Halaman
Bab 8 - Listrik Dinamis
121
Sumber arus listrik
Beda potensial
disebabkan oleh
memiliki
Amperemeter
Bab
8
Listrik Dinamis
Peta Konsep
Listrik Dinamis
mengkaji
Listrik yang digunakan di rumah penduduk berasal
dari pembangkit tenaga listrik. Listrik tersebut mengalir
melalui sebual kabel penghantar sehingga disebut listrik
dinamis. Apa yang disebut listrik dinamis? Apa saja yang
dikaji dalam listrik dinamis? Ayo cermati uraian dalam bab
ini agar kamu dapat menemukan jawabannya.
Setelah mempelajari bab ini, diharapkan kamu dapat
mendeskripsikan pengertian listrik dinamis, arus listrik,
beda potensial, dan hambatan listrik, mendeskripsikan
cara kerja alat ukur listrik dalam suatu rangkaian, mem-
bedakan rangkaian seri dan paralel, melakukan percobaan
cara mengukur arus listrik dan beda potensial, serta
mendeskripsikan hubungan arus listrik dengan rangkaian
hambatannya.
Gambar 8.1
Pembangkit tenaga listrik
Sumber:
image.google.co.id
Hambatan listrik
Arus listrik
dipengaruhi
diukur dengan
Voltmeter
diukur dengan
Rangkaian seri
Rangkaian listrik
berlaku dalam
Rangkaian paralel
Hukum I Kirchoff
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
122
Gambar 8.3
Amperemeter
Sumber:
google.co.id
Coba kamu perhatikan kincir air. Ketika air menyentuh
kincir, kincir akan berputar untuk menggerakkan turbin.
Setelah turbin bergerak, generator akan bergerak pula dan
menghasilkan arus. Begitulah cara kerja kincir air sebagai
pembangkit listrik tenaga air (PLTA) dan melalui proses
yang panjang nantinya listrik tersebut akan disalurkan ke
perumahan-perumahan penduduk.
Listrik dinamis adalah kajian kelistrikan yang muatannya
bergerak/mengalir. Pada pelajaran listrik dinamis ini, kamu
akan mengenal istilah yang disebut dengan arus listrik,
beda potensial, dan hambatan listrik. Listrik yang kini
dapat dirasakan di rumah sehari-hari merupakan listrik
yang muatannya bergerak. Untuk dapat memanfaatkan
dan menghemat listrik yang digunakan, ikutilah pelajaran
ini dengan cermat.
A. Arus Listrik
Berikut ini adalah uraian tentang pengertian arus listrik,
pengukurannya, dan sumber arus listrik. Pelajarilah dengan
cermat dan saksama.
1. Pengertian dan Pengukuran Arus Listrik
Sep
erti halnya air yang mengalir karena adanya
perbedaan ketinggian, muatan listrik pun dapat mengalir
karena adanya suatu perbedaan, yaitu perbedaan
potensial listrik. Proton dan elektron dalam suatu muatan
listrik mengalir dengan arah yang berbeda. Proton yang
menyebabkan listrik bermuatan positif mengalir dari
potensial tinggi ke potensial rendah. Sedangkan, elektron
(muatan listrik negatif) mengalir dari tempat yang
potensialnya rendah ke tempat yang potensialnya tinggi.
Menurutmu, apakah kedua aliran muatan ini merupakan
arus listrik? Yang disebut arus listrik hanyalah salah satu
di antaranya, yaitu aliran proton atau muatan listrik positif
yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah.
Pada pelajaran sebelumnya, kamu telah mengenal arus
listrik sebagai besaran pokok dengan satuan ampere (A).
Untuk mengukur arus listrik ini, kita dapat menggunakan
alat yang bernama amperemeter. Jarum amperemeter akan
bergerak jika ada arus yang melaluinya. Adanya arus dapat
dilihat dari nyala bola lampu atau kerja alat listrik lainnya.
Untuk mengenal dan memahami cara kerja amperemeter,
ikutilah eksperimen berikut!
Gambar 8.2
Kincir air
I
nfo
Arus listrik adalah aliran
proton atau muatan
listrik positif yang
mengalir dari potensial
tinggi ke potensial
rendah.
Sumber:
google.co.id
Bab 8 - Listrik Dinamis
123
Lakukan aktivitas ini dengan temanmu!
Tujuan : Meng
enal cara kerja amperemeter dan mengukur arus
listrik.
Alat dan bahan : Sebuah amperemeter, sebuah baterai, sebuah bola lampu kecil,
dan penjepit buaya.
Aktivitas Siswa
Secara
fi
sika, besar arus listrik atau disebut dengan kuat
arus listrik, dide
fi
nisikan sebagai banyaknya muatan listrik
positif yang mengalir pada suatu penghantar tiap satu satuan
waktu, dapat ditulis oleh persamaan:
I
= —
atau
Q
=
It
Q
t
dengan:
Q
= muatan listrik (Coloumb, C)
I
= kuat arus listrik (Ampere, A)
t
= waktu (sekon, s)
baterai
amperemeter
(dipasang seri)
arus listrik
Gambar 8.4
Cara mengukur arus listrik
Sumber:
Encarta 2005
Contoh:
Arus yang mengalir pada sebuah kawat tembaga dalam
waktu 5 menit adalah 2 A. Hitunglah muatan listrik yang
mengalir pada kawat tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui :
I
= 2 A
t
= 5 menit = 300 s
Ditanya :
Q
Jawab:
Q
=
It
= 2
⋅
300 = 600 C
Jadi, muatan listrik yang mengalir pada kawat tembaga
tersebut adalah 600 C.
Langkah kerja:
1.
Buatlah rangkaian alat seperti pada Gambar
8.4! Apakah bola lampu menyala?
2. Hub
ungkan baterai dengan ampere-
meter menggunakan penjepit! Amati
yang terjadi pada bola lampu dan jarum
amperemeter!
3. Lepaskan salah satu ujung penjepit dari
amperemeter dan amati yang terjadi!
4.
Buatlah kesimpulan dari eksperimenmu!
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
124
1. Berapa banyaknya elektron yang mengalir selama 1,5 menit dalam suatu
kawat penghantar jika dihasilkan arus listrik 15 mA? (muatan elektron =
1,6 × 10
-19
C)
2.
Pada sebuah kawat penghantar listrik mengalir muatan sebesar 5 coulomb
dalam waktu setengah menit. Berapa kuat arus yang mengalir melalui kawat
tersebut?
M
enguji Diri
Gambar 8.5
Sel Volta
seng (anoda)
tembaga (katoda)
jembatan garam
Sumber:
Encarta 2005
2. Sumber Arus Listrik
Dalam kehidupan sehari-hari, sumber arus listrik lebih
dikenal dengan istilah sel listrik atau elemen listrik. Batu
baterai dan aki (
accumulator
) adalah jenis sel listrik yang
paling banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari.
Terdapat beberapa jenis sel listrik, di antaranya sel volta,
baterai, aki, dan sel Weston. Berdasarkan kemampuannya
untuk dapat diisi ulang, sel-sel ini terbagi dalam dua
kelompok, yaitu sel primer dan sel sekunder.
a. Sel Primer
Sel primer adalah kelompok sumber arus listrik yang
apabila telah habis digunakan, muatannya tidak dapat diisi
kembali. Sel listrik yang termasuk sel primer adalah sel volta,
baterai, dan sel Weston.
1) Sel Volta
Sel volta merupakan sumber arus listrik yang pertama
kali ditemukan oleh
Alessandro Volta
. Sel yang memiliki
rangkaian paling sederhana ini pertama kali dibuat pada
tahun 1800.
Sel ini disusun oleh sebuah lempeng seng sebagai
elektroda negatif dan sebuah lempeng tembaga sebagai
elektroda positif yang dicelupkan ke dalam larutan elektrolit
asam sulfat (H
2
SO
4
). Karena rangkaiannya yang sangat
sederhana, beda potensial yang dihasilkan pun relatif kecil,
yaitu sekitar 1 volt.
Ketika kedua lempeng yang telah dicelupkan di-
hubungkan dengan kawat, reaksi kimia kemudian terjadi di
dalamnya. Unsur seng dalam lempeng seng melarut dalam
asam sehingga ion-ion positifnya akan berpindah ke dalam
larutan. Akibatnya, lempeng seng akan bermuatan negatif
I
nfo
Berdasarkan
kemampuannya, sel
listrik terbagi ke dalam
dua kelompok, yaitu sel
primer dan sel sekunder.
Bab 8 - Listrik Dinamis
125
dan bergerak melalui kawat menuju lempengan tembaga.
Pada lempengan tembaga, elektron ditangkap oleh ion-ion
positif hidrogen yang terdapat dalam larutan asam sehingga
ion hidrogen berubah menjadi gas hidrogen. Setelah elemen
bekerja, seng pada lempengan seng akan berkurang dan
gelembung-gelembung gas hidrogen akan mengumpul pada
lempeng tembaga.
Gelembung-gelembung yang menempel pada lempeng
tembaga akan menghalangi kontak lempeng tembaga ini
dengan larutan asam sehingga akan memberhentikan reaksi
kimia yang terjadi. Peristiwa mengumpulnya gelembung-
gelembung gas hidrogen di sekitar tembaga disebut
polarisasi. Akibatnya, sel volta hanya dapat berfungsi
dalam waktu yang relatif singkat dan kurang e
fi
sien untuk
digunakan dalam kehidupan sehari-hari.
2) Baterai
Baterai adalah istilah sehari-hari yang
digunakan untuk menyebutkan sel kering.
Sumber arus listrik ini disebut sel kering
karena sama sekali tidak mengandung
cairan. Sel kering (
dry cell
) atau batu baterai
terdiri atas dua elektroda sebagai kutub
positif dan kutub negatif. Elektroda positif
(anoda) adalah sebatang karbon yang
dikelilingi campuran mangan dioksida
dan serbuk karbon yang berfungsi untuk
melindungi karbon dari kemungkinan
terjadinya polarisasi, disebut juga sebagai
depolarisator. Elektroda positif diselubungi
oleh seng sebagai elektroda negatif. Di
antara depolarisator dan seng terdapat
pasta amonium klorida yang dicampur
Gambar 8.6
Elemen kering (baterai)
Sumber:
Encarta 2005
batang karbon (katoda)
pasta elektrolit
pemisah
campuran karbon dan
MnO
2
logam seng (anoda)
dengan serbuk kayu atau getah yang berfungsi sebagai
elektrolit. Beda potensial antara kutub-kutub sel kering
adalah 1,5 V atau kelipatannya.
3) Elemen Weston
Sel Weston disusun oleh air raksa (Hg) sebagai elektroda
positif dan larutan (Amalgama cadnium -1% cadnium, 89%
Hg) sebagai elektroda negatif, dan larutan elektrolit berupa
larutan jenuh kadnium sulfat. Sebagai depolarisator, sel
Weston menggunakan campuran merkuri sulfat (HgSO
4
)
dan kadnium sulfat (CdSO
4
). Beda potensial yang dihasilkan
sel Weston adalah konstan karena tidak dipengaruhi oleh
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
126
suhu dan tidak mengalami polarisasi. Akibatnya, sel Weston
banyak digunakan untuk mengukur beda potensial.
b. Sel Sekunder
Sel sekunder adalah sumber arus listrik yang dapat diisi
ulang ketika muatannya telah habis. Hal ini disebabkan oleh sel
elektrokimia yang menjadi penyusunnya tidak memerlukan
penggantian bahan pereaksi meskipun telah mengeluarkan
sejumlah energi melalui rangkaian-rangkaian luarnya. Agar
dapat bekerja dengan baik, maka pada pertama kali sel harus
dimuati terlebih dahulu dengan cara melewatkan arus listrik
dari sumber lain menuju sel. Dalam kehidupan sehari-hari, sel
sekunder yang sering digunakan adalah akumulator (aki).
Aki terdiri atas pasangan-pasangan keping timbal
dioksida yang bertindak sebagai elektroda positif dan timbal
sebagai elektroda negatif. Setiap pasangan memberikan
beda potensial 2 volt. Aki dirangkai seri sehingga dapat
menghasilkan beda potensial yang lebih besar. Dalam sel ini,
kepingan-kepingan timbal dan timbal dioksida dicelupkan
ke dalam larutan elektrolit asam sulfat sekitar 30%.
Pada saat aki digunakan, konsentrasi larutan elektrolit
berkurang dan mengakibatkan tidak adanya beda potensial
pada kedua elektroda. Aki membutuhkan pengisian ulang
jika arus listrik tidak lagi mengalir.
Untuk mengisinya, pastikan berada dalam keadaan
kosong. Arus listrik dialirkan berlawanan arah dengan arah
arus listrik yang dihasilkan aki. Kapasitas aki diukur dalam
satuan ampere-jam (
ampere-hour
disingkat Ah). Kapasitas aki
40 Ah, berarti aki dapat bekerja selama 40 jam pada arus 1
Ampere atau selama 20 jam pada arus 2 A, dan seterusnya,
sebelum aki diisi ulang. Alat yang digunakan untuk
memeriksa muatan aki dinamakan hidrometer.
Gambar 8.7
Akumulator
kutub positif
kutub negatif
lubang angin
sel konektor
elektroda positif
elektroda negatif
larutan elektrolit
kotak pelindung
sel pembagi
Sumber:
Encarta 2005
Pikirkanlah
!
Mengapa pada saat
pengisian aki, arus
listrik harus dialirkan
berlawanan arah
dengan arah arus
listrik yang dihasilkan
aki? Jelaskan!
Bab 8 - Listrik Dinamis
127
B. Beda Potensial
Telah disebutkan bahwa dalam suatu penghantar, arus
listrik mengalir dari tempat yang potensialnya tinggi ke
tempat yang potensialnya rendah. Selisih potensial antara
dua tempat dalam penghantar ini disebut dengan beda
potensial. Dalam Sistem Internasional, satuan beda potensial
adalah volt (V).
Beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber
listrik ketika saklar terbuka dan tidak mengalirkan arus
adalah gaya gerak listrik (ggl), dinotasikan
ε
. Sedangkan,
beda potensial antara kutub-kutub suatu elemen listrik
ketika saklar ditutup dan mengalirkan muatan listrik disebut
tegangan jepit, dilambangkan V. Nilai V berubah-ubah
bergantung pada nilai hambatan bebannya. Hubungan
antara ggl dengan sumber tegangan jepit dirumuskan
sebagai berikut:
Gaya gerak listrik yang bekerja pada sebuah elemen
adalah 9 volt dengan hambatan dalam 1 ohm. Jika elemen
tersebut dihubungkan dengan sebuah lampu pijar 2
ohm, berapa kuat arus yang mengalir pada lampu dan
tegangan jepitnya?
Penyelesaian:
Diketahui :
ε
= 9 V;
r
= 1 ohm; dan
R
= 2 ohm
Ditanya :
I
dan
V
Jawab:
I
= —
——
= ——– = 3 A
V
=
IR
= 3 A
⋅
2 ohm = 6 V
Jadi, kuat arus yang mengalir adalah 3 A dan tegangan
jepitnya adalah 6 V.
ε
R + r
9
2 + 1
Contoh:
V
=
ε
–
I R
I
nfo
Gaya gerak listrik (
ε
)
adalah beda potensial
antara kutub-kutub
sebuah sumber listrik
ketika saklar terbuka dan
tidak mengalirkan arus,
sedangkan tegangan jepit
(V) adalah beda potensial
antara kutub-kutub
suatu elemen listrik
ketika saklar ditutup dan
mengalirkan muatan
listrik.
dan tegangan jepit dapat dihitung dengan hambatan luar:
V
=
I R
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
128
ε
–
I r
=
I R
ε
=
I R
+
I r
, sehingga
ε
=
I
(
R
+
r
), atau
I
= –——
–
ε
R
+
r
Dari kedua persamaan di atas, maka:
Sebuah aki mempunyai ggl sebesar 15 volt dan hambatan luarnya 1 ohm. Jika
arus yang mengalir sebesar 10 A, berapa tegangan jepit pada kedua kutub aki?
M
enguji Diri
Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial
adalah voltmeter. Jarum pada voltmeter akan bergerak jika
digunakan untuk mengukur rangkaian listrik yang memiliki
beda potensial. Besarnya beda potensial rangkaian listrik
yang diukur ditunjukkan oleh jarum voltmeter.
Pada rangkaian listrik yang akan diukur, voltmeter
dipasang secara paralel. Untuk lebih memahaminya, ayo
lakukan kegiatan berikut.
Kerjakanlah secara berkelompok.
Tujuan : M e n g
enal cara kerja
voltmeter dan mengukur
beda potensial.
Alat dan bahan : Se
buah voltmeter, sebuah
baterai, sebuah bola
lampu kecil, dan enam
buah penjepit buaya.
Aktivitas Siswa
baterai
voltmeter (dipasang paralel)
arus listrik
Gambar 8.8
Cara mengukur beda potensial
Sumber:
Encarta 2005
Langkah kerja:
1. Buatlah rangkaian alat seperti pada Gambar 8.8! Apakah bola lampu
menyala?
2. Lepaskan salah satu penjepit yang menghubungkan baterai dengan
voltmeter! Amati yang terjadi pada bola lampu dan jarum voltmeter!
3.
Hubungkan kembali ujung penjepit yang dilepas pada langkah (2) dan amati
yang terjadi!
4.
Buatlah kesimpulan dari kegiatan ini!
Bab 8 - Listrik Dinamis
129
dengan:
V
= beda potensial (volt, V)
I
= kuat arus listrik (ampere, A)
R
= hambatan (Ohm,
Ω
)
R
= — atau
V
=
IR
V
I
Hambatan sebuah setrika listrik yang dipakai pada
tegangan 220 V adalah 40
Ω
. Berapakah kuat arus listrik
yang harus dialirkan pada penghantar agar setrika
tersebut dapat berfungsi?
Penyelesaian:
Diketahui
:
V
= 220 V ;
R
= 40
Ω
.
Ditanya :
I
Contoh:
Perhatikan rangkaian yang kamu buat dalam dua
eksperimen yang telah kamu lakukan dalam pelajaran ini.
Rangkaian yang dibuat untuk mengukur beda potensial
berbeda dengan rangkaian yang dibuat untuk mengukur
arus listrik. Untuk mengukur beda potensial, voltmeter
dipasang secara paralel dengan baterai yang akan diukur
beda potensial antara kutub-kutubnya. Sedangkan, untuk
mengukur arus listrik, amperemeter dirangkai seri dengan
baterai dan lampunya.
C. Hambatan
Pada 1927, seorang
fi
sikawan Jerman bernama
George
Simon Ohm
melakukan penelitian untuk mencari hubungan
antara beda potensial dan kuat arus listrik. Berdasarkan hasil
penelitiannya, Ohm membuat suatu gra
fi
k beda potensial
terhadap arus listrik. Ternyata, gra
fi
k tersebut membentuk
suatu garis lurus yang condong ke kanan dan melalui titik
pusat koordinat (0, 0). Dari gra
fi
k ini, Ohm menemukan
bahwa kemiringan gra
fi
k sama dengan besar hambatan
rheostat yang digunakannya dalam penelitian tersebut.
Berdasarkan penelitian ini, Ohm membuat kesimpulan
yang hingga kini dikenal dengan sebutan Hukum Ohm,
yang berbunyi:
“Pada suhu tetap, tegangan listrik V pada suatu
penghantar sebanding dengan kuat arus yang mengalir pada
penghantar tersebut”
.
Kesimpulan ini dapat dirumuskan dengan persamaan:
S
ahabatku,
Ilmuwan
George Simon
Ohm
(1787 - 1854)
adalah ahli
fi
sika
Jerman yang
terkenal dengan
penelitiannya
tentang arus listrik.
Ia dilahirkan di
Erlangen dan
menempuh
pendidikan di
University of
Erlangen. Dari
1833 sampai
1849, ia menjabat
sebagai direktur
Polytechnic Institute
of Nürnberg, dan
dari 1852 sampai
akhir hayatnya, ia
menjadi profesor
fi
sika di University
of Munich.
Perumusannya
tentang hubungan
antara arus listrik,
tegangan, dan
hambatan dikenal
sebagai Hukum
Ohm yang menjadi
hukum dasar listrik
dinamis.
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
130
1.
Sebuah kawat yang memiliki hambatan 5 ohm diberi
beda potensial 12 V. Hitunglah kuat arus yang
mengalir pada kawat tersebut!
2. Sebuah lampu senter dengan hambatan 3 ohm
menyala setelah dialiri arus sebesar 6 A. Berapakah
beda potensial antara ujung-ujung baterai yang
digunakan pada senter tersebut?
M
enguji Diri
Jawab:
V
=
IR
⇔
I
= —
⇔
I
= ———– = 5,5 A
Jadi, arus listrik yang diperlukan setrika tersebut adalah
sebesar 5,5 A.
1. P
engaruh Hambatan terhadap Jenis Bahan
Hambatan yang dimiliki oleh suatu bahan penghantar
ternyata dapat mempengaruhi kuat arus yang mengalir
pada penghantar tersebut. Hambatan yang besar pada suatu
bahan menyebabkan bahan tersebut sukar mengalirkan
arus listrik, sedangkan bahan yang hambatannya kecil
akan lebih mudah mengalirkan arus listrik. Berdasarkan
kemampuannya dalam menghantarkan arus listrik, bahan
dibedakan menjadi konduktor, isolator, semi konduktor,
dan super konduktor.
a. Konduktor
Bahan konduktor adalah bahan yang mudah
mengalirkan arus karena elektron-elektron di setiap atomnya
tidak terikat kuat oleh inti atom sehingga mudah bergerak
atau berpindah. Dengan kata lain, bahan konduktor adalah
bahan yang memiliki hambatan kecil. Bahan yang termasuk
konduktor di antaranya adalah besi, baja, dan tembaga.
V
R
220 V
40
Ω
Bab 8 - Listrik Dinamis
131
b. Isolator
Bahan isolator memiliki sifat yang berlawanan dengan
bahan konduktor. Bahan yang termasuk isolator sangat
sulit, bahkan tidak bisa mengalirkan arus listrik. Pada bahan
isolator, elektron-elektron di setiap atom pada bahan isolator
terikat kuat oleh inti atom sehingga sangat sukar untuk
bergerak dan berpindah. Dengan demikian, dapat dikatakan
bahwa bahan isolator memiliki hambatan yang sangat besar.
Namun, pada kondisi tertentu bahan isolator dapat berubah
menjadi bahan konduktor. Kondisi tersebut adalah ketika
bahan isolator mendapat tegangan yang sangat tinggi.
Tegangan tinggi ini akan melepaskan elektron dari ikatan
dengan inti atom sehingga elektron pada bahan isolator
tersebut akan menjadi mudah bergerak dan berpindah.
Bahan yang tergolong isolator adalah kayu dan plastik.
c. Semi Konduktor
Bahan semi konduktor adalah bahan-bahan yang
kadang bersifat isolator dan kadang bersifat konduktor.
Yang termasuk bahan ini adalah karbon, silikon, dan
germanium.
d. Super Konduktor
Bahan super konduktor adalah bahan yang sangat kuat
mengalirkan arus. Ilmuwan yang pertama kali menemukan
bahan ini adalah tokoh yang berasal dari Belanda yang
bernama
Kamerlingh Onnes
pada 1991. Bahan yang beliau
temukan adalah raksa dan timah.
2. Hambatan Kawat Logam
Pad
a suatu kawat logam, hambatan listrik yang
dimilikinya ternyata dipengaruhi oleh panjang bahan
(kawat), luas penampang, dan hambatan jenis bahan
kawat tersebut. Hambatan jenis suatu bahan (kawat) atau
resistivitas adalah suatu besaran
fi
sika dari suatu bahan
yang tergantung pada temperatur dan jenis bahan tersebut.
Bahan konduktor memiliki hambatan jenis yang kecil,
sebaliknya bahan isolator memiliki hambatan jenis yang
besar. Hambatan jenis beberapa bahan dapat kamu lihat
pada tabel berikut ini.
I
nfo
Hambatan yang
besar pada suatu
bahan menyebabkan
bahan tersebut sukar
mengalirkan arus listrik,
sedangkan bahan yang
hambatannya kecil
akan lebih mudah
mengalirkan arus listrik.
I
nfo
Resistivitas adalah suatu
besaran
fi
sika dari suatu
bahan yang tergantung
pada temperatur dan
jenis bahan tersebut.
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
132
Tabel 8.3
Hambatan Jenis Bahan
No.
Nama Bahan
Hambatan Jenis pada
suhu 20°C (ohm m)
1.
Konduktor
Perak
1.59×10
-8
Tembaga
1.72×10
-8
Emas
2.24×10
-8
Aluminium
2.65×10
-8
Tungsten
5.65×10
-8
Besi
9.71×10
-8
Platina
10.6×10
-8
Nikhron
100×10
-8
2.
Semikonduktor
Karbon (gra
fi
t)
1.5×10-1
Germanium (murni)
5×10
-1
Silikon (murni)
3×10
3
3.
Isolator
Kaca
10.7×10
10
Kuarsa
7.5×10
17
Berdasarkan banyak percobaan, para ahli menyimpulkan
bahwa makin panjang dan makin besar hambatan jenis
kawat, maka hambatan kawat pun akan makin besar. Tetapi,
hambatan kawat logam tersebut akan berkurang jika luas
penampang kawat logam tersebut makin besar. Hubungan
ini dipenuhi oleh persamaan:
dengan:
R
= hambatan kawat logam (ohm)
ρ
= hambatan jenis kawat (ohm m)
λ
= panjang kawat (m)
A
= luas penampang kawat (m
2
)
R
= ——–
ρ⋅λ
A
D. Rangkaian Listrik
Pernahkah kamu mematikan saklar lampu, lalu lampu
di seluruh ruangan tempat kamu itu padam? Mengapa itu
bisa terjadi? Lalu, mengapa pula di rumah kita terdapat
banyak saklar?
Bab 8 - Listrik Dinamis
133
Gambar 8.9
Rangkaian seri
V
saklar
Ketika saklar dimatikan, maka semua lampu padam.
Hal ini dikarenakan lampu-lampu itu disusun dengan
rangkaian seri, seperti rangkaian yang kamu buat pada
eksperimen mengukur arus listrik. Sedangkan, alasan dibuat
banyaknya saklar di rumah adalah untuk menghindari
terhentinya semua aliran listrik jika kamu mematikan lampu.
Banyaknya saklar menunjukkan bahwa rangkaian yang
digunakan adalah rangkaian paralel, seperti yang kamu buat
saat mengukur beda potensial.
1. Rangkaian Seri
Ran
gkaian seri adalah penyusunan komponen-
komponen listrik secara berderet. Rangkaian seri dibuat
untuk membagi-bagi beda potensial sekaligus memperbesar
hambatan listrik. Karenanya, rangkaian seri jarang digunakan
untuk merangkai komponen listrik di rumah-rumah.
Jika suatu hambatan listrik dirangkai seri, maka kuat
arus yang mengalir pada masing-masing hambatan akan
sama besar, meskipun hambatan masing-masing komponen
berbeda. Sehingga, pada rangkaian ini berlaku:
a.
I
tot
=
I
1
=
I
2
=
I
3
= ... =
I
n
b.
V
tot
=
V
1
+
V
2
+
V
3
+ ... +
V
n
c.
Karena 1) dan 2), maka berdasarkan hukum Ohm:
V
tot
=
V
1
+
V
2
+
V
3
+ ... +
V
n
I
tot
R
tot
=
I
1
R
1
+
I
2
R
2
+
I
3
R
3
+ ... +
I
n
R
n
I
tot
R
tot
=
I
tot
R
1
+
I
tot
R
2
+
I
tot
R
3
+ ... +
I
tot
R
n
I
tot
R
tot
=
I
tot
(
R
1
+
R
2
+
R
3
+ ... +
R
n
)
R
tot
=
R
1
+
R
2
+
R
3
+ ... +
R
n
Jadi, untuk n buah hambatan yang disusun seri, maka
hambatan penggantinya adalah
R
tot
=
R
1
+
R
2
+
R
3
+ ... +
R
n
.
Empat buah hambatan masing-masing besarnya 2
Ω
, 3
Ω
,
4
Ω
, dan 6
Ω
dirangkai seri dengan kuat arus yang masuk
sebesar 30 V. Tentukanlah:
a. hambatan total
b.
tegangan listrik yang melalui setiap hambatan
c.
kuat arus di setiap resistor
Penyelesaian:
Diketahui:
R
1
= 2
Ω
, R
2
= 3
Ω
, R
3
= 4
Ω
, R
4
= 6
Ω
;
V
= 30 V
Contoh:
R
2
= 3
Ω
R
1
= 2
Ω
R
3
= 4
Ω
R
4
= 6
Ω
V = 30 V
Gambar 8.10
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
134
Ditanya:
a. hambatan total
b.
tegangan listrik yang melalui setiap hambatan
c.
kuat arus di setiap resistor
Jawab:
a.
R
tot
=
R
1
+
R
2
+
R
3
+
R
4
= (2 + 3 + 4 + 6)
Ω
= 15
Ω
b.
Berdasarkan Hukum Ohm,
I
tot
=
I
1
=
I
2
=
I
3
=
I
4
.
Dengan menggunakan Hukum Ohm, dapat dihitung:
I
tot
= ——
= ——– = 2 A
Jadi, arus yang mengalir melalui setiap hambatan
sama dengan arus total yaitu 2 A.
c.
Tegangan di setiap resistor:
V
1
=
I
1
R
1
= 2 A
⋅
2 ohm = 4 V
V
2
=
I
2
R
2
= 2 A
⋅
3 ohm = 6 V
V
3
=
I
3
R
3
= 2 A
⋅
4 ohm = 8 V
V
4
=
I
4
R
4
= 2 A
⋅
6 ohm = 12 V
Jadi, tegangan di
R
1
= 4 V,
R
2
= 4 V,
R
3
= 8 V, dan
R
4
= 12 V.
V
tot
R
tot
30 V
15
Ω
Empat buah hambatan masing-masing besarnya 2
Ω
, 3
Ω
, 4
Ω
, dan 6
Ω
dirangkai
secara seri, kemudian ujung-ujungnya ditutup oleh sumber tegangan sebesar
45 V. Tentukanlah:
a. hambatan total
b.
kuat arus yang melalui setiap hambatan
c.
tegangan di setiap resistor
M
enguji Diri
2. Rangkaian Paralel
Rangkaian paralel adalah penyusunan komponen-
komponen listrik secara berjajar. Rangkaian ini berfungsi
untuk membagi-bagi arus dan memperkecil hambatan listrik.
Jika suatu hambatan listrik dirangkai paralel, maka beda
potensial pada masing-masing hambatan akan sama besar
sehingga pada rangkaian ini berlaku:
Bab 8 - Listrik Dinamis
135
a.
V
tot
= V
1
= V
2
= V
3
= ... = V
n
b.
I
tot
= I
1
+ I
2
+I
3
+ ... + I
n
c.
Karena 1) dan 2), maka berdasarkan hukum Ohm:
I
tot
= I
1
+ I
2
+ I
3
+ ... + I
n
—— = —— + —— + —— + ... + ——
—
— = —— + —— + —— + ... + ——
—
— = V
tot
( —– + —– + —– + ... + —– )
—–– = —– + —– + —– + ... + —–
Jadi, untuk n buah hambatan yang disusun paralel,
maka hambatan penggantinya adalah:
—–– = —– + —– + —– + ... + —–
Gambar 8.11
Rangkaian paralel
V
V
tot
R
tot
V
1
R
1
V
2
R
2
V
3
R
3
V
n
R
n
V
tot
R
tot
V
tot
R
1
V
tot
R
2
V
tot
R
3
V
tot
R
n
V
tot
R
tot
1
R
1
1
R
2
1
R
3
1
R
n
1
R
tot
1
R
1
1
R
2
1
R
3
1
R
n
1
R
tot
1
R
1
1
R
2
1
R
3
1
R
n
Tiga buah hambatan masing-masing besarnya 2
Ω
, 3
Ω
,
dan 6
Ω
dirangkai paralel dengan kuat arus yang masuk
sebesar 18 A. Tentukanlah:
a. hambatan total
b.
tegangan listrik yang melalui setiap hambatan
c.
kuat arus di setiap resistor
Penyelesaian:
Diketahui:
R
1
= 2
Ω
,
R
2
= 3
Ω
, dan
R
3
= 6
Ω
;
I
= 18 A
Ditanya:
a. hambatan total
b.
tegangan listrik yang melalui setiap hambatan
c.
kuat arus di setiap resistor
Jawab:
a. Hambatan penggantinya adalah:
—––
= —– + —– + —–
—–– = —– + —– + —–
R
1
= 2
Ω
R
2
= 3
Ω
R
3
= 6
Ω
Contoh:
I = 18 A
V
Gambar 8.12
Rangkaian paralel (2
Ω
,
3
Ω
, 6
Ω
)
1
R
tot
1
R
1
1
R
2
1
R
3
1
R
tot
1
2
1
3
1
6
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
136
—
— = ————– = — = 1
⇒
R
tot
= 1
Jadi, hambatan penggantinya adalah 1 ohm.
b.
Berdasarkan Hukum Ohm,
V
tot
= V
1
= V
2
= V
3
= V
4
.
Dengan menggunakan Hukum Ohm, dapat
dihitung:
V
tot
=
I
tot
R
tot
= 18 A
⋅
1
Ω
= 18 V
Jadi, beda potensial hambatannya adalah 18 V.
c.
Kuat arus listrik di setiap resistor:
I
1
= —– = —– – = 9 A
I
2
= —– = —– – = 6 A
I
3
= —– = —– – = 3 A
Jadi, kuat arus di
R
1
= 9 A, di
R
2
= 6 A, dan di
R
3
= 3 A.
1
R
tot
3 + 2 + 1
6
6
6
V
3
R
3
18 V
6
Ω
V
1
R
1
18 V
2
Ω
V
2
R
2
18 V
3
Ω
Tiga buah hambatan masing-masing 3 ohm dirangkai
pararel. Jika mengalir ke dalam rangkaian tersebut
adalah 15 A, tentukan:
a. hambatan total
b.
tegangan listrik yang melalui setiap hambatan
c.
kuat arus di setiap resistor
d. Jika kemudian dirangkaikan seri dengan
hambatan 4 ohm, berapakah hambatan pengganti
pada rangkaian tersebut?
M
enguji Diri
E. Hukum I Kirchoff
Pada pembahasan rangkaian listrik telah disebutkan
bahwa arus listrik yang mengalir di setiap hambatan
pada rangkaian seri sama besar. Sedangkan, arus listrik
R
1
= 3
Ω
R
2
= 3
Ω
R
3
= 3
Ω
I = 15 A
V
Gambar 8.13
Rangkaian paralel
(R
1
= R
2
= R
3
= 3
Ω
)
Bab 8 - Listrik Dinamis
137
pada rangkaian paralel sebanding dengan beda potensial
dan berbanding terbalik dengan hambatan resistornya.
Hubungan antara arus yang mengalir dan rangkaian
hambatan listriknya pertama kali ditemukan oleh ilmuwan
fi
sika bernama
Kirchoff
. Kesimpulan dari hasil penelitiannya
yang hingga sekarang dikenal sebagai Hukum Kirchoff,
menyatakan bahwa kuat arus yang masuk melalui suatu
penghantar sama dengan kuat arus yang keluar dari
penghantar tersebut. Kesimpulan ini dapat dituliskan dalam
persamaan:
Jumlah I
masuk
=
Jumlah I
keluar
Contoh:
Suatu penghantar listrik dirangkai seperti pada Gambar
8.14. Arus yang masuk pada rangkaian itu adalah 12 A
dan arus yang mengalir di A adalah 3 A. Tentukanlah
arus di B dan di C!
Penyelesaian:
Diketahui:
I
m
= 12 A ;
I
A
= 3 A
Ditanya:
I
B
dan
I
C
Jawab:
Jumlah I
masuk
=
Jumlah I
keluar
-
Karena arus yang keluar dari A seluruhnya masuk
ke B, maka arus di B = arus di A. Jadi,
I
B
=
I
A
= 3 A.
-
I
C
=
I
m
–
I
A
= 12 A – 3 A = 9 A
Jadi, arus yang melalui cabang B adalah 3 A dan arus
yang melalui cabang C adalah 9 A.
AB
C
Gambar 8.14
Ketika dihubungkan dengan alat listrik, sebuah
baterai mengeluarkan arus sebesar 3 A. Jika
arus yang mengalir pada
R
1
adalah 0,5 A,
berapakah besar arus yang mengalir pada
R
2
dan
I
k
! (Lihat Gambar 8.15)
M
enguji Diri
I
m
ε
⋅
r
I
1
I
2
I
k
R
1
R
1
Gambar 8.15
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
138
K
ilasan Materi
•
Arus listrik adalah aliran proton atau muatan listrik positif yang mengalir
dari potensial tinggi ke potensial rendah.
•
Gaya gerak listrik (
ε
) adalah beda potensial antara kutub-kutub sebuah
sumber listrik ketika saklar terbuka dan tidak mengalirkan arus.
•
Tegangan jepit (V) adalah beda potensial antara kutub-kutub suatu elemen
listrik ketika saklar ditutup dan mengalirkan muatan listrik.
•
Hukum Ohm menyatakan bahwa:
R
= — atau
V
=
IR
•
Resistivitas adalah besaran
fi
sika dari suatu bahan yang tergantung pada
temperatur dan jenis bahan tersebut.
• Ran
gkaian seri dibuat untuk membagi-bagi beda potensial sekaligus
memperbesar hambatan listrik.
•
Hambatan pengganti untuk hambatan-hambatan yang disusun seri
adalah:
•
Hambatan pengganti untuk hambatan-hambatan yang disusun paralel
adalah:
—— = —– + —– + —– + ... + —–
•
Hukum Kirchoff menyatakan bahwa kuat arus yang masuk melalui suatu
penghantar sama dengan kuat arus yang keluar dari penghantar tersebut.
Jumlah I
masuk
= Jumlah I
keluar
V
I
1
R
tot
1
R
1
1
R
2
1
R
3
1
R
n
Setelah kamu mempelajari tentang listrik dinamis, coba kamu jelaskan kembali
konsep listrik dinamis! Manfaat apa yang kamu peroleh setelah mempelajari
listrik dinamis?
Bab 8 - Listrik Dinamis
139
1. Muatan listrik yang mengalir dari
potensial tinggi ke potensial rendah
disebut ....
a. beda potensial
b. arus listrik
c. hambatan listrik
d. gaya gerak listrik
2. Peristiwa munculnya gelembung-
gelembung gas hidrogen pada elek-
troda positif (tembaga) dalam sel
listrik disebut ....
a. polarisasi
b. depolarisasi
c. polarisator
d. depolarisator
3. Timah dan raksa tergolong jenis
bahan ....
a. isolator
b. semi konduktor
c. konduktor
d. super konduktor
4. Sel listrik yang tidak mengalami
polarisasi sehingga digunakan untuk
mengukur beda potensial adalah ....
a. sel volta
b. sel kering
c. sel Weston
d. akumulator
5. Jika sebuah baterai HP dialiri arus
sebesar 5 A selama 4 jam, muatan
yang ada dalam baterai itu adalah
....
a. 72 kC
b. 36 kC
c. 1200 C
d. 20 C
6. Beda potensial sebuah baterai pada
saat saklar tertutup adalah 6 volt
dengan hambatan dalam 0,2 ohm.
Jika saklar ditutup sehingga mengalir
arus sebesar 10 V, beda potensial saat
itu adalah ....
a.
3 V
c.
5 V
b.
4 V
d. 6 V
7.
Suatu penghantar yang dihubungkan
dengan sumber listrik yang beda
potensialnya 9 V dapat mengalirkan
arus sebesar 6 A. Hambatan
penghantar tersebut adalah ....
a. 0,67 ohm
b. 1,5 ohm
c. 3 ohm
d. 54 ohm
8.
Berikut ini adalah yang adalah yang
mempengaruhi hambatan kawat
logam,
kecuali
....
a.
massa jenis kawat
b. diameter kawat
c. panjang kawat
d. massa kawat
9.
4
Ω
2
Ω
6
Ω
A. Pilihlah jawaban yang paling tepat!
Uji Kemampuan
Suatu penghantar
dirangkai seperti
pada gambar di atas. Jika beda
potensial yang dihubungkan pada
rangkaian adalah 6 V, kuat arusnya
adalah ....
a.
2 A
c.
0,2 A
b.
1 A
d. 0,1 A
Ilmu Pengetahuan Alam untuk SMP/MTs Kelas IX
140
B. Jawablah pertanyaan-pertanyaan di bawah ini!
1.
Sebuah baterai mobil mainan
mampu menyimpan hingga 50.000 Coulomb. Jika
baterai tersebut dapat mengalirkan arus sebesar 5 A, berapa usia pakai baterai
tersebut?
2.
Akfen mempunyai 16 buah lampu pijar berwarna yang akan ia susun menjadi
dua buah rangkaian terpisah masing-masing 8 buah lampu. Rangkaian pertama
disusun secara seri dan rangkaian kedua disusun secara pararel. Jika salah satu
lampu pada tiap rangkaian dipadamkan, apa yang akan terjadi pada lampu lain
dari masing-masing rangkaian tersebut? Jelaskan jawabanmu!
3. Dua
buah hambatan masing-masing 3 W dan 9 W dirangkai secara pararel, kemudian
dirangkai kembali secara seri dengan hambatan lain sebesar 1,75 W. Rangkaian
tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan yang memiliki GGL 12 volt dan
hambatan dalam 2 W. Tentukan:
a.
kuat arus yang mengalir pada tiap-tiap hambatan luar
b.
tegangan pada tiap-tiap hambatan luar
4. S
uatu penghantar yang memiliki tiga cabang dialiri arus sebesar 40 A. Perbandingan
arus yang mengalir pada cabang pertama, kedua, dan ketiga adalah 2 : 3 : 5.
Hitunglah besar arus yang mengalir pada cabang ketiga!
5.
Perhatikan gambar di samping!
Tentukan:
a. hambatan pengganti
b.
kuat arus yang melalui setiap hambatan
c.
tegangan tiap-tiap hambatan
1.
Mengapa peristiwa mengalirnya elektron dari tempat yang potensialnya rendah
ke tempat yang potensialnya tinggi tidak disebut sebagai arus listrik?
2.
Hambatan jenis tembaga
adalah 1,27 × 10
-8
, sedangkan hambatan jenis besi adalah
9,41 × 10
-8
. Mengapa hambatan jenis besi lebih besar daripada hambatan jenis
tembaga? Bahan mana yang lebih baik untuk dijadikan konduktor? Jelaskan!
3.
Sebutkan sumber-sumber arus listrik yang dapat kamu temukan dalam kehidupan
sehari-harimu! Sumber arus listrik mana yang lebih e
fi
sien dan efektif untuk kamu
gunakan? Jelaskan! Diskusikan dengan teman sebangkumu!
3
Σ
2
Σ
3
Σ
6
Σ
2
Σ
II
36 V
ε
10. Jum
lah kuat arus yang masuk melalui
satu titik cabang sama dengan jumlah
kuat arus yang keluar darinya.
Pernyataan tersebut dikenal dengan
nama ....
a. hukum Ohm
b. hukum Kirchoff
d. hukum listrik
c. hukum Ampere