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
