Halaman
177Listrik DinamisTombol volume pada gitar listrik berfungsi sama seperti sakelarlampu. Ketika Anda menggerakkan dua kawat menjadi lebih dekat ataulebih jauh dengan potongan grafit, maka akan menyebabkan teganganyang beragam pada pengeras suara. Hal ini menyebabkan suara yangdihasilkan menjadi lebih keras atau lebih pelan.Tujuan PembelajaranListrik DinamisBabVII•Anda dapat memformulasikan besaran-besaran listrik rangkaian tertutupsederhana, mengidentifikasikan penerapan listrik AC dan DC dalam kehidupansehari-hari, dan dapat menggunakan alat ukur listrik.Sumber: Hai, 8-14 Januari 2007K ata Kunci• Arus Listrik• Tegangan• Beda Potensial• Hambatan• Tegangan Listrik• Ohmmeter• Amperemeter• Daya Listrik• Kuat Arus• Voltmeter• Hukum Kirchhoff• Rangkaian Listrik
178Fisika SMA/MA Kelas XP eta KonsepListrik DinamisRangkaian tertutupterdapatV= W/QV : tegangan (V)W : energi (J)Q : muatan (C)VoltmeterTegangan ataubeda potensialalat ukurpersamaanR= V/IR : hambatan :V : tegangan (V)I : kuat arus (A)Hukum OhmHambatanDaya listrikP = I2 × RP = V × IP = 2VRcara menghematI= Q/tI : kuat arus (A)Q : muatan (C)t : waktu (s)HK I KirchoffKuat arusAmperemetermemenuhialat ukurpersamaanpersamaan-menggunakan alat listrikberdaya rendah-menggunakan lampu neonuntuk penerangan-mengatur waktu pema-kaianseripersamaanpersamaandisusunParalela. Berlaku penjumlahan aruspada tiap cabangI = I1 + I2 + I3b. Tegangan pada tiap cabangsamaV = V1 = V2 = V3c. Resistor pengganti12 31111 pRRRRa. Arus pada tiap titik samaI = I1 = I2 = I3b. Berlaku penjumlahantegangan pada tiap titik/hambatanV = V1 + V2 + V3c. Resistor penggantiRs = R1 + R2 + R3masukkeluarII6 6
179Listrik DinamisPada kehidupan sehari-hari, Anda sering menjumpai adanya rangkaianlistrik, mulai dari rangkaian listrik yang sederhana sampai rangkaian yangsangat rumit. Pernahkah Anda mengamati rangkaian listrik pada lampu senter,radio, atau televisi? Pernahkah Anda berpikir mengapa lampu senter, radio,dan televisi dapat berfungsi?Listrik terbentuk karena energi mekanik dari generator yang menyebabkanperubahan medan magnet di sekitar kumparan. Perubahan ini menyebabkantimbulnya aliran muatan listrik pada kawat/penghantar. Aliran muatan listrikpada kawat Anda kenal sebagai arus listrik. Aliran muatan dapat berupamuatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron). Aliran listrik yangmengalir pada penghantar dapat berupa arus searah atau direct current (DC)dan dapat berupa arus bolak-balik atau alternating current (AC).Pada bab ini, Anda akan mempelajari besaran-besaran listrik, rangkaianlistrik, dan penerapan alat listrik dalam kehidupan sehari-hari. Anda jugadituntut untur dapat mengunakan alat ukur listrik.A. Arus ListrikPada dasarnya rangkaian listrik dibedakan menjadi dua, yaitu rangkaianlistrik terbuka dan rangkaian listrik tertutup. Rangkaian listrik terbuka adalahsuatu rangkaian yang belum dihubungkan dengan sumber tegangan,sedangkan rangkaian listrik tertutup adalah suatu rangkaian yang sudahdihubungkan dengan sumber tegangan.Pada rangkaian listrik tertutup, terjadi aliran muatan-muatan listrik.Aliran muatan listrik positif identik dengan aliran air. Perhatikan Gambar7.2!(a) Rangkaian terbuka(b) Rangkaian tertutupGambar 7.1Rangkaian listrik
180Fisika SMA/MA Kelas XAir dalam bejana A mempunyai energi potensial lebih tinggi daripadaair dalam bejana B, sehingga terjadi aliran air dari bejana A menuju bejanaB atau dikatakan bahwa potensial di A lebih tinggi daripada potensial diB sehingga terjadi aliran muatan listrik dari A ke B. Jadi, dapat dikatakanbahwa muatan listrik positif mengalir dari titik berpotensial tinggi ke titikberpotensial rendah. Selanjutnya, aliran muatan listrik positif tersebutdinamakan arus listrik. Jadi, arus listrik dapat didefinisikan sebagai aliranmuatan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arus listrik terjadiapabila ada perbedaan potensial. Bagaimana bila dua titik yang dihubung-kan mempunyai potensial yang sama? Tentu saja tidak ada aliran muatanlistrik positif atau tidak terjadi arus listrik.Anda pasti berpikir bagaimana halnya denganmuatan listrik negatif? Apakah muatan listrik ne-gatif tidak dapat mengalir? Pada perkembanganselanjutnya, setelah elektron ditemukan oleh ilmu-wan fisika J.J. Thompson (1856–1940), ternyatamuatan yang mengalir pada suatu penghantarbukanlah muatan listrik positif, melainkan muat-an listrik negatif yang disebut elektron.Arah aliran elektron dari potensial rendah kepotensial tinggi (berlawanan dengan arah aliranmuatan positif). Namun hal ini tidak menjadikanmasalah, karena banyaknya elektron yang mengalir dalam suatupenghantar sama dengan banyaknya muatan listrik positif yang mengalir,hanya arahnya yang berlawanan. Jadi, arus listrik tetap didefinisikan ber-dasarkan aliran muatan positif yang disebut arus konvensional.1. Kuat Arus ListrikAnda telah mengetahui tentang pengertian arus listrik, yaitu aliranmuatan listrik positif pada suatu penghantar dari potensial tinggi ke po-tensial rendah. Agar lebih memahami tentang arus listrik, lakukanlah Ke-giatan 7.1!Gambar 7.2Aliran muatan listrik positif dari A ke B identik dengan aliran air dari A ke Byang disebut arus listrik.(a) Aliran listrikAB(b) Aliran airABAirAirGambar 7.3J.J ThompsonSumber: Jendela Iptek, Listrik
181Listrik DinamisKegiatan 7.1Kuat Arus ListrikA. TujuanAnda dapat memahami kuat arus listrik.B. Alat dan BahanTiga buah baterai, 1 buah lampu, kabel, papan kayu, paku pa-yung, dan alas bola lampu.C. Langkah Kerja1. Rangkailah bola lampu dan se-buah baterai dengan mengguna-kan kabel di atas papan kayu se-perti pada gambar di samping!2. Amatilah nyala bola lampu!3. Lakukan kegiatan di atas denganmenggunakan 2 baterai dan 3 ba-terai!4. Bandingkan nyala bola lampu!5. Apa kesimpulan Anda?Pada baterai terdapat dua kutub yang potensialnya berbeda. Jika keduakutub tersebut dihubungkan dengan lampu melalui kabel, maka akan ter-jadi perpindahan elektron dari kutub negatif ke kutub positif atau terjadiarus listrik dari kutub positif ke kutub negatif, sehingga lampu dapat me-nyala.Selanjutnya, jika baterai yang digunakan dua buah, maka lampu akanmenyala lebih terang. Jika baterai yang digunakan tiga buah, maka lampumenyala makin terang. Mengapa demikian? Hal ini disebabkan beda poten-sial kutub positif dan kutub negatifnya makin besar sehingga muatan-muatan listrik yang mengalir pada penghantar makin banyak atau aruslistriknya makin besar. Besarnya arus listrik (disebut kuat arus listrik)sebanding dengan banyaknya muatan listrik yang mengalir. Kuat aruslistrik merupakan kecepatan aliran muatan listrik. Dengan demikian, yangdimaksud dengan kuat arus listrik adalah jumlah muatan listrik yangmelalui penampang suatu penghantar setiap satuan waktu. Bila jumlahmuatan q melalui penampang penghantar dalam waktu t, maka kuat arusI secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
182Fisika SMA/MA Kelas XqIt atau q = I × tKeterangan:I: kuat arus listrik (A)q: muatan listrik yang mengalir (C)t: waktu yang diperlukan (s)Berdasarkan persamaan tersebut, dapat disimpulkan bahwa satucoulomb adalah muatan listrik yang melalui sebuah titik dalam suatu peng-hantar dengan arus listrik tetap satu ampere dan mengalir selama satusekon.Mengingat muatan elektron sebesar -1,6 × 10-19 C, (tanda negatif (-)menunjukkan jenis muatan negatif), maka banyaknya elektron (n) yangmenghasilkan muatan 1 coulomb dapat dihitung sebagai berikut.1 C = n × besar muatan elektron1 C = n × 1,6 × 10-19 C n= -1911, 6 1 0u n= 6,25 × 1018Jadi, dapat dituliskan 1 C = 6,25 × 1018 elektron.Diketahui dalam waktu 1 menit, pada suatu penghantar mengalirmuatan sebesar 150 coulomb. Berapa kuat arus yang mengalir padapenghantar tersebut?Diketahui :t = 1 menit = 60 sq = 150 CDitanyakan:I = ... ?Jawab:I= qt= 15060= 2,5 AJadi, kuat arus yang mengalir pada penghantar adalah 2,5 A.Contoh 7.1
183Listrik Dinamis2. Mengukur Kuat Arus ListrikBagaimana cara mengetahui besarnyaarus listrik? Alat yang dapat digunakanuntuk mengetahui kuat arus listrik adalahamperemeter. Pada pengukuran kuat aruslistrik, amperemeter disusun seri padarangkaian listrik sehingga kuat arus yangmengalir melalui amperemeter sama de-ngan kuat arus yang mengalir pada peng-hantar. Perhatikan Gambar 7.4!Cara memasang amperemeter padarangkaian listrik adalah sebagai berikut.a. Terminal positif amperemeter dihubungkan dengan kutub positif sum-ber tegangan (baterai).b. Terminal negatif amperemeter dihubungkan dengan kutub negatifsumber tegangan (baterai).Jika sakelar pada rangkaian dihubungkan, maka lampu pijar menyaladan jarum pada amperemeter menyimpang dari angka nol. Besar sim-pangan jarum penunjuk pada amperemeter tersebut menunjukkan besarkuat arus yang mengalir.Jika sakelar dibuka, maka lampu pijar padam dan jarum penunjukpada amperemeter kembali menunjuk angka nol. Artinya tidak ada aliranlistrik pada rangkaian tersebut. Dengan demikian, dapat disimpulkan bah-wa arus listrik hanya mengalir pada rangkaian tertutup.3. Sakelar dan SekeringSakelar adalah alat yang berfungsi menghubungkan dan memutuskanarus listrik dalam waktu sementara. Dalam rangkaian listrik, sakelardipasang secara seri. Ketika sakelar bekerja, rangkaian listrik tertutup danarus listrik mengalir. Ketika sakelar tidak bekerja, maka rangkaian listrikmenjadi terbuka, sehingga arus listrik tidak mengalir.Sakelar dalam rangkaian listrik dibedakan menjadi dua macam, yaitusakelar satu kutub dan sakelar tukar. Sakelar satu kutub digunakan untukmenyambung atau memutus arus pada satu cabang rangkaian, sedangkansakelar tukar digunakan untuk menyambung dan memutus arus padadua cabang rangkaian secara bergantian.ASGambar 7.4Amperemeter dipasangseri(a) Simbol sakelar satu kutub(b) Simbol sakelar tukarGambar 7.5Jenis sakelar
184Fisika SMA/MA Kelas XS oal Kompetensi 7.1Sekering mempunyai fungsi sebagai pemutus arus listrik secaraotomatis. Sekering terbuat dari logam bertitik lebur rendah yang berupakawat halus. Jika arus listrik yang lewat terlalu besar atau melebihikapasitas, maka kawat ini akan meleleh dan putus sehingga aliran aruslistrik akan berhenti. Misalnya, jika terjadi korsleting (hubungan pendek),maka kuat arus akan membesar. Arus yang besar ini dapat memanaskankawat sekering sampai meleleh dan akhirnya putus.Sekering tidak hanya dipasang pada instalasi listrik rumah tangga saja,tetapi juga dipasang pada alat-alat listrik yang lain, seperti televisi,komputer, dan radio.1. Apa yang Anda ketahui tentang arus listrik?2. Mengapa kabel yang terdapat di dalam kabel sekering berupakawat halus dan bertitik lebur rendah?3. Perhatikan gambar rangkaian berikut!Tentukan rangkaian yang benar ketika Anda ingin mengukurarus dengan menggunakan amperemeter!(b) Macam-macam bentuk sekeringGambar 7.6Sekering(a) Skema sekeringPenghantar logamPenghantar logamIsolator (porselin)Kawat sekeringSerbuk pasir(a)(b)
185Listrik DinamisB. Beda PotensialPotensial listrik adalah banyaknya muatan yang terdapat dalam suatubenda. Suatu benda dikatakan mempunyai potensial listrik lebih tinggidaripada benda lain, jika benda tersebut memiliki muatan positif lebihbanyak daripada muatan positif benda lain.Gambar 7.7Muatan listrik pada beberapa bendaPada Gambar 7.7, terlihat bahwa benda A memiliki muatan positifpaling banyak sehingga benda A mempunyai potensial listrik paling tinggi,disusul benda B, C, baru kemudian D. Apa yang dimaksud dengan bedapotensial?Beda potensial listrik (tegangan) timbul karena dua benda yangmemiliki potensial listrik berbeda dihubungkan oleh suatu penghantar.Beda potensial ini berfungsi untuk mengalirkan muatan dari satu titik ketitik lainnya. Satuan beda potensial adalah volt (V). Alat yang digunakanuntuk mengukur beda potensial listrik disebut voltmeter. Secara matematisbeda potensial dapat dituliskan sebagai berikut.WVqKeterangan:V: beda potensial (V)W: usaha/energi (J)q: muatan listrik (C)Untuk memindahkan muatan 4 coulomb dari titik A ke B diperlukanusaha sebesar 10 joule. Tentukan beda potensial antara titik A dan B!Diketahui :q= 4 CW= 10 JDitanyakan:V= ... ?Jawab: V= Wq = 104 = 2,5 VABCD(a)(b)(c)(d)Contoh 7.2
186Fisika SMA/MA Kelas XKegiatan 7.2S oal Kompetensi 7.2Telah disinggung bahwa, alat yang digunakan untuk mengukur suatutegangan adalah voltmeter. Untuk dapat menggunakannya lakukan Ke-giatan 7.2 berikut!Beda PotensialA. TujuanAnda dapat melakukan pengukuran beda potensial.B. Alat dan BahanBola lampu, batu baterai, voltmeter, dan kabel.C. Langkah Kerja1. Rangkailah alat-alat tersebut sepertigambar di samping!2. Catatlah beda potensial yang ditun-jukkan voltmeter!3. Ulangi kegiatan di atas denganmenggunakan 2 dan 3 baterai!4. Apa kesimpulan Anda?Saat mengukur beda potensial listrik, voltmeter harus dipasang secaraparalel dengan benda yang diukur beda potensialnya. Untuk memasangvoltmeter, Anda tidak perlu memotong rangkaian, namun cukup meng-hubungkan ujung yang potensialnya lebih tinggi ke kutub positif dan ujungyang memiliki potensial lebih rendah ke kutub negatif.Berdasarkan Kegiatan 7.2, dapat diketahui bahwa ketika sumbertegangan ditambah (baterai ditambah), maka jumlah muatan yangdihantarkan makin besar sehingga arusnya meningkat. Hal ini membuatnyala lampu menjadi lebih terang.1. Antara potensial listrik dan arus listrik, mana yang lebih ber-bahaya? Jelaskan alasan Anda!2. Mengapa burung-burung yang hinggap pada kabel listrik te-gangan tinggi tidak mati? Jelaskan dengan konsep beda potensial!
187Listrik DinamisKegiatan 7.33. Manakah dari gambar rangkaian berikut yang benar untukmengukur beda potensial?C. Hukum OhmPada rangkaian listrik tertutup, terjadi aliran arus listrik. Arus listrikmengalir karena adanya beda potensial antara dua titik pada suatu peng-hantar, seperti pada lampu senter, radio, dan televisi. Alat-alat tersebutdapat menyala (berfungsi) karena adanya aliran listrik dari sumbertegangan yang dihubungkan dengan peralatan tersebut sehingga meng-hasilkan beda potensial.Orang pertama yang menyelidiki hubungan antara kuat arus listrikdengan beda potensial pada suatu penghantar adalah Georg Simon Ohm,ahli fisika dari Jerman.Ohm berhasil menemukan hubungan secaramatematis antara kuat arus listrik dan beda potensial, yang kemudian dikenalsebagai Hukum Ohm. Untuk mengetahui hubungan tersebut, lakukanlahKegiatan 7.3 berikut!Hubungan Kuat Arus Listrik dengan Beda PotensialA. TujuanAnda dapat mengetahui hubungan antara kuat arus listrikdengan beda potensial.B. Alat dan BahanEmpat buah baterai 1,5 volt, amperemeter, lampu pijar, dankabel.(a)(b)
188Fisika SMA/MA Kelas XC. Langkah Kerja1. Rangkailah sebuah baterai, am-peremeter, dan lampu seperti padagambar di samping dengan meng-gunakan kabel!2Baca dan catat skala yang ditun-jukkan oleh amperemeter ke da-lam tabel seperti berikut!Tabel Hasil Pengamatan3. Ulangi kegiatan di atas dengan menggunakan 2, 3, dan 4baterai!4. Catatlah data yang Anda peroleh!5. Apa kesimpulan Anda?Berdasarkan tabel pada Kegiatan 7.3, Anda ketahui bahwa makinbesar beda potensial yang ditimbulkan, maka kuat arus yang mengalirmakin besar pula. Besarnya perbandingan antara beda potensial dan kuatarus listrik selalu sama (konstan). Jadi, beda potensial sebanding dengankuat arus (V ~ I). Secara matematis dapat Anda tuliskan V = m × I, madalah konstanta perbandingan antara beda potensial dengan kuat arus.Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar grafik berikut!NoJumlahBateraiBeda Potensial(V)Kuat Arus(I)VI1.2.3.4.1 baterai2 baterai3 baterai4 baterai1,5 V3 V4,5 V6 V ... ... ... ...............'V'IV = m × IVIGambar 7.8Grafik hubungan antara kuat arus dengan beda potensial
189Listrik DinamisBerdasarkan grafik di atas, nilai m dapat Anda peroleh denganpersamaan VmI''. Nilai m yang tetap ini kemudian didefinisikan sebagaibesaran hambatan listrik yang dilambangkan R, dan diberi satuan ohm :,untuk menghargai Georg Simon Ohm. Jadi, persamaan tersebut dapatdituliskan sebagai berikut.VRI atau V = I × RKeterangan:V: beda potensial atau tegangan (V)I: kuat arus (A)R: hambatan listrik (:)Persamaan di atas dikenal sebagai Hukum Ohm, yang berbunyi “Kuatarus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensialantara ujung-ujung penghantar itu dengan syarat suhunya konstan/tetap.”Diketahui kuat arus sebesar 0,5 ampere mengalir pada suatu peng-hantar yang memiliki beda potensial 6 volt. Tentukan hambatanlistrik penghantar tersebut!Diketahui :V= 6 VI= 0,5 ADitanyakan:R= ... ?Jawab:V = I × RR= VIR= 60, 5 = 12 :Pada kehidupan sehari-hari, kadang kita menemukan sebuah alat lis-trik yang bertuliskan 220 V/2 A. Tulisan tersebut dibuat bukan tanpa tu-juan. Tulisan tersebut menginformasikan bahwa alat tersebut akan bekerjaoptimal dan tahan lama (awet) ketika dipasang pada tegangan 220 V dankuat arus 2 A. Bagaimana kalau dipasang pada tegangan yang lebih tinggiatau lebih rendah? Misalnya, ada 2 lampu yang bertuliskan 220 V/2 A,masing-masing dipasang pada tegangan 440 V dan 55 V. Apa yang terjadi?Contoh 7.3
190Fisika SMA/MA Kelas XTkhooS oal Kompetensi 7.3Tulisan 220 V/2 A menunjukkan bahwa lampu ter-sebut mempunyai hambatan sebesar (R) = 220V2A = 110:.Jadi, arus listrik yang diperbolehkan mengalir sebesar2 A dan tegangannya sebesar 220 V. Jika dipasang padategangan 440 V, maka akan mengakibatkan kenaikanarus menjadi I = 440110VR= 4 A. Arus sebesar inimengakibatkan lampu tersebut bersinar sangat terangtetapi tidak lama kemudian menjadi putus/rusak. Begi-tu juga apabila lampu tersebut dipasang pada tegangan55 V, maka arus akan mengalami penurunan menjadi I = 55110VR = 0,5 A.Arus yang kecil ini mengakibatkan lampu menjadi redup (tidak terang).Oleh karena itu, perhatikan selalu petunjuk penggunaan apabila meng-gunakan alat-alat listrik.1. Perhatikan lampu pijar Anda di rumah. Kadang-kadang nyalalampu pijar tersebut lebih terang atau lebih redup daripadabiasanya, mengapa?2. Jelaskan dengan bahasa Anda, hubungan antara kuat arusdengan beda potensial!3. Jika hambatan listrik sebuah rangkaian dijadikan 3 kali darisemula dan beda potensial di antara ujung-ujungnya dijagatetap, maka apa yang terjadi pada kuat arusnya?Georg Simon Ohm(1787 – 1854)Georg Simon Ohm lahir di Eriangen,Bavaria (Jerman Barat) pada tanggal 26 Maret1787. Ia merupakan ahli fisika Jerman yangberasal dari keluarga miskin. Ayahnya yanghanya seorang mandor montir mengharapkanOhm menjadi seorang ilmuwan, namun Ohmsendiri ingin menjadi guru besar di universitas.Gambar 7.9Bola lam-pu yang bertuliskan220 V/2 ASumber: Jendela Iptek, Listrik
191Listrik DinamisSetelah lulus dari universitas, ia bekerja sebagai guru SMA.Untuk dapat mengajar di universitas sebagai guru besar, ia harusmelakukan riset dan membuat karya ilmiah. Beliau kemudianmenyelidiki arus listrik yang ditemukan Volta. Ia menggunakanhasil penyelidikan Fourier, seorang ahli matematika Prancis untukmengetahui sifat-sifat arus listrik. Akhirnya pada tahun 1827, saatOhm berumur 40 tahun, ia berhasil membuat teori dari hasilpenelitiannya. Teorinya mengatakan bahwa arus listrik yang me-lalui suatu penghantar berbanding terbalik dengan hambatannya.Teorinya kemudian dikenal dengan Hukum Ohm. Penemuannyadipaparkan secara jelas dalam sebuah buku yang berjudul “SirkuitGalvanik” yang diselidiki secara matematik pada tahun 1827.Penemuannya ternyata mendapat kecaman dan kritik. Karenasangat kecewa, ia kemudian berhenti menjadi guru. Namun, 14tahun kemudian penemuannya diterima dan diakui, ia kemudiandiangkat menjadi guru besar di Universitas Munich, dan ia diakuisebagai ilmuwan bertaraf internasional. Ia meninggal di Munichpada tanggal 7 Juli 1854 dalam usia 67 tahun.(Dikutip seperlunya dari 100 Ilmuwan, John Hudson Tiner, 2005)D. Hambatan ListrikBerdasarkan persamaan hukum Ohm, hambatan listrik dapat didefi-nisikan sebagai hasil bagi beda potensial antara ujung-ujung penghantardengan kuat arus yang mengalir pada penghantar tersebut. Untuk menge-nang jasa Georg Simon Ohm, namanya dipakai sebagai satuan hambatanlistrik, yaitu ohm :. Suatu penghantar dikatakan mempunyai hambatansatu ohm apabila dalam penghantar tersebut mengalir arus listrik sebesarsatu ampere yang disebabkan adanya beda potensial di antara ujung-ujungpenghantar sebesar satu volt.1. Jenis-Jenis HambatanPada kehidupan sehari-hari dikenal beberapa jenis hambatan (resistor)yang sering digunakan sesuai kebutuhannya. Jenis-jenis hambatan (resistor)tersebut, antara lain, resistor tetap dan resistor variabel.a. Resistor TetapPada resistor tetap yang biasanya dibuat dari karbon atau kawatnikrom tipis, nilai hambatannya disimbolkan dengan warna-warna yang
192Fisika SMA/MA Kelas Xmelingkar pada kulit luarnya. Simbol warna-warna tersebut mempunyai arti sesuai denganletaknya. Perhatikan Tabel 7.1!Tabel 7.1 Kode Warna ResistorWarna pada pita ke-1 menunjukkan angka pertama, pita ke-2 menun-jukkan angka ke-2, pita ke-3 menunjukkan banyaknya angka nol, danpita ke-4 menunjukkan tingkat akurasi. Resistor tetap yang dipasang padarangkaian listrik seperti radio, televisi, dan komputer berfungsi untukmengatur kuat arus listrik dan beda potensial pada nilai-nilai tertentusehingga komponen-komponen listrik pada rangkaian tersebut dapat ber-fungsi dengan baik.Resistor pada gambar di samping memiliki warna merah, hijau,kuning, dan emas. Tentukan nilai hambatan resistor tersebut!Diketahui :pita ke-1, merah = 2pita ke-2, hijau = 5pita ke-3, kuning = 0,000pita ke-4, emas = ± 5 %Ditanyakan: nilai hambatan = ... ?merahhijaukuningemasGambar 7.10Resistor tetapWarnaPita ke-1Angka ke-1Pita ke-2Angka ke-2Pita ke-3Angka nolPita ke-4AkurasiHitamCoklatMerahOranyeKuningHijauBiruUnguAbu-abuPutihEmasPerakTanpa pita0123456789---0123456789----0000000 00000 000000 000---× 0,1× 0,01--± 1%± 2%-------± 5%± 10%± 20%Contoh 7.3
193Listrik DinamisJawab :Nilai hambatan resistor dengan warna merah, hijau, kuning, danemas adalah 250.000: dengan tingkat akurasi 5 %. Hal ini berartibahwa nilai hambatan yang sebenarnya adalah berkisar antara:batas bawah= 250.000 – 5250.000100§·u ̈ ̧©¹= 250.000 – 12.500= 237.500 :batas atas= 250.000 + 5250.000100§·u ̈ ̧©¹= 250.000 + 12.500= 262.500 :.Jadi, nilai hambatan resistor tersebut adalah 250.000: ± 12.500 :.b. Resistor VariabelDi pasaran, resistor variabel yang kita kenal ada dua, yaitu resistorvariabel tipe berputar dan bergeser (rheostat). Pada prinsipnya, cara kerjakedua resistor ini adalah sama, yaitu memutar atau menggeser kontakluncur untuk menambah atau mengurangi nilai hambatan sesuai kebu-tuhan. Resistor variabel ini dapat kita temui pada sistem volume di radio,tape recorder, dan alat-alat elektronik lainnya.2. Mengukur HambatanAnda telah dapat mengukur besar kuat arus maupun beda potensialpada suatu penghantar. Sekarang, bagaimana caranya mengukur besarhambatan listrik? Untuk mengukur hambatan listrik ada dua cara, yaitusecara langsung dan tidak langsung.(a) Tipe bergeser(b) Tipe berputarGambar 7.11Macam-macam resistor variabel
194Fisika SMA/MA Kelas Xa. Mengukur Hambatan Secara LangsungAnda tentu telah mengenal multimeter, yai-tu alat yang dapat digunakan untuk mengukurkuat arus, beda potensial, dan hambatan. Un-tuk mengukur hambatan dengan mengguna-kan multimeter, terlebih dahulu kita putar sake-lar pilih pada multimeter ke arah yang bertandaR. Dengan demikian, multimeter telah ber-fungsi sebagai ohmmeter (pengukur hambatan). Hubungkan ujung-ujungterminal multimeter dengan ujung-ujung benda yang akan diukur ham-batannya, kemudian perhatikan skala yang ditunjukkan pada multimeter!b. Mengukur Hambatan Secara Tidak LangsungSelain menggunakan multimeter, Anda juga dapat menggabungkanvoltmeter dan amperemeter secara bersama-sama pada rangkaian listrikyang diukur hambatannya. Voltmeter dipasang secara paralel, sedangkanamperemeter dipasang seri dengan benda yang akan diukur hambatannya.Gambar 7.13Pemasangan amperemeter dan voltmeter pada rangkaianSetelah rangkaian terpasang seperti terlihat pada Gambar 7.12, baca-lah skala yang ditunjukkan voltmeter maupun amperemeter, kemudianhitunglah nilai hambatan R dengan persamaan hukum ohm!VRI atau R = skala yang terbaca pada voltmeterskala yang terbaca pada ampermeter.Untuk ketelitian yang lebih baik, ulangilah pengukuran tersebut dengancara mengubah-ubah beda potensialnya (dengan 1 baterai, 2 baterai, 3baterai, dan 4 baterai)!KawatGambar 7.12Penggunaan mul-timeterRBatu bateraiS
195Listrik DinamisKegiatan 7.43. Hambatan pada Kawat PenghantarKawat penghantar yang dipakai pada kawat listrik pasti mempunyaihambatan, meskipun nilainya kecil. Untuk menyelidiki faktor-faktor yangmemengaruhi besarnya hambatan suatu penghantar, lakukan Kegiatan7.4 berikut!Hambatan pada Kawat PenghantarA. TujuanAnda dapat mengetahui faktor-faktor yang memengaruhi nilaihambatan suatu kawat penghantar.B. Alat dan BahanKawat tembaga dengan luas penampang kecil dan besar(2× yang kecil) dengan panjang 1 m dan 2 m, kawat nikelindengan panjang 1 m dan 2 m, voltmeter, amperemeter, dan 2buah baterai (@1,5 V).C. Langkah Kerja1. Buatlah rangkaian seperti gambar di atas dengan kawattembaga yang luas penampangnya kecil dan panjangnya 1 m(AB)!2. Tutuplah sakelar (S), kemudian amati skala yang tertera padavoltmeter dan amperemeter!3. Hitung hambatan kawat penghantar tersebut!4. Ulangilah kegiatan tersebut dengan mengubah panjang, luaspenampang, dan jenis kawat!5. Catatlah hasil kegiatan Anda dalam tabel di dalam buku tugas!ABSkawat yang diuji
196Fisika SMA/MA Kelas X6. Apa kesimpulan Anda?Tabel Hasil PengamatanBerdasarkan Kegiatan 7.4, dapat diperoleh kesimpulan bahwa ham-batan listrik suatu kawat penghantar dipengaruhi oleh panjang kawat (l),hambatan jenis kawat (U), dan luas penampang kawat (A). Secara mate-matis, hubungan ketiga faktor tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.lRAUKeterangan:R: hambatan kawat penghantar :l: panjang kawat penghantar (m)A: luas penampang kawat penghantar (m2)U: hambatan jenis kawat penghantar m:1. Diketahui sebuah kawat penghantar memiliki panjang 100 m,luas penampang 2,5 mm2, dan hambatan jenis sebesar17 × 10-7:m. Tentukan besarnya hambatan kawat tersebut!Diketahui :a.l= 100 mb.A= 2,5 mm2 = 25 × 10-7 m2c.U= 17 × 10-7:mNoJenis kawatPanjangKawat (I)Tegangan(V)Kuat Arus(I)1.2.3.4.5.6.Tembaga penampang kecilTembaga penampang kecilTembaga penampang besar(2× penampang kecil)Tembaga penampang besar(2× penampang kecil)Nikelin penampang kecilNikelin penampang kecil1 m2 m1 m2 m1 m2 m3 volt3 volt3 volt3 volt3 volt3 volt....................................VR=IContoh 7.4
197Listrik DinamisDitanyakan :R= ... ?Jawab:R= lAU= -7-710017 1025 10uuu= 68 :Jadi, besarnya hambatan kawat adalah 68 :.2. Kawat yang panjangnya 200 meter dan luas penampangnya0,5 mm2 mempunyai hambatan listrik 56 :. Tentukan ham-batan jenis kawat tersebut!Diketahui :a.l= 200 mb.A= 0,5 mm2= 5 × 10-7 m2c.R= 56 :Ditanyakan:U= ... ?Jawab:U= uRAl= -756 5 10200uu= 1,4 × 10-7: mJadi, hambatan jenis kawat adalah 1,4 × 10-7: m.Berdasarkan persamaan dan contoh tersebut, terlihat bahwa apabilakawat penghantar makin panjang dan hambatan jenisnya makin besar,maka nilai hambatannya bertambah besar. Tetapi apabila luas penampangkawat penghantar makin besar, ternyata nilai hambatannya makin kecil.Untuk nilai hambatan jenis suatu penghantar besar kecilnya sudahditentukan para ilmuwan. Perhatikan Tabel 7.2 berikut!
198Fisika SMA/MA Kelas XTabel 7.2 Nilai Hambatan Jenis Berbagai BahanSumber: Fisika, Kane & Sternheim, 1991.Tegangan listrik di rumah Anda, mungkin pernah mengalami penu-runan. Kejadian tersebut biasanya terlihat pada malam hari ketika semuaalat listrik dan lampu dinyalakan, ternyata nyala lampu sedikit redup.Hal ini disebabkan tegangan harus melewati kawat yang sangat panjanguntuk sampai ke rumah Anda dari gardu induk PLN. Padahal makinpanjang kawat yang digunakan, makin besar hambatannya. Menuruthukum ohm, V = I × R, makin besar harga hambatan (R), makin besarpula beda potensial/tegangan (V). Beda potensial yang dimaksud adalahbeda potensial yang hilang pada kawat penghantar. Oleh karena itu, bilategangan listrik di rumah Anda ukur, ternyata besarnya kurang dari 220volt, seperti yang tertulis pada PLN.E. Hukum Kirchhoff1. Hukum I Kirchhoff Anda sudah dapat mengukur kuat arus listrikdalam suatu rangkaian tertutup sederhana yang tidakbercabang, di mana kuat arus di setiap titik pada setiappenghantar besarnya sama. Bagaimana cara meng-ukur kuat arus yang mengalir pada rangkaian ber-cabang? Apakah cara mengukur kuat arus pada rang-kaian itu juga sama? Untuk mejawab pertanyaan-per-tanyaan tersebut lakukanlah Kegiatan 7.5 berikut!NoNama ZatHambat Jenis(ohm.m)13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.KaretManganMikaMinyak tanahParafinPerakPorselinTembagaTimbalWolframKonstanta108 – 10134,3 × 10-71013101410141,6 ×10-81012 – 10141,7 × 10-142,1 × 10-75,6 × 10-85 × 10-7NoNama ZatHambat Jenis(ohm.m)1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.AirAir sulingAlkoholAluminiumAsam sulfatBakelitBesiEbonitEmasKacaKarbonRaksa102103 – 1055 × 1042,9 × 1082,5 × 102105 – 10108,6 × 10-81013 – 10162,3 × 10-81011 – 10146 × 1059,58 – 10-7Gambar 7.14KirchoffSumber: Jendela Iptek, Listrik
199Listrik DinamisKegiatan 7.5Kuat Arus dalam Rangkaian BercabangA. TujuanAnda dapat mengetahui kuat arus di setiap titik dalam rang-kaian bercabang.B. Alat dan BahanBaterai, 4 buah amperemeter, 2 buah lampu pijar, dan kabel.C. Langkah Kerja1. Buatlah rangkaian seperti terlihat pada gambar di atas!2. Tutuplah sakelar (s) dan bacalah skala yang ditunjukkanoleh jarum amperemeter 1, 2, 3, dan 4!3. Bandingkan besar kuat arus pada masing-masing ampere-meter tersebut!4. Nyatakan kesimpulan Anda!Pada Kegiatan 3.5, ternyata amperemeter 1 dan 4 menunjukkan skalayang sama, sedangkan jumlah dari skala yang ditunjukkan amperemeter2 dan 3 sama dengan skala yang ditunjukkan amperemeter 1 dan 4.Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa arus yang masuk padatitik percabangan sama dengan kuat arus yang keluar pada titik perca-bangan tersebut. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum I Kirchoff, yangsecara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.masukkeluarII6 6Untuk lebih memahami kuat arus pada rangkaian listrik bercabang,dapat Anda umpamakan sebagai jalan raya yang bercabang.
200Fisika SMA/MA Kelas XPada Gambar 7.15, terlihat bahwa jumlah mobil di jalan utama Asebanyak lima buah, kemudian mobil tersebut berpencar di persimpangansehingga yang melewati jalan satu sebanyak 2 buah dan jalan dua sebanyaktiga buah. Pada persimpangan yang lain, mobil-mobil tersebut bertemulagi di jalan utama B sehingga mobil yang melewati jalan utama B samadengan jumlah mobil yang melewati jalan satu dan dua atau jumlah mobilyang melewati jalan utama A.1. Pada gambar rangkaian di samping! Berapa besar kuat aruspada I3Diketahui : Imasuk= 12 A I1= 8 A I2= 3 ADitanyakan: I3= ... ?Jawab: masukI6= keluarI6 Itotal= I1 + I2 + I3 12 = 8 + 3 + I3 12 = 11 + I3I3= 12 – 11I3= 1 A2. Perhatikan gambar di samping!Jika besarnya arus yang masuk 200mA, maka hitunglah besarnya kuatarus I1, I3 dan I5!Diketahui : Imasuk= 200 mA I2= 80 mA I4= 40 mAContoh 7.5I = 12 AI1 = 8 AI2 = 3 AI3 = ... ?BAGambar 7.15Jumlah arus tiap titik pada rangkaian bercabangJalan utama AJalan utama BJalan 2Jalan 1I = 5 AI1 = 2I2 = 3 AI = 5 AI 2 = 80 mAI 3 = ... ?I 4 = 40 mAI 5 = ... ?I 1 = ... ?
201Listrik DinamisDitanyakan:a.I1 = ... ?b.I3 = ... ?c.I5 = ... ?Jawab:a.Imasuk= I1 + I2200= I1 + 80I1= 200 – 80= 120 mAb.I1= I3 + I4120= I3 + 40I3= 120 – 40= 80 mAc.I5= I2 + I3 + I4= 80 + 80 + 40= 200 mA2. Hukum II KirchhoffHukum II Kirchhoff atau hukum loop menyatakan bahwa jumlah peru-bahan potensial yang mengelilingi lintasan tertutup pada suatu rangkaian harussama dengan nol. Hukum ini di dasarkan pada hukum kekekalan energi.Secara matematis hukum II Kirchhoff dapat dinyatakan sebagai berikut. ( × )EIRS=SKeterangan:E: ggl sumber arus (volt)I: kuat arus (A)R: hambatan (W)Pada perumusan hukum II Kirchhoff, mengikuti ketentuan sebagaiberikut.a. Semua hambatan (R) dihitungpositif.b. Pada arah perjalanan atau pene-lusuran rangkaian tertutup (loop),jika sumber arus berawal dari kutubnegatif ke kutup positif, maka ggl-nya dihitung positif. Jika sebaliknyadari kutub positif ke kutub negatif,maka ggl nya dihitung negatif.Gambar 7.16 Tanda positif dan negatifggl.E = positifE = negatifArah loop
202Fisika SMA/MA Kelas Xc.Arus yang searah dengan penelusuran loop dihitung positif, sedangyang berlawanan dengan arah penelusuran dihitung negatif.d. Jika hasil akhir perhitungan kuat arus bernilai negatif, maka kuat arusyang sebenarnya merupakan kebalikan dari arah yang ditetapkan.a. Kuat Arus Listrik dalam Rangkaian SederhanaPada dasarnya sumber tegangan gglmemiliki hambatan dalam yang disimbul-kan dengan r. Nilai r ini adalah nilaihambatan yang ada dalam ggl sumber te-gangan pada suatu rangkaian. PerhatikanGambar 7.17!Pada Gambar 7.17 melukiskan rang-kaian tertutup yang terdiri atas sebuahsumbu arus dengan ggl E, hambatan da-lam r, dan sebuah penghambat denganhambatan R, sedang arus pada rangkaianI. Menurut hukum II Kirchhoff, pada rangkaian berlaku persamaan sepertiberikut.E = (I × r) + (I × R) atau E = I (r + R) atau EIrR=+Keterangan:E: ggl sumber arus (V)I: kuat arus (A)r: hambatan dalam sumber arus (W)R: hambatan penghambat (W)Nilai I × R pada persamaan di atas merupakan tegangan penggunaandi luar sumber arus yang disebut tegangan jepit (K). Jadi, persamaan diatas dapat ditulis sebagai berikut.E = I × r + K atau K = E – I × rKeterangan:K: tegangan jepit (V)Gambar 7. 17Rangkaian tertutupEILoopR–+
203Listrik DinamisSebuah kawat penghantar dengan hambatan 11,5 ohm dihubung-kan dengan sumber tegangan 6 V yang hambatan dalamnya 0,5 ohm.Hitunglah kuat arus pada rangkaian dan tegangan jepitnya!Diketahui :a.R: 11,5 Wb.E: 6 Vc.r = 0,5 WDitanyakan:a.I = ...?b.K = ...?Jawab:a. Kuat arus pada rangkaian6 =0,511, 5 0, 5EIRr==++ Ab. Tegangan JepitK = I × R = 0,5 × 11,5 = 5,75 Vb. Kuat Arus Listrik dalam Rangkaian Majemuk (Kompleks)Gambar 7.18 menunjukkansatu rangkaian tertutup yangterdiri atas satu loop. Misalkanarah arus dan arah penelusuranloop kita tentukan searah putar-an jarum jam. Menurut hukumII Kirchhoff pada rangkaian ber-laku persamaan ( × )EIRS=S.Oleh karena itu persamaannyamenjadi seperti berikut.123 1 122343()EEEIrRrRRRr-+=++++++Jika pada penjabaran di atas dihasilkan nilai I negatif, maka arah arusyang sebenarnya adalah kebalikan dari arah yang ditentukan padagambar. Bagaimana jika penelusuran rangkaian berawal dari satu titikdan berakhir pada titik lain? Misalkan Anda akan menentukan teganganatau beda potensial antara titik A dan B pada Gambar 7.18. BerdasarkanHukum II Kirchhoff dapat dihitung dengan persamaan berikut.Contoh 7.6Gambar 7.18 Rangkaian satu loop.RaRangkaian satu loop.AE1r1R1E2r2BR2LoopR3DE3r3R4C
204Fisika SMA/MA Kelas X(I × R)ABVE+S=S12 1 12()ABVEEIrRr+-=++112 12()ABVIrRrEE=++-+Untuk rangkaian yang memiliki dua loop atau lebih dapat diselesaikandengan hukum II Kirchhoff dan hukum I Kirchhoff. Perhatikan Gambar7.19!Pada gambar di atas dilukiskan rangkaian tertutup yang terdiri atasdua loop. Arah arus dan arah penelusuran tiap loop. Misalkan Anda bagimenjadi seperti berikut.•Loop I ABGFA ( × )EIRS=S12 1 122324()EE IrRrR R I R-=+++++ ́•Loop II FEDGF ( × )EIRS=S3363 54() × EIRrR IR=+++•Penerapan Hukum I KirchhoffI2 = I1 + I3Gambar 7.19 Rangkaian dua loop.AE1r1R1I1E2r2BR2FR4I2R3GR5ER6I3E3r3D
205Listrik Dinamis1. Hitung kuat arus pada masing-masing penghambat pada gam-bar berikut!Diketahui :a.E1 = 8 Vb.R1 = 4 Wc.E2 = 18 Vd.R2 = 2 We.R3 = 6 WDitanyakan:a.I1 = ...?b.I2 = ...?c.I3 = ...?Jawab:•Hukum I KirchhoffI3 = I1 + I2............(1)•Loop I ( × )EIRS=S8 = I1 × 4 + I3 × 68 = I1 × 4 + (I1 + I2) 68 = 10 I1 + 6 I2 ........... (2)•Loop IIE2 = I2 × R2 + I3 × R318 = I2 × 2 + (I2 + I1) 618 = 2 I2 + 6 I1 + 6 I29 = 3 I1 + 4I2........... (3)Anda eliminasi persamaan (2) dan (3)12121116 20 12 27 9 12 - 11 11 - 1 IIIIIIA=+=+-==MertahContoh 7.7I1I2R1IR36:IIR22:8VE1I318VE2
206Fisika SMA/MA Kelas XS oal Kompetensi 7.5Nilai I 1, Anda masukkan ke persamaan (2)8 = 10 I1 + 6 I28 = 10 (–1) + 6 I2I2 = 3 ANilai I2, Anda masukkan pada persamaan (1)I3= I1 + I2= –1 + 3= 2I1 negatif, berarti I berlawanan dengan arah yang telah ditentu-kan.1. Perhatikan rangkaian berikut!Jika lampu satu (l1), lampu dua (l2), danlampu tiga (l3) memiliki hambatan yangsama (identik), maka amperemeter ma-nakah yang menunjukkan skala ter-tinggi dan terendah?2.Perhatikan gambar rang-kaian berikut!Tentukan kuat arus yangmengalir pada I1, I2, I5, danI6 serta arahnya!3. Berdasarkan Hukum II Kirchhoff, hitung kuat arus listrik padarangkaian berikut!l1l2l3A1A2A3I = 20 AI1I2I3 = 6I4 = 8I5I6ADBCR1 = 3:R2 = 6:E2 = 20vE3 = 14vE1 = 24v
207Listrik DinamisF. Rangkaian Hambatan ListrikPada rangkaian listrik, mungkin Anda sering menjumpai beberapahambatan yang dirangkai secara bersama-sama. Hambatan yang dimaksuddi sini bukan hanya resistor, melainkan semua peralatan yang mengguna-kan listrik, seperti lampu, radio, televisi, dan setrika listrik. Rangkaian ham-batan listrik dibedakan menjadi dua, yaitu seri dan paralel.1. Rangkaian Hambatan SeriRangkaian hambatan seri adalah rangkaian yang disusun secara ber-urutan (segaris). Pada rangkaian hambatan seri yang dihubungkandengan suatu sumber tegangan, besar kuat arus di setiap titik dalamrangkaian tersebut adalah sama. Jadi, semua hambatan yang terpasangpada rangkaian tersebut dialiri arus listrik yang besarnya sama.Bila salah satu hambatan ada yang putus, maka arus listrik pada rang-kaian tersebut juga putus/tidak mengalir.Gambar 7.20Rangkaian hambatan seriPada Gambar 7.20, terlihat dua buah lampu (sebagai hambatan) yangdisusun seri. Kuat arus yang mengalir melalui kedua lampu tersebut samabesarnya, sedangkan tegangannya berbeda (VABzVBC). Dengan meng-gunakan hukum Ohm dapat Anda tuliskan secara matematis sebagaiberikut.Jika VAB= I × R1, VBC = I × R2, VAC = VAB + VBC; maka:VAC= VAB + VBCVAC= I × R1 + I × R2VAC= I (R1 + R2)Jika Anda ganti kedua hambatan yang dirangkai seri dengan sebuahhambatan pengganti (Rs) lihat Gambar 7.20 (c), maka VAC = I × Rs , sehinggaAnda dapatkan persamaan sebagai berikut.(a) Lampu disusun seri(b) Simbol rangkaian(c) Hambatan penggantiABCIL1L2R1ABCR2IVACRsI
208Fisika SMA/MA Kelas XVAC= I(R1 + R2)I × Rs= I(R1 + R2)Rs= R1 + R2Jadi, bentuk umum hambatan pengganti yang dirangkai seri adalahsebagai berikut.Rs = R1 + R2 + R3 + ... + Rn (n = banyaknya hambatan)Hambatan pengganti pada kedua rangkaian ini selalu lebih besarkarena merupakan jumlah dari hambatan-hambatan yang dipasang.Ada tiga buah hambatan yang masing-masing nilainya 6:, 4:,dan 3: disusun seri. Tentukan hambatan penggantinya!Diketahui : a.R1= 6:b.R2= 4: c.R3= 3:Ditanyakan: Rs= ... ?Jawab:Rs= R1 + R2 + R3= 6 + 4 + 3= 13 :Jadi, hambatan penggantinya adalah 13 :.2. Rangkaian Hambatan ParalelHambatan paralel adalah rangkaian yang disusun secara berdam-pingan/berjajar. Jika hambatan yang dirangkai paralel dihubungkandengan suatu sumber tegangan, maka tegangan pada ujung-ujung tiaphambatan adalah sama. Sesuai dengan Hukum I Kirchoff, jumlah kuatarus yang mengalir pada masing-masing hambatan sama dengan kuatarus yang mengalir pada penghantar utama.Contoh 7.8
209Listrik DinamisGambar 7.21Rangkaian hambatan paralelPada Gambar 7.21, dua buah lampu (sebagai hambatan) dirangkaiparalel. Kuat arus yang mengalir pada lampu 1 (I1) dan lampu 2 (I2) besar-nya tergantung nilai hambatannya, sedangkan tegangan yang melewatikedua lampu tersebut besarnya sama.Dengan menggunakan hukum I Kirchoff dan hukum Ohm, maka da-pat Anda tuliskan secara matematis sebagai berikut.Jika I1 = 1VR, I2 = 2VR, dan I = I1 + I2; maka:I = I1 + I2 = 12VVRR= 1211VRR§· ̈ ̧©¹Jika Anda ganti kedua hambatan yang dirangkai paralel dengansebuah hambatan pengganti (Rp), lihat Gambar 7.21 (c), maka pVIR,sehingga Anda dapatkan persamaan sebagai berikut.I = 1211VRR§· ̈ ̧©¹pVR= 1211VRR§· ̈ ̧©¹1pVR§· ̈ ̧ ̈ ̧©¹= 1211VRR§· ̈ ̧©¹1pR= 1211RRRp= 1212uRRRRAII1I2L1L2II1I2R1R2RsI(a) Lampu disusun pararel(b) Simbol rangkaian(c) Hambatan pengganti
210Fisika SMA/MA Kelas XJadi, bentuk umum hambatan yang dirangkai paralel adalah :1pR = 1231111...nRR RR, (n = jumlah hambatan)Rp =PerkalianPenjumlahan= 1231213231......nnnRR RRRR RR R RR Ruuuuuuu uHambatan pengganti pada rangkaian paralel selalu lebih kecil karenamerupakan jumlah dari kebalikan hambatan tiap-tiap komponen.Tiga buah hambatan, masing-masing nilainya 3 , 4 ,::dan 6:dirangkai secara paralel. Hitunglah hambatan penggantinya!Diketahui :a.R1 = 3 :b.R2 = 4 :c.R3 = 6 :Ditanyakan:Rp = ... ?Jawab:Cara I :1pR = 123111RR R1pR = 1113461pR = 4321212121pR = 912Rp = 129 = 43:Contoh 7.9
211Listrik DinamisKolom Diskusi 7.1Cara II:Rp = 123121323uuuuuRR RRR RR R RRp = 34634 36 46uuuuuRp = 72121824Rp = 7254 = 43:Diskusikan bersama teman Anda!1. Jika pada rangkaian seri atau paralel ditambahkan lagi kom-ponen listrik, bagaimana jumlah hambatan totalnya?2. Yusi sedang memperbaiki radionya yang rusak. Ternyata keru-sakan terdapat pada resistor yang nilainya 6 :, sehingga resis-tor tersebut harus diganti. Sementara itu, Yusi hanya mempu-nyai resistor yang nilainya 9 : dan 18 :. Apa yang harusdilakukan Yusi agar radionya berfungsi kembali!3. Sebutkan dan jelaskan manfaat rangkaian seri dan paralel!Kumpulkan hasil diskusi Anda di meja guru!G. Daya Listrik dalam Kehidupan Sehari-HariBila Anda perhatikan sebuah setrika listrik yang dihubungkan dengansumber tegangan listrik, maka tidak berapa lama akan menjadi panas.Hal ini terjadi karena adanya usaha untuk memindahkan muatan listriksetiap saat pada rangkaian listrik yang besarnya sama dengan energi listrikyang diubah menjadi energi kalor. Besarnya energi setiap satuan waktudisebut daya listrik. Secara matematis daya listrik dapat di tulis sebagaiberikut.WPt
212Fisika SMA/MA Kelas XJika W = V × I × t, maka persamaan di atas dapat ditulisP = V × IMenurut Hukum Ohm persamaan daya dapat ditulis P = I2 × R atau 2VPRKeterangan :P: daya listrik (W)W: energi listrik (J)V: tegangan listrik (V)I: kuat arus listrik (A)R: hambatan listrik (:)Dalam waktu 5 menit, sebuah lampu pijar menggunakan energisebesar 9.000 J. Hitunglah daya listrik lampu pijar tersebut!Diketahui :a.t= 5 menit = 300 sb.W= 9.000 JDitanyakan:P= ... ?Jawab:P=Wt=9.000 300 =30 WJadi, daya listrik lampu pijar tersebut adalah 30 WPemasangan alat listrik di rumah-rumah dirangkai secara paralel. Halini diharapkan agar tegangan yang melalui alat-alat tersebut besarnyasama. Untuk menghitung besar energi listrik yang digunakan pada suaturumah, PLN memasang alat yang disebut kWh (kilowatt hours) meter(meteran listrik).1 kWh didefinisikan sebagai daya sebesar 1.000 watt yang digunakanselama 1 jam. Jadi, persamaannya dapat ditulis sebagai berikut.Contoh 7.10
213Listrik DinamisK olom IlmuwanEnergi yang digunakan (kWh) = daya (kW) × waktu (jam)Sedangkan biaya yang harus dibayar adalah sebagai berikut.Biaya = jumlah energi yang digunakan × biaya per kWhBiasanya, selain biaya energi yang terpakai, para pelanggan listrikharus membayar biaya beban, materai, dan pajak.Diketahui harga listrik Rp100,00 per kWh. Sebuah rumah memakai5 lampu dengan daya masing-masing 60 watt, sebuah kulkas 160watt, sebuah televisi 80 watt, dan 3 lampu dengan daya 40 watt.Jika semua alat listrik itu menyala rata-rata 12 jam per hari, makaberapa besar biaya listrik dalam sebulan?Diketahui :5 lampu × 60 watt = 300 watt1 kulkas ×160 watt = 160 watt1 televisi × 80 watt = 80 watt3 lampu × 40 watt = 120 wattJumlah = 660 wattDitanyakan:biaya per bulan= ....?Jawab:Pemakaian rata-rata 12 jam, maka dalam 1 bulan (30 hari) pe-makaian energi listriknya adalah:W= P × t= 660 × (12 × 30)= 660 × 360= 237.600 watt-jam= 237,6 kWh.Jadi, biaya yang harus dikeluarkan adalah237,6 × 100 = Rp23.760,00.Amati meteran listrik dari beberapa rumah di lingkungan Anda(minimal 5 meteran listrik)! Catat penggunaan energi listrik dalamjangka waktu tiga bulan terakhir, dan tanyakan kepada pemiliknyaberapa rekening listrik yang harus ia bayar pada bulan-bulan ter-sebut!Contoh 7.11+
214Fisika SMA/MA Kelas XSelidiki, mengapa biaya rekening listrik tiap rumah berbeda!Kemudian buatlah sebuah tulisan atau artikel atas penyelidikanAnda yang berisi saran agar pemilik rumah bisa membayar rekeninglistrik lebih murah dari biasanya. Sertakan data dan analisis Andaagar tulisan Anda lebih menarik dan kumpulkan di meja guru!H. Penghematan Energi ListrikHampir setiap bulan, petugas dari PLN datang ke rumah para pelangganlistrik untuk mengetahui besar energi listrik yang digunakan melalui kWhmeter (meteran listrik). Makin besar angka yang tercatat dalam kWh meter,berarti makin besar pula energi listrik yang digunakan, sehingga biaya yangharus dibayar juga makin besar.Bagaimana cara menghemat energi listrik di rumah? Ada beberapacara yang dapat dilakukan, antara lain, sebagai berikut.1. Menggunakan Lampu Neon daripada Lampu PijarUntuk penerangan di rumah, Anda menggunakan lampu listrik. Lam-pu yang biasanya Anda gunakan ada dua jenis, yaitu lampu neon danlampu pijar. Lampu pijar menghasilkan cahaya yang kurang terang. Halini disebabkan karena energi listrik pada lampu pijar selain diubah menjadicahaya juga diubah menjadi energi kalor. Cahaya pada lampu pijar di-hasilkan oleh elemen lampu (kawat wolfram/tungsten) yang berpijar ka-rena panas. Suhunya dapat mencapai 5000° C, sehingga bila lampu pijardinyalakan di dalam kamar, maka kamar akan terasa panas. Jadi, untuksarana penerangan, lampu pijar banyak membuang energi listrik dalambentuk panas.Berbeda dengan lampu pijar. Lampu neon dapat menghasilkan cahayayang terang, meskipun daya lampu rendah. Hampir seluruh energi listrikpada lampu neon diubah menjadi cahaya dan sedikit yang diubah menjadienergi kalor. Cahaya yang dihasilkan lampu neon terjadi karena atom-atom gas neon yang diisikan di dalam tabung diberi tegangan listrik yangsangat tinggi sehingga atom-atom gas neon tersebut akan berpendar se-hingga menghasilkan cahaya. Karena gas-gas neon di dalam tabung ber-sifat isolator, maka meskipun tegangannya sangat tinggi, tetapi arus yangmengalir sangat kecil, sehingga daya listriknya juga rendah. Jadi, lampuneon lebih hemat daripada lampu pijar.
215Listrik DinamisKolom Diskusi 7.22. Menggunakan Alat Listrik Berdaya RendahPernahkah Anda menggunakan alat-alat listrik secara bersamaansehingga melebihi batas daya maksimum yang diberikan PLN di rumahAnda? Apa yang terjadi? Tentu listrik di rumah Anda tidak akan kuatsehingga sakelar otomatis yang terpasang pada CB akan putus.Bila Anda menggunakan alat-alat listrik yang berdaya tinggi, makaenergi yang terserap juga akan besar, tetapi tidak semua energi listriktersebut dapat dimanfaatkan dengan baik. Ada sebagian energi listrik yangterbuang sia-sia. Sebagai contoh, untuk penerangan kamar jangan menggu-nakan lampu pijar yang berdaya 100 watt. Anda dapat menggantikannyadengan lampu neon yang berdaya 10 watt untuk memperoleh peneranganyang sama. Untuk mengeringkan rambut, Anda tidak perlu memakaipengering rambut yang berdaya 200 watt, tetapi dapat menggunakan kipasangin yang berdaya 60 watt. Jadi, dengan menggunakan alat-alat listrikyang berdaya rendah Anda dapat menghemat energi listrik.3. Mengatur Waktu Pemakaian dengan BaikAda sebagian masyarakat Anda yang belum dapat menggunakan ener-gi listrik secara efisien. Seperti menggunakan lampu, radio, televisi tetapimalah ditinggal pergi. Hal ini merupakan tindakan pemborosan. Jadi, gu-nakan peralatan listrik seefisien mungkin. Nyalakan alat-alat listrik bilabenar-benar ingin digunakan. Karena menghemat energi listrik berartimenghemat pula biaya pengeluaran kita.Diskusikan dengan teman Anda!1. Jelaskan bagaimana Anda dapat menghemat energi listrik dirumah Anda!2. Mengapa Anda harus menghemat energi listrik?3. Di sejumlah media sering Anda jumpai iklan layanan masyara-kat yang menyatakan “Hemat listrik bisa beli sepeda” apa mak-sudnya? Jelaskan!
216Fisika SMA/MA Kelas XI nfo KitaBurung ListrikAwas, tegangan tinggi! Begitulahtulisan yang terpampang di sebuahtiang listrik. Namun, sekawanan bu-rung nekat hinggap di atas kabeltanpa memedulikan peringatan ter-sebut (apa karena tidak bisa membacaya?). Mengapa burung-burung terse-but tidak tersetrum?Listrik memberikan manfaat bagi manusia. Berbagai alat penerangan,alat rumah tangga, dan mesin industri menggunakan listrik. Selainbermanfaat, listrik juga berbahaya bagi manusia. Bahaya listrik diantaranya dapat menyetrum manusia. Peristiwa tersetrum terjadi apabilaarus listrik mengalir melewati bagian tubuh makhluk hidup. Hal inimempunyai dampak yang sangat fatal, hanya dalam hitungan detikmakhluk hidup yang tersetrum bisa mati. Makin tinggi tegangan (voltag e)listrik, makin cepat listrik membawa kematian. Pada tegangan rendah,dampak tersetrum tidak terlalu parah.Untuk meminimalisasi bahaya listrik, PLN Jepang menyediakan lis-trik dengan tegangan rendah, 110 volt. Tegangan ini dipandang relatifaman bagi nyawa manusia, meskipun tetap saja sakit jika tersetrum.Namun, tidak separah tersetrum listrik 220 volt. Lagipula, orang mudahmelepaskan diri ketika tersetrum listrik tegangan rendah. Makin tinggivoltase, makin “lengket” orang tersebut kepada sumber arus. PLN Indo-nesia masih menggunakan listrik dengan tegangan 220 volt. Teganganini cukup tinggi dan bisa membunuh manusia. Mengapa di Indonesiatidak menggunakan listrik 110 volt? PLN berdalih, listrik tegangan ren-dah, biayanya mahal karena membutuhkan kabel yang diameternyalebih besar.Untuk menghindarkan diri dari bahaya listrik, manusia mencipta-kan beragam isolator. Isolator merupakan bahan yang tidak meng-hantarkan listrik. Bahan-bahan seperti plastik, karet, dan kayu bersifatisolator. Karet digunakan untuk membungkus kabel untuk menghindaribahaya listrik. Untuk keamanan, pegawai PLN menggunakan sarungkaret dan sepatu plastik ketika memperbaiki instalasi listrik. Kita dian-jurkan menggunakan sandal karet saat menyalakan lampu. Sandal karetmenghindarkan kontak tubuh kita dengan tanah (ground) sehinggamengurangi resiko tersengat listrik. Bahan yang menghantarkan listrikdisebut konduktor. Logam dan air merupakan konduktor sehingga bisamengalirkan listrik.
217Listrik DinamisRangkumanKembali ke soal burung yang hinggap di kabel listrik. Pada mulanyaorang mengira burung tidak tersengat listrik karena kakinya terbungkussemacam “kulit plastik” yang bersifat isolator. Perkiraan ini terbantahkarena tidak sedikit burung yang jatuh ke tanah dalam keadaan gosongsetelah hinggap di kabel. Hal ini menunjukkan bahwa mereka bisa ter-setrum. Jadi, jelas kaki burung bukan isolator.Lantas, mengapa mereka tersetrum? Arus listrik akan mengalir kare-na ada beda potensial di antara kedua ujungnya. Jika seseorang meme-gang sumber arus (misalnya kabel) dan ia berdiri di atas tanah, makalistrik mengalir dari sumber arus menuju ke tanah (ground) melewatitubuhnya. Jika orang tersebut memakai sandal karet, resiko tersetrumberkurang karena arus tidak mengalir.Burung tidak tersetrum bila kedua kakinya berdiri di atas kabel yangsama. Saat berdiri di atas satu kabel, maka tidak ada beda potensialantara kedua kakinya, sehingga listrik tidak mengalir. Namun, jika kakiburung berdiri di atas kabel yang berbeda, maka burung itu akantersetrum. Hal ini disebabkan kedua kabel tersebut berbeda tegangannyasehingga arus mengalir dari kabel yang bertegangan tinggi ke kabel yangbertegangan melewati tubuh burung.(Dikutip seperlunya dariSuplemen Anak Suara Merdeka, “Yunior”, edisi 213, 2004)1. Aliran arus listrik ditimbulkan oleh aliran elektron.2. Arah aliran arus listrik berlawanan dengan arah aliran elektron.3. Aliran arus listrik dapat terjadi jika ada beda potensial.4. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah, danelektron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi.5. Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan yang melaluipenampang suatu penghantar setiap satuan waktu.6. Untuk mengukur kuat arus listrik digunakan amperemeter yangdisusun secara seri dengan komponen-komponen listrik.7. Sumber tegangan listrik adalah segala sesuatu yang dapatmenyebabkan terjadinya arus listrik.8. Sumber tegangan dibedakan menjadi dua, yaitu sumber teganganprimer dan sumber tegangan sekunder.
218Fisika SMA/MA Kelas X9 . Untuk mengukur beda potensial, digunakan voltmeter yang dirang-kai secara paralel dengan komponen yang akan diukur.10. Persamaan hukum Ohm adalah V = I × R.11. Persamaan hambatan kawat penghantar adalah lRAU.12. Alat untuk mengukur hambatan secara langsung adalah ohmmeter.13. Pada tegangan tinggi, isolator dapat berfungsi sebagai konduktor.14. Pada rangkaian listrik tak bercabang, kuat arus pada setiap titikadalah sama.15. Hukum I Kirchoff adalah jumlah kuat arus yang masuk pada setiaptitik cabang sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titiktersebut (Imasuk = I keluar).16. Hukum II Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah perubahanpotensial yang mengelilingi lintasan tertutup pada suatu rangkaianharus sama dengan nol.17. Pada rangkaian hambatan seri, hambatan penggantinya makinbesar, sedangkan pada rangkaian hambatan paralel, hambatanpenggantinya makin kecil.18. Persamaan hambatan seri, Rs = R1 + R2 + ... + RnHambatan paralel, 1211 11...pnRRRR 19. Persamaan daya listrik adalah WPt atau P = V × I atau 2VPRatau P = I2 × R.20. Tarif listrik ditentukan oleh banyaknya energi listrik yang diguna-kan, yang dapat dibaca pada kWh meter pada setiap rumah.
219Listrik DinamisA. Pilihlah jawaban yang benar dengan menuliskan huruf a, b, c, d, atau edi dalam buku tugas Anda!1. Banyaknya muatan yang mengalir melalui suatu penghantar setiap satuanwaktu disebut ....a. hambatand. beda potensialb. tegangane.daya listrikc.kuat arus2. Muatan listrik 60 C mengalir melalui suatu penghantar selama 2 menit,maka kuat arusnya adalah ....a. 0,5 Ad. 5 Ab. 0,36 Ae.55 Ac.12 A3. Kuat arus 2 A mengalir melalui suatu penghantar selama 20 sekon, makamuatan listriknya adalah ....a. 0,4 Cd. 40 Cb. 2,5 Ce.4 Cc.0,1 C4. Berikut adalah langkah-langkah yang harus dilakukan untuk mengurangipemborosan energi listrik, kecuali ....a. menggunakan lampu neon berdaya rendahb. menggunakan listrik berdaya besarc.mematikan lampu di siang harid. mengurangi waktu penggunaan alat listrike.mematikan televisi saat ditinggal pergi5. Pada sebuah rumah terdapat 2 lampu, masing-masing 25 W. Jika menyalaselama 5 jam sehari, televisi 50 W menyala 5 jam sehari dan harga perkWh Rp200,00, maka biaya yang harus dibayar adalah ....a. Rp3.000,00d. Rp15.000,00b. Rp4.200,00e.Rp25.000,00c.Rp6.200,006. Hambatan sebuah penghantar 60: dan arus yang mengalir 0,5 A. Bedapotensialnya adalah ....a. 120 Vd.1V30b. 30 Ve.60 Vc.1V120Pelatihan
220Fisika SMA/MA Kelas X7 . Setrika listrik mempunyai daya 200 W. Bila setrika dipakai 1 jam tiap hariselama 30 hari, maka energi listrik yang digunakan sebesar ....a. 6 kWhd. 6.000 kWhb. 360 kWhe.9.000 kWhc.130 kWh8 . Bila voltmeter menunjukkan 50 volt dan amperemeter menunjukkan 2,5 A,maka besarnya hambatan (R) adalah ....a.125 :d.20 :b.0, 5 :e.12, 5 :c.0, 05 :9 . Arus maksimum yang melalui sekring adalah 3,4 A. Banyaknya lampuyang dapat dipasang paralel dengan tegangan 220 V/110 W agar sekringtidak putus adalah ....a. 8 buahd. 5 buahb. 7 buahe.4 buahc.6 buah10. Kawat A dan B terbuat dari bahan yang sama dan panjangnya sama. Bilaluas penampang A dua kali luas penampang B, maka ....a. hambatan A setengah kali hambatan Bb. hambatan A seperempat kali hambatan Bc.hambatan B setengah kali hambatan Ad. hambatan B seperempat kali hambatan Ae.hambatan B sama dengan hambatan AB. Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!1. Apa yang Anda ketahui tentang hukum Ohm? Jelaskan!2. Apa yang dimaksud dengan tegangan DC dan sumber tegangan AC!3. Mengapa tegangan listrik pada rumah yang jauh dari gardu induk listrikmengalami penurunan? Jelaskan!4. Sebuah lampu 15 W dan 5 W masing-masing dinyalakan selama 5 dan 12jam tiap hari. Tentukan energi listrik yang diperlukan oleh kedua lamputersebut selama 1 bulan! Jika PLN menetapkan tarif Rp100,00/kWh, makaberapa biaya yang harus dibayarkan ke PLN?5. Kawat penghantar yang panjangnya 8 m mempunyai hambatan 100 :.Bila kawat itu dilipat menjadi empat sama panjang dan dipilin menjadisatu, maka hitunglah hambatannya sekarang!