BAB IX LISTRIK DINAMIS
advertisement
101 Listrik Dinamis BAB IX LISTRIK DINAMIS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Apa yang dimaksud dengan sumber tegangan listrik? Apa perbedaan elemen primer dan elemen sekunder? Bagaimana cara membuat rangkaian listrik? Bagaimana cara mengukur tegangan dan kuat arus listrik? Bagaimana hubungan antara tegangan da kuat arus dalam suatu penghantar? Faktor apa yang mempengaruhi besar hambatan suatu penghantar? Bagaimana sifat-sifat arus listrik dalam suatu rangkaian? Apa perbedaan rangkaian seri dan paralel? 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 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 Gambar 9-1. Skema jaringan listrik di yang memerlukan listrik. rumah Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 101 102 Listrik Dinamis 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! 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. 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 Gambar 9-2. Arah arus listrik berlawanan dengan aliran sekarang masih tetap dipakai. elektron Agar arus listrik dapat terus mengalir, diperlukan suatu menghasilkan perbedaan tegangan atau selisih potensial listrik. menghasilkan perbedaan tegangan listrik disebut sumber (sumber listrik). Contohnya adalah batere, aki (akumulator), dan generator, seperti yang terlihat dalam gambar 9-3. alat yang dapat Alat yang dapat tegangan listrik dinamo sepeda ~ Gambar 9-3. Beberapa sumber tegangan listrik dan simbollnya 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 Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 102 Listrik Dinamis 103 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. Gambar 9-4. Komponen batere 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. 2. Aki (akumulator) Akumulator biasanya terbuat dari sebuah bejana plastik yang relatip kuat sebagai wadah cairan zat kimia yaitu larutan asam sulfat. Gambar 9-5. Komponen akumulator Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 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. 103 104 Listrik Dinamis 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. Gambar 9-6. Dinamo dan Generator 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. Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 104 105 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? Tugas percobaan 9-1 Prosedur percobaan : 1. Persiapkan sebuah batere atau power suplay, lampu kecil, sakelar terbuka dan beberapa kabel penghubung. 2. Rangkaian gambar. peralatan tersebut seperti 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). 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! 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. Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 105 106 Listrik Dinamis 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. Tugas percobaan 9-2 Prosedur percobaan : 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=.....? ) A V (a ) (b) 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! Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 106 107 Listrik Dinamis 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. A V Gambar 9-7. Amperemeter, voltmeter dan 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 : I Q t ................................................... (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 Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX dan 1 µA (mikroampere) = 10-6 A 107 108 Listrik Dinamis 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. Tugas percobaan 9-3 Prosedur percobaan : 1. Persiapkan sebuah batere atau power suplay, kumparan, sakelar, amperemeter, voltmeter dan beberapa kabel penghubung. 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). A V 3. Ulangi percobaan tersebut beberapa kali dengan mengubah-ubah besar selisih potensialnya. Catat kuat arus setiap kali melakukan perubahan selisih ptensial pada kumparan. Pertanyaan : 1. Catat semua data dalam tabel berikut. No. Percobaan Selisih potensial pada kumparan (V) Kuat arus pada kumparan (A) 1 2 3 . . V1 = .......... V2 = .......... V3 = .......... . . I1 = ............ I2 = ............ I3 = ............ . . Perbandingan selisih potensial dan kuat arus -1 pada kumparan (V.A ) .................... .................... .................... . . 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! 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. Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 108 109 Listrik Dinamis V (volt) 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 (ampere) Gambar 9-8. Grafik V-I sebuah peralatan listrik 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 : V kons tan 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 : V R I I V Atau : V I.R ....................... (9-2) Gambar 9-9. Tegangan dan kuat arus pada hambatan 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” Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 109 110 Listrik Dinamis 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 : Gambar 9-10. Beberapa simbol hambatan listrik 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 Prosedur percobaan : 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. 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? 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! Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 110 111 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 Air biasa Raksa Alkohol Air suling Aluminium Asam sulfat Besi Ebonit Emas Kaca Karbon Platina Bakelit Hambatan jenis (Ω.mm2.m-1) 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 Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX Jenis bahan Karet Mangan Mika Minyak tanah Parafin Perak Porselen Tembaga Timbal Wolfram Nikelin Seng Hambatan jenis (Ω.mm2.m-1) 1014-1019 0,43 1019 1020 1020 0,016 1018-1020 0,017 0,21 0,056 0,40 0,059 111 112 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 1m R = 0,4 Ω 2 3m R = 3(0,4) Ω = 3ρ 2 mm2 3m R= . . . . (A) mm2 (L) m 1 mm 3(0,4 ) 2 = ρ Ω = 3 2 . . R= L(0,4 ) A = L A 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 : Rρ L A ............................................... (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) Contoh Soal dan Jawabannya 1. Jika dalam kawat mengalir kuat arus sebesar 5 A, berapakah jumlah muatan yang melewati luas penampang kawat dalam waktu 1 menit? Diketahui :I=5A t = 60 detik Ditanyakan : q = ..... ? q Jawaban : I t 5 q 60 Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX q = 300 Coulomb 112 113 Listrik Dinamis 2. Dengan tegangan yang berbeda, sebuah penghantar mengalirkan kuat arus seperti dalam tabel. Berapakah besar hambatan penghantar tersebut? Percobaan 1 2 3 Jawaban V (volt) 5 10 15 I (Ampere) 1,0 2,1 2,9 : Besar hambatan setiap kali pengukuran : R1 5 5 1 R2 10 4,8 2,1 Rata-rata hambatannya : R R3 15 5,2 2,9 R1 R 2 R3 5 4,8 5,2 5 3 3 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 = ..... ? Jawaban : A1 Jika : L2 = 2 L1 dan D2 = 2 D1 D12 4 R1 L1 A1 A2 D22 (2D1 )2 4A 1 4 4 R2 L2 A2 R2 2L1 0,5 R1 4A 1 R2 0,5 (5) 2,5 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. Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 113 114 Listrik Dinamis Tugas percobaan 9-5 Prosedur percobaan pertama : 1. Persiapkan sebuah power suplay, beberapa lampu kecil, sakelar, amperemeter dan beberapa kabel penghubung. 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). 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 : 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). 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! Secara umum sifat arus dalam suatu rangkaian dapat dirumuskan sebagai berikut : “ Kuat arus dalam suatu rangkaian yang 1. X X X tidak bercabang di mana-mana selalu I2 I1 I4 I3 sama besar” Gambar 9-11. Rangkaian listrik tidak bercabang Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX I1 = I2 = I3 = I4 114 115 Listrik Dinamis 2. “Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang, selalu sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik cabang tersebut” I1 X Im I2 X Ik X ΣI masuk = Σ I keluar ...................... (9-4) Sehingga : Im = I1 + I2 + I3 = Ik I3 Gambar 9-12. Rangkaian listrik bercabang Pernyataan inilah yang dikenal sebagai “ Hukum I Kirchoff ”. Contoh Soal dan Jawabannya Jika pada satu titik cabang A, mengalir besar dan arah kuat arus seperti gambar, maka berapa besar kuat arus I4 dan kemana arahnya? Jawaban : I2 = 3 A I3 = 2 A I1 = 2 A A 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 I4 = ...? 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) 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. Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 115 116 Listrik Dinamis 1. Rangkaian hambatan secara seri Hambatan yang disusun secara berurutan (berbaris) sehingga tidak membentuk rangkaian bercabang, disebut rangkaian hambatan secara seri. I I I I A V1 B V3 V2 Gambar 9-13. 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) I1 a. Selisih potensial seluruh hambatan paralel sama dengan selisih potensial masing-masing hambatan. V I2 V A B I3 VAB = V1 = V2 = V3 = V ....... (4) Karena menurut Hukum Ohm V = I1R1 V Gambar 9-14. Rangkaian Hambatan secara paralel Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX V = I2R2 ; V = I3R3 dan V = I Rparalel maka persamaan (3) menjadi : 116 117 Listrik Dinamis V R paralel V V V R1 R 2 R 3 1 R paralel 1 1 1 ..... ................ (9-6) R1 R 2 R 3 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. 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 V1 = ..........volt V2 = ..........volt V3 = ..........volt Rangkaian (a) Rangkaian (b) Jenis rangkaian : ................. Jenis rangkaian : ................. Va = ..........volt Vb = ..........volt 2. Kesimpulan apakah yang diperoleh dari hasil percobaan tersebut? Jelaskan! Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 117 118 Listrik Dinamis 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. E1 E2 E3 r1 r2 r3 Eseri = E1 + E2 + E3 + ..... rseri = r1 + r2 + r3 + ..... ................... (9-7) Gambar 9-15. Rangkaian batere secara seri 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. E1 r1 Eparalel = E1 = E2 = E3 = ..... E2 1 r2 E3 rparalel 1 1 1 ..... r1 r2 r3 ............... (9-8) r3 Gambar 9-16. Rangkaian batere secara paralel 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 Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 118 119 Listrik Dinamis Perhatikan dengan baik rangkaian listrik pada gambar 9-17. Sesuai dengan Hukum II Kirchoof, maka berlaku : 1 2 Σ E = Σ Ir + Σ IR Sehingga : I ΣE Σr ΣR .......................... (9-9) E2 E1 r1 Dengan : ΣE = jumlah GGL sumber tegangan Σr = pengganti hambatan dalam ΣR = pengganti hambatan luar r2 Gambar 9-17. Rangkaian tertutup Contoh Soal dan Jawabannya 1. Tentukan besar hambatan pengganti, dari rangkaian hambatan berikut ini. R2 2Ω R1 2Ω R3 2Ω 3Ω R4 2. R1 I1 2Ω Perhatikan dengan baik rangkaian tertutup berikut ini. Tentukan berapa : R2 3Ω I2 I I E1 E2 r1 r2 Jawaban : R1, R2 dan R3 hubungan seri, maka Rs = R1 + R2 + R3 Rs = 2 + 2 + 2 = 6Ω Rs hubungan paralel dengan R4 1 1 1 maka R Rs R4 1 1 1 3 R = 2Ω R 6 3 6 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 Jawaban : E1 dan E2 seri, maka : ΣE = E1 +E2 = 1,5 + 1,5 = 3 V Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 119 120 Listrik Dinamis r1 dan r2 seri, maka : Σr = r1 + r2 = 0,15 + 0,15 = 0,3 Ω 1 1 1 1 1 5 R1 dan R2 paralel, maka : R R1 R 2 2 3 6 E 3 I1 + I2 = 2 ......(1) I 2A r R 0,3 1,2 VAB = I1 R1 = I2 R2 2 I1 = 3 I 2 ΣR = 1,2 Ω 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 W2 V22 (110)2 t 3600 3,96.104 joule R 110 TUGAS MERANGKUM Untuk menata kembali seluruh pengetahuan yang telah kalian peroleh dari bab ini, sekarang cobalah membuat rangkuman dengan menjawab pertanyaan berikut : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Apa yang dimaksud dengan listrik dinamis? Apa yang dimaksud dengan sumber tegangan listrik? Apa perbedaan batere, aki dan generator? Apa perbedaan rangkaian listrik tertutup dan terbuka? Alat apa yang dipakai untuk membuka dan menutup suatu rangkaian listrik? Bagaimana arah arus listrik dalam suatu rangkaian? Bagaimana hubungan tegangan dan kuat arus menurut Hukum Ohm? Faktor apakah yang mempengaruhi besar hambatan suatu penghantar kawat? Apa yang dimaksudkan dengan hambatan jenis? Bagaimana sifat arus listrik dalam rangkaian tidak bercabang? Bagaimana sifat arus listrik menurut Hukum I Kirchoff? Bagaimana sifat rangkaian listrik terturup menurut hukum kekekalan energi? Bagaimana sifat-sifat rangkaian hambatan secara seri dan paralel? Bagaimana GGL batere yang dihubungkan seri dan paralel? Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 120 121 Listrik Dinamis SOAL-SOAL UNTUK LATIHAN 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 : ..... R1 A R2 B I I1 V2 A. B. C. D. C I2 I = I1 + I2 I = I1 = I2 I = I 1 + I2 I = I 1 = I2 dan dan dan dan VAC = VAB = VBC VAC = VAB + VBC VAC = VAB + VBC VAC = VAB = VBC Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 2. 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. V(volt) 10 I(Amper) A. 0,2 2 B. 0,4 C. 5,0 D. 20 Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 3. Empat buah lampu yang sama dirangkai seperti gambar berikut. keadaan nyala lampu tersebut adalah : ..... L1 A. B. C. D. L4 L2 L3 Maka L4 > L1 > (L2 = L3) L4 < L1 < (L2 = L3) L1 > L2 > L3 > L4 L1 = L2 = L3 = L4 Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 4. Grafik hubungan antara hambatan jenis (ρ) suatu kawat penghantar dengan panjangnya (L), dapat dilukiskan seperti gambar : ..... ρ ρ A B L ρ ρ C L D L L Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 121 122 Listrik Dinamis 5. Untuk mengukur tegangan dan kuat arus di suatu penghantar, pemasangan voltmeter (V) dan amperemeter (A) yang benar adalah seperti gambar : ..... V A A V A B V C D A V A Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 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 Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 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 : ..... 3Ω 3Ω 3Ω A. 1 Ω C. 6 Ω B. 2 Ω D. 9 Ω Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 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 Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... 10. Sifat rangkaian hambatan seperti gambar berikut adalah : ..... I1 R1 I V1 V2 A I2 R2 B A. B. C. D. VAB VAB VAB VAB = V1 + V2 = V1 = V2 = V1 + V 2 = V1 = V 2 dan dan dan dan I = I 1 + I2 I = I 1 = I2 I = I 1 = I2 I = I 1 + I2 Berikan alasan mengapa kalian menjawab demikian : ................................... Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 122 123 Listrik Dinamis B. Bentuk Soal Uraian 1. Apa perbedaan antara elemen primer dan elemen sekunder? contohnya! Berikan 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. Tujuh hambatan yang besarnya sama yaitu 2 Ω,disusun seperti gambar. Berapa besar hambatan penggantinya? 5. Perhatikan rangkaian berikut dengan baik, kemudian tentukan : I3 I R1 R3 B A C a. Kuat arus pada masing-masing cabang, yaitu I1, I2 dan I3 I2 R2 b. Selisih potensial VAB dan VBC E E Diketahui R1 = 6Ω, R2 = 3Ω, R3 = 3Ω E = 6 volt, r = 0,5Ω r r Buku Pelajaran IPA SMP Kelas IX 123
