Handout Listrik Dinamis

[Handout]
Fisika Kelas X
Semester 2
[Listrik Dinamis]
NAMA ANGGOTA :
 IRENE TASYA ANGELIA (3215149632)
 SARAH SALSABILA
(3215141709)
 SABILA RAHMA
(3215141713)
UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA
HANDOUT
FISIKA KELAS X SEMESTER II
LISTRIK DINAMIS
Standar Kompetensi
5. Menerapkan konsep kelistrikan dalam berbagai penyelesaian masalah dan berbagai
produk teknologi.
Kompetensi Dasar
5.1.
Memformulasikan besaran-besaran listrik rangkaian tertutup sederhana (satu
loop).
5.2.
Mengidentifikasi penerapan listrik AC dan DC dalam kehidupan sehari-hari.
5.3.
Menggunakan alat ukur listrik.
Indikator
1. Memformulasikan besaran kuat arus dalam rangkaian tertutup sederhana
2. Memformulasikan besaran hambatan dalam rangkaian seri dan pararel.
3. Memformulasikan besaran tegangan dalam rangkaian tertutup sederhana
dengan menggunakan hukum II Kirchhoff.
4. Mengidentifikasi penerapan arus listrik searah dalam kehidupan sehari-hari.
5. Mengidentifikasi penerapan arus listrik bolak-balik dalam kehidupan seharihari.
6. Menggunakan amperemeter dalam rangkaian.
7. Menggunakan voltmeter dalam rangkaian.
8. Menggunakan ohmmeter dalam rangkaian.
PETA KONSEP
Listrik Dinamis
Rangkaian Tertutup
Kuat Arus
Hukum Kirchoff
Hambatan
Ampermeter
Beda Potensial
(Tegangan)
Hukum OHM
Rangkaian Seri
Voltmeter
Rangkaian
Pararel
Energi Dan Daya
Listrik
Ringkasan Materi
A. Arus Listrik dan Pengukurannya
Rangkaian listrik dibedakan menjadi dua, yaitu rangkaian listrik terbuka dan
rangkaian listrik tertutup.
 Rangkaian listrik terbuka adalah suatu rangkaian yang belum dihubungkan dengan
sumber tegangan.
 Rangkaian listrik tertutup adalah suatu rangkaian yang sudah dihubungkan dengan
sumber tegangan. Pada rangkaian listrik tertutup, terjadi aliran muatan-muatan
listrik.
Arus listrik adalah aliran muatan-muatan listrik pada suatu rangkaian tertutup. Arus
listrik dapat timbul karena ada beda potensial pada dua titik dan arahnya dari potensial
tinggi ke potensial yang lebih rendah.
Besarnya arus listrik dinamakan kuat arus listrik dan didefinisikan
sebagai banyaknya muatan positif yang melalui suatu titik tiap satu satuan
waktu. Dari definisi ini, kuat arus listrik dapat di rumuskan sebagai berikut:
Keterangan :
I=
I = kuat arus listrik (A)
Q = muatan listrik yang mengalir (C)
t = waktu (s)
CONTOH SOAL
Dalam waktu 5 detik muatan listrik sebanyak 20 coulomb dapat mengalir melalui kawat
penghantar. Berapakah kuat arus listrik tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui :
t = 5 detik
Q = 20 C
Ditanya :
I = ....?
Jawab :
I=
=
=4A
Kuat arus listrik dapat diukur dengan alat amperemeter, sedangkan Beda potensial
listrik dapat diukur dengan alat voltmeter.
1. Cara membaca skala hasil ukur amperemeter dan voltmeter
a) Ampermeter
Keterangan :
Keterangan :
Batas ukur maks
= 1A
Batas ukur maks
=5A
Hasil ukur
=
Hasil ukur
=
= 0.24 A
= 1,9 A
b) Voltmeter
Keterangan :
Batas ukur maks
= 10 v
Hasil ukur
=
= 8V
2. Merangkai alat listrik
Untuk amperemeter harus dipasang secara seri dengan alat listrik, sedangkan
voltmeter harus dipasang secara paralel dengan alat listrik. Perhatikan dibawah ini.
a) Ampermeter
b) Voltmeter
B. Beda Potensial
Potensial listrik adalah banyaknya muatan yang terdapat dalam suatu benda. Suatu
benda dikatakan mempunyai potensial listrik lebih tinggi daripada benda lain, jika benda
tersebut memiliki muatan positif lebih banyak daripada muatan positif benda lain.
Pada gambar terlihat bahwa benda A memiliki muatan positif paling banyak sehingga
benda A mempunyai potensial listrik paling tinggi, disusul benda B, C, baru kemudian D.
Beda potensial listrik (tegangan) timbul karena dua benda yang memiliki potensial
listrik berbeda dihubungkan oleh suatu penghantar. Beda potensial ini berfungsi untuk
mengalirkan muatan dari satu titik ke titik lainnya. Satuan beda potensial adalah volt (V).
Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik disebut voltmeter. Secara
matematis beda potensial dapat dituliskan sebagai berikut.
V=
Keterangan:
V : beda potensial (V)
W : usaha/energi (J)
Q : muatan listrik (C)
CONTOH SOAL
Untuk memindahkan muatan 4 coulomb dari titik A ke B diperlukan usaha sebesar 10
joule. Tentukan beda potensial antara titik A dan B!
Penyelesaian:
Diketahui :
Q=4C
W = 10 J
Ditanya :
V = ... ?
Jawab :
V=
=
= 2.5 volt
C. Hukum OHM
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa arus listrik mengalir dari
potensial tinggi ke potensial rendah. Dengan kata lain, arus listrik
mengalir karena adanya beda potensial. Hubungan antara beda potensial
dan arus listrik kali pertama diselidiki oleh George Simon Ohm (1787–
1854). Beda potensial listrik disebut juga tegangan listrik.
Arus (I) pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial (V)
yang diberikan ke ujung-ujung kawat penghantar tersebut. Besarnya arus
yang mengalir pada kawat penghantar tidak hanya bergantung pada
tegangan, tetapi juga pada hambatan (R) yang dimiliki kawat terhadap
aliran elektron. Kuat arus listrik berbanding terbalik dengan hambatan.
Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Ohm, dan dinyatakan dengan persamaan:
V=IR
Keterangan :
V = beda potensial (volt)
I = kuat arus (ampere)
R = hambatan kawat penghantar (Ohm)
CONTOH SOAL
Diketahui kuat arus sebesar 0,5 ampere mengalir pada suatu penghantar yang memiliki
beda potensial 6 volt. Tentukan hambatan listrik penghantar tersebut!
Penyelesaian :
Diketahui :
V=6V
I = 0,5 A
Ditanya :
R = ... ?
Jawab :
R=
=
= 12 
D. Hambatan Listrik
Berdasarkan persamaan hukum Ohm, hambatan listrik dapat didefinisikan sebagai
hasil bagi beda potensial antara ujung-ujung penghantar dengan kuat arus yang mengalir
pada penghantar tersebut. Untuk mengenang jasa Georg Simon Ohm, namanya dipakai
sebagai satuan hambatan listrik, yaitu ohm (). Suatu penghantar dikatakan mempunyai
hambatan satu ohm apabila dalam penghantar tersebut mengalir arus listrik sebesar satu
ampere yang disebabkan adanya beda potensial di antara ujung-ujung penghantar sebesar
satu volt.
1. Jenis-jenis hambatan
a. Resistor tetap
Pada resistor tetap yang biasanya dibuat dari karbon atau kawat nikrom tipis,
nilai hambatannya disimbolkan dengan warna-warna yang melingkar pada kulit
luarnya. Simbol warnawarna tersebut mempunyai arti sesuai dengan letaknya.
b. Resistor variabel
Resistor variabel yang kita kenal ada dua, yaitu resistor
variabel tipe berputar dan bergeser (rheostat). Pada prinsipnya,
cara kerja kedua resistor ini adalah sama, yaitu memutar atau
menggeser kontak luncur untuk menambah atau mengurangi nilai
hambatan sesuai kebutuhan. Resistor variabel ini dapat kita temui
pada sistem volume di radio, tape recorder, dan alat-alat
elektronik lainnya.
2. Hambatan pada kawat penghantar
Kawat penghantar yang dipakai pada kawat listrik pasti mempunyai hambatan,
meskipun nilainya kecil. hambatanlistrik suatu kawat penghantar dipengaruhi oleh
panjang kawat ( l ), hambatan jenis kawat (  ), dan luas penampang kawat (A).
Secara matematis, hubungan ketiga faktor tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.
Keterangan:
R : hambatan kawat penghantar ()
l : panjang kawat penghantar (m)
A : luas penampang kawat penghantar (m2)
: hambatan jenis kawat penghantar (m)
R=
CONTOH SOAL
Diketahui sebuah kawat penghantar memiliki panjang 100 m, luas penampang 2,5 mm2,
dan hambatan jenis sebesar 17 × 10-7 m. Tentukan besarnya hambatan kawat tersebut!
Penyelesaian :
Diketahui :
l = 100 m
A = 2,5 mm2 = 25 × 10-7 m2
 = 17 × 10-7 m
Ditanyakan : R = ... ?
Jawab :
R=
= 68 
= 17 × 10-7 x
Jadi, besarnya hambatan kawat adalah 68  .
E. Rangkaian Hambatan
Dalam arus listrik terdapat hambatan listrik yang menentukan besar kecilnya arus listrik.
Semakin besar hambatan listrik, semakin kecil kuat arusnya, dan sebaliknya. I ∝ 1/R
1. Rangkaian Hambatan Seri
Rangkaian seri berarti sambungan antara ujung komponen satu dengan
pangkal komponen lain secara berurutan. Jika terdapat beberapa
hambatan dirangkai seri, kemudian dihubungkan dengan sumber
tegangan, maka masing-masing hambatan itu dialiri arus listrik yang
sama besar.
I1 = I2 = I3
Rs = R1 + R2
VAC = VAB + VBC
2. Rangkaian Hambatan Paralel
Hambatan paralel adalah rangkaian yang disusun secara berdampingan/berjajar. Jika
hambatan yang dirangkai paralel dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka
tegangan pada ujung-ujung tiap hambatan adalah sama besar.
VAC = VAB = VBC
I1 = I2 + I3
Tambahan : Jika ada
rangkaian hambatan yang sulit, gunakan
cara segitiga hambatan
Contoh soal :
Tiga buah hambatan, masing-masing nilainya 3Ω, 4Ω, dan 6Ω dirangkai secara paralel.
Hitunglah hambatan penggantinya!
Diketahui : R1 = 3Ω R2 = 4Ω R3 = 6Ω
Ditanya : Rp?
Jawab :
F. Hukum Kirchhoff
1. Hukum I Kirchhoff
“Arus yang masuk pada titik percabangan sama dengan kuat arus yang keluar pada titik
percabangan tersebut.”
Sumber : Fisika Kelas 10 Setya Nugroho
2. Hukum II Kirchhoff
“Jumlah perubahan potensial yang mengelilingi lintasan tertutup pada suatu rangkaian
harus sama dengan nol.” Hukum II Kirchhoff dikenal juga dengan Hukum Loop. Hukum ini
di dasarkan pada hukum kekekalan energi.
∑
+ ∑(I x R) = 0
Ketentuan :
a. Semua hambatan (R) dihitung positif.
b. Pada arah perjalanan atau penelusuran rangkaian tertutup (loop), jika sumber arus
berawal dari kutub negatif ke kutub positif atau bertemu dengan kutub positif sumber
tegangan, maka gglnya dihitung positif. Jika sebaliknya dari kutub positif ke kutub
negatif atau bertemu dengan kutub negatif sumber tegangan, maka ggl nya dihitung
negatif.
c. Arus yang searah dengan penelusuran loop dihitung positif, sedang yang berlawanan
dengan arah penelusuran dihitung negatif.
d. Jika hasil akhir perhitungan kuat arus bernilai negatif, maka kuat arus yang sebenarnya
merupakan kebalikan dari arah yang ditetapkan.
Contoh soal :
Hitung kuat arus pada masing-masing penghambat pada
gambar berikut!
Diketahui :
E1 = 8V
E2 = 18V
R1 = 4Ω
R2 = 2Ω
R3 = 6Ω
Ditanyakan : I1, I2, dan I3?
G. GGL dan Rangkaian GGL
Komponen sumber tegangan seperti baterai atau generator listrik yang mengubah energi
tertentu menjadi energi listrik disebut sumber Gaya Gerak Listrik (GGL).
V = Tegangan di antara kutub baterai (V)
= GGL baterai (V)
1. Rangkaian GGL Seri
I = Arus yang mengalir (A)
r = Hambatan dalam baterai (Ω)
Apabila dua atau lebih sumber ggl (misalnya baterai) disusun seri, ternyata tegangan total
merupakan jumlah aljabar dari tegangan masing-masing sumber ggl.
2. Rangkaian GGL Paralel
Apabila dua atau lebih sumber ggl (misalnya baterai)
disusun paralel, ternyata tegangan total besarnya sama
dengan tegangan masing-masing sumber ggl dan
membangkitkan arus yang lebih besar.
I = arus yang mengalir (A)
= ggl pengganti seri dari sumber yang
sejenis (V)
R = hambatan resistor (Ω)
rs= hambatan dalam pengganti seri (Ω)
n = jumlah sumber ggl yang sejenis
ε= ggl sumber/baterai (V)
r = hambatan dalam baterai (Ω)
Contoh soal :
Empat buah resistor masing-masing dengan hambatan 2Ω, 3Ω, 4Ω, dan 5Ω disusun seri.
Rangkaian tersebut dihubungkan dengan ggl 18 V dan hambatan dalam 1,5Ω. Hitunglah kuat
arusnya!
Penyelesaian:
Diketahui: R1 = 2 Ω R2 = 3 Ω R3 = 4 Ω R4 = 5 Ω ε = 18 V r = 1.5 Ω
Ditanya : I?
Jawab : Rs = R1+R2+R3+R4 = 2Ω+3Ω+4Ω+ 5Ω = 14 Ω
H. Arus dan Tegangan AC - DC
Apabila sebuah baterai dihubungkan pada suatu rangkaian, arus mengalir dengan
tetap pada satu arah yang disebut arus searah atau DC (direct current). Untuk generator
listrik pada pusat pembangkit tenaga listrik menghasilkan arus bolak-balik atau AC
(alternating current).
a) Arus dan tegangan bolak-balik
V = Vmaks sin ωt
I = Imaks sin ωt
Keterangan :
V
= tegangan yang selalu berubah terhadap waktu (volt)
Vmaks = tegangan maksimum (volt)
I
= arus yang selalu berubah terhadap waktu (ampere)
Imaks = arus maksimum (ampere)
ω
= kecepatan sudut (rad\s)
b) Nilai effektif
Vefff =
Iefff =
c) Induktor dalam rangkaian arus bolak-balik
Dari gambar grafik diatas, dapat disimpulkan bahwa kuat arus berbeda ase 900
terhadap tegangan, dengan tegangan mendahului kuat arus, maka dapat ditulis :
V = Vmaks sin ωt
I = Imaks sin (ωt - )
Reaktansi Induktif (XL) :
XL = ω L
Imaks =
d) Kapasitor dalam rangkaian arus bolak-balik
Dari gambar grafik diatas, dapat disimpulkan bahwa kuat arus berbeda ase 900
terhadap tegangan, dengan tegangan tertinggal dari kuat arus, maka dapat ditulis :
V = Vmaks sin ωt
I = Imaks sin (ωt + )
Reaktansi Kapasitas (XC) :
XC =
e)
Imaks =
Rangkaian R, L, C pada tegangan bolak-balik
1. Hubungan tegangan
V=
Keterangan :
V = tengangan total pada rangkaian (volt)
VR = tengangan pada hambatan (volt)
VL = tengangan pada hambatan (volt)
VC = tengangan pada kapasitor (volt)
2. Hubungan hambatan
Z=
Z=
Keterangan :
R = hambatan (ohm)
Z = impedansi (hambatan total)
XC = reaktansi kapasitif (ohm)
XL = reaktansi induktif (ohm)
I. ENERGI DAN DAYA LISTRIK
1. Energi Listrik
Energi listrik adalah energi yang mampu menggerakkan muatan-muatan listrik pada suatu
beda potensial tertentu.
Menurut Hukum Ohm :
2. Daya Listrik
Daya listrik merupakan laju aliran listrik atau besarnya energi yang
mengalir atau diserap setiap satuan waktu.
Keterangan :
P = Daya Listrik (Watt)
W = Energi listrik (Joule)
Q = Muatan Listrik
(coloumb)
V = Beda potensial (volt)
T = Waktu aliran (sekon)
R = Hambatan (Ω)
I = Kuat Arus (ampere)
Menurut Hukum Ohm,
atau
Contoh soal :
Sebuah hambatan 20 Ω dihubungkan pada baterai yang bertegangan 6 volt. Tentukan daya
yang diserap hambatan dan energi yang diserap hambatan selama setengah menit!
Penyelesaian
Diketahui =
R = 20 Ω
V = 6 volt
t = 0,5 menit = 30 s
Ditanya =
a. P?
b. W?
Jawab =
a. Daya yang diserap memenuhi:
b. Energi yang diserap sebesar:
J. Daya Listrik dalam Kehidupan Sehari-hari
Pemasangan alat listrik di rumah-rumah dirangkai secara paralel. Hal ini diharapkan agar
tegangan yang melalui alat-alat tersebut besarnya sama. Untuk menghitung besar energi
listrik yang digunakan pada suatu rumah, PLN memasang alat yang disebut kWh (kilowatt
hours) meter (meteran listrik).
1 kWh didefinisikan sebagai daya sebesar 1.000 watt yang digunakan selama 1 jam. Jadi,
persamaannya dapat ditulis sebagai berikut.
Energi yang digunakan (kWh) = daya (kW) x waktu (h)
W=Pxt
Biaya yang harus dibayarkan :
Biaya = Jumlah energi yang digunakan x biaya per kWh
Contoh soal :
Diketahui harga listrik Rp100,00 per kWh. Sebuah rumah memakai 5 lampu dengan daya
masing-masing 60 watt, sebuah kulkas 160 watt, sebuah televisi 80 watt, dan 3 lampu
dengan daya 40 watt. Jika semua alat listrik itu menyala rata-rata 12 jam per hari, maka
berapa besar biaya listrik dalam sebulan?
Diketahui : (5 lampu x 60 watt = 300 watt) + (1 kulkas x 160 watt = 160 watt) + (1 televisi x
80 watt) + (3 lampu x 40 watt = 120 watt) = 660 watt
t = 12 jam x 30 hari = 360 jam
Ditanya : biaya perbulan?
Jawab :
W=Pxt
= 660 watt x 360 jam
= 237.600 watt
= 237,6 kWh
Jadi biaya yang harus dikeluarkan adalah 237,6 x Rp 100,00 = Rp 23.7600,00
K. Penghematan Energi Listrik
Ada beberapa cara yang dapat dilakukan untuk menghemat listrik di rumah :
1. Menggunakan lampu neon daripada lampu pijar
2. Menggunakan alat listrik berdaya rendah
3. Mengatur waktu pemakaian dengan baik
Tugas :
1. Jelaskan apa yang Anda ketahui tentang hukum Ohm? Jelaskan!
2. Jelakan secara singkat apa yang dimaksud dari :
a. Kuat arus
b. Beda potensial
c. Hambatan
3. Arus sebesar 2 A mengalir pada kawat penghantar yang memiliki beda potensial 12 V.
Besar muatan yang mengalir tiap menit pada kawat penghantar itu adalah ……
4. Pada suatu kawat penghantar yang luas penampangnya 0,2 mm2 mengalir arus listrik
sebesar 0,17 A. Untuk waktu selama satu jam, tentukan:
a. besar muatan yang mengalir,
b. banyaknya elektron yang mengalir, jika muatan elektron 1,6 × 10-19 C!
5. Suatu penghantar panjangnya 2 m dipasang pada beda potensial 6 V, ternyata arus yang
mengalir 3 A. Jika luas penampang kawat 5,5 × 10-2 mm2, maka tentukan :
a. besar hambatan, dan
b. hambatan jenis kawat
6. Sebuah lampu 15 W dan 5 W masing-masing dinyalakan selama 5 dan 12 jam tiap hari.
Tentukan energi listrik yang diperlukan oleh kedua lampu tersebut selama 1 bulan! Jika
PLN menetapkan tarif Rp100,00/kWh, maka berapa biaya yang harus dibayarkan ke PLN?
7. Berdasarkan gambar rangkaian listrik di samping,
tentukanlah :
a. hambatan pengganti antara A dan C
b. kuat arus yang keluar dari elemen
c. Vab, Vbc, dan Vac
d. Kuat arus yang melalui R2 dan R5
8. Dari rangkaian listrik di samping, tentukanlah :
a. kuat arus pada masing – masing cabang
b. beda potensial antara titik E dan F juga antara E dan C
9. Sebuah peralatan listrik memiliki daya 450 W dan tegangan AC 220 V. Hitunglah arus
maksimum dan hambatannya!
10. Jelaskan perbedaan sumber arus dan tegangan AC-DC!
DAFTAR PUSTAKA
Damari, Ari dan Sri Handayani. 2009. Fisika 1 : Untuk SMA / MA Kelas X. Jakarta : Pusat
Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional
Nurachmandani, Setya. Fisika 1 : Untuk SMA / MA Kelas X. Jakarta : Pusat Perbukuan,
Departemen Pendidikan Nasional
Sumarsono, Joko. 2009. Fisika : Untuk SMA / MA Kelas X. Jakarta : Pusat Perbukuan,
Departemen Pendidikan Nasional
Widodo, Tri. 2009. Fisika : Untuk SMA / MA Kelas X. Jakarta : Pusat Perbukuan,
Departemen Pendidikan Nasional