Termometer dan Skala suhu

Pengantar

Pernah lihat alat yang ditunjukkan pada gambar ?… wah, jadi trauma. Pernah ditempelin dengan tuh alat-kah ? hiks2…. Kalau belum, coba sekali-sekali main ke rumah sakit. Atau pura2 sakit saja… biar langsung digiring dengan ambulans menuju tempat peristirahatan sementara…. piss… Aneh ya, masa cuma ditempelin dengan termometer, dokter/perawat langsung tahu suhu tubuh kita. Cara kerjanya bagaimana ya… ada angka-angka lagi. Tuh maksudnya apa ya ? Bingung atuh… emang diriku dokter gitu. Guampang kok jelasinnya, asal dirimu paham prinsip kerja termometer. Met belajar ya… semoga setelah berkenalan dengan termometer, dirimu tidak sakit2an lagi, sehingga tidak ditempelin dengan termometer

Jenis-jenis Termometer dan Prinsip Kerja Termometer

Alat yang dirancang untuk mengukur suhu adalah termometer. Terdapat banyak jenis termometer, tetapi prinsip kerjanya sebenarnya sama. Biasanya, kita memanfaatkan materi yang bersifat termometrik (sifat materi yang berubah terhadap temperatur). Maksudnya, kalau suhu materi tersebut berubah, bentuk dan ukuran materi tersebut juga ikut2an berubah. Kebanyakan termometer menggunakan materi yang bisa memuai ketika suhunya berubah.

Termometer yang sering digunakan saat ini terdiri dari tabung kaca, di mana terdapat alkohol atau air raksa pada bagian tengah tabung. Ketika suhu meningkat, alkohol atau air raksa yang berada di dalam wadah akan memuai sehingga panjang kolom alkohol atau air raksa akan bertambah. Sebaliknya, ketika suhu menurun, panjang kolom alkohol atau air raksa akan berkurang. Pada bagian luar tabung kaca terdapat angka-angka yang merupakan skala termometer tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh ujung kolom alkohol atau air raksa merupakan nilai suhu yang diukur. Lihat gambar…..

Jenis termometer lain yang biasa digunakan adalah termometer yang menggunakan lembaran bimetal (dua logam yang jenisnya berbeda dan kecepatan pemuaiannya juga berbeda). Pada saat suhu meningkat, salah satu logam mengalami pemuaian yang lebih besar dari logam lain. Akibatnya keping tersebut melengkung. Biasanya keping bimetal berbentuk spiral, di mana salah satu ujung keping tetap, sedangkan ujung lain dihubungkan ke penunjuk skala. Ketika suhu berubah, penunjuk akan berputar. Termometer yang menggunakan lembaran bimetal biasanya digunakan sebagai termometer udara biasa, termometer ruangan, termometer oven dll.

Termometer yang lebih akurat alias lebih tepat, biasanya menggunakan sifat elektris suatu materi. Misalnya termometer hambatan. Pada termometer hambatan, biasanya diukur perubahan hambatan listrik suatu kumparan kawat tipis atau silinder karbon atau kristal germanium. Karena hambatan listrik biasanya dapat diukur secara tepat, maka termometer hambatan bisa mengukur suhu secara lebih tepat daripada termometer biasa.

Skala Suhu

Agar termometer bisa digunakan untuk mengukur suhu maka perlu ditetapkan skala suhu. Terdapat 2 skala suhu yang sering digunakan, antara lain skala celcius dan skala Fahrenheit. Skala yang paling banyak digunakan saat ini adalah skala celcius (nama lain skala celcius adalah skala centigrade. Centigrade = seratus langkah). Skala Fahrenheit paling banyak digunakan di Amerika Serikat, mungkin pingin beda sendiri kali Skala suhu yang cukup penting dalam bidang sains adalah skala mutlak alias skala Kelvin. Mengenai skala Kelvin akan kita bahas kemudian (tuh di bawah).

Titik tetap skala celcius dan skala Fahrenheit menggunakan titik beku dan titik didih air. Titik beku suatu zat merupakan temperatur di mana wujud padat dan wujud cair berada dalam keseimbangan (tidak ada perubahan wujud zat). Sebaliknya, titik didih suatu zat merupakan temperatur di mana wujud cair dan wujud gas berada dalam keseimbangan. Perlu diketahui bahwa titik beku dan titik didih selalu berubah terhadap tekanan udara., karenanya tekanan perlu ditetapkan terlebih dahulu. Biasanya kita menggunakan tekanan standar, yakni 1 atm (satu atmosfir)

Skala Celcius

Untuk skala celcius, temperatur titik beku normal air (disebut juga sebagai titik es) dipilih sebagai nol derajat celcius (0^o C) dan temperatur titik didih normal air (disebut juga sebagai titik uap) dipilih sebagai seratus derajat celcius (100^o C). Di antara titik es dan titik uap terdapat 100 derajat. Pada termometer yang menggunakan skala celcius, temperatur yang lebih rendah dari temperatur titik es biasanya ditandai dengan angka negatif.

Skala Fahrenheit

Om Fahrenheit menghendaki agar semua temperatur yang diukur bernilai positif. Karenanya, ia memilih 0 ^oF untuk temperatur campuran es dan air garam (temperatur terdingin yang bisa dicapai air). Ketika mengukur temperatur titik es dan titik uap, angka yang ditunjukkan pada skala Fahrenheit berupa bilangan pecahan. Akhirnya beliau mengoprek lagi skalanya sehingga temperatur titik es dan titik uap berupa bilangan bulat.

Untuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih sebagai 32 derajat Fahrenheit (32^o F) dan temperatur titik titik didih normal air (titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212^o F). Di antara titik es dan titik uap terdapat 180 derajat.

Normal tuh maksudnya di dalam air tidak ada unsur lain, tidak ada garam, tidak ada gula, tidak ada teh, tidak ada susu . Jadi murni H₂0

Konversi skala Suhu

Sekarang mari kita bermain oprek2an. Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan skala om Fahrenheit dan skala om Celcius. Karena kedua skala ini berbeda, maka alangkah baiknya jika kita belajar mengoprek skala celcius menjadi skala fahrenheit. Demikian juga sebaliknya, skala fahrenheit dioprek menjadi skala celcius.

Catatan :

Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu, maka kita menyebutnya derajat Celcius (^oC) atau derajat Fahrenheit (^oF). Contoh : Pada tekanan 1 atm, suhu air panas = 100 ^oC atau 180 ^oF. Suhu tubuh saya = 98 ^oF. Sebaliknya, jika kita mengatakan perubahan suhu atau selisih suhu, maka kita menyebutnya Celcius derajat (C^o) atau Fahrenheit derajat (F^o). Contoh : suhu air mula-mula 20 ^oC. Setelah dipanaskan, suhunya berubah menjadi 50 ^oC. Dengan demikian, air mengalami perubahan suhu sebesar 30 Celcius derajat (30 C^o). lanjut ya….

Pada tekanan 1 atm, suhu titik es untuk termometer berskala celcius = 0 ^oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 32 ^oF. Sebaliknya, pada tekanan 1 atm, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius = 100 ^oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 212 ^oF. Amati gambar di bawah….

Untuk memudahkanmu mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit atau mengoprek skala Fahrenheit menjadi skala Celcius, ingat saja 0 ^oC = 32 ^oF dan 100 ^oC = 212 ^oF. Sambil lihat gambar di atas… Pada skala Celcius, antara 0 ^oC sampai 100 ^oC terdapat 100^o. Sedangkan pada skala Fahrenheit, antara 32 ^oF sampai 212 ^oF terdapat 180^o.

Mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit

Untuk memperoleh suhu dalam skala Fahrenheit (T_F), kalikan terlebih dahulu suhu dalam skala Celcius (T_C) dengan 9/5. Setelah itu tambahkan dengan 32^o

Contoh soal 1 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 60 ^oC. Berapakah suhu air panas dalam skala Fahrenheit ?

Panduan jawaban :

Guampang kok…. Kalikan terlebih dahulu 60 ^oC dengan 9/5. Setelah itu baru tambahkan dengan 32^o. 60 x 9/5 = 108. 108 + 32 = 140 ^oF. kesimpulannya, 60 ^oC = 140 ^oF

Mengubah skala Fahrenheit menjadi skala Celcius

Untuk memperoleh suhu dalam skala Celcius (T_C), kurangi terlebih dahulu suhu dalam skala Fahrenheit (T_F) dengan 32^o, setelah itu baru kalikan dengan 5/9. Jangan pake hafal tuh rumus, ntar dirimu bisa pusink seribu keliling……. Syukur kalau cuma pusink. Pas mau ujian rumusnya lupa wah, jadi stress seribu keliling

Contoh soal 2 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 140 ^oF. Berapakah suhu air panas dalam skala Celcius ?

Panduan jawaban :

Ini mah anak sd juga bisa oprek Kurangi dulu 140 ^oF dengan 32^o. Setelah itu baru kalikan dengan 5/9. 140 – 32 = 108. 108 x 5/9 = 60 ^oC

Kalibrasi Termometer

Kalibrasi tuh proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut ini beberapa petunjuk dari gurumuda…

Langkah pertama, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah sebuah termometer air raksa tanpa skala. Syukur kalau di laboratorium sekolahmu sudah ada. Langkah kedua, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah es batu secukupnya. Langkah ketiga, curi air punya tetangga secukupnya. Langkah keempat, siapkan sebuah pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan si air hingga mendidih.

Masukan es batu dan air ke dalam sebuah wadah (usahakan air dan es batu sama banyak). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air dan es batu tersebut. Karena pada mulanya termometer lebih panas dari air es, maka setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom air raksa akan berkurang. Biarkan sampai panjang kolom air raksa tidak berubah (si air raksa tidak jalan-jalan lagi). Ketika panjang kolom air raksa tidak berubah, campuran es batu dan air telah berada dalam keseimbangan termal. Tandai posisi kolom air raksa tersebut (tandai bagian ujung kolom air raksa). Ini adalah suhu titik es alias titik beku normal air. Amati gambar di bawah biar paham.

Air sudah dipanaskan belum ? kalau belum, silahkan memanaskan air. Masukkan si termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Tunggu sampai si air kepanasan dan berdisko ria dalam wadah (maksudnya si air mendidih). Jika panjang kolom air raksa sudah tidak berubah lagi, tandai ujung kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih normal air alias titik uap. Amati gambar di bawah.

Jika dirimu ingin membuat skala Celcius, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 100 garis/titik. Usahakan jarak antara setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 0^o C, sedangkan tanda bagian atas = 100^o C. Lihat gambar di bawah…

Jika dirimu ingin membuat skala Fahrenheit, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 180 garis/titik. Usahakan panjang setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 32 ^oF, sedangkan tanda bagian atas = 212 ^oF. 32 ^oF tuh baru suhu titik es. Karenanya dirimu bisa menambahkan garis atau titik sampai 0 ^oF. Tambahkan juga garis/titik di sebelah atas 212 ^oF. Panjang setiap garis/titik harus sama dengan sebelumnya.

Catatan :

Suhu titik es dan suhu titik uap tergantung pada tekanan udara. Karenanya termometer yang dikalibrasi di tempat yang tekanannya berbeda akan memberikan hasil berbeda. Termometer biasa seperti termometer air raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah atau suhu yang sangat tinggi.

Termometer Gas Volume-Konstan dan Skala Kelvin

Sebelumnya kita sudah mempelajari cara mengkalibrasi suatu termometer. Termometer yang kita gunakan adalah termometer air raksa yang belum punya skala. Btw, seandainya kita mengkalibrasi 2 termometer yang jenisnya berbeda, misalnya termometer air raksa dan termometer alkohol, skala kedua termometer tersebut mungkin hanya cocok pada 0 ^oC (atau 32 ^oF) dan 100 ^oC (atau 212 ^oF). Apabila kita menggunakan kedua termometer tersebut untuk mengukur suhu ruangan, angka yang ditunjukkan belum tentu sama. Bisa saja termometer air raksa menujukkan angka 48 ^oC, sedangkan termometer alkohol menunjukkan angka 46 ^oC. Hal ini disebabkan karena kecepatan pemuaian setiap materi berbeda2. Demikian juga dengan jenis termometer yang lain, seperti termometer bimetal dkk. Skala suhu yang ditetapkan dengan cara ini sangat bergantung pada sifat materi yang digunakan. Materi yang gurumuda maksud adalah si air raksa, alkohol, keping bimetal dkk.

Karena skala suhu yang ditetapkan menggunakan termometer biasa mempunyai keterbatasan (skala suhu tergantung pada sifat materi yang digunakan), maka kita membutuhkan sebuah termometer standar. Adanya termometer standar membantu kita untuk menetapkan skala suhu secara lebih tepat, tanpa harus bergantung pada sifat suatu materi.

Termometer yang nyaris sempurna/ideal adalah termometer gas volume-konstan. Prinsip kerja si termometer gas volume-konstan adalah sebagai berikut. Volume gas dijaga agar selalu tetap alias tidak berubah. Nah, ketika suhu bertambah, tekanan gas juga ikut2an bertambah.

Ini cuma gambaran kasarnya saja. Termometer gas volume konstan sekarang canggih2… Dalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu konstan, dengan cara menaikan atau menurunkan pipa 2 sehingga permukaan air raksa dalam pipa 1 selalu berada pada tanda acuan. Jika suhu alias temperatur meningkat, tekanan gas dalam tabung juga ikut2an bertambah. Karenanya, pipa 2 harus diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan. Tekanan gas bisa diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2. Kalau pakai cara manual, ingat saja kolom air raksa setinggi 760 mm = tekanan 1 atm (1 atmosfir). Mengenai hal ini bisa dipelajari pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida. Materinya sudah ada di blog ini. Biasanya pada termometer gas volume konstan yang canggih sudah ada alat penghitung tekanan. Wadah yang berisi gas juga sudah dirancang agar gas selalu berada dalam volume yang tetap. Jadi yang diukur cuma perubahan tekanannya saja…

Untuk mengkalibrasi termometer gas volume konstan, kita bisa mengukur tekanan gas pada 2 suhu. Misalnya kita gunakan suhu titik es dan suhu titik uap. Suhu titik es dan suhu titik uap bergantung pada tekanan udara. Biasanya pada tekanan 1 atm, suhu titik es = 0 ^oC dan suhu titik uap = 100 ^oC. Anggap saja kita mengkalibrasi termometer gas volume konstan pada tempat yang mempunyai tekanan udara 1 atm.

Pertama, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 harus diturunkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan. Btw, kalau pakai termometer gas yang canggih, tabung yang berisi gas langsung dicelup saja ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Sudah ada alat pengukur tekanan, tinggal dibaca saja tekanan gas berapa… Catat besar tekanan gas tersebut (anggap saja ini tekanan 1 = P₁)

Kedua, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi air yang lagi dipanaskan. Seperti biasa, volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 dinaikkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan gas…. (anggap saja ini tekanan 2 = P₂)

Ketiga, buat grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan suhu… lihat contoh di bawah.

P₁ adalah tekanan gas untuk suhu titik es (0 ^oC) dan P₂ adalah tekanan gas untuk suhu titik uap (100 ^oC). Gambarkan sebuah garis yang menghubungkan titik temu P₁ dan 0 ^oC dan titik temu P₂ dan 100 ^oC. Dengan berpedoman pada grafik, walaupun kita hanya mengetahui besar tekanan gas, besar suhu juga bisa diketahui dengan mudah bahkan bisa diramalkan.

Skala Kelvin

Sekarang tataplah grafik di atas dengan penuh kelembutan….. Jika garis miring ditarik ke kiri sampai memotong sumbu T ^oC, kita akan menemukan bahwa ketika tekanan gas = 0, besar suhu = -273,15 ^oC. Mungkin kita berpikir bahwa besar suhu tersebut berbeda-beda, tergantung pada jenis gas yang dikurung dalam tabung termometer gas volume konstan. Btw, berdasarkan hasil percobaan, walaupun jenis gas berbeda, ketika tekanan gas menjadi nol, besar suhu tetap bernilai -273,15 ^oC. Dengan demikian, kita bisa menggunakan besar suhu ini sebagai patokan skala suhu (disebut juga sebagai suhu alias temperatur nol mutlak).

Temperatur nol mutlak ini dikenal dengan julukan skala mutlak alias skala suhu Kelvin. Kirain skala suhu gurumuda Kelvin adalah nama almahrum Lord Kelvin (1824-1907), mantan fisikawan Inggris. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka, karenanya gurumuda menyebutnya mantan fisikawan. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K). Selang antara derajat sama sperti pada skala celcius, tetapi harga nol digeser hingga 0 K. Jadi 0 K = -273,15 ^oC dan 273,15 K = 0 ^oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis, bisa ditulis sebagai berikut :

T (K) = T (^oC) + 273,15

T (^oC) = T (K) – 273,15

Contoh soal 1 :

20 ^oC = …. K ?

Panduan juawaban….

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Contoh soal 2 :

293,15 K = …. ^oC ?

Panduan juawaban….

T = 293,15 – 273,15

T = 20 ^oC

Contoh soal 3 :

100 ^oF = ….. K ?

kapasitor

KAPASITAS SUATU KAPASITOR (C) KEPING SEJAJAR :
C = Q/V
Satuan Coulomb/Volt = Farrad
Dalam rumus ini nilai kapasitor C tidak dapat diubah (nilai C tetap).


Untuk mengubah nilai kapasitas kapasitor C dapat digunakan rumus :

C = (K Îo A)/d = K Co

Q = muatan yang tersimpan pada keping kapasitor
V = beda potensial antara keping kapasitor.

KUAT MEDAN LISTRIK (E) DI ANTARA KEPING SEJAJAR :

E = s/Î = V/d

s = rapat muatan = Q/A Þ A = luas keping
Î = K Îo
K = tetapan dielektrik bahan yang disisipkan di antara keping kapasitor.
K = 1 Þ untuk bahan udara
1 Þ untuk bahan dielektrik

Jika dua bola konduktor dengan kapasitas C1 dan C2 serta tegangan V1 dan V2, dihubungkan dengan sepotong kawat kecil, maka potensial gabungan pada bola-bola tersebut :

Vgab = C1V1 + C2V2
C1 + C2

ENERGI YANG TERSIMPAN DALAM KAPASITOR (W) :

W = ½ Q V = ½ C V² = ½ Q²/C satuan Joule

RANGKAIAN KAPASITOR SERI DAN PARALEL :

SERI

1/Cs = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...
VG = V1 + V2 + V3 + ...
Qg = Q1 = Q2 = Q3 = ... PARALEL

Cp = C1 + C2 + C3 + ...
Vg = V1 = V2 = V3 = ...
Qg = QI + Q2 + Q3 + ...

Contoh 1 :

Sebuah titik A yang bermuatan -10 mC berada di udara pada jarak 6 cm dari titik B yang bermuatan +9 mC. Hitunglah kuat medan di sebuah titik yang terletak 3 cm dari A den 9 cm dari B !

Jawab:


Misalkan titik C (diasumsikan bermuatan positif) dipengaruhi oleh kedua muatan QA den QB, maka :

EA = k.QA = (9.10E9) (10.10E-6) = 10E8 N/C
RA2 (3.10E-2)²
EA = k.QB = (9.10E9) (10.10E-6) = 10 E87 N/C
RB² (3×10E-2)²

Jadi resultan kuat medan di titik C adalah :
EC = EA - EB = 9 × 107 N/C

Contoh 2 :

Sebuah massa m = 2 mg diberi muatan Q dan digantung dengan tali yang panjangnya 5 cm. Akibat pengaruh medan listrik homogen sebesar 40 N/C yang arahnya horizontal, maka tali membentuk sudut 45° terhadap vertikal. Bila percepatan gravitasi g=10 m/s², maka hitunglah muatan Q !

Jawab :

m = 2 mgram = 2.10-6 kg
Uraikan gaya-gaya yang bekerja pada muatan Q dalam koordinat (X,Y). Dalam keadaan akhir (di titik B benda setimbang) :

åFx = Þ T sinq = Q E ...... (1)
åFy = Þ T cosq = W ....... (2)

Persamaan (1) dibagi (2) menghasilkan
tg q = (QE)/w = (w tg q )/ E
= (2.10E-6) 10.tg45°
40
= 0,5 mC

Contoh 3 :

Dua keping logam terpisah dengan jarak d mempunyai beda potensial V. Jika elektron bergerak dari satu keping ke keping lain dalam waktu t mendapat percepatan a den m = massa elektron,maka hitunglah kecepatan elektron !

Jawab :



Elektron bergerak dari kutub negatif ke positif.Akibatnya arah gerak elektron berlawanan dengan arah medan listrik E, sehingga elektron mendapat percepatan a

Gaya yang mempengaruhi elektron:
F = e E = e V/d .... (1)
F = m a = m v/t .... (2)

Gabungkan persamaan (1) den (2), maka kecepatan elektron adalah
V = eVt/md

Contoh 4 :

Tentukan hubungan antara kapasitansi (C) suatu keping sejajar yang berjarak d dengan tegangannya (V) dan muatannya (Q) !

Jawab :

Kapasitas kapasitor dapat dihitung dari dua rumus, yaitu :
C = Q/V ... (1)
C = (K Îo A) / d ... (2)

Dari rumus (1), nilai kapasitas kapasitor selalu tetap, yang berubah hanya nilai Q den V sehingga C tidak berbanding lurus dengan Q den C tidak berbanding terbalik dengan V. Dari rumus (2) terlihat bahwa nilai C tergantung dari medium dielektrik (K), tergantung dari luas keping (A) den jarak antar keping (d).

Contoh 5 :

Tiga buah kapasitor masing-masing kapasitasnya 3 farad, 6 farad den 9 farad dihubungkan secara seri, kemudian gabungan tersebut dihubungkan dengan tegangan 220 V. Hitunglah tegangan antara ujung-ujung kapasitor 3 farad !

Jawab :

Kapasitas gabungan ketiga kapasitor: 1/Cg = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 Þ Cg
= 18/11 F

Muatan gabungan yang tersimpan pada ketiga kapasitor
Qg = Cg V = 18/11 . 220 = 360 coulomb

Sifat kapasitor seri : Qg = Q1 = Q2 = Q3, jadi tegangan pada kapasitor 3 F adalah V = Q1/C1 = Qg/C1 = 360/3 = 120 volt

kalor dan perubahan wujud zat

Kalor dan Perubahan Wujud zat

Pengertian Kalor

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor

1. massa zat
2. jenis zat (kalor jenis)
3. perubahan suhu

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q = m.c.(t2 - t1)

Dimana :

Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)

m adalah massa benda (kg)

c adalah kalor jenis (J/kgC)

(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

* Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
* Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

H = Q/(t2-t1)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

H = m.c

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Grafik Perubahan Wujud Es

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

Untuk mencoba kemampuan silakan kkerjakan latihan soal dengan cara klik disini.

Hubungan antara kalor dengan energi listrik

Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik. Dalam pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll.

Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan.

W = Q

Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai berikut :

W = P.t

Keterangan :

W adalah energi listrik (J)

P adalah daya listrik (W)

t adalah waktu yang diperlukan (s)

Bila rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.c.(t2 - t1) maka diperoleh persamaan ;

P.t = m.c.(t2 - t1)

Yang perlu diperhatikan adalah rumus Q disini dapat berubah-ubah sesuai dengan soal.

Asas Black

Menurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan :

Q lepas = Q terima

Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh :

Q lepas = Q terima

m1.c1.(t1 - ta) = m2.c2.(ta-t2)

Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asasa Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1 - ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan.

induksi magnet

Induksi Magnet
77
Sumber: indonetwork-co.id
INDUKSI MAGNET

Di SMP kalian telah dikenalkan dengan magnet batang. Apakah ada sumber lain yang dapat menghasilkan medan magnet selain batang magnet? Jawabnya dapat kalian lihat pada gambar di atas. Mengapa besi-besi tua itu dapat diangkat, bagaimana induksi magnet yang terjadi. Kejadian apa saja yang dapat menimbulkan gaya tarik magnet?
Semua hal di atas dapat kalian pelajari pada bab ini, oleh sebab itu setelah belajar

bab ini kalian diharapkan dapat :
1. menentukan induksi magnet oleh kawat berarus,
2. menentukan gaya yang ditimbulkan oleh kawat berarus dalam medan magnet,
3. menentukan gaya yang ditimbulkan oleh muatan bergerak dalam medan magnet.

Fisika SMA Kelas XII
78A. Medan Magnet oleh Kawat Berarus

Pada awalnya orang menemukan bahwa logam- logam tertentu dapat dibuat sebagai magnet. Magnet inilah yang dapat menimbulkan medan magnet. Magnet ini ada yang berbentuk batang, jarum dan ladam. Batang magnet ini memiliki dua kutub yaitu kutub utara U dan kutub selatan S. Dua kutub sejenis akan tolak menolak dan kutub tidak sejenis akan tarik menarik.
Pada tahun 1820 seorang ilmuwan Denmark,Hans
Gambar 5.1
Pengaruh kawat berarus terha-
dap kompas
Gambar 5.2

Kaidah tangan kanan. Arah induksi magnet masuk bidang, gambar disimbolkan

dan keluar bidang, gambar disim- bolkan
Gambar 5.3

Kawat lurus panjang berarus. Di titik P, induksi masuk bidang gambar (X)
Christian Oersted (1777-1857) menemukan suatu gejala

yang menarik. Saat jarum kompas diletakkan di sekitar kawat berarus ternyata jarum kompas menyimpang. Kemudian disimpulkan bahwa di sekitar kawat berarus timbul medan magnet. Medan magnet oleh kawat berarus inilah yang dinamakan induksi magnet.

Induksi magnet merupakan besaran vektor arahnya dapat ditentukan dengan menggunakan kaedah tan- gan kanan. Lihat Gambar 5.2 . Ibu jari sebagai arah arus I dan empat jari lain sebagai arah induksi magnet B. Sedangkan besaran induksi magnetnya dipengaruhi oleh kuat arusnya I, jarak titik ke penghantar dan bentuk penghantarnya. Perhatikan penjelasan berikut.
1. Kawat Lurus Panjang Berarus

Induksi magnet di sekitar kawat lurus panjang sebanding dengan kuat arus I dan berbanding terbalik dengan jaraknyaa. Konstanta pembandingnya adalah
. Perhatikan persamaan berikut.
Bp =
.............................................(5.1)
dengan : Bp = induksi magnet di titik P (wb/m2)
i = kuat arus listrik (A)
a= jarak titik P ke kawat (m)
μ0= permiabilitas hampa (4π.10-7 wb/Am)

Induksi Magnet
79
CONTOH 5.1

Dua kawat lurus panjang berarus listrik sejajar dengan jarak 15 cm. Kuat arusnya searah dengan besar IA= 10 A dan IB = 15 A. Tentukan induksi magnet di suatu titik C yang berada diantara kedua kawat berjarak 5 cm dari kawat IA.
Penyelesaian
IA = 10 A
IB = 15 A
aA = 5 cm
aB = 10 cm

Letak titik C dapat dilihat seperti pada Gambar 5.4. Sesuai kaedah tangan kanan arah induksi magnetnya berlawanan arah sehingga memenuhi :
BC= BA- BB
=
−
==
= 10-5 wb/m2

Dua kawat lurus panjang A dan B berjarak 10 cm satu sama lain. Keduanya dialiri arus sebesar IA = 2 A dan IB = 3 A. Tentukan :
a. Induksi magnet di titik tengah antara kedua
kawat,
b. letak titik yang induksi magnetnya nol!
2. Kawat Melingkar Berarus

Perhatikan Gambar 5.5. Sebuah kawat dilingkar-lingkar- kan kemudian dialiri arus, jari-jari a dan terdapat N lilitan. Sesuai kaedah tangan kanan, induksi magnet di pusat ling- karan P arahnya ke sumbu X positif. Besarnya induksi magnet sebanding dengan kuat arus I dan berbanding
terbalik dengan a. Konstanta pembandingnya
.
Bp =
N
..........................................(5.2)
Gambar 5.4

Induksi magnet di suatu titik oleh dua kawat berarus. BB keluar bidang dan BA masuk bidang.
Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba
soal berikut.
Gambar 5.5
Induksi magnet di pusat ling-
karan

Fisika SMA Kelas XII
80
CONTOH 5.2

Kawat melingkar terdiri dari 50 lilitan dialiri arus sebesar 5 A. Jari-jari lingkaran 15 cm. Tentukan besar induksi magnet di pusat lingkaran tersebut.
Penyelesaian
I = 5A
N = 50
a= 15 cm = 15.10-2m
Induksi magnet di pusat lingkaran memenuhi :
Bp =
N
=
. 50 = 3,3π . 10-4 wb/m2

Sebuah kawat dibuat setengah lingkaran seperti gam- bar di bawah. Jika dialiri arus 10 A maka tentukan arah dan besar induksi magnet di titik P.
3. Solenoida Berarus

Solenoida adalah nama lain dari kumparan yang di- panjangkan, lihat Gambar 5.6. Kuat medan magnet pada titik yang berada di pusat sumbu solenoida memenuhi persamaan berikut.
Bp =μ0in
dan n =
...................................(5.3)
CONTOH 5.3

Sebuah solenoida jari-jarinya 2 mm dan panjangnya 50 cm memiliki 400 lilitan. Jika dialiri arus 2 A maka tentukan induksi magnet di titik tengah suatu solenoida!
Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba
soal berikut.
Gambar 5.6
Solenoida berarus

Induksi Magnet
81
Penyelesaian
l= 50 cm = 0,5 m
N = 400
I = 2A
Induksi magnet di titik tengah suatu solenoida sebesar :
B =μ0in
= 4π.10-7. 2 .
= 6,4π . 10-4wb/m2

Kuat arus 5 A dialirkan pada solenoida yang memiliki kerapatan lilitan 1000 lilitan/m. Tentukan kuat medan magnet di titik tengah suatu solenoida.
Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba
soal berikut.
LATIHAN 5.1

1. Kawat lurus panjang berarus listrik 5 A diarahkan mendatar dari selatan ke utara. Tentukan arah dan besar induksi magnet pada titik yang berjarak 4 cm di :
a. atas kawat,
b. bawah kawat,
c. di timur kawat,
d. di barat kawat.

2. Dua kawat lurus panjang berjarak 8 cm satu dengan yang lain. Kedua kawat dialiri arus I1 = 5 A dan I2= 6 A. Tentukan kuat medan listrik di titik yang berjarak 2 cm dari I1 dan 6 cm dari I2.

3. Kawat A berarus 6 A dan kawat B berarus 8 A dipasang sejajar pada jarak 14 cm. Tentukan letak suatu titik yang memiliki kuat medan magnet nol jika :
a. arusnya searah,
b. arusnya berlawanan arah!

4. Tentukan induksi magnet di titik P pada kawat-kawat berarus seperti di bawah.
a.
b.

5. Sebuah solenoida dihubungkan dengan sumber arus seperti gambar di bawah. Solenoida itu dapat menjadi magnet. Tentukan kutub-kutub magnet yang terjadi !

6. Suatu solenoid memiliki panjang 1,5 meter dengan 500 lilitan dan jari-jari 5 mm. Bila solenoid itu dialiri arus sebesar 0,2 A, tentukanlah induksi magnet di tengah solenoid ! (μo = 4π 10-7 Wb / Am)

Fisika SMA Kelas XII
82B. Gaya Lorentz

Sudah tahukah kalian dengan gaya Lorentz ? Di SMP kalian sudah belajar gaya ini. Gaya Lorentz meru- pakan nama lain dari gaya magnetik yaitu gaya yang ditimbulkan oleh medan magnet. Kapan akan timbul bila ada interaksi dua medan magnet, contohnya adalah kawat berarus dalam medan magnet, kawat sejajar berarus dan muatan yang bergerak dalam medan magnet. Cermati penjelasan berikut.
1. Kawat Berarus dalam Medan Magnet

Pada setiap kawat berarus yang diletakkan dalam daerah bermedan magnet maka kawat tersebut akan merasakan gaya magnet. Gaya magnet atau gaya Lorentz merupakan besaran vektor. Arahnya dapat menggunakan kaedah tangan kanan seperti pada Gambar 5.7. Ibu jari sebagai arah I, empat jari lain sebagai arah B dan arah gaya Lorentz sesuai dengan arah telapak.

Besarnya gaya Lorentz sebanding dengan kuat arus I, induksi magnet B dan panjang kawatl. Jika B membentuk sudutθ terhadap I akan memenuhi persamaan berikut.Fl = B Il sinθ....................................... (5.4)

dengan : Fl = gaya Lorentz (N)
B = induksi magnet (wb/m2)
I = kuat arus listrik (A)
l= panjang kawat (m)
θ= sudut antara B dengan I
CONTOH 5.4

Sebuah kawat yang dialiri arus 3 A berada dalam medan magnet 0,5 tesla yang membentuk sudut 300. Berapakah besar gaya Lorentz yang dirasakan kawat tersebut sepanjang 5 cm?
Penyelesaian
I = 3A
B = 0,5 tesla (1 tesla = 1 wb/m2)
θ= 300
l= 5 cm = 5.10-2 m
Gaya Lorentz memenuhi :

Fl= B Il sin 300
= 0,5 . 3 . 5.10-2 .
= 3,75 . 10-2 N
Fl
B
θ
I
(a)
(b)
B
F
I
Gambar 5.7

gaya dan hukum newton

Gaya dan Hukum Newton

PENGERTIAN GAYA

Gaya adalah suatu dorongan atau tarikan. Gaya dapat mengakibatkan perubahan – perubahan sebagai berikut :

1) benda diam menjadi bergerak

2) benda bergerak menjadi diam

3) bentuk dan ukuran benda berubah

4) arah gerak benda berubah

Macam – macam Gaya

Berdasarkan penyebabnya, gaya dikelompokkan

sebagai berikut :

(1) gaya mesin, yaitu gaya yang berasal dari mesin

(2) gaya magnet, yaitu gaya yang berasal dari magnet

(3) gaya gravitasi, gaya tarik yang diakibatkan oleh bumi

(4) gaya pegas, yaitu gaya yang ditimbulkan oleh pegas

(5) gaya listrik, yaitu gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik

Berdasarkan sifatnya, gaya dikelompokkan menjadi :

(1) gaya sentuh, yaitu gaya yang timbul karena titik kerja gaya, langsung bersentuhan dengan benda.

(2) gaya tak sentuh, yaitu gaya yang timbul walaupun titik kerja gaya tidak bersentuhan dengan benda.

Menggambar Gaya

Gaya merupakan besaran vektor ( memiliki nilai dan arah). Oleh karena itu, gaya dapat digambarkan dengan menggunakan diagram vektor .




GABUNGAN ( resultan ) gaya

Resultan gaya (R), yaitu penjumlahan beberapa gaya yang bekerja segaris. Sehingga secara matematis ditulis :

Untuk memudahkan perhitungan maka, gaya yang berarah kekanan atau keatas diberi tanda positif (+), dan gaya yang berarah kekiri maupun kebawah diberi tanda negatif (-)




Gaya – gaya Searah

Perhatikan gambar berikut :

Maka Nilai R = F1 + F2 = ( 2 + 6 ) N = 8 N

Gaya – gaya Yang Berlawanan Arah

Perhatikan gambar berikut :




Maka nilai R = F1 + F2 = ( -4 + 16 ) N = 12 N

Gaya-gaya Yang membentuk Sudut 90o ( Siku-siku )

Perhatikan berikut :

F1 = 4 N Fr





F2 = 3 N

Fr = √ F1 2 + F2 2 = √ 42 + 32 = √ 25 = 5 N

Arahnya menuju ke arah 450 , di tengah-tengah dari kedua gaya yang bekerja tersebut

Kedudukan yang Seimbang

Dua buah gaya dikatakan seimbang apabila kedua gaya itu sama besar, berlawanan arah, dan terletak satu garis. Resultan gaya – gaya yang seimbang R = 0.

Apabila suatu benda dalam keadaan seimbang (R= 0), maka benda tidak mengalami perubahan gerak sehingga :

(1) benda yang dalam keadaan diam akan tetap diam

(2) benda yang mengalami GLB akan tetap mengalami GLB.

hukum newton

Newton merupakan ilmuwan Inggris yang mendalami Dinamika, yaitu cabang fisika yang mempelajari tentang gerak. Newton mengemukakan tiga hukum tentang gerak :

Hukum I Newton

Hukum Kelembaman ( F = 0 )

“ Suatu benda yang diam akan tetap diam, dan suatu benda yang sedang bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan, kecuali bila ada gaya luar yang bekerja pada benda itu“.

Hukum II Newton

“ Massa benda dipengaruhi oleh gaya luar yang berbanding terbalik dengan percepatan gerak benda tersebut“

Secara matematis ditulis :


dengan : F = gaya luar ( N atau kg ms-2 )

m = massa benda (kg)

a = percepatan benda (ms-2)

Hukum III Newton

Hukum aksi reaksi

“ Suatu benda mendapatkan gaya dikarenakan berinteraksi dengan benda yang lain“

F aksi = - F reaksi

Secara matematis ditulis :

tanda (-) menunjukkan arah gaya yang berlawanan .

gaya gesekan

Gaya gesekan adalah gaya yang timbul akibat persentuhan langsung antara dua permukaan benda dengan arah berlawanan terhadap kecenderungan arah gerak benda.

dengan Fg = gaya gesekan

Besar gaya gesekan tergantung pada kekasaran permukaan sentuh. Semakin kasar permukaan, maka semakin besar gaya gesekan yang timbul.

Cara memperkecil gaya gesekan :

(1) memperlicin permukaan, misal dengan pemberian minyak pelumas atau mengampelas permukaan.

(2) memisahkan kedua permukaan yang bersentuhan dengan udara, misal kapal laut yang bagian dasarnya berupa pelampung yang diisi udara.

(3) meletakkan benda di atas roda – roda, sehingga benda lebih mudah bergerak.

Gaya Gesekan yang Merugikan

Contoh gaya gesekan yang merugikan :

(1) gaya gesekan pada mesin mobil dan kopling menimbulkan panas yang berlebihan sehingga mesin mobil cepat rusak karena aus.

(2) gaya gesekan antara ban mobil dengan jalan mengakibatkan ban mobil cepat aus dan tipis.

(3) gaya gesekan antara angin dengan mobil dapat menghambat gerakan mobil.

Gaya berat / BERAT benda

Berat benda adalah pengaruh gaya tarik bumi yang bekerja pada benda tersebut. Sehingga W = m g.

dengan :

W = berat benda ( N )

m = massa benda yaitu ukuran banyaknya

zat yang terkandung pada benda (kg)

g = percepatan gravitasi bumi ( g = 9,8 ms-2)

arus

Arus listrik

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. ^[1] Arus listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere.^[1] Contoh arus listrik dalam kehidupan sehari-hari berkisar dari yang sangat lemah dalam satuan mikroAmpere (μA) seperti di dalam jaringan tubuh hingga arus yang sangat kuat 1-200 kiloAmpere (kA) seperti yang terjadi pada petir.^[2][3] Dalam kebanyakan sirkuit arus searah dapat diasumsikan resistansi terhadap arus listrik adalah konstan sehingga besar arus yang mengalir dalam sirkuit bergantung pada voltase dan resistansi sesuai dengan hukum Ohm.^[1]
Arus listrik merupakan satu dari tujuh satuan pokok dalam satuan internasional.^[4] Satuan internasional untuk arus listrik adalah Ampere (A).^[4] Secara formal satuan Ampere didefinisikan sebagai arus konstan yang, bila dipertahankan, akan menghasilkan gaya sebesar 2 x 10^-7 Newton/meter di antara dua penghantar lurus sejajar, dengan luas penampang yang dapat diabaikan, berjarak 1 meter satu sama lain dalam ruang hampa udara.^[4]

Fisika

Arus yang mengalir masuk suatu percabangan sama dengan arus yang mengalir keluar dari percabangan tersebut. i₁ + i₄ = i₂ + i₃ ^[5]

Untuk arus yang konstan, besar arus I dalam Ampere dapat diperoleh dengan persamaan:

di mana I adalah arus listrik, Q adalah muatan listrik, dan t adalah waktu (time).
Sedangkan secara umum, arus listrik yang mengalir pada suatu waktu tertentu adalah:^[6]

Dengan demikian dapat ditentukan jumlah total muatan yang dipindahkan pada rentang waktu 0 hingga t melalui integrasi:^[5]

Sesuai dengan persamaan di atas, arus listrik adalah besaran skalar karena baik muatan Q maupun waktu t merupakan besaran skalar.^[5] Dalam banyak hal sering digambarkan arus listrik dalam suatu sirkuit menggunakan panah,^[5] salah satunya seperti pada diagram di atas. Panah tersebut bukanlah vektor dan tidak membutuhkan operasi vektor.^[5] Pada diagram di atas ditunjukkan arus mengalir masuk melalui dua percabangan dan mengalir keluar melalui dua percabangan lain. Karena muatan listrik adalah kekal maka total arus listrik yang mengalir keluar haruslah sama dengan arus listrik yang mengalir ke dalam^[5] sehingga i₁ + i₄ = i₂ + i₃. Panah arus hanya menunjukkan arah aliran sepanjang penghantar, bukan arah dalam ruang.^[5]

Arah arus

Definisi arus listrik yang mengalir dari kutub positif (+) ke kutub negatif (-) baterai (kebalikan arah untuk gerakan elektronnya)^[5]

Pada diagram digambarkan panah arus searah dengan arah pergerakan partikel bermuatan positif (muatan positif) atau disebut dengan istilah arus konvensional.^[7] Pembawa muatan positif tersebut akan bergerak dari kutub positif baterai menuju ke kutub negatif.^[5] Pada kenyataannya, pembawa muatan dalam sebuah penghantar listrik adalah partikel-partikel elektron bermuatan negatif yang didorong oleh medan listrik mengalir berlawan arah dengan arus konvensional.^[5] Sayangnya, dengan alasan sejarah, digunakan konvensi berikut ini:^[5]

Panah arus digambarkan searah dengan arah pergerakan seharusnya dari pembawa muatan positif, walaupun pada kenyataannya pembawa muatan adalah muatan negatif dan bergerak pada arah berlawanan.^[5]

Konvensi demikian dapat digunakan pada sebagian besar keadaan karena dapat diasumsikan bahwa pergerakan pembawa muatan positif memiliki efek yang sama dengan pergerakan pembawa muatan negatif.^[5]

Rapat arus

Rapat arus (bahasa Inggris: current density) adalah aliran muatan pada suatu luas penampang tertentu di suatu titik penghantar.^[5] Dalam SI, rapat arus memiliki satuan Ampere per meter persegi (A/m²).^[5]

di mana I adalah arus pada penghantar, vektor J adalah rapat arus yang memiliki arah sama dengan kecepatan gerak muatan jika muatannya positif dan berlawan arah jika muatannya negatif, dan dA adalah vektor luas elemen yang tegak lurus terhadap elemen.^[5] Jika arus listrik seragam sepanjang permukaan dan sejajar dengan dA maka J juga seragam dan sejajar terhadap dA sehingga persamaan menjadi:^[5]

maka

di mana A adalah luas penampang total dan J adalah rapat arus dalam satuan A/m².^[5]

Kelajuan hanyutan

Saat sebuah penghantar tidak dilalui arus listrik, elektron-elektron di dalamnya bergerak secara acak tanpa perpindahan bersih ke arah mana pun juga.^[5] Sedangkan saat arus listrik mengalir melalui penghantar, elektron tetap bergerak secara acak namun mereka cenderung hanyut sepanjang penghantar dengan arah berlawanan dengan medan listrik yang menghasilkan aliran arus.^[5] Tingkat kelajuan hanyutan (bahasa Inggris: drift speed) dalam penghantar adalah kecil dibandingkan dengan kelajuan gerak-acak, yaitu antara 10^-5 dan 10^-4 m/s dibandingkan dengan sekitar 10⁶ m/s pada sebuah penghantar tembaga.^[5]

Massa

Untuk kegunaan lain dari Massa, lihat Massa (disambiguasi).

Massa (berasal dari bahasa Yunani μάζα) adalah suatu sifat fisika dari suatu benda yang digunakan untuk menjelaskan berbagai perilaku objek yang terpantau. Dalam kegunaan sehari-hari, massa biasanya disinonimkan dengan berat. Namun menurut pemahaman ilmiah modern, berat suatu objek diakibatkan oleh interaksi massa dengan medan gravitasi.
Sebagai contoh, seseorang yang mengangkat benda berat di Bumi dapat mengasosiasi berat benda tersebut dengan massanya. Asosiasi ini dapat diterima untuk benda-benda yang berada di Bumi. Namun apabila benda tersebut berada di Bulan, maka berat benda tersebut akan lebih kecil dan lebih mudah diangkat namun massanya tetaplah sama.
Tubuh manusia dilengkapi dengan indera-indera perasa yang membuat kita dapat merasakan berbagai fenomena-fenomena yang diasosiasikan dengan massa. Seseorang dapat mengamati suatu objek untuk menentukan ukurannya, mengangkatnya untuk merasakan beratnya, dan mendorongnya untuk merasakan gaya gesek inersia benda tersebut. Penginderaan ini merupakan bagian dari pemahaman kita mengenai massa, namun tiada satupun yang secara penuh dapat mewakili konsep abstrak massa. Konsep abstrak bukanlah berasal dari penginderaan, melainkan berasal dari gabungan berbagai pengalaman manusia.

Newton

Konsep modern massa diperkenalkan oleh Sir Isaac Newton (1642-1727) dalam penjelasan gravitasi dan inersia yang dikembangkannya. Sebelumnya, berbagai fenomena gravitasi dan inersia dipandang sebagai dua hal yang berbeda dan tidak berhubungan. Namun, Isaac Newton menggabungkan fenomena-fenomena ini dan berargumen bahwa kesemuaan fenomena ini disebabkan oleh adanya keberadaan massa.

[sunting] Satuan-satuan massa

Alat yang digunakan untuk mengukur massa biasanya adalah timbangan. Dalam satuan SI, massa diukur dalam satuan kilogram, kg. Terdapat pula berbagai satuan-satuan massa lainnya, misalnya:

• gram: 1 g = 0,001 kg (1000 g = 1 kg)
• ton: 1 ton = 1000 kg
• MeV/c² (Umumnya digunakan untuk mengalamatkan massa partikel subatom.)

Pada situasi normal, berat suatu objek adalah sebanding dengan massanya. Namun pembedaan antara massa dengan berat diperlukan untuk pengukuran berpresisi tinggi.
Oleh karena hubungan relativistik antara massa dengan energi, adalah mungkin untuk menggunakan satuan energi untuk mewakili massa. Sebagai contoh, eV normalnya digunakan sebagai satuan massa (kira-kira 1,783×10⁻³⁶ kg) dalam fisika partikel.

[sunting] Ringkasan konsep-konsep massa

Diagram di atas mengilustrasikan hubungan antara lima sifat-sifat massa beserta tetapan proporsionalitas yang menghubungkan kelima konsep ini. Tiap-tiap sampel massa dipercayai memiliki lima sifat ini, namun oleh karena nilai tetapan proporsionalitas yang besar, umumnya sangat sulit untuk memverifikasi lebih dari dua atau tiga sifat pada sampel massa tertentu.
* Jari-jari Schwarzschild (r_s) mewakili kemampuan massa menyebabkan pelengkungan ruang dan waktu.
* Parameter gravitasional standar (μ) mewakili kemampuan benda masif melakukan gaya gravitasi Newton terhadap benda lain.
* Massa inersia (m) mewakili respon Newtonian massa terhadap gaya.
* Energi diam (E₀) mewakili kemampuan massa diubah menjadi bentuk-bentuk energi yang lain.
* Panjang gelombang Compton (λ) mewakili respon kuantum massa terhadap geometri lokal.

Dalam ilmu fisika, kita dapat secara konseptual membedakan paling tidak tujuh corak massa ataupun tujuh fenomena fisika yang dapat dijelaskan menggunakan konsep massa:^[1]

• Massa inersia merupakan ukuran resistansi suatu objek untuk mengubah keadaan geraknya ketika suatu gaya diterapkan. Ia ditentukan dengan menerapkan gaya ke sebuah objek dan mengukur percepatan yang dihasilkan oleh gaya tersebut. Objek dengan massa inersia yang rendah akan berakselerasi lebih cepat daripada objek dengan massa inersia yang besar. Dapat dikatakan, benda dengan massa yang lebih besar memiliki inersia yang lebih besar.

• Jumlah materi pada beberapa jenis sampel dapat ditentukan secara persis melalui elektrodeposisi ataupun proses-proses lainnya. Massa persis suatu sampel ditentukan dengan menghitung jumlah dan jenis atom-atom yang terdapat di dalamnya. Selain itu, dihitung pula eneri yang terlibat dalam pengikatan atom-atom tersebut (bertanggung jawab terhadap defisit massa ataupun massa yang hilang).

• Massa gravitasional aktif merupakan ukuran kekuatan fluks gravitasional. Medan gravitasi dapat diukur dengan mengijinkan suatu objek jatuh bebas dan mengukur perpecapatan jatuh bebas benda tersebut. Sebagai contoh, suatu objek yang jatuh bebas di Bulan akan menerima medan gravitasi yang sedikit, sehingga berakselerasi lebih lambat daripada apabila benda tersebut jatuh bebas di bumi. Medan gravitasi bulan lebih lemah karena Bulan memiliki massa gravitasional aktif yang lebih kecil.

• Massa gravitasional pasif merupakan ukuran kekuatan interaksi suatu objek dengan medan gravitasi. Massa gravitasional pasif ditentukan dengan membagi berat objek dengan percepatan jatuh bebas objek itu sendiri. Dua objek dalam medan gravitasi yang sama akan mengalami percepatan yang sama. Namun objek dengan massa gravitasional pasif lebih kecil akan mengalami gaya yang lebih kecil (berat lebih ringan daripada objek dengan massa gravitasiional pasif yang besar.

• Energi juga bermassa menurut prinsip kesetaraan massa-energi. Kesetaraan ini dapat terlihat pada proses fusi nuklir dan lensa gravitasi. Pada fusi nuklir, sejumlah massa diubah menjadi energi. Pada fenomena pelensaan gravitasi pula, foton yang merupakan energi memperlihatkan perilaku yang mirip dengan massa gravitasional pasif.

• Pelengkungan ruang waktu adalah manifestasi relativistik akan keberadaan massa. Pelengkungan ini sangatlah lemah dan sulit diukur. Oleh karena itu, fenomena ini barulah ditemukan setelah teori relativitas umum Einstein memprediksinya. Jam atom dengan presisi yang sangat tinggi ditemukan berjalan lebih lambat di bumi dibandingkan dengan jam atom yang berjalan di ruang angkasa. Perbedaan waktu ini dinamakan dilasi waktu gravitasional.

• Massa kuantum merupakan perbedaan antara frekuensi kuantum suatu objek dengan bilangan gelombangnya: m² = ω² − k². Massa kuantum sebuah elektron dapat ditentukan menggunakan berbagai macam spektroskopi dan utamanya berkaitan erat dengan tetapan Rydberg, jari-jari Bohr, dan jari-jari elektron klasik. Massa kuantum benda yang lebih besar dapat diukur secara langsung menggunakan timbangan watt.