Fisika IGCSE

Panjang dan volume

Gunakan penggaris untuk mengukur panjang. Baca skala dengan mata lurus di depan tanda untuk menghindari kesalahan baca.

Gunakan silinder ukur untuk mengukur volume cairan. Baca skala di dasar permukaan lengkung (meniskus), dengan mata sejajar dengannya.

Mengukur waktu

Gunakan stopwatch atau timer digital untuk mengukur interval waktu. Jam cukup untuk waktu lama (menit atau jam). Stopwatch dimulai dan dihentikan dengan tangan, sehingga setiap pembacaan memiliki kesalahan waktu reaksi sekitar 0,2 s. Agar kesalahan ini kurang berpengaruh, ukur interval panjang, atau ukur banyak pengulangan dan bagilah (lihat di bawah).

Mengukur jumlah kecil

Panjang kecil atau waktu singkat yang tunggal sulit diukur dengan baik. Triknya adalah mengukur banyak dan membagi:

• Untuk menemukan ketebalan satu halaman, ukur 100 halaman dan bagi dengan 100.
• Untuk menemukan waktu untuk satu ayunan bandul, ukur waktu untuk 20 ayunan dan bagi dengan 20. Satu ayunan penuh disebut periode.

Ini membuat ketidakpastian (besaran kesalahan) menjadi jauh lebih kecil.

Skalar dan vektor

A kuantitas skalar hanya memiliki ukuran (magnitudo). A kuantitas vektor memiliki ukuran dan arah.

• Skalar: jarak, kecepatan, waktu, massa, energi, suhu.
• Vektor: gaya, berat, kecepatan, percepatan, momentum, kekuatan medan listrik, kekuatan medan gravitasi.

Untuk menjumlahkan dua vektor yang saling tegak lurus (90°), gambarlah sebagai dua sisi persegi panjang. Resultan adalah diagonal. Temukan ukurannya dengan Pythagoras dan arahnya dengan trigonometri.

Kecepatan dan kelajuan

Kecepatan adalah jarak tempuh per satuan waktu.

Kelajuan adalah kecepatan dalam arah yang ditentukan. Jadi kelajuan adalah vektor tetapi kecepatan adalah skalar.

Percepatan

Percepatan adalah perubahan kecepatan per satuan waktu.

Di sini $\Delta v$ berarti "perubahan kecepatan". Peralambatan (perlambatan) adalah percepatan negatif.

Contoh terpecahkan. Sebuah mobil melaju dari $8\ \text{m/s}$ ke $20\ \text{m/s}$ dalam $4.0\ \text{s}$. Temukan percepatannya.

Grafik pergerakan

Grafik jarak–waktu- menunjukkan seberapa jauh suatu benda telah bergerak:

• Garis datar (horizontal) berarti benda tersebut diam.
• Kemiringan lurus berarti kecepatan konstan. Gradien (kemiringan) adalah kecepatan.
• Kurva yang semakin curam berarti benda sedang berakselerasi.

Grafik kecepatan–waktu- menunjukkan seberapa cepat suatu benda bergerak:

• Garis datar berarti kecepatan konstan.
• Kemiringan lurus berarti percepatan konstan. Gradien adalah percepatan.
• Luas di bawah garis adalah jarak tempuh.

Benda jatuh

Di dekat Bumi, medan gravitasi bersifat seragam (kuatnya sama di mana saja), sehingga semua benda berakselerasi saat jatuh pada laju yang sama. Ini adalah percepatan jatuh bebas, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.

Ketika sebuah benda jatuh melalui udara, tahanan udara (gaya gesek) bekerja ke atas. Saat benda berakselerasi, tahanan udara bertambah. Ketika tahanan udara sama dengan beratnya, resultan gaya adalah nol dan benda berhenti berakselerasi. Kemudian benda jatuh pada kecepatan terminal yang stabil.

Massa adalah jumlah materi dalam suatu benda. Diukur dalam kilogram (kg) dan tidak berubah ketika Anda memindahkan benda tersebut.

Berat adalah gaya gravitasi pada massa. Diukur dalam newton (N). Berat dapat berubah: lebih kecil di Bulan karena gravitasi Bulan lebih lemah.

Kekuatan medan gravitasi adalah gaya per satuan massa:

Ini $g$ memiliki nilai yang sama dengan percepatan jatuh bebas ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Anda dapat membandingkan massa menggunakan neraca.

Densitas adalah massa per satuan volume.

Simbol $\rho$ adalah huruf Yunani "rho". Satuanya adalah $\text{kg/m}^3$ atau $\text{g/cm}^3$.

Untuk mencari densitas: ukur massa dengan neraca, temukan volumenya, lalu bagikan.

• Benda padat beraturan (seperti kotak): ukur sisinya dan hitung volumenya.
• Benda padat tak beraturan (bentuk aneh): rendamkan ke dalam air dalam gelas ukur. Kenaikan level air adalah volumenya. Ini adalah metode perpindahan.
• Cairan: letakkan gelas ukur kosong di atas neraca dan bacalah massanya. Tuangkan cairan, bacalah volume pada gelas ukur, dan bacalah massanya lagi. Massa cairan adalah selisih antara dua pembacaan massa.

Sebuah benda mengapung jika densitasnya kurang dari densitas cairan. Tenggelam jika densitasnya lebih besar. Dengan cara yang sama, satu cairan mengapung di atas cairan lain (jika keduanya tidak bercampur) ketika densitasnya lebih rendah: minyak mengapung di atas air.

Contoh terpecahkan. Sebuah batu bermassa $54\ \text{g}$ direndamkan ke dalam gelas ukur. Level air naik dari $20\ \text{cm}^3$ ke $40\ \text{cm}^3$. Temukan densitas batu tersebut.

Volume batu adalah kenaikan level air, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, jadi

Gaya adalah dorongan atau tarikan. Gaya dapat mengubah bentuk, kecepatan, atau arah suatu benda.

Peregangan (Hukum Hooke)

Ketika Anda menggantungkan beban pada pegas, pegas akan meregang. Peregangan ini disebut elongasi.

Pada grafik beban–elongasi- garis awalnya lurus: elongasi sebanding dengan beban. Titik di mana garis berhenti lurus adalah batas proporsionalitas.

Eksperimen. Gantung pegas dari penjepit dan letakkan penggaris di sebelahnya. Baca posisi bawah pegas tanpa beban: ini adalah panjang awal. Tambahkan beban satu per satu (misalnya 1 N masing-masing) dan catat panjang baru setiap kali. Perpanjangan adalah panjang baru dikurangi panjang awal. Plotkan beban pada sumbu-y terhadap perpanjangan pada sumbu-x.

Konstanta pegas adalah gaya per satuan perpanjangan:

Sebuah $k$ besar berarti pegas yang kaku.

Resultan gaya dan hukum Newton

Jumlahkan gaya-gaya pada garis lurus untuk mendapatkan resultan gaya (gaya ke satu arah positif, arah lain negatif).

• Jika resultan gaya nol, benda tetap diam atau terus bergerak lurus dengan kecepatan konstan. (Hukum pertama Newton.)
• Jika resultan gaya tidak nol, benda mengalami percepatan searah gaya tersebut:

Contoh terpecahkan. Sebuah mobil $1200\ \text{kg}$ memiliki gaya penggerak $3000\ \text{N}$ dan gesekan $600\ \text{N}$. Temukan percepatannya.

Pertama cari resultan gaya: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Kemudian

Gerak melingkar

Resultan gaya tegak lurus terhadap gerak tidak mengubah kecepatan. Gaya ini mengubah arah, sehingga benda bergerak dalam lingkaran dengan kecepatan tetap. Ini adalah gerak melingkar. Gayanya selalu mengarah ke pusat lingkaran: tarikan tali pada bola yang diputar, atau gravitasi Matahari pada planet.

Untuk benda yang bergerak dalam lingkaran:

• gaya lebih besar diperlukan untuk mempertahankan massa yang sama bergerak dengan kecepatan lebih tinggi dalam lingkaran dengan jari-jari yang sama;
• gaya lebih besar membuat massa yang sama dengan kecepatan yang sama bergerak dalam lingkaran yang lebih kecil (jari-jari lebih kecil);
• massa yang lebih besar membutuhkan gaya yang lebih besar untuk mempertahankan kecepatan dan jari-jari yang sama.

Gesekan

Gesekan adalah gaya antara dua permukaan yang bersentuhan. Gesekan mencoba menghentikan gerakan dan menyebabkan benda memanas. Drag (gesekan dalam cairan atau gas, seperti hambatan udara) juga memperlambat benda.

Momen — efek pemutaran

Momen dari suatu gaya adalah efek putarnya terhadap titik tumpu.

Satuannya adalah newton meter (N m).

Prinsip momen: ketika benda seimbang (dalam keseimbangan),

Benda berada dalam keseimbangan ketika tidak ada resultan gaya dan tidak ada resultan momen.

Contoh terpecahkan. Beban $30\ \text{N}$ diletakkan $0.20\ \text{m}$ ke kiri dari titik tumpu. Seberapa jauh ke kanan harus beban $20\ \text{N}$ diletakkan untuk menyeimbangkan balok?

Seimbang, jadi momen berlawanan arah jarum jam $=$ momen searah jarum jam:

Memeriksa prinsip melalui eksperimen. Seimbangkan penggaris meter di tengahnya di atas titik tumpu. Gantungkan beban yang diketahui di masing-masing sisi dan gerakkan hingga penggaris kembali seimbang. Ukur setiap jarak dari titik tumpu. Gaya × jarak di sebelah kiri sama dengan gaya × jarak di sebelah kanan, dalam batas kesalahan pengukuran yang kecil, sehingga tidak ada resultan momen pada benda yang seimbang.

Pusat gravitasi

Pusat gravitasi adalah titik tunggal di mana seluruh berat benda seolah-olah bekerja.

Untuk bentuk datar (lamina), gantungkan dari pin dan biarkan stabil; gambar garis vertikal turun dari pin menggunakan benang plumb. Ulangi dari titik lain. Pusat gravitasi adalah tempat garis-garis tersebut berpotongan.

Stabilitas benda bergantung pada di mana pusat gravitasinya berada. Benda lebih stabil ketika pusat gravitasinya rendah dan alasnya lebar. Benda akan terguling ketika garis vertikal dari pusat gravitasi melewati luar alas.

Momentum adalah massa dikali kecepatan. Momentum adalah besaran vektor.

Impuls adalah gaya dikali waktu kerja, dan sama dengan perubahan momentum:

Jadi resultan gaya adalah perubahan momentum per satuan waktu:

Kekekalan momentum: ketika benda bertabrakan dan tidak ada gaya luar yang bekerja, total momentum sebelum sama dengan total momentum setelah.

(Di sini $u$ adalah kecepatan sebelum dan $v$ adalah kecepatan setelah.)

Contoh terpecahkan. Kereta dorong $2.0\ \text{kg}$ bergerak dengan kecepatan $3.0\ \text{m/s}$ menabrak kereta dorong $1.0\ \text{kg}$ yang diam, dan mereka melekat bersama. Temukan kecepatan umum mereka afterwards.

Total momentum kekal, sehingga

Penyimpanan energi

Energi dapat tersimpan dengan berbagai cara: kinetik, potensial gravitasi, kimia, elastis (regangan), nuklir, elektrostatik, dan internal (termal).

Energi ditransfer antar penyimpanan oleh gaya (kerja mekanik), oleh arus listrik, oleh pemanasan, dan oleh gelombang (seperti cahaya dan suara).

Energi kinetik dan potensial

Energi kinetik adalah energi dari benda yang bergerak:

Perubahan energi potensial gravitasi ketika benda naik atau turun setinggi $\Delta h$:

Kekekalan energi

Prinsip kekekalan energi menyatakan energi tidak pernah diciptakan atau dimusnahkan; ia hanya berpindah antar penyimpanan. Benda yang jatuh mengubah energi potensial gravitasi menjadi energi kinetik. Diagram Sankey menunjukkan bagaimana energi input terbagi menjadi energi berguna dan energi terbuang.

Contoh kerja. Sebuah bola $0.50\ \text{kg}$ dijatuhkan dari ketinggian $1.8\ \text{m}$. Abaikan gesekan udara, tentukan kecepatannya tepat sebelum mendarat. (Ambil $g = 10\ \text{m/s}^2$.)

Seluruh energi potensial gravitasi berubah menjadi energi kinetik, sehingga $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. Massa saling menghilangkan, menyisakan $v^2 = 2g\,\Delta h$:

Karena massa saling menghilangkan, setiap benda yang dijatuhkan dari ketinggian ini akan mendarat pada kecepatan yang sama.

Usaha

Usaha sama dengan energi yang ditransfer. Ketika gaya memindahkan sebuah benda:

Satuan usaha dan energi adalah joule (J).

Daya

Daya adalah usaha (atau energi yang ditransfer) per satuan waktu.

Satuannya adalah watt (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.

Efisiensi

Efisiensi menunjukkan berapa banyak energi masuk yang berubah menjadi energi berguna.

Efisiensi selalu kurang dari 100% karena sebagian energi selalu terbuang (biasanya sebagai panas). Konsep yang sama berlaku untuk daya:

Contoh kerja. Sebuah motor dialiri $200\ \text{J}$ energi listrik dan mengangkat beban, memberikan beban tersebut $150\ \text{J}$ energi potensial gravitasi. Tentukan efisiensya.

Sumber energi

Kita menghasilkan listrik dari berbagai sumber energi. Sebagian besar memutar turbin yang menggerakkan generator – sering kali dengan merebus air menjadi uap (bahan bakar fosil, bahan bakar nuklir, geotermal, biofuel), atau langsung dengan menggerakkan air atau angin (hidroelektrik, ombak, pasang surut, angin). Sel surya menghasilkan listrik dari cahaya matahari secara langsung; panel surya memanaskan air.

Saat membandingkan sumber-sumber ini, gunakan lima konsep berikut: keterbaruan (apakah akan habis?), ketersediaan (apakah selalu ada? angin bisa reda dan matahari terbenam), keandalan (apakah memberikan output stabil?), skala (berapa banyak energi yang dapat disuplai?) dan dampak lingkungan (polusi, karbon dioksida, lahan yang terendam bendungan).

Sebagian besar sumber ini bersumber dari Matahari (bahan bakar fosil adalah cahaya matahari kuno yang tersimpan; angin dan ombak berasal dari pemanasan surya) – pengecualian adalah energi geotermal, nuklir, dan pasang surut. Matahari sendiri digerakkan oleh fusi nuklir, menggabungkan inti hidrogen menjadi helium. Para ilmuwan sedang meneliti cara menggunakan fusi di pembangkit listrik di Bumi, namun belum ada reaktor fusi yang menghasilkan lebih banyak energi listrik daripada yang digunakan.

Tekanan adalah gaya per satuan luas.

Satuannya adalah pascal (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.

Luas kecil menghasilkan tekanan besar (pisau tajam mudah memotong). Luas besar menghasilkan tekanan kecil (sepatu salju mencegah Anda tenggelam).

Tekanan dalam cairan

Dalam cairan, tekanan meningkat seiring kedalaman dan kepadatan cairan:

Itulah sebabnya bendungan dibangun lebih tebal di bagian bawah, di mana tekanan air paling besar. Tekanan dalam cairan bekerja ke segala arah.

Contoh kerja. Temukan tekanan tambahan pada kedalaman $2.0\ \text{m}$ dalam air (kepadatan $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).

• Pada grafik jarak–waktu, gradien adalah kecepatan; pada grafik kecepatan–waktu, gradien adalah percepatan dan luas di bawah garis adalah jarak tempuh. Jangan pernah membaca satu grafik seolah-olah itu adalah grafik lainnya.
• Massa (kg) adalah jumlah materi dan sama di mana pun; berat (N) adalah gaya gravitasi, $W = mg$. Di Bulan massa Anda tidak berubah tetapi berat Anda lebih kecil.
• Kecepatan adalah skalar; kecepatan vektor adalah vektor. Sesuatu yang bergerak dengan kecepatan konstan di sepanjang kurva masih mengalami percepatan, karena arahnya terus berubah.
• Dalam hukum Hooke, beban berbanding lurus dengan pertambahan panjang hanya hingga batas proporsionalitas. Gunakan pertambahan panjang (panjang diregangkan − panjang asli), bukan seluruh panjang.
• Momentum $p = mv$ kekal dalam tabrakan. Berikan masing-masing kecepatan $+$ atau $-$ tanda untuk arahnya sebelum Anda menjumlahkannya.
• Konversi satuan terlebih dahulu (cm → m, g → kg). Gunakan $p = F/A$ untuk padatan yang menekan permukaan, tetapi $p = \rho g h$ untuk tekanan di dalam cairan — keduanya memiliki rumus yang berbeda.

Zat ada dalam tiga keadaan: padat, cair dan gas.

Perubahan wujud adalah: lebur (padat → cair), mendidih/menguap (cair → gas), kondensasi (gas → cair) dan pembekuan (cair → padat). Dalam kondensasi, partikel gas melambat dan mendekat satu sama lain untuk membentuk cairan. Dalam pembekuan, partikel cair kehilangan energi dan menempati posisi tetap.

Semua materi tersusun dari partikel yang sangat kecil dan selalu bergerak. Inilah model partikel kinetik.

• Dalam zat padat, partikel hanya bergetar di sekitar posisi tetap.
• Dalam zat cair, partikel masih berdekatan tetapi dapat meluncus melewati satu sama lain.
• Dalam gas, partikel berjauhan dan bergerak cepat ke arah acak.

Suhu dan energi partikel

Ketika suatu zat dipanaskan, partikelnya bergerak lebih cepat, sehingga memiliki energi kinetik lebih besar. Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel.

Suhu terendah yang mungkin adalah nol mutlak, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. Pada titik ini, partikel memiliki energi seminimal mungkin.

Tekanan gas

Partikel gas menabrak dinding wadahnya. Setiap tabrakan adalah dorongan kecil. Tekanan gas adalah total gaya dari tabrakan-tabrakan tersebut per satuan luas.

• Memanaskan gas (pada volume konstan) membuat partikel bergerak lebih cepat, menabrak lebih keras dan lebih sering, sehingga tekanan meningkat.
• Memampatkan gas ke dalam volume yang lebih kecil (pada suhu konstan) berarti lebih banyak tabrakan per detik pada setiap satuan luas, sehingga tekanan meningkat.

Untuk massa gas tetap pada suhu konstan:

Jadi jika volume berkurang setengah, tekanannya menjadi dua kali lipat.

Contoh soal. Gas memiliki volume $200\ \text{cm}^3$ pada tekanan $100\ \text{kPa}$. Gas tersebut dimampatkan menjadi $50\ \text{cm}^3$ pada suhu konstan. Tentukan tekanan baru.

Karena $pV$ tetap konstan, maka $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

Gerak Brown

Jika Anda mengamati asap di udara di bawah mikroskop, Anda melihat butiran-butiran kecil bergerak secara getar-acak. Ini disebut gerak Brown. Butiran-butiran tersebut didorong oleh partikel udara yang cepat dan tak terlihat yang menabraknya. Ini merupakan bukti kuat bagi model partikel kinetik.

Skala kelvin

Para ilmuwan sering menggunakan skala suhu kelvin (K), yang dimulai dari nol mutlak. Untuk mengonversi:

Jadi $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

Contoh soal. Konversikan $25\,{}^{\circ}\text{C}$ ke kelvin, dan $200\ \text{K}$ ke derajat Celsius.

Ketika materi dipanaskan, partikelnya bergerak lebih banyak dan memakan ruang lebih besar, sehingga material memuai. Gas memuai paling banyak, diikuti cairan, kemudian padatan. Urutan ini berasal dari gaya antar partikel: dalam padatan, partikel diikat erat dalam kisi kristal (pola tetap), sehingga mereka hanya bisa bergetar sedikit; dalam cairan, ikatan mereka lebih lemah; dalam gas, gayanya sangat lemah, sehingga partikel tersebar jauh lebih luas.

Contoh sehari-hari: celah dibiarkan antara rel kereta api; jembatan diletakkan di atas rol; penutup logam yang ketat menjadi longgar saat dipanaskan.

Energi dalam suatu benda adalah total energi semua partikelnya. Memanaskan benda meningkatkan energi dalamnya dan biasanya juga suhunya.

Kalor jenis adalah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg material sebesar 1 °C.

Material dengan kalor jenis tinggi (seperti air) membutuhkan banyak energi untuk memanaskan dan mendinginnya lambat.

Contoh soal. Berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk memanaskan $2.0\ \text{kg}$ air dari $20\,{}^{\circ}\text{C}$ hingga $70\,{}^{\circ}\text{C}$? Kalor jenis air adalah $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

Menyusun ulang $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ menghasilkan $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, dengan $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

Mengukur kalor jenis. Untuk padatan, gunakan balok logam dengan dua lubang: satu untuk pemanas listrik dan satu untuk termometer. Ukur massa $m$ balok. Nyalakan pemanas selama waktu terukur $t$ dan catat arus listrik $I$ serta tegangan $V$, sehingga energi yang disuplai adalah $E = IVt$ (atau baca energi dari joulemeter). Catat kenaikan suhu $\Delta\theta$. Kemudian hitung $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Untuk cairan, panaskan massa terukur cairan dalam wadah dan aduk agar suhunya merata. Balut balok atau wadah dengan bahan isolasi, agar lebih sedikit energi bocor ke udara.

Peleburan dan mendidih memerlukan tenaga, tetapi suhu tetap sama semasa perubahan keadaan berlaku. Tenaga ini memecahkan daya antara zarah. Untuk air pada tekanan atmosfera biasa, peleburan berlaku pada $0\,{}^{\circ}\text{C}$ dan pendidihan pada $100\,{}^{\circ}\text{C}$.

Penguapan adalah apabila cecair berubah kepada gas di permukaannya, di bawah titik didih. Zarah yang paling pantas keluar dari permukaan. Oleh kerana zarah yang paling pantas (paling bertenaga) meninggalkan cecair, tenaga purata bagi zarah yang tinggal berkurang, jadi cecair tersebut menjadi sejuk. Objek yang menyentuh cecair yang sedang menguap juga menjadi sejuk, kerana cecair itu mengambil tenaga daripadanya: inilah sebabnya peluh menyejukkan kulit anda.

Penguapan berlaku lebih cepat apabila suhu lebih tinggi, luas permukaan lebih besar, dan terdapat lebih banyak pergerakan udara di atas permukaan.

Tenaga haba bergerak dari tempat yang lebih panas ke tempat yang lebih sejuk melalui tiga cara.

Penghantaran

Penghantaran ialah pemindahan tenaga haba melalui suatu bahan tanpa bahan tersebut bergerak. Zarah dalam pepejal terletak dalam kisi-kisi. Zarah yang dipanaskan bergetar lebih kuat dan memindahkan tenaga kepada jiran mereka. Dalam logam, elektron bebas (elektron terdelokalisasi) membawa tenaga dengan cepat, jadi logam adalah penghantar haba yang baik.

Bahan yang menghantar haba dengan buruk (seperti udara, kayu dan plastik) adalah penebat haba.

Ujian penghantar. Pasang pin lukis dengan sedikit lilin pada salah satu hujung rod tembaga, besi, kaca dan kayu, kemudian panaskan hujungnya secara sama rata. Pin akan jatuh pertama kali dari rod tembaga, kemudian dari rod besi, dan terakhir (atau tidak pernah) dari kaca dan kayu: logam adalah penghantar terbaik. Rod logam yang dipegang dalam api akan terasa panas segera; rod kayu tidak.

Gas dan kebanyakan cecair adalah penghantar yang buruk kerana zarah-zarahnya berada jauh antara satu sama lain dan hanya memindahkan tenaga apabila mereka bertembus secara kebetulan. Tiada kisi-kisi dan tiada elektron bebas.

Penyejukan

Penyejukan berlaku dalam cecair dan gas. Apabila fluida dipanaskan, ia mengembang, menjadi kurang padat, dan naik. Fluida yang lebih sejuk dan lebih padat tenggelam untuk menggantikan tempatnya. Putaran fluida yang bergerak ini ialah arus penyejukan.

Memperlihatkan penyejukan. Jatuhkan kristal ungu kalium permanganat ke dalam gelas ukur berisi air dan panaskan gelas ukur dengan lembut di bawah kristal tersebut. Aliran berwarna naik di atas haba, merebak ke bahagian atas dan tenggelam di sisi-sisinya. Dalam udara, lilin yang dinyalaikan di bawah salah satu cerobong kotak asap menarik asap turun melalui cerobong lain dan naik di atas nyalaan api.

Penyejukan tidak boleh berlaku dalam pepejal kerana zarah-zarah tidak dapat bergerak dari satu tempat ke tempat lain.

Radiasi

Radiasi haba ialah tenaga yang dibawa oleh gelombang infra merah. Semua objek memancarkannya, dan ia tidak memerlukan bahan untuk merambat — ia boleh merentasi ruang kosong (ini adalah bagaimana tenaga sampai kepada kita dari Matahari).

Permukaan yang dull dan hitam adalah pemancar yang baik dan penyerap infra merah yang baik. Permukaan yang berkilat dan putih adalah pemancar yang lemah dan pemantul yang baik.

Membandingkan permukaan. Isi dua tin, satu dull hitam dan satu berkilat perak, dengan air panas pada suhu yang sama, dan masukkan termometer ke dalamnya. Tin hitam menjadi sejuk lebih cepat, jadi ia adalah pemancar yang lebih baik. Kemudian letakkan kedua-dua tin yang sama, penuh dengan air sejuk, pada jarak yang sama dari pemanas. Tin hitam menjadi hangat lebih cepat, jadi ia adalah penyerap yang lebih baik. Kubus Leslie (kotak logam dengan satu sisi bagi setiap kemasan) menunjukkan perkara yang sama.

Sebuah objek kekal pada suhu malar apabila ia memancarkan tenaga pada kadar yang sama dengan apa yang diserapnya. Kadar pemancaran adalah lebih tinggi apabila permukaan lebih panas dan lebih besar. Jika sebuah objek menyerap tenaga lebih cepat daripada yang dipancarkannya, suhunya meningkat; jika ia memancarkan tenaga lebih cepat daripada yang diserapnya, suhunya menurun.

Suhu Bumi. Bumi menyerap radiasi dari Matahari dan memancarkan radiasi infra merah kembali ke angkasa. Suhu puratanya kekal malar hanya apabila kedua-dua kadar ini adalah sama. Sebarang sesuatu yang mengubah keseimbangan ini akan mengubah suhu. Gas-gas dalam atmosfera seperti karbon dioksida menyerap sebahagian infra merah yang dipancarkan dan menghantarnya semula ke bawah, jadi lebih banyak gas ini memanaskan Bumi. Awan dan ais memantulkan cahaya matahari masuk, jadi kurang ais bermakna lebih banyak tenaga diserap, dan Bumi menjadi lebih panas.

Contoh sehari-hari

• Periuk dapur mempunyai tapak logam yang menghantar tenaga dengan cepat kepada makanan, dan pemegang plastik atau kayu yang merupakan penebat, supaya anda boleh memegangnya.
• Pemanas bilik memanaskan bilik melalui penyejukan: udara di sebelahnya menjadi hangat, naik, dan udara sejuk mengalir masuk untuk menggantikan tempatnya, jadi seluruh bilik menjadi hangat.
• Duduk berhampiran api, anda merasakan radiasinya di muka serta-merta; udara di antara anda dan api adalah penghantar yang buruk.
• Termos vakum menjaga minuman tetap panas dengan menghentikan ketiga perpindahan: vakum di antara dinding ganda menghambat konduksi dan konveksi, sedangkan permukaannya yang mengkilap perak menghambat radiasi.

• Dalam model partikel kinetik, pemanasan gas membuat partikelnya bergerak lebih cepat dan menabrak dinding lebih keras serta lebih sering, sehingga tekanan meningkat. Partikel itu sendiri tidak membesar.
• Penguapan hanya terjadi di permukaan dan pada suhu berapapun; pembentukan uap terjadi di seluruh cairan pada satu suhu tetap. Penguapan mendinginkan sisa cairan, karena partikel tercepat melarikan diri.
• Selama peleburan dan pembentukan uap suhu tetap konstan meskipun energi terus disuplai — energi tersebut memecah gaya antar partikel.
• Untuk kapasitas kalor spesifik gunakan $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, di mana $\Delta\theta$ adalah perubahan suhu, bukan suhu akhir.
• Permukaan hitam kusam adalah pemancar dan penyerap inframerah terbaik; permukaan mengkilap dan terang adalah pemantul terbaik. Konveksi membutuhkan fluida untuk mengalir, sehingga tidak dapat terjadi dalam zat padat.

Sebuah magnet dapat menarik beberapa logam. Setiap magnet memiliki dua ujung, disebut kutub: kutub utara (kutub N) dan kutub selatan (kutub S).

Aturan untuk dua kutub seperti aturan untuk muatan:

• Kutub yang sama (N dan N, atau S dan S) tolak (dorong menjauh): ini adalah tolakan.
• Kutub yang berbeda (N dan S) tarik (tarik bersama): ini adalah tarikan.

Magnet menarik bahan magnetik, seperti besi, baja, kobalt, dan nikel. Bahan lain (tembaga, plastik, kayu) bersifat non-magnetik dan tidak merasakan gaya apa pun.

Magnetisme induksi

Letakkan sepotong besi dekat atau menyentuh magnet, dan besi tersebut menjadi magnet itu sendiri. Ini adalah magnetisme induksi. Ujung besi terdekat dengan magnet memperoleh kutub berlawanan, sehingga keduanya kemudian tarik-menarik.

Magnet sementara dan permanen

• Besi lunak mudah dimagnetisasi tetapi kehilangan kemagnetannya dengan cepat. Digunakan untuk magnet sementara.
• Baja lebih sulit dimagnetisasi tetapi mempertahankan kemagnetannya. Digunakan untuk magnet permanen.

Jadi, potongan besi lunak yang belum bermagnet adalah inti terbaik untuk elektromagnet, sementara baja paling baik untuk magnet batang.

Medan magnet

Medan magnet adalah daerah di mana kutub magnet merasakan gaya. Kita menggambarnya dengan garis medan magnet:

• Garis-garis keluar dari kutub N dan masuk ke kutub S.
• Arah medan pada suatu titik adalah arah gaya pada kutub N dari magnet uji kecil yang ditempatkan di sana.
• Di mana garis-garis berdekatan, medan kuat; di mana garis-garis berjauhan, medan lemah.

Anda dapat menunjukkan polanya dengan menaburkan serbuk besi di atas kertas di atas magnet, atau dengan memindahkan kompas plotting kecil di sekitarnya (jarum menunjuk sepanjang medan).

Kegunaan magnet

• Magnet permanen: pengait pintu kulkas, jarum kompas, speaker.
• Elektromagnet (magnetik hanya saat arus mengalir): crane yang mengangkat besi tua, lonceng listrik, relay. Elektromagnet dapat dinyalakan dan dimatikan serta dibuat lebih kuat, yang tidak dapat dilakukan oleh magnet permanen.

Gaya magnet terjadi karena medan dari dua magnet saling mendorong dan menarik satu sama lain.

Terdapat dua jenis muatan listrik: muatan positif dan muatan negatif. Aturannya seperti aturan kutub — muatan sejenis tolak-menolak, muatan berbeda tarik-menarik.

Pengisian dengan gesekan

Ketika Anda menggosokkan dua bahan yang berbeda bersama-sama, elektron (partikel negatif kecil) berpindah dari satu ke bahan lainnya. Ini disebut pengisian dengan gesekan.

• Bahan yang mendapatkan elektron menjadi negatif.
• Bahan yang kehilangan elektron menjadi positif.

Hanya elektron negatif yang bergerak; muatan positif tetap diam. Sebagai contoh, batang plastik yang digosok dengan kain menjadi negatif karena elektron berpindah dari kain ke batang, meninggalkan kain bermuatan positif.

Mendeteksi muatan. Batang bermuatan mengambil potongan kertas kecil, dan membengkokkan aliran tipis air dari keran. Gantungkan satu batang bermuatan dengan benang dan dekatkan batang bermuatan lainnya: jika keduanya memiliki jenis muatan yang sama, batang yang digantung akan berayun menjauh. Penolakan adalah satu-satunya tes pasti untuk muatan, karena tarikan juga terjadi pada benda tak bermuatan.

Konduktor dan isolator

• Konduktor (tembaga dan logam lainnya) memungkinkan muatan mengalir melaluinya dengan mudah, karena memiliki elektron bebas yang dapat bergerak.
• Isolator (plastik, karet, kaca) tidak membiarkan muatan mengalir, karena elektronnya tidak dapat bergerak bebas.

Untuk menguji suatu bahan, hubungkan dalam rangkaian dengan lampu dan baterai: lampu hanya menyala untuk konduktor.

Medan listrik dan ion

Muatan diukur dalam coulomb (C). Medan listrik adalah wilayah di mana muatan listrik merasakan gaya. Arahnya pada suatu titik adalah arah gaya pada muatan positif. Pola medan sederhana (panah menunjukkan arah):

• di sekitar muatan titik: garis lurus, menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif;
• di sekitar bola bermuatan (sphere): hal yang sama, menyebar merata ke segala arah;
• di antara dua pelat sejajar dengan muatan berlawanan: garis lurus, berjarak sama dari pelat positif ke pelat negatif.

Atom biasanya netral. Jika kehilangan elektron menjadi ion positif; jika mendapatkan elektron menjadi ion negatif.

Arus listrik adalah aliran muatan listrik. Diukur dalam ampere (A) menggunakan amperemeter, dihubungkan secara seri dalam rangkaian.

Amperemeter analog memiliki jarum yang bergerak di atas skala; amperemeter digital menampilkan bacaan sebagai angka. Keduanya memiliki rentang yang berbeda. Pilih rentang sedikit di atas arus terbesar yang Anda harapkan agar pembacaan akurat: rentang 0–1 A untuk arus sekitar 0,4 A, atau rentang 0–100 mA untuk beberapa miliampere.

Arus adalah muatan yang melewati suatu titik setiap detik:

Di sini $I$ adalah arus (A), $Q$ adalah muatan (C) dan $t$ adalah waktu (s). Diatur ulang, $Q = It$.

Contoh soal terpecahkan. Arus $3.0\ \text{A}$ mengalir melalui lampu selama $20\ \text{s}$. Berapa banyak muatan yang melewatinya?

Dalam logam, arus adalah aliran elektron bebas. Ada dua "arah" yang perlu diketahui:

• Arus konvensional dianggap mengalir dari + ke − mengelilingi bagian luar sel.
• Elektron bebas benar-benar bergerak lambat ke arah sebaliknya, dari − ke +.

Arus searah (d.c.) selalu mengalir satu arah, seperti dari baterai. Arus bolak-balik (a.c.) terus berganti arah berkali-kali setiap detik, seperti dari suplai listrik utama.

Sel memberikan energi kepada muatan yang bergerak melaluinya. Dua besaran mendeskripsikan ini, dan keduanya diukur dalam volt (V).

• Gaya gerak listrik (g.g.b.) dari sumber adalah kerja listrik yang dilakukannya untuk menggerakkan unit muatan sepanjang rangkaian lengkap.
• Beda potensial (b.p.) pada komponen adalah kerja yang dilakukan oleh unit muatan saat melewati komponen itu.

Voltmeter mengukur g.g.b. atau b.p. Dihubungkan secara paralel (di atas komponen). Seperti amperemeter, voltmeter bisa analog atau digital dan memiliki berbagai rentang: pilih rentang sedikit di atas tegangan terbesar yang Anda harapkan.

Keduanya adalah kerja per unit muatan:

di mana $W$ adalah energi yang ditransfer (J) dan $Q$ adalah muatan (C). Sebagai contoh, jika sebuah sel melakukan $120\ \text{J}$ kerja memindahkan $60\ \text{C}$ muatan mengelilingi rangkaian, g.g.b.-nya adalah $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Resistansi mengukur seberapa sulit arus mengalir. Resistansi yang lebih besar menghasilkan arus yang lebih kecil. Diukur dalam ohm (Ω).

Mengukur hambatan. Hubungkan komponen secara seri dengan sel, sakelar, amperemeter dan resistor variabel, serta hubungkan voltmeter melintang pada komponen. Tutup sakelar, baca $I$ dan $V$, kemudian ubah resistor variabel untuk mendapatkan beberapa pasangan pembacaan lagi. Either hitung $R = V/I$ untuk setiap pasangan dan ambil rata-ratanya, atau plot $V$ terhadap $I$: untuk kawat logam pada suhu konstan, grafiknya adalah garis lurus yang melalui titik asal, dan gradiennya adalah $R$.

Contoh terpecahkan. Sebuah baterai $12\ \text{V}$ mengalirkan arus $0.50\ \text{A}$ melalui sebuah lampu. Temukan hambatan lampu tersebut.

Untuk kawat logam pada suhu konstan:

• kawat yang lebih panjang memiliki hambatan yang lebih besar — hambatan berbanding lurus dengan panjang, $R \propto l$;
• kawat yang lebih tebal memiliki hambatan yang lebih kecil — hambatan berbanding terbalik dengan luas penampang, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Jadi, menggandakan panjang akan menggandakan hambatan; menggandakan luas akan menguranginya menjadi setengahnya. (Luas bergantung pada diameter kuadrat, sehingga perubahan kecil pada diameter mengubah hambatan dengan signifikan.)

Graf arus–tegangan menunjukkan perilaku tiga komponen:

Sirkuit mentransfer energi dari sumber (sel atau suplai utama) ke komponen, lalu ke lingkungan sekitar (sering sebagai panas, cahaya, atau suara).

Daya listrik adalah energi yang ditransfer setiap detik, diukur dalam watt (W):

Energi listrik yang ditransfer dalam waktu $t$, diukur dalam joule (J), adalah:

Contoh terpecahkan. Sebuah motor $12\ \text{V}$ menarik arus $2.0\ \text{A}$. Temukan dayanya, dan energi yang ditransfer dalam $30\ \text{s}$.

Kilowatt-jam

Tagihan listrik rumah menggunakan satuan energi yang lebih besar, yaitu kilowatt-jam (kWh). Satu kilowatt-jam adalah energi yang digunakan oleh perangkat $1\ \text{kW}$ selama $1$ jam.

Sebagai contoh, pemanas $2\ \text{kW}$ yang digunakan selama $3$ jam mengonsumsi $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Jika satu kWh berharga $20$ sen, biayanya adalah $6 \times 20 = 120$ sen.

*Meter listrik rumah menghitung energi yang digunakan, dalam kilowatt-jam (kWh) — angka yang ditampilkan adalah yang Anda bayar

Komponen sirkuit

Anda harus mengetahui komponen-komponen ini dan perilakunya:

*Simbol-simbol standar yang digunakan untuk menggambar diagram sirkuit

*Resistor nyata: pita warna menunjukkan hambatan masing-masing dalam ohm

Seri dan paralel

Dalam sirkuit seri, bagian-bagian membentuk satu loop tunggal:

• arusnya sama di setiap titik;
• tegangan pasokan dibagi antara komponen;
• sel yang dirangkai seri menjumlahkan g.g.t-nya (ketika orientasinya sama);
• resistor yang dirangkai seri dijumlahkan: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

Dalam sirkuit paralel, bagian-bagian berada pada cabang terpisah:

• setiap cabang mendapat tegangan pasokan penuh;
• arus terbagi, sehingga arus dari sumber lebih besar daripada arus di salah satu cabang;
• total hambatan lebih kecil dari hambatan tunggal terkecil.

Lampu di rumah dirangkai secara paralel: setiap lampu mendapat tegangan penuh, dan jika satu mati, yang lain tetap menyala.

*Dalam sirkuit seri, komponen berbagi satu loop; dalam sirkuit paralel, setiap lampu memiliki cabangnya sendiri

Untuk perhitungan (dengan aturan di atas):

• pada titik percabangan, total arus yang masuk sama dengan total arus yang keluar;
• dalam seri, tegangan pasokan sama dengan jumlah tegangan pada komponen;
• dalam paralel, tegangan pada setiap cabang adalah sama;
• dua resistor yang dirangkai paralel digabungkan sebagai

Contoh pengerjaan. Sebuah resistor $6\ \Omega$ dan resistor $3\ \Omega$ disambung secara paralel. Temukan hambatan gabungannya.

Perhatikan bahwa hambatan gabungan ($2\ \Omega$) lebih kecil daripada hambatan terkecil dari kedua resistor tersebut.

Pembagi potensial

Dua resistor seri membagi tegangan sumber. Ini adalah pembagi potensial. Untuk arus yang sama, hambatan yang lebih besar memiliki beda potensial (b.p.) yang lebih besar di atasnya, sehingga resistor yang lebih besar mengambil bagian yang lebih besar:

Sebuah pembagi potensial variabel (atau resistor variabel) memungkinkan Anda mengubah tegangan output secara halus, misalnya dari $0\ \text{V}$ hingga penuh pada sumber. Jika Anda menggunakan termistor atau LDR sebagai salah satu resistor, tegangan output berubah seiring suhu atau cahaya — berguna untuk menyalakan dan mematikan pemanas atau lampu secara otomatis.

Rumah dialiri oleh listrik utama (mains). Listrik utama berbahaya jika digunakan dengan cara yang salah.

Bahaya

Berikut adalah bahaya (ancaman) dengan listrik utama:

• isolasi rusak — kabel terbuka dapat menyebabkan sengatan listrik atau memicu kebakaran;
• kabel panas berlebih — arus terlalu besar membuat kabel panas, yang dapat memicu kebakaran;
• kondisi basah — air memungkinkan arus mengalir ke tubuh seseorang, meningkatkan risiko sengatan listrik;
• beban berlebih — mencolokkan terlalu banyak perangkat ke satu soket menarik arus terlalu besar.

Kable fasa, netral, dan bumi

Kabel utama memiliki tiga kabel:

• kabel fasa membawa tegangan tinggi;
• kabel netral melengkapikan rangkaian pada sekitar nol volt;
• kabel bumi adalah kabel pengaman yang terhubung ke tanah.

Sakelar (dan sekring) harus dipasang di kabel fasa. Dengan demikian, ketika sakelar mati, perangkat terputus dari tegangan tinggi dan aman untuk disentuh.

Sekering, sakelar trip, dan pembumian

Sekering adalah kawat tipis yang meleleh jika arus menjadi terlalu besar, memutus rangkaian sebelum kabel panas berlebih. Pilih nilai rating sekring sedikit di atas arus kerja normal — misalnya sekring $13\ \text{A}$ untuk perangkat yang biasanya menggunakan sekitar $10\ \text{A}$.

Sakelar trip (pemutus sirkuit) melakukan tugas yang sama tetapi bekerja lebih cepat dan dapat diatur ulang alih-alih diganti.

Rangka logam perangkat harus dibuat aman dengan salah satu dari dua cara:

• dibumikan: rangka terhubung ke kabel bumi. Jika kabel fasa menyentuh rangka, arus besar mengalir ke bumi dan meleburkan sekring.
• isolasi ganda: rangkanya plastik, sehingga tidak akan pernah bermuatan listrik. Perangkat semacam itu tidak memerlukan kabel bumi; sekeringnya tetap melindungi kabel.

Efek magnetik dari arus

Arus dalam kawat menghasilkan medan magnet di sekitarnya.

• Di sekitar kawat lurus, garis-garis medannya berbentuk lingkaran mengelilingi kawat; medannya lebih kuat dekat kawat. Balik arusnya, maka medannya juga berbalik.
• Solenoida (kumparan kawat panjang) menghasilkan medan seperti batang magnet, dengan kutub N di satu ujung dan kutub S di ujung lainnya. Medan di dalamnya kuat dan seragam.

Anda dapat menunjukkan kedua pola ini dengan serbuk besi atau kompas pemetaan. Medannya menjadi lebih kuat jika Anda meningkatkan arus, menambah jumlah lilitan, atau menempatkan inti besi lunak di dalamnya.

Efek magnetik digunakan dalam relay dan loudspeaker. Dalam relay, arus kecil dalam kumparan memagnetisasi inti besi lunak, yang menarik sakelar agar tertutup dalam rangkaian kedua. Rangkaian kedua dapat mengalirkan arus besar, sehingga sakelar kecil atau sensor dapat dengan aman mengendalikan motor atau pemanas (misalnya, sakelar pengapian mobil memulai motornya melalui relay). Dalam loudspeaker, arus yang berubah-ubah dalam kumparan membuat kumparan mendorong dan menarik kerucut kertas, yang menggerakkan udara dan menghasilkan suara.

Induksi elektromagnetik

Ketika kawat bergerak melintasi medan magnet, atau medan melalui kumparan berubah, e.m.f. terinduksi dalam kawat. Jika kawat merupakan bagian dari rangkaian lengkap, e.m.f. ini mendorong arus. Ini disebut induksi elektromagnetik.

Untuk menunjukkannya: gerakkan magnet masuk dan keluar dari kumparan yang terhubung ke meter sensitif, dan perhatikan jarum berkedip. E.m.f. terinduksi lebih besar ketika Anda menggunakan magnet yang lebih kuat, bergerak lebih cepat, atau menggunakan lebih banyak lilitan pada kumparan. E.m.f. terinduksi selalu bertindak untuk melawan perubahan yang menyebabkannya. Arah arus terinduksi ditentukan oleh aturan tangan kanan Fleming: pegang ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah tangan kanan saling tegak lurus; ibu jari menunjuk sepanjang gerakan kawat, jari telunjuk sepanjang medan (N ke S), dan jari tengah kemudian memberikan arus terinduksi.

Generator a.c.

Generator a.c. mengubah gerakan menjadi listrik. Kumparan diputar dalam medan magnet (atau magnet diputar di dekat kumparan). Saat berputar, medan melalui kumparan terus berubah, sehingga e.m.f. bolak-balik terinduksi.

• Cincin geser dan sikat karbon grafit menghantarkan arus keluar ke rangkaian sementara kumparan terus berputar.
• GGL terbesar saat kumparan datar (bergerak paling cepat melintasi medan) dan nol saat kumparan tegak (bergerak sejajar dengan medan). Jadi grafik GGL–waktu berbentuk gelombang: puncak, nol, puncak berlawanan, nol, untuk setiap putaran.

Gaya pada konduktor bermuatan arus

Ketika kawat bermuatan arus terletak dalam medan magnet, medan dari kawat dan medan dari magnet saling mendorong, sehingga kawat mengalami gaya. Ini disebut efek motor.

• Balik arah arus, atau balik arah medan, maka gayanya akan berbalik.
• Perbesar arus atau perkuat medan, maka gayanya juga semakin besar.

Gaya, medan, dan arus saling tegak lurus satu sama lain. Anda dapat menentukan arah gaya menggunakan aturan tangan kiri Fleming: ibu jari = gaya (gerak), jari telunjuk = medan (N ke S), jari tengah = arus.

Menunjukkan gaya. Letakkan kawat tembaga kaku (atau strip aluminium foil) di antara kutub magnet U dan hubungkan ke sel melalui sakelar. Ketika arus mengalir, kawat melompat naik atau turun. Balik polaritas sel dan kawat melompat ke arah sebaliknya; balik posisi magnet dan arahnya berbalik lagi. Arus lebih besar atau magnet yang lebih kuat menghasilkan lompatan yang lebih besar.

Aliran partikel bermuatan yang bergerak adalah arus, sehingga medan magnet juga mendorongnya menyamping — hal ini membelokkan berkas tersebut. (Ingat bahwa elektron mengalir berlawanan dengan arah arus konvensional.)

Motor d.c.

Kumparan yang dialiri arus dalam medan magnet mengalami efek putar, karena gaya pada kedua sisinya bekerja berlawanan arah. Ini adalah motor d.c. Efek putar menjadi lebih besar dengan lebih banyak lilitan, arus yang lebih besar, atau medan yang lebih kuat.

Komutator cincin belah membalikkan arah arus dalam kumparan setiap setengah putaran. Hal ini menjaga agar kumparan terus berputar ke arah yang sama alih-alih berhenti setelah setengah putaran.

Transformator

Transformator mengubah besaran tegangan a.c. Ia memiliki dua kumparan yang dililitkan pada inti besi lunak:

• kumparan primer menerima tegangan a.c.;
• kumparan sekunder mengeluarkan tegangan yang telah diubah.

Arus a.c. pada primer menciptakan medan magnet berubah-ubah pada inti. Inti membawa medan ini ke sekunder, di mana ia menginduksi GGL a.c. Tegangan dan jumlah lilitan terkait melalui:

Contoh kerja. Sebuah transformator memiliki $1200$ lilitan pada kumparan primer dan $100$ lilitan pada kumparan sekunder. Primer terhubung ke sumber a.c. $240\ \text{V}$. Temukan tegangan sekunder.

Jumlah lilitan sekunder lebih sedikit, jadi ini adalah transformator penurun tegangan.

Jika sekunder memiliki lebih banyak lilitan maka itu adalah transformator penaik tegangan (tegangan naik); lilitan lebih sedikit membuat transformator penurun tegangan (tegangan turun). Sebagai contoh, transformator yang mengubah $240\ \text{V}$ ke $12\ \text{V}$ adalah jenis penurun, dan primer memiliki $20$ kali jumlah lilitan dibandingkan sekunder.

Jika efisiensi transformator 100%, daya masuk sama dengan daya keluar:

Jadi transformator penaik tegangan menaikkan tegangan tetapi menurunkan arus.

Mengapa kita menggunakan tegangan tinggi untuk mengirim daya

Listrik dikirim melintasi negara melalui transmisi tegangan tinggi. Daya yang hilang sebagai panas dalam kabel adalah

di mana $R$ adalah resistansi kabel. Transformator penaik tegangan menaikkan tegangan sehingga menurunkan arus untuk daya yang sama ($P = IV$). Arus yang lebih kecil berarti lebih sedikit daya yang terbuang dalam kabel. Transformator penurun kemudian menurunkan tegangan kembali ke nilai yang aman sebelum mencapai rumah-rumah.

• Arus sama di semua tempat dalam rangkaian seri; dalam rangkaian paralel arus terbagi antar cabang. Tegangan (beda potensial) dibagi dalam seri, tetapi sama di setiap cabang paralel.
• Menambahkan resistor secara seri meningkatkan resistansi total ($R_1 + R_2$); menambahkannya secara paralel membuat total lebih kecil daripada resistor tunggal terkecil.
• Ammeter dipasang secara seri dan memiliki resistansi sangat rendah; voltmeter dipasang secara paralel melintasi komponen dan memiliki resistansi sangat tinggi.
• Dalam transformator $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: lebih banyak lilitan pada sekunder menaikkan tegangan, kurang lilitan menurunkannya. Transformator hanya bekerja pada a.c.
• Daya dikirim melintasi negara dengan tegangan tinggi sehingga arus — dan panas yang terbuang di kabel, $P = I^2R$ — menjadi kecil.
• Pasang sakelar dan sekering pada kawat hidup, dan pilih rating sekering sedikit di atas arus kerja normal alat tersebut.

Sebuah atom terdiri dari inti nuklir kecil di tengah dengan elektron yang bergerak mengelilinginya (dalam orbit, seperti planet mengelilingi Matahari).

• Nuklir memiliki muatan positif.
• Elektron memiliki muatan negatif.
• Atom secara keseluruhan bersifat netral, karena muatan positif dan negatif sama besar.

Hampir seluruh massa berada di nuklir, tetapi nuklir sangat kecil dibandingkan atom secara keseluruhan. Jadi atom sebagian besar adalah ruang hampa.

Ion

Atom bersifat netral, tetapi dapat menerima atau melepaskan elektron untuk menjadi ion.

• Melepaskan satu atau lebih elektron → ion positif (sekarang ada lebih banyak proton daripada elektron).
• Menerima satu atau lebih elektron → ion negatif.

Percobaan hamburan alfa

Percobaan ini memberikan bukti untuk model nuklir. Partikel alfa α (kecil, cepat, positif) ditembakkan ke lembaran emas yang sangat tipis, dan hamburan (cara mereka memantul) diamati.

Hasil dan apa yang ditunjukkan:

• Hampir semua partikel alfa menembus lurus. → Atom sebagian besar adalah ruang hampa.
• Beberapa terbelok (dibengkokkan) melalui sudut kecil. → Nuklir bermuatan positif, yang menolak partikel alfa positif.
• Sangat sedikit memantul hampir lurus kembali. → Nuklir sangat kecil dan sangat berat, serta menampung sebagian besar massa atom.

Nuklir terdiri dari dua jenis partikel, bersama-sama disebut nukleon:

• proton, yang memiliki muatan relatif sebesar $+1$;
• neutron, yang memiliki muatan relatif $0$ (mereka netral).

Elektron memiliki muatan relatif $-1$. Proton dan neutron masing-masing memiliki massa relatif sekitar $1$; elektron hampir tidak bermassa jika dibandingkan.

Dua angka menggambarkan sebuah nuklir:

• nomor proton $Z$ (juga disebut nomor atom) — jumlah proton;
• nomor nukleon $A$ (juga disebut nomor massa) — jumlah proton ditambah neutron.

Jadi jumlah neutron adalah $A - Z$.

Kita menulis sebuah nuklir dalam notasi nuclida:

di mana X adalah simbol kimia. Misalnya, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ memiliki $79$ proton dan $197 - 79 = 118$ neutron. Muatan relatif seluruh nuklir hanyalah $+Z$ (di sini $+79$), dan massanya relatif sekitar $A$.

Isotop

Isotop adalah atom dari unsur yang sama ($Z$ yang sama) tetapi dengan jumlah neutron berbeda ($A$ berbeda). Mereka berperilaku sama dalam kimia tetapi berbeda di dalam nuklir. Misalnya, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ dan $^{14}_{\ 6}\text{C}$ keduanya adalah karbon.

Fisi dan fusi nuklir

Dalam fisi nuklir, nuklir berat menyerap neutron lalu pecah menjadi dua nuklir lebih kecil, melepaskan dua atau tiga neutron dan sejumlah besar energi:

Angka atas (nomor nukleon) seimbang di kedua sisi, begitu juga angka bawah (nomor proton). Anda dapat menggunakan ini untuk menemukan angka yang hilang — misalnya, berapa banyak neutron yang dilepaskan.

Dalam fusi nuklir, dua nuklir ringan bergabung membentuk satu yang lebih berat, juga melepaskan energi. Inilah cara Matahari menghasilkan energinya, menggabungkan nuklir hidrogen menjadi helium. Reaksi di bawah ini — dua bentuk berat hidrogen (deuterium dan tritium) bergabung menjadi helium — adalah reaksi yang digunakan dalam reaktor fusi di Bumi:

baik dalam fisi maupun fusi, sebagian kecil massa hilang dan berubah menjadi energi.

Nuklir yang tidak stabil akan segera atau nanti runtuh dan memancarkan radiasi. Ini adalah peluruhan radioaktif. Nuklir mungkin tidak stabil karena memiliki terlalu banyak neutron, atau karena terlalu berat.

Peluruhan bersifat spontan (terjadi sendiri, dan Anda tidak dapat mempercepat atau memperlambatnya) dan acak (Anda tidak dapat mengatakan nuklir mana yang akan meluruh selanjutnya, atau kapan persisnya).

Radiasi latar belakang

Beberapa radiasi selalu ada di sekitar kita. Ini adalah radiasi latar belakang. Sumber utamanya adalah:

• gas radon di udara (biasanya sumber terbesar);
• batuan dan bangunan;
• makanan dan minuman;
• sinar kosmik dari luar angkasa.

Mengukur radiasi

Radiasi dapat diukur dengan detektor yang terhubung ke pesihitung. Tingkat hitungan adalah jumlah hitungan per detik (atau per menit).

Untuk menemukan tingkat hitung sebenarnya dari sumber, ukur terlebih dahulu tingkat hitung latar belakang secara terpisah, kemudian kurangkan. Hasilnya adalah tingkat hitung yang dikoreksi:

Contoh terpecahkan. Detektor yang diletakkan di samping sumber membaca $250$ hitungan/menit. Dengan sumber diambil jauh, laju latar belakang adalah $30$ hitungan/menit. Temukan laju hitungan yang telah dikoreksi.

Radiasi dapat berupa salah satu dari tiga jenis. Setiap jenis bersifat pengion, yang berarti dapat menendang elektron keluar dari atom-atom di perjalanannya.

Jadi partikel alfa paling pengion tetapi paling sedikit menembus (mudah diserap). Partikel beta β berada di tengah. Radiasi gamma γ paling sedikit pengionnya tetapi paling banyak menembusnya.

Kita dapat menjelaskan efek pengionan dari muatan dan energi kinetik: partikel alfa memiliki muatan besar ($+2$) dan bergerak lambat serta berat, sehingga menarik kuat elektron yang dilaluinya dan mengionkan banyak. Partikel beta memiliki muatan lebih kecil dan bergerak lebih cepat, sehingga mengionkan kurang.

Pembiasan dalam medan

Karena partikel alfa dan beta bermuatan, mereka dibias oleh medan listrik dan medan magnet. Mereka membengkok ke arah berlawanan, karena muatan mereka memiliki tanda yang berlawanan, dan partikel beta yang lebih ringan membengkok lebih banyak. Sinar gamma tidak bermuatan, jadi tidak terbias sama sekali.

Ketika inti meluruh, nomor nukleon dan nomor proton harus seimbang di kedua sisi.

Peluruhan alfa — inti kehilangan 2 proton dan 2 neutron, sehingga $A$ turun sebesar $4$ dan $Z$ turun sebesar $2$. Ia menjadi unsur yang berbeda:

Contoh terpecahkan. Inti radium $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ memancarkan partikel alfa. Temukan nomor nukleon dan nomor proton dari inti baru.

Peluruhan alfa menurunkan $A$ sebesar $4$ dan $Z$ sebesar $2$:

Jadi inti baru (radon) memiliki nomor nukleon $222$ dan nomor proton $86$.

Peluruhan beta — di dalam inti sebuah neutron berubah menjadi proton ditambah elektron:

Elektron berkecepatan tinggi keluar sebagai partikel beta. Jadi $A$ tetap sama tetapi $Z$ naik sebesar $1$, menghasilkan unsur yang berbeda:

Emisi gamma — inti hanya kehilangan energi, sehingga $A$ dan $Z$ tidak berubah. Peluruhan alfa dan beta membuat inti lebih stabil; gamma sering dipancarkan bersamaan untuk membawa energi berlebih.

Karena peluruhan acak, kita tidak dapat mengikuti satu inti. Sebaliknya, kita mendeskripsikan sampel besar menggunakan waktu paruhnya.

Waktu paruh isotop adalah waktu yang dibutuhkan agar setengah dari inti-inti tidak stabil dalam sampel meluruh. Setelah setiap waktu paruh, laju hitungan (atau jumlah inti tidak stabil yang tersisa) turun menjadi setengahnya.

Sebagai contoh, jika sebuah sumber memiliki laju hitungan $800$ hitungan/menit dan waktu paruh $3$ jam:

Setelah $6$ jam (dua waktu paruh), laju hit telah berkurang separuh dua kali: $800 \to 400 \to 200$. Anda dapat membaca waktu paruh dari grafik peluruhan dengan mencari waktu yang dibutuhkan agar laju hit turun dari nilai apa pun menjadi setengahnya. Jika pembacaan mencakup radiasi latar, kurangi laju hit latar dari setiap pembacaan terlebih dahulu, kemudian tentukan waktu paruh dari nilai yang telah dikoreksi.

Contoh terpecahkan. Aktivitas sumber turun dari $800$ hit/menit menjadi $100$ hit/menit. Waktu paruhnya adalah $5$ hari. Berapa lama proses ini berlangsung?

Hitung jumlah penurunan separuh: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ adalah tiga waktu paruh, sehingga waktunya adalah $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

Isotop yang dipilih untuk suatu pekerjaan bergantung pada jenis radiasinya dan waktu paruhnya:

• alarm asap menggunakan sumber alfa (alfa mudah diblokir, jadi aman di luar alarm, dan waktu paruh panjang berarti tahan bertahun-tahun);
• menggunakan radiasi pada makanan, atau peralatan, membunuh bakteri dan kuman — ini memerlukan sinar gamma yang menembus untuk sterilkan item yang tertutup rapat;
• mengukur dan mengontrol ketebalan lembaran kertas atau logam menggunakan sumber beta (jumlah yang tembus berubah sesuai ketebalan);
• pelacak medis adalah sejumlah kecil isotop pemancar gamma dengan waktu paruh pendek, disuntikkan ke tubuh: detektor di luar tubuh mengikuti perjalanannya, sinar gamma keluar dari tubuh dengan mudah, dan aktivitas segera turun ke tingkat aman;
• sinar gamma digunakan untuk menemukan dan mengobati kanker di dalam tubuh, karena dapat menembus keluar (atau masuk) tubuh.

Radiasi pengion merusak sel hidup. Radiasi ini dapat menyebabkan kematian sel, mutasi (perubahan pada gen) dan kanker.

Saat bekerja dengan sumber radioaktif, pertahankan dosis (jumlah radiasi yang diterima) tetap rendah dengan cara:

• mengurangi waktu paparan — habiskan waktu sesingkat mungkin di dekat sumber;
• meningkatkan jarak antara Anda dan sumber;
• menggunakan pelindung, seperti timah, antara sumber dan tubuh Anda.

Sumber radioaktif harus ditangani dengan tangkapan (bukan tangan telanjang), dijauhkan dari orang-orang, dan disimpan dalam kotak berlapis timah.

• Nomor nukleon (atas) adalah proton + neutron; nomor proton (bawah) hanya proton. Jumlah neutron = nomor nukleon − nomor proton.
• Isotop memiliki nomor proton yang sama tetapi nomor nukleon berbeda — unsur yang sama dengan jumlah neutron yang berbeda.
• Urutkan radiasi dengan dua cara: alfa paling mengionisasi tetapi paling tidak tembus (terhalang kertas); gamma paling sedikit mengionisasi tetapi paling tembus (memerlukan timbal tebal). Beta berada di antaranya (terhalang beberapa mm aluminium).
• Dalam setiap persamaan peluruhan, angka atas harus seimbang dan angka bawah harus seimbang. Peluruhan alfa: $A-4$, $Z-2$. Peluruhan beta: $A$ tidak berubah, $Z+1$.
• Selalu kurangi laju hitung latar belakang sebelum menggunakan pembacaan sumber. Setelah $n$ paruh waktu, laju hitung telah terbagi dua $n$ kali — hitung jumlah pembagian dua daripada menebak dari total waktu.

Bumi berputar (rotasi) pada sumbunya sekali dalam sekitar $24$ jam. Sumbu tersebut miring (tidak tegak lurus). Putaran ini memberikan kita siang dan malam, serta membuat Matahari tampak bergerak melintasi langit setiap hari.

Bumi juga bergerak mengelilingi Matahari dalam sebuah orbit, sekali dalam sekitar $365$ hari (satu tahun). Karena sumbu miring, bagian-bagian berbeda dari Bumi condong ke arah Matahari pada waktu yang berbeda sepanjang tahun. Ini menghasilkan musim: musim panas terjadi di setengah Bumi yang condong ke arah Matahari.

Bulan mengorbit Bumi sekali dalam sekitar satu bulan. Saat bergerak mengelilinginya, kita melihat berbagai bagian sisi yang terang, yang menghasilkan fase-fase Bulan (bulan baru, bulan separuh, bulan purnama).

Jadi, dari terpendek hingga terpanjang: satu hari (putaran Bumi) < satu bulan (orbit Bulan) < satu tahun (orbit Bumi).

Untuk objek yang bergerak mengelilingi lingkaran, jarak untuk satu orbit penuh adalah keliling $2\pi r$, di mana $r$ adalah jari-jari orbit. Kecepatan orbit adalah jarak ini dibagi dengan periode $T$ (waktu untuk satu orbit):

Persamaan yang sama berlaku untuk planet, bulan, dan satelit.

Contoh terpecahkan. Sebuah stasiun luar angkasa mengorbit Bumi pada jari-jari $r = 7000\ \text{km}$ dan membutuhkan waktu $T = 5800\ \text{s}$ untuk satu orbit. Temukan kecepatan orbitnya.

Pertama konversikan jari-jari ke meter: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Kemudian