FISIKA MODUL 5

KELISTRIKAN (DC)

PERALATAN LISTRIK01. SUMBER TEGANGAN DC Sumber tegangan DC adalah alat untuk menghasilkan energi untuk menggerakkan elektron sehingga terbentuk beda tegangan. Aliran elektron inilah yang kita sebut dengan arus listrik Contoh : Batere, Aki Lambang : disebut TGE : Tegangan Gerak Elektrik

+Arah tanda panah adalah arah TGE

02.

VOLTMETER Voltmeter adalah alat untuk mengukur beda tegangan pada dua buah titik A dan B pada peralatan listrik Lambang :

VAlat Listrik A B

03.

AMPEREMETER Amperemeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur nilai arus (atau nilai aliran elektron) pada peralatan listrik Lambang : Alat Listrik A

AB

04.

RESISTOR Resistor adalah alat yang digunakan untuk : (a) Menghambat aliran elektron sehingga terjadi akibat gesekan elektron elektron maka elektron akan mengeluarkan energinya. Energi ini berupa energi panas / kalor. Energi kalor yang keluar akan dimanfaatkan. Contohnya pada lampu bohlam, yang juga adalah sebuah resistor. Energi panas yang keluar akan

dimanfaatkan untuk memanaskan gas di dalam bohlam sehingga dihasilkan cahaya (b) Untuk membagi tegangan. Resistor yang dipasang seri akan berfungsi sebagai pembagi tegangan (c) Untuk membagi arus. Resistor yang dipasang paralel akan berfungsi sebagai pembagi arus

Lambang :

RLambang sebuah resistor Lambang sebuah Lampu

L R1 R2

V

V

Dua buah resistor yang terpasang seri akan membagi tegangan Dua buah resistor yang terpasang paralel akan membagi arus

R1 A A R2

04.

KAPASITOR Kapasitor adalah alat yang digunakan untuk : (a) Menyimpan energi. Arus identik dengan aliran elektron. Elektron yang bermuatan negatif yang berkumpul pada salah satu plat kapasitor akan memaksa muatan positif berkumpul pada plat yang satunya lagi. Sehingga kesenjangan itu berfungsi untuk

memerangkap energi dan medan listrik pada kapasitor.

(b)

Untuk membagi tegangan. Kapasitor yang dipasang seri akan berfungsi sebagai pembagi tegangan

(c)

Untuk membagi muatan. Kapasitor yang dipasang paralel akan berfungsi sebagai pembagi muatan

Lambang :

CLambang sebuah kapasitor

C1

C2

V

V

Dua buah kapasitor yang terpasang seri akan membagi tegangan Dua buah kapasitor yang terpasang paralel akan membagi muatan

C1

C2

HUKUM OHM DAN PENERAPANNYAPerhatikan gambar : L A I

VArus listrik adalah laju perubahan aliran muatan (Q) dalam satuan waktu (t). Dirumuskan dengan :

I [ampere] =

Q [coulomb] t [second ]

Resistansi bahan, R [ohm], bergantung pada hambat jenis bahan, [ohm meter] , panjang bahan, L [meter], dan luas penampang bahan, A [meter2], melalui formulasi berikut : L A

R=

Hukum Ohm : Jika terdapat aliran muatan (= arus listrik) pada sebuah bahan (seperti pada gambar di atas) maka nilai arus listrik pada bahan, I [ampere] , bergantung pada resistansi bahan, R [ohm] , dan tegangan pada ujung ujung bahan, V [volt] , melalui formulasi berikut ini :

I=

V R

Contoh Soal 101. Diketahui sebuah bahan yang hambat jenisnya 100 [ohm meter], panjang bahan 5 [cm], dan luas penampang bahan 5 [cm2]. Jika bahan diberi beda tegangan sebesar 12 [volt], carilah : (a) (b) arus yang mengalir pada bahan dalam waktu 10 [second] berapa muatan yang mengalir pada bahan

Jawab Persiapan menjawab soal : Mencari resistansi bahan : R= (a) L (100)(0,05) = = 10 000 [ohm] = 10 [kiloohm] (0,0005) A

Arus yang mengalir :

I =(b)

V 12 [volt ] = = 1,2 [miliampere] R 10 [kiloohm]Q [coulomb] Q = I t = (0,0012 ) (10 ) t [second ] Q = 0,012 [colulomb]

Muatan yang mengalir : I [ampere] =

02.

Diketahui sebuah bahan yang hambat jenisnya 600 [ohm meter], panjang bahan 5 [cm], dan luas penampang bahan 5 [cm2]. Jika bahan diberi beda tegangan sebesar 12 [volt], carilah : (a) (b) (c) arus yang mengalir pada bahan dalam waktu 10 [second] berapa muatan yang mengalir pada bahan buat kesimpulan dari hasil yang anda peroleh dari no 01 dan 02

Jawab Persiapan menjawab soal :

Mencari resistansi bahan : R= (a) L (500 )(0,05) = = 60 000 [ohm] = 60 [kiloohm] (0,0005) A V 12 [volt] 12 [miliampere] = = 60 R 50 [kiloohm]

Arus yang mengalir : I =

(b)

Muatan yang mengalir :

I [ampere] =

Q [coulomb] 2 Q=It= (10 ) t [second ] 10000 Q = 0,002 [colulomb]

(c)

Perbandingan hasil yang diperoleh dari no 01 dan no 02. Dengan mengganti bahan dengan bahan yang hambat jenisnya lebih besar maka : Nilai R membesar muatan yang mengalir dalam waktu yg sama mengecil

03.

Diketahui sebuah bahan yang hambat jenisnya 100 [ohm meter], panjang bahan 10 [cm], dan luas penampang bahan 5 [cm2]. Jika bahan diberi beda tegangan sebesar 12 [volt], carilah : (a) (b) (c) arus yang mengalir pada bahan dalam waktu 10 [second] berapa muatan yang mengalir pada bahan buat kesimpulan dari hasil yang anda peroleh dari no 01 dan 03

Jawab Persiapan menjawab soal : Mencari resistansi bahan : R= (a) L (100)(0,1) = = 20 000 [ohm] = 20 [kiloohm] (0,0005) A

Arus yang mengalir :

I =

V 12 [volt ] = = 0,6 [miliampere] R 20 [kiloohm]

(b)

Muatan yang mengalir : I [ampere] = Q [coulomb] Q = I t = (0,0006 ) (10 ) t [second ] Q = 0,006 [colulomb]

(c)

Perbandingan hasil yang diperoleh dari no 01 dan no 03. Dengan mengganti bahan dengan bahan yang hambat jenisnya lebih besar maka : Nilai R membesar muatan yang mengalir dalam waktu yg sama mengecil

04.

Diketahui sebuah bahan yang hambat jenisnya panjangnya 6 [cm], dan luas penampang bahan 1 [cm2]. Jika bahan diberi beda tegangan sebesar 12 [volt], dan dengan menggunakan amperemeter diperoleh arus yang mengalir pada bahan adalah 1 [miliampere], carilah : (a) (b) hambat jenis bahan dalam waktu 10 [second] berapa muatan yang mengalir pada bahan

Jawab Persiapan menjawab soal : Mencari resistansi bahan : I = V V R = R I R = (a) hambat jenis bahan : R= (b)

12 [volt ] = 12 [kiloohm] 1 [miliampere]

(0,0001)(12000) = 20 [ohmmeter] L AR = = (0,06) A LQ [coulomb] Q = I t = (0,001) (10 ) t [second ] Q = 0,01 [colulomb]

Muatan yang mengalir : I [ampere] =

RANGKAIAN LISTRIK

B I + I I I

B

I

R

A

A

Pada gambar di atas akan dibandingkan, secara analogis, gambaran sistem listrik dan gambaran sistem mekanis. Pada sistem listrik, batere, , bertugas menaikkan energi elektron. Elektron elektron yang energinya berkurang, diberi energi tambahan oleh batere untuk bergerak menuju resistor, R. Pada resistor energi elektron berkurang karena mendapat gesekan di dalam bahan, dan energi tersebut menghilang menjadi energi panas. Dan pada saat kembali ke batere, elektron elektron mendapat energi tambahan untuk mengalir pada rangkaian. Hal tersebut dapat dianalogikan dengan sebuah bola besi yang pada saat di titik A energi potensialnya kecil diangkat oleh manusia ke titik B. Manusia pada saat mengangkat bola, artinya memberikan energi pada bola. Dan energi potensial bola di titik B lebih tinggi dibandingkan pada saat di titik A. Bola kemudian bergerak memasuki silinder yang berisi cairan kental. Dalam perjalanan turun di dalam cairan kental bola bergesekan dengan cairan sehingga energinya keluar sebagai energi panas akibat bergesekan dengan cairan. Pada saat bola tiba di bawah energi telah mengecil. Dan manusia mengangkat bola dari titik A ke titik B. Pekerjaan yang dilakukan manusia analogi dengan pekerjaan batere. Dan tugas resistor analogi dengan tugas cairan kental.

Perhitungan di dalam Rangkaian Listrik

Perhatikan gambar di atas : + IR = 0 = IR menunjukkan peningkatan energi. Tanda

Tanda

+

untuk batere,

untuk

IR

menunjukkan kehilangan energi. Misalkan : = 9 [volt] , R = 30 [kiloohm]. Maka berdasarkan hasil di atas, I = 0,3 [miliampere].

Perhatikan gambar berikut ini : B I I R1 I 2 + I I A R2

1

+

Kita buat asumsi bahwa arah arus seperti pada gambar+ 1 I R 1 I R 2 2 = 0 1 2 = I (R 1 + R 2 ) 1 2 = I R 1 + I R 2

Misalkan : 1 = 12 [volt] , 2 = 9 [volt] , R 1 = 20 [kiloohm] , R 2 = 10 [kiloohm]. Maka berdasarkan hasil di atas, I = 0,1 [miliampere].

Misalkan : 1 = 10 [volt] , 2 = 15 [volt] , R 1 = 20 [kiloohm] , R 2 = 30 [kiloohm]. Maka berdasarkan hasil di atas, I = 0,1 [miliampere]. Tetapi tidak pernah terukur nilai arus yang negatif. Jadi artinya arah arus yang kita asumsikan di awal adalah salah. Sehingga gambaran arus yang benar adalah seperti pada gambar berikut ini : B I I R1 I 2 + I I A R2

1

+

SUSUNAN RESISTORSUSUNAN RESISTOR SERI B I I R1 I N I I A A R2 I I I + B I I

+

R eq

Berlaku : I = IR1

= I

R2

=

R1+ R 2

R eq = R 1 + R 2 Dan bisa diperluas untuk susunan N buah resistor seri : R eq = R 1 + R 2 + . . . + R N Dan juga : R1 V R1 = R1 + R 2 R2 VR 2 = R1 + R 2 R1 V BA = R1 + R 2 R2 V BA = R1 + R 2

Contoh : B I I R1 I N I I I M I A R3 I A R3 M + B I I R eq 1

+

R2

Berlaku : I = IR1

= I

R2

= I

R3

=

R1+ R 2 + R3

R eq 1 = R 1 + R 2 R eq = R eq 1 + R 3 Dan R3 VR 3 = R 3 + R eq 1 R3 V BA = R 3 + R eq 1

R eq 1 V R eq 1 = R 3 + R eq 1

R eq 1 V BA = R 3 + R eq 1

B I I R1 I N I

B I I R1

+

+

R2

I I N R eq 2

M I A R3 I A

Berlaku : I = IR1

= I

R2

= I

R3

=

R1+ R 2 + R3

R eq 2 = R 2 + R 3 R eq = R eq 2 + R 1 Dan R1 VR 1 = R 1 + R eq 2 R1 V BA = R 1 + R eq 2

R eq 2 V R eq 2 = R 1 + R eq 2

R eq 2 V BA = R 1 + R eq 2

B I I R1 I N I

B I I R2

+

+

R2

I I

M I A R3 I A

R eq 3

Berlaku : I = IR1

= I

R2

= I

R3

=

R1+ R 2 + R3

R eq 3 = R 1 + R 3 R eq = R eq 3 + R 2 Dan R2 VR 2 = R 2 + R eq 3 R2 V BA = R 2 + R eq 3

R eq 3 V R eq 3 = R 2 + R eq 2

R eq 3 V BA = R 2 + R eq 2

Misalnya R 1 = 20 [kiloohm] , R 2 = 40 [kiloohm] , R 3 = 60 [kiloohm] , = V [volt]. Maka : I = IR1 BA

= 12

= I

R2

= I

R3

=

= 0,1 [miliampere] R1+ R 2 + R3

R eq 1 = R 1 + R 2 = 20 + 40 = 60 [kiloohm] R eq = R eq 1 + R 3 = 60 + 60 = 120 [kiloohm] Dan

R3 VR 3 = R 3 + R eq 1

R3 V BA = R 3 + R eq 1 60 = (12 ) = 120

6 [volt ] 6 [volt ]

R eq 1 V R eq 1 = R 3 + R eq 1

R eq 1 V BA = R 3 + R eq 1 60 = (12 ) = 120

R eq 2 = R 2 + R 3 = 40 + 60 = 100 [kiloohm] R eq = R eq 2 + R 1 = 100 + 20 = 120 [kiloohm] Dan R1 VR 1 = R 1 + R eq 2 R1 V BA = R 1 + R eq 2 20 = (12 ) = 120 2 [volt ]

R eq 2 V R eq 2 = R 1 + R eq 2

R eq 2 V BA = R 1 + R eq 2 100 = (12 ) = 120

10 [volt ]

R eq 3 = R 1 + R 3 = 20 + 60 = 80 [kiloohm] R eq = R eq 3 + R 2 = 80 + 40 = 120 [kiloohm] Dan R2 VR 2 = R 2 + R eq 3 R2 V BA = R 2 + R eq 3 40 = (12 ) = 120 4 [volt ]

R eq 3 V R eq 3 = R 2 + R eq 3

R eq 3 V BA = R 2 + R eq 3 80 = (12 ) = 8 [volt ] 120

SUSUNAN RESISTOR PARALEL

B I R1 + R2

B I +

R eq

I1 A

I2 A

I

Berlaku : V AB = = V R1 = V R2 = V Req = I R eq R1 R 2 1 1 1 = + R eq = R1 + R 2 R eq R1 R2 I = I1 + I2 Dan

R2 I R1 = R1 + R 2

R1 I ; IR = 2 R1 + R 2

I

B I R1 + R2 R3

B I +

R eq

I1 A

I2

I3 A

I

Berlaku : V AB = = V R1 = V R2 = V R3 = V Req = I R eq R1 R 2 1 1 1 = + R eq1 = R1 + R 2 R eq1 R1 R2

R eq1 R 3 1 1 1 = + R eq = R eq1 + R 3 R eq R eq1 R3 R2 R3 1 1 1 = + R eq2 = R2 + R3 R eq2 R2 R3R eq2 R 1 1 1 1 = + R eq = R eq2 + R 1 R eq R eq2 R1

R1 R3 1 1 1 = + R eq3 = R1 + R3 R eq3 R1 R3 R eq3 R 2 1 1 1 = + R eq = R eq3 + R 2 R eq R eq3 R2I = I1 + I2 + I3 B I Req1 + R3 + R eq B I

Ieq1 A

I3 A

I

R3 I eq1 = R 3 + R eq1

R eq1 I ; I3 = R 3 + R eq1

I

B I R1 + Req2

B I +

R eq

I1 A

Ieq2 A R eq2 I1 = R 1 + R eq2

I

R1 I ; I eq2 = R 1 + R eq2

I

B I R2 + Req3

B I +

R eq

I2 A

Ieq3 A R eq3 I2 = R 2 + R eq3

I

R2 I ; Ieq3 = R 2 + R eq3

I

Misalnya : R 1 = 120 [kiloohm] , R 2 = 40 [kiloohm] , R 3 = 60 [kiloohm] , = 12 [volt] Maka V AB = = V R1 = V R2 = V R3 = V Req = I R eq = 12 [volt]

R1 R 2 (120) (40) = 30 [kiloohm] 1 1 1 = + R eq1 = = R1 + R 2 120 + 40 R eq1 R1 R2

R eq1 R 3 (30) (60) = 20 [kiloohm] 1 1 1 = + R eq = = R eq1 + R 3 30 + 60 R eq R eq1 R3 R2 R3 (40) (60) = 24 [kiloohm] 1 1 1 = + R eq2 = = R2 + R3 40 + 60 R eq2 R2 R3R eq2 R 1 (24) (120) = 20 [kiloohm] 1 1 1 = + R eq = = R eq2 + R 1 24 + 120 R eq R eq2 R1

R1 R 3 (120) (60) = 40 [kiloohm] 1 1 1 = + R eq3 = = R1 + R3 120 + 60 R eq3 R1 R3 R eq3 R 2 (40) (40) = 20 [kiloohm] 1 1 1 = + R eq = = R eq3 + R 2 40 + 40 R eq R eq3 R2I = 12 [volt ] = = 0,1 [miliampere] R eq 20 [kiloohm]

R3 I eq1 = R +R eq1 3 R eq1 I3 = R 3 + R eq1

60 I = 60 + 30 30 I = 60 + 30

0,2 (0,1) = [miliampere] 3

0,1 (0,1) = [miliampere] 3

R1 I eq2 = R 1 + R eq2 R eq2 I1 = R +R eq2 1

I = 120 120 + 24

0,5 (0,1) = [miliampere] 6

24 I = 120 + 24 40 I = 40 + 40

0,1 (0,1) = [miliampere] 6 0,1 (0,1) = [miliampere] 2

R2 Ieq3 = R 2 + R eq3

R eq3 I2 = R 2 + R eq3

40 I = 40 + 40

0,1 (0,1) = [miliampere] 2