Fisika dasar ii mikrajuddin abdullah mei PDF

Preview

Summary

KATA PENGANTAR Buku ini berisi materi Fisika Dasar II yang diajarkan di semester kedua tingkat pertama fakultas sains dan teknik di perguruan tinggi negeri maupun swasta. Materi utama mencakup kelistrikan, kemagnetat, gelombang, relativitas khsus, dan pengenalan teori kuantum atom. Materi tentang m...

Description

KATA PENGANTAR Buku ini berisi materi Fisika Dasar

II yang diajarkan di semester

kedua tingkat pertama fakultas sains dan teknik di perguruan tinggi negeri maupun swasta. Materi utama mencakup kelistrikan, kemagnetat, gelombang, relativitas khsus, dan pengenalan teori kuantum atom. Materi tentang mekanika dan termodinamika telah dibahas dalam buku Fisika Dasar I. Penulisan ini dimotivasi oleh ketiadaan buku kuliah fisika dasar yang ditulis oleh dosen dalam negeri selama berpuluh-puluh tahun. Seperti buku Fisika Dasar I, bentuk awal buku ini berupa diktat kuliah yang dilengkapi secara terus menerus hingga mencapai bentuk seperti ini. Berbeda dengan buku sejenis, pada buku ini juga dibahas sejumlah fenomena yang dijumpai dalam kehidupan sehari-hari dengan konsep yang sedang dipelajari. Mudah-mudahan dengan pendekatan seperti ini materi kuliah Fisika Dasar menjadi lebih menarik dan mahasiswa menyadari bahwa aplikasi konsep-konsep fifika dijumpai mulai dari fenomena sederhana yang ada di sekitar kita hingga peralatan teknologi canggih. Dibandingkan dengan buku sejenis, dalam buku ini beberapa topik dibahas dengan tingkat kesulitan lebih tinggi. Hal ini dilakukan mengingat materi pelajaran fisika di skeolah menengah di Indonesia cukup tinggi. Jika materi dalam buku fisika dasar memiliki kesulitan yang serupa dengan materi fisika di sekolah menengah maka mahasiswa akan merasa cepat bosan. Karena di sekolah menengah para siswa telah diajarkan materi diferensial, integral, i

dan vektor maka dalam buku ini banyak dijumpai operasi semacam ini, namun tetap dalam bentuk yang dapat dipahami mahasiswa tingkat satu. Pada bab akhir juga dikenalkan metode numerik untuk menyelesaikan persoalan fisika yang tidak dapat diselesaikan atau sulit diselesaikan secara analitik. Software yang digunakan hanyalah Microsoft Excel yang dijumpai pada semua komputer. Program Wolfram Alpha yang tersedia secara gratis di internet juga diperkenalkan. Materi ini dikenalkan agar pada mahasiswa sadar bahwa penyelesaian persoalan fisika tidak semata-mata dengan metode analitikseperti yang dipelajari selama ini. Justru banyak persoalan fisika yang harus diselesaikan secara numerik. Banyak pihak yang telah terlibat secara langsung atau tidak langsung selama penyelesaian buku ini. Untuk itu penulis sampaikan terima kasih yang luar biasa. Terima kasih secara khusus kepada Istri dan anak-anak yang memberikan dukungan tanpa henti.

Kampus Ganesa

Mei 2017

Penulis

ii

DAFTAR ISI Bab 1 ELEKTROSTATIKA: HUKUM COULUMB DAN HUKUM GAUSS

1

1.1 Gaya Coulomb Antar Muatan Titik

4

1.2.Gaya Coulomb oleh sejumlah muatan

10

1.3 Gaya Listrik oleh Benda Kontinu

14

1.4 Medan Listrik

22

1.5 Medan Listrik yang dihasilkan distribusi muatan

29

1.6 Perhitungan Medan Dengan Metode Integral

42

1.7 Garis Gaya Listrik

64

1.8 Hukum Gauss

65

1.9 Contoh Aplikasi Hukum Gauss

70

1.10 Beberapa Fenomena Khusus

86

Soal-Soal

107

iii

Bab 2 POTENSIAL LISTRIK DAN KAPASITOR

124

2.1 Definisi Energi Potensial

124

2.2 Potensial Listrik

130

2.3 Potensial listrik oleh sebuah partikel

131

2.4 Potensial listrik yang dihasilkan banyak partikel

132

2.5 Potensial momen dipol

137

2.6 Potensial listrik pelat tak berhingga

143

2.7 Potensial Listrik sekitar kawat Lurus

146

2.8 Mencari medan dari potensial

148

2.9 Bahan dielektrik

153

2.10 Teorema usaha energi

160

2.11 Satuan elektronvolt

161

2.12 Kapasitor

162

2.13 Kapasitor pelat sejajar

164

2.14 Memperbesar kapasitansi kapasitor

165

2.15 Kapasitor satu bola konduktor

168

2.16 Kapasitansi dua bola konduktor konsentris

169

2.17 Kapasitor dua silinder konsentris

170

2.18 Kapasitor variabel

171

2.19 Rangkaian kapasitor

174

2.20 Energi yang yersimpan dalam kapasitor

181

2.21 Pengosongan kapasitor

184

2.22 Pengisian kapasitor

188

2.23 Topik Khusus I: Pembangkit Marx

191

2.24 Topik Khusus II: Nanokapasitor dan blokade Coulomb

195

2.25 Topik Khusus III: Suparkapasitor

197

iv

Soal-Soal

200

Bab 3 LISTRIK ARUS SEARAH

208

3.1 Arus listrik

208

3.2. Arus pada percabangan

210

3.3 Sumber potensial listrik

212

3.4 Hambatan listrik

214

3.5 Kebergantungan hambatan pada suhu

216

3.6 Kebergantunag hambatan pada tegangan

217

3.7 Hambatan komersial

219

3.8 Potensiometer

222

3.9 Konduktivitas listrik

223

3.10 Hubungan konduktivitas dan resistivitas

226

3.11 Rangkaian hambatan listrik

227

3.12 Hambatan batang dengan penampang tidak konstan

233

3.13 Rangkaian yang mengandung hambatan dan sumber tegangan

235

3.14 Hambatan dalam sumber tegangan

238

3.15 Loop

239

3.16 Rangkaian lebih dari satu loop

242

3.17 Jembatan Wheatstone

248

3.18 Daya listrik

253

3.19 Pengukuran arus listrik

260

3.20 Hambatan listrik lapisan Bumi

266

3.21 Industri logam

271

Soal-Soal

276

Bab 4 KEMAGNETAN

282

4.1 Gaya antar kutub magnet permanen v

282

4.2 Mengapa kutub magnet cenderung mengambil arah utara-selatan?

285

4.3 Sudut deklinasi

287

4.4 Sudut inklinasi

293

4.5 Domain magnet

295

4.6 Garis gaya magnetik

298

4.7 Tidak ada muatan magnetik

299

4.8 Medan magnet

299

4.9 Gaya Lorentz

303

4.10 Definisi satu tesla

306

4.11 Gaya Lorentz pada muatan yang bergerak

306

4.12 Pembelokkan lintasan muatan dalam medan magnet

309

4.13 Spektrometer massa

311

4.14 Massa isotop

315

4.15 Siklotron

316

4.16 Efek Hall

318

4.17 Bremstrahlung

319

4.18 Aurora

321

Soal-Soal

324

Bab 5 MEDAN MAGNET INDUKSI

331

5.1 Hukum Biot Savart

331

5.2 Gaya antara dua kawat berarus listrik

370

5.3 Definisi satu ampere

373

5.4 Hukum Ampere

373

Soal-Soal

399

Bab 6 GGL INDUKSI dan INDUKTANSI vi

410

6.1 Fluks magnetik

410

6.2 Hukum Faraday

416

6.3 Contoh aplikasi hukum Faraday

418

6.4 Hukum Lentz

422

6.5 Dinamo

428

6.6 Induktansi

432

6.7 Rangkaian induktor

442

6.8 Memperbesar induktansi

446

6.9 Energi medan magnet

448

6.10 Transformator

453

6.11 Daya trafo

459

6.12 Topik Khusus

464

Soal-Soal

470

Bab 7 ARUS BOLAK-BALIK

480

7.1 Arus bolak-balik

481

7.2. Arus bolak-balik sinusoidal

483

7.3. Tegangan rata-rata

485

7.4. Tegangan root mean square (rms)

486

7.5. Daya dan daya rata-rata

489

7.6. Tegangan bolak balik pada dua ujung hambatan

491

7.7. Tegangan antara dua ujung kapasitor

492

7.8. Tegangan antara dua ujung induktor

497

7.9. Disipasi daya pada kapasitor dan induktor

501

7.10 Diagram fasor

503

7.11 Operasi trigonometri dengan diagram fasor

506

7.12 Rangkaian arus bolak-balik

510 vii

7.13 Filter

529

7.14 Faktor daya

535

Soal-soal

538

Bab 8 BESARAN GELOMBANG

545

8.1 Definisi gelombang

545

8.2 Gelombang transversal dan longitudinal

548

8.3 Besaran-besaran gelombang

548

8.4 Persamaan gelombang

553

8.5 Hubungan antara kecepatan gelombang dan sifat medium

557

8.6 Energi yang dibawa gelombang

574

8.7 Kebergantungan intensitas pada jarak

576

8.8 Muka gelombang

579

8.9 Prinsip Huygens

580

8.10 Gelombang bunyi

581

Soal-Soal

594

Bab 9 GEJALA GELOMBANG

602

9.1 Pemantulan gelombang

602

9.2 Pembiasan

606

9.3 Superposisi

614

9.4 Difraksi

636

9.5 Polarisasi

642

9.6 Dispersi

643

9.7 Efek Doppler pada gelombang bunyi

646

9.8 Efek Doppler pada gelombang elektromagnetik

657

9.9 Pencarian Extrasolar Planet

659

9.10 Getaran kolom pipa organa

663 viii

9.11 Ultrasonik

667

9.12 9.12 Modulasi

670

Soal-Soal

674

Bab 10 SIFAT OPTIK GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

680

10.1 Laju perambatan gelombang elektromagnetik

681

10.2 Spektrum gelombang elektromagnetik

684

10.3 Pemantulan cahaya

690

10.4 Pembiasan cahaya

703

10.5 Sudut kritis untuk pembiasan

709

10.6 Fiber optik

713

10.7 Pembiasan cahaya oleh lapisan sejajar

716

10.8 Pembiasan oleh permukaan bola

719

10.9 Pebiasan oleh prisma

724

10.10 Indeks bias

730

10.11 Interferensi cahaya

737

10.12 Difraksi cahaya

763

10.13 Daya resolusi

768

10.14 Interferensi lapisan tipis

774

10.15 Lapisan anti pantul

784

10.16 Polarisasi cahaya

790

Soal-Soal

799

Bab 11 TEORI RELAVITAS KHUSUS

804

11.1 Transformasi Galileo

804

11.2 Penjumlahan kecepatan Einstein

809

11.3 Transformasi Lorentz

815

11.4 Kontraksi Lorentz

818 ix

11.5. Dilatasi waktu

823

11.6 Simultanitas

826

11.7 Relativitas massa, momentum, dan energi

831

11.8 Penurunan persamaan energi kinetik relativitas

839

Soal-Soal

841

Bab 12 PENGENALAN TEORI KUANTUM ATOM

846

12.1 Penemuan sinar katoda

846

12.2 Pengukuran e/m elektron

849

12.3 Percobaan Millikan

851

12.4 Model atom Thomson

856

12.5 Percobaan Rutherford

858

12.6 Model atom Rutherford

859

12.7 Energi atom Rutherford

860

12.8 Model atom Bohr

863

12.9 Energi spektrum atom hidrogen

867

12.10 Keadaan dasar dan eksitasi

869

12.11 Deret spektrum atom hidrogen

870

12.12 Efek Zeeman

873

12.13 Kaidah seleksi

880

12.14 Larangan Pauli

881

12.15 Kulit dan subkulit

882

12.16 Konfigurasi elektron

883

12.17 Spektrum sinar-X

883

12.18 Hukum Moseley

888

12.19 Energi vibrasi molekul

889

12.20 Energi rotasi molekul

892 x

Soal-Soal

896

INDEKS

xi

Ban 1 Elektrostatika

Bab 1 ELEKTROSTATIKA: HUKUM COULUMB DAN HUKUM GAUSS Newton menemukan bahwa dua buah massa saling tarik-menarik dengan gaya yang berbanding lurus dengan perkalian dua massa dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak keduanya. Fenomena ini dikenal dengan hukum gravitasi Newton. Gaya inilah yang mengikat benda-benda di alam semesta sehingga tetap bersatu membentuk alam yang stabil. Jika tidak ada gaya tarik tersebut maka benda-benda di alam semesta (galaksi, bintang, planet, satelit, dan lain-lain) akan bergerak tanpa terkontrol sehingga dapat menyebabkan saling menjauh atau saling bertumbukan. Hukum Kepler tentang gerak planet merupakan konsekuansi logis (implikasi) dari hukuk Gravitasi Newton. Fenomena gaya gravitasi Newton telah kita pelajari cukup panjang di buku pertama, khususnya dalam Bab 7. Pertanyaan yang sama dapat dikenakan pada materi. Semua materi disusun oleh molekul, atom, atau partikel atomik. Sebagian partikel tersebut bermuatan listrik. Pertanyaan adalah gaya apakah yang mengikat partikel-partikel tersebut sehingga menyatu dan membentuk materi yang sangat stabil dan kuat? Apakah antar partikel bermuatan listrik bekerja semacam gaya? Coulomb adalah orang pertama yang menjawab pertanyaan ini. Menurut Coulomb, muatan listrik saling menghasilkan gaya yang menyerupai gaya yang dilakukan oleh massa. Dua buah muatan listrik saling mengerjakan gaya yang besarnya berbanding lurus dengan perkalian dua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak keduanya. Dengan demikian, bentuk persamaan gaya untuk muatan listrik persis 1

Ban 1 Elektrostatika sama dengan persamaan gaya untuk massa. Namun, yang berbeda adalah pada gaya gravitasi hanya ada satu jenis massa, yaitu massa positif. Sedangkan muatan listrik terdapat dua jenis, yaitu muatanh positif dan muatan negatif. Akibatnya, gaya gravitasi hanya memiliki satu jenis gaya, yaitu gaya tarik. Pada muatan listrik, terdapat dua jenis gaya, yaitu gaya tarik dan gaya tolak, bergantung pada jenis muatan yang saling melakukan gaya. Sifat ini diilustrasikan pada Gambar 1.1. Dari hasil pengamatan didapatkan bahwa: a) dua muatan sejenis, yaitu muatan yang sama-sama positif atau sama-sama negatif melakukan gaya tolak-menolak, dan b) dua muatan yang tidak sejenis, yaitu positif dan negatif, saling melakukan gaya tarik-menarik.

m1

m2  F12

 F21

q1

q2  F21

 F12

q1

q2  F21

 F12

q1

q2  F12

 F21

Gambar 1.1 (atas) Dua massa hanya melakukan gaya tratik gravitasi. (bawah) Muatan memiliki sifat gaya tarik yang berbeda. Muatan sejenis (memiliki randa muatan sama) bersifat tolak-menolak dan muatan berbeda jenis (memiliki randa muatan berlawnan) bersifat tarik-menarik. Catatan: Hingga saat ini masih ada ahli fisika yang penasaran mengapa gaya gravitasi hanya ada gaya tarik? Mengapa 2

Ban 1 Elektrostatika tidak ada gaya tolak gravitasi? Kalau kita pelajari tentang kelistrikan dan kemagnetan maka kita mememukan gaya tari dan gaya total. Dua kutub magnet sejenis tolak-menolak sedangkan yang berbeda jenis tarik-menarik. Dua muatan listrik sejenis tolak-menolak sedangkan yang berbeda jenis tarik-menarik. Mengapa tidak ditemui gaya tolak gravitasi? Ada satu pelajaran berharga sari uraian di atas. Fisika berkembang karena telah ada penemuan baru dan adanya pertanyaan pada fenomena serupa. Rumus untuk gaya antar massa telah ditemukan oleh Newton. Ketika diamati fenomena gaya pada muatan listrik maka timbul pertanyaan, seperti

apa

bentuk

gaya

pada

muatan

listrik.

Coulumb

akhirnya

berhipotesis bahwa bentuk persamaan gaya antar muatan listrik serupa dengan persamaan gaya gravitasi Newton hanya dengan menukar besaran massa dengan besaran muatan listrik serta konstanta kesebandingan seperti diilustrasikan pada Gambar 1.2. Ini baru hipotesis dan mesti dibuktikan dengan eksperimen untuk menerima hipotesis tersebut. Kemudian

eksperimen

dilakukan.

Dan

ternyata

hasil

eksperimen

mendukung hipotesis yang diusulkan. Dengan demikian hipotesis tersebut diterima sebagai kebenaran ilmiah. Dan hipotesis tersebut berubah status menjadi hukum.

m1m2 F G 2 r

q1q2 F k 2 r

Gaya gravitasi Newton

Gaya listrik Coulumb

Gambar 1.2 Persamaan gaya listrik Coulumb diinspirasi oleh persamaan gaya gravitasi Newton dengan mengganti massa dengan kuatan dan konstanta gravitasi dengan konstanta yang sesuai. Eskperimen pembuktian hukum Coulomb dilakukan oleh Coulomb 3

Ban 1 Elektrostatika sendiri menggunakan neraca torsi. Neraca torsi adalah neraca yang dapat mengukur gaya yang sangat kecil. Neraca ini juga dirancang oleh Coulomb sendiri tahun 1777. Percobaan serupa dilakukan oleh Henry Cavendish tahun 1798 untuk membuktikan hukum gravitasi Newton. Pertanyaan kita selanjutnya adalah apa pentingnya gaya antar muatan listrik dan mengapa kita perlu memelajarinya?

Gambar 1.3 Neraca torsi yang digunakan oleh Coulomb untuk membuktikan bahwa gaya antara muatan listrik berbanding lurus dengan perkalian muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (en.wikipedia.org).

1.1 Gaya Coulomb Antar Muatan Titik Mari kita mulai dengan membahas gaya Coulomb antar muatan titik. Gaya antar muatan titik cukup mudah dihitung. Jika kita sekedar ingin mengetahui besar gaya tanpa perlu mengetahui arahnya maka kita cukup memerlukan informasi besar muatan dan jarak antar muatan. Besarnya gaya tarik atau gaya tolak adalah

F12 

1 q1q2 4 0 r122

(1.1)

4

Ban 1 Elektrostatika dengan q1 adalah muatan partikel pertama, q2 adalah muatan partikel kedua, r12 adalah jarak antar dua muatan,

0 = 8,85  10-12 F/m disebut permitivitas ruang hampa, 1/40 = 9  109 N m2/C2. Gaya bersifat tarik-menarik jika muatan memiliki tanda berlawanan dan bersifat tolak-menolak jika dua muatan memiliki tanda muatan yang sama.

q1

 r21  r1

q2

 r2





Gambar 1.4 Muatan q1 dan q2 berada pada vektor posisi r1 dan r2 . Kedua muatan melakukan gaya tarik atau gaya tolak, bergantung pada jenis muatan yang dimiliki. Jika jenis muatan sama maka...