas trafo step down dan rangkaian penyearah arus listrik yang berupa diode. Adaptor merupakan catu daya yang ditambah dengan penyearah arus. Fungsi penyearah arus adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.
c. Transmisi daya listrik jarak jauh
Pembangkit listrik biasanya dibangun jauh dari permukiman penduduk. Proses pengiriman daya listrik kepada pelanggan listrik (konsumen) yang jaraknya jauh disebut transmisi daya listrik jarak jauh. Untuk menyalurkan energi listrik ke konsumen yang jauh, tegangan yang dihasilkan generator pembangkit listrik perlu dinaikkan mencapai ratusan ribu volt. Untuk itu, diperlukan trafo step up. Tegangan tinggi ditransmisikan melalui kabel jaringan listrik yang panjang menuju konsumen. Sebelum masuk ke rumah-rumah penduduk tegangan diturunkan menggunakan trafo step down hingga menghasilkan 220 V. Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan besar dan arus yang kecil. Dengan cara itu akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah.SOAL LATIHAN
1. Apakah perbedaan antara catu daya dengan adaptor?
2. Mengapa transmisi daya listrik jarak jauh menggunakan trafo?
RANGKUMAN
1. Menurut Faraday, adanya perubahan medan magnet pada suatu kumparan dapat menimbulkan gaya gerak listrik.
2. Besar GGL induksi bergantung pada tiga faktor, yaitu
a. kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet,
b. jumlah lilitan,
c. kuat medan magnet.
3. Arah arus induksi dalam kumparan selalu sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang menentang sebab-sebab yang menimbulkannya.
4. Induksi elektromagnetik diterapkan pada: generator, dinamo, dan trafo.
5. Fungsi generator atau dinamo adalah untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik.
6. Fungsi transformator atau trafo adalah menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Untuk menaikkan tegangan listrik digunakan trafo step-up, sedangkan untuk menurunkan tegangan listrik digunakan trafo step-down.
7. Pada transformator ideal berlaku rumus8. Untuk transformator yang tidak ideal berlaku rumus efisiensi9. Transformator digunakan pada catu daya, adaptor, dan instalasi transmisi daya listrik jarak jauh
10. Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan yang besar dan arus yang kecil. Dengan cara ini akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah.
Dengan adanya transformator, keperluan listrik pada tegangan yang sesuai dapat terpenuhi. Dahulu untuk membawa listrik diperlukan kuda. Kuda (pada gambar) sedang membawa pembangkit listrik untuk penerangan lapangan ski. Seandainya transformator belum ditemukan, berapa ekor kuda yang diperlukan untuk penerangan sebuah kota? Fenomena pemindahan listrik akan kamu pelajari pada bab ini. Pada bab ini kamu akan mempelajari pemanfaatan kemagnetan dalam produk teknologi.
Pretest
1. Bagaimanakah cara membuat elektromagnetik?
2. Apakah kegunaan galvanometer?
3. Berilah contoh alat yang dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik !
Kata-Kata Kunci
– arus induksi
– generator
– dinamo
– GGL induksi
– efisiensi transformator
– transformator
– fluks magnetik
– transmisi daya listrik
Adakah pusat pembangkit listrik di dekat rumahmu? Pembangkit listrik biasanya terletak jauh dari permukiman penduduk. Untuk membawa energi listrik, atau lebih dikenal transmisi daya listrik, diperlukan kabel yang sangat panjang. Kabel yang demikian dapat menurunkan tegangan. Karena itu diperlukan alat yang dapat menaikkan kembali tegangan sesuai keperluan. Pernahkah kamu melihat tabung berwarna biru yang dipasang pada tiang listrik? Alat tersebut adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. Bagaimanakah cara menaikkan dan menurunkan tegangan listrik? Untuk memahami hal ini pelajari uraian berikut.
A. GGL INDUKSI
Pada bab sebelumnya, kamu sudah mengetahui bahwa kelistrikan dapat menghasilkan kemagnetan. Menurutmu, dapatkah kemagnetan menimbulkan kelistrikan? Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.
1. Penyebab Terjadinya GGL Induksi
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis- garis gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida).
Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut induksi elektromagnetik. Coba sebutkan bagaimana cara memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi?
2. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu : a. kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik), b. jumlah lilitan, c. medan magnet
Latihan
1. Apakah penyebab terjadinya GGL induksi?
2. Mengapa magnet yang diam di dalam kumparan tidak menimbulkan GGL induksi? 3. Apakah perubahan bentuk energi yang terjadi pada peristiwa induksi elektromagnetik?
4. Sebutkan tiga cara memperbesar arus induksi.
B. PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet. Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi mekanik yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal itu menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang berulang secara periodik
1. Generator Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator AC dapat diubah menjadi generator DC dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator. Sebuah generator AC kumparan berputar di antara kutub- kutub yang tak sejenis dari dua magnet yang saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian generator yang berputar (bergerak) disebut rotor. Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator. Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 0 derajat), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi (perhatikan Gambar 12.2). Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.
Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahanlahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga memb entuk sudut 360 derajat.
2. Dinamo Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator. Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar Dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin). Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut berputar. Akibatnya, timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan dan arus listrik mengalir. Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.
C. TRANSFORMATOR
Di rumah mungkin kamu pernah dihadapkan persoalan tegangan listrik, ketika kamu akan menghidupkan radio yang memerlukan tegangan 6 V atau 12 V. Padahal tegangan listrik yang disediakan PLN 220 V. Bahkan generator pembangkit listrik menghasilkan tegangan listrik yang sangat tinggi mencapai hingga puluhan ribu volt. Kenyataannya sampai di rumah tegangan listrik tinggal 220 V. Bagaimanakah cara mengubah tegangan listrik? Alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC disebut transformator (trafo). Trafo memiliki dua terminal, yaitu terminal input dan terminal output. Terminal input terdapat pada kumparan primer. Terminal output terdapat pada kumparan sekunder. Tegangan listrik yang akan diubah dihubungkan dengan terminal input. Adapun, hasil pengubahan tegangan diperoleh pada terminal output. Prinsip kerja transformator menerapkan peristiwa induksi elektromagnetik. Jika pada kumparan primer dialiri arus AC, inti besi yang dililiti kumparan akan menjadi magnet (elektromagnet). Karena arus AC, pada elektromagnet selalu terjadi perubahan garis gaya magnet. Perubahan garis gaya tersebut akan bergeser ke kumparan sekunder. Dengan demikian, pada kumparan sekunder juga terjadi perubahan garis gaya magnet. Hal itulah yang menimbulkan GGL induksi pada kumparan sekunder. Adapun, arus induksi yang dihasilkan adalah arus AC yang besarnya sesuai dengan jumlah lilitan sekunder. Bagian utama transformator ada tiga, yaitu inti besi yang berlapis-lapis, kumparan primer, dan kumparan sekunder. Kumparan primer yang dihubungkan dengan PLN sebagai tegangan masukan (input) yang akan dinaikkan atau diturunkan. Kumparan sekunder dihubungkan dengan beban sebagai tegangan keluaran (output).
1. Macam-Macam Transformator
Apabila tegangan terminal output lebih besar daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila tegangan terminal output lebih kecil daripada tegangan yang diubah, trafo yang digunakan berfungsi sebagai penurun tegangan. Dengan demikian, transformator (trafo) dibedakan menjadi dua, yaitu trafo step up dan trafo step down.
Trafo step up adalah transformator yang berfungsi untuk menaikkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih sedikit daripada jumlah lilitan sekunder,
b. tegangan primer lebih kecil daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih besar daripada kuat arus sekunder.
Trafo step down adalah transformator yang berfungsi untuk menurunkan tegangan AC. Trafo ini memiliki ciri-ciri:
a. jumlah lilitan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder,
b. tegangan primer lebih besar daripada tegangan sekunder,
c. kuat arus primer lebih kecil daripada kuat arus sekunder.
2. Transformator Ideal
Besar tegangan dan kuat arus pada trafo bergantung banyaknya lilitan. Besar tegangan sebanding dengan jumlah lilitan. Makin banyak jumlah lilitan tegangan yang dihasilkan makin besar. Hal ini berlaku untuk lilitan primer dan sekunder. Hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan tegangan primer dan tegangan sekunder dirumuskan Trafo dikatakan ideal jika tidak ada energi yang hilang menjadi kalor, yaitu ketika jumlah energi yang masuk pada kumparan primer sama dengan jumlah energi yang keluar pada kumparan sekunder. Hubungan antara tegangan dengan kuat arus pada kumparan primer dan sekunder dirumuskan Jika kedua ruas dibagi dengan t, diperoleh rumus Dalam hal ini faktor (V × I) adalah daya (P) transformator.
Berdasarkan rumus-rumus di atas, hubungan antara jumlah lilitan primer dan sekunder dengan kuat arus primer dan sekunder dapat dirumuskan sebagai Dengan demikian untuk transformator ideal akan berlaku persamaan berikut. Dengan:
Vp = tegangan primer (tegangan input = Vi ) dengan satuan volt (V)
Vs = tegangan sekunder (tegangan output = Vo) dengan satuan volt (V)
Np = jumlah lilitan primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Ip = kuat arus primer (kuat arus input = Ii) dengan satuan ampere (A)
Is = kuat arus sekunder (kuat arus output = Io) dengan satuan ampere (A)
LATIHAN
1. Sebuah trafo digunakan untuk menaikkan tegangan AC dari 12 V menjaDI 120 V. Hitunglah:
a. kuat arus primer jika kuat arus sekunder 0,6 A,
b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 300. 2. Sebuah transformator dihubungkan dengan PLN pada tegangan 100 V menyebabkan kuat arus pada kumparan primer 10 A. Jika perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder 1 : 25, hitunglah:
a. tegangan pada kumparan sekunder,
b. kuat arus pada kumparan sekunder.3. Efisiensi Transformator
Di bagian sebelumnya kamu sudah mempelajari transformator atau trafo yang ideal. Namun, pada kenyataannya trafo tidak pernah ideal. Jika trafo digunakan, selalu timbul energi kalor. Dengan demikian, energi listrik yang masuk pada kumparan primer selalu lebih besar daripada energi yang keluar pada kumparan sekunder. Akibatnya, daya primer lebih besar daripada daya sekunder. Berkurangnya daya dan energi listrik pada sebuah trafo ditentukan oleh besarnya efisiensi trafo. Perbandingan antara daya sekunder dengan daya primer atau hasil bagi antara energi sekunder dengan energi primer yang dinyatakan dengan persen disebut efisiensi trafo. Efisiensi trafo dinyatakan dengan η . Besar efisiensi trafo dapat dirumuskan sebagai berikut. LATIHAN
1. Sebuah trafo arus primer dan sekundernya masing-masing 0,8 A dan 0,5 A. Jika jumlah
lilitan primer dan sekunder masing-masing 1000 dan 800, berapakah efisiensi trafo?
2. Efisiensi sebuah trafo 60%. Jika energi listrik yang dikeluarkan 300 J, berapakah energi listrik yang masuk trafo?SOAL LATIHAN
1. Tegangan primer dan sekunder sebuah trafo masing-masing 10 V dan 200 V. Jika jumlah lilitan sekunder 6.000, berapakah jumlah lilitan primer?
2. Sebuah trafo step down digunakan untuk mengubah tegangan AC dari 220 V menjadi 20 V. Berapakah:
a. perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder;
b. jumlah lilitan sekunder, jika jumlah lilitan primer 100?
3. Manakah yang lebih bagus kualitasnya trafo A efisiensinya 85% dan trafo B yang efisiensinya 90%? Mengapa? Coba jelaskan.
4. Penggunaan Transformator
Banyak peralatan listrik di rumah yang menggunakan transformator step down. Trafo tersebut berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik PLN yang besarnya 220 V menjadi tegangan lebih rendah sesuai dengan kebutuhan. Sebelum masuk rangkaian elektronik pada alat, tegangan 220 V dari PLN dihubungkan dengan trafo step down terlebih dahulu untuk diturunkan. Misalnya kebutuhan peralatan listrik 25 V. Jika alat itu langsung dihubungkan dengan PLN, alat itu akan rusak atau terbakar. Namun, apabila alat itu dipasang trafo step down yang mampu mengubah tegangan 220 V menjadi 25 V, alat itu akan terhindar dari kerusakan. Ada beberapa alat yang menggunakan transformator antara lain catu daya, adaptor, dan transmisi daya listrik jarak jauh.
a. Power supply (catu daya)
Catu daya merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan tegangan AC yang rendah. Catu daya menggunakan trafo step down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan 220 V menjadi beberapa tegangan AC yang besarnya antara 2 V sampai 12 V
b. Adaptor (penyearah arus)
Adaptor terdiri atas trafo step down dan rangkaian penyearah arus listrik yang berupa diode. Adaptor merupakan catu daya yang ditambah dengan penyearah arus. Fungsi penyearah arus adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.
c. Transmisi daya listrik jarak jauh
Pembangkit listrik biasanya dibangun jauh dari permukiman penduduk. Proses pengiriman daya listrik kepada pelanggan listrik (konsumen) yang jaraknya jauh disebut transmisi daya listrik jarak jauh. Untuk menyalurkan energi listrik ke konsumen yang jauh, tegangan yang dihasilkan generator pembangkit listrik perlu dinaikkan mencapai ratusan ribu volt. Untuk itu, diperlukan trafo step up. Tegangan tinggi ditransmisikan melalui kabel jaringan listrik yang panjang menuju konsumen. Sebelum masuk ke rumah-rumah penduduk tegangan diturunkan menggunakan trafo step down hingga menghasilkan 220 V. Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan besar dan arus yang kecil. Dengan cara itu akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah.SOAL LATIHAN
1. Apakah perbedaan antara catu daya dengan adaptor?
2. Mengapa transmisi daya listrik jarak jauh menggunakan trafo?
RANGKUMAN
1. Menurut Faraday, adanya perubahan medan magnet pada suatu kumparan dapat menimbulkan gaya gerak listrik.
2. Besar GGL induksi bergantung pada tiga faktor, yaitu
a. kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet,
b. jumlah lilitan,
c. kuat medan magnet.
3. Arah arus induksi dalam kumparan selalu sedemikian rupa sehingga menghasilkan medan magnet yang menentang sebab-sebab yang menimbulkannya.
4. Induksi elektromagnetik diterapkan pada: generator, dinamo, dan trafo.
5. Fungsi generator atau dinamo adalah untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik.
6. Fungsi transformator atau trafo adalah menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Untuk menaikkan tegangan listrik digunakan trafo step-up, sedangkan untuk menurunkan tegangan listrik digunakan trafo step-down.
7. Pada transformator ideal berlaku rumus8. Untuk transformator yang tidak ideal berlaku rumus efisiensi9. Transformator digunakan pada catu daya, adaptor, dan instalasi transmisi daya listrik jarak jauh
10. Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan yang besar dan arus yang kecil. Dengan cara ini akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah.
X. LISTRIK STATIS
X.1 Hukum Coulomb
Tinjaulah interaksi antara dua benda bermuatan yang dimensi geometrinya dapat diabaikan terhadap jarak antar keduanya. Maka dalam pendekatan yang cukup baik dapat dianggap bahwa kedua benda bermuatan tersebut sebagai titik muatan. Charles Augustin de Coulomb(1736-1806) pada tahun 1784 mencoba mengukur gaya tarik atau gaya tolak listrik antara dua buah muatan tersebut. Ternyata dari hasil percobaannya, diperoleh hasil sebagai berikut:
* Pada jarak yang tetap, besarnya gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatan dari masing –masing muatan.
* Besarnya gaya tersebut berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan.
* Gaya antara dua titik muatan bekerja dalam arah sepanjang garis penghubung yang lurus.
* Gaya tarik menarik bila kedua muatan tidak sejenis dan tolak menolak bila kedua muatan sejenis.
Hasil penelitian tersebut dinyatakan sebagai hukum Coulomb, yang secara matematis:
k adalah tetapan perbandingan yang besarnya tergantung pada sistem satuan yang digunakan. Pada sistem SI, gaya dalam Newton(N), jarak dalam meter (m), muatan dalam Coulomb ( C ), dan k mempunyai harga :
sebagai konstanta permitivitas ruang hampa besarnya = 8,854187818 x 10-12 C2/Nm2. Gaya listrik adalah besaran vektor, maka Hukum Coulomb bila dinyatakan dengan notasi vector menjadi :
Dimana r12 adalah jarak antara q1 dan q2 atau sama panjang dengan vektor r12, sedangkan r12 adalah vektor satuan searah r12. Jadi gaya antara dua muatan titik yang masing-masing sebesar 1 Coulomb pada jarak 1 meter adalah 9 x 109 newton, kurang lebih sama dengan gaya gravitasi antara planet-planet.
Contoh 1:
Muatan titik q1 dan q2 terletak pada bidang XY dengan koordinat berturut-turut(x1,y1) dan (x2,y2), tentukanlah :
a. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
b. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
Penyelesaian :
a. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
b. Gaya pada muatan q2 oleh muatan q1
Dari hasil perhitungan bahwa gayanya akan sama besar namun berlawanan arah.
Prinsip Superposisi
Dalam keadaan Rill , titik-titik muatan selalu terdapat dalam jumlah yang besar. Maka timbullah pertanyaan : apakah interaksi antara dua titik muatan yang diatur oleh Hukum Coulomb dapat dipengaruhi oleh titik lain disekitarnya? Jawabannya adalah tidak, karena pada interaksi elektrostatik hanya meninjau interaksi antar dua buah muatan, jika lebih dari dua buah muatan maka diberlakukan prinsip superposisi (penjumlahan dari semua gaya interaksinya).
Secara matematik, prinsip superposisi tersebut dapat dinyatakan dengan mudah sekali dalam notasi vektor. Jadi misalnya F12 menyatakan gaya antara q1 dan q2 tanpa adanya muatan lain disekitarnya, maka menurut Hukum Coulomb,
Begitu pula interaksi antara q1 dan q3 tanpa adanya muatan q2, dinyatakan oleh :
Maka menurut prinsip superposisi dalam sistem q1, q2 dan q3, gaya total yang dialami q1 tak lain adalah jumlah vector gaya-gaya semula :
Contoh 2 :
Tiga buah muatanmasing-masing q1 = 4 C pada posisi (2,3), q2 = -2 C pada posisi(5,-1) dan q3 = 2 C pada posisi (1,2) dalam bidang x-y. Hitung resultan gaya pada q2 jika posisi dinyatakan dalam meter.
Penyelesaian :
X.1 Hukum Coulomb
Tinjaulah interaksi antara dua benda bermuatan yang dimensi geometrinya dapat diabaikan terhadap jarak antar keduanya. Maka dalam pendekatan yang cukup baik dapat dianggap bahwa kedua benda bermuatan tersebut sebagai titik muatan. Charles Augustin de Coulomb(1736-1806) pada tahun 1784 mencoba mengukur gaya tarik atau gaya tolak listrik antara dua buah muatan tersebut. Ternyata dari hasil percobaannya, diperoleh hasil sebagai berikut:
* Pada jarak yang tetap, besarnya gaya berbanding lurus dengan hasil kali muatan dari masing –masing muatan.
* Besarnya gaya tersebut berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan.
* Gaya antara dua titik muatan bekerja dalam arah sepanjang garis penghubung yang lurus.
* Gaya tarik menarik bila kedua muatan tidak sejenis dan tolak menolak bila kedua muatan sejenis.
Hasil penelitian tersebut dinyatakan sebagai hukum Coulomb, yang secara matematis:
k adalah tetapan perbandingan yang besarnya tergantung pada sistem satuan yang digunakan. Pada sistem SI, gaya dalam Newton(N), jarak dalam meter (m), muatan dalam Coulomb ( C ), dan k mempunyai harga :
sebagai konstanta permitivitas ruang hampa besarnya = 8,854187818 x 10-12 C2/Nm2. Gaya listrik adalah besaran vektor, maka Hukum Coulomb bila dinyatakan dengan notasi vector menjadi :
Dimana r12 adalah jarak antara q1 dan q2 atau sama panjang dengan vektor r12, sedangkan r12 adalah vektor satuan searah r12. Jadi gaya antara dua muatan titik yang masing-masing sebesar 1 Coulomb pada jarak 1 meter adalah 9 x 109 newton, kurang lebih sama dengan gaya gravitasi antara planet-planet.
Contoh 1:
Muatan titik q1 dan q2 terletak pada bidang XY dengan koordinat berturut-turut(x1,y1) dan (x2,y2), tentukanlah :
a. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
b. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
Penyelesaian :
a. Gaya pada muatan q1 oleh muatan q2
b. Gaya pada muatan q2 oleh muatan q1
Dari hasil perhitungan bahwa gayanya akan sama besar namun berlawanan arah.
Prinsip Superposisi
Dalam keadaan Rill , titik-titik muatan selalu terdapat dalam jumlah yang besar. Maka timbullah pertanyaan : apakah interaksi antara dua titik muatan yang diatur oleh Hukum Coulomb dapat dipengaruhi oleh titik lain disekitarnya? Jawabannya adalah tidak, karena pada interaksi elektrostatik hanya meninjau interaksi antar dua buah muatan, jika lebih dari dua buah muatan maka diberlakukan prinsip superposisi (penjumlahan dari semua gaya interaksinya).
Secara matematik, prinsip superposisi tersebut dapat dinyatakan dengan mudah sekali dalam notasi vektor. Jadi misalnya F12 menyatakan gaya antara q1 dan q2 tanpa adanya muatan lain disekitarnya, maka menurut Hukum Coulomb,
Begitu pula interaksi antara q1 dan q3 tanpa adanya muatan q2, dinyatakan oleh :
Maka menurut prinsip superposisi dalam sistem q1, q2 dan q3, gaya total yang dialami q1 tak lain adalah jumlah vector gaya-gaya semula :
Contoh 2 :
Tiga buah muatanmasing-masing q1 = 4 C pada posisi (2,3), q2 = -2 C pada posisi(5,-1) dan q3 = 2 C pada posisi (1,2) dalam bidang x-y. Hitung resultan gaya pada q2 jika posisi dinyatakan dalam meter.
Penyelesaian :
Gelombang Cahaya
Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nm.[1] Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat mata maupun yang tidak. [2][3]
Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.
Kedua definisi di atas adalah sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.
Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fasa cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical optics).
Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katoda, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E. Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas partikel-gelombang. Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan, termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain.
Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinar laser pada tahun 1960.
Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.
Cahaya adalah paket partikel yang disebut foton.
Kedua definisi di atas adalah sifat yang ditunjukkan cahaya secara bersamaan sehingga disebut "dualisme gelombang-partikel". Paket cahaya yang disebut spektrum kemudian dipersepsikan secara visual oleh indera penglihatan sebagai warna. Bidang studi cahaya dikenal dengan sebutan optika, merupakan area riset yang penting pada fisika modern.
Studi mengenai cahaya dimulai dengan munculnya era optika klasik yang mempelajari besaran optik seperti: intensitas, frekuensi atau panjang gelombang, polarisasi dan fasa cahaya. Sifat-sifat cahaya dan interaksinya terhadap sekitar dilakukan dengan pendekatan paraksial geometris seperti refleksi dan refraksi, dan pendekatan sifat optik fisisnya yaitu: interferensi, difraksi, dispersi, polarisasi. Masing-masing studi optika klasik ini disebut dengan optika geometris (en:geometrical optics) dan optika fisis (en:physical optics).
Pada puncak optika klasik, cahaya didefinisikan sebagai gelombang elektromagnetik dan memicu serangkaian penemuan dan pemikiran, sejak tahun 1838 oleh Michael Faraday dengan penemuan sinar katoda, tahun 1859 dengan teori radiasi massa hitam oleh Gustav Kirchhoff, tahun 1877 Ludwig Boltzmann mengatakan bahwa status energi sistem fisik dapat menjadi diskrit, teori kuantum sebagai model dari teori radiasi massa hitam oleh Max Planck pada tahun 1899 dengan hipotesa bahwa energi yang teradiasi dan terserap dapat terbagi menjadi jumlahan diskrit yang disebut elemen energi, E. Pada tahun 1905, Albert Einstein membuat percobaan efek fotoelektrik, cahaya yang menyinari atom mengeksitasi elektron untuk melejit keluar dari orbitnya. Pada pada tahun 1924 percobaan oleh Louis de Broglie menunjukkan elektron mempunyai sifat dualitas partikel-gelombang, hingga tercetus teori dualitas partikel-gelombang. Albert Einstein kemudian pada tahun 1926 membuat postulat berdasarkan efek fotolistrik, bahwa cahaya tersusun dari kuanta yang disebut foton yang mempunyai sifat dualitas yang sama. Karya Albert Einstein dan Max Planck mendapatkan penghargaan Nobel masing-masing pada tahun 1921 dan 1918 dan menjadi dasar teori kuantum mekanik yang dikembangkan oleh banyak ilmuwan, termasuk Werner Heisenberg, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, David Hilbert, Roy J. Glauber dan lain-lain.
Era ini kemudian disebut era optika modern dan cahaya didefinisikan sebagai dualisme gelombang transversal elektromagnetik dan aliran partikel yang disebut foton. Pengembangan lebih lanjut terjadi pada tahun 1953 dengan ditemukannya sinar maser, dan sinar laser pada tahun 1960.
Era optika modern tidak serta merta mengakhiri era optika klasik, tetapi memperkenalkan sifat-sifat cahaya yang lain yaitu difusi dan hamburan.
Gelombang Bunyi
BUNYIBunyi merupakan gelombang mekanik yang dalam perambatannya arahnya sejajar dengan arah getarnya (gelombang longitudinal).
Syarat terdengarnya bunyi ada 3 macam:
1.Ada sumber bunyi
2.Ada medium (udara)
3.Ada pendengar
Sifat-sifat bunyi meliputi :
•Merambat membutuhkan medium
•Merupakan gelombang longitudinal
•Dapat dipantulkan
Karakteristik Bunyi ada beberapa macam antara lain :
Nada adalah bunyi yang frekuensinya teratur.
Desah adalah bunyi yang frekuensinya tidak teratur.
Warna bunyi adalah bunyi yang frekuensinya sama tetapi terdengar berbeda.
Dentum adalah bunyi yang amplitudonya sangat besar dan terdengar mendadak.
Cepat rambat bunyi
Karena bunyi merupakan gelombang maka bunyi mempunyai cepat rambat yang dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu :
1.Kerapatan partikel medium yang dilalui bunyi. Semakin rapat susunan partikel medium maka semakin cepat bunyi merambat, sehingga bunyi merambat paling cepat pada zat padat.
2.Suhu medium, semakin panas suhu medium yang dilalui maka semakin cepat bunyi merambat. Hubungan ini dapat dirumuskan kedalam persamaan matematis (v = v0 + 0,6.t) dimana v0 adalah cepat rambat pada suhu nol derajat dan t adalah suhu medium.
Bunyi bedasarkan frekuensinya dibedakan menjadi 3 macam yaitu
•Infrasonik adalah bunyi yang frekuensinya kurang dari 20 Hz. Makhluk yang bisa mendengan bunyii infrasonik adalah jangkrik.
•Audiosonik adalah bunyi yang frekuensinya antara 20 Hz sampai dengan 20 kHz. atau bunyi yang dapat didengar manusia.
•Ultrasonik adalah bunyi yang frekuensinya lebihdari 20 kHz. makhluk yang dapat mendengar ultrasonik adalah lumba-lumba.
Persamaan yang digunakan dalam bab bunyi sama dengan pada bab gelombang yaitu v = s/t
BUNYI PANTUL
Bunyi pantul dibedakan menjadi 3 macam yaitu :
1.Bunyi pantul memperkuat bunyi asli yaitu bunyi pantul yang dapat memperkuat bunyi asli. Biasanya terjadi pada keadaan antara sumber bunyi dan dinding pantul jaraknya tidak begitu jauh (kurang dari 10 meter)
2.Gaung adalah bunyi pantul yang terdengar hampir bersamaan dengan bunyi asli. Biasanya terjadi pada jarak antara 10 sampai 20 meter.
3.Gema adalah bunyi pantul yang terdengar setelah bunyi asli. Biasanya terjadi pada jarak lebih dari 20 meter
Perbedaan antara Nada dengan Desah, Nada adalah bunyi yang mempunyai frekuensi teratur sedangkan Desah adalah bunyi yang mempunyai frekuensi tidak teratur.
Beberapa manfaat gelombang bunyi dalam hal ini adalah pantulan gelombang bunyi adalah
1.dapat digunakan untuk mengukur kedalaman laut disini yang digunakan adalah bunyi ultrasonik
2.mendeteksi janin dalam rahim, biasanya menggunakan bunyi infrasonik
3.mendeteksi keretakan suatu logam dan lain-lain.
4.diciptakannya speaker termasuk manfaat dari bunyi audiosonik.
Persamaan yang digunakan dalam bunyi sama dengan dalam gelombang yaitu v = s/t. Untuk bunyi pantul digunakan persamaan v = 2.s/t
Ditulis dalam Artikel
« GELOMBANGELEKTROMAGNETIK »
Efek Doppler
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebasBelum DiperiksaLangsung ke: navigasi, cari
Gelombang suara yang memancar dari sebuah ambulans akan diterima lebih tinggi/rendah frekuensinya jika ambulans tersebut mendekati/menjauhi kitaEfek Doppler, dinamakan mengikuti tokoh fisika, Christian Andreas Doppler, adalah perubahan frekuensi atau panjang gelombang dari sebuah sumber gelombang yang diterima oleh pengamat, jika sumber suara/gelombang tersebut bergerak relatif terhadap pengamat/pendengar. Untuk gelombang yang umum dijumpai, seperti gelombang suara yang menjalar dalam medium udara, perhitungan dari perubahan frekuensi ini, memerlukan kecepatan pengamat dan kecepatan sumber relatif terhadap medium di mana gelombang itu disalurkan.
Efek Doppler total, f, dapat merupakan hasil superposisi dari gerakan sumber dan/atau gerakan pengamat, sesuai dengan rumusan berikut:
di mana
adalah kecepatan gelombang dalam medium
adalah kecepatan sumber gelombang relatif terhadap medium; positif jika pengamat mendekati sumber gelombang/suara.
adalah kecepatan pengamat (receiver) relatif terhadap medium; positif jika sumber menjauhi pengamat
Syarat terdengarnya bunyi ada 3 macam:
1.Ada sumber bunyi
2.Ada medium (udara)
3.Ada pendengar
Sifat-sifat bunyi meliputi :
•Merambat membutuhkan medium
•Merupakan gelombang longitudinal
•Dapat dipantulkan
Karakteristik Bunyi ada beberapa macam antara lain :
Nada adalah bunyi yang frekuensinya teratur.
Desah adalah bunyi yang frekuensinya tidak teratur.
Warna bunyi adalah bunyi yang frekuensinya sama tetapi terdengar berbeda.
Dentum adalah bunyi yang amplitudonya sangat besar dan terdengar mendadak.
Cepat rambat bunyi
Karena bunyi merupakan gelombang maka bunyi mempunyai cepat rambat yang dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu :
1.Kerapatan partikel medium yang dilalui bunyi. Semakin rapat susunan partikel medium maka semakin cepat bunyi merambat, sehingga bunyi merambat paling cepat pada zat padat.
2.Suhu medium, semakin panas suhu medium yang dilalui maka semakin cepat bunyi merambat. Hubungan ini dapat dirumuskan kedalam persamaan matematis (v = v0 + 0,6.t) dimana v0 adalah cepat rambat pada suhu nol derajat dan t adalah suhu medium.
Bunyi bedasarkan frekuensinya dibedakan menjadi 3 macam yaitu
•Infrasonik adalah bunyi yang frekuensinya kurang dari 20 Hz. Makhluk yang bisa mendengan bunyii infrasonik adalah jangkrik.
•Audiosonik adalah bunyi yang frekuensinya antara 20 Hz sampai dengan 20 kHz. atau bunyi yang dapat didengar manusia.
•Ultrasonik adalah bunyi yang frekuensinya lebihdari 20 kHz. makhluk yang dapat mendengar ultrasonik adalah lumba-lumba.
Persamaan yang digunakan dalam bab bunyi sama dengan pada bab gelombang yaitu v = s/t
BUNYI PANTUL
Bunyi pantul dibedakan menjadi 3 macam yaitu :
1.Bunyi pantul memperkuat bunyi asli yaitu bunyi pantul yang dapat memperkuat bunyi asli. Biasanya terjadi pada keadaan antara sumber bunyi dan dinding pantul jaraknya tidak begitu jauh (kurang dari 10 meter)
2.Gaung adalah bunyi pantul yang terdengar hampir bersamaan dengan bunyi asli. Biasanya terjadi pada jarak antara 10 sampai 20 meter.
3.Gema adalah bunyi pantul yang terdengar setelah bunyi asli. Biasanya terjadi pada jarak lebih dari 20 meter
Perbedaan antara Nada dengan Desah, Nada adalah bunyi yang mempunyai frekuensi teratur sedangkan Desah adalah bunyi yang mempunyai frekuensi tidak teratur.
Beberapa manfaat gelombang bunyi dalam hal ini adalah pantulan gelombang bunyi adalah
1.dapat digunakan untuk mengukur kedalaman laut disini yang digunakan adalah bunyi ultrasonik
2.mendeteksi janin dalam rahim, biasanya menggunakan bunyi infrasonik
3.mendeteksi keretakan suatu logam dan lain-lain.
4.diciptakannya speaker termasuk manfaat dari bunyi audiosonik.
Persamaan yang digunakan dalam bunyi sama dengan dalam gelombang yaitu v = s/t. Untuk bunyi pantul digunakan persamaan v = 2.s/t
Ditulis dalam Artikel
« GELOMBANGELEKTROMAGNETIK »
Efek Doppler
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebasBelum DiperiksaLangsung ke: navigasi, cari
Gelombang suara yang memancar dari sebuah ambulans akan diterima lebih tinggi/rendah frekuensinya jika ambulans tersebut mendekati/menjauhi kitaEfek Doppler, dinamakan mengikuti tokoh fisika, Christian Andreas Doppler, adalah perubahan frekuensi atau panjang gelombang dari sebuah sumber gelombang yang diterima oleh pengamat, jika sumber suara/gelombang tersebut bergerak relatif terhadap pengamat/pendengar. Untuk gelombang yang umum dijumpai, seperti gelombang suara yang menjalar dalam medium udara, perhitungan dari perubahan frekuensi ini, memerlukan kecepatan pengamat dan kecepatan sumber relatif terhadap medium di mana gelombang itu disalurkan.
Efek Doppler total, f, dapat merupakan hasil superposisi dari gerakan sumber dan/atau gerakan pengamat, sesuai dengan rumusan berikut:
di mana
adalah kecepatan gelombang dalam medium
adalah kecepatan sumber gelombang relatif terhadap medium; positif jika pengamat mendekati sumber gelombang/suara.
adalah kecepatan pengamat (receiver) relatif terhadap medium; positif jika sumber menjauhi pengamat
Gerak Harmonis Sederhana
== Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB) ==
[[Berkas:Circular motion diagram.png|thumb|250px|left|Gerak Melingkar]]
Gerak Melingkar Beraturan dapat dipandang sebagai gabungan dua gerak harmonik sederhana yang saling tegak lurus, memiliki Amplitudo (A) dan frekuensi yang sama namun memiliki beda fase relatif atau kita dapat memandang Gerak Harmonik Sederhana sebagai suatu komponen Gerak Melingkar BeraturanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Jadi dapat diimpulkan bahwa pada suatu garis lurus, proyeksi sebuah benda yang melakukan Gerak Melingkar Beraturan merupakan Gerak Harmonik SederhanaTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Frekuensi dan periode Gerak Melingkar Beraturan sama dengan Frekuensi dan periode Gerak Harmonik Sederhana yang diproyeksikanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga.
Misalnya sebuah benda bergerak dengan [[laju tetap]] (v) pada sebuah [[lingkaran]] yang memiliki jari-jari A sebagaimana tampak pada gambar di sampingTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Benda melakukan [[Gerak Melingkar Beraturan]], sehingga kecepatan sudutnya bernilai konstanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Hubungan antara kecepatan linear dengan kecepatan sudut dalam Gerak Melingkar Beraturan dinyatakan dengan persamaanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga :
Karena jari-jari (r) pada Gerak Melingkar Beraturan di atas adalah A, maka persamaan ini diubah menjadi :
, ... (1)
Simpangan sudut (teta) adalah perbandingan antara jarak linear x dengan jari-jari lingkaran (r), dan dinyatakan dengan persamaan :
... (2), x adalah jarak linear, v adalah kecepatan linear dan t adalah waktu tempuh (x = vt adalah persamaan Gerak Lurus alias Gerak Linear). Kemudian v pada persamaan 2 digantikan dengan v pada persamaan 1 dan jari-jari r digantikan dengan A :
Dengan demikian, simpangan sudut benda relatif terhadap sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
... (3) ( adalah simpangan waktu pada t = 0})
Pada gambar di atas, posisi benda pada sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
...(4)
Persamaan posisi benda pada sumbu y :
Keterangan :
A = amplitudo
= kecepatan sudut
= simpangan udut pada saat t = 0
[[Berkas:Circular motion diagram.png|thumb|250px|left|Gerak Melingkar]]
Gerak Melingkar Beraturan dapat dipandang sebagai gabungan dua gerak harmonik sederhana yang saling tegak lurus, memiliki Amplitudo (A) dan frekuensi yang sama namun memiliki beda fase relatif atau kita dapat memandang Gerak Harmonik Sederhana sebagai suatu komponen Gerak Melingkar BeraturanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Jadi dapat diimpulkan bahwa pada suatu garis lurus, proyeksi sebuah benda yang melakukan Gerak Melingkar Beraturan merupakan Gerak Harmonik SederhanaTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Frekuensi dan periode Gerak Melingkar Beraturan sama dengan Frekuensi dan periode Gerak Harmonik Sederhana yang diproyeksikanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga.
Misalnya sebuah benda bergerak dengan [[laju tetap]] (v) pada sebuah [[lingkaran]] yang memiliki jari-jari A sebagaimana tampak pada gambar di sampingTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Benda melakukan [[Gerak Melingkar Beraturan]], sehingga kecepatan sudutnya bernilai konstanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga. Hubungan antara kecepatan linear dengan kecepatan sudut dalam Gerak Melingkar Beraturan dinyatakan dengan persamaanTipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga :
Karena jari-jari (r) pada Gerak Melingkar Beraturan di atas adalah A, maka persamaan ini diubah menjadi :
, ... (1)
Simpangan sudut (teta) adalah perbandingan antara jarak linear x dengan jari-jari lingkaran (r), dan dinyatakan dengan persamaan :
... (2), x adalah jarak linear, v adalah kecepatan linear dan t adalah waktu tempuh (x = vt adalah persamaan Gerak Lurus alias Gerak Linear). Kemudian v pada persamaan 2 digantikan dengan v pada persamaan 1 dan jari-jari r digantikan dengan A :
Dengan demikian, simpangan sudut benda relatif terhadap sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
... (3) ( adalah simpangan waktu pada t = 0})
Pada gambar di atas, posisi benda pada sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
...(4)
Persamaan posisi benda pada sumbu y :
Keterangan :
A = amplitudo
= kecepatan sudut
= simpangan udut pada saat t = 0
Gerak Harmonis Sederhana
Gerak harmonik sederhana
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebasBelum DiperiksaLangsung ke: navigasi, cari
Contoh gerak harmonik sederhanaGerak harmonik sederhana adalah gerak bolak - balik benda melalui suatu titik keseimbangan tertentu dengan banyaknya getaran benda dalam setiap sekon selalu konstan[1].
Daftar isi [sembunyikan]
1 Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
1.1 Jenis Gerak Harmonik Sederhana
1.2 Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
1.3 Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
1.3.1 Periode (T)
1.3.2 Frekuensi (f)
1.3.3 Hubungan antara Periode dan Frekuensi
1.3.4 Amplitudo
2 Gaya Pemulih
2.1 Gaya Pemulih pada Pegas
2.1.1 Hukum Hooke
2.1.2 Susunan Pegas
2.2 Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
3 Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.1 Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
3.2 Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.3 Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
3.4 Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
4 Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
5 Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
5.1 Shockabsorber pada Mobil
5.2 Jam Mekanik
5.3 Garpu Tala
6 Referensi
7 Lihat Pula
8 Pranala Luar
[sunting] Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Jenis Gerak Harmonik Sederhana
Gerak Harmonik Sederhana dapat dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu[1] :
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Linier, misalnya penghisap dalam silinder gas, gerak osilasi air raksa / air dalam pipa U, gerak horizontal / vertikal dari pegas, dan sebagainya.
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Angular, misalnya gerak bandul/ bandul fisis, osilasi ayunan torsi, dan sebagainya.
[sunting] Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
Gerak harmonik pada bandul
Gerak harmonik pada bandulKetika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya, maka benda akan dian di titik keseimbangan B[2]. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A[2]. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana[2].
Gerak harmonik pada pegas
Gerak vertikal pada pegasSemua pegas memiliki panjang alami sebagaimana tampak pada gambar[2]. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang)[2].
[sunting] Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
[sunting] Periode (T)
Benda yang bergerak harmonis sederhana pada ayunan sederhana memiliki periode[3]. Periode ayunan (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu getaran. Benda dikatakan melakukan satu getaran jika benda bergerak dari titik di mana benda tersebut mulai bergerak dan kembali lagi ke titik tersebut. Satuan periode adalah sekon atau detik[3].
[sunting] Frekuensi (f)
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan oleh benda selama satu detik, yang dimaksudkan dengan getaran di sini adalah getaran lengkap[3]. Satuan frekuensi adalah hertz[3].
[sunting] Hubungan antara Periode dan Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi selama satu detik. Dengan demikian selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah[3] :
Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara matematis hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut[3] :
[sunting] Amplitudo
Pada ayunan sederhana, selain periode dan frekuensi, terdapat juga amplitudo. Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari titik kesetimbangan[3].
[sunting] Gaya Pemulih
Gaya pemulih dimiliki oleh setiap benda elastis yang terkena gaya sehingga benda elastis tersebut berubah bentuk[4]. Gaya yang timbul pada benda elastis untuk menarik kembali benda yang melekat padanya di sebut gaya pemulih[4].
[sunting] Gaya Pemulih pada Pegas
Pegas adalah salah satu contoh benda elastis[4]. Oleh sifat elastisnya ini, suatu pegas yang diberi gaya tekan atau gaya regang akan kembali pada keadaan setimbangnya mula- mula apabila gaya yang bekerja padanya dihilangkan[4]. Gaya pemulih pada pegas banyak dimanfaatkan dalam bidang teknik dan kehidupan sehari- hari[4]. Misalnya di dalam shockbreaker dan springbed[4]. Sebuah pegas berfungsi meredam getaran saat roda kendaraan melewati jalan yang tidak rata[4]. Pegas - pegas yang tersusun di dalam springbed akan memberikan kenyamanan saat orang tidur[4].
[sunting] Hukum Hooke
Robert HookeJika gaya yang bekerja pada sebuah pegas dihilangkan, pegas tersebut akan kembali pada keadaan semula[5]. Robert Hooke, ilmuwan berkebangsaan Inggris menyimpulkan bahwa sifat elastis pegas tersebut ada batasnya dan besar gaya pegas sebanding dengan pertambahan panjang pegas[5]. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa besar gaya pegas pemulih sebanding dengan pertambahan panjang pegas. Secara matematis, dapat dituliskan sebagai[5] :
, dengan k = tetapan pegas (N / m)
Tanda (-) diberikan karena arah gaya pemulih pada pegas berlawanan dengan arah gerak pegas tersebut.
[sunting] Susunan Pegas
Konstanta pegas dapat berubah nilainya, apabila pegas - pegas tersebut disusun menjadi rangkaian[5]. Besar konstanta total rangkaian pegas bergantung pada jenis rangkaian pegas, yaitu rangkaian pegas seri atau paralel[5].
Seri / Deret
Gaya yang bekerja pada setiap pegas adalah sebesar F, sehingga pegas akan mengalami pertambahan panjang sebesar dan . Secara umum, konstanta total pegas yang disusun seri dinyatakan dengan persamaan[5] :
, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
Paralel
Jika rangkaian pegas ditarik dengan gaya sebesar F, setiap pegas akan mengalami gaya tarik sebesar F1 dan F2, pertambahan panjang sebesar dan [5]. Secara umum, konstanta total pegas yang dirangkai paralel dinyatakan dengan persamaan[5] :
ktotal = k1 + k2 + k3 +....+ kn, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
[sunting] Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
Ayunan Bandul MatematisAyunan matematis merupakan suatu partikel massa yang tergantung pada suatu titik tetap pada seutas tali, di mana massa tali dapat diabaikan dan tali tidak dapat bertambah panjang[6]. Dari gambar tersebut, terdapat sebuah beban bermassa m tergantung pada seutas kawat halus sepanjang l dan massanya dapat diabaikan. Apabila bandul itu bergerak vertikal dengan membentuk sudut θ, gaya pemulih bandul tersebut adalah mgsinθ[6]. Secara matematis dapat dituliskan[6] :
F = mgsinθ
Oleh karena , maka :
[sunting] Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
Persamaan Gerak Harmonik Sederhana adalah[6] :
Keterangan :
Y = simpangan
A = simpangan maksimum (amplitudo)
F = frekuensi
t = waktu
Jika posisi sudut awal adalah θ0, maka persamaan gerak harmonik sederhana menjadi [6]:
[sunting] Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan gerak harmonik sederhana
Kecepatan gerak harmonik sederhana[6] :
Kecepatan maksimum diperoleh jika nilai atau , sehingga : vmaksimum = Aω
[sunting] Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
Persamaan tersebut dikuadratkan
, maka[6] :
...(1)
Dari persamaan :
...(2)
Persamaan (1) dan (2) dikalikan, sehingga didapatkan :
Keterangan :
v =kecepatan benda pada simpangan tertentu
ω = kecepatan sudut
A = amplitudo
Y = simpangan
[sunting] Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan kecepatan : , maka[6] :
Percepatan maksimum jika atau = 900 =
Keterangan :
a maks = percepatan maksimum
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
[sunting] Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
Gerak MelingkarGerak Melingkar Beraturan dapat dipandang sebagai gabungan dua gerak harmonik sederhana yang saling tegak lurus, memiliki Amplitudo (A) dan frekuensi yang sama namun memiliki beda fase relatif atau kita dapat memandang Gerak Harmonik Sederhana sebagai suatu komponen Gerak Melingkar Beraturan[7]. Jadi dapat diimpulkan bahwa pada suatu garis lurus, proyeksi sebuah benda yang melakukan Gerak Melingkar Beraturan merupakan Gerak Harmonik Sederhana[7]. Frekuensi dan periode Gerak Melingkar Beraturan sama dengan Frekuensi dan periode Gerak Harmonik Sederhana yang diproyeksikan[7].
Misalnya sebuah benda bergerak dengan laju tetap (v) pada sebuah lingkaran yang memiliki jari-jari A sebagaimana tampak pada gambar di samping[7]. Benda melakukan Gerak Melingkar Beraturan, sehingga kecepatan sudutnya bernilai konstan[7]. Hubungan antara kecepatan linear dengan kecepatan sudut dalam Gerak Melingkar Beraturan dinyatakan dengan persamaan[7] :
Karena jari-jari (r) pada Gerak Melingkar Beraturan di atas adalah A, maka persamaan ini diubah menjadi :
, ... (1)
Simpangan sudut (teta) adalah perbandingan antara jarak linear x dengan jari-jari lingkaran (r), dan dinyatakan dengan persamaan :
... (2), x adalah jarak linear, v adalah kecepatan linear dan t adalah waktu tempuh (x = vt adalah persamaan Gerak Lurus alias Gerak Linear). Kemudian v pada persamaan 2 digantikan dengan v pada persamaan 1 dan jari-jari r digantikan dengan A :
Dengan demikian, simpangan sudut benda relatif terhadap sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
... (3) (θ0 adalah simpangan waktu pada t = 0})
Pada gambar di atas, posisi benda pada sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
x = Acosθ ...(4)
Persamaan posisi benda pada sumbu y :
Keterangan :
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
θ0 = simpangan udut pada saat t = 0
[sunting] Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Shockabsorber pada Mobil
Shockabsorber pada mobilPeredam kejut (shockabsorber) pada mobil memiliki komponen pada bagian atasnya terhubung dengan piston dan dipasangkan dengan rangka kendaraan[8]. Bagian bawahnya, terpasang dengan silinder bagian bawah yang dipasangkan dengan as roda[8]. Fluida kental menyebabkan gaya redaman yang bergantung pada kecepatan relatif dari kedua ujung unit tersebut[8]. Hal ini membantu untuk mengendalikan guncangan pada roda[8].
[sunting] Jam Mekanik
Jam mekanikRoda keseimbangan dari suatu jam mekanik memiliki komponen pegas[8]. Pegas akan memberikan suatu torsi pemulih yang sebanding dengan perpindahan sudut dan posisi kesetimbangan[8]. Gerak ini dinamakan Gerak Harmonik Sederhana sudut (angular)[8].
[sunting] Garpu Tala
Garpu talaGarpu tala dengan ukuran yang berbeda menghasilkan bunyi dengan pola titinada yang berbeda[8]. Makin kecil massa m pada gigi garpu tala, makin tinggi frekuensi osilasi dan makin tinggi pola titinada dari bunyi yang dihasilkan garpu tala[8].
Gerak harmonik sederhana
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebasBelum DiperiksaLangsung ke: navigasi, cari
Contoh gerak harmonik sederhanaGerak harmonik sederhana adalah gerak bolak - balik benda melalui suatu titik keseimbangan tertentu dengan banyaknya getaran benda dalam setiap sekon selalu konstan[1].
Daftar isi [sembunyikan]
1 Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
1.1 Jenis Gerak Harmonik Sederhana
1.2 Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
1.3 Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
1.3.1 Periode (T)
1.3.2 Frekuensi (f)
1.3.3 Hubungan antara Periode dan Frekuensi
1.3.4 Amplitudo
2 Gaya Pemulih
2.1 Gaya Pemulih pada Pegas
2.1.1 Hukum Hooke
2.1.2 Susunan Pegas
2.2 Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
3 Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.1 Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
3.2 Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.3 Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
3.4 Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
4 Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
5 Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
5.1 Shockabsorber pada Mobil
5.2 Jam Mekanik
5.3 Garpu Tala
6 Referensi
7 Lihat Pula
8 Pranala Luar
[sunting] Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Jenis Gerak Harmonik Sederhana
Gerak Harmonik Sederhana dapat dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu[1] :
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Linier, misalnya penghisap dalam silinder gas, gerak osilasi air raksa / air dalam pipa U, gerak horizontal / vertikal dari pegas, dan sebagainya.
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Angular, misalnya gerak bandul/ bandul fisis, osilasi ayunan torsi, dan sebagainya.
[sunting] Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
Gerak harmonik pada bandul
Gerak harmonik pada bandulKetika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya, maka benda akan dian di titik keseimbangan B[2]. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A[2]. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana[2].
Gerak harmonik pada pegas
Gerak vertikal pada pegasSemua pegas memiliki panjang alami sebagaimana tampak pada gambar[2]. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang)[2].
[sunting] Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
[sunting] Periode (T)
Benda yang bergerak harmonis sederhana pada ayunan sederhana memiliki periode[3]. Periode ayunan (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu getaran. Benda dikatakan melakukan satu getaran jika benda bergerak dari titik di mana benda tersebut mulai bergerak dan kembali lagi ke titik tersebut. Satuan periode adalah sekon atau detik[3].
[sunting] Frekuensi (f)
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan oleh benda selama satu detik, yang dimaksudkan dengan getaran di sini adalah getaran lengkap[3]. Satuan frekuensi adalah hertz[3].
[sunting] Hubungan antara Periode dan Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi selama satu detik. Dengan demikian selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah[3] :
Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara matematis hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut[3] :
[sunting] Amplitudo
Pada ayunan sederhana, selain periode dan frekuensi, terdapat juga amplitudo. Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari titik kesetimbangan[3].
[sunting] Gaya Pemulih
Gaya pemulih dimiliki oleh setiap benda elastis yang terkena gaya sehingga benda elastis tersebut berubah bentuk[4]. Gaya yang timbul pada benda elastis untuk menarik kembali benda yang melekat padanya di sebut gaya pemulih[4].
[sunting] Gaya Pemulih pada Pegas
Pegas adalah salah satu contoh benda elastis[4]. Oleh sifat elastisnya ini, suatu pegas yang diberi gaya tekan atau gaya regang akan kembali pada keadaan setimbangnya mula- mula apabila gaya yang bekerja padanya dihilangkan[4]. Gaya pemulih pada pegas banyak dimanfaatkan dalam bidang teknik dan kehidupan sehari- hari[4]. Misalnya di dalam shockbreaker dan springbed[4]. Sebuah pegas berfungsi meredam getaran saat roda kendaraan melewati jalan yang tidak rata[4]. Pegas - pegas yang tersusun di dalam springbed akan memberikan kenyamanan saat orang tidur[4].
[sunting] Hukum Hooke
Robert HookeJika gaya yang bekerja pada sebuah pegas dihilangkan, pegas tersebut akan kembali pada keadaan semula[5]. Robert Hooke, ilmuwan berkebangsaan Inggris menyimpulkan bahwa sifat elastis pegas tersebut ada batasnya dan besar gaya pegas sebanding dengan pertambahan panjang pegas[5]. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa besar gaya pegas pemulih sebanding dengan pertambahan panjang pegas. Secara matematis, dapat dituliskan sebagai[5] :
, dengan k = tetapan pegas (N / m)
Tanda (-) diberikan karena arah gaya pemulih pada pegas berlawanan dengan arah gerak pegas tersebut.
[sunting] Susunan Pegas
Konstanta pegas dapat berubah nilainya, apabila pegas - pegas tersebut disusun menjadi rangkaian[5]. Besar konstanta total rangkaian pegas bergantung pada jenis rangkaian pegas, yaitu rangkaian pegas seri atau paralel[5].
Seri / Deret
Gaya yang bekerja pada setiap pegas adalah sebesar F, sehingga pegas akan mengalami pertambahan panjang sebesar dan . Secara umum, konstanta total pegas yang disusun seri dinyatakan dengan persamaan[5] :
, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
Paralel
Jika rangkaian pegas ditarik dengan gaya sebesar F, setiap pegas akan mengalami gaya tarik sebesar F1 dan F2, pertambahan panjang sebesar dan [5]. Secara umum, konstanta total pegas yang dirangkai paralel dinyatakan dengan persamaan[5] :
ktotal = k1 + k2 + k3 +....+ kn, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
[sunting] Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
Ayunan Bandul MatematisAyunan matematis merupakan suatu partikel massa yang tergantung pada suatu titik tetap pada seutas tali, di mana massa tali dapat diabaikan dan tali tidak dapat bertambah panjang[6]. Dari gambar tersebut, terdapat sebuah beban bermassa m tergantung pada seutas kawat halus sepanjang l dan massanya dapat diabaikan. Apabila bandul itu bergerak vertikal dengan membentuk sudut θ, gaya pemulih bandul tersebut adalah mgsinθ[6]. Secara matematis dapat dituliskan[6] :
F = mgsinθ
Oleh karena , maka :
[sunting] Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
Persamaan Gerak Harmonik Sederhana adalah[6] :
Keterangan :
Y = simpangan
A = simpangan maksimum (amplitudo)
F = frekuensi
t = waktu
Jika posisi sudut awal adalah θ0, maka persamaan gerak harmonik sederhana menjadi [6]:
[sunting] Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan gerak harmonik sederhana
Kecepatan gerak harmonik sederhana[6] :
Kecepatan maksimum diperoleh jika nilai atau , sehingga : vmaksimum = Aω
[sunting] Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
Persamaan tersebut dikuadratkan
, maka[6] :
...(1)
Dari persamaan :
...(2)
Persamaan (1) dan (2) dikalikan, sehingga didapatkan :
Keterangan :
v =kecepatan benda pada simpangan tertentu
ω = kecepatan sudut
A = amplitudo
Y = simpangan
[sunting] Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan kecepatan : , maka[6] :
Percepatan maksimum jika atau = 900 =
Keterangan :
a maks = percepatan maksimum
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
[sunting] Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
Gerak MelingkarGerak Melingkar Beraturan dapat dipandang sebagai gabungan dua gerak harmonik sederhana yang saling tegak lurus, memiliki Amplitudo (A) dan frekuensi yang sama namun memiliki beda fase relatif atau kita dapat memandang Gerak Harmonik Sederhana sebagai suatu komponen Gerak Melingkar Beraturan[7]. Jadi dapat diimpulkan bahwa pada suatu garis lurus, proyeksi sebuah benda yang melakukan Gerak Melingkar Beraturan merupakan Gerak Harmonik Sederhana[7]. Frekuensi dan periode Gerak Melingkar Beraturan sama dengan Frekuensi dan periode Gerak Harmonik Sederhana yang diproyeksikan[7].
Misalnya sebuah benda bergerak dengan laju tetap (v) pada sebuah lingkaran yang memiliki jari-jari A sebagaimana tampak pada gambar di samping[7]. Benda melakukan Gerak Melingkar Beraturan, sehingga kecepatan sudutnya bernilai konstan[7]. Hubungan antara kecepatan linear dengan kecepatan sudut dalam Gerak Melingkar Beraturan dinyatakan dengan persamaan[7] :
Karena jari-jari (r) pada Gerak Melingkar Beraturan di atas adalah A, maka persamaan ini diubah menjadi :
, ... (1)
Simpangan sudut (teta) adalah perbandingan antara jarak linear x dengan jari-jari lingkaran (r), dan dinyatakan dengan persamaan :
... (2), x adalah jarak linear, v adalah kecepatan linear dan t adalah waktu tempuh (x = vt adalah persamaan Gerak Lurus alias Gerak Linear). Kemudian v pada persamaan 2 digantikan dengan v pada persamaan 1 dan jari-jari r digantikan dengan A :
Dengan demikian, simpangan sudut benda relatif terhadap sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
... (3) (θ0 adalah simpangan waktu pada t = 0})
Pada gambar di atas, posisi benda pada sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
x = Acosθ ...(4)
Persamaan posisi benda pada sumbu y :
Keterangan :
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
θ0 = simpangan udut pada saat t = 0
[sunting] Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Shockabsorber pada Mobil
Shockabsorber pada mobilPeredam kejut (shockabsorber) pada mobil memiliki komponen pada bagian atasnya terhubung dengan piston dan dipasangkan dengan rangka kendaraan[8]. Bagian bawahnya, terpasang dengan silinder bagian bawah yang dipasangkan dengan as roda[8]. Fluida kental menyebabkan gaya redaman yang bergantung pada kecepatan relatif dari kedua ujung unit tersebut[8]. Hal ini membantu untuk mengendalikan guncangan pada roda[8].
[sunting] Jam Mekanik
Jam mekanikRoda keseimbangan dari suatu jam mekanik memiliki komponen pegas[8]. Pegas akan memberikan suatu torsi pemulih yang sebanding dengan perpindahan sudut dan posisi kesetimbangan[8]. Gerak ini dinamakan Gerak Harmonik Sederhana sudut (angular)[8].
[sunting] Garpu Tala
Garpu talaGarpu tala dengan ukuran yang berbeda menghasilkan bunyi dengan pola titinada yang berbeda[8]. Makin kecil massa m pada gigi garpu tala, makin tinggi frekuensi osilasi dan makin tinggi pola titinada dari bunyi yang dihasilkan garpu tala[8].
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebasBelum DiperiksaLangsung ke: navigasi, cari
Contoh gerak harmonik sederhanaGerak harmonik sederhana adalah gerak bolak - balik benda melalui suatu titik keseimbangan tertentu dengan banyaknya getaran benda dalam setiap sekon selalu konstan[1].
Daftar isi [sembunyikan]
1 Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
1.1 Jenis Gerak Harmonik Sederhana
1.2 Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
1.3 Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
1.3.1 Periode (T)
1.3.2 Frekuensi (f)
1.3.3 Hubungan antara Periode dan Frekuensi
1.3.4 Amplitudo
2 Gaya Pemulih
2.1 Gaya Pemulih pada Pegas
2.1.1 Hukum Hooke
2.1.2 Susunan Pegas
2.2 Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
3 Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.1 Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
3.2 Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.3 Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
3.4 Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
4 Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
5 Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
5.1 Shockabsorber pada Mobil
5.2 Jam Mekanik
5.3 Garpu Tala
6 Referensi
7 Lihat Pula
8 Pranala Luar
[sunting] Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Jenis Gerak Harmonik Sederhana
Gerak Harmonik Sederhana dapat dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu[1] :
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Linier, misalnya penghisap dalam silinder gas, gerak osilasi air raksa / air dalam pipa U, gerak horizontal / vertikal dari pegas, dan sebagainya.
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Angular, misalnya gerak bandul/ bandul fisis, osilasi ayunan torsi, dan sebagainya.
[sunting] Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
Gerak harmonik pada bandul
Gerak harmonik pada bandulKetika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya, maka benda akan dian di titik keseimbangan B[2]. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A[2]. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana[2].
Gerak harmonik pada pegas
Gerak vertikal pada pegasSemua pegas memiliki panjang alami sebagaimana tampak pada gambar[2]. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang)[2].
[sunting] Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
[sunting] Periode (T)
Benda yang bergerak harmonis sederhana pada ayunan sederhana memiliki periode[3]. Periode ayunan (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu getaran. Benda dikatakan melakukan satu getaran jika benda bergerak dari titik di mana benda tersebut mulai bergerak dan kembali lagi ke titik tersebut. Satuan periode adalah sekon atau detik[3].
[sunting] Frekuensi (f)
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan oleh benda selama satu detik, yang dimaksudkan dengan getaran di sini adalah getaran lengkap[3]. Satuan frekuensi adalah hertz[3].
[sunting] Hubungan antara Periode dan Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi selama satu detik. Dengan demikian selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah[3] :
Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara matematis hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut[3] :
[sunting] Amplitudo
Pada ayunan sederhana, selain periode dan frekuensi, terdapat juga amplitudo. Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari titik kesetimbangan[3].
[sunting] Gaya Pemulih
Gaya pemulih dimiliki oleh setiap benda elastis yang terkena gaya sehingga benda elastis tersebut berubah bentuk[4]. Gaya yang timbul pada benda elastis untuk menarik kembali benda yang melekat padanya di sebut gaya pemulih[4].
[sunting] Gaya Pemulih pada Pegas
Pegas adalah salah satu contoh benda elastis[4]. Oleh sifat elastisnya ini, suatu pegas yang diberi gaya tekan atau gaya regang akan kembali pada keadaan setimbangnya mula- mula apabila gaya yang bekerja padanya dihilangkan[4]. Gaya pemulih pada pegas banyak dimanfaatkan dalam bidang teknik dan kehidupan sehari- hari[4]. Misalnya di dalam shockbreaker dan springbed[4]. Sebuah pegas berfungsi meredam getaran saat roda kendaraan melewati jalan yang tidak rata[4]. Pegas - pegas yang tersusun di dalam springbed akan memberikan kenyamanan saat orang tidur[4].
[sunting] Hukum Hooke
Robert HookeJika gaya yang bekerja pada sebuah pegas dihilangkan, pegas tersebut akan kembali pada keadaan semula[5]. Robert Hooke, ilmuwan berkebangsaan Inggris menyimpulkan bahwa sifat elastis pegas tersebut ada batasnya dan besar gaya pegas sebanding dengan pertambahan panjang pegas[5]. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa besar gaya pegas pemulih sebanding dengan pertambahan panjang pegas. Secara matematis, dapat dituliskan sebagai[5] :
, dengan k = tetapan pegas (N / m)
Tanda (-) diberikan karena arah gaya pemulih pada pegas berlawanan dengan arah gerak pegas tersebut.
[sunting] Susunan Pegas
Konstanta pegas dapat berubah nilainya, apabila pegas - pegas tersebut disusun menjadi rangkaian[5]. Besar konstanta total rangkaian pegas bergantung pada jenis rangkaian pegas, yaitu rangkaian pegas seri atau paralel[5].
Seri / Deret
Gaya yang bekerja pada setiap pegas adalah sebesar F, sehingga pegas akan mengalami pertambahan panjang sebesar dan . Secara umum, konstanta total pegas yang disusun seri dinyatakan dengan persamaan[5] :
, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
Paralel
Jika rangkaian pegas ditarik dengan gaya sebesar F, setiap pegas akan mengalami gaya tarik sebesar F1 dan F2, pertambahan panjang sebesar dan [5]. Secara umum, konstanta total pegas yang dirangkai paralel dinyatakan dengan persamaan[5] :
ktotal = k1 + k2 + k3 +....+ kn, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
[sunting] Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
Ayunan Bandul MatematisAyunan matematis merupakan suatu partikel massa yang tergantung pada suatu titik tetap pada seutas tali, di mana massa tali dapat diabaikan dan tali tidak dapat bertambah panjang[6]. Dari gambar tersebut, terdapat sebuah beban bermassa m tergantung pada seutas kawat halus sepanjang l dan massanya dapat diabaikan. Apabila bandul itu bergerak vertikal dengan membentuk sudut θ, gaya pemulih bandul tersebut adalah mgsinθ[6]. Secara matematis dapat dituliskan[6] :
F = mgsinθ
Oleh karena , maka :
[sunting] Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
Persamaan Gerak Harmonik Sederhana adalah[6] :
Keterangan :
Y = simpangan
A = simpangan maksimum (amplitudo)
F = frekuensi
t = waktu
Jika posisi sudut awal adalah θ0, maka persamaan gerak harmonik sederhana menjadi [6]:
[sunting] Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan gerak harmonik sederhana
Kecepatan gerak harmonik sederhana[6] :
Kecepatan maksimum diperoleh jika nilai atau , sehingga : vmaksimum = Aω
[sunting] Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
Persamaan tersebut dikuadratkan
, maka[6] :
...(1)
Dari persamaan :
...(2)
Persamaan (1) dan (2) dikalikan, sehingga didapatkan :
Keterangan :
v =kecepatan benda pada simpangan tertentu
ω = kecepatan sudut
A = amplitudo
Y = simpangan
[sunting] Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan kecepatan : , maka[6] :
Percepatan maksimum jika atau = 900 =
Keterangan :
a maks = percepatan maksimum
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
[sunting] Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
Gerak MelingkarGerak Melingkar Beraturan dapat dipandang sebagai gabungan dua gerak harmonik sederhana yang saling tegak lurus, memiliki Amplitudo (A) dan frekuensi yang sama namun memiliki beda fase relatif atau kita dapat memandang Gerak Harmonik Sederhana sebagai suatu komponen Gerak Melingkar Beraturan[7]. Jadi dapat diimpulkan bahwa pada suatu garis lurus, proyeksi sebuah benda yang melakukan Gerak Melingkar Beraturan merupakan Gerak Harmonik Sederhana[7]. Frekuensi dan periode Gerak Melingkar Beraturan sama dengan Frekuensi dan periode Gerak Harmonik Sederhana yang diproyeksikan[7].
Misalnya sebuah benda bergerak dengan laju tetap (v) pada sebuah lingkaran yang memiliki jari-jari A sebagaimana tampak pada gambar di samping[7]. Benda melakukan Gerak Melingkar Beraturan, sehingga kecepatan sudutnya bernilai konstan[7]. Hubungan antara kecepatan linear dengan kecepatan sudut dalam Gerak Melingkar Beraturan dinyatakan dengan persamaan[7] :
Karena jari-jari (r) pada Gerak Melingkar Beraturan di atas adalah A, maka persamaan ini diubah menjadi :
, ... (1)
Simpangan sudut (teta) adalah perbandingan antara jarak linear x dengan jari-jari lingkaran (r), dan dinyatakan dengan persamaan :
... (2), x adalah jarak linear, v adalah kecepatan linear dan t adalah waktu tempuh (x = vt adalah persamaan Gerak Lurus alias Gerak Linear). Kemudian v pada persamaan 2 digantikan dengan v pada persamaan 1 dan jari-jari r digantikan dengan A :
Dengan demikian, simpangan sudut benda relatif terhadap sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
... (3) (θ0 adalah simpangan waktu pada t = 0})
Pada gambar di atas, posisi benda pada sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
x = Acosθ ...(4)
Persamaan posisi benda pada sumbu y :
Keterangan :
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
θ0 = simpangan udut pada saat t = 0
[sunting] Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Shockabsorber pada Mobil
Shockabsorber pada mobilPeredam kejut (shockabsorber) pada mobil memiliki komponen pada bagian atasnya terhubung dengan piston dan dipasangkan dengan rangka kendaraan[8]. Bagian bawahnya, terpasang dengan silinder bagian bawah yang dipasangkan dengan as roda[8]. Fluida kental menyebabkan gaya redaman yang bergantung pada kecepatan relatif dari kedua ujung unit tersebut[8]. Hal ini membantu untuk mengendalikan guncangan pada roda[8].
[sunting] Jam Mekanik
Jam mekanikRoda keseimbangan dari suatu jam mekanik memiliki komponen pegas[8]. Pegas akan memberikan suatu torsi pemulih yang sebanding dengan perpindahan sudut dan posisi kesetimbangan[8]. Gerak ini dinamakan Gerak Harmonik Sederhana sudut (angular)[8].
[sunting] Garpu Tala
Garpu talaGarpu tala dengan ukuran yang berbeda menghasilkan bunyi dengan pola titinada yang berbeda[8]. Makin kecil massa m pada gigi garpu tala, makin tinggi frekuensi osilasi dan makin tinggi pola titinada dari bunyi yang dihasilkan garpu tala[8].
Gerak harmonik sederhana
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebasBelum DiperiksaLangsung ke: navigasi, cari
Contoh gerak harmonik sederhanaGerak harmonik sederhana adalah gerak bolak - balik benda melalui suatu titik keseimbangan tertentu dengan banyaknya getaran benda dalam setiap sekon selalu konstan[1].
Daftar isi [sembunyikan]
1 Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
1.1 Jenis Gerak Harmonik Sederhana
1.2 Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
1.3 Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
1.3.1 Periode (T)
1.3.2 Frekuensi (f)
1.3.3 Hubungan antara Periode dan Frekuensi
1.3.4 Amplitudo
2 Gaya Pemulih
2.1 Gaya Pemulih pada Pegas
2.1.1 Hukum Hooke
2.1.2 Susunan Pegas
2.2 Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
3 Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.1 Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
3.2 Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
3.3 Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
3.4 Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
4 Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
5 Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
5.1 Shockabsorber pada Mobil
5.2 Jam Mekanik
5.3 Garpu Tala
6 Referensi
7 Lihat Pula
8 Pranala Luar
[sunting] Jenis, Contoh, dan Besaran Fisika pada Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Jenis Gerak Harmonik Sederhana
Gerak Harmonik Sederhana dapat dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu[1] :
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Linier, misalnya penghisap dalam silinder gas, gerak osilasi air raksa / air dalam pipa U, gerak horizontal / vertikal dari pegas, dan sebagainya.
Gerak Harmonik Sederhana (GHS) Angular, misalnya gerak bandul/ bandul fisis, osilasi ayunan torsi, dan sebagainya.
[sunting] Beberapa Contoh Gerak Harmonik Sederhana
Gerak harmonik pada bandul
Gerak harmonik pada bandulKetika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya, maka benda akan dian di titik keseimbangan B[2]. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A[2]. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana[2].
Gerak harmonik pada pegas
Gerak vertikal pada pegasSemua pegas memiliki panjang alami sebagaimana tampak pada gambar[2]. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang)[2].
[sunting] Besaran Fisika pada Ayunan Bandul
[sunting] Periode (T)
Benda yang bergerak harmonis sederhana pada ayunan sederhana memiliki periode[3]. Periode ayunan (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu getaran. Benda dikatakan melakukan satu getaran jika benda bergerak dari titik di mana benda tersebut mulai bergerak dan kembali lagi ke titik tersebut. Satuan periode adalah sekon atau detik[3].
[sunting] Frekuensi (f)
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan oleh benda selama satu detik, yang dimaksudkan dengan getaran di sini adalah getaran lengkap[3]. Satuan frekuensi adalah hertz[3].
[sunting] Hubungan antara Periode dan Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi selama satu detik. Dengan demikian selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah[3] :
Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara matematis hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut[3] :
[sunting] Amplitudo
Pada ayunan sederhana, selain periode dan frekuensi, terdapat juga amplitudo. Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari titik kesetimbangan[3].
[sunting] Gaya Pemulih
Gaya pemulih dimiliki oleh setiap benda elastis yang terkena gaya sehingga benda elastis tersebut berubah bentuk[4]. Gaya yang timbul pada benda elastis untuk menarik kembali benda yang melekat padanya di sebut gaya pemulih[4].
[sunting] Gaya Pemulih pada Pegas
Pegas adalah salah satu contoh benda elastis[4]. Oleh sifat elastisnya ini, suatu pegas yang diberi gaya tekan atau gaya regang akan kembali pada keadaan setimbangnya mula- mula apabila gaya yang bekerja padanya dihilangkan[4]. Gaya pemulih pada pegas banyak dimanfaatkan dalam bidang teknik dan kehidupan sehari- hari[4]. Misalnya di dalam shockbreaker dan springbed[4]. Sebuah pegas berfungsi meredam getaran saat roda kendaraan melewati jalan yang tidak rata[4]. Pegas - pegas yang tersusun di dalam springbed akan memberikan kenyamanan saat orang tidur[4].
[sunting] Hukum Hooke
Robert HookeJika gaya yang bekerja pada sebuah pegas dihilangkan, pegas tersebut akan kembali pada keadaan semula[5]. Robert Hooke, ilmuwan berkebangsaan Inggris menyimpulkan bahwa sifat elastis pegas tersebut ada batasnya dan besar gaya pegas sebanding dengan pertambahan panjang pegas[5]. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa besar gaya pegas pemulih sebanding dengan pertambahan panjang pegas. Secara matematis, dapat dituliskan sebagai[5] :
, dengan k = tetapan pegas (N / m)
Tanda (-) diberikan karena arah gaya pemulih pada pegas berlawanan dengan arah gerak pegas tersebut.
[sunting] Susunan Pegas
Konstanta pegas dapat berubah nilainya, apabila pegas - pegas tersebut disusun menjadi rangkaian[5]. Besar konstanta total rangkaian pegas bergantung pada jenis rangkaian pegas, yaitu rangkaian pegas seri atau paralel[5].
Seri / Deret
Gaya yang bekerja pada setiap pegas adalah sebesar F, sehingga pegas akan mengalami pertambahan panjang sebesar dan . Secara umum, konstanta total pegas yang disusun seri dinyatakan dengan persamaan[5] :
, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
Paralel
Jika rangkaian pegas ditarik dengan gaya sebesar F, setiap pegas akan mengalami gaya tarik sebesar F1 dan F2, pertambahan panjang sebesar dan [5]. Secara umum, konstanta total pegas yang dirangkai paralel dinyatakan dengan persamaan[5] :
ktotal = k1 + k2 + k3 +....+ kn, dengan kn = konstanta pegas ke - n.
[sunting] Gaya Pemulih pada Ayunan Bandul Matematis
Ayunan Bandul MatematisAyunan matematis merupakan suatu partikel massa yang tergantung pada suatu titik tetap pada seutas tali, di mana massa tali dapat diabaikan dan tali tidak dapat bertambah panjang[6]. Dari gambar tersebut, terdapat sebuah beban bermassa m tergantung pada seutas kawat halus sepanjang l dan massanya dapat diabaikan. Apabila bandul itu bergerak vertikal dengan membentuk sudut θ, gaya pemulih bandul tersebut adalah mgsinθ[6]. Secara matematis dapat dituliskan[6] :
F = mgsinθ
Oleh karena , maka :
[sunting] Persamaan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Persamaan Gerak Harmonik Sederhana
Persamaan Gerak Harmonik Sederhana adalah[6] :
Keterangan :
Y = simpangan
A = simpangan maksimum (amplitudo)
F = frekuensi
t = waktu
Jika posisi sudut awal adalah θ0, maka persamaan gerak harmonik sederhana menjadi [6]:
[sunting] Kecepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan gerak harmonik sederhana
Kecepatan gerak harmonik sederhana[6] :
Kecepatan maksimum diperoleh jika nilai atau , sehingga : vmaksimum = Aω
[sunting] Kecepatan untuk Berbagai Simpangan
Persamaan tersebut dikuadratkan
, maka[6] :
...(1)
Dari persamaan :
...(2)
Persamaan (1) dan (2) dikalikan, sehingga didapatkan :
Keterangan :
v =kecepatan benda pada simpangan tertentu
ω = kecepatan sudut
A = amplitudo
Y = simpangan
[sunting] Percepatan Gerak Harmonik Sederhana
Dari persamaan kecepatan : , maka[6] :
Percepatan maksimum jika atau = 900 =
Keterangan :
a maks = percepatan maksimum
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
[sunting] Hubungan Gerak Harmonik Sederhana (GHS) dan Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
Gerak MelingkarGerak Melingkar Beraturan dapat dipandang sebagai gabungan dua gerak harmonik sederhana yang saling tegak lurus, memiliki Amplitudo (A) dan frekuensi yang sama namun memiliki beda fase relatif atau kita dapat memandang Gerak Harmonik Sederhana sebagai suatu komponen Gerak Melingkar Beraturan[7]. Jadi dapat diimpulkan bahwa pada suatu garis lurus, proyeksi sebuah benda yang melakukan Gerak Melingkar Beraturan merupakan Gerak Harmonik Sederhana[7]. Frekuensi dan periode Gerak Melingkar Beraturan sama dengan Frekuensi dan periode Gerak Harmonik Sederhana yang diproyeksikan[7].
Misalnya sebuah benda bergerak dengan laju tetap (v) pada sebuah lingkaran yang memiliki jari-jari A sebagaimana tampak pada gambar di samping[7]. Benda melakukan Gerak Melingkar Beraturan, sehingga kecepatan sudutnya bernilai konstan[7]. Hubungan antara kecepatan linear dengan kecepatan sudut dalam Gerak Melingkar Beraturan dinyatakan dengan persamaan[7] :
Karena jari-jari (r) pada Gerak Melingkar Beraturan di atas adalah A, maka persamaan ini diubah menjadi :
, ... (1)
Simpangan sudut (teta) adalah perbandingan antara jarak linear x dengan jari-jari lingkaran (r), dan dinyatakan dengan persamaan :
... (2), x adalah jarak linear, v adalah kecepatan linear dan t adalah waktu tempuh (x = vt adalah persamaan Gerak Lurus alias Gerak Linear). Kemudian v pada persamaan 2 digantikan dengan v pada persamaan 1 dan jari-jari r digantikan dengan A :
Dengan demikian, simpangan sudut benda relatif terhadap sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
... (3) (θ0 adalah simpangan waktu pada t = 0})
Pada gambar di atas, posisi benda pada sumbu x dinyatakan dengan persamaan :
x = Acosθ ...(4)
Persamaan posisi benda pada sumbu y :
Keterangan :
A = amplitudo
ω = kecepatan sudut
θ0 = simpangan udut pada saat t = 0
[sunting] Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana
[sunting] Shockabsorber pada Mobil
Shockabsorber pada mobilPeredam kejut (shockabsorber) pada mobil memiliki komponen pada bagian atasnya terhubung dengan piston dan dipasangkan dengan rangka kendaraan[8]. Bagian bawahnya, terpasang dengan silinder bagian bawah yang dipasangkan dengan as roda[8]. Fluida kental menyebabkan gaya redaman yang bergantung pada kecepatan relatif dari kedua ujung unit tersebut[8]. Hal ini membantu untuk mengendalikan guncangan pada roda[8].
[sunting] Jam Mekanik
Jam mekanikRoda keseimbangan dari suatu jam mekanik memiliki komponen pegas[8]. Pegas akan memberikan suatu torsi pemulih yang sebanding dengan perpindahan sudut dan posisi kesetimbangan[8]. Gerak ini dinamakan Gerak Harmonik Sederhana sudut (angular)[8].
[sunting] Garpu Tala
Garpu talaGarpu tala dengan ukuran yang berbeda menghasilkan bunyi dengan pola titinada yang berbeda[8]. Makin kecil massa m pada gigi garpu tala, makin tinggi frekuensi osilasi dan makin tinggi pola titinada dari bunyi yang dihasilkan garpu tala[8].
Langganan:
Postingan (Atom)