listrik dinamis - Di Sini Rudi Susanto

LISTRIK DINAMIS
Rudi Susanto
http://rudist.wordpress.com
1
Tujuan Instruksional
• Dapat menentukan arus listrik, hambatan
listrik, energi listrik, daya listrik serta dapat
menggunakan hukum Ohm dan aturan
Kirchhoff pada analisa rangkaian listrik.
• Pembatasan:
– Arus listrik bersifat steady dimana besar dan
arahnya konstan (arus DC )
– Rangkaian hanya terdiri atas komponen resistor
2
Arus Listrik
•
Definisi: arus listrik adalah jumlah total
muatan yang melewati suatu lokasi per
satuan waktu.
•
•
Misalkan jumlah muatan DQ yang melewati area A
dalam selang waktu Dt, maka arus merupakan
perbandingan antara muatan dan waktu tersebut.
Satuan SI untuk arus listrik adalah ampere (A).
– 1 A = 1 C/s ( 1 C muatan yang melewati area dalam
selang waktu 1 s)
•
•
Arus Konvensional dinyatakan sebagai aliran yang
searah dengan pergerakan muatan positif.
Pada konduktor logam seperti tembaga, arus listrik
merupakan pergerakan dari elektron (muatan
negatif ).
DQ
I
Dt
+
+
+
+
I
+
A
- -
-
v
3
Contoh :
Jumlah muatan yang melewati filamen dari lampu bolam dalam 2.00 s adalah
1,67 C. Tentukan :
(a)arus listrik pada lampu
Solusi :
a.
DQ 1.67C
I

 0.835 A
Dt
2.00s
4
Dalam waktu dua menit arus listrik sebesar 2 A mengalir sepanjang kawat
penghantar. Tentukan:
a) muatan yang berpindah
b) jumlah elektron
Pembahasan
Hubungan kuat arus listrik, muatan listrik dan waktu adalah:
I=Q/t
Q=Ixt
Dengan demikian :
a) Q = I x t
Q = 2 x 120
Q = 240 Coulomb
b) menentukan jumlah elektron dalam muatan n = Q/Qe
dimana:
n = jumlah elektron
Qe = muatan satu elektron (1,6 x 10−19 Coulomb)
Q = muatan yang akan dihitung jumlah elektronnya
sehingga:
n = Q/Qe
n = 240 / (1,6 x 10−19)
n = 150 x 1019
n = 1,5 x 1021 buah elektron
5
Hambatan Listrik dan Hukum Ohm
•
Ketika tegangan listrik (beda potensial) diberikan pada ujung-pangkal konduktor logam
maka didapatkan arus yang sebanding dengan tegangan yang diberikan.
DV
DV
I
I
I  DV
DV
R
I
Dengan satuan R : volt/ampere atau ohm (Ω).
6
Georg Simon Ohm
(1787-1854)
Hukum Ohm
DV  IR
R konstan dan tidak tergantung
terhadap ∆V
Linier atau Ohmic Material
I
Non-Linier atau
Non-Ohmic Material
I
DV
Most metals, ceramics
DV
Semiconductors
e.g. diodes
7
Contoh :
Sebuah setrika listrik menarik arus 2A ketika
dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V.
Tentukan hambatan listrik dari seterika tersebut.
8
Hambat jenis (Resistivity)
•
Pergerakan elektron dalam konduktor mengalami hambatan oleh
adanya tumbukan dengan atom-atom di dalamnya.
•
Nilai hambatan ini akan sebanding dengan panjang l dan berbanding
terbalik dengan luas penampang A dari konduktor.
l
R
A
9
•
•
•
Konstanta kesebandingan ρ disebut hambat jenis bahan (resistivity) dengan
satuan Wm.
Konduktor mempunyai hambat jenis rendah dan Insulator mempunyai
hambat jenis tinggi.
Nilai hambat jenis tergantung lingkungan misalnya temperatur.
  o 1   T  To 
•
α disebut temperature coefficient of resistivity.
•
Sehingga untuk konduktor dengan luas penampang tetap berlaku :
R  Ro 1   T  To 
10
Resistivity of various materials
Material
Resistivity (10-8 Wm)
Material
Resistivity (10-8 Wm)
Silver
Copper
Gold
Aluminum
1.61
1.70
2.20
2.65
Bismuth
Plutonium
Graphite
Germanium
106.8
141.4
1375
4.6x107
Pure
Silicon
Calcium
3.5
Diamond
2.7x109
3.91
1.8x1013
Sodium
Tungsten
Brass
Uranium
Mercury
4.75
5.3
7.0
30.0
98.4
Deionized
water
Iodine
Phosphorus
Quartz
Alumina
Sulfur
1.3x1015
1x1017
1x1021
1x1022
2x1023
11
Energi dan Daya Listrik
•
•
Dengan adanya tumbukan pada proses pergerakan elektron dalam
konduktor maka energi listrik dapat berubah menjadi energi termal yang
selanjutnya menghasilkan kalor. Contoh pemanas, setelika, toaster, lampu
pijar.
Laju perubahan energi ini disebut Daya P dengan satuan watt (joule/s)
DE DQ
P

DV  I DV
Dt
Dt
•
Dari hukum Ohm :
P  I DV  I
2
DV 

R
2
R
Pada sebuah lampu pijar tertulis 100W, 220V. Perkirakan
hambatan listrik dari lampu pijar tersebut!
12
Contoh :
Sebuah pemanas listrik beroperasi 3 jam sehari
selama 30 hari. Jika harga pemakaian listrik per kWh
Rp. 300, berapakah biaya yang harus dikelurkan jika
pemanas beroperasi pada tegangan 120V dan
menarik arus 15A.
Solusi
DE  P Dt  I V Dt
= 15 (A) 120 (V) 3 (h) 30
= 162.000 Wh
= 162 kWh
Biaya = Rp.300 x 162 = Rp. 48.600
13
Rangkaian Arus Searah
 Syarat terjadinya arus dalam rangkaian :
- Ada sumber tegangan ( Baterai, Generator, Accu, PLN)
- Rangkaian tertutup ( Close loop circuit )
V = IR
I
+ -
V = IR = Vbat
Vbat
Hindari terjadinya hubung singkat ( R = 0 ohm )
Gunakan pembatas arus / sekering untuk pengaman rangkaian
14
 Baterai
• Mengubah energi kimia menjadi energi listrik.
• Baterai membangkitkan gaya gerak listrik / EMF (E) dan
mempunyai hambatan dalam (r).
• Hambatan dalam makin lama membesar seiring dengan lama
pemakaian sehingga dikatakan baterai habis.
• Tegangan terminal VAB dirumuskan sebagai berikut :
B
C
VAB  E  Ir  IR
r
R
E
E
A
E  IR  Ir
D
15
 Resistor dalam Rangkaian Seri
• Arus
: I = I1 = I2
• Tegangan : V = V1 + V2
I Rt = I R 1 + I R2
• Resistor
: R t = R1 + R 2
B
R1
V
• Untuk kombinasi seri berlaku :
Req  R1  R2  R3  ...
C
R2
A
D
• Rangkaian berprilaku sebagai pembagi
tegangan (voltage divider)
16
 Resistor dalam Rangkaian Paralel
• Tegangan : V = V1 = V2
• Arus
: I = I1 + I2
V / Rt = V1 / R1 + V2 / R2
• Resistor
: 1/Rt = 1/R1 + 1/R2
• Untuk kombinasi Paralel berlaku :
1
1
1
1
 
  ...
Req R1 R2 R3
B
V
A
C
R1
R2
D
• Rangkaian berperilaku sebagai pembagi
tegangan (current divider)
17
 Contoh Soal:
R1
• V = 18 volt
• R1 = 2W ; R2 = 6W ; R3= 12W
• Hitung:
• Hambatan ekivalen pada
rangkaian tersebut
• Arus yang melalui masingmasing hambatan
• Beda tegangan di C dan di D
(VCD = VC – VD)
B
V
A
C
R2
R3
D
Jawab: Rek = 6W ; I1 = 3A, I2 = 2A , I3 = 1A ; VCD = 12 V
18
Contoh Soal
Rangkaian di bawah ini sering disebut sebagai rangkaian tangga
(ladder network). Tentukan tegangan pada tahanan-tahanan R2,
R4 dan R6.
Jawab :
V6 
R6
V4
R5  R6
V4 
R 456
V2
R 456  R 3
V2 
R 23456
(100)
R 23456  R1
(5)(20)
R 56  10  10  20  R 456 
4
5  20
(5)(20)
4W
5  20
(10)(10)
R 3456  R 3  R 456  6  4  10 W  R 23456 
5W
10  10
R 56  10  10  20 W  R 456 
R 23456
5
V2 
(100) 
(100)  50 V
R 23456  R1
55
V4 
R 456
4
V2 
(50)  20 V
R 456  R 3
46
R6
10
V6 
V4 
(20)  10 V
R6  R5
10  10