FISIKA

Arus listrik adalah gerakan atau aliran muatan listrik. Berdasarkan perjanjian arah arus listrik diambil sesuai arah gerakan muatan positif. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial yang lebih rendah, sedangkan elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial yang lebih tinggi. Syarat terjadinya arus listrik:

1. Terdapat beda potensial antara kedua ujung konduktor 

2. Terjadi dalam rangkaian tertutup (seluruh elemen terhubung) 

 

Gambar tersebut menunjukkan rangkaian listrik sederhana. Rangkaian listrik tersebut merupakan susunan alat-alat listrik yang terdiri dari sumber arus, kawat penghantar, lampu atau alat listrik, dan saklar. Pada gambar 1a saklar dalam keadaan terbuka dan rangkaian tersebut disebut rangkaian terbuka. Pada rangkaian terbuka maka arus listrik tidak dapat mengalir sehingga lampu tidak menyala. Pada gambar 1b saklar dalam keadaan tertutup dan rangkaian tersebut disebut rangkaian tertutup. Pada rangkaian tertutup 1b maka arus listrik mengalir melalui rangkaian sehingga lampu menyala.

Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan yang mengalir melalui suatu penampang konduktor tiap detik. 

Jika ada muatan sebesar melewati suatu penampang konduktor dalam interval waktu, maka besar kuat arus listrik yang mengalir dalam konduktor itu adalah: 

dalam SI (Sistem Internasional) satuan arus adalah ampere (A).

Satu ampere didefinisikan sebagai muatan satu coulomb yang melewati suatu permukaan dalam waktu 1 detik. Muatan listrik satu electron adalah 1,6 x 10-19C. Jika besarnya muatan listrik yang melalui pengantar dalam waktu tertentu adalah Q Coulomb, maka jumlah electron yang melalui penghantar adalah: 

Pernahkah Anda mandi dan airnya kedinginan? Apa yang Anda lakukan? Kemudian pernahkah anda membuat teh manis dan terlalu panas? Apa yang Anda lakukan? Tentunya anda akan menuangkan sejumlah air panas pada air mandi anda. Dan Anda akan mendinginkan teh manis dengan menambahkan es. 

Kejadian-kejadian yang pernah Anda lakukan diatas ternyata sangat sesuai dengan konsep fisika. Apabila dua zat atau lebih mempunyai suhu yang berbeda dan terisolasi dalam suatu system, maka kalor akan mengalir dari zat yang suhunya tinggi ke zat yang suhunya rendah. Jika air panas dicampur dengan air dingin, sehingga diperoleh campuran yaitu air hangat. Ini berarti air panas turun suhunya, karena memberikan kalor kepada air yang dingin. Sedangkan air dingin naik suhunya karena ia menyerap kalor dari air panas. 

Jika sistem ini terisolir, yaitu aliran kalor bebas dari pengaruh lingkungan, maka berlaku hukum kekekalan energy kalor (asas black) yaitu: “ Jumlah kalor yang dilepas oleh zat yang panas sama dengan jumlah kalor yang diserap oleh zat yang dingin.”

Rumus asas Black
Q_lepas = Q_serap
 

Keterangan: 

Q_lepas = kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi

Q_serap = kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah

Bagaimanakah proses radiasinya? matahari adalah sumber cahaya di bumi, sinarnya masuk ke bumi melewati filter yang disebut atmosfer, sehingga cahaya yang masuk ke bumi adalah cahaya yang tidak berbahaya. Cahaya yang masuk ke bumi melalui lapisan atmosfer itu dikenal dengan gelombang elektromagnetik yang terbagi ke dalam gelombang pendek dan gelombang panjang. Seperti Radio, TV, Radar, Inframerah, Cahaya Tampak, Ultraviolet, Sinar X dan Sinar Gamma.

Sinar Gelombang Elektromagnetik tersebut dibedakan berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya. Semakin besar panjang gelombang semakin kecil frekuensinya. Energi radiasinya tergantung dari besarnya frekuensi dalam arti semakin besar frekuensi semakin besar energi radiasinya. Sinar Gamma adalah gelombang elektromagnetik dan sinar radioaktif dengan energi radiasi terbesar.

Siapkan sebuah lilin dan sepotong kawat tipis. Pegang salah satu ujung kawat lalu sentuhkan ujung kawat lain ke nyala lilin. Tunggu selama beberapa saat hingga tanganmu kepanasan. Mengapa tanganmu terasa panas ? Ketika salah satu ujung kawat bersentuhan dengan nyala lilin, kalor berpindah dari nyala lilin (suhu tinggi) menuju ujung kawat tersebut (suhu rendah). Adanya perpindahan kalor menyebabkan suhu ujung kawat yang bersentuhan dengan api meningkat. Perbedaan suhu antara ujung kawat yang bersentuhan dengan nyala lilin dengan ujung kawat lainnya menyebabkan kalor berpindah dari ujung kawat yang bersentuhan dengan api menuju ujung kawat yang disentuh tangan. Adanya perpindahan kalor menyebabkan suhu ujung kawat yang disentuh meningkat. Kalor selanjutnya berpindah menuju tangan yang lebih dingin. Akibatnya tangan anda terasa panas.

Ketika salah satu bagian benda yang mempunyai suhu tinggi bersentuhan dengan benda bersuhu rendah, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi menuju bagian benda bersuhu rendah. Adanya tambahan energi menyebabkan atom dan molekul penyusun benda bergerak semakin cepat. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik (EK = ½ mv²). Molekul-molekul yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menumbuk molekul yang berada di sebelahnya. Molekul tadi menumbuk lagi molekul lain yang berada di sebelah. Demikian seterusnya. Jadi molekul-molekul saling bertumbukan, sambil  memindahkan energi. Perpindahan kalor yang terjadi melalui tumbukan antara molekul pernyusun benda dinamakan perpindahan kalor secara konduksi.

Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T₁) sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T₂). Karena adanya perbedaan suhu (T₁ – T₂), kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).

Berdasarkan hasil percobaan, kalor yang berpindah selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T₁ – T₂), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi :

Mengapa ubin terasa lebih sejuk daripada karpet ? Ubin memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada karpet. Karenanya ubin merupakan penghantar kalor yang bagus, sedangkan karpet merupakan penghantar kalor yang buruk. Ketika kita menginjak karpet, kalor mengalir dari kaki menuju karpet. Hal ini terjadi karena suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu karpet. Karpet merupakan penghantar kalor yang buruk karenanya kalor yang mengalir dari kaki kita menumpuk di permukaan karpet sehingga karpet menjadi lebih hangat. Ketika kita menginjak ubin atau keramik, kalor mengalir dari kaki menuju ubin atau keramik. Karena ubin merupakan penghantar kalor yang baik maka kalor tidak tertahan di permukaan ubin. Kalor mengalir dengan lancar sehingga kaki kita terasa dingin. Jika rumahmu berada di daerah dingin, sebaiknya alasi lantai kamarmu dengan karpet agar tubuhmu tidak kehilangan kalor. Sebaliknya, jika rumahmu berada di daerah panas, sebaiknya jangan alasi lantai kamarmu dengan karpet karena bukan kesejukan yang dirimu rasakan tapi kegerahan.

Tidur di lantai rumah tanpa alas dapat menyebabkan sakit. Mengapa? Hal ini disebabkan banyaknya kalor yang berpindah dari tubuh menuju lantai. Kalor adalah energi yang berpindah. Ketika tubuhmu kehilangan banyak kalor, maka energi di dalam tubuhmu berkurang. Jika kekurangan energi maka anda bisa sakit!

Apa fungsi jendela dan pintu ? Mengapa pintu dan jendela sebaiknya terbuat dari kayu ? Pada malam hari, suhu udara di luar rumah lebih rendah daripada suhu udara di dalam rumah. Adanya perbedaan suhu udara ini menyebabkan kalor berpindah dari dalam rumah ke luar rumah. Karenanya, biasanya pada malam hari kita menutup pintu atau jendela. Selain bertujuan menghalau penjahat, salah satu fungsi jendela atau pintu adalah menahan kalor agar tidak keluar dari dalam rumah. Biasanya pintu atau jendela terbuat dari kayu. Konduktivitas termal kayu cukup kecil sehingga bisa berperan sebagai isolator termal. Fungsi lain dari jendela atau pintu adalah menahan udara. Udara yang terperangkap pada sisi dalam jendela atau pintu berfungsi sebagai isolator yang baik (penghambat kalor yang hendak kabur). Konduktivitas termal udara sangat kecil. Semakin kecil konduktivitas termal suatu benda, semakin sulit kalor berpindah secara konduksi melalui benda tersebut.

Wujud Zat
Banyak benda yang dapat dilihat dan dijumpai di kehidupan sehari-hari. Misalnya pensil, kacamata, batu, kursi, air, balon berisi udara, tabung LPG berisi gas, es, baja, dan daun. Berbagai macam benda yang kita jumpai memiliki kesamaan, yaitu benda-benda tersebut memerlukan ruang atau tempat untuk keberadaannya. Air di dalam gelas, menempati ruang bagian dalam gelas itu, batu di pinggir jalan menempati ruang di pinggir jalan di mana ruangan itu tidak ditempati oleh benda lain sebelum batu itu disingkirkan.

Udara dalam balon menempati ruang bagian dalam balon itu. Manusia juga menempati ruang, misalkan dalam lift hanya cukup ditempati paling banyak 10 orang dewasa, lebih dari itu ruang dalam lift tidak mencukupi lagi. Benda atau zat juga memiliki massa, sebagai contoh batu bila ditimbang dengan neraca menunjukkan nilai massa tertentu. Balon berisi udara bila dibandingkan massanya dengan balon yang kempis, akan lebih berat balon berisi udara. Hal itu menunjukkan bahwa udara memiliki massa. Dapat disimpulkan bahwa zat adalah sesuatu yang memiliki massa dan menempati ruangan. Menurut wujudnya zat digolongkan menjadi tiga yaitu

Zat Padat
Ciri zat padat yaitu bentuk dan volumenya tetap. Contohnya kelereng yang berbentuknya bulat, dipindahkan ke gelas akan tetap berbentuk bulat. Begitu pula dengan volumenya. Volume kelereng akan selalu tetap walaupun berpindah tempat ke dalam gelas. Hal ini disebabkan karena daya tarik antarpartikel zat padat sangat kuat. Pada umumnya zat padat berbentuk kristal (seperti gula pasir atau garam dapur) atau amorf (seperti kaca dan batu granit). Partikel zat padat memiliki sifat seperti berikut:

Zat Cair
Zat cair memiliki volume tetap tetapi bentuk berubah-ubah sesuai dengan yang ditempatinya. Apabila air dimasukkan ke dalam gelas, maka bentuknya seperti gelas, apabila dimasukkan ke dalam botol akan seperti botol. Tetapi volumenya selalu tetap. Hal ini disebabkan partikel-partikel penyusunnya agak berjauhan satu sama lain. Selain itu, partikelnya lebih bebas bergerak karena ikatan antar partikelnya lemah. Partikel zat cair memiliki sifat seperti berikut:

Zat Gas
Ciri dari gas di antaranya bentuk dan volume berubah sesuai dengan tempatnya. Gas yang terdapat di balon memiliki bentuk dan volume yang sama dengan balon. Gas yang terdapat di dalam botol, bentuk dan volumenya sama dengan botol. Partikel-partikel gas bergerak acak ke segala arah dengan kecepatan bergantung pada suhu gas, akibatnya volumenya selalu berubah. Partikel zat gas memiliki sifat seperti berikut:

Perubahan Wujud Zat
Setiap zat akan berubah apabila menerima panas (kalor). Es dipanaskan akan mencair. Air dipanaskan akan menguap menjadi uap air (gas). Apabila uap air didinginkan menjadi embun dan kembali menjadi air. Air didinginkan menjadi es. Proses perubahan wujud zat tersebut dapat diamati pada diagram.
Berdasarkan diagram tersebut, zat dari wujud yang satu ke wujud yang lainnya dapat dijelaskan sebagai berikut.

Mengapa kebanyakan alat masak terbuat dari aluminium? Andaikan tangan kiri anda memegang besi, tangan kanan anda memegang kaca, lalu besi dan kaca disentuhkan ke api. Tangan kiri atau tangan kanan yang lebih cepat merasakan panas ? Pertanyaan-pertanyaan ini dan mungkin pertanyaan lain yang akan anda tanyakan, berkaitan dengan konduktivitas termal benda. Konduktivitas termal suatu benda adalah kemampuan suatu benda untuk memindahkan kalor melalui benda tersebut. Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).