Halaman
listrik dinamislistrik dinamisLISTRIKDINAMISkuat arusARUSLISTRIKHAMBATANLISTRIKSUMBERLISTRIKamperemeterhukumohmpotensiallistrikvoltmeterenergilistrikdayalistrikbesar hambatankwt penghantarrangkaianhambatanseripararelhukumkirchoffmacamsumber listrikrangkaianelemenD.CA.Cseripararel5Setelah mempelajari materi "Listrik Dinamis" diharapkan Anda dapat menggunakanamperemeter dan voltmeter, mampu memformulasikan besaran kuat arus dalamrangkaian tertutup sederhana, besaran hambatan dalam rangkaian seri, serta besarantegangan dalam rangkaian tertutup sederhana menggunakan hukum Kirchoff I dan II.Selanjutnya diharapkan dapat mengidentifikasi penerapan arus listrik searah danbolak-balik dalam kehidupan sehari-hari.
Masalah listrik dan manfaatnya saat ini bukanlah hal yang asing bagimanusia, sebab saat ini tidak hanya orang-orang kota saja yang dapatmerasakan manfaat listrik, tetapi orang-orang yang berada di pelosok desajuga dapat merasakan manfaat listrik. Walaupun demikian sebenarnya tidakada yang tahu siapa yang memulai menemukan listrik walaupun listrik sudahdikenal oleh bangsa Yunani kuno dan pengkajian listrik secara intensif sudahdimulai sejak abad ke-16.Listrik mengalir dihasilkan oleh sumber listrik dan tidak jarang listrik yangkita gunakan sumber listriknya berada pada tempat yang jauh dari kita.Dengan demikian dalam mentransmisi energi listrik jarak jauh perludilakukan dengan tegangan yang sangat tinggi. Untuk itu diperlukan alatyang dapat menaikkan sekaligus menurunkan tegangan listrik yang disebutdengan transformator.A. ARUS LISTRIK DAN PENGUKURANNYAArus listrik adalah aliran muatan-muatan listrik yang melalui suatu peng-hantar. Dalam suatu rangkaian listrik, dapat terjadi arus listrik jika terdapatbeda potensial listrik (beda tegangan listrik).Semakin banyak muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu dikatakansemakin besar (kuat) arus listriknya. Arah arus listrik dalam suatu rangkaianlistrik yaitu dari potensial tinggi ke potensial rendah. Kuat arus listrik dapat diukur dengan alat amperemeter, yang dapat dirakitdari alat basic meter yang dipasang dengan Shunt. Beda potensial listrik dapatdiukur dengan alat voltmeter, yang dapat dirakit dari alat basic meter yangdipasang dengan Multiflier.(a) Amperemeter(b) VoltmeterGambar 5.1 Alat ukur listrik1. Cara membaca skala hasil ukur amperemeter dan voltmeterSebelum Anda mempraktikkan penggunaan amperemeter dan voltmeter,perhatikan contoh membaca hasil ukur dengan amperemeter dan voltmeterberikut.Multifilter5 V1 V0Basic meterStrunt1 A5 A0Basic meterListrik Dinamis128
a. Alat ukur amperemeterKeterangan:Keterangan:b. Alat ukur voltmeterKeterangan:Kegiatan 5.1Tentukan batas ukur maksimum dan hasil ukur dari alat-alat ukur yangmenunjukkan suatu nilai ukur tertentu berikut!Batas ukur maks = 10VHasil ukur = 4050 x 10V= 8 V10 V1 V001020403050VBatas ukur maks = 5AHasil ukur = 1950 x 5A= 1,9 A5 A1 A001020403050ABatas ukur maks = 1AHasil ukur = 1250 x 1A= 0,24 A1 A5 A001020403050AFisika SMA/MA Kelas X129No.Alat ukurBatas ukur maks dan hasil ukur1.2.5 A1 A0020408060100A5 V1 V00510201525VGambar 5.2 AmperemeterGambar 5.3 Voltmeter
2. Dalam Rangkaian alat listrikDalam serangkaian alat diperlukan cara tertentu. Untuk amperemeterharus dipasang secara seri dengan alat listrik, sedangkan voltmeter harusdipasang secara paralel dengan alat listrik. Perhatikan dibawah ini.a. Rangkaian amperemeterRangkaian sebenarnyaBagan rangkaianGambar 5.4 Rangkaian amperemeterb. Rangkaian voltmeterRangkaian sebenarnyaBagan rangkaianGambar 5.5 Rangkaian voltmeterELV100V+LEAEL100mA+LEListrik Dinamis130No.Alat ukurBatas ukur maks dan hasil ukur3.4.5 A1 A00510201525A10 V5 V0012435V
Agar Anda lebih terampil menggunakan amperemeter dan voltmeter,maka lakukan percobaan di bawah ini.Percobaan 5.1: Mengukur kuat arus listrikRangkailah alat-alat seperti di atas. Tutup saklar S dan catat besar kuat arus yangmengalir. Ulangi kegiatan ini sampai 2 kali dengan mengubah-ubah posisi tombolhambatan geser dan masukkan hasilnya pada tabel.Percobaan 5.2: Mengukur beda potensial listrikRangkailah alat-alat seperti di atas. Tutup saklar S dan catat beda potensial listrik.Ulangi kegiatan ini sampai 2 kali dengan mengubah-ubah posisi tombol hambatangeser dan masukkan hasilnya pada tabel.* Kuat arus listrik (I)Kuat arus adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir melalui suatupenghantar tiap detik.I = kuat arus listrik (ampere)Q = muatan listrik (coulomb)t = waktu (sekon)Besarnya kuat arus yang mengalir melalui rangkaian listrik dapat diukurdengan alat amperemeter.IQt=ELVRgSELARgSFisika SMA/MA Kelas X131
Contoh soal 5.11. Dalam waktu 5 detik muatan listrik sebanyak 20 coulomb dapat mengalirmelalui kawat penghantar.Berapakah kuat arus listrik tersebut?Penyelesaian:Diketahui: t = 5 detikQ = 20oCDitanya: I = ....?Jawab :2. Arus listrik 8 mA mengalir melalui sebuah kawat penghantar. Berapakahbanyaknya elektron yang mengalir melalui penghantar tersebut selama 10sekon jika muatan elektron qe= 1,6 . 10-19C.Penyelesaian:Diketahui: i = 8 mA = 8 . 10-3At = 10 sekonqe= 1,6 . 10-19CDitanya: N = ...?Jawab:QQNQqNe=====i . t8 . 10 . 10 = 8 . 10 C8 . 101,6 . 10 . 10 elektron-3-2-2-19175IQtI===2054 ampereListrik Dinamis132
Fisika SMA/MA Kelas X133B. HUKUM OHM PADA PENGHAMBAT TETAPDi awal bab ini telah dijelaskan bahwa penyebab adanya arus listrik karenaadanya beda potensial listrik. George Simon Ohm, orang yang pertama kalimenemukan hubungan kuat arus listrik yang mengalir melalui penghantaryang berhambatan tetap dengan beda potensial ujung-ujung penghantar tersebut.Menurut George Simon Ohm menyatakan “Besarnya beda potensial listrikujung-ujung penghantar yang berhambatan tetap sebanding dengan kuat aruslistrik yang mengalir melalui penghantar tersebut selama suhu penghantartersebut dijaga tetap”.atauDari penyelidikan lebih lanjut dengan menggunakan penghantar yangberhambatan R, tenyata diperoleh:atauV = beda potensial (volt)i = kuat arus (ampere)R = hambatan kawat penghantar (Ohm)Untuk lebih jelasnya mengenai kebenaran hukum ohm, lakukan percobaandibawah ini.Percobaan 5.3: Hukum OhmRangkailah alat-alat seperti di atas. Tutup saklar S dan catat besar kuat arus yangmengalir dan beda potensial listrik. Ulangi kegiatan ini sampai 2 kali dengan meng-ubah-ubah posisi tombol hambatan geser dan masukkan hasilnya pada tabel. Adapunsusunan kolom pada tabel yang dibuat adalah beda potensial (v) volt, kuat arus listrik(I) ampere, dan V⁄IBagaimana hubungan antara V dan I? Berapa nilai rata-rata dari ? Bagaimananilai rata-rata dan nilai R? Apakah kesimpulan yang Anda dapatkan!VIVIELVRgSRV = I . RVIR=VIKons=tanV ~ i
Contoh soal 5.21. Jika ujung-ujung sebuah penghantar yang berhambatan 5 Ohm diberi bedapotensial 1,5 volt, maka berapakah kuat arus listrik yang mengalir?Penyelesaian:Diket: R = 5 ohmV = 1,5 voltDitanya: i = ...?Jawab:2. Pada saat ujung-ujung sebuah penghantar yang berhambatan 50 ohmdiberi beda potensial, ternyata kuat arus listrik yang mengalir 50 mA.Berapakah beda potensial ujung-ujung penghantar tersebut?Penyelasaian:Diket: R = 50 ohmi = 50 mA = 0,05 ADitanya: V = ...?Jawab:V=i x RV = 0,05 x 50V = 2,5 voltUji Pemahaman 5.1Kerjakan soal berikut!1. Dalam waktu 4 sekon dapat mengalir elektron sebanyak 1020melaluisuatu penghantar yang berhambatan 20 ohm. Jika muatan elektronqe= 1,6 . 10-19Coulomb. Hitunglah:a. kuat arus yang melalui penghantar.b. beda potensial ujung-ujung penghantar.2. Suatu penghantar pada saat diberi beda potensial 4 volt ternyata arusyang mengalir 3 mA, maka berapakah arus yang mengalir pada peng-hantar tersebut bila diberi beda potensial 6 voltiVRiA===15503,,Listrik Dinamis134
C. ARUS LISTRIK DALAM RANGKAIAN TERTUTUPRangakain tertutup adalah rangkaian yang ujung dan pangkal rangkaianbertemu. Di dalam sumber listrik pada umumnya terdapat hambatan yangdisebut hambatan dalam yang diberi lambang r.Gambar 5.6 di bawah adalah rangkaian tertutup sederhana yang terdiriatas hambatan luar R, elemen yang ber GGL = E, dan berhambatan dalam ryang dihubungkan dengan kawat penghantar.Gambar 5.6 Rangkaian tertutupBesar kuat arus listrik yang mengalir dalam rangkaian tertutup tersebutdapat dihitung dengan persamaan:i = kuat arus listrik (dalam ampere)E = GGL baterai (dalam volt)R = hambatan luar (dalam ohm)r = hambatan dalam (dalam ohm)Dari persamaan di atas dapat dijelaskan lagi:i . R disebut tegangan jepit (Vj), sehinggai . r disebut tegangan polarisasi (Epol) sehinggaJadiE = Vj+ EpolEpol= i . rVj= i . RE = iR + irE = i (R + r)iERr=+ERriiFisika SMA/MA Kelas X135
Listrik Dinamis136Untuk memahami pengertian GGL baterai (sumber listrik) dan teganganjepit baterai, maka lakukan percobaan di bawah ini.Percobaan 5.4: GGL dan tegangan jepitRangkailah alat-alat seperti di atas. Tutup saklar S1dan saklar S2dalam keadaanterbuka. Berapakah nilai dari beda potensialnya. Bagaimana keadaan lampu?Tutup saklar S1dan S2. Berapakah nilai dari beda potensialnya? Bagaimanakeadaan lampu?Informasi:1. Pengukuran beda potensial pada langkah percobaan b adalah kegiatanpengukuran GGL (gaya gerak listrik).2. Pengukuran beda potensial pada langkah percobaan c adalah kegiatanpengukuran tegangan jepit.Diskusia. Apakah yang dimaksud GGL?b. Apakah yang dimaksud tegangan jepit?c. Bagaimana nilai dari GGL dan tegangan jepit? Mangapa?Contoh soal 5.31. Sebuah lampu yang berhambatan 9,8 ohm dinyalakan dengan sebuahbaterai yang ber-GGL 1,5 volt dan berhambatan dalam 0,2 ohm.Hitunglah: a. kuat arus yang mengalir dalam rangkaianb. tegangan jepit bateraic. tegangan polarisasi bateraiPenyelesaian:Diketahui: R = 9,8 Ω; r = 0,2 ΩE = 1,5 VELAS2S1V
Ditanya: a. i = ...?b. Vj= ...?c. Epol= ...?Jawab:a.b. Vj= i . R= 0,15 x 9,8= 1,47 voltc. Epol= i . r= 0,15 x 0,2Epol= 0,03 volt2. Suatu penghantar pada saat ujung-ujungnya diberi beda potensial v arusyang mengalir 50 mA.Berapakah arus listrik yang mengalir melalui penghantar tersebut jikadiberi beda potensial 1,5 V.Penyelesaian:Diketahui: Vi= V ;i1= 50 mAV2= 1,5VDitanya: i2= ...?Jawab:3. Sebuah alat listrik yang berhambatan 19,8 dihubungkan dengan bateraiyang ber-GGL = E volt dan berhambatan dalam 0,2 Ω. Jika tegangan jepitbaterai = 1,98 volt, maka berapa nilai dari E tersebut?Penyelesaian:Diketahui: R = 19,8 Ω;r = 0,2 ΩVj= 1,98 voltDitanya: E = ...?ViViVVii112222501575===, mAiERrA=+==1598015,,, + 0,2Fisika SMA/MA Kelas X137
Jawab:Vj= i . R1,98 = i . 19,8i = 0,1 AE = i (R + r)E = 0,1 (19,8 + 0,2) = 2 voltD. HAMBATAN SEPOTONG KAWAT PENGHANTARKawat penghantar ada yang berukuran besar atau kecil, ada juga yangpanjang atau pendek serta dapat dibuat dari berbagai jenis logam.Ternyata hal-hal tersebut berpengaruh pada nilai hambatan kawat peng-hantar tersebut. Untuk lebih jelasnya diskusikan hasil pengukuran hambatanbeberapa jenis kawat penghantar di bawah ini.Keterangan:1 adalah kawat nikelin dengan pan-jang 0,5 m dan luas penam-pangnya 0,1 mm2.2 adalah kawat nikelin dengan pan-jang 1 m dan luas penampangnya0,1 mm2.3 adalah kawat nikelin dengan pan-jang 1 m dan luas penampangnya0,2 mm2.4 adalah kawat nikrom dengan panjang 1 m dan luas penampangnya0,1 mm2.5 adalah kawat tembaga dengan panjang 1 m dan luas penampangnya0,1 mm2.Jika masing-masing kawat penghantar tersebut di atas diukur dengan ohmmeter diperoleh hasil seperti pada tabel di bawah ini.No. Kawat ke-Besar hambatan (dalam ohm)1.112,52.2253.312,54.4455.58,512345Gambar 5.5 Kawat penghantarListrik Dinamis138
Kegiatan 5.2Diskusikan dengan kelompok Anda!Dari keterangan gambar 5.5 dan hasil pengukuran yang tertera pada tabelhalaman 138, apakah yang dapat Anda simpulkan dari:1) data nomor 1 dan nomor 2?2) data nomor 2 dan nomor 3?3) data nomor 2, nomor 4 dan nomor 5?Secara matematis, besar hambatan kawat penghantar dapat dinyatakandengan persamaan:R = hambatan kawat penghantar (ohm)ρ= hambatan jenis kawat (ohm meter)l= panjang kawat (m)A = luas penampang kawat (m2)Contoh soal 5.41. Kawat penghantar dengan panjang 50 meter dan luas penampang 2 cm2,serta hambatan jenis kawat 4 . 10-4Ωm. Hitunglah besar hambatan kawattersebut!Penyelesaian:Diketahui: l= 50 mA= 2 cm2= 2 . 10-4m2ρ= 4 . 10-4ΩmDitanya: R = ...?Jawab: 2. Sebuah kawat penghantar dengan panjang 2 ldan luas penampang 1⁄2Amempunyai hambatan 50 Ω. Jika diambil kawat lain yang sejenis denganpanjang 8 l dan luas penampang 1⁄4A, maka berapakah besar hambatannya?Penyelesaian:Diketahui:l1 = 2 l; A1= 1⁄2A ; R1= 50 Ωl2 = 8 l; A2= 1⁄4A ; ρ1= ρ2Ditanya: R2= ...?RAR===ρl4 . 102 . 10-4-450100ΩRA=ρlFisika SMA/MA Kelas X139
Jawab:Uji Pemahaman 5.2Kerjakan soal berikut!1. Sebuah lampu yang berhambatan 2,9 ohm dinyalakan dengan sebuahbaterai yang ber-GGL 1,5 volt. Ternyata kuat arus yang mengalir dalamrangkaian sebesar 0,5 Ampere. Hitunglah:a. hambatan dalam bateraib. tegangan jepit baterai.2. Sebuah kawat tembaga mempunyai panjang 200 m dan luas penam-pang 20 mm2. Jika hambatan jenis tembaga 1,7 . 10-8 Ωm, berapakahhambatan kawat tembaga tersebut?E. RANGKAIAN LISTRIKRangkaian listrik ada dua macam, yaitu rangkaian listrik tidak bercabangdan rangkaian listrik bercabang.1. Rangkaian Listrik Tidak BercabangKeterangan:Rangkaian di samping adalahrangkaian tidak bercabang.-A1dan A2adalah amperemeter. -L1dan L2adalah lampu. - Rg adalah hambatan geser. - E adalah elemen (baterai).Setelah nilai hambatan geser diubah-ubah ternyata angka yang ditunjuk-kan oleh amperemeter 1 dan ampermeter 2 selalu sama. Jadi “besar kuat aruslistrik yang mengalir melalui rangkaian tidak bercabang dimana-mana samabesar.”RRAARAAR1211121121214250 28400===ρρllll x x ΩListrik Dinamis140EL2RgAAL1A1A2Gambar 5.7 Rangkaian tidak bercabang
2. Rangkaian Listrik BercabangKeterangan:Rangkaian di atas adalah rangkaian bercabang.Titik A dan titik B disebut titik cabang.Setelah nilai hambatan geser diubah-ubah ternyata angka yang ditunjuk-kan oleh amperemeter 1 sama dengan jumlah angka yang ditunjukkan olehamperemeter 2 dan amperemeter 3 sama dengan angka yang ditunjukkan olehamperemeter 4. Jadi “Kuat arus listrik yang masuk titik percabangan samadengan kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut.”Pernyataan tersebut dikenal dengan hukum I Kirchoff.F. RANGKAIAN HAMBATAN1. Rangkaian Hambatan SeriJika terdapat beberapa hambatan dirangkai seri, kemudian dihubungkandengan sumber tegangan, maka masing-masing hambatan itu dialiri aruslistrik yang sama besar.Dari rangkaian hambatan di bawah ini diperoleh:1. besar hambatan pengganti (RS):RS= R1 + R22. besar kuat arus yang mengalir (I):3. VAC= VAB+ VBCI . Rs= I . R1+ I . R2IERrs=+ER1R2AB CIrEL4RgAAL1A1A4AAA2L2A3L3ABGambar 5.9 Hambatan seriFisika SMA/MA Kelas X141Gambar 5.8 Rangkaian bercabang
2. Rangkaian Hambatan ParalelJika terdapat beberapa hambatan dirangkai paralel, kemudiandihubungkan dengan sumber tegangan, maka masing-masing hambatan itumempunyai beda potensial yang sama. Dari rangkaian hambatan di bawah ini diperoleh:a. besar hambatan penggantinya (RP):b. besar kuat arus yang mengalir (I):c.Catatan:Jika terdapat rangkaian hambatan yang sulit, gunakan cara segitiga hambatan.Gambar 5.11 Segitiga hambatanRRRRRRRRRRRRRRRxyz===131312132313 x + R + x + R + x + R + 222R1R2R3RyRxRzIVRIVRII IABAB112212===+IERrp1=+11112RRRp=+ER1ABIR2II2I1Gambar 5.10 Hambatan paralelListrik Dinamis142
Untuk lebih jelasnya mengenai nilai pengganti rangkaian hambatan, makalakukan percobaan di bawah ini!Percobaan 5.5: Rangkaian hambatanKegiatan IRangkaian seri hambatanRangkailah alat-alat seperti gambar di atas. Tutup saklar S dan catatlah skala yangditunjukkan oleh amperemeter dan voltmeter dan hasilnya masukkan pada tabel.Ulangi kegiatan ini dengan mengubah posisi tombol hambatan geser. Hasil penunjuk-an skala amperemeter dan voltmeter masukkan pada tabel. Adapun kolom pada tabelyang dibuat adalah: V, I, Rs= V⁄I, dan R1+ R2Kegiatan IIRangkaian paralel hambatanRangkai alat-alat seperti gambar di atas. Tutup saklar S dan catatlah skala yangditunjukkan oleh amperemeter dan voltmeter dan hasilnya masukkan pada tabel.Ulangi kegiatan ini dengan mengubah tombol hambatan geser. Hasil penunjukanamperemeter dan voltmeter, masukkan pada tabel. Adapun kolom pada tabel yangdibuat adalah V, I, 1⁄Rp= I⁄V, dan 1⁄R1+1⁄R2Dari rangkaian seri hambatan dan paralel hambatan, tulislah kesimpulan yangAnda dapatkan!AVR1R2RgSEEERgESAR1R2VFisika SMA/MA Kelas X143
Contoh soal 5.51.Dari rangkaian listrik di samping maka tentukan:a) hambatan pengganti antara A dan Cb) kuat arus yang keluar dari elemenc) VAB, VBCdan VACd) kuat arus yang melalui R2dan R5Penyelesaian:a.b) misalnya kuat arus yang kelu-ar dari elemen = i , maka:c) VAB= i . R1= 4 . 2 = 8 voltVBC= i . Rp2= 4 . 4 = 16 voltVAC= i . Rt = 4 . 6 = 24 voltd) Misal kuat arus yang melalui R2adalah i1dan yang melalui R5adalah i2maka:Jadi hambatan pengganti antara A dan C = Rt = 6 ΩiVRsAiVRABCBC11251662671612133======,,iERt riA=+=+=266054,111131612166324261111161122112123446111111212223425RRRRRRRRRRRRRRRpppspspsppp=+=+=+===+=+==+++ =+==++=Rt = RRt = 21ΩΩΩΩR1=2ΩE = 26Vr = 0.5ΩR2=4ΩR3=3ΩR4=6ΩR5=12ΩABCListrik Dinamis144
2.Dari rangkaian di samping hitunghambatan pengganti antara A danB!Penyelesaian:Jadi hambatan pengganti antara A dan B = Rt = 6 ΩUji Pemahaman 5.3Kerjakan soal berikut!1. Berapakah besar hambatan pengganti antara A dan B dari hambatan-hambatan di bawah ini:a.b.6 Ω2 Ω0.8 Ω3 Ω0.5 ΩΑΒ10 Ω15 Ω30 ΩΑΒ1111113 51922 5121 5121 522 55406 54 612RRsRsRRRRRppptxp=+=+====+=+ =,,,,,,,,ΩΩRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRxyzsysz==========+=+==+=+=1414131434142561006151015101011 5 12 13 518 912 . + R + . + R + . + R + 333,,,,ΩΩΩΩΩΩR1ABRXRYRZR4R2R5R3R1=3ΩABR2=12ΩR4=2ΩR5=8ΩR3=5ΩFisika SMA/MA Kelas X145
c.d.2.Jika kuat arus yang masuk titik A = 9 mA,hitunglah:a. kuat arus yang mengalir melalui ma-sing-masing hambatan.b. VAB, VBC, dan VACG. GABUNGAN SUMBER TEGANGAN LISTRIKHubungan beberapa elemen identik dalam suatu rangkaian seri atauparalel dapat mempengaruhi besar kuat arus yang mengalir melalui rangkai-an tersebut.1. Rangkaian Seri Elemenn = jumlah elemeninERnr=+iRErErErn2ΩABC6Ω4Ω1Ω2Ω2Ω7Ω10ΩΑΒ4Ω8Ω15Ω5Ω7Ω2Ω10ΩΑΒGambar 6.12 Elemen dirangkai seriListrik Dinamis146
2. Rangkaian Paralel Elemenn = jumlah elemenContoh soal 5.71. Empat buah baterai yang masing-masing ber-GGL 1,5 V dan berhambatandalam 1 Ωdirangkai dan dihubungkan dengan sebuah lampu yangberhambatan 10 Ω. Berapa kuat arus listrik yang mengalir melalui rangkai-an jika baterai itu dirangkai secara:a) seri b) paralelDiketahui: n = 4r = 1 ΩE = 1,5 VR = 10 ΩDitanya: i jika rangkaian baterai: a) serib) paralelJawab:a.b.H. HUKUM II KIRCHOFFMenurut hukum II Kirchoff: dalam suatu rangkaian tertutup, jumlahaljabar GGL dan penurunan beda potensial (I . R) sama dengan nol.ΣE + ΣI R = 0inERiiArn=+=+==1,5101510 250 14614,,,inERnriiA=+=+==410 46140 429 x 1,5 x 1)(,Gambar 6.13 Elemen dirangkai paraleliERrn=+iR(E . r)(E . r)(E . rn)Fisika SMA/MA Kelas X147
Perjanjian tanda E dan i:a) jika arah arus searah dengan arah loop, maka i bertanda positifb) jika arah loop bertemu dengan kutub positif sumber tegangan, maka Ebertanda positif.Contoh soal 5.81.Dari rangkaian listrik di sampinghitunglah:a) kuat arus pada masing-masingcabangb) beda potensial antara titik Edan F juga antara E dan CPenyelesaian:a.Menurut Hk. I Kirchoff: i1+ i2= i3................................. (1)Loop I (AEFDA):ΣIR + ΣE = 0i1(R1+ r1) + i3. R3– E1= 03 i1+ 3i3– 6 = 03i1+ 3i3= 6i1+ i3= 2 .. (2)Loop II (BEFCB):ΣIR + ΣE = 0i2(R2+ r2) + i3. R3– E2= 06i2+ 3i3– 6 = 02i2+ i3= 22(i3– i1) + i3= 2-2i1+ 3i3= 2 .................... (3)2 x (2) : 2 i1+ 2i3= 4(3) : -2 i1+ 3i3= 2+5i3= 6i3= 1,2 Ai1+ i3= 2R1R2R3ABDCEFE1r1E2r2i2i3i1i2i1loop Iloop IIR1=2ΩBR2=5ΩR3=3ΩABDCEFE1=6Vr1=1ΩE2=6Vr2=1ΩListrik Dinamis148Jadi : i1= 0,8 Ai2= 0,4 Ai3= 1,2 A
i1+ 1,2 = 2i1= 0,8 Ai2= i3– i1i2= 1,2 – 0,8 = 0,4 Ab. VEF=ΣIR + ΣEVEF= i3R3+ 0 = 1,2 x 3 = 3,6 voltVEC= ΣIR + ΣEVEC= -i2(R2+ r2) + E2VEC= -0,4 (6) + 6 = 3,6 voltUji Pemahaman 5.4Kerjakan soal berikut!1. Tiga buah elemen dengan GGL masing-masing 1,5 volt dan hambatandalam 0,1 ohm disusun paralel dan dihubungkan dengan alat denganhambatan 9 29⁄30ohm.Tentukan: a. kuat arusb. tegangan jepit2. Hitunglah kuat arus pada masing-masing cabang dari rangkaian dibawah ini!a.c.b.d.I. SUMBER ARUS Sumber arus listrik adalah alat yang dapat menghasilkan arus listrik.Sumber arus listrik dikelompokkan menjadi dua, yaitu sumber arus listrikR1=1.8ΩR2=2ΩE1=1.8VE2=1.5Vr1=1.2Ωr2=1.5Ω10Ω10V10V30Ω20Ω10VC=5μFR1=20ΩR2=10ΩR3=10ΩE=25Vr1=2ΩR1=100ΩE4=75VE2=100VE1=50VR2=200ΩE3=25VR3=50Ωr2=10Ωr4=5Ωr1=5Ωr3=5ΩFisika SMA/MA Kelas X149
searah atau sumber DC (Direct Current) dan sumber arus listrik bolak-balikatau sumber AC (Alternating Current). Alat yang dapat menunjukkan bentukarus DC dan bentuk arus AC adalah Osiloskop.Gambar 5.13 OsiloskopBentuk arus DC dan bentuk arus AC yang terlihat melalui osiloskop seper-ti pada gambar 5.14 di bawah ini.Gambar 5.14 Bentuk arus DC dan ACSumber arus bolak-balik adalah sumber arus yang menghasilkan arusbolak-balik, misalnya dinamo sepeda, generator arus bolak-balik, stop kontakarus bolak-balik. Pemasangan alat-alat listrik di rumah yang menggunakan aruslistrik bolak-balik harus terpasang secara paralel. Perhatikan gambar 5.15 dibawah ini.Gambar 5.15 Rangkaian alat listrik di rumahZ1Z2Mlampusaklarstopkontaksetrika listrikVtbentuk arus DCVtbentuk arus ACListrik Dinamis150
Sumber arus searah adalah sumber yang menghasilkan arus searah, misalnyaelemen volta, elemen Daniell, elemen basah, elemen kering (baterai) dan aki.Sumber arus searah di atas disebut juga dengan elemen elektrokimia,reaksi kimia berlangsung di dalam sumber listrik tersebut.Elemen primer, yaitu elemen yang memerlukan pengganti bahan pereaksisetelah sejumlah energi dibebaskan melalui rangkaian elemen.Elemen sekunder adalah elemen yang dapat memperbarui bahan pereaksisetelah dialiri arus dari sumber lain yang arahnya berlawanan dengan arusyang dihasilkan elemen itu, misalnya akki.Beberapa contoh sumber arus searah, yaitu sebagai berikut.1. Elemen Volta- Larutan elektrolit : H2SO4- Kutub positif: Cu (tembaga)- Kutub negatif : Zn (seng)- Selama elemen digunakan pada lempeng temba-ga (Cu) timbul pembentukan gas hidrogen (pe-ristiwa polarisasi)- Beda potensialnya ± 1 volt.2. Elemen DaniellCiri khas: memiliki depolarisator(untuk mencegah terjadinya pemben-tukan gas hidrogen). Di sini depolar-isator (CuSO4) akan mengikat gashidrogen. Akibatnya alat ini dapatdipakai lebih lama. GGL elemen inisekitar 1 volt.3. Elemen Leclanche BasahElektrolitnya adalah NH4C1dandepolarisatornya mangandioksida(MnO2). Reaksi pengikatan hidrogendengan MnO2ini berlangsung kurangcepat sehingga lama kelamaan terjadijuga polarisasi. GGL akan turun dariharga GGL semula (1,5 volt).batang karbon (C)kaca bejanabejana berporiMnO2 dan serbuk Clarutan NH4C1+batang seng (Zn)Gambar 5.17 Elemen Daniellbatang seng (Zn)bejana tembaga(Cu)bejana berporilarutan H2SO4encerlarutan CuSO4Gambar 5.16 Elemen voltaH2SO4CuZn+Fisika SMA/MA Kelas X151Gambar 5.18 Elemen Leclanche basah
4. Elemen Kering (Elemen Leclanche Kering)Elemen Leclanche kering terdiri dari:a) sebuah bejana seng, sekaligus se-bagai kutub negatifb) karton penyekat terhadap sengc) elektrolit yang berupa campuranpasta NH4C1dengan serbuk kayu,tepung atau getahd) batang karbon, sebagai kutub positife) GGL elemen kering ± 1,5 V5. Elemen Sekunder- Larutan elektrolitnya : H2SO4- Kutub positifnya : PbO2- Kutub negatifnya : Pb- Selama accu digunakan PbO2maupun Pb akhirnya berubah menjadi PbSO4.- Beda potensialnya ± 2 voltGambar 5.20 Elemen sekunderJ. ENERGI DAN DAYA LISTRIK1. Energi Listrik (W)Energi listrik adalah kemampuan arus listrik untuk melakukan usaha.Besar energi listrik dapat dirumuskan:W = energi listrik⎯⎯→(Joule)V = beda potensial⎯⎯→(Volt)I = kuat arus⎯⎯→(ampere)R = hambatan⎯⎯→(ohm)t = waktu⎯⎯→(sekon)2. Energi Kalor (Q)Dalam suatu penghantar energi listrik diubah menjadi energi kalor.Dengan demikian besar energi kalor dapat dirumuskan:kalori1 Joule = 0,24 kaloriQ = 0,24 V . I . t1. W = V . I . t2. W = I2. R . t3. W = V2. t⁄RH2SO4+PNPbPbO2Gambar 5.19 Elemen kering5batang karbon (C)MnO2 dan serbuk (C)kain berisi depolarisatorNH4C1berupa pastabejana seng (Zn)karton penyekatterhadap sengListrik Dinamis152
3. Daya Listrik (P)Daya listrik adalah energi listrik tiap detik.Satuan dari daya listrik (P) adalah joule/sekon atau watt.Satuan yang lain: Kilo Watt (KW), Mega Watt (MW).1 KW = 1.000 W1 MW = 1.000.000 WSatuan untuk energi listrik (W) selain joule adalah:watt sekon (Ws), watt jam (WH), kilo watt jam (KWH).1 Ws = 1 joule1 WH = 3.600 joule1 KWH = 1.000 WH1 KWH = 3.600.000 jouleContoh soal 5.91. Kuat arus listrik sebesar 0,5 A mengalir melalui penghantar yang berham-batan 20 ohm selama 5 menit. Berapakah daya listrik pada penghantar sela-ma itu?Penyelesaian:Diketahui: i = 0,5 AR = 20 ohmt = 5 menit = 300 detikDitanya: P = ...?Jawab:P= i2. R= 0,25 . 20P = 5 watt2. Lampu listrik yang tertulis 25 W, 110 V dinyalakan selama 10 jam. Jika 1KWh berharga Rp. 500,00, maka berapakah biaya yang harus dibayar sela-ma itu?Penyelesaian:Diketahui: P = 25 WV = 110 voltt = 10 jam1 KWh = Rp. 500,00Ditanya: Besar biaya = ...?1. P = W⁄t2. P = V . I3. P = I2. R4. P = V2⁄RFisika SMA/MA Kelas X153
Jawab:W = P . t= 25 . 10 = 250 WhW = 0,25 KWhJadi biayanya= 0,25 x Rp. 500,00= Rp. 12.500,00Uji Pemahaman 5.5Kerjakan soal berikut!1. Sebuah lampu listrik tertulis 100 W, 220 V dihubungkan pada sumbertegangan listrik 110 V selama 10 jam. Jika 1 KWh berharga Rp 150,00,maka berapa biaya yang harus dibayar selama itu?2. Dua buah lampu listrik yang masing-masing berhambatan 15 Ωdan 10 Ωdirangkai paralel dan dihubungkan dengan aki yang ber-GGL 12 V danberhambatan dalam 2 Ω. Hitunglah:a. daya yang muncul pada masing-masing lampub. energi yang digunakan kedua lampu selama 10 menit.- Arus listrik adalah aliran muatan-muatan listrik.- Penyebab mengalirnya arus listrik karena adanya beda potensial listrik.- Alat ukur kuat arus listrik adalah amperemeter.- Alat ukur beda potensial listrik adalah voltmeter.- Kuat arus listrik:- Hukum ohm: v ~ i atau v = i . R- Arus listrik dalam rangkaian tertutup- Hambatan sepotong kawat penghantar:RA=ρliERrViEVEEpolijjpol=+==+= . R . rIQt=Listrik Dinamis154RRaannggkkuummaann
- Rangkaian hambatana. seri : Rs= R1+ R2+ R3+ ...b. paralel: - Gabungan sumber tegangan listrika. seri:b. paralel:- Hukum II Kirchoff: ΣE + ΣiR = 0- Sumber tegangan listrik ada dua macam yaitu sumber arus searah (DC)dan sumber arus bolak-balik (AC)- Energi listrik- Daya listrikKATA KUNCIPWtvi i RvR=== =..22WvitiRtvtR== =.. . .22iERrn=+inERnr=+1111123RRRRp=+++...Fisika SMA/MA Kelas X155- arus listrik- kuat arus- beda potensial- amperemeter- voltmeter- hambatan penghantar- tegangan jepit- tegangan polarisasi- hambatan seri- hambatan paralel- energi listrik- energi kalor- daya listrik
Listrik Dinamis1561. Arus listrik dapat mengalirdalam suatu penghantar listrikjika terdapat ....a. potensial listrik pada setiap ti-tik pada penghantar tersebutb. elektron dalam penghantartersebutc. beda potensial listrik padaujung-ujung penghantartersebutd. muatan positif dalam peng-hantar tersebute. muatan positif dan negatifdalam penghantar tersebut2. Besar hambatan listrik suatukawat penghantar tergantungpada:(1) panjang kawat(2) luas penampang kawat(3) jenis kawat(4) kuat arus listrik yang meng-alir pada kawatPernyataan yang benar adalah ....a. (1), (2), (3), (4)b. (1), (2), (3)c. (1), (3)d. (2), (4)e. (4) saja3. Semakin besar beda potensialujung-ujung kawat penghantarmaka semakin:(1) besar muatan listrik yangmengalir melalui penghantar(2) besar kuat arus listrik yangmengalir melalui penghantar(3) besar nilai hambatan jenispenghantarPernyataan yang benar adalah .... a. (1), (3)d. (1), (2), (3)b. (2), (3)e. (3)c. (1), (2)4. Seutas kawat dengan panjang 8m, luas penampang 0,5 mm2serta memiliki hambatan jenis2,5.10-6Ωm. Jika kawat dialiriarus listrik hingga ujung-ujungnya mempunyai bedapotensial 8 volt, maka kuat aruslistrik yang mengalir melaluipenghantar tersebut adalah ....a. 0,2 Ad. 2 Ab. 0,02 Ae. 20 Ac. 0,002 A5. Nilai hambatan jenis dari suatukawat penghantar tergantung:(1) panjang kawat (2) luas penampang kawat(3) jenis kawat (4) bentuk kawatPernyataan yang benar adalah ....a. (1), (2), (3) d. (3) sajab. (1), (3)e. (4) sajac. (2), (4)6. Aki termasuk elemen sekundersebab .... a. dapat digunakan setiap saatb. beda potensialnya sekitar 2voltc. terjadi reaksi kimia padalarutan asam sulfatnyad. bila aliran listrik habis dapatdilakukan penyetruman lagie. bila aliran listrik habis tidakdapat digunakan lagiUJI KOMPETENSIA. Pilih satu jawaban yang paling benar!
Fisika SMA/MA Kelas X1577. Titik A dan B diberi beda poten-sial listrik tertentu. Pada saattitik A dan B dihubungkan de-ngan penghantar yang berham-batan 15 ohm arus listrik yangmengalir 20 mA.Dengan demikian jika titik Adan B dihubungkan denganpenghantar yang berhambatan10 ohm arus listrik yang meng-alir .... a. 15 mAd. 30 mAb. 20 mAe. 25 mAc. 10 mA8. Tiga buah penghantar masing-masing berhambatan 6 ohmdirangkai. Yang tidak mungkinsebagai nilai penghambat peng-ganti dari ketiga hambatantersebut adalah ....a. 10 ohmd. 9 ohmb. 2 ohme. 12 ohmc. 4 ohm9. Alat pemanas listrik A dengantegangan listrik V dapat men-didihkan 1 liter air dalamwaktu 10 menit. Alat listrik Bdengan tegangan v dapat men-didihkan 1 liter air dalamwaktu 15 menit. Jika alat pe-manas listrik A dan B dirangkaiparalel dan diberi teganganlistrik v digunakan untuk men-didihkan 1 liter air diperlukanwaktu ....a. 25 menitb. 6 menitc. 5 menitd. 150 menite. 1,5 menit10. Bola lampu 60 w, 120 vdipasang pada beda potensial80 v, maka kuat arus yangmelalui bola lampu sebesar ....a. 0,5 Ad. 3 Ab. 0,75 Ae. 2 Ac. 0,33 A11.Hambatan yangsangat besardiukur denganvoltmeter, jika E= 12 volt dan Rv= 20 kΩsertavoltmeter menunjukkan 2 volt,maka hambatan itu bernilai .... a. 10 kΩd. 100 kΩb. 24 kΩe. 440 kΩc. 40 kΩ12. Untuk rangkaian di bawah ini,energi yang timbul tiapdetiknya dalam tahanan 2 Ωadalah ....a. 18 wattb. 12 wattc. 9 wattd. 6 watte. 2,88 watt13. Pada elemen volta elektrolityang dipakai adalah H2SO4dimana elektrolit ini selalu teruraimenjadi ion 2H+dan SO42-, ion2H+akan bergerak menuju ....a. elektrodaZnb. elektrodaCuc. elektrodaPbd. elektroda Ce. elektroda PBO2VERRy2ΩE = 12Vr = 1Ω7Ω
Listrik Dinamis15814.Jika di dalam rangkaian listrikini, jarum galvanometer tidakmenyimpang, maka teganganantara P dan Q adalah ....a. 5,5 Vd. 1,5 Vb. 4 Ve. 0,75 Vc. 2 V15. Beda potensial kutub-kutubbaterai, selama baterai tidakmengalirkan arus listrik disebut... baterai.a. tegangan jepitb. GGLc. tegangan rugid. tegangan polarisasie. selisih teganganGPQE = 4VE = 1.5VB. Kerjakan soal di bawah ini!1. Kuat arus listrik 100 mA mengalir melalui suatu kawat penghantar.Berapakah besar muatan listrik yang mengalir melalui penghantartersebut selama 20 menit?2. Sebuah baterai pada saat ditutup dengan hambatan luar 9 ohm me-ngalirkan arus 1,5 A, tetapi jika ditutup dengan hambatan luar 19 ohmmengalirkan arus 0,75 A. Hitunglah GGL dan hambatan dalam bateraitersebut!3.Dari rangkaian di samping hitunglah:a. hambatan pengganti antara A dan Fb. kuat arus pada masing-masing hambatan!4. Kompor listrik yang bertuliskan 500 W, 220 V digunakan untuk me-manaskan 300 gram air dari 20oC sampai 100oC. Jika kalor jenis air = 1kal/gr oC, maka berapa lama waktu yang diperlukan?5. Sebuah alat ukur kuat arus listrik yang berhambatan 500 Ωhanya dapatdilalui arus 0,1 A. Agar alat tersebut dapat dilalui arus sebesar 0,6 A,berapakah besar hambatan yang harus dipasang paralel dengan alattersebut?r1=1ΩE = 20V7Ω4Ω16Ω15Ω20Ω5Ω6ΩABCFED