BAB IX LISTRIK DINAMISfile.upi.edu/Direktori/SPS/PRODI.PENDIDIKAN_IPA...Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 105 105 Listrik Dinamis 9.2. KUAT ARUS LISTRIK Kita telah mengetahui bahwa arus

Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX

101

101

Listrik Dinamis

Gambar 9-1. Skema jaringan listrik di rumah

pabrik melalui suatu jaringan listrik yang tiang-tiang dan kabelnya banyak kita lihat di jalanan. Jaringan listrik yang masuk kerumah, terlebih dahulu harus melalui sekring pembatas (S1), lalu ke kWh meter (M), ke sekring pengaman (S2), baru kemudian dialirkan ke berbagai lampu yang harus terpasang secara paralel. Untuk keperluan tambahan, biasanya di setiap ruangan disediakan stopkontak sebagai sumber listrik untuk berbagai peralatan tambahan yang memerlukan listrik.

1. Apa yang dimaksud dengan sumber tegangan listrik? 2. Apa perbedaan elemen primer dan elemen sekunder? 3. Bagaimana cara membuat rangkaian listrik? 4. Bagaimana cara mengukur tegangan dan kuat arus

listrik? 5. Bagaimana hubungan antara tegangan da kuat arus

dalam suatu penghantar? 6. Faktor apa yang mempengaruhi besar hambatan suatu

penghantar? 7. Bagaimana sifat-sifat arus listrik dalam suatu

rangkaian? 8. Apa perbedaan rangkaian seri dan paralel?

BAB IX

LISTRIK DINAMIS

Listrik yang kita pergunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah listrik yang mengalir (listrik dinamis), yaitu berupa arus listrik yang sumber utamanya dari PLN (Perusahaan Listrik Negara). Listrik tersebut disalurkan kerumah atau


102

102

Listrik Dinamis

Gambar 9-3. Beberapa sumber tegangan listrik dan simbollnya

~

Gambar 9-2. Arah arus listrik berlawanan dengan aliran

elektron

9.1. SUMBER TEGANGAN LISTRIK

Pada saat mempelajari listrik statis kita sudah mengetahui bahwa dua benda yang memiliki perbedaan tegangan listrik (selisih potensial listrik), kalau dihubungkan dengan konduktor akan mengalirkan elektron dari tegangan rendah tegangan lebih tinggi. Setelah tegangan ke dua benda sama, maka aliran elektron berhenti.

Agar arus listrik dapat terus mengalir, diperlukan suatu alat yang dapat menghasilkan perbedaan tegangan atau selisih potensial listrik. Alat yang dapat menghasilkan perbedaan tegangan listrik disebut sumber tegangan listrik (sumber listrik). Contohnya adalah batere, aki (akumulator), dinamo sepeda dan generator, seperti yang terlihat dalam gambar 9-3.

Arus listrik yang diperoleh dari dinamo atau generator berbeda dengan arus listrik yang kita peroleh dari batere dan aki. Dinamo sepeda dan generator menghasilkan arus listrik bolak-balik atau alternating curent (AC) dengan tegangan 12 volt dan 220 volt. Sedangkan arus listrik dari batere dan aki

Kalau ada aliran elektron maka ada arus listrik, tetapi arah arus listrik berlawanan dengan aliran elektron. Hal itu disebabkan karena sebelum mengenal teori atom, arah arus listrik telah dinyatakan dari tegangan tinggi ke tegangan yang lebih rendah. Perjanjian tersebut sampai sekarang masih tetap dipakai.

Tugas diskusi 9-1

1. Alat apakah yang dipegunakan PLN untuk menghasilkan listrik? 2. Apa fungsi sekring pembatas, kWh meter dan sekring pengaman? Jelaskan! 3. Mengapa peralatan listrik di rumah harus dipasang secara paralel? Jelaskan!


103

103

Listrik Dinamis

Gambar 9-4. Komponen batere

Gambar 9-5. Komponen akumulator

berupa arus listrik searah atau direck curent (DC) dengan tegangan yang relatif kecil, yaitu 1,5 volt sampai 12 volt. Perhatikan dengan baik, perbedaan simbol yang diberikan untuk sumber tegangan DC dan sumber tegangan AC tersebut.

1. Batere (elemen kering)

Coba kalian bongkar sebuah batere, maka akan ditemukan bahwa

bagian luarnya berupa sebuah bejana yang terbuat dari logam seng yang berfungsi sebagai katoda atau kutub negatip, karena bertegangan lebih rendah. Di dalamnya berisi zat kimia (elektrolit) dalam bentuk pasta yang merupakan campuran salmiak (amonium klorida), dengan serbuk karbon dan batu kawi (mangan dioksida). Sebagai anoda atau kutub positip (bertegangan lebih tinggi) digunakan batang karbon yang ujungnya telah ditutupi dengan logam kuningan.

2. Aki (akumulator)

Akumulator biasanya terbuat dari sebuah bejana plastik yang relatip kuat sebagai wadah cairan zat kimia yaitu larutan asam sulfat.

Pada saat belum digunakan ( tidak ada arus listrik), antara katoda (seng) dan anoda (batang karbon) ada selisih potensial yang disebut gaya gerak listrik (GGL). Besar GGL batere sekitar 1,5 volt. Karena tegangan listrik yang dihasilkan batere berasal dari reaksi kimia, maka perubahan energi yang terjadi pada batere adalah dari bentuk energi kimia menjadi energi listrik. Elektrolit yang digunakan (amonium klorida) berbentuk pasta, sehingga batere disebut sebagai elemen kering.

Sebagai katoda digunakan lapisan timbal berpori, sedangkan sebagai anoda digunakan lapisan timbal dioksida berpori. Akibat reaksi kimia, maka antara katoda dan anoda ada GGL sebesar 12 volt. Perubahan energi yang terjadi pada akumulator, sama seperti batere yaitu dari bentuk energi kimia menjadi energi listrik. Karena elektrolitnya berbentuk cair, maka akumulator disebut sebagai elemen basah.


104

104

Listrik Dinamis

Gambar 9-6. Dinamo dan Generator

Kalau GGL akumulator berkurang dan keadaan selnya masih baik, maka akumulator dapat diisi kembali dengan cara distrum menggunakan arus listrik. Elemen yang tidak bisa diisi kembali disebut sebagai elemen primer, sedangkan elemen yang bisa diisi kembali disebut sebagai elemen sekunder. Dewasa ini sudah banyak jenis batere yang bisa diisi kembali dengan menggunakan listrik, misalnya batere yang banyak digunakan pada telepon genggam (hand phone).

3. Dinamo dan generator

Pada prinsipnya dinamo sama dengan generator, yaitu terdiri dari magnet dan kumparan (gulungan kawat) seperti yang terlihat dalam dalam gambar 9-6 berikut.

Jika kepala dinamo ditempelkan pada ban sepeda yang sedang berputar, maka magnetnya akan ikut berputar. Terjadi perubahan medan magnet pada kumparan, sehingga di ujung-ujung kumparan timbul GGL induksi

Cara memutar generator ada bermacam-macam, generator yang kecil biasanya diputar dengan menggunakan motor listrik. Tetapi generator besar seperti yang dipakai PLN, ada yang menggunakan tenaga air sehingga disebut sebagai PLTA (Pembangkit Listrik tenaga air), menggunakan energi uap disebut PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap), menggunakan energi panas bumi disebut PLTG (Pembangkit Listrik Tenaga Geotermal), jika menggunakan energi nuklir disebut PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir).

Perubahan energi yang terjadi pada dinamo dan generator adalah dari energi gerak (kinetik) menjadi energi listrik. Secara lebih detil cara kerja dinamo dan generator tersebut akan kita pelajari di bab.XI, yaitu pada saat membahas materi tentang kemagnetan.


105

105

Listrik Dinamis

9.2. KUAT ARUS LISTRIK

Kita telah mengetahui bahwa arus listrik dapat mengalir, jika antara dua

tempat selalu ada perbedaan tegangan listrik. Berarti untuk menghasilkan arus listrik di dalam suatu rangkaian, maka pada rangkaian tersebut harus ada sumber tegangan yang berfungsi untuk memberikan perbedaan tegangan pada ujung-ujung rangkaian. Penggunaan sumber tegangan pada rangkaian listrik, sama seperti penggunaan pompa air dalam suatu rangkaian pipa air di rumah. Yaitu berfungsi untuk memberikan perbedaan tekanan pada ujung-ujung rangkaian pipa air, sehingga air mengalir dati tekanan yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah.

Apakah perbedaan rangkaian terbuka dan rangkaian tertutup?

Sakelar adalah alat yang dipergunakan untuk membuka dan menutup suatu rangkaian listrik. Pada saat sakelar ditutup (on), akan terbentuk rangkaian tertutup. Artinya kabel yang semula terputus disambung kembali, sehingga kutub-kutub sumber tegangan yang saling dihubungkan dengan kedua terminal lampu akan membentuk suatu siklus yang tertutup. Pada rangkaian yang tertutup akan mengalir arus listrik (lampu menyala). Harus diperhatikan, jangan langsung menghubungkan kutub-kutub sumber tegangan dengan menggunakan kabel, sebab dapat menimbulkan hubungan singkat (konsleting) yang dapat merusak sumber tegangan tersebut.

Tugas percobaan 9-1

Prosedur percobaan :

1. Persiapkan sebuah batere atau power suplay, lampu kecil, sakelar terbuka dan beberapa kabel penghubung.

Pertanyaan : 1. Amati dengan teliti, apa perbedaan antara rangkaian listrik pada saat sakelar ditutup

dan dibuka? Jelaskan! 2. Kesimpulan apakah yang diperoleh dari hasil percobaan tersebut? Jelaskan!

2. Rangkaian peralatan tersebut seperti gambar.

3. Kemudian coba sakelarnya, apakah sudah

dapat berfungsi dengan baik? Maksudnya pada saat sakelar ditutup (on), arus listrik mengalir (lampu menyala). Pada saat sakelar di buka (off), tidak ada arus listrik yang mengalir (lampu padam).


106

106

Listrik Dinamis

Tugas percobaan 9-2


1. Persiapkan sebuah batere atau power suplay, lampu kecil, sakelar, amperemeter, voltmeter dan beberapa kabel penghubung.

2. Pertama buatlah rangkaian seperti gambar (a), setelah semuanya benar silahkan sakelar ditutup agar arus listrik mengalir (lampu menyala). Amati dengan baik berapa kuat arus yang mengalir ke dalam lampu tersebut ( I=.....? )

3. Kemudian lepaskan amperemeter, pasang voltmeter seperti gambar (b). Setelah semuanya benar silahkan sakelar ditutup agar arus listrik mengalir (lampu menyala). Amati dengan baik berapa tegangan listrik pada ujung-ujung lampu tersebut ( V=...? )

Pertanyaan : 1. Catat berapa kuat arus dan tegangan listrik pada lampu, lengkap dengan satuannya? 2. Bagaimana cara memasang amperemeter dan voltmeter dalam rangkaian listrik?

Jelaskan!

Pada saat sakelar di buka (off), sambungan kabel pada sakelar dilepas. Sehingga kutub-kutub sumber tegangan yang saling dihubungkan dengan kedua terminal lampu tidak membentuk siklus yang tertutup. Maka terjadilah rangkaian terbuka. Dalam rangkaian terbuka tidak ada arus listrik yang mengalir (lampu padam). Itulah sebabnya kalau pada suatu rangkaian tiba-tiba arus listriknya berhenti, maka yang pertama kali diperiksa adalah di mana letak terbukanya rangkaian listrik tersebut. Bisa karena sekringnya yang terputus, lampunya yang putus, sambungan kabelnya yang terlepas, atau peralatan listriknya yang sudah rusak sehingga mengakibatkan rangkaiannya menjadi terbuka.

Bagaimanakah cara mengukur kuat arus dan tegangan listrik ?

Alat yang dipakai untuk mengukur kuat arus listrik adalah amperemeter, sedangkan alat untuk mengukur tegangan listrik adalah voltmeter. Untuk mengetahui bagaimana cara menggunakan amperemeter dan voltmeter tersebut, lakukanlah percobaan berikut secara berkelompok.

(a)

A

(b)

V


107

107

Listrik Dinamis

Gambar 9-7. Amperemeter, voltmeter dan multimeter

A V

Untuk mengukur besar kuat arus amperemeter harus dipasang secara seri, tetapi untuk mengukur tegangan listrik voltmeter harus dipasang secara paralel (perhatikan dengan baik gambar dalam percobaan 9-2).

Bagaimana simbol amperemeter dan voltmeter dalam rangkaian listrik, perhatikan gambar 9-7 berikut. Sedangkan Alat yang sekaligus dapat dipergunakan untuk mengukur kuat arus, tegangan dan hambatan listrik, disebut multimeter.

Karena arus listrik merupakan aliran muatan listrik, maka besar kuat arus

listrik dapat dinyatakan sebagai “banyaknya muatan listrik yang mengalir setiap detik melalui suatu penghantar”.

Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai berikut :

t

QI ................................................... (9-1)

Dengan : Q = muatan listrik, satuannya coulomb (C) T = waktu, satuannya detik (s) I = kuat arus, satuannya coulomb per detik atau ampere (C.s-1= A )

Berdasarkan pengertian kuat arus tersebut, maka dapat dijelaskan bahwa jika suatu penghantar dialiri arus listrik sebesar (5 A), berarti di dalam penghantar tersebut ada aliran muatan listrik (elektron) sebesar 5 coulomb dalam waktu satu detik. Dalam waktu satu menit akan ada (60x5) coulomb = 300 coulomb, demikian seterusnya.

Dalam sistem metrik, beberapa satuan kuat arus yang sering digunakan adalah :

1 mA (milliampere) = 10-3 A dan 1 µA (mikroampere) = 10-6 A


108

108

Listrik Dinamis

Tugas percobaan 9-3


1. Persiapkan sebuah batere atau power suplay, kumparan, sakelar, amperemeter, voltmeter dan beberapa kabel penghubung.

Pertanyaan : 1. Catat semua data dalam tabel berikut.

No. Percobaan

Selisih potensial pada kumparan (V)

Kuat arus pada kumparan (A)

Perbandingan selisih potensial dan kuat arus pada kumparan (V.A

-1)

1 2 3 . .

V1 = .......... V2 = .......... V3 = ..........

.

.

I1 = ............

I2 = ............ I3 = ............

.

.

....................

....................

.................... . .

2. Hitung berapa perbandingan selisih potensial dan kuat arus lampu dari masing-masing

percobaan tersebut. 3. Buat grafik hubungan antara selisih potensial dan kuat arus. 4. Kesimpulan apakah yang diperoleh dari hasil percobaan tersebut? Jelaskan!

9.3. HUKUM OHM DAN HAMBATAN LISTRIK

Jika ujung-ujung suatu penghantar diberikan tegangan (selisih potensial),

maka di dalam penghantar tersebut akan mengalir arus listrik.

Bagaimanakah hubungan antara tegangan dan kuat arus dalam suatu penghantar listrik ?

Untuk menjawab permasalahan tersebut dengan baik, lakukanlah

percobaan berikut secara berkelompok.

Perbandingan antara tegangan dan kuat arus dalam suatu penghantar, memiliki kecendrungan yang selalu tetap. Sehingga grafik hubungan antara tegangan dan kuat arus dalam suatu penghantar dapat dilukiskan seperti gambar 9-8.

2. Buat rangkaian seperti gambar, kemudian atur berapa selisih potensial yang ingin diberikan pada lkumparan (V). Catat berapa kuat arus yag mengalir ke dalam kumparan tersebut (I).

3. Ulangi percobaan tersebut beberapa

kali dengan mengubah-ubah besar selisih potensialnya. Catat kuat arus setiap kali melakukan perubahan selisih ptensial pada kumparan.

V

A


109

109

Listrik Dinamis

Gambar 9-9. Tegangan dan kuat arus pada hambatan

Kuat arus yang mengalir dalam suatu penghantar listrik adalah sebanding dengan selisih potensial ujung-ujung penghantar tersebut” (asalkan suhu penghantar selalu tetap). Karena perbandingan selisih potensial dan kuat arus yang mengalir

dalam suatu penghantar selalu tetap, maka dapat di tuliskan :

tankonsV

I

Konstanta itulah yang kemudian secara fisis ditafsirkan sebagai hambatan listrik dari penghantar tersebut, diberi simbol R (Resistance). Dengan demikian bentuk persamaan Hukum Ohm dapat dituliskan sebagai berikut :

RV

I

Atau : .RV I ....................... (9-2)

Dengan : V = selisih potensial, satuanya volt (V) I = kuat arus, satuannya ampere (A) R = hambatan, satuannya volt per ampere atau ohm(V.A-1 = Ω) Berdasarkan Hukum Ohm, maka definisi besar hambatan 1 ohm dapat dinyatakan sebagai berikut :

“Suatu penghantar dikatakan memiliki hambatan sebesar 1 ohm, jika pada saat ujung-ujung penghantar diberi tegangan sebesar 1 volt, besar kuat arus yang mengalir dalam penghantar tersebut adalah 1 ampere”

V (volt)

Gambar 9-8. Grafik V-I sebuah

peralatan listrik

I (ampere)

Grafik tersebut menunjukkan kepada kita bahwa semakin besar tegangan yang diberikan di ujung-ujung suatu penghantar, maka kuat arus yang mengalir di dalam penghantar tersebut akan semakin besar. Perbandingan antara tegangan dan kuat arus pada suatu penghantar adalah selalu tetap. Sesungguhnya hasil percobaan tersebut, telah ditemukan oleh George Simon Ohm yang kemudian disebut sebagai Hukum Ohm sebagai berikut :

I

V


110

110

Listrik Dinamis

Gambar 9-10. Beberapa simbol hambatan listrik

Dalam sistem metrik, beberapa satuan hambatan yang sering dipakai adalah :

1 kΩ (1 kilo ohm) = 103 Ω dan 1 MΩ (1 mega ohm) = 106 Ω Beberapa simbol yang banyak dipakai dalam menggambar hambatan

dalam suatu rangkaian listrik, adalah sebagai berikut : Besar-kecilnya hambatan listrik suatu bahan, dapat mempengaruhi sifat konduktor dan isolator bahan tersebut. Bahan yang memiliki hambatan lebih kecil, relatif lebih baik sebagai penghantar listrik (konduktor) dibandingkan dengan bahan yang memiliki hambatan lebih besar.

Faktor-faktor apakah yang mempengaruhi besar hambatan kawat ?

Untuk dapat menjawab pertanyaan tersebut, lakukanlah penyelidikan dengan melakukan percobaan berikut secara berkelompok.

Tugas percobaan 9-4


1. Persiapkan sebuah multimeter, kawat nikelin, kawat manganin, kawat nikrom dan

beberapa kabel penghubung. 2. Mintalah penjelasan kepada gurumu, bagaimana cara mengukur hambatan dengan

menggunakan multimeter. 4. Ukur hambatan kawat nikelin, manganin dan nikrom yang panjang dan luas

penampangnya sama. Catat hasil pengukuran itu dalam bentuk tabel? Pertanyaan Kesimpulan apakah yang diperoleh dari seluruh hasil percobaan tersebut? Jelaskan!

2. Ukur hambatan kawat nikelin yang panjangnya berbeda-beda, tetapi memiliki luas penampang sama. Catat hasil pengukuran itu dalam bentuk tabel?

3. Ukur hambatan kawat nikelin yang

panjangnya sama, tetapi memiliki luas penampang berbeda-beda Catat hasil pengukuran itu dalam bentuk tabel?


111

111

Listrik Dinamis

Faktor-faktor yang mempengaruhi besar hambatan suatu kawat penghantar adalah panjang kawat, diameter kawat, suhu kawat dan jenis atau bahan kawat. Bagaimana pengaruhnya, adalah sebagai berikut :

1. Hambatan kawat sebanding dengan panjang kawat, artinya semakin

panjang kawat, hambatannya semakin besar. 2. Hambatan kawat berbanding terbalik dengan luas penampang kawat,

artinya semakin besar luas penampang kawat, hambatannya semakin kecil

3. Hambatan kawat sebanding dengan suhu kawat, artinya semakin besar

suhu kawat, hambatannya semakin besar. 4. Hambatan kawat bergantung pada jenis atau bahan kawat, artinya kawat

yang panjangnya sama, luas penampangnya sama dan suhunya sama, tetapi kalau bahan yang berbeda, maka hambatannya akan berbeda.

Dari hasil percobaan yang sangat teliti dan menggunakan beberapa jenis

bahan, telah diperoleh besar hambatan setiap panjangnya 1 m dan luas penampang 1 mm2 dari beberapa jenis bahan kawat tersebut. Besaran itulah yang kemudian disebut sebagai hambatan jenis suatu penghantar listrik yang diberi simbul ρ (baca rho). Perhatikan dengan baik besar hambatan jenis beberapa bahan seperti yang terlihat dalam tabel 9-1 berikut.

Tabel 9-1

Hambatan jenis (ρ) berbagai bahan

Jenis bahan

Hambatan jenis (Ω.mm2.m-1)

Jenis bahan Hambatan jenis

(Ω.mm2.m-1)

Air biasa Raksa Alkohol Air suling Aluminium Asam sulfat Besi Ebonit Emas Kaca Karbon Platina Bakelit

108

0,958 5 x 1010 109 x 1011 0,029 25 x 103 0,086 1019-1022 0,023 1017-1020 60 0,106 1011-1016

Karet Mangan Mika Minyak tanah Parafin Perak Porselen Tembaga Timbal Wolfram Nikelin Seng

1014-1019 0,43 1019 1020 1020 0,016 1018-1020 0,017 0,21 0,056 0,40 0,059


112

112

Listrik Dinamis

Sebagai contoh kita ambil hambatan jenis kawat nikelin yang besarnya adalah 0,4 Ω.mm2.m-1. Artinya setiap panjang 1 m kawat nikelin yang luas penampangnya 1 mm2, memiliki hambatan listrik sebesar 0,4 Ω.

Berapakah habatan kawat nikelin, jika panjang dan luas penampangnya berubah? Hal itu dapat diketahui dengan mempelajari tabel berikut ini.

Tabel 9-2

Pengaruh panjang, luas penampang dan jenis kawat terhadap hambatannya

Luas penampang kawat

Panjang kawat Hambatan kawat

1 mm2

1 mm2

2 mm2

. .

(A) mm2

1 m

3 m

3 m

.

.

(L) m

R = 0,4 Ω = ρ R = 3(0,4) Ω = 3ρ

R = 2

)4,0(3 Ω =

2

3

.

.

R = A

)4,0(L =

A

L

Berdasarkan pola perubahan yang terlihat dalam tabel tersebut, maka

secara umum dapat dirumuskan hubungan antara hambatan dengan panjang, luas penampang dan jenis bahan suatu penghantar kawat adalah dalam bentuk persamaan sebagai berikut :

A

LρR ............................................... (9-3)

Dengan : L = panjang penghantar kawat, satuannya (m) A = luas penampang penghantar kawat, satuannya (m atau mm2) ρ = hambatan jenis penghantar kawat, satuannya (Ωm atau Ωmm2m-1)

1. Jika dalam kawat mengalir kuat arus sebesar 5 A, berapakah jumlah

muatan yang melewati luas penampang kawat dalam waktu 1 menit? Diketahui : I = 5 A t = 60 detik Ditanyakan : q = ..... ?

Jawaban : t

qI

60

q5 q = 300 Coulomb

Contoh Soal dan Jawabannya


113

113

Listrik Dinamis

2. Dengan tegangan yang berbeda, sebuah penghantar mengalirkan kuat arus seperti dalam tabel. Berapakah besar hambatan penghantar tersebut?

Percobaan V (volt) I (Ampere)

1 5 1,0

2 10 2,1

3 15 2,9

Jawaban : Besar hambatan setiap kali pengukuran :

51

5R1 8,4

1,2

10R2 2,5

9,2

15R3

Rata-rata hambatannya :

53

2,58,45

3

RRRR 321

3. Mula-mula hambatan sebuah kawat nikelin adalah 5 . Berapakah hambatannya jika panjang dan diameter kawat nikelin tersebut diperbesar dua kali semula?

Diketahui : R1 = 5 Ditanyakan : R2 = ..... ? Jika : L2 = 2 L1 dan D2 = 2 D1

Jawaban : 4

DA

2

11

1

2

1

2

22 A4

4

)D2(

4

DA

1

11

A

LR

2

22

A

LR

1

1

12 R 5,0

A4

L2R 5,2)5( 5,0R2

9.4. HUKUM I KIRCHOFF

Rangkaian listrik yang paling sederhana, adalah rangkaian listrik yang

tidak bercabang. Sebab semua komponen listrik di dalam rangkaian tersebut dihubungkan secara seri, sehingga membentuk satu garis siklus yang tertutup. Jika ada komponen listrik yang dipasang secara paralel, maka akan terbentuk rangkaian listrik yang bercabang.

Bagaimanakah sifat arus listrik pada suatu rangkaian listrik ? Untuk mengetahui hal itu, lakukanlah percobaan berikut secara berkelompok.


114

114

Listrik Dinamis

Gambar 9-11. Rangkaian listrik tidak bercabang

X X X I1 I2 I3 I4

“ Kuat arus dalam suatu rangkaian yang tidak bercabang di mana-mana selalu sama besar”

I1 = I2 = I3 = I4

Secara umum sifat arus dalam suatu rangkaian dapat dirumuskan sebagai berikut :

1.

Tugas percobaan 9-5

Prosedur percobaan pertama :

1. Persiapkan sebuah power suplay, beberapa lampu kecil, sakelar, amperemeter dan beberapa kabel penghubung.

Kuat arus

Sebelum lampu 1 Antara lampu 1 dan 2 Anatar lampu 2 dan 3 Sesudah lampu 3

I1 = ..........

I2 = ..........

I3 = ..........

I4 = ..........

Prosedur percobaan ke dua :

Kuat arus

Sebelum masuk cabang

di cabang 1 Di cabang 2

Di cabang 3

Sesudah keluar cabang

Im = ..........

I1 = ..........

I2 = ..........

I3 = ..........

Ik = ..........

Pertanyaan : Kesimpulan apakah yang diperoleh dari hasil percobaan pertama dan kedua? Jelaskan!

2. Buat rangkaian seperti gambar, kemudian atur berapa selisih potensial yang ingin diberikan agar lampu menyala cukup terang.

3. Ukur berapa besar kuat arus sebelum masuk ke lampu 1 (I1), antara lampu 1 dan 2 (I2), antara lampu 2 dan 3 (I3) dan sesudah keluar dari lampu 3 (I4).

4. Buat rangkaian seperti gambar, kemudian atur berapa selisih potensial yang ingin diberikan agar semua lampu menyala cukup terang.

5. Ukur berapa besar kuat arus sebelum masuk cabang (Im), di cabang 1 (I1), di cabang 2 (I2), di cabang 3 (I3) dan sesudah keluar cabang (Ik).


115

115

Listrik Dinamis

2.

Jika pada satu titik cabang A, mengalir besar dan arah kuat arus seperti gambar, maka berapa besar kuat arus I4 dan kemana arahnya?

9.5. RANGKAIAN SERI DAN PARALEL

Untuk mengatur perbedaan tegangan dan kuat arus dalam suatu

rangkaian listrik, maka beberapa hambatan dan sumber tegangan dapat dirangkaian secara seri dan paralel. Bagaimanakah sifat-sifat rangkaian hambatan dan sumber tegangan yang disusun secara seri dan paralel? Untuk mengetahui hal itu pelajarilah dengan baik uraian materi beriut ini.


“Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang, selalu sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik cabang tersebut” ΣI masuk = Σ I keluar ...................... (9-4)

Sehingga : Im = I1 + I2 + I3 = Ik Pernyataan inilah yang dikenal sebagai “ Hukum I Kirchoff ”. Gambar 9-12. Rangkaian listrik

bercabang

X

X

X

Im

Ik

I1

I2

I3

A I1 = 2 A

I2 = 3 A

I3 = 2 A

I4 = ...?

Jawaban : Arus masuk ke titik A kita beri tanda positip, sebaliknya arus yang keluar dari titik A kita beri tanda negatip. Menurut Hukum Kirchoff I ΣImasuk = ΣIkeluar

atau : ΣImasuk - ΣIkeluar = 0

maka : I1 - I2 + I3 + I4 = 0 2 – 3 + 2 + I4 = 0

I4 = -1A (Karena negatip, berarti arah I4 keluar dari titik A)


116

116

Listrik Dinamis

Gambar 9-14. Rangkaian Hambatan secara paralel

A B

I1

I2

I3

V

V

V

1. Rangkaian hambatan secara seri

Hambatan yang disusun secara berurutan (berbaris) sehingga tidak membentuk rangkaian bercabang, disebut rangkaian hambatan secara seri.

Sifat-sifat rangkaian hambatan secara seri adalah :

a. Karena tidak bercabang, maka besar kuat arus yang melalui setiap hambatan adalah sama.

I1 = I2 = I3 = I ............................... (1)

b. Selisih potensial seluruh hambatan seri sama dengan jumlah potensial masing-masing hambatan.

VAB = V1 + V2 + V3 ........................ (2)

Karena menurut Hukum Ohm : V1 = IR1 ; V2 = IR2 ; V3 = IR3 dan VAB = IRseri

maka persamaan (2) menjadi : IRseri = IR1 + IR2 + IR3 Rseri = R1 + R2 + R3 + ..... ..................... (9-5)

2. Rangkaian hambatan secara paralel

Hambatan yang disusun secara berdampingan (berjajar) sehingga membentuk rangkaian bercabang, disebut rangkaian hambatan secara paralel. Sifat-sifat rangkaian hambatan secara paralel adalah :

a. Karena bercabang, maka berlaku Hukum I Kirchoff, yaitu :

I = I1 + I2 + I3 .......................... (3)

a. Selisih potensial seluruh hambatan paralel sama dengan selisih potensial masing-masing hambatan.

VAB = V1 = V2 = V3 = V ....... (4) Karena menurut Hukum Ohm V = I1R1 V = I2R2 ; V = I3R3 dan V = I Rparalel

maka persamaan (3) menjadi :

Gambar 9-13. Rangkaian Hambatan secara seri

A B

V1 V2 V3

I I I I


117

117

Listrik Dinamis

Tugas percobaan 9-6

Prosedur percobaan pertama :

1. Persiapkan tiga buah batere yang baru, voltmeter dan beberapa kabel penghubung. 2. Ukur berapa selisih potensial masing-masing batere. 3. Susun ke tiga batere seperti rangkaian dalam gambar (a), ukur berapa selisih

potensial rangkaian tersebut. 4. Susun ke tiga batere seperti rangkaian dalam gambar (b), ukur berapa selisih

potensial rangkaian tersebut. Pertanyaan : 1. Catat semua hasil pengukuran ke dalam tabel berikut dan tuliskan mana rangkaian

batere secara seri dan paralel?

Selisih potensial dan jenis rangkaian

Masing-masing batere

Rangkaian (a) Rangkaian (b)

V1 = ..........volt V2 = ..........volt V3 = ..........volt

Jenis rangkaian : .................

Va = ..........volt

Jenis rangkaian : .................

Vb = ..........volt

2. Kesimpulan apakah yang diperoleh dari hasil percobaan tersebut? Jelaskan!

321paralel R

V

R

V

R

V

R

V .....

R

1

R

1

R

1

R

1

321paralel

................ (9-6)

3. Rangkaian sumber tegangan

Untuk mendapatkan tegangan atau selisih potensial seperti yang diinginkan, kita sering menggunakan sumber tegangan batere atau aki lebih dari satu yang disusun secara seri atau paralel. Bagaimanakah sifat-sifat rangkaian sumber tegangan secara seri dan paralel? Untuk mengetahui hal itu, lakukanlah percobaan 9-6 secara berkelompok.


118

118

Listrik Dinamis

Gambar 9-16. Rangkaian batere secara paralel

E1 r1

E2

r2

E3 r3

Walaupun dalam percobaan 9-6 kita tidak mengukur GGL batere dengan benar, tetapi karena semuanya dilakukan dengan cara yang sama, maka secara umum dapat dinyatakan bahwa :

a. Beberapa batere yang dihubungkan secara seri, GGL rangkaian serinya akan sama dengan jumlah GGL masing-masing baterai. Demikian juga dengan hambatan dalam serinya, yaitu sama seperti menghitung hambatan seri biasa.

Eseri = E1 + E2 + E3 + .....

rseri = r1 + r2 + r3 + ..... ................... (9-7)

b. Beberapa batere yang dihubungkan secara paralel, GGL rangkaian paralelnya akan sama dengan GGL sebuah batere. Tetapi hambatan dalam paralelnya sama seperti menghitung hambatan paralel biasa.

Eparalel = E1 = E2 = E3 = .....

..... r

1

r

1

r

1

r

1

321paralel

............... (9-8)

9.6. HUKUM II KIRCHOFF

Setelah mengenal Hukum I Kirchoff, sekarang marilah kita coba

mempelajari Hukum II Kirchoof untuk suatu rangkaian yang paling sederhana. Dalam suatu rangkaian listrik tertutup, sumber tegangan berfungsi

sebagai penghasil energi, sedangkan hambatan listrik menggunakan energi listrik tersebut. Sesuai dengan hukum kekekalan energi, maka berlaku ketentuan sebagai berikut :

Jumlah GGL di dalam suatu rangkaian tertutup adalah sama dengan

jumlah tegangan yang terjadi di setiap hambatan dalam rangkaian tersebut” Pernyataan inilah yang pertama kali dikemukakan Kirchoff yang kemudian disebut sebagai Hukum II Kirchof

Gambar 9-15. Rangkaian batere secara seri

E1 E2 E3

r1 r2 r3


119

119

Listrik Dinamis

Perhatikan dengan baik rangkaian listrik pada gambar 9-17. Sesuai dengan Hukum II Kirchoof, maka berlaku :

Σ E = Σ Ir + Σ IR

Sehingga : RΣrΣ

EΣ

I .......................... (9-9)

Dengan : ΣE = jumlah GGL sumber tegangan Σr = pengganti hambatan dalam ΣR = pengganti hambatan luar

1. Tentukan besar hambatan pengganti, dari rangkaian hambatan berikut ini.

2.

Jawaban : E1 dan E2 seri, maka : ΣE = E1 +E2 = 1,5 + 1,5 = 3 V


Gambar 9-17. Rangkaian tertutup

E1

r1

E2

r2

1

2

Jawaban : R1, R2 dan R3 hubungan seri, maka Rs = R1 + R2 + R3

Rs = 2 + 2 + 2 = 6Ω Rs hubungan paralel dengan R4

maka 4s R

1

R

1

R

1

6

3

3

1

6

1

R

1 R = 2Ω

2Ω

2Ω

2Ω

3Ω

R1

R2

R3

R4

Perhatikan dengan baik rangkaian tertutup berikut ini. Tentukan berapa : a. Kuat aurs I, I1, dan I2 b. Selisish potensial antara titik A dan B (VAB) E1 = E2 = 1,5 V dan r1 = r2 = 0,15Ω

R1 2Ω

3Ω R2

E1 E2

r1 r2

I I

I1

I2


120

120

Listrik Dinamis

r1 dan r2 seri, maka : Σr = r1 + r2 = 0,15 + 0,15 = 0,3 Ω

R1 dan R2 paralel, maka : 6

5

3

1

2

1

R

1

R

1

R

1

21

ΣR = 1,2 Ω

A 22,13,0

3

Rr

E

I I1 + I2 = 2 ......(1)

VAB = I1 R1 = I2 R2 2 I1 = 3 I2 I1 = 1,5 I2 ......(2) Dengan mensubstitusikan persamaan (2) ke dalam persamaan (1), maka diperoleh : 1,5 I2 + I2 = 2 2,5 I2 = 2 I2 = 0,8 A dan I1 = 1,5 (0,8) = 1,2 A VAB = I1 R1 = 1,2 (2) = 2,4 V

joule10.96,33600110

)110(t

R

VW 4

22

22

TUGAS MERANGKUM

Untuk menata kembali seluruh pengetahuan yang telah kalian peroleh dari bab ini, sekarang cobalah membuat rangkuman dengan menjawab pertanyaan berikut : 1. Apa yang dimaksud dengan listrik dinamis? 2. Apa yang dimaksud dengan sumber tegangan listrik? 3. Apa perbedaan batere, aki dan generator? 4. Apa perbedaan rangkaian listrik tertutup dan terbuka? 5. Alat apa yang dipakai untuk membuka dan menutup suatu rangkaian listrik? 6. Bagaimana arah arus listrik dalam suatu rangkaian? 7. Bagaimana hubungan tegangan dan kuat arus menurut Hukum Ohm? 8. Faktor apakah yang mempengaruhi besar hambatan suatu penghantar kawat? 9. Apa yang dimaksudkan dengan hambatan jenis? 10. Bagaimana sifat arus listrik dalam rangkaian tidak bercabang? 11. Bagaimana sifat arus listrik menurut Hukum I Kirchoff? 12. Bagaimana sifat rangkaian listrik terturup menurut hukum kekekalan energi? 13. Bagaimana sifat-sifat rangkaian hambatan secara seri dan paralel? 14. Bagaimana GGL batere yang dihubungkan seri dan paralel?


121

121

Listrik Dinamis

A. Bentuk Soal Pilihan Ganda

Pilih salah satu alternatif jawaban yang paling benar, dengan jalan memberikan tanda silang (X) pada lembar jawaban yang telah disediakan

1. Kuat arus dan tegangan pada rangkaian hambatan berikut adalah : .....

Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 2.

Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 3. Empat buah lampu yang sama dirangkai seperti gambar berikut. Maka

keadaan nyala lampu tersebut adalah : .....

Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 4. Grafik hubungan antara hambatan jenis (ρ) suatu kawat penghantar dengan

panjangnya (L), dapat dilukiskan seperti gambar : .....

A B C D

Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ...................................

SOAL-SOAL UNTUK LATIHAN

R1 R2

I1 I2 I

A

V2

B C

A. I = I1 + I2 dan VAC = VAB = VBC B. I = I1 = I2 dan VAC = VAB + VBC C. I = I1 + I2 dan VAC = VAB + VBC D. I = I1 = I2 dan VAC = VAB = VBC

10

2

V(volt)

I(Amper)

Hubungan antara tegangan (V) dan kuat arus (I) dari suatu penghantar ditunjukkan oleh grafik berikut. Berarti besar kuat arus pada saat penghantar diberi tegangan 2 volt adalah : ..... Amper. A. 0,2 B. 0,4 C. 5,0 D. 20

L1

L2 L3

L4 A. L4 > L1 > (L2 = L3) B. L4 < L1 < (L2 = L3) C. L1 > L2 > L3 > L4 D. L1 = L2 = L3 = L4

L L L L

ρ ρ ρ ρ


122

122

Listrik Dinamis

5. Untuk mengukur tegangan dan kuat arus di suatu penghantar, pemasangan voltmeter (V) dan amperemeter (A) yang benar adalah seperti gambar : .....

A B C D


6. Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi besar hambatan sebuah

penghantar kawat adalah : 1. panjang 2. Luas penampang 3. jenis bahan 4. suhu Jawaban yang benar adalah : ..... A. 1 dan 3 B. 2 dan 4 C. 1, 2 dan 3 D. 1, 2, 3 dan 4


7. Sebuah sumber tegangan yang memiliki GGL= 6 V dan hambatan dalam

sebesar r = 0,5 Ω, dihubungkan dengan sebuah beban listrik yang memiliki hambatan R = 11,5 Ω. Maka besar kuat arus yang mengalir pada rangkaian adalah : ..... Ampere.

A. 0,5 B. 2 C. 3 D. 12 Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ...................................

8. Hambatan pengganti dalam rangkaian berikut adalah : .....


9. Alat dalam rangkaian listrik yang berfungsi sebagai pengaman agar tidak

kebakaran pada saat terjadi hubungan singkat, adalah : ..... A. Sakelar B. Steker C. Sekring D. Kumparan


10. Sifat rangkaian hambatan seperti gambar berikut adalah : .....


A A

A A V

V V

V

3Ω

3Ω

3Ω

A. 1 Ω C. 6 Ω B. 2 Ω D. 9 Ω

A. VAB = V1 + V2 dan I = I1 + I2

B. VAB = V1 = V2 dan I = I1 = I2

C. VAB = V1 + V2 dan I = I1 = I2

D. VAB = V1 = V2 dan I = I1 + I2

R1

R2 A B

V2

V1

I1

I2

I


123

123

Listrik Dinamis

B. Bentuk Soal Uraian 1. Apa perbedaan antara elemen primer dan elemen sekunder? Berikan

contohnya! 2. Sebuah lampu yang memiliki hambatan 6Ω dihubungkan secara seri

dengan lampu lain yang hambatannya 12Ω secara seri. Jika rangkaian tersebut menggunakan sumber tegangan 12 V, tentukan : a. Kuat arus yang mengalir pada masing-masing lampu? b. Tegangan pada masing-masing lampu?

3. Dua kawat yang jenisnya sama, memiliki panjang yang sama tetapi

diameter berbeda. Jika diameter kawat pertama 10 kali diameter kawat ke dua dan besar hambatan kawat pertama 2Ω, tentukan berapa besar hambatan kawat ke dua?

4.

5. Perhatikan rangkaian berikut dengan baik, kemudian tentukan :

Tujuh hambatan yang besarnya sama yaitu 2 Ω,disusun seperti gambar. Berapa besar hambatan penggantinya?

a. Kuat arus pada masing-masing cabang, yaitu I1, I2 dan I3

b. Selisih potensial VAB dan VBC Diketahui R1 = 6Ω, R2 = 3Ω, R3 = 3Ω E = 6 volt, r = 0,5Ω

B

R1

R2

A

C

I2

I3

I

E E

r r

R3

Documents

BAB IX LISTRIK DINAMISfile.upi.edu/Direktori/SPS/PRODI.PENDIDIKAN_IPA...Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 105 105 Listrik Dinamis 9.2. KUAT ARUS LISTRIK Kita telah mengetahui bahwa arus