IPA · Bab V Listrik

Wasis

24/08/2021 14:36:08

SMP 9 K 13

Daftar Isi

Bab I Sistem Ekskresi, Reproduksi, dan Koordinasi Bab II Kelangsungan Hidup Organisme Bab III Pewarisan Sifat Bab IV Bioteknologi Bab V Listrik Bab VI Sumber Arus Listrik dan Energi Listrik Bab VII Kemagnetan Bab VIII Induksi Elektromagnetik Bab IX Tata Surya Bab X Litosfer dan Atmosfer

Halaman

Listrik

123456789012345678901234567890121234567890123456789012345678901212345678901234567890123456789012123456789012345678901234567890121234

Kilat atau halilintar sering kita jumpai ketika musim penghujan. Apakah sebenarnya kilat itu?

Bagaimana kilat dapat terjadi?

Listrik sudah menjadi kebutuhan penting dalam kehidupan sehari-hari. Bagaimana rangkaian

listrik di rumahmu? Komponen-komponen apa saja yang sering digunakan dalam rangkaian listrik.

Mari kita pahami konsep kelistrikan dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Dalam

pembelajaran ini kamu dapat mendeskripsikan muatan listrik untuk memahami gejala-gejala listrik

statis dan menganalisis percobaan listrik dinamis dalam suatu rangkaian beserta penerapannya.

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Kata Kunci

Listrik

Listrik Statis

Listrik Dinamis

Induksi Listrik

Medan Listrik

Potensial Listrik

Rangkaian Listrik

Hukum Ohm

Σ=Σ

Struktur Atom

Muatan Elementer

Proton

Elektron

Netron

Arus Listrik

Beda Potensial

Seri

Paralel

Rangkaian Listrik Tertutup

Hukum Kirchhoff

• atom

• arus listrik

• listrik

• tegangan listrik

• rangkaian listrik

• hambatan

terdiri dari

berlaku

Listrik

Sering sekali kita mendengar dan berhubungan dengan

listrik. Segala pekerjaan kita dipermudah dengan adanya listrik.

Adanya listrik mendorong manusia untuk menemukan alat-alat

berteknologi canggih guna membantu memudahkan pekerjaan

manusia. Setiap hari kita tak pernah lepas dari segala sesuatu

yang berhubungan dengan listrik. Semua alat-alat listrik yang

kita gunakan sekarang tidak akan ada jika tidak ada orang yang

menemukan listrik.

Sebenarnya, pengetahuan tentang listrik dimulai dari teori

atom, yaitu dengan ditemukannya atom dan teori-teori yang

menjelaskan tentang perkiraan-perkiraan struktur atom.

1. Struktur Atom

Pernahkah kamu mendengar istilah atom? Atom dalam

bahasa Yunani

atomos

yang berarti tidak dapat dibagi-bagi lagi.

Atom berarti juga partikel dari suatu materi yang paling kecil.

Pendapat bahwa atom merupakan bagian terkecil dari sebuah

materi akhirnya runtuh setelah

J.J. Thomson

, seorang ahli Fisika

Inggris berhasil menemukan

elektron

. Elektron berada di dalam

atom.

Penelitian mengenai atom lebih lanjut dilakukan oleh

Ernest

Rutherford

. Rutherford melalui percobaannya menyimpulkan

bahwa selain elektron, di dalam atom juga terdapat sebuah

muatan positif. Muatan positif ini kemudian disebut sebagai

proton

Penemuan elektron oleh J.J. Thomson dan proton oleh

Rutherford dilengkapi dengan hasil penelitian

Niels Bohr

. Hasil

penelitian ini seakan-akan membuktikan kebenaran penelitian-

penelitian sebelumnya. Dari hasil penelitiannya Bohr

menyimpulkan bahwa atom terdiri atas

inti atom

dan

kulit atom

Inti atom terdiri atas muatan positif atau

proton

dan muatan

netral atau

neutron

. Inti atom ini dikelilingi oleh elektron yang

menempati kulit atom. Struktur atom yang terdiri atas inti atom

dan kulit atom ditunjukkan pada

Gambar 5.1

Penelitian lebih jauh dapat diketahui bahwa massa inti atom

lebih besar daripada massa elektron. Massa inti hampir sama

dengan massa atomnya sendiri. Hampir semua massa atom

berpusat pada inti atom.

Tahukah kamu bahwa sistem atom ini mempunyai

kemiripan dengan tata surya di mana bumi kita sebagai salah

satu anggotanya? Di dalam tata surya matahari bertindak sebagai

inti dan planet-planetnya mengelilingi matahari. Penjelasan lebih

mendalam mengenai atom ini dijelaskan pada bab khusus Teori

Atom di SMA.

Gambar 5.1

Struktur atom menurut

Niels Bohr

Listrik Statis

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

2. Muatan Listrik

Sebelum mengetahui lebih lanjut tentang listrik statis, mari

kita lakukan kegiatan berikut!

Kegiatan 5.1

Menjadikan Benda Bermuatan Listrik

Alat dan Bahan

Sisir, sobekan-sobekan kecil kertas, dan kain wol.

Prosedur Kerja

1. Gosoklah sisir dengan kain wol beberapa kali.

2. Dekatkan sisir tersebut pada sobekan kertas-kertas.

3. Apa yang terjadi? Apakah sobekan-sobekan kertas

tersebut menempel ke sisir?

4. Jika percobaan kamu benar, sobekan-sobekan kertas

tersebut akan menempel pada sisir. Jika kamu belum

berhasil, ulangi langkah-langkah di atas.

Sisir yang telah digosok dengan kain wol dapat menarik

sobekan-sobekan kertas. Mengapa hal ini terjadi? Pada awalnya,

kain wol dan sisir keduanya tidak bermuatan. Tidak bermuatan

berarti jumlah elektron dan proton dalam atom plastik dan wol

tersebut adalah sama. Gosokan kain wol pada sisir mengakibat-

kan elektron-elektron yang terdapat pada kain wol berpindah

ke sisir. Dengan demikian, sisir tersebut akan menerima elektron

dari kain wol sehingga jumlah elektronnya lebih banyak dari-

pada protonnya. Sisir tersebut menjadi bermuatan negatif.

Ketika didekatkan dengan sobekan-sobekan kertas, sobekan-

sobekan kertas ini akan tertarik oleh sisir tersebut. Dengan

menggosok-gosokkan dua benda (sisir dan kain wol) dapat

membuat benda bermuatan listrik. Metode ini disebut metode

gesekan. Contoh lain adalah ebonit akan bermuatan negatif jika

digosok dengan kain wol dan kaca akan bermuatan positif jika

digosok dengan kain sutra. Jadi, dapat disimpulkan bahwa

sebuah benda yang bermuatan listrik dapat menarik benda-

benda di sekitarnya.

Listrik statis

adalah listrik yang muatan-

muatannya tidak mengalir atau ada dalam keadaan diam.

Mengapa sisir, kain wol, dan benda-benda lainnya dapat

mempunyai muatan? Setiap materi tersusun oleh partikel-

partikel dan setiap partikel tersusun oleh atom-atom. Atom

terdiri atas inti atom yang tersusun oleh proton dan neutron.

Inti atom ini diselimuti oleh kulit atom. Pada kulit atom, terdapat

elektron-elektron. Proton disebut juga muatan positif, sedangkan

neutron merupakan muatan listrik netral. Adapun elektron

adalah muatan listrik negatif.

Listrik

Jika suatu materi mempunyai jumlah proton sama dengan

jumlah elektron, materi tersebut dikatakan tidak bermuatan atau

netral. Jika jumlah proton lebih banyak daripada jumlah

elektron, sehingga atom-atomnya kekurangan elektron, maka

atom tersebut dikatakan bermuatan positif. Adapun atom

dikatakan bermuatan negatif jika jumlah elektron lebih banyak

daripada jumlah proton, sehingga atom-atomnya kelebihan

elektron.

a. Muatan Listrik Elementer

Telah disebutkan bahwa suatu benda dikatakan bermuatan

listrik jika atom-atom benda tersebut kekurangan atau

kelebihan elektron. Besarnya muatan listrik bergantung pada

seberapa banyak atom-atom tersebut kekurangan atau

kelebihan elektron. Semakin banyak atom-atomnya

kekurangan atau kelebihan elektron, maka semakin besar

muatannya.

Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah

Coulomb (C). Berapakah muatan listrik sebuah elektron,

proton, dan neutron?

Muatan elektron =

–1,6 × 10

-19

Coulomb

Muatan proton =

+1,6 × 10

-19

Coulomb

Muatan neutron =

0 (tidak bermuatan)

1. Apakah yang dimaksud atom?

2. Jelaskan penemuan ilmuwan berikut yang berkaitan dengan atom!

a. J.J. Thomson

b. Ernest Rutherford

c. Niels Bohr

3. Mengapa mistar plastik yang telah digosok dengan kain wol dapat menarik serpihan-

serpihan kertas?

3. Berapakah muatan listrik suatu benda yang atom-atomnya kekurangan 10 elektron?

4. Menurutmu, adakah benda yang atom-atomnya hanya terdiri atas elektron saja?

5. Jelaskan perbedaan antara benda bermuatan positif dan benda bermuatan negatif!

Latihan 5.1

b. Interaksi Muatan Listrik

Kamu telah mengetahui bahwa suatu benda dapat

bermuatan dengan cara digosok. Jika kita cermati, Tuhan

Yang Maha Esa telah menciptakan makhluk-Nya dengan

berpasang-pasangan, contohnya ada laki-laki dan ada

perempuan. Pasangan-pasangan tersebut akan berinteraksi

baik dengan pasangannya maupun dengan sesamanya.

Begitupun muatan, muatan ada yang bermuatan positif dan

ada yang bermuatan negatif. Untuk mengamati interaksi

antarmuatan ini lakukan kegiatan berikut.

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Ketika kamu menggosok-gosok mistar plastik dengan kain wol,

kamu telah membuat kedua mistar plastik tersebut bermuatan

negatif. Kedua mistar plastik yang telah bermuatan negatif

tersebut didekatkan satu sama lain, ternyata ada sebuah gaya

yang menentang atau menolak kedua penggaris tersebut untuk

bersentuhan. Charles Augustin de Coulomb telah meneliti

fenomena ini dan menyimpulkan bahwa ada interaksi antara

muatan-muatan listrik.

Bagaimana interaksi muatan-muatan listrik? Dari

Kegiatan 5.2

dua buah mistar yang bermuatan negatif, terjadi interaksi saling

menolak. Coulomb telah menemukan bahwa jika dua muatan

sejenis didekatkan, di antara keduanya akan terjadi interaksi

saling menolak. Sedangkan jika dua muatan yang tidak sejenis

didekatkan, akan terjadi interaksi saling menarik.

Untuk membuktikan kesimpulan Coulomb bahwa dua muatan

yang berlainan jenis akan saling menarik, mari kita lakukan

kegiatan berikut!

Kegiatan 5.2

Interaksi Muatan Listrik Sejenis

Alat dan Bahan

Dua buah mistar plastik, tali, dan kain wol.

Prosedur Kerja

1. Gantunglah salah satu penggaris dengan tali sedemikian

sehingga pada penggaris tersebut tidak ada gaya lain yang

bekerja selain gaya gravitasi.

2. Dengan kain wol, gosoklah kedua mistar plastik beberapa

saat.

3. Lepaskan penggaris yang digantung sehingga bergantung bebas.

4. Dekatkan penggaris yang kamu pegang pada penggaris yang sedang menggantung.

5. Amatilah apa yang terjadi. Berikan kesimpulanmu.

Kegiatan 5.2

Interaksi Muatan Listrik Berbeda Jenis

Alat dan Bahan

Mistar plastik, kain wol, batang kaca, kain sutra, dan tali.

Prosedur Kerja

1. Gantunglah batang kaca dengan tali.

2. Gosoklah mistar plastik dengan kain wol dan gosok pula

batang kaca dengan kain sutra.

3. Dekatkan mistar plastik dengan batang kaca yang tergantung.

4. Amati apa yang terjadi. Berikan kesimpulanmu.

Listrik

Ketika kamu menggosokkan kain wol ke mistar plastik,

maka terjadi perpindahan elektron dari wol ke mistar plastik

sehingga mistar plastik tersebut bermuatan listrik negatif.

Penggosokan batang kaca dengan kain sutra menyebabkan

elektron pindah dari kaca ke sutra sehingga batang kaca

bermuatan positif. Ketika didekatkan, antara mistar plastik

dan batang kaca terjadi gaya tarik-menarik. Mengapa hal

ini terjadi? Sesuai dengan yang disimpulkan oleh Coulomb

bahwa muatan tidak sejenis akan tarik-menarik. Mistar dan

batang kaca pada kegiatan ini mempunyai muatan yang

tidak sejenis, sehingga antara keduanya terjadi gaya tarik-

menarik. Contoh benda-benda yang bermuatan listrik karena

digosok dengan benda lain ditunjukkan pada

Tabel 1.1

Tabel 5.1

Muatan listrik suatu benda karena digosok benda

lain

Benda

Digosok dengan

Plastik

Ebonit

Kaca

Sisir

Muatan Listrik

kain wol

kain sutera

rambut

negatif

positif

negatif

c. Hukum Coulomb

Ketika dua buah muatan sejenis didekatkan satu sama lain,

terdapat sebuah gaya yang saling menolak yang mencegah

kedua muatan tersebut bersatu. Sebaliknya, jika dua buah

muatan yang berlainan jenis didekatkan, akan timbul gaya

saling menarik. Gaya tolak-menolak dan gaya tarik-menarik

ini disebut

gaya elektrostatis.

Coulomb berhasil menghitung besarnya gaya antarmuatan

ini. Sebagai penghargaan atas penemuannya, gaya

antarmuatan ini dinamakan

gaya Coulomb

. Dalam

penelitiannya, Coulomb menggunakan alat yang dinamakan

neraca puntir, seperti terlihat pada

Gambar 5.2

Jika bola A dan B yang bermuatan sejenis didekatkan, maka

akan tolak menolak, sehingga lengan neraca terpuntir dari

kedudukan seimbang. Makin besar sudut puntiran lengan

neraca, makin besar gaya listrik. Coulomb mengukur gaya

listrik untuk berbagai pasangan bola A dan B yang muatan

listriknya berbeda dan gaya listrik antara pasangan bola A

dan B untuk berbagai jarak pisah dengan dasar sudut

puntiran tersebut.

Dari hasil penelitiannya, Charles Coulomb menyimpulkan

sebagai berikut.

Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak

antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding

dengan hasil kali kedua muatan tersebut dan

berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara

kedua muatan tersebut.

Gambar 5.2

Neraca puntir

penggantung

dilengkapi

pegas

serabut

penggantung

Tokoh Sains

Coulomb

Charles-Augustin de Coulomb

(14 Juni 1736 - 23

Agustus 1806)

adalah seorang ilmuwan Perancis.

Coulomb berbakat besar dalam

bidang matematika dan belajar teknik

untuk menjadi Korps Ahli Teknik

Kerajaan. Setelah bertugas di

Martinique selama beberapa tahun,

ia kembali ke Paris dan di tahun 1779

terpilih menjadi anggota Akademi

Ilmiah di tahun 1781.

Percobaan awal Coulomb meliputi

tekanan yang bisa memecahkan

suatu benda (1773) dan ini adalah

awal ilmu modern tentang kekuatan

benda-benda. Karyanya di bidang

listrik dan magnet yang membuatnya

begitu terkenal, baru diterbitkan

dalam serangkaian makalah antara

tahun 1785 dan 1789.

Sumber: id.wikipedia.org

100

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Misalkan muatan pertama dilambangkan dengan

, muatan

kedua dilambangkan dengan

, dan jarak antara kedua

muatan tersebut dilambangkan

. Besarnya gaya coulomb

dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.

⋅

=⋅

......... (5.1)

Keterangan:

gaya coulomb (N)

tetapan = 9 × 10

besar muatan (coulomb)

jarak antarmuatan (m)

Contoh

1. Diketahui dua buah muatan listrik masing-masing

bermuatan +5 × 10

-9

C dipisahkan oleh jarak 0,5 cm.

Bagaimanakah in-teraksi kedua muatan tersebut? Hitunglah

gaya Coulombnya!

Jawab:

= +5 × 10

–9

0,5 cm = 0,5 × 10

–2

.... ?

⋅

()()

()

922

510 C 510 C

910 N.m/C

0,5 10 m

−−

−

×⋅×

×⋅

9 × 10

-3

Karena kedua muatan tersebut sejenis, interaksi antara kedua

muatan tersebut adalah tolak menolak. Besar gaya tolak

menolaknya adalah 9 × 10

–3

2. Dua buah muatan listrik masing-masing bermuatan

+8 × 10

–9

C dipisahkan oleh jarak

. Jika diketahui gaya

coulomb antara dua muatan tersebut adalah 3,6 × 10

–4

hitunglah nilai

Jawab:

= +8 × 10

–9

3,6 × 10

–4

.... ?

⋅

=⋅

()()

4922

810 C 810 C

3, 6 10 N

9 10 Nm / C

−−

−

×⋅×

⇔× =×

⋅

576 10 Nm

3, 6 10 N

−

⇔× =

576 10 Nm

16 10

3,6 10 N

−

⇔=

=×

16 10 m

4 10 m

−−

⇔= ×

=×

Jadi, nilai

adalah 4 × 10

–2

m atau 4 cm.

Gambar 5.3

Muatan yang sejenis

akan tolak menolak dan

muatan yang tidak se-

jenis akan tarik menarik.

Listrik

101

Selain dipengaruhi oleh muatan dan jarak antarmuatan, gaya

Coulomb juga dipengaruhi oleh medium di antara kedua

muatan tersebut. Gaya Coulomb antara dua muatan yang

terletak di dalam medium air akan berbeda ketika kedua

muatan tersebut terletak di udara.

d. Elektroskop

Bagaimana mengetahui sebuah benda bermuatan atau tidak?

Untuk mengetahui apakah sebuah benda bermuatan atau

tidak dapat diamati menggunakan alat yang dinamakan

elektroskop. Elektroskop yang paling umum digunakan

adalah elektroskop lembaran emas. Skema elektroskop

terlihat seperti

Gambar 5.4

Prinsip kerja alat ini berdasarkan sifat muatan, yaitu akan

saling menolak jika didekatkan dengan muatan yang sejenis.

Elektroskop berbentuk tabung. Di dalam tabung terdapat

lembaran emas yang dapat diberi muatan dari bagian atas

melalui sebuah kawat konduktor. Jika sebuah benda

bermuatan ditempelkan pada kawat konduktor, maka

lembaran emas dan batang akan bermuatan pula. Karena

jenis muatannya sama, keduanya akan saling menolak dan

lembaran emas akan menjauhi batang membentuk huruf

"V" terbalik. Semakin besar muatan yang diberikan,

lembaran tersebut semakin jauh membuka. Dengan

demikian kita dapat mengetahui bahwa benda yang

ditempelkan pada ujung atas elektroskop bermuatan.

Bagaimana menentukan jenis muatan listrik suatu benda?

Kamu tidak dapat menggunakan elektroskop netral untuk

menentukan jenis muatan suatu benda, oleh karena itu kamu

harus menggunakan elektroskop bermuatan listrik. Misal

elektroskop bermuatan negatif yang daun/lembarannya

mekar. Perhatikan

Gambar 5.5

Gambar 5.4

Elektroskop

batang logam

tabung

kaca

pelat

logam

lembaran

emas

kepala logam

–

Gambar 5.5

a. Elektroskop listrik negatif.

Ketika didekatkan benda bermuatan negatif, lembaran/daun naik.

c. Ketika didekatkan benda bermuatan positif, lembaran/daun turun.

benda bermuatan

listrik negatif

elektroskop

bermuatan

benda bermuatan

listrik positif

lembaran

naik

lembaran

turun

102

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Gambar 5.5a

menunjukkan sebuah elektroskop bermuatan

listrik negatif. Ketika didekati suatu benda bermuatan listrik,

lembaran/daun pada elektroskop makin naik, berarti benda

bermuatan yang didekatkan kepala elektroskop mempunyai

muatan yang sejenis dengan muatan elektroskop, yaitu

bermuatan negatif (

Gambar 5.5b

). Sebaliknya pada

Gambar

5.5c

ketika kepala elektroskop didekati benda bermuatan

listrik, lembaran/daun elektroskop makin turun (lebih

menguncup). Ini berarti benda bermuatan yang didekatkan

pada kepala elektroskop mempunyai muatan yang tidak

sejenis dengan muatan elektroskop. Muatan benda ber-

muatan yang didekatkan kepala elektroskop tersebut

bermuatan positif.

3. Induksi Listrik

Kamu telah mengetahui bahwa sebuah benda dapat ber-

muatan listrik dengan cara digosok. Selain digosok, sebuah

benda dapat bermuatan dengan cara induksi. Bagaimana

terjadinya induksi listrik?

Gambar 5.6

memperlihatkan sebuah batang P yang tidak

bermuatan (netral). Terlihat bahwa jumlah elektron dan jumlah

protonnya sama. Ketika sebuah batang Q yang bermuatan

negatif didekatkan pada ujung B, muatan-muatan pada batang

P akan bereaksi. Semua muatan negatif akan menolak muatan

negatif yang berasal dari batang Q, sedangkan semua muatan

positif akan tertarik oleh batang Q. Hal ini sesuai dengan sifat

elektron yang akan saling menolak jika muatannya sama dan

akan saling menarik jika muatannya berbeda.

Muatan negatif batang P akan berkumpul di ujung A dan

muatan positif akan berkumpul di ujung B. Jika ujung A batang

P didekatkan pada elektroskop, apa yang terjadi? Keping yang

terdapat pada elektroskop pasti akan membuka karena

memperoleh muatan sejenis yaitu muatan negatif dari ujung A

batang P. Peristiwa ini disebut sebagai

induksi listrik

4. Medan Listrik

Konon, ketika Newton menemukan hukum gravitasi,

diilhami oleh sebuah apel yang jatuh dari pohonnya ke tanah.

Newton memikirkan mengapa hal tersebut terjadi. Hasil

pemikirannya sampai pada sebuah kesimpulan bahwa di antara

dua buah benda yang mempunyai massa ada interaksi tarik-

menarik. Kesimpulan ini terkenal dengan

hukum gravitasi

Newton.

Buah apel akan jatuh ke tanah karena ada gaya tarik bumi

yang disebut

gaya gravitasi.

Massa bumi jauh lebih besar

daripada massa sebuah apel. Oleh karena itu, apel akan tertarik

oleh bumi, bukan sebaliknya. Dalam hal ini, dikatakan bahwa

apel terletak pada medan gravitasi bumi.

Dua buah muatan yang diletakkan pada jarak tertentu akan

mengalami hal serupa dengan buah apel yang jatuh ke bumi.

Sebuah muatan akan mempunyai medan listrik di sekitarnya

Gambar 5.6

a. Batang P yang netral

(tidak bermuatan)

Batang P didekatkan

dengan batang Q

yang bermuatan ne-

gatif.

batang P

batang Q

batang P

Listrik

103

sehingga jika sebuah muatan uji diletakkan pada jarak tertentu,

muatan uji tersebut akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak

dari muatan tersebut selama muatan uji tersebut berada dalam

medan listrik bermuatan.

edan listrik

adalah daerah di sekitar benda bermuatan

listrik. Benda bermuatan listrik mempunyai garis-garis, seperti

ditunjukkan pada

Gambar 5.7

. Garis-garis gaya listrik pada

muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan negatif

garis-garis gayanya menuju pusat. Garis-garis gaya berasal dari

muatan positif menuju muatan negatif seperti ditunjukkan pada

Gambar 5.8

Misalkan, sebuah muatan uji

diletakkan pada jarak tertentu

dari muatan

. Ternyata, muatan uji tersebut akan tertarik oleh

muatan

. Dalam hal ini muatan uji

berada di dalam medan

listrik muatan

. Bagaimana menentukan besarnya kuat medan

listrik muatan

? Kuat medan listrik didefinisikan sebagai

berikut.

Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan

uji

akibat adanya muatan

dibagi dengan besarnya

muatan uji

Dalam bentuk matematis, definisi tersebut dituliskan dalam

persamaan sebagai berikut.

gaya Coulomb

kuat medan listrik

muatan uji

⋅

==⋅

......... (5.2)

Keterangan:

kuat medan (N/C)

muatan (C)

jarak muatan uji ke muatan tertentu (m)

Dari

Persamaan (5.2)

terlihat bahwa untuk mengetahui

besarnya kuat medan listrik dari sebuah muatan, kita hanya

memerlukan besarnya muatan tersebut serta jarak muatan uji

dari muatan yang akan dicari besar medan listriknya. Terlihat

bahwa semakin besar muatannya, semakin besar kuat medan

listriknya untuk jarak yang sama. Semakin dekat muatan uji

dari suatu muatan yang akan dicari kuat medannya, semakin

besar kuat medan listriknya untuk muatan yang sama.

Contoh

Hitunglah kuat medan listrik dari sebuah muatan

yang

muatannya 7 × 10

-9

C pada jarak 7 cm dari muatan tersebut!

Jawab:

+7 × 10

-9

7 cm = 7 × 10

-2

.... ?

Gambar 5.7

a. Medan listrik muatan

positif.

Medan listrik muatan

negatif.

Gambar 5.8

Garis-garis gaya listrik

antara muatan positif

dan negatif.

104

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

⋅

()

710

910

710

−

×⋅

1,29 × 10

Jadi, kuat medan listriknya sebesar 1,29 × 10

N/C.

6. Penerapan Listrik Statis

Listrik statis juga dapat dihasilkan dengan menggunakan

generator listrik statis. Contoh generator listrik statis adalah

generator Van de Graaff (

Gambar 5.9

Generator Van de Graaff menghasilkan listrik statis yang besar

dengan metode gesekan. Gesekan antara silinder logam bawah

dengan sabuk karet menimbulkan muatan listrik negatif pada

sabuk karet. Gesekan antara silinder politen atas dengan sabuk

karet menimbulkan muatan positif pada sabuk karet. Jadi, gerak

sabuk karet ke atas selalu membawa muatan listrik negatif dan

gerak ke bawah selalu membawa muatan listrik positif. Muatan

listrik negatif menempati permukaan luar bola yaitu kubah. Di

dalam bola tidak ada muatan listrik. Karena sabuk karet terus

bergerak, maka muatan listrik negatif pada kubah terus

bertambah. Muatan listrik positif pada sabuk karet bawah

mengalir ke tanah, sehingga muatan ini dinetralkan oleh muatan

listrik dari tanah.

Contoh penerapan listrik statis antara lain sebagai berikut.

a. Pengendap elektrostatis pada cerobong asap, fungsinya

membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong

asap agar tidak mengandung partikel-partikel pencemar.

b . Pengecatan mobil, penggunaan penyemprot cat elektrostatis.

c. Mesin fotokopi (selain menerapkan konsep optik).

d. Petir

Petir merupakan fenomena listrik statis yang sering terjadi

pada waktu hujan badai. Awan badai terbentuk oleh uap

air, debu, garam dari lautan, dan bahan-bahan lainnya. Di

dalamnya arus udara mengalir dengan kencang sehingga

menyebabkan partikel-partikel di dalam awan tersebut

tersebut saling bertabrakan. Pada peristiwa tabrakan itu

terjadi pelepasan elektron antara partikel yang satu dengan

partikel yang lain. Partikel yang kehilangan elektron akan

bermuatan positif sedangkan partikel yang menerima

elektron akan bermuatan negatif. Para ilmuwan belum

mengetahui secara pasti mengapa partikel yang relatif lebih

berat cenderung bermuatan negatif dan partikel yang lebih

ringan cenderung bermuatan positif. Hal inilah yang

menyebabkan pada bagian bawah awan berkumpul partikel

bermuatan negatif dan pada bagian atas awan berkumpul

partikel bermuatan positif.

silinder

logam

bola logam

berongga

(kubah)

ujung lancip

sabuk karet

silinder

logam

ujung lancip

Gambar 5.9

Generator Van de Graaff

Sumber:

Ensiklopedia IPTEK

Listrik

105

Info Sains

Apakah hanya listrik saja

yang mempunyai medan?

Tidak, bukan hanya listrik saja

yang memiliki medan. Misalnya

gravitasi dan suhu. Pada prinsip-

nya, selama suatu benda dapat

merasakan pengaruh dari

benda lain dikatakan benda

tersebut berada dalam sebuah

medan.

Tugas 5.1

Carilah pemanfaatan listrik statis yang lain dalam

kehidupan sehari-hari kemudian diskusikan dengan

teman kelompokmu!

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan gaya yang terjadi antarmuatan!

2. Apa yang dimaksud dengan medan listrik? Besaran-besaran fisika apa saja yang

mempunyai medan?

3. Hitunglah kuat medan listrik dari sebuah muatan Q yang muatannya 5 × 10

–9

C pada

jarak 4 cm dari muatan tersebut!

4. Apa yang dimaksud beda potensial listrik?

5. Beda potensial listrik benda P dan benda Q diketahui sebesar 10 J/C dan besar muatan

yang dapat dipindahkan adalah 20 C. Hitunglah usaha yang dilakukan untuk

memindahkan muatan tersebut!

Latihan 5.2

Lampu pijar merupakan aplikasi pemanfaatan listrik. Lampu

pijar menghasilkan energi cahaya dengan prinsip arus mengalir

melewati kawat tipis dan menimbulkan sinar putih–panas. Saat

arus listrik mengalir melalui kumparan, kumparan akan panas

secara cepat dan memancarkan cahaya. Apa yang dimaksud

dengan arus listrik?

Listrik Dinamis

Selama hujan badai terjadi, bumi yang bermuatan positif

akan menarik awan yang bermuatan negatif ke bawah. Pada

proses ini muatan akan mencari proses penyaluran yang

paling pendek, yaitu tempat-tempat yang paling dekat

dengan awan, seperti gedung-gedung tinggi, pohon, dan

antena pemancar. Ketika terjadi petir, suhunya dapat

mencapai ribuan derajat Celsius dan mengandung energi

ribuan mega volt. Kekuatan petir dapat menghancurkan

gedung, membunuh hewan dan manusia, serta dapat

memusnahkan pohon menjadi serpihan-serpihan.

Untuk melindungi gedung-gedung pencakar langit dari petir,

Benjamin Franklin,

ilmuwan abad ke-17, memprakarsai

pembuatan penangkal petir. Saat ini para ilmuwan banyak

melakukan eksperimen untuk memanfaatkan energi listrik

dalam petir yang sangat besar.

106

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

1. Pengertian Arus Listrik

Pernahkah kamu menggunakan slang air untuk menyiram

tanaman? Dari mana air yang digunakan untuk menyiram

tanaman tersebut? Hampir setiap rumah mempunyai sebuah

penampungan air yang digunakan untuk mandi, memasak, dan

sebagainya. Penampungan air diletakkan pada tempat yang

cukup tinggi. Biasanya ketinggiannya hampir sama dengan atap

rumah. Selang air yang digunakan untuk menyiram tanaman

berasal dari tempat penampungan air melalui pipa. Mengapa

air dapat memancar dengan deras dari selang? Air dalam

penampungan yang diletakkan pada ketinggian mempunyai

energi potensial. Apakah energi potensial itu? Kamu telah

mempelajarinya di kelas VII. Energi potensial adalah energi yang

dimiliki sebuah benda karena benda tersebut mempunyai

ketinggian. Ketinggian ini diukur relatif dari tanah. Energi

potensial ini dapat berubah menjadi energi gerak (energi

kinetik). Air dapat mengalir melalui selang karena adanya beda

potensial antara tempat penampungan air yang berada pada

suatu ketinggian dengan ujung selang yang kamu pegang.

Karena beda potensial ini air mengalir melalui slang. Aliran air

ini dinamakan arus. Semakin tinggi tempat penampungan air

diletakkan, semakin deras arus air yang keluar dari ujung slang.

Bagaimana dengan arus listrik? Perumpamaan arus listrik

mirip dengan arus air yang melalui slang seperti penjelasan di

atas. Jika pada arus air, yang mengalir adalah air, sedangkan

pada arus listrik yang mengalir adalah muatan listrik. Pada abad

ke-19, para ilmuwan telah sepakat bahwa arus listrik merupakan

aliran muatan positif pada suatu penghantar karena perbedaan

potensial.

Ternyata, setelah ditemukan elektron oleh J.J. Thompson,

anggapan ini keliru. Bukan muatan positif yang mengalir,

melainkan muatan negatif atau elektron. Akan tetapi, anggapan

bahwa arus listrik mengalir dari kutub yang bermuatan positif

ke kutub yang bermuatan negatif masih digunakan. Hal ini

dikarenakan kuantitas banyaknya elektron yang mengalir dalam

satu arah sama dengan jumlah muatan negatif yang mengalir

dalam arah berlawanan. Pengertian arus listrik merupakan aliran

muatan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah disebut

arus konvensional. Perhatikan

Gambar 5.11

Arus elektron berlawanan arah dengan arus konvensional.

amperemeter

arus konvensional

arus elektron

penampungan air

ketinggian air

(beda potensial)

air mengalir

di dalam pipa

Gambar 5.10

Air dapat mengalir me-

lalui selang dan meman-

car karena memiliki beda

potensial (ketinggian)

antara tanah dan tempat

penampungan air

Listrik

107

Pada pembahasan tentang beda potensial listrik telah dibahas

bahwa suatu benda mempunyai beda potensial tertentu.

Semakin besar beda potensial listrik semakin besar arus listrik

yang dapat ditimbulkan. Tidak seperti aliran air, aliran arus listrik

tidak dapat kamu lihat. Akan tetapi bukti bahwa arus listrik

memang ada dapat kamu lihat pada lampu di rumahmu yang

menyala merupakan.

Gambar 5.12

merupakan rangkaian sederhana yang

membuktikan bahwa arus listrik mengalir pada rangkaian

tersebut yang ditandai dengan menyalanya lampu ketika saklar

ditutup. Dengan menutup saklar, menjadikan rangkaian

tersebut menjadi rangkaian tertutup sehingga arus listrik dapat

mengalir.

Ada istilah penting yang sering digunakan dalam

pembahasan listrik dinamis yaitu rangkaian listrik tertutup dan

rangkaian listrik terbuka. Ketika kamu menyambungkan saklar,

arus listrik dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu

dapat menyala. Sebaliknya, jika saklar terbuka, arus listrik tidak

dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu tidak menyala.

Coba kamu simpulkan sendiri apa yang dimaksud rangkaian

listrik tertutup dan rangkaian listrik terbuka.

Gambar 5.12

Arus listrik mengalir di

dalam sebuah rangkaian.

baterai

lampu

saklar

Kegiatan 5.4

Arus Listrik dalam Rangkaian Tertutup

Alat dan Bahan

Dua buah lampu kecil 3 volt dan dudukannya, 2 buah

baterai dan dudukannya, dan dua buah saklar.

Prosedur Kerja

1. Buatlah rangkaian seperti gambar di samping.

2. Tutuplah saklar 1 dan saklar 2. Apakah lampu 1 dan

lampu 2 menyala?

3. Biarkan saklar 1 tetap tertutup. Bukalah saklar 2, apa

yang terjadi?

4. Bukalah saklar 1 dan tutup saklar 2, apa yang terjadi?

5. Apakah kesimpulan dari kegiatan ini?

saklar 1

saklar 2

lampu 2

lampu 1

baterai 2

baterai 1

Kegiatan 5.4

merupakan kegiatan yang membuktikan

bahwa arus listrik mengalir di dalam rangkaian tertutup. Ketika

kedua saklar tertutup, kedua lampu menyala. Ketika saklar 1

tertutup dan saklar 2 terbuka, ternyata lampu 1 menyala dan

lampu 2 padam. Sebaliknya, ketika saklar 1 terbuka dan saklar

2 tertutup, maka lampu 1 padam dan lampu 2 menyala.

2. Kuat Arus Listrik

Ketika kamu memancarkan air dari slang, kamu dapat

melihat kekuatan air memancar. Semakin tinggi tempat

penampungan air, semakin kencang air tersebut memancar.

Gambar 5.13

Nyala lampu senter ma-

kin redup jika sering

dipakai.

108

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Jika sebuah lampu senter dinyalakan dan baterai yang

digunakan adalah baterai baru, apa yang terjadi? Lampu senter

tersebut akan menyala terang. Akan tetapi cahaya lampu senter

yang terang tidak akan bertahan selamanya. Semakin lama

lampu senter tersebut dinyalakan, cahaya lampu senter tersebut

semakin redup.

Mobil-mobilan yang menggunakan baterai akan melaju

dengan cepat dan lincah jika baterai yang digunakannya masih

baru. Akan tetapi, mobil-mobilan tersebut akan semakin lemah

jika baterainya semakin sering digunakan.

Dari kedua contoh di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa

kuat arus dipengaruhi oleh potensial sumber arus listrik tersebut.

Semakin besar beda potensialnya, semakin besar kuat arus yang

dapat dihasilkannya. Apakah arus listrik itu? Perhatikan sebuah

baterai. Sebuah baterai mempunyai dua kutub, yaitu kutub

positif dan kutub negatif. Kutub positif mempunyai potensial

lebih besar daripada kutub negatif. Oleh karena itu, muatan

listrik dapat mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. Aliran

muatan ini semakin lama semakin kecil. Jadi, ada hubungan

antara kuat arus dan waktu.

Kuat arus listrik

didefinisikan sebagai banyaknya muatan

listrik yang mengalir setiap sekon. Kuat arus listrik

dilambangkan dengan

dan satuannya adalah ampere (

Satu ampere merupakan muatan 1 Coulomb yang mengalir

setiap satu sekon. Jika definisi kuat arus ini dituliskan dalam

bentuk matematika, diperoleh:

......... (5.3)

Keterangan

kuat arus listrik (A = ampere)

muatan listrik (C = Coulomb)

waktu (s = sekon)

Satuan kuat arus lainnya adalah sebagai berikut.

a. miliampere (mA), 1 mA = 10

-3

b . mikroampere (

A), 1

A = 10

-6

Contoh

1. Muatan sebesar 180 coulomb mengalir dalam 30 detik.

Hitunglah kuat arus listriknya!

Jawab:

= 180 C

= 30 sekon

= .... ?

180 C

6 C/s

30 s

Jadi, besarnya arus listrik adalah 6 A.

2. Jika diketahui kuat arus sebuah sumber arus listrik adalah

5 A, hitunglah muatan yang mengalir selama 1 menit!

Q = I × t

Gambar 5.14

Segitiga ohm

Listrik

109

Jawab:

=5 A

1 menit = 60 detik

Q =

.... ?

5 A 60 s

300 C

IQIt

=⇔=×=×=

Jadi, banyaknya muatan yang mengalir adalah 300 C.

Tugas 5.2

Baterai ponsel y

ang kosong perlu d

iisi ulang agar dapat

digunakan lagi.

Carilah infomasi tentang apa yang dimaksud

isi ulang (

recharge

)! Bagaimana cara kerjanya dan mengapa

ada baterai yang dapat diisi ulang dan ada yang tidak?

3. Mengukur Kuat Arus Listrik

Telah disebutkan bahwa kuat arus listrik mempunyai satuan

ampere.

Satu ampere

didefinisikan sebagai banyaknya muatan

yang mengalir setiap satu sekon.

Bagaimana jika kamu ingin mengetahui besarnya arus listrik

dari sebuah baterai 1,5 volt? Untuk mengukur kuat arus listrik

digunakan sebuah alat yang dinamakan

amperemeter

Penggunaan amperemeter ini dihubungkan dengan kedua

kutub baterai yaitu kutub positif dan kutub negatif sedemikian

sehingga arus listrik dari baterai melewati amperemeter. Untuk

lebih memahami bagaimana penggunaan amperemeter, lakukan

kegiatan berikut!

Gambar 5.15

Amperemeter disusun

seri dalam rangkaian

listrik.

baterai

lampu

amperemeter

Kegiatan 5.5

Menggunakan Amperemeter

Alat dan Bahan

Sebuah amperemeter, baterai beserta dudukannya,

lampu, dan kabel secukupnya.

Prosedur Kerja

1. Buatlah rangkaian seperti gambar di samping.

2. Amati jarum pada amperemeter.

Ketika amperemeter dihubungkan dengan baterai, jarum

amperemeter tersebut akan bergerak. Hal ini menandakan

bahwa baterai tersebut masih dapat mengeluarkan arus listrik

dan rangkaiannya benar.

baterai

ampere-

meter

3. Catatlah angka yang terbaca oleh amperemeter tersebut.

4. Bagaimana jika kabel pada salah satu kutub baterai dilepas? Apakah jarum

amperemeter bergerak?

5. Berikan kesimpulanmu.

lampu

110

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

4. Potensial Listrik

Angkatlah sebuah beban yang terletak pada lantai setinggi

Ketika kamu mengangkat beban tersebut, kamu mengeluarkan

gaya untuk melawan gaya tarik gravitasi terhadap benda

tersebut. Besarnya gaya yang kamu berikan dikalikan

perpindahan benda dari keadaan semula dalam hal ini ketinggi-

dinamakan usaha. Usaha juga dapat dihitung dengan

menghitung beda potensial ketika benda berada di atas lantai

dan ketika benda berada pada ketinggian

Hal serupa terjadi ketika sebuah muatan uji +

yang berada

dalam sebuah medan listrik dari sebuah muatan –

digerakkan

menjauhi muatan –

. Karena antara kedua muatan ini saling

menarik, diperlukan sebuah usaha untuk memindahkan

muatan uji

tersebut. Besarnya usaha dibagi besarnya muatan

uji dinamakan beda potensial listrik. Secara matematis dapat

dituliskan sebagai berikut.

−=

......... (5.4)

Keterangan:

= usaha (Joule)

–

= beda potensial antara kedudukan 1 dan kedudukan 2

(volt atau Joule/Coulomb)

= muatan listrik (Coulomb)

Contoh

Muatan listrik sebesar 40 C dipindahkan dari benda 1 menuju

ke benda 2. Jika diketahui usaha untuk memindahkan benda

tersebut adalah 120 J, hitunglah beda potensial listrik antara

benda 1 dan benda 2!

Jawab:

= 40 C

= 120 J

= .... ?

120 J

3 J/C

40 C

−= =

Jadi, besarnya beda potensial adalah 3 volt.

5. Beda Potensial Listrik

Mengapa arus listrik dapat mengalir? Perhatikan ketika

kamu menjatuhkan benda dari ketinggian. Benda akan jatuh

karena tertarik oleh bumi. Benda yang terletak pada suatu

ketinggian memiliki energi potensial. Berarti ada beda potensial

antara benda yang terletak pada suatu ketinggian dengan titik

acuan (bumi).

Listrik

111

Bagaimana dengan arus listrik? Arus listrik pun dapat

mengalir karena adanya beda potensial. Baterai dapat

mengalirkan arus listrik karena baterai mempunyai beda

potensial antara kedua kutubnya yaitu kutub positif dan kutub

negatif. Kutub positif mempunyai potensial lebih besar daripada

kutub negatif. Dengan demikian, arus listrik pada baterai akan

mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Perbedaan potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian

dinamakan

tegangan

. Biasanya, baterai mempunyai tegangan

yang tertulis pada bagian luarnya misalnya 1,5 V, artinya baterai

tersebut mempunyai beda potensial antara kutub positif dan

kutub negatif sebesar 1,5 V.

Seperti halnya arus listrik yang dapat diukur menggunakan

amperemeter, tegangan (beda potensial) dapat juga diukur. Alat

untuk mengukur beda potensial disebut

voltmeter

Ada perbedaan cara mengukur beda potensial dengan cara

mengukur arus. Arus listrik diukur dengan merangkai

amperemeter secara seri dalam suatu rangkaian, sedangkan

mengukur beda potensial listrik dilakukan dengan merangkai

voltmeter secara sejajar (paralel) dalam suatu rangkaian. Untuk

memahami cara mengukur beda potensial menggunakan

voltmeter, mari kita lakukan kegiatan berikut!

Gambar 5.16

Voltmeter digunakan

untuk mengukur te-

gangan listrik, dipasang

paralel dalam rangkaian

listrik.

baterai

voltmeter

Kegiatan 5.6

Menggunakan Voltmeter

Alat dan Bahan

Sebuah voltmeter, baterai beserta dudukannya, lampu,

saklar, dan kabel secukupnya.

Prosedur Kerja

1. Rangkai peralatan seperti gambar di samping

2. Tutuplah saklar pada rangkaian.

3. Perhatikan lampu pada rangkaian, apakah menyala?

4. Jika lampu menyala, hal ini menandakan bahwa arus

listrik telah mengalir dalam rangkaian.

5. Perhatikan voltmeter, apakah jarum penunjuk bergerak?

Catatlah angka yang ditunjukkan oleh voltmeter

tersebut.

baterai

lampu

voltmeter

Ketika saklar ditutup, lampu akan menyala. Pada keadaan

ini, kamu dapat mengukur beda potensial dengan membaca

angka yang ditunjukkan oleh jarum pada voltmeter. Dapat

disimpulkan bahwa beda potensial dapat diukur jika rangkaian

dalam keadaan tertutup dan ada arus listrik yang mengalir dari

sebuah sumber arus listrik misalnya baterai. Tapi perlu diingat,

voltmeter harus dirangkai secara paralel. Angka yang

ditunjukkan oleh voltmeter merupakan beda potensial antara

dua buah kutub.

112

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

6. Rangkaian Listrik

Sebuah rangkaian listrik terdiri dari beberapa komponen.

Dapatkah kamu menyebutkan beberapa contoh komponen

listrik yang ada di rumahmu? Komponen listrik adalah alat-alat

yang digunakan untuk membuat sebuah peranti dan dapat

berfungsi jika dialiri arus listrik.

Saklar merupakan sebuah komponen listrik. Saklar

digunakan untuk menyambungkan atau memutuskan arus

listrik pada sebuah rangkaian listrik. Jika kamu menekan saklar

pada posisi

, berarti kamu telah membuat rangkaian menjadi

tertutup dan arus listrik dapat mengalir dalam rangkaian

sehingga lampu menyala. Saklar diperlukan untuk mematikan

dan menghidupkan sebuah alat listrik. Hampir semua peralatan

yang menggunakan listrik mempunyai saklar. Misalnya, televisi,

radio, kipas angin, mobil-mobilan, dan sebagainya.

Saklar diberi simbol

Sekring merupakan contoh komponen listrik lainnya.

Apakah kegunaan sekring? Jika kamu menghubungkan kutub

positif dan kutub negatif pada baterai dengan kabel secara

langsung, kamu telah membuat sebuah hubungan singkat.

Hubungan singkat terjadi jika kutub-kutub yang berbeda dari

sebuah sumber arus dihubungkan tanpa melalui hambatan. Jika

tegangannya sangat besar, maka hubungan singkat akan sangat

berbahaya. Arus listrik yang mengalir dalam kabel akan sangat

besar sehingga menimbulkan pemanasan pada kabel tersebut

dan dapat mengakibatkan kebakaran. Mengapa arus yang

mengalir dalam hubungan singkat dapat sangat besar? Hal ini

karena dalam hubungan singkat hambatannya sangat kecil.

Kebakaran sering terjadi akibat hubungan singkat tersebut. Jadi,

kamu harus hati-hati dalam menggunakan listrik. Untuk

menghindari bahaya tersebut, maka dipasang sekring. Fungsi

sekring adalah untuk membatasi arus listrik yang mengalir.

Sekring akan putus bila arusnya melebihi batas.

Sekring diberi simbol

a. Rangkaian Seri

Pada

Kegiatan 5.4

dan

Kegiatan 5.5

kamu telah mem-

pelajari bagaimana membuat rangkaian sederhana. Di dalam

sebuah rangkaian terdapat komponen-komponen listrik,

seperti lampu, kabel, amperemeter, voltmeter, dan seba-

gainya. Telah disinggung pula bahwa untuk mengukur kuat

arus listrik di dalam sebuah rangkaian tertutup, ampere-

meter harus disusun secara seri dengan sumber arus listrik

misalnya baterai. Apakah rangkaian seri itu?

Rangkaian seri adalah rangkaian listrik di mana semua

hambatan listrik (atau peralatan listrik) disusun berderet,

ujung hambatan satu bersambungan dengan ujung ham-

batan yang lainnya. Dalam rangkaian seri, besarnya

hambatan total rangkaian merupakan jumlah dari ke-

Gambar 5.17

Saklar

Gambar 5.18

Salah satu jenis sekring.

Listrik

113

Tugas 5.3

Apa keuntungan dan kerugian pemilihan jenis rang-

kaian? Diskusikan dengan temanmu!

1. Jelaskan yang dimaksud dengan arus listrik!

2. Apa yang menyebabkan timbulnya arus listrik?

3. Mengapa sebuah baterai jika dipergunakan terus menerus, maka semakin lama baterai

itu semakin melemah (arus listriknya berkurang)?

4. Sebutkan macam-macam komponen listrik beserta fungsinya!

5. Terdapat tiga buah lampu dan sebuah baterai. Gambarkan rangkaian seri dan rangkaian

paralel dari komponen-komponen listrik tersebut!

Latihan 5.3

Kamu telah mempelajari rangkaian listrik yang disusun

secara seri dan paralel. Contoh rangkaian listrik seri dapat kamu

lihat pada lampu senter. Baterai-baterai di dalam lampu senter

disusun secara seri. Bagaimana jika baterai dalam lampu senter

itu disusun secara paralel?

Rangkaian Listrik Tertutup

seluruhan hambatan peralatan listrik yang disambungkan

dalam rangkaian.

Gambar 5.19

merupakan sebuah contoh

rangkaian seri. Pada rangkaian tersebut terdapat komponen-

komponen listrik, yaitu baterai, tiga buah lampu, dan

amperemeter. Sebuah rangkaian seri ditandai dengan tidak

adanya percabangan di rangkaian tersebut.

b. Rangkaian Paralel

Selain rangkaian seri, sebuah rangkaian listrik dapat berupa

rangkaian paralel. Pada rangkaian paralel, komponen-kom-

ponen listrik disusun secara paralel/sejajar dengan sumber

arus listrik. Contoh sebuah rangkaian paralel ditunjukkan

pada

Gambar 5.20

. Dalam rangkaian paralel, besarnya

hambatan total dalam rangkaian lebih kecil dari hambatan

setiap peralatan listrik yang disambungkan. Besarnya

hambatan pengganti dari rangkaian seri dan paralel serta

besarnya kuat arus dan tegangan yang mengalir dalam

rangkaian akan dipelajari di subbab berikutnya tentang

hambatan listrik.

Alat-alat listrik di rumahmu disusun secara paralel. Dengan

cara ini, kamu dapat menonton televisi dan menyalakan

lampu secara bersamaan. Jika televisi dimatikan, lampu akan

tetap menyala.

lampu 1

lampu 2

lampu 3

baterai

amperemeter

Gambar 5.19

Tiga buah lampu yang

disusun seri.

Gambar 5.19

Empat buah lampu yang

disusun paralel.

lampu 1

lampu 2

lampu 3

baterai

lampu 4

114

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Ternyata, ada hubungan antara potensial, kuat arus listrik,

dan hambatan listrik. Perlu diketahui bahwa setiap komponen

listrik mempunyai hambatan (

resistansi

). Masih ingatkah kamu

mengapa terjadi hubungan singkat? Hubungan singkat terjadi

karena dua kutub listrik yaitu kutub positif dan kutub negatif

dihubungkan secara langsung tanpa adanya komponen listrik

di antara keduanya. Dalam hal ini, komponen listrik bertindak

sebagai hambatan karena pada dasarnya setiap alat listrik

mempunyai hambatan.

1. Hubungan Kuat Arus Listrik, Beda Potensial, dan

Hambatan

Telah disebutkan bahwa ada hubungan antara kuat arus

listrik (

), beda potensial (

), dan hambatan (

). Untuk melihat

bagaimana ketiga besaran tersebut saling memengaruhi, lakukan

kegiatan berikut!

Dari

Kegiatan 5.7

hubungan antara tegangan (

) dan kuat

arus listrik (

) dapat dibuat grafik, seperti ditunjukkan pada

Gambar 5.21.

Berdasarkan grafik tersebut dapat dicari harga gradiennya

(ingat pelajaran matematika), yang secara matematis dituliskan

sebagai berikut.

m · x

Kegiatan 5.7

Hubungan Antara Kuat Arus, Beda Potensial,

dan Hambatan

Alat dan Bahan

Sebuah lampu, 3 buah batu baterai, amperemeter,

voltmeter, dan kabel.

Prosedur Kerja

1. Buatlah rangkaian seperti gambar di samping.

2. Tutuplah rangkaian tersebut dengan cara menutup

saklar

3. Amati besar kuat arus dan tegangan pada alat ukur.

4. Tambahkan baterainya sehingga diperoleh nilai kuat

arus dan tegangan yang berbeda.

5. Tulislah hasil pengamatanmu pada tabel berikut.

voltmeter

amperemeter

lampu

saklar

batu

baterai

6. Buatlah grafik hubungan antara tegangan (V) dan kuat arus (I).

7. Apakah kesimpulan dari hasil percobaan di atas?

Te g a n g a n (

)

Kuat Arus (I)

Listrik

115

Dengan

adalah suatu tetapan atau gradien. Harga gradien

ini dapat dicari melalui perbandingan berikut.

Secara analog, grafik

terhadap

dapat juga ditentukan

gradiennya sebagai berikut.

Nilai

yang tetap tersebut kemudian disebut besaran

hambatan listrik, yang diberi simbol

George Simone Ohm (1789–1854) meneliti hubungan antara

potensial listrik (

), kuat arus (

), dan hambatan listrik (

Secara matematis dituliskan sebagai berikut.

......... (5.5)

Keterangan:

hambatan listrik (ohm)

beda potensial (volt)

kuat arus (ampere)

Rumus di atas dikenal sebagai

Hukum Ohm

, yaitu hambatan

di dalam suatu rangkaian sama dengan tegangan dibagi arus.

Contoh

1. Sebuah lampu disusun seri dengan sebuah amperemeter dan

sumber tegangan sebesar 20 V. Jika jarum amperemeter

menunjukkan angka 0,5 A, hitung besar hambatan lampu!

Jawab:

20 V

0,5 A

.... ?

20 V

40 ohm

0,5 A

Jadi, hambatan lampu tersebut adalah 40 ohm.

2. Diketahui sebuah sumber listrik sebesar 25 V. Jika sumber

listrik itu dihubungkan dengan sebuah lampu yang

hambatannya 5 ohm, hitunglah arus yang mengalir dalam

lampu tersebut!

Jawab:

25 V

=5 ohm

.... ?

25 V

5 A

5 ohm

=⇔== =

Jadi, arus yang mengalir dalam lampu tersebut adalah 5 A.

Gambar 5.22

Ohmmeter digunakan

untuk mengukur ham-

batan sebuah komponen

listrik.

Sumber:

Dokumen Penerbit

Info Sains

Unit Penurun Tegangan

Mengapa komponen-komponen

listrik di dalam televisi tidak

terbakar atai rusak ketika di-

hubungkan dengan sumber

listrik yang tegangannya men-

capai 220 V? Di dalam televisi

terdapat sebuah komponen listrik

yang berfungsi untuk menurun-

kan tegangan dari sumber listrik

yang bertegangan tinggi,

misalnya sumber listrik dari PLN

yang bertegangan 220 V.

Dengan demikian tegangan listrik

yang masuk ke dalam televisi

dapat disesuaikan dengan

kebutuhan.

Gambar 5.21

Grafik hubungan antara

tegangan (V) dan arus

listrik (I).

116

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

2. Hukum Ohm dalam Keseharian

Dalam kehidupan sehari-hari, pengetahuan tentang Hukum

Ohm sangat bermanfaat dalam pemilihan komponen-kom-

ponen listrik yang baik serta sesuai dengan besarnya tegangan

yang tersedia. Misalnya, jika kamu menggunakan lampu baterai.

Lampu baterai mempunyai tahanan yang dibuat sesuai dengan

nilai tegangan yang besarnya tertentu. Jika lampu baterai tersebut

dihubungkan dengan baterai yang tegangannya terlalu besar,

maka lampu tersebut akan rusak. Sebaliknya jika lampu

tersebut dihubungkan dengan baterai yang tegangannya terlalu

kecil, lampu tersebut tidak akan menyala secara maksimal atau

lampu tersebut akan terlihat redup.

Biasanya alat-alat listrik dibuat sedemikian rupa sehingga

besarnya tegangan yang diperlukan untuk mengoperasikan alat

tersebut dapat menggunakan sumber tegangan dari sumber

listrik dari PLN. Untuk menyesuaikan kebutuhan tegangan

yang diperlukan guna mengoperasikan alat tersebut, biasanya

alat-alat listrik dibuat dengan menambahkan hambatan. Baik

dari segi bahan pembuatannya, atau ditambahkan resistor lain

untuk menambah tahanan alat tersebut.

Gambar 5.23

a. Lampu menyala re-

dup.

. Lampu menyala te-

rang.

1. Bagaimana hubungan antara tegangan, tahanan, dan kuat arus menurut Hukum

Coulomb?

2. a. Gambarkan hubungan antara tegangan, tahanan, dan kuat arus dalam bentuk

grafik!

b . Gambarkan pula grafik hubungan antara hambatan dan kuat arus!

3. Apa fungsi hambatan dalam sebuah rangkaian listrik?

4. Sebuah kawat diberi arus 4 ampere. Jika kawat tersebut mempunyai hambatan

12 ohm, hitunglah beda potensial antara dua kawat tersebut!

5. Menurut pengetahuanmu, sebutkan aplikasi Hukum Ohm dalam keseharian!

Latihan 5.4

3. Hambatan Jenis

Masih ingatkah kamu pemisalan arus listrik dengan aliran

air yang keluar dari slang? Sekedar mengingatkan, arus listrik

mirip dengan aliran arus air di dalam slang. Banyaknya air yang

mengalir dari slang bergantung pada besarnya pipa. Semakin

besar ukuran pipa, semakin besar pula air yang mengalir setiap

waktu.

Hal serupa terjadi pada arus listrik. Kamu telah mengetahui

bahwa arus listrik bergantung pada hambatan penghantarnya

yaitu kabel dan komponen-komponen listrik yang terdapat

dalam rangkaian tersebut. Hambatan listrik bergantung pada

jenis bahan hambatan, panjang hambatan dan luas penampang

yang dilalui arus listrik. Untuk mengetahui hubungan di

antaranya, lakukan percobaan berikut!

Listrik

117

Kegiatan 5.8

Alat dan Bahan

Voltmeter, amperemeter, kawat nikrom (0,5 m dan 1 m),

kawat konstantan (0,5 m), batu baterai dua buah, saklar,

dan kabel secukupnya.

Prosedur Kerja

1. Rangkai alat-alat seperti gambar di samping.

2. Pasang kawat nikrom dengan panjang 0,5 m antara titik

x dan y. Tutup saklar, catat besar kuat arus dan tegangan

yang terbaca pada alat ukur.

3. Buka saklar.

4. Gantilah kawat nikrom dengan panjang 1 m, kemudian pasang kembali pada titik x

dan y. Catat besar kuat arus dan tegangan yang terbaca pada alat ukur.

5. Buka kembali saklar.

6. Ulangi langkah 4 untuk panjang kawat nikrom 0,5 m tetapi luas penampang menjadi

2 kali semula.

7. Ulangi langkah 4 untuk kawat konstantan yang panjangnya 0,5 m (luas

penampangnya sama dengan luas penampang kawat nikrom).

8. Tulislah hasil pengamatan ke dalam tabel berikut.

9. Apakah kesimpulanmu dari kegiatan ini?

Dari hasil kegiatan, diperoleh bahwa nilai hambatan suatu

penghantar bergantung pada hal-hal berikut ini.

1. Panjang kawat, semakin panjang kawat maka hambatan

semakin besar.

2. Luas penampang kawat, semakin besar luas penampang

maka hambatannya semakin kecil.

3. Jenis bahan.

Jika dituliskan dalam bentuk matematika, hambatan dapat

dituliskan sebagai berikut.

=⋅

......... (5.6)

Keterangan:

hambatan (

)

hambatan jenis (

panjang bahan (m)

luas penampang (m

)

voltmeter

amperemeter

baterai

saklar

Menyelidiki Hambatan Kawat Penghantar

No.

Luas Penampang

kawat (

)

Jenis

Kawat

Panjang

Kawat (

)

Te g a n g a n

(

)

Arus

(

)

118

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Contoh beberapa jenis penghambat dalam rangkaian listrik:

a. rheostat

b . resistor pita warna

c. potensiometer

Hambatan jenis merupakan sifat khas dari suatu bahan.

Bahan yang terbuat dari besi akan berbeda hambatan jenisnya

dengan bahan yang terbuat dari tembaga. Sebuah penghantar

misalnya kabel harus memiliki hambatan jenis yang kecil

sehingga arus dari sumber tegangan tidak banyak yang hilang

ketika sampai pada alat listrik.

Ukuran panjang dan luas penampang bahan juga memenga-

ruhi hambatan sebuah bahan. Semakin panjang sebuah

penghantar dan semakin kecil luas penampangnya, semakin

besar hambatannya. Demikian sebaliknya.

Contoh

1. Sebuah kawat panjangnya 50 cm dan luas penampangnya

0,5 cm

. Hitunglah hambatan jenis kawat tersebut jika

hambatannya 5.000

Jawab:

50 cm = 0,5 m

0,5 cm

= 0,5 × 10

-4

5.000

.... ?

=⋅ ⇔

-4

5.000

(0,5 10 m )

5 m

Ω×

0,5 m

Jadi, bahan tersebut mempunyai hambatan jenis sebesar

0,5

2. Sebuah kawat panjangnya 3 m dan luas penampangnya

0,5 cm

. Hitunglah hambatan kawat tersebut jika hambatan

jenisnya 2 × 10

-3

Jawab:

=3 m

0,5 cm

= 0,5 × 10

-4

2 × 10

-3

.... ?

-3

-4

3 m

= 2 10 m

= 120

0,5 10 m

⋅×Ω⋅

Jadi, bahan tersebut mempunyai hambatan sebesar 120 ohm.

Dari Hukum Ohm ini kita dapat mengetahui bahwa bentuk

dan sifat-sifat bahan sebuah penghantar listrik memengaruhi

nilai hambatannya. Semakin kecil nilai hambatan suatu bahan

semakin baik bahan tersebut dijadikan penghantar listrik.

Tokoh Sains

Georg Simon Ohm

Georg Simon Ohm (16 Maret 1789

- 6

Juli 1854)

adalah seorang ahli

fisika Jerman. Ketika menjadi guru

sekolah menengah, Ohm memulai

penelitiannya tentang sel elektro-

kimia yang baru ditemukan oleh

Alessandro Volta, seorang ahli dari

Italia. Dengan menggunakan per-

alatan yang dibuatnya sendiri, Ohm

menunjukkan adanya hubungan

langsung antara perbedaan

potensial yang melewati suatu

konduktor dengan arus yang

mengalir di dalamnya. Hubungan ini

kemudian dikenal sebagai Hukum

Ohm. Penemuannya tersebut meng-

awali bidang analisis rangkaian

listrik.

Sumber: en.wikipedia.org

Listrik

119

Panjang penghantar yang memengaruhi besarnya hambatan

menjadi kendala bagi PLN untuk mendistribusikan listrik.

Kamu bayangkan berapa ratus kilometer panjang kabel PLN

yang digunakan untuk mendistribusikan arus listrik ini. Akan

tetapi, hal ini dapat ditanggulangi dengan adanya alat trans-

formator. Transformator berfungsi untuk meningkatkan atau

menurunkan tegangan.

4. Konduktor, Isolator, dan Semikonduktor

Ketika kamu mempelajari rangkaian listrik, kamu meng-

gunakan kabel sebagai penghantar arus listriknya. Bagaimana

jika kabel tersebut diganti dengan tali plastik, apakah lampu

menyala?

Hukum Ohm menyatakan bahwa jenis bahan memengaruhi

nilai hambatan listriknya. Sifat alami yang dimiliki suatu bahan

adalah hambatan jenisnya. Hambatan jenis besi akan berbeda

dengan hambatan jenis tembaga. Jika kamu mengganti kabel

penghantar pada suatu rangkaian listrik dengan tali plastik, arus

listrik ini pasti tidak akan mengalir. Mengapa demikian? Plastik

merupakan bahan yang hambatan jenisnya sangat besar

sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melaluinya.

Berdasarkan sifat menghantarkan listriknya, bahan dibeda-

kan menjadi tiga kelompok, yaitu konduktor, isolator, dan

semikonduktor.

Konduktor

adalah bahan-bahan yang dapat

menghantarkan arus listrik dengan baik. Bahan-bahan yang

termasuk jenis konduktor ini di antaranya besi, baja, tembaga,

dan nikel.

Isolator

adalah bahan-bahan yang sama sekali tidak

dapat menghantarkan arus listrik. Contoh bahan-bahan yang

termasuk isolator, di antaranya plastik, kayu kering, dan kertas.

Bagaimana dengan

semikonduktor

? Jika konduktor merupa-

kan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dan isolator

merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik,

semikonduktor merupakan bahan yang bersifat di antara isolator

dan konduktor. Artinya, semikonduktor dapat menghantarkan

arus listrik dan dapat pula tidak menghantarkan arus listrik.

Sifat semikonduktor ini bergantung suhu. Jika suhu bahan

semakin tinggi, bahan ini akan bersifat konduktor. Sebaliknya,

jika suhunya semakin rendah bahan ini akan menjadi isolator.

Sifat-sifat semikonduktor dimanfaatkan dalam pembuatan

komponen-komponen listrik seperti transistor dan IC (

Integrated

Circuit

). Bahan-bahan semikonduktor contohnya germanium,

silikon, dan selenium.

Jika kamu perhatikan, alat-alat listrik yang ada di rumahmu

pasti ada yang menggunakan bahan-bahan konduktor dan

bahan isolator. Sebuah obeng dibuat dari bahan besi dengan

pegangannya dibuat dari kayu atau plastik. Mengapa dirancang

demikian? Rancangan seperti ini bermanfaat ketika digunakan

untuk memperbaiki bagian dalam alat-alat elektronik, agar

pengguna tidak terkena aliran listrik.

Gambar 5.24

Sebuah unit pengubah

tegangan (transforma-

tor) yang digunakan PLN.

Gambar 5.25

Tembaga bersifat kon-

duktor dan plastik/karet

bersifat isolator disusun

untuk membuat kabel

koaksial.

konduktor tengah dari

kawat tembaga

isolator dari plastik

konduktor tepi dari

serabut tembaga

isolator pelindung

dari karet/plastik

Gambar 5.26

Semikonduktor diguna-

kan untuk membuat IC.

120

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

5. Hukum I Kirchhoff

Pada kegiatan sebelumnya, kamu telah membuat rangkaian

sederhana, tetapi dalam sebuah rangkaian seringkali terdapat

rangkaian yang rumit sehingga diperlukan teknik tertentu

dalam menyelesaikan masalah-masalah yang berhubungan

dengan rangkaian tersebut.

Gambar 5.27

memperlihatkan gambar sebuah rangkaian

yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.

Bagaimana dengan arus dan tegangan yang melalui setiap

lampu? Untuk memahaminya, lakukan kegiatan berikut!

Tugas 5.4

Carilah 5 jenis bahan-bahan yang termasuk konduktor,

isolator, dan semikonduktor! Tuliskan pula kegunaan

bahan-bahan tersebut!

1. Jelaskan faktor-faktor yang memengaruhi besarnya tahanan sebuah bahan!

2. Apakah yang dimaksud konduktor, isolator, dan semikonduktor?

3. Mengapa sebuah baterai jika digunakan terus menerus semakin lama semakin

melemah (arus listriknya berkurang)?

4. Terdapat 3 buah lampu dan sebuah baterai. Gambarkan rangkaian seri dan rangkaian

paralel dari komponen-komponen listrik tersebut!

Latihan 5.5

Pada

Kegiatan 5.8

terlihat bahwa besarnya arus yang melalui

, dan

merupakan satu per tiganya dari arus listrik yang

melalui

karena

, dan

nilainya sama. Kuat arus setelah

melalui percabangan akan terbagi tiga sama besar. Apakah hasil

pengamatanmu demikian?

lampu 1

lampu 2

lampu 3

lampu 4

saklar

baterai

Gambar 5.27

Lampu 1, 2, dan 3 disu-

sun paralel, kemudian

dirangkai seri dengan

lampu 4.

Kegiatan 5.9

Arus Listrik pada Rangkaian Bercabang

Alat dan Bahan

Tiga buah resistor 10 ohm, sebuah hambatan geser,

sebuah saklar, empat buah amperemeter, dan sumber

tegangan satu buah baterai.

Prosedur Kerja

1. Buatlah rangkaian seperti gambar di samping.

2. Tutuplah saklar, kemudian geser-geser hambatan

geser. Catatlah angka yang ditunjukkan jarum pada amperemeter.

3. Buatlah kesimpulan dari kegiatan yang telah kamu lakukan.

Listrik

121

Gustav Kirchhoff

pada pertengahan abad ke-19 telah

melakukan penelitian tentang perilaku arus listrik yang melalui

sebuah percabangan. Hasil penelitian Kirchhoff ini dikenal

sebagai Hukum Kirchhoff.

Hukum I Kirchhoff menyatakan bahwa arus listrik yang

masuk melalui percabangan sama dengan arus yang keluar dari

percabangan. Hukum II Kirchhoff menyatakan tentang beda

potensial yang mengitari suatu rangkaian tertutup. Yang akan

kamu pelajari berikut hanya Hukum I Kirchhoff.

Jika

Gambar 5.27

disederhanakan, dan digambarkan per-

cabangannya saja, maka diperoleh

Gambar 5.28

. Pada per-

cabangan A, arus listrik I terbagi menjadi dua, yaitu yang melalui

kawat ab yakni

dan yang melalui kawat cd, yaitu

Setelah melalui percabangan, arus listrik ini berkumpul kembali

dan keluar melalui titik B, sehingga arus yang memasuki

percabangan akan sama dengan arus yang keluar dari

percabangan.

¦¦

masuk

keluar

......... (5.7)

Contoh

Hitunglah besar kuat arus yang melalui

jika diketahui

= 20 A,

= 5 A,

= 5 A, dan

= 5 A!

Jawab:

Perhatikan gambar di samping!

arus masuk =

arus keluar

20 A =

+ 5 A + 5 A + 5 A

(20 – 5 – 5 – 5)

=5 A

Jadi, besarnya I2 adalah 5 A.

6. Rangkaian Hambatan Listrik (Resistor)

Pada

Kegiatan 3.6

kamu telah melakukan percobaan untuk

membuktikan besarnya kuat arus yang mengalir melewati

sebuah percabangan. Besarnya kuat arus mengikuti turunan

Hukum Ohm, yaitu besarnya arus yang melewati suatu

rangkaian merupakan hasil bagi antara tegangan

dan ham-

batan

Bagaimana jika suatu rangkaian terdiri atas rangkaian seri

dan rangkaian paralel? Bagaimana cara menghitung hambatan

totalnya?

a. Rangkaian Seri Resistor

Rangkaian seri resistor adalah rangkaian yang terdiri atas

sumber tegangan dan minimal dua resistor (hambatan listrik)

yang disusun secara berderet. Kuat arus listrik yang mengalir

pada setiap resistor adalah sama besar dan besar tegangan

tergantung besar hambatan. Rangkaian seri dapat juga

disebut sebagai rangkaian pembagi tegangan.

Gambar 5.28

Arus listrik pada sebuah

percabangan.

Tokoh Sains

Kirchhoff

Gustav Robert Kirchhoff (12

Maret, 1824 – 17 Oktober 1887)

adalah seorang fisikawan Jerman

yang berkontribusi pada pemahaman

konsep dasar teori rangkaian listrik,

spektroskopi, dan emisi radiasi benda

hitam yang dihasilkan oleh benda-

benda yang dipanaskan.

Kirchhoff lulus dari Universitas

Albertus Königsberg (sekarang

Kaliningrad) pada 1847 dan menikahi

Clara Richelot, putri dari profesor

matematikanya, Friedrich Richelot.

Kirchhoff merumuskan hukum

rangkaian, pada 1845, saat masih

berstatus mahasiswa. Ia mengusul-

kan hukum radiasi termal pada 1859,

dan membuktikannya pada 1861. Di

Breslau, ia bekerjasama dalam studi

spektroskopi dengan Robert Bunsen.

Dia adalah penemu pendamping dari

caesium dan rubidium pada 1861 saat

mempelajari komposisi kimia Matahari

via spektrumnya.

Pada 1862 dia dianugerahi Medali

Rumford untuk risetnya mengenai

garis-garis spektrum matahari, dan

pembalikan garis-garis terang pada

spektrum cahaya buatan.

Sumber: id.wikipedia.org

122

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Gambar 5.29

memperlihatkan empat buah resistor yang

disusun secara seri. Telah disebutkan bahwa rangkaian seri

resistor merupakan rangkaian pembagi tegangan. Dari

rangkaian tersebut dapat diperoleh persamaan tegangan sebagai

berikut.

Menurut hukum Ohm tegangan merupakan hasil kali kuat arus

dan hambatan

. Dengan demikian persamaan di atas dapat

dituliskan sebagai berikut.

Karena di dalam rangkaian seri kuat arus yang melalui setiap

resistor besarnya sama, persamaan di atas dapat dituliskan

sebagai berikut.

(

)

adalah hambatan pengganti dari rangkaian resistor yang

dirangkai seri.

+ R

Secara umum persamaan tahanan pengganti dari resistor yang

disusun secara seri dituliskan sebagai berikut.

+ ...

......... (5.8)

Contoh

1. Jika diketahui dua buah resistor masing-masing 4 ohm. Dua

resistor tersebut disusun secara seri, kemudian

dihubungkan dengan sumber tegangan 6 volt. Hitunglah

besarnya arus yang mengalir pada setiap resistor tersebut!

Jawab:

= 4 ohm

= 4 + 4 = 8 ohm

.... ?

6 volt

0,75 A

8 ohm

Jadi,besarnya arus listrik yang mengalir pada setiap resistor

adalah 0,75 A.

Gambar 5.29

Rangkaian seri resistor.

saklar

abcde

Listrik

123

2. Diketahui 3 buah resistor identik disusun secara seri dan

dihubungkan dengan sumber tegangan 27 V. Jika

diketahui kuat arus yang melewati resistor adalah 3 A,

hitunglah besarnya hambatan setiap resistor!

Jawab:

27 V

=3 A

.... ?

Dari hukum Ohm diperoleh:

27 volt

3 A

=⇔

=Ω

Karena ketiga resistor tersebut identik yang berarti besar

hambatannya sama, diperoleh besarnya hambatan setiap

resistor yaitu

= 3 ohm.

b. Rangkaian Paralel Resistor

Kamu telah mempelajari bagaimana jika beberapa resistor

disusun secara seri. Bagaimana jika resistor-resistor ini

disusun paralel?

Rangkaian paralel resistor adalah rangkaian yang terdiri atas

resistor yang disusun paralel/sejajar satu sama lainnya. Jika

pada rangkaian seri, arus yang melalui resistor akan sama

dan tegangannya berbeda bergantung pada nilai ham-

batannya. Adapun pada rangkaian paralel resistor, arus yang

melalui setiap hambatan akan berbeda dan tegangan setiap

resistor akan sama.

Gambar 5.30

merupakan gambar sebuah

rangkaian paralel resistor.

Berdasarkan Hukum I Kirchhoff diperoleh:

1234

VVV

RRRR

+++

Telah disebutkan bahwa tegangan pada setiap resistor pada

rangkaian paralel adalah sama.

Sehingga diperoleh:

1234

VVVV

RRRR

+++

12 34

1111

RRRR

§·

⋅ +++

̈ ̧

©¹

⋅

Dengan demikian hambatan pengganti paralel dirumuskan:

1234

11111

RRRRR

=+++

......... (5.9)

Gambar 5.30

Sebuah rangkaian para-

lel resistor

124

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Latihan 5.6

1. Jelaskan bunyi Hukum I Kirchhoff!

2. Jika terdapat sebuah percabangan dan setiap cabang terdapat tahanan yang berbeda,

bagaimana arus yang mengalir pada setiap percabangan tersebut?

3. Apa saja yang memengaruhi kuat arus yang mengalir pada sebuah penghantar?

7. Jembatan Wheatstone

Jembatan Wheatstone merupakan rangkaian yang digunakan

untuk mengukur tahanan yang tidak diketahui nilainya.

Perhatikan

Gambar 5.31

Misal tahanan

tidak diketahui. Tahanan

, dan

diatur sampai tidak ada arus yang mengalir melalui

galvanometer. Maka

, dan

dan dapat

diperlihatkan bahwa

Dari persamaan tersebut, maka

dapat dihitung.

Gambar 5.32

Jembatan Wheatstone.

Contoh

Lima buah resistor masing-masing memiliki tahanan

5 ohm disusun secara paralel. Rangkaian tersebut

dihubungkan dengan tegangan 20 V. Hitunglah kuat arus

yang melewati setiap tahanan!

Jawab:

= 5 ohm

20 V

.... ?

Menghitung tahanan pengganti rangkaian resistor paralel:

1234

1111

RR RR

+++

1111

5555

+++

Sehingga

= 1 ohm

Menurut hukum Ohm:

20 volt

1 ohm

Karena setiap resistor nilai tahanannya sama, arus yang

melewatinya pun akan sama, yaitu:

tiap resistor

anyaknya resistor

20 A

= 4 A

Jadi, besar arus yang mengalir pada setiap resistor adalah 4 A.

Listrik

125

Rangkuman

•

Listrik statis adalah listrik yang muatan-muatannya tidak mengalir atau ada dalam

keadaan diam.

•

Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah Coulomb (C). Muatan

listrik elementer dari sebuah elektron, proton, dan neutron adalah sebagai berikut.

Muatan elektron

–1,6 × 10

-19

Coulomb

Muatan proton

+1,6 × 10

-19

Coulomb

Muatan neutron

0 (tidak bermuatan)

•

Hukum Coulomb menyatakan bahwa besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak

antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan hasil kali kedua muatan

tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.

•

Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang ditunjukkan dengan

garis gaya listrik. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif menuju muatan negatif.

Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan

negatif garis-garis gayanya menuju pusat.

•

Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan uji

akibat adanya muatan

dibagi dengan besarnya muatan uji

⋅

==⋅

•

Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik yang mengalir setiap

sekon, dilambangkan dengan

dan satuannya adalah ampere (A). Untuk mengukur

kuat arus listrik digunakan sebuah alat yang dinamakan amperemeter.

•

Komponen listrik adalah alat-alat yang digunakan untuk membuat sebuah peranti dan

dapat berfungsi jika dialiri arus listrik. Rangkaian dari beberapa komponen listrik disebut

rangkaian listrik. Rangkaian listrik terdiri dari rangkaian seri dan rangkaian paralel.

•

George Simone Ohm (1789–1854) meneliti hubungan antara potensial listrik (V), kuat

arus (

), dan hambatan listrik (

). Secara matematis, Hukum Ohm dituliskan sebagai

berikut.

•

Konduktor adalah bahan-bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik,

isolator adalah bahan-bahan yang sama sekali tidak dapat menghantarkan arus listrik,

dan semikonduktor merupakan bahan yang bersifat di antara isolator dan konduktor.

4. Perhatikan gambar berikut!

Hitunglah nilai arus yang mengalir pada x dan y!

5. Arus listrik yang masuk suatu percabangan sama dengan arus listrik yang keluar

dari percabangan tersebut. Apakah hal serupa terjadi dengan tegangan?

15 A

5 A

6 A

126

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Latih Kemampuan

A. Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!

Refleksi

Kamu telah selesai mempelajari materi

Listrik

dalam bab ini. Sebelum melanjutkan pelajaran

bab VI, lakukan evaluasi diri dengan menjawab beberapa pertanyaan di bawah ini. Jika semua

pertanyaan dijawab dengan ‘ya’, berarti kamu telah menguasai bab ini dengan baik. Namun

jika ada pertanyaan yang dijawab dengan ‘tidak’, kamu perlu mempelajari lagi materi yang

berkaitan dengan pertanyaan itu. Jika ada kesulitan atau ada hal-hal yang sukar dimengerti,

bertanyalah kepada Bapak/Ibu Guru.

1. Apakah kamu dapat menjelaskan muatan listrik, akibat yang ditimbulkan, dan cara

mendeteksinya?

2. Dapatkah kamu menjelaskan perbedaan listrik statis dan listrik dinamis serta menunjukkan

contoh pemanfaatannya dalam kehidupan sehari-hari?

3. Dapatkah kamu menunjukkan bukti adanya induksi listrik dan medan listrik?

4. Apakah kamu dapat menjelaskan pengertian arus dan tegangan listrik serta memperagakan

cara mengukurnya dalam suatu rangkaian listrik?

5. Dapatkah kamu menjelaskan rangkaian listrik maupun hambatan yang disusun secara seri

dan paralel? Apa keuntungan dan kerugiannya?

6. Dapatkah kamu menjelaskan pengertian konduktor, semikonduktor, dan isolator listrik

serta contoh dan penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari?

Kerjakan di buku tugasmu!

4. Dua buah muatan listrik masing-masing

bermuatan +2 × 10

-9

C dipisahkan oleh

jarak 1 cm. Gaya Coulomb yang timbulkan

oleh kedua muatan itu adalah ....

a. 3,6 × 10

-4

c. 0,9 × 10

-4

b . 1,8 × 10

-4

d. 9,0 × 10

-4

5 . Duah buah muatan masing-masing -2 × 10

-4

dan 2,2 × 10

-4

C terpisah pada jarak 2 cm,

maka gaya Coulomb antara kedua muatan

itu adalah ....

a. 1,98 × 10

N tarik menarik

b . 1,98 × 10

N tolak menolak

c. 9,90 × 10

N tarik menarik

d. 9,90 × 10

N tolak menolak

6. Dua buah muatan masing-masing muatan-

nya

dan

diletakkan sehingga di antara

dua gaya tersebut terjadi gaya coulomb. Jika

muatan

diperbesar dua kalinya, per-

1. Suatu atom diketahui jumlah protonnya

sama dengan jumlah elektronnya. Per-

nyataan yang benar mengenai atom ini

adalah ....

a. atom tersebut akan bermuatan positif

b . atom tersebut akan bermuatan negatif

c. atom tersebut tidak bermuatan (netral)

d. atom tersebut dapat bermuatan positif

dan dapat juga bermuatan negatif

2. Sebuah atom akan bermuatan positif jika

atom tersebut ....

a. kelebihan elektron

b. kekurangan elektron

c. jumlah elektronnya lebih banyak

d. tidak mempunyai neutron

3. Diagram berikut yang menunjukkan gaya-

gaya di antara dua partikel bermuatan

adalah ....

Listrik

127

bandingan gaya Coulomb sebelum dan

sesudah pembesaran muatan tersebut

adalah ....

a. 1 : 5

c. 1 : 3

b . 1 : 4

d. 1 : 2

7. Daerah di sekitar sebuah muatan yang

masih dipengaruhi oleh gaya Coulomb

dari muatan tersebut disebut ....

a. medan listrik

b . potensial listrik

c. arus listrik

d. hambatan listrik

8. Jika diketahui besarnya muatan yang

dipindahkan dari A ke B adalah 30 C dan

beda potensial listriknya 4 J/C, besarnya

usaha yang dilakukan adalah ....

a. 30 J

c. 120 J

b. 60 J

d. 240 J

9. Perhatikan skema rangkaian listrik di

bawah ini!

Pemasangan amperemeter dan voltmeter

yang tepat adalah nomor ....

a. 1 dan 2

b 2 dan 4

c. 1 dan 3

d. 4 dan 5

10. Dalam sebuah penghantar listrik, mengalir

120 muatan setiap menitnya. Besarnya arus

listrik dalam penghantar tersebut adalah ....

a. 2 A

c. 6 A

b. 4 A

d. 8 A

11. Besarnya tahanan suatu bahan tidak

ditentukan oleh ....

a. jenis bahannya

b. panjangnya

c. luas penampangnya

d. beratnya

12. Sebuah kawat panjangnya 6 m dan luas

penampangnya 1 cm

. Besar hambatan

kawat tersebut jika hambatan jenisnya

2 × 10

-3

, adalah .....

a. 1,2 × 10

c. 1,2 × 10

-2

b . 2,4 × 10

d. 2,4 × 10

-2

13. Tiga buah resistor masing-masing ham-

batannya adalah 3 ohm, 6 ohm, dan 9 ohm.

Jika ketiga resistor tersebut disusun paralel,

hambatan penggantinya adalah ....

a. 20

c. 2

b. 18

d. 1,5

14. Perhatikan gambar berikut.

Lampu

dan

dipasang pararel dan

dihubungakan dengan baterai

. Jika

dihubungkan maka lampu ....

dan

tidak menyala

tetap menyala dan

putus

putus dan

tetap menyala

dan

menyala semakin terang

15. Pada rangkaian paralel resistor, pernyataan

yang benar adalah ....

a. arus yang melewati setiap resistor adalah

berbeda

b . arus yang melewati setiap resistor adalah

sama

c. tegangan pada setiap resistor adalah

berbeda

d. hambatan penggantinya merupakan

jumlah setiap tahanan

B. Jawablah pertanyaan-pertanyaan di bawah ini dengan benar!

1. a. Jelaskan apa yang dimaksud dengan gaya Coulomb! Besaran-besaran apa saja yang

mempengaruhinya?

b . Jelaskan apa yang dimaksud medan listrik dan beda potensial listrik!

2. Dua buah muatan identik terpisah oleh jarak 1 cm. Jika gaya tolak-menolak di antara

kedua muatan tersebut adalah 9 × 10

-3

N, hitunglah besar masing-masing muatan tersebut!

128

Ilmu Pengetahuan Alam SMP dan MTs Kelas IX

Wacana Sains

3. Jika jarak antara dua buah muatan diperpanjang menjadi dua kali semula, berapakah

perbandingan gaya coulomb dibandingkan dengan gaya sebelum jarak kedua muatan

tersebut diperpanjang?

4. Arus yang melewati sebuah percabangan digambarkan sebagai berikut.

Hitunglah kuat arus

dan

5. Seutas kawat panjangnya 50 m, berdiameter 2 mm, dan hambatan jenisnya 6,28 × 10

-8

Hitunglah hambatan kawat tersebut!

8 A

1 A

3 A

Penangkal Petir

Jika kamu memerhatikan atap gedung-gedung atau rumah-rumah, kamu akan

menemukan bahwa atap gedung atau rumah biasanya dilengkapi dengan anti petir. Anti

petir ini berupa sebuah batang konduktor yang dipasang vertikal di atap gedung. Batang

konduktor ini dihubungkan dengan lempeng logam yang dikubur di dalam tanah melalui

konduktor tembaga tebal.

Kamu telah mempelajari bahwa ketika sebuah konduktor bermuatan dihubung-kan

oleh kabel logam dengan konduktor tak bermuatan, beberapa muatan mengalir di dalam

kabel tersebut dari konduktor bermuatan ke konduktor yang tidak bermuatan. Muatan-

muatan pada konduktor pertama mempunyai energi potensial. Energi potensial ini

berkurang karena diberikan ke konduktor kedua yang tidak bermuatan. Konduktor

pertama dikatakan sebagai konduktor yang mempunyai potensial atau tegangan lebih

tinggi dibandingkan dengan konduktor kedua. Ketika kedua konduktor dihubungkan,

muatan-muatan positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan muatan-

muatan negatif mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi dan mengubah masing-

masing potensialnya. Muatan akan terus mengalir sampai potensial kedua konduktor

sama.

Awan-awan yang bermuatan negatif mempunyai potensial yang rendah. Sebagian

muatan ini akan berpindah melalui udara yang mempunyai ion-ion positif. Oleh karena

konduktor terdekat yang ditemui muatan ini adalah benda-benda yang tinggi (dekat

dengan awan), muatan-muatan negatif ini akan berpindah ke batang anti petir yang

dipasang di atap gedung atau rumah. Muatan-muatan negatif dari awan ini mengalir

melalui kabel menuju ke plat logam yang terkubur dalam tanah. Hal ini terjadi karena

plat logam yang terkubur tidak mempunyai potensial. Dari plat logam ini muatan-muatan

tersebut akan mengalir ke tanah sehingga plat logam tersebut akan segera tidak bermuatan

kembali dan segera siap menerima elektron dari awan.

Batang anti petir ini sangat besar manfaatnya. Potensial atau tegangan dari awan ini

sangat besar. Bayangkan jika aliran muatan ini mengenai manusia secara langsung,

akibatnya akan membahayakan. Di daerah yang luas dan rata, misalnya sawah,

merupakan daerah yang rawan bagi manusia karena jika ada orang yang berada di

tengah-tengah sawah tersebut sementara tidak ada konduktor lain yang lebih konduktif,

tentu petir akan membahayakan orang tersebut.

Sumber: Physics Today, 1995