Bab VIII LISTRIK DINAMIS

BAB VIII
LISTRIK DINAMIS
STANDAR KOMPETENSI :
7. Menerapkan konsep-konsep kelistrikan (baik statis maupun dinamis) dan kemagnetan
dalam berbagai penyelesaian masalah dan berbagai produk teknologi.
Kompetensi Dasar :
1. Merangkai alat ukur listrik, menggunakannya secara baik dan benar dalam rangkaian
listrik.
Indikator :
1. Membedakan jenis dan fungsi alat ukur listrik.
2. Menjelaskan cara membaca dan memasang alat ukur kuat arus dan alat ukur
tegangan.
MATERI :
1. PENGERTIAN ARUS LISTRIK
Arus listrik adalah aliran muatan listrik yang melewati kawat
penghantar tiap satuan waktu. Arah arus listrik searah dengan arah
gerak muatan positip dan banyaknya muatan listrik yang mengalir
melalui penghantar setiap satu satuan waktu, biasa disebut kuat arus
dapat ditulis dengan persamaan :
I = Q/t
Q = jumlah muatan (Coulomb)
t
= lamanya muatan mengalir (detik)
I
= kuat arus listrik (coulomb / detik = ampere)
Contoh Soal :
Dalam suatu kawat penghantar mengalir 45 C muatan selama 5 menit.
Tentukan besar kuat arus yang mengalir dalam kawat penghantar
tersebut!
104
Penyelesaian :
Diket :
Q = 45 C
t = 5 menit = 300 detik
Ditanya
: I = ….
Jawab
:
I = Q/t
= 45 C/300 s
= 0,15 A
2. PENGUKURAN KUAT ARUS DALAM RANGKAIAN LISTRIK
Arus listrik hanya mengalir pada suatu rangkaian tertutup yaitu
rangkaian
yang
tidak
berpangkal
dan
tidak
berujung.
Untuk
menentukan besarnya arus listrik yang mengalir pada rangkaian listrik,
digunakan alat ukur Amperemeter.
Cara penggunaan amperemeter :
1. Dipasang seri pada rangkaian yang akan diukur kuat arusnya
2. Untuk amperemeter dengan batas ukur lebih dari satu, pilihlah
terlebih dahulu batas ukur yang terbesar
3. Bila amperemeter digunakan untuk mengukur kuat arus searah,
kutub (+) amperemeter dihubungkan dengan kutub (+) rangkaian
dan kutub (–) dengan kutub (–) rangkaian, jangan terbalik.
3. HUKUM OHM
Perhatikan rangkaian berikut :
∧∧∧∧∧
R
I
V
E,r
Gambar 1 : Rangkaian DC
105
Dalam rangkaian tertutup, arus yang mengalir ditimbulkan oleh
sumber tegangan. Semakin besar sumber tegangan, semakin besar
kuat arus listrik yang mengalir. Menurut Simon Ohm, hubungan antara
sumber tegangan dan kuat arus listrik dapat dinyatakan bahwa “Kuat
arus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda
potensial (tegangan) pada ujung-ujung penghantar”. Atau ditulis dengan
persamaan :
I = Vab/R
Keterangan :
I
= kuat arus (A)
Vab
= tegangan ujung di a dan ujung b (volt)
R
= hambatan (volt/ampere = ohm = Ω)
Contoh Soal:
Pada suatu kawat penghantar mengalir arus listrik sebesar 2 A, jika
hambatan kawat penghantar tersebut 5 Ω, tentukan besar tegangan
ujung-ujung kawat penghantar tersebut !
Penyelesaian :
Diket
: I=2A
R = 5Ω
Ditanya
: V =…….
Jawab
:
V
= I.R
= 2A . 5 Ω
= 10 Volt
106
4. ALAT UKUR TEGANGAN LISTRIK
Untuk mengukur besar tegangan listrk pada suatu rangkaian listrik
digunakan alat ukur Voltmeter.
Cara penggunaan Voltmeter :
1. Dipasang paralel dengan rangkaian yang akan diukur tegangan
(beda potensialnya)
2. Posisi awal sebelum digunakan pada angka nol
3. Untuk voltmeter dengan batas ukur lebih dari satu, pilih terlebih
dahulu
batas ukur terbesar, bila jarum tidak menyimpang baru
kemudian diganti batas ukur dibawahnya.
107
LEMBAR KERJA SISWA
KONSEP : ALAT UKUR ARUS SEARAH
TUJUAN :
Mampu menggunakan Amperemeter dan Voltmeter untuk mengukur arus
dan tegangan listrik arus searah.
ALAT :
1. Amperemeter
2. voltmeter
3. bola lampu
4. kabel penghubung
LANGKAH KERJA :
1. Rangkailah alat seperti gambar :
I
R
V
A
E,r
Rangkailah amperemeter secara seri dan voltmeter secara paralel pada
rangkaian tersebut. Catat hasil pengukuran pada amperemeter dan
voltmeter.
2. Rangkailah alat seperti gambar, dengan mengubah jumlah lampu :
Catatlah hasil pengukuran pada amperemeter dan voltmeter !
108
KONSEP : HUKUM KIRCHOFF
Kompetensi Dasar : Memformulasikan besaran-besaran listrik ke dalam bentuk
persamaan
Indikator :
1. Menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi besar hambatan suatu penghantar
2. Menjelaskan besar dan arah kuat arus listrik dalam rangkaian sederhana (satu loop)
3. Menjelaskan tegangan yang tertera pada alat listrik dan mampu menghitung energi
dan daya yang terpakai pada alat listrik
4. Menentukan kuat arus pada rangkaian majemuk (dua loop)
5. Menentukan kuat arus listrik pada rangkaian majemuk (lebih dari dua loop).
Ringkasan Materi :
1. HAMBATAN SUATU PENGHANTAR
Besar kecilnya hambatan suatu penghantar bergantung antara lain
pada panjang kawat penghantar, luas penampang penghantar, dan
jenis kawat penghantar yang dipakai. Jika ditulis dalam persamaan
yaitu :
R = ρ l/A
keterangan :
R = hambatan (ohm = Ω)
ρ = hambatan jenis kawat penghantar (ohm.m)
l
= panjang penghantar (m)
A = luas penampang penghantar (m2)
Perubahan suhu juga akan mempengaruhi besarnya suatu hambatan.
Rt = Ro (1 + α.∆t)
109
keterangan :
Rt
= Hambatan pada suhu ke-t (ohm)
Ro
= Hambatan pada suhu awal (ohm)
α
= koefisien muai panjang kawat
∆t
= pertambahan suhu
2. RANGKAIAN KOMPONEN-KOMPONEN LISTRIK
a. Rangkaian hambatan secara seri :
∧∧∧∧∧
∧∧∧∧∧
∧∧∧∧∧
R2
R1
Rn
E
hambatan-hambatan yang dirangkai seri dapat disederhanakan
dengan satu buah hambatan pangganti, yang besarnya ditentukan
dengan persamaan :
Rs = R1 + R2 +.…+ Rn
Rs = besar hambatan pengganti rangkaian hambatan seri
Pada rangkaian hambatan secara seri, berlaku :
•
Kuat arus pada masing-masing hambatan bernilai sama :
I1 = I2 = Itotal
•
Tegangan pada masing-masing hambatan merupakan jumlah
dari tegangan total (tegangan sumber) :
V1 + V2
= Vtotal
V1
= Itotal. R1
V2
= Itotal. R2
110
Contoh Soal :
1. Tiga buah hambatan masing masing, R1 = 3 ohm, R2 = 5 ohm, dan
R3 = 12 ohm dirangkai seri dan dihubungkan dengan sebuah
tegangan 24 volt. Tentukan besar :
a. Hambatan penggantinya
b. Arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut
c. Arus pada masing-masing hambatan
d. Tegangan masing-masing hambatan.
Penyelesaian :
Diket : R1 = 3 ohm
∧∧∧∧∧
R1 = 3 Ω
∧∧∧∧∧
R2 = 5 Ω
R2 = 5 ohm
R3 = 12 ohm
Vtotal = E = 24 volt
E = 24 volt
Ditanya : a. Rtotal
b. Itotal
c. I1,I2,I3
d. V1,V2,dan V3
Jawab :
a. R1, R2, dan R3 dirangkai seri, maka :
Rtotal = Rseri = R1 + R2 + R3
= (3 + 5 + 12) ohm
= 20 ohm
b. Itotal = Vtotal / Rtotal
= 24 V/20 ohm
= 1,2 A
c. I1 = I2 = I3 = Itotal = 1,2 A
d. V1 = I1.R1
= 1,2 A . 3 ohm
= 3,6 V
111
∧∧∧∧∧
R3 = 12 Ω
V2 = I2 . R2
=1,2 A . 5 ohm
=6V
V3 = I3 . R3
=1,2A . 12 ohm
=2,4 V
b. Rangkaian hambatan secara paralel :
R1
∧∧∧∧∧
R2
∧∧∧∧∧
Rn
∧∧∧∧∧
E
Beberapa hambatan yang dirangkai secara paralel dapat diganti
dengan satu buah hambatan pengganti dengan nilai :
Rp = R1 + R2 +….+ Rn
Pada rangkaian hambatan secara paralel berlaku :
Kuat arus pada masing-masing hambatan tidak sama. Besarnya arus
masing-masing cabang ditentukan dengan Hukum I Kirchoff yang
berbunyi : ”pada suatu titik percabangan, jumlah arus yang masuk
titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar pada titik
cabang”.
I2
I1
I3
∑ I masuk =∑ I keluar
I1 = I2 + I3 + I4
Besar
masing-masing
bernilai sama
V1 = V2 = Vtotal
112
tegangan
Contoh Soal :
Dua buah hambatan, 3 ohm dan 6 ohm dirangkai secara paralel,
dihubungkan dengan sumber tegangan 12 volt. Tentukan besar :
a. hambatan penggantinya
b. arus yang mengalir pada rangkaian.
c. tegangan masing-masing hambatan
d. arus pada masing-masing hambatan
Penyelesaian :
Diket :
R1
= 3 ohm
R2
= 6 ohm
Vtotal
= E = 12 V
Ditanya :
a. Rtotal
b. Itotal
c. V1 dan V2
d. I1 dan I2
Jawab :
a. Karena R1 dan R2 dirangkai paralel, maka :
1/Rp
= 1/R1 + 1/R2
= 1/3 + 1/6
= 2/6 + 1/6
= 3/6
Rp
= 6/3
Rp
= 2 ohm
b. Itotal = Vtota l /Rtotal
= 12/2
=6A
113
c. Karena paralel maka, tegangan tiap hambatan sama dengan tegangan
total.
V1 = V2 = Vtotal = 12 V
d. I1 = V1/R1
= 12/3
=4A
I2 = V2/R2
= 12/6
= 2A
3. HUKUM II KIRCHOFF
Hukum II Kirchoff Berbunyi : “Jumlah gaya gerak listrik (GGL) dan
penurunan tegangan dalam suatu rangkaian tertutup sama dengan nol.”
atau dapat dinyatakan dalam persamaan :
∑E = ∑I . R
dengan bantuan loop.
dengan perjanjian :
1. E dan I akan bernilai positip bila searah dengan loop yang dibuat.
2. E dan I bernilai negatip bila berlawanan arah dengan loop yang
dibuat.
Persamaan :
∑E = ∑I.R
•
perjanjian Tanda :
-
E dan I bernilai (+) jika searah loop yang dibuat,
-
E dan I bernilai (–) jika berlawanan arah loop yang dibuat.
3. Energi dan Daya listrik
Besarnya penggunaan energi listrik dapat ditentukan dengan
persamaan :
W = V.i.t
114
keterangan :
W = energi listrik (joule)
V
= tegangan listrik (volt)
I
= arus listrik (A)
t
= lamanya arus mengalir (detik)
Sedangkan besarnya energi listrik yang digunakan tiap satuan
waktu biasa dikenal sebagai Daya Listrik.
P
= W/t
P
= Daya (watt)
W = energi listrik (Joule)
t
= lamanya penggunaan (detik)
Dalam
kehidupan
sehari-hari,
besarnya
energi
listrik
akan
menentukan besarnya biaya penggunaan energi listrik.
W = P.t
W = energi listrik (joule = watt.s)
P
= Daya listrik (Watt)
t
= lama penggunaan (s)
Dari persamaan di atas, satuan energi didapat :
1 watt.sekon = 1/3600 watt.hours (w.h)
1 watt hours (wh)=1/1000 kilowatthours (kwh)
Banyaknya biaya penggunaan energi listrik ditentukan :
Biaya = W(kwh) x biaya per Kwh
Contoh Soal :
Sebuah televisi 125V, diberi arus 3A, bila televisi tersebut dinyalakan
selama 4 jam dan biaya energi listrik per Kwh adalah Rp.120,00 tentukan
besar biaya dari penggunaan energi listrik tersebut !
115
Penyelesaian :
Diket :
V
= 125 V
I
=3A
t
= 4 jam
per Kwh = Rp.120,00
ditanya :
Biaya energi listrik =
Jawab :
W
= V.i.t
= 125. 3. 4
= 1500 wh
= 1,5 Kwh
maka biaya seluruhnya
= 1,5 Kwh x Rp.120,00
= Rp 180,00
116
KONSEP : ARUS AC DAN DC
KOMPETENSI DASAR :
Mengidentifikasi penerapan listrik AC dan DC dalam kehidupan sehari-hari.
Indikator :
1. Membedakan tegangan DC dan tegangan AC dalam bentuk grafik misalnya yang
dihasilkan osiloskop
2. Menjelaskan bentuk rangkaian AC yang digunakan dalam rumah-rumah
3. Menunjukkan penerapan listrik AC dan DC dalam kehidupan sehari-hari.
Ringkasan Materi :
1. Arus dan Tegangan Bolak-balik
Arus dan tegangan listrik dibedakan menjadi dua yaitu arus dan
tegangan AC (Alternating Current = arus bolak-balik), arus dan
tegangan DC (Direct Current = arus searah). Dalam kehidupan seharihari banyak alat-alat listrik memanfaatkan arus dan tegangan bolakbalik. Arus dan tegangan bolak-balik memiliki arah aliran yang polaritas
sumbernya tidak tetap. Perbedaan bentuk pola tegangan arus bolakbalik dan arus searah dapat dilihat dengan menggunakan Osiloskop
(CRO=Cathode Ray Oscilloscope)
2. Alat ukur Arus dan Tegangan Bolak-balik
Pada arus searah (AC) untuk mengukur tegangan digunakan voltmeter,
dan untuk mengukur kuat arus menggunakan amperemeter. Untuk arus
bolak-balik (DC), penggunaan amperemeter dan voltmeter hanya akan
menunjukkan nilai efektif dari
tegangan dan arus listrik. Nilai
maksimumnya dapat ditentukan dengan persamaan :
Vmaks = Vef .√2
Imaks
= Ief. .√2
117
Bila menggunakan Osiloskop, nilai maksimum tegangan AC dapat
langsung ditentukan.
3. Pemanfaatan Arus dan Tegangan DC dan AC
Dalam kehidupan sehari-hari, arus AC lebih banyak dimanfaatkan
daripada arus DC. Pemanfaatan arus AC oleh masyarakat, biasa
digunakan dalam penerangan (lampu di rumah) dan alat-alat listrik, di
rumah tangga. Untuk arus DC, hanya dalam alat listrik tertentu yang
menggunakan tegangan kecil, misal radio dengan baterai, lampu
senter.
118
LEMBAR KERJA SISWA
No.2
KONSEP = HUKUM OHM
TUJUAN :
Menentukan hubungan antara kuat arus dan tegangan listrik
ALAT :
1. amperemeter
2. voltmeter
3. baterai 2 buah
4. saklar
5. kertas grafik
6. kabel-kabel penghubung
7. hambatan geser 100 ohm
8. Kawat nikelin panjang 100 cm, sebagai hambatan tetap.
LANGKAH KERJA :
1. Rangkailah alat-alat seperti gambar :
kawat nikelin
V
A
Rg
baterai
119
2. Aturlah letak hambatan geser pada nilai tertentu sehingga amperemeter
dan voltmeter dapat mengukur. Catatlah besar hambatan geser dan
nilai yang ditunjukkan pada amperemeter dan voltmeter.
3. Ulangi langkah 2,d engan mengubah nilai hambatan geser dan hasil
pengamatan masukkan dalam tebel berikut :
No
Hambatan Geser
Kuat Arus
Tegangan
(R geser)
(I)
(V)
1.
2.
3.
4.
PERTANYAAN :
1. Berdasarkan hasil pengamatan, gambarkan grafik hubungan antara V
dan I (letakkan I pada sumbu vertikal)
2. Bagaimana bentuk grafik hubungan antara V dan I?
3. Kesimpulan apa yang kamu dapat dari jawaban pertanyaan 1 dan 2?
4. Dari jawaban No.3, pernyataannya dikenal sebagai hukum Ohm,
nyatakan Hukum Ohm tersebut dalam bentuk rumus!
120
LEMBAR KERJA
No. 3
KONSEP : RANGKAIAN HAMBATAN SECARA SERI
TUJUAN :
Menyelidiki Karakteristik arus dan tegangan listrik pada rangkaian
hambatan seri.
ALAT :
1. Baterai
2. Lampu (3 buah)
3. amperemeter
4. Voltmeter
5. Tempat lampu
6. Tempat beterai
7. Kabel penghubung
LANGKAH KERJA :
1. Rangkailah alat-alat seperti gambar :
A
V
2. Catat hasil pengukuran pada amperemeter (A)
3. Lakukan pengukuran tegangan dengan voltmeter pada masing-masing
lampu (catat sebagai : Vbc, Vcd, Vde, dan Vbe)
121
4. Dengan menggunakan hukum Ohm, tentukan nilai hambatan pada
setiap lampu (sebagai R1, R2, R3) dan nilai hambatan Total (R seri)
5. Masukkan hasil pengamatan dan perhitungan pada langkah 2 sampai 4
dalam tabel berikut :
No
Kuat Arus (I)
Tegangan (V)
Hambatan
(R)
Vbc=
R1=
Vcd=
R2=
Vde=
R3=
Vbe=
Rtotal=
PERTANYAAN :
Bagaimana nilai (Vbc+Vcd+Vdc) dengan nilai Vbe, apakah besarnya
sama ? Jelaskan !
Kesimpulan apa yang kamu dapat ?
122
LEMBAR KERJA SISWA
N0 : 4
KONSEP : RANGKAIAN HAMBATAN SECARA PARALEL
TUJUAN :
Menyelidiki karakteristik arus dan tegangan pada rangkaian hambatan
secara paralel.
ALAT DAN BAHAN :
1. baterai dan tempatnya.
2. buah lampu dan tempatnya
3. amperemeter
4. voltmeter
5. kabel penghubung
LANGKAH KERJA :
1. Rangkailah alat seperti gambar !
2. Catatlah hasil pengukuran pada amperemeter dan voltmeter.
3. Gantilah letak amperemeter secara seri antara titik b dan c, (I1), titik d
dan e (I2), kemudian di antara titik f dan g (I3).
123
4. Gantilah letak voltmeter secara paralel antara titik b dan c (V1),
antara titik d dan e (V2) dan antara titik f dan g (V3).
5. Hitunglah besar hambatan pada tiap lampu dengan hukum Ohm.
6. Masukkan hasil langkah kerja no.2 sampai 5 dalam tabel berikut :
No
Kuat Arus (I)
Tegangan (V)
Hambatan ( R )
I=
V=
Rtotal=
I1=
V1=
R1=
I2=
V2=
R2=
I3=
V3=
R3=
Kesimpulan apa yang anda dapat dari hasil tabel diatas?
124
EVALUASI
A. Pilihan Ganda
1. Muatan 72 coulomb melewati kawat penghantar selama 0,2 menit,
maka besarnya arus yang mengalir pada kawat tersebut :
a. 1 A
b. 3 A
c. 6 A
d. 7 A
e. 10 A
2. Untuk mendapatkan nilai hambatan yang kecil pada suatu rangkaian
dengan cara:
a. memperpanjang kawat penghantar
b. memperbesar diameter kawat penghantar
c. memilih penghantar dengan hambatan jenis besar.
d. memperkecil luas penampang penghantar.
e. memperkecil diameter penampang penghantar.
3. Dua hambatan, R1 = 4 ohm dan R2 = 6 ohm dirangkai seri dan
dihubungkan dengan tegangan 6 volt, besarnya arus listrik yang
mengalir pada hambatan R1 = 4 ohm adalah……
a. 0,5 A
b. 1 A
c. 1,5 A
d. 2 A
e. 2,5 A
4. Hambatan 2 ohm dirangkai seri dengan hambatan 3 ohm dan
dihubungkan dengan tegangan 10 volt,besarnya tegangan
hambatan 2 ohm adalah…..
a. 2 V
b. 5 V
c. 8 V
125
pada
d. 10 V
e. 12 V
5. Hambatan 3 ohm dan hambatan 6 ohm dirangkai paralel, dan
dihubungkan dengan tegangan 12 volt, besarnya arus yang mengalir
dalam rangkaian tersebut……
a. 3 A
b. 6 A
c. 9 A
d. 12 A
e. 14 A
6. Terdapat 2 buah hambatan, R1 = 4 ohm dan R2 = 2 ohm dirangkai
paralel kebudian dihubungkan dengan tegangan 6 volt, besarnya arus
yang mengalir pada R1 = 4 ohm adalah……………
a. 1 A
b. 1,5 A
c. 2 A
d. 2,5 A
e. 3A
7. Perhatikan rangkaian berikut :
(gbr R1=2,diseri R2 dan R3 paralel 3 dan 6dg E=10 v).Besarnya arus
yang mengalir pada R2=3 ohm adalah…
a. 0,5 A
b. 1 A
c. 1,5 A
d. 2 A
e. 2,5 A
8. Tiga hambatan terangkai sebagai berikut :
R2 = 3 ohm
R1 = 3 ohm
R3 = 6 ohm
126
Besarnya hambatan pengganti rangkaian tersebut….
a. 3 ohm
b. 5 ohm
c. 7 ohm
d. 9 ohm
e. 12 ohm
9. Sebuah lampu 40 watt setiap harinya rata-rata dinyalakan selama 5
jam. Bila harga energi listrik per Kwh adalah Rp.100,00, maka besar
biaya yang harus dibayarkan untuk televisi tersebut selama 1 bulan
(30 hari) yaitu….
a. Rp.500,00
b. Rp.600,00
c. Rp.700,00
d. Rp.800,00
e. Rp.900,00
B. Essay
1. Suatu penghantar dalam 2 jam membawa muatan 72 coulomb.
Tentukan :
•
kuat arus yang mengalir pada penghantar tersebut.
•
banyaknya muatan yang mengalir pada penghantar (1 muatan
=1,6 x 10-19 Coulomb)
2. Dua buah baterai bertegangan 3 volt dihubungkan dengan lampu
berhambatan 2 ohm, berapakah besar arus yang mengalir pada lampu
tersebut?
3. Tiga buah Resistor besarnya 3 ohm, 6 ohm,dan 4 ohm dirangkai seri.
Tentukan besar hambatan penggantinya!
4. Hambatan 4 ohm, 6 ohm dan 12 ohm dirangkai paralel. Tentukan
besar hambatan penggantinya!
127
5. Sebuah rumah dalam sehari rata-rata menggunakan 1 lampu
40W selama 5 jam, 3 lampu 15 watt selama 3 jam,1 buah TV,125 W
selama 6 jam dan sebuah tape recorder 100W selama 4 jam. Bila
harga per Kwh adalah Rp.150,00, tentukan besar biaya energi listrik
yang harus dibayar selama 1 bulan (30 hari) !
128