Fisika Dasar II – Mikrajuddin Abdullah – Mei 2017

917 Pages·2012·27.49 MB·Indonesian

KATA PENGANTAR

B
uku 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 282
v
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 410
vi
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