Download Biofisika Pertemuan 7

ELECTRICITY
Oleh Sugijanto
Disampaikan pada kuliah reguler
Fisioterapi
Arus listrik
 Arus listrik: gerakan electron kesatu arah.
 Ketika benda dimuati listrik, bukan hanya
sekedar adanya muatan electron pd atom,
tetapi juga terbentuk ion positif-negatif
Konduktor dan insulator
 Konduktor: material mudah dialiri arus
listrik (grk elektron), memiliki elektron
bebas. dg (ohmic) resistance rendah. Perak
- tembaga – metal murni mrpk konduktor yg
baik,
 Semi konduktor: Metal yg kurang baik
dilalui elektron ttp masih terkontrol,
memiliki elektron terikat kuat, mis silicon.
 Insulator: material yg jutaan kali
(dibanding Cu) lebih sulit dilewati elektron,
tidak memiliki elektron bebas (resistance
sangat tinggi). Contoh plastik, kaca dan
udara kering.
 Arus searah: Arus listrik hanya dg satu arah.
 Arus bolak-balik: arus listrik dg suatu saat
kesatu arah dan sat lain arah berlawanan dst.
Perubahan arah 100 kali perdetik, freq. 50 Hz.
 Arus osilasi: Bila frek sangat cepat, elektron
tidak bergerak jauh shg hanya terjadi osilasi.
 Arus listrik osilasi frek tinggi tdk memerlukan
gerak elektron material, hanya vibrasi, shg
dapat melalui material yg tanpa elektron
bebas.Tidak peduli konduktor/ insulator.
Electricity
 Satuan muatan listrik = coloum (C).
 1 C = 6,24 X 1018 elektron.
 Aliran listrik dlm unit waktu = ampere (A).
 1 A = 1 C s-1
 Muatan listrik memiliki energi (force). Force
antara muatan yg beda = voltage (V). Bila
V=1, artinya memindahkan muatan 1 C dgn
energi 1 Joule.

1V = 1J C-1
 Power (Watt) = force of electron X rate of fow
of electron

W=VXA
 Suatu material memiliki variasi kuantitas
elektron bebas,  memiliki tahanan thd gerak
elektron = resistance
 Besarnya tahanan tgt jenis metal, diameter,
panjang dan suhu.
 Besarnya tahanan dlm satuan ohm ()
 Ohm law: 1 = 1 V dengan arus 1A.
Current =
Voltage
Resistance
Atau I =
 Pemasangan resistance
seri:
R = R1 + R2 + R3 dst
Resistance = 3  2  1  = 6 
Voltage =
6V 4V 2V = 12V
Current =
2A 2A 2A = 2A
V
R
Pemasangan resistance paralel:
R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Resistance
Voltage
Current
3 2  1 
12V 12V 12V
4A
Total current=
6A
12V
0,5454
12A
= 0,5454 
= 12V
= 22A
= 22A
Tahanan
 Komponen resistance = resistor
 Variable resistor = tahanan dpt diatur
 Capasitance = capacitor/condenser
 Variable condendser
Rheostat
Potential
devider
nama
arti
Coloumb
Ampere
Volt
Watt
Ohm
Farad
Henry
Jumlah elektronArus aliran listrik Cs-1
Force (tekanan listrik) CJ -1
Power Js-1
Hambatan aliran arus VA-1
Kapasitan CV-1
Inductance-jml arus per volt
simbol
C
A
V
W

F
H
Pengukuran
 Ammeter (amperemeter) utk mengukur
aliran arus (current) dipasang
seri.Resistance harus sangat rendah.
 Voltmeter utk ukur voltage dipasang
paralel. Disini resistance harus tinggi.
 Untuk mengukur resistance (ohmmeter)
Arah aliran arus
 Elektron mengalir dari titik dg muatan
elektron tinggi (-) ke titik dg muatan
elektron kurang (+)
 Pada arus bolak-balik arah aliran ger
bolak-balik.
Muatan listrik statis



Muatan listrik statis terjadi bila satu meterial
memperoleh elektron. Contoh klasik gosokan
sisir pd nilon.
Gaya listrik statis terjadi antara 2 obyek:
1.
Gaya terjadi lewat vakum dan material
2.
Gaya berkurang dg meningkatnya jarak
Pengaruh elektrostatik tanpa kontak: induksi.
Pengaruh
tanpa kontak
= dielektrik.
Kapasitor dan kapasitan
 Kapasitor = komponen
penyimpan listrik. Jumlah muatan
listrik dlm satuan farad.
 Jumlah muatan listrik tgt:
 Luas
plat, dielectric constant, jarak
antar plat
 Variable capacitor = nilai
kapasitas dapat di atur.
 Bila voltage 1V menyimpan muatan 1C, maka
kapasitan dr kapasitor = 1F.
Capacity (F) =
Kuantitas (C)
Voltage (V)
C=
Q
F
 1F = 10-6F dan 1F = 10-12F
 Kelebihan muatan listrik pd capacitor  lewat
dielektrik, shg kapasitan dr kapasitor tetap.
 Hubungan seri capasitor:
Sirkuit kapasitan dan resistan
 Capacitor bermuatan listrik dihubungkan dg
resitor  voltage dan intensitas turun scr
eksponensial.
 Makin tinggi nilai kapasitan atau makin tinggi
resistor penurunan muatan turun makin pelan.
Lamanya penurunan = durasi stimulus.
 Digunakan utk stimulator listrik.
 Bentuk arus setelah lewat
sirkuit capasitor-resistor
 Arus searah (continues
direct current
 Interrupted direct current
 Surging pulsed IDC
 Rectangular asymmetry
 Triangular asymmetry
 Alternating (bolak-balik)
symmetry: osilasi elektron
 Model stimulus pd jaringan
kulit: Capasitor – resistor circuit
dan resistor seri.
Pengaruh magnetis
 Bila arus listrik bergerak, timbul gaya
magnetik tegak lutus thd garis gerak muatan
listrik.
 Daerah gaya megnet disebut medan magnit.
 Gaya elektrik dan magnetik merupakan satu
kesatuan = elektromagnetik.



Medan listrik oleh pengaruh electro static
Medan magnit oleh pengaruh gerakan muatan
listrik.
Radiasi elektromagnetik oleh pengaruh
perubahan kecepatan muatan listrik
Magnet
 Magnet permanent memiliki kutup
utara & selatan pd ujungnya.
Kemagnetan  bila
dipanaskan/dipukul.
 Medan elektromagnet tegak lurus
kawat bermuatan listrik bergerak.
 Gaya pd magnet disebut magnetic
flux diukur dlm unit weber per m2
(=1 tesla = 10 000 gause).
 Elektron spt miniatur magnet,
putaran searah jarum jam
menghasilkan medan magnet.
 Bila kawat listrik di kumparkan pd besi




lunak, timbul electromagnet.
Aliran listrik bolak-balik menimbulkan
elektromagnet dg kutup bolak-balik.
Prinsip motor listrik: Bila
elektromagnetik dekat magnet
permanen, terjadi gaya (gerak putar)
induksi electromagnetic field.
Digunakan pd mikrofon, loud speaker,
tranformer dll.
Percobaan Michael Farady digunakan
dalam faradisasi.
Switch, bel listrik dan alat
ukur listrik
Motor listrik
 Prinsip elektro magnetik,
digunakan scr luas juga dlm
fisioterapi, mis hydrotherapy,
vibrator, suction, blower dlm
alat diathermy dll.
 Fleming’s law: tangan kiri  motor
listrik.
Mutual induction & self induction
 Switch on–off  muncul-hilang induksi
electromagnetic force (e.m.f) yg menginduksi
elektron dlm konduktor sendiri (self induction)
shg terjadi interferensi gelombang (Lenz law).
 Dan menginduksi sirkuit lain tanpa kontak 
mutual induction  dasar transformer
Besarnya self induction tgt
inductance (L) = kualitas
capasitance & resistance.
Dlm Henry (1H: Perubahan
1A s-1 menghasilkan e.m.f
1V).
Eddy current
 Elektromagnet akan menimbulkan arus listrik
pada konduktor  eddy current yg
menimbulkan panas. Untuk menghindari
digunakan laminasi pd iron core dan
konduktor.
 Pengaruh induksi elektromagnetik hanya
terjadi bila bergerak = AC.
 Pengaruh e.m.f pada jaringan tubuh krn eddy
current  panas.
Alternator dan arus bolakbalik
 Dinamo (alternator) merubah
tenaga mekanik menjadi
listrik bolak-balik (AC).
 AC lebih murah, praktis,
mudah diproduksi dan
mudah dirubah voltagenya.
 Generator AC
W = V.A
Effective V & I
value= 0,707
Transformer
 Arus sinus dgn voltage berubah-ubah
menimbulkan induksi e.m.f. menginduksi
konduktor dekatnya, induksi terjadi dg pola spt
gambar. Makin cepat perubahan (frekwensi)
makin besar induksi.
 Low frequency transformer. Step up: jumlah
kumparan II lebih besar, step down sebaliknya
Misal; kumparan 1 =
100 lilitan 4A dan
kumparan 2 = 400 lilit
1A
 Interaksi induksi antara kumparan I dan II =




mutual induction.
Nilai watt kumparan I = watt kumparan II.
Intensitas kump.II tgt besarnya resistance.
Bila kump.II tanpa resistance (switch off) 
kump.I arus nol (atau sangat kecil krn ada
hilang energi).
Hilang energi karena:



Ohmic resistance kumparan.
Adanya eddy current menimbulkan panas;
rumus W= I2Rt (W dlm J, I dlm A, R dlm  dan t
dlm detik)
Rotasi ion dalam besi oleh arus bolak-balik.
 Efisiensi pada trasformer yg baik 95-99%.
Penggunaan transformer.
 Transformer frek rendah
digunakan pd arus faradik, IDC,
TENS, diadynamis dan
Interferential current.
 Transformer frek tinggi tanpa
besi lunak, terpisah dan jumlah
lilitan lebih kecil. Digunakan
pada Diathermy, juga radio.

Impedansi
 Adanya arus listrik bolak-balik timbul self




induction yg besarnya tgt inductance
konduktor (L) dan frekwensi (f) arus.
Pd konduktor, frek makin tinggi reaksi
hambatan (reactance=X) makin besar.
demikian pula bl coil makin besar.
Reactance = kesulitan arus AC melewati
sirkuit oleh inductance dan capacitance.
Sebaliknya pd capacitor. reactance makin
rendah bl frek makin tinggi.
Tiga resistance pd AC (resistance, self
inductance, dan reactance) = impedance (Z).
 Impedance tgt:





Resistance (sifat, temperatur konduktor)
Reactance (inductive, capacitive)
 Z2 = R2 + X 2
Z  f utk induktan
Z  1 utk kapasitor
f
Z = 2L (dlm ohm) digunakan sbg filter 
= choke coil.
1
Z = 2L
Interferential current lebih mudah melewati
kulit.
Arus utama (listrik rumah)
 Mrpk AC 220V frek 50 Hz
 Pembangkit: tenaga




air/diesel/gas bumi
Kabel listrik tegangan tinggi
(ratusan ribu volt) 3 fase, hilang
energi kecil.
Dua fase dgn positif (life) dan
negatif (earth)
Tiga kabel pd arus rumah: life
(coklat) – netral (biru) – earth
(kuning).
Insulator utk pengamanan.
Produksi e.m.f.
 Thermoelectric (tidak dipakai)  DC
 Photoelectric (solar)  DC
 Alternator  AC
 Electric cell  DC
 Storage ceil  DC
 Biologic tissue  DC
Ilustrasi perubahan
energi:
listrik
panas
mekanik
kimiawi
radiasi
Arus listrik dalam air
 Listrik melewati cairan krn gerakan
partikel = convection current.
 Cairan yg mengkonduksi listrik =
elektrolit.
 Campuran unorganik, garam,
asam dan basa.
 Contoh: arus listrik dlm cairan
NaCl  Na+ dan Cl- bila berada
dlm medan listrik terjadi grk ion+
ke kathode dan ion– ke anode
 Peristiwa elektrolise air
H2O  H+ + OHH+ + elektron  H H + H  H2
OH- - elektron  OH OH + OH  H2O + O
H2SO4  2H+ + SO4-2
H+ + elektron  H
H + H  H2
SO4-2 tetap dlm cairan (preferential
discharge of ion)
Peristiwa identik bila listrik dalam jaringan
Arus listrik dlm semikonduktor
 Elektron konduktor mampu bergerak dr
satu atom ke atom lain, dlm insulator
elektron tdk dpt bergerak.
 Intrinsic semiconductor (mis
Germanium) punya sedikit elektron
bebas pd orbit terluarnya dlm
temperatur ruangan, spt konduktor 
tergantung temperatur.
 Germanium dan silikon memiliki 4
elektron pd orbit paling luar (tetravalent)
 Impurity semiconductor sifat
sama, diperoleh dgn
menambahkan fosfor pd silikon
atau germanium (doping) 
bentuk struktur crystaline .
 Penambahan elektron  sbg
elektron bebas.
 Impurity semiconductor ada 2
jenis:


N type  muatan negatif yg
bergerak (donor impurity)
penambahan muatan listrik dr
battery negatif.
P type  lobang muatan positif
bergerak (acceptor impurity)
penambahan muatan listrik dr
battery positif.
Perbatasan p-n
 Pd perbatasan p dan n dihub
depletion layer yg punya sedikit
elektron bebas utk cegah aliran
elektron dr n ke p atau hole dr
p ke n langsung. (= a junction
diode)
 Bl n type dpt muatan + dan tipe
n dimuati +, tidak terjadi aliran
arus, ttp bl tipe n dimuati –
akan terjadi aliran arus elektron
dr n ke p dan lobang elektron
dr p ke n krn resitance
perbatasan < dr arus listrik.
Rectifier
 Pembatasan n – p tsb digunakan sbg rectifier,
 hanya dpt dilewati arus satu arah.
 Digunakan pd alat perubah AC ke DC.
 Agar siklus AC menjadi dua fase arus searah,
digunakan pengaturan bridge.
Light dependent resistor: switch.
Thermistor: pd thermometer
Light emitting diode: pd
kalkulator, jam ditital.
Transistor.
 Semikonduktor dgn 3 terminal
(triode valve) p-n-p atau n-p-n.
 Ta. Emitter – Base – Collector.
 Arah gerak elektron (-)
berlawanan arah panah.
 Potensial pd base menentukan
jumlah elektron yg mengalir.
(transresistor = transistor)
IC = Integrated Circuit)
 Pada satu lapis silicon kecil terdapat
ribuan komponen, spt resistor, transitor,
capacitor, diode, dll dan tersusun dlm
berbagai sirkuit spt osilator, timer dll
dikenal sbg chip.
Thermionic emission
 Prinsip thermionic emission: bl
logam dipanaskan  perbesar
elektron bebas sbg kabut
elektron (katode), bl konduktor
muatan + (anode) didekatkan 
elektron tertarik. (=prinsip diode)
 Bl dipasang elektrode ketiga
(grid) antara anode dan katode,
dgn voltage kecil mempu
mengontrol aliran elektron
(triode valve).
 Digunakan pd oscilator SWD.