MODUL FISIKA TEGANGAN DAN ARUS BOLAK

MODUL FISIKA
TEGANGAN DAN ARUS BOLAK-BALIK (AC)
DISUSUN OLEH : NENIH, S.Pd
SMA ISLAM PB. SOEDIRMAN
TEGANGAN DAN ARUS BOLAK-BALIK (AC)
1. SUMBER TEGANGAN DAN ARUS BOLAK-BALIK
Sumber tegangan bolak-balik adalah generator AC. Output dari generator tersebut pada umumnya
berbentuk sinusoidal:
V = N A B ω sin ω t
V = Vmax sin ωt
Dengan Vmax = N A B ω = tegangan maksimum
Arus listrik yang dihasilkan adalah arus listrik bolak-balik, seperti juga tegangan, arus listrik bolak-balik
dituliskan sebagai:
I = Imax sin ωt
V dan I adalah tegangan dan arus listrik bolak-balik sesaat
Vmax dan Imax adalah tegangan dan arus listrik bolak-balik maksimum
2. HARGA EFEKTIF DARI TEGANGAN DAN ARUS BOLAK-BALIK
Harga efektif dari suatu listrik bolak-balik sama dengan arus searah yang menghasilkan jumlah kalor
yang sama ketika melalui suatu hambatan dalam waktu yang sama.
Harga arus efektif adalah:
Ief =
𝐼𝑚𝑎𝑥
√2
= 0,707 Imax
Ief = arus efektif, Vef = tegangan efektif
Tegangan V yang berkaitan dengan arus efektif besarnya adalah :
Vef =
𝑉𝑚𝑎𝑥
√2
= 0,707 Vmax
Catatan: harga yang terukur/terbaca pada alat ukur listrik adalah harga efektif dari arus bolak-balik
3. RANGKAIAN SERI ARUS BOLAK-BALIK (RANGKAIAN SERI R-L-C)
Rangkaian seri arus bolak-balik mengandung resistor R, inductor L, dan kapasitor C yang dihubungkan
secara seri. Bila rangkaian tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, maka pada rangkaian
akan timbul arus bolak balik.
L
R
C
I = Imax sin ωt
V = Vmax sin ωt
 Sama seperti pada rangkaian DC, resistor pada rangkaian AC memberi harga hambatan, dinamakan
resistansi, sebesar R
 Induktor pada rangkaian AC mamberi harga hambatan, disebut reaktansi induktif, XL sebesar:
𝑋𝐿 = 𝜔 𝐿
 Kapasitor pada rangkaian AC member harga hambatan, disebut reaktansi kapasitif, XC sebesar:
𝑋𝐶 =
1
𝜔𝐶
Dengan: R = resistansi (ohm, Ω)
L = induktansi (henry, H)
C = kapasitansi (farad, F)
𝜔 = frekuensi anguler (rad/s)
XL = reaktansi induktif (ohm, Ω)
XC = reaktansi kapasitif (ohm, Ω)

Impedansi Untuk Rangkaian Seri R-L-C
Rangkaian seri R-L-C memberi harga hambatan total, dinamakan impedansi, Z sebesar :
Z = impedansi (ohm, Ω)
Z = √𝑅 2 + (𝑋𝐿 − 𝑋𝑐 )2

Diagram Phasor
Hubungan antara R, L, C, dan Z dapat dinyatakan dalam suatu diagram yang dinamakan diagram
phasor. Hubungan R, XL, dan XC dapat digambarkan dalam suatu system sumbu koordinat seperti
gambar di bawah ini :
XL
Dengan:
Z
XL - XC
Z = √𝑅 2 + (𝑋𝐿 − 𝑋𝑐 )2
𝜑
Dan
R
tan 𝜑 =
XC
𝑋𝐿− 𝑋𝐶
𝑅
𝜑 adalah beda fase antara V dan i

Resonansi
Kondisi dimana XL = XC dapat dibuat dengan mengatur frekuensi dari sumber tegangan bolak-balik.
Frekuensi ini disebut frekuensi resonansi. Jadi,
XL = XC
1
ωL = 𝜔𝐶
1
ω2 = 𝐿𝐶
atau :
1
1
f = 2𝜋 √𝐿𝐶
4. DAYA LISTRIK PADA RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK
Daya listrik pada rangkaian arus bolak-balik adalah daya yang terbuang pada hambatan R. ( PR )
PR = (Ief)2 R
PR = (Ief)2 Z cos 𝜑
PR = Ief Ief Z cos 𝜑
PR = Ief Vef cos 𝜑
PR = P cos 𝜑
LATIHAN SOAL
NO
1
PERTANYAAN
Tegangan listrik dari PLN 220√2 volt. Bila
diukur dengan multimeter, tegangan
efektifnya sebesar ….
a. 110 volt
b. 110 √2 volt
c. 220 volt
d. 220 √2 volt
e. 240 volt
JAWABAN
NO
2
PERTANYAAN
Reaktansi kapasitif sebuah kapasitor pada
frekuensi 50 Hz adalah 200 ohm. Nilai
kapasitas kapasitor adalah ….
a.
b.
c.
d.
e.
5.10−4
𝜋
5.10−5
𝜋
2.10−3
𝜋
2.10−4
𝜋
2.10−5
𝜋
F
F
F
F
F
3
Dalam rangkaian seri inductor dan hambatan
(60 ohm) dalam tegangan arus bolak-balik,
kuat arus yang lewat 2 A. Apabila dalam
diagram phasor tan 𝜑 = ¾, maka tegangan
inductor adalah ….
a. 72 volt
b. 90 volt
c. 120 volt
d. 160 volt
e. 200 volt
4
Hambatan 1000 ohm, kumparan 0,5 henry,
kapasitas 0,2 µF dirangkai seri dan
dihubungkan dengan sumber tegangan arus
bolak-balik yang frekuensi angulernya 500
rad/s. harga impedansi tersebut mendekati
….
a. 100 ohm
b. 500 ohm
c. 1.800 ohm
d. 1.600 ohm
e. 2.600 ohm
5
Dalam suatu rangkaian, arus bolak-balik
mengalir melalui resistor 8 ohm, inductor
dengan reaktansi induktif 4 ohm, kapasitor
dengan reaktansi kapasitif 10 ohm seperti
pada gambar. Bila Vbc = 24 volt, maka
tegangan Vad sebesar ….
a
b
R
a.
b.
c.
d.
e.
10 V
30 V
40 V
60 V
70 V
c
L
d
C
JAWABAN
NO
6
PERTANYAAN
Suatu kumparan bila dihubungkan dengan
kutub-kutub sumber arus searah 20√2 volt
menghasilkan arus 4 A. Bila kumparan
dihubungkan pada arus bolak-balik, maka
untuk menghasilkan arus yang sama
diperlukan tegangan 20√6 volt. Jika frekuensi
arus bolak-balik 50 Hz, maka induktansi
kumparan adalah …. Henry
0,2
a. 𝜋
b. 0,2
c.
0,1
𝜋
d. 0,4
e.
0,4
𝜋
7
Suaru rangkaian RLC dihubungkan dengan
sumber tegangan V = 100√2 sin 100 t volt.
Besar hambatan murni 600 ohm, induktansi
diri kumparan 2 Henry dan kapasitor 10 µF.
Daya disipasi rangkaian adalah …. Watt
a. 3
b. 4
c. 6
d. 8
e. 10
8
Dalam rangkaian seri R-L-C diketahui :
V = 100√2 sin 1000 t volt , L = 2 H, R = 1000 Ω
dan C = 1 µF. Impedansi dan arus efektif dari
rangkaian adalah ….
a. 1410 Ω dan 0,71 A
b. 1410 Ω dan 0,071 A
c. 141 Ω dan 0,71 A
d. 141 Ω dan 0,071 A
e. 1410 Ω dan 7,1 A
9
Pada rangkaian seri RLC, tegangan efektif
sumber 80 volt sedangkan tegangan pada
resistor 20 V. Beda fase antara arus da
tegangan adalah ….
a. tan-1 ¼
b. Cos-1 ¼
c. Sin-1 ¼
d. tan-1 ¼
e. cos-1 ¼
JAWABAN
NO
10
PERTANYAAN
Pernyataan yang benar tentang terjadinya
resonansi pada rangkaian R, L, dan C adalah
….
a. Reaktansi induktif rangkaian <
reaktansi kapasitifnya
b. Reaktansi induktif rangkaian >
reaktansi kapasitifnya
c. Reaktansi induktif rangkaian =
reaktansi kapasitifnya
d. Impedansi rangkaian = reaktansi
kapasitifnya
e. Impedansi
rangkaian
>
nilai
hambatan R
11
Akibat pengaruh arus bolak-balik pada
rangkaian R-L-C seri, maka diperoleh data
yang tertera pada gambar di bawah.
Berdasarkan data tersebut, maka reaktansi
kapasitifnya adalah ….
R = 160 Ω
L
C
80 volt
100 volt
100 volt
a.
b.
c.
d.
e.
12
0
80 ohm
120 ohm
160 ohm
240 ohm
Suatu rangkaian seri R,L,C dihubungkan
dengan tegangan bolak-balik. Apabila
induktansi 10-2 henry dan frekuensi resonansi
1000 Hz, maka kapasitas kapasitornya adalah
….
10
a. 𝜋2 µF
b.
25
𝜋2
µF
c.
30
𝜋2
µF
d.
35
𝜋2
µF
e.
50
𝜋2
µF
JAWABAN