Listrik terbentuk karena energi mekanik dari generator yang menyebabkan perubahan medan magnet di sekitar kumparan. Perubahan ini menyebabkan timbulnya aliran muatan listrik pada kawat/penghantar. Aliran muatan listrik pada kawat dikenal sebagai arus listrik. Aliran muatan dapat berupa muatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron). Aliran listrik yang mengalir pada penghantar dapat berupa arus searah atau direct current (DC) dan dapat berupa arus bolak-balik atau alternating current (AC). Listrik pada dasarnya dibedakan menjadi dua macam, yaitu listrik statis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan diam) dan listrik dinamis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan bergerak). Pada saat saklar pada suatu rangkaian listrik ditutup, lampu akan menyala, dan sebaliknya saat saklar dibuka lampu mati.
1. Arus Listrik
Arus listrik adalah aliran muatan-muatan listrik pada suatu rangkaian tertutup. Arus listrik dapat timbul karena ada beda potensial pada dua titik dan arahnya dari potensial tinggi ke potensial yang lebih rendah. Besarnya arus listrik dinamakan kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan positif yang melalui suatu titik tiap satu satuan waktu.
23
Gambar 2.8. Kuat arus listrik merupakan kelajuan muatan yang melewati suatu luasan tertentu
Dalam suatu selang waktu (Δt), muatan yang melewati penampang (�) pada gambar di atas adalah Δq, sehingga kuat arus listrik ( ) yang mengalir dapat ditulis:
=
�� (pers. 1)Dengan Δq adalah banyaknya muatan yang mengalir untuk selang waktu
Δt yang sangat kecil. Untuk arus searah, jumlah muatan yang mengalir melalui penampang kawat/konduktor adalah konstan, sehingga dapat ditulis:
=
(pers. 2)Dengan demikian, satuan arus listrik dalam SI adalah Coulumb per sekon (C/s) atau ampere (A), diambil dari nama seorang fisikawan Perancis bernama Andre Marie Ampere. Besaran kuat arus termasuk besaran pokok, sedangkan muatan q dan waktu t adalah besaran turunan.
24
Jika luas penampang yang dilewati arus sebesar �, rapat arus ( ) dapat ditulis:
= � (pers. 3)
Rapat arus ( ) didefinisikan sebagai besarnya kuat arus per satuan luas penampang. Rapat arus mempunyai satuan A/m2. Kuat arus listrik ini dapat diukur dengan alat yang dinamakan amperemeter.
2. Mengukur Kuat Arus Listrik
Alat yang dapat digunakan untuk mengetahui kuat arus listrik adalah amperemeter. Pada pengukuran kuat arus listrik, amperemeter disusun seri pada rangkaian listrik sehingga kuat arus yang mengalir melalui amperemeter sama dengan kuat arus yang mengalir pada penghantar. Cara memasang amperemeter pada rangkaian listrik adalah:
a) Terminal positif amperemeter dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan (baterai).
b) Terminal negatif amperemeter dihubungkan dengan kutub negatif sumber tegangan (baterai).
Jika saklar pada rangkaian dihubungkan, maka lampu pijar menyala dan jarum pada amperemeter menyimpang dari angka nol. Besar simpangan jarum penunjuk pada amperemeter tersebut menunjukkan besar kuat arus yang mengalir.
25
Jika saklar dibuka, maka lampu pijar padam dan jarum penunjuk pada amperemeter kembali menunjuk angka nol. Artinya tidak ada aliran listrik pada rangkaian tersebut. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa arus listrik hanya mengalir pada rangkaian tertutup.
3. Beda Potensial
Potensial listrik adalah banyaknya muatan yang terdapat dalam suatu benda. Suatu benda dikatakan mempunyai potensial listrik lebih tinggi daripada benda lain, jika benda tersebut memiliki muatan positif lebih banyak daripada muatan positif benda lain.
Beda potensial listrik (tegangan) timbul karena dua benda yang memiliki potensial listrik berbeda dihubungkan oleh suatu penghantar. Beda potensial ini berfungsi untuk mengalirkan muatan dari satu titik ke titik lainnya. Satuan beda potensial adalah volt (V). Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik disebut voltmeter. Secara matematis beda potensial dapat dituliskan sebagai berikut:
= (pers. 4)
Dengan :
: beda potensial (V) : Usaha/ Energi (J) : Muatan (C)
26
4. Alat Ukur Beda Potensial/ Tegangan
Alat yang digunakan untuk mengukur suatu tegangan adalah voltmeter. Saat mengukur beda potensial listrik, voltmeter harus dipasang secara paralel dengan benda yang diukur beda potensialnya. Untuk memasang voltmeter, Anda tidak perlu memotong rangkaian, namun cukup
menghubungkan ujung yang potensialnya lebih tinggi ke kutub positif dan ujung yang memiliki potensial lebih rendah ke kutub negatif.
5. Hukum Ohm
Hasil eksperimen George Simon Ohm pada tahun 1827 menunjukkan bahwa arus listrik yang mengalir pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial yang diberikan pada ujung-ujungnya.
∞ (pers. 5)
Jika beda potensial diperbesar maka arus yang mengalir juga semakin besar. Hasil eksperimen ini dikenal dengan hukum Ohm. Hubungan antara
V dan I secara grafik adalah:
27
Dari gambar tampak bahwa kuat arus listrik sebanding dengan tegangan yaitu:
∞ (pers. 6)
Sehingga:
= � (pers. 7)
Konduktansi dari konduktor yang merupakan kebalikan dari Resistansi, maka: C = � = (pers.8) Sehingga = (pers. 9) Dengan: : hambatan listrik (Ohm, Ω)
: beda potensial atau tegangan (volt, V) : kuat arus listrik (ampere, A)
Perumusan di atas untuk kasus konstan dikenal sebagai Hukum Ohm yang berbunyi: kuat arus listrik yang mengalir melalui sebuah penghantar listrik sebanding dengan tegangan (beda potensial) antara dua titik pada
28
terhadap , semakin miring (curam) grafik terhadap maka hambatannya makin besar dan begitu juga sebaliknya.
6. Hambatan Listrik
Resistor adalah suatu komponen dengan bahan konduktor yang dibuat sedemikian hingga mempunyai hambatan tertentu. Elemen pemanas dalam kompor listrik, pengering rambut, setrika, dan alat sejenis lainnya
merupakan resistor seperti halnya filamen pada lampu pijar biasa. Resistor dibuat dengan hambatan yang sangat beragam nilainya untuk digunakan dalam rangkaian elektronika.
Hambatan (resistence) dari sebuah penghantar diantara titik dapat didefiisikan dengan menerapkan perbedaan potensial dan mengukur arus , sehingga diperoleh:
= (pers. 10)
Semakin besar resistivitas, semakin besar pula medan yang diperlukan untuk menyebabkan sebuah kerapatan arus yang diberikan atau semakin kecil pula kerapatan arus yang disebabkan oleh sebuah medan yang diberikan.
Sebuah isolator sempurna akan mempunyai resistivitas tak berhingga. Logam dan campuran logam mempunyai resistivitas paling kecil dan merupakan konduktor terbaik. Resistivitas isolator lebih besar daripada resistivitas logam sebanyak faktor yang sangat besar, yang besarnya 1022.
29
Sebuah material yang menurut Hukum Ohm secara baik dinamakan sebuah konduktor ohmik atau sebuah konduktor linear. Untuk material tersebut, pada suatu suhu yang diberikan, � adalah sebuah konstanta yang tidak bergantung pada nilai �.
Banyak material memperlihatkan penyimpangan yang nyata dari perilaku Ohm, material itu adalah material nonohmik atau material nonlinear. Dalam material ini, bergantung pada � dengan cara yang lebih rumit.
7. Rangkaian Seri dan Paralel a) Rangkaian Seri
Rangkaian seri berarti sambungan antara ujung komponen satu dengan pangkal komponen lain secara berurutan. Dalam susunan seri, kuat arus yang melalui tiap-tiap penghambat adalah sama besar.
Sedangkan tegangan pada ujung-ujung hambatan pengganti seri sama dengan jumlah tegangan pada ujung-ujung tiap penghambat. Hubungan seri komponen-komponen listrik serta rangkaian penggantinya dapat dilihat pada gambar berikut:
R1 R2
V I
I
a b c
30
Dapat dipahami dari Gambar 2.10 bahwa pada hubungan seri,
komponen-komponen listrik dialiri oleh arus listrik yang sama besar. Tegangan antara a dan c adalah:
= + = + = + (pers. 11)
Karena
= , maka = +
Dengan kata lain, hambatan gabungan ( � ) beberapa hambatan yang terhubung secara seri dapat ditulis:
� = + + … + (pers. 12)
Hubungan Seri
a. Bertujuan untuk memperbesar hambatan rangkaian. b. Berfungsi sebagai pembagi tegangan.
∶ ∶ = ∶ ∶
c. Kuat arus yang melewati setiap hambatan adalah sama.
b) Hubungan Paralel
31 R1 R2 a b I2 I1 I
Gambar 2.11. Rangkaian paralel listrik
Dapat dipahami dari gambar di atas bahwa pada hubungan paralel, komponen-komponen listrik mendapatkan beda potensial yang sama besar. Dengan menggunakan Hukum I Kirchoff, diperoleh:
= + (pers. 13)
atau
= � + � = � + � = �
� (pers. 14)
Dari hasil tersebut, dapat disimpulkan bahwa hambatan gabungan ( � ) beberapa hambatan yang terhubung secara paralel dapat dituliskan sebagai:
�� = � + � (pers. 15)
Jika ada n buah hambatan yang dihubungkan secara paralel, hambatan penggantinya � akan memenuhi:
32
Untuk dua hambatan yang dihubungkan secara paralel dapat ditulis:
� = + (pers. 17)
Sedangkan, jika ada n buah resistor yang sama besar yang dihubungkan secara paralel, dapat ditulis:
� = � (pers. 18)
Salah satu contoh hubungan paralel adalah peralatan listrik di rumah kita. Peralatan-peralatan harus mendapat tegangan yang sama, misalnya 220 V. Jadi, seluruh peralatan terhubung secara paralel terhadap sumber tegangan.
Hubungan Paralel
a. Bertujuan untuk memperkecil hambatan rangkaian b. Berfungsi sebagai pembagi arus.
∶ ∶ = + +
c. Beda potensial setiap hambatan adalah sama.
8. GGL dan Tegangan Jepit
Ggl adalah tegangan antar kedua kutub baterai ketika baterai tidak terbebani (tidak mensuplai arus). Tegangan jepit adalah tegangan jepit antar kedua kutub baterai jika baterai terbebani.
33
� = � – = (pers. 19)
Dengan demikian, beda potensial antara kutub suatu elemen (tegangan jepit) tidak konstan. Jika kuat arus bertambah, tegangan (beda potensial) antara kutub-kutubnya berkurang. Ini karena hambatan dalam suatu elemen. Persamaan di atas sering digunakan untuk menentukan kuat arus listrik mengalir dalam suatu rangkaian sederhana, yaitu:
= � � = +� (pers. 20)
Arah arus listrik pada baterai
a) Jika arus listrik keluar dari kutub positif suatu baterai, berarti baterai tersebut sedang dipakai (memberikan energi listrik)
b) Sebaliknya, jika arus listrik masuk ke kutub positif suatu baterai, berarti baterai tersebut sedang diisi (menerima energi listrik)
9. Hukum I Kirchoff tentang Arus pada Titik Simpul
Rangkaian listrik biasanya terdiri dari banyak hubungan, sehingga akan terdapat banyak cabang maupun titik simpul. Titik simpul adalah titik pertemuan tiga cabang atau lebih.
Bunyi dari Hukum I Kirchoff yaitu:
Jumlah kuat arus listrik yang masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar dari titik simpul tersebut.
34
Hukum I Kirchoff sebenarnya tidak lain dari hukum kekekalan muatan listrik, seperti analogi gambar berikut:
I2 I3 I1 Aliran keluar Aliran masuk (a) (b)
Gambar 2.12. (a) Skema diagram untuk Hukum I Kirchoff, (b)Analogi mekanik Hukum I Kirchoff
Secara matematis, Hukum I Kirchoff dapat ditulis:
� = � � (pers. 21)
10.Hukum II Kirchoff
Ada rangkaian yang tidak dapat disederhanakan dengan menggunakan kombinasi seri dan paralel. Jika ada dua atau lebih ggl di dalam rangkaian, atau komponen rangkaian dihubungkan dengan cara yang rumit. Misalnya, seperti pada Gambar 2.13, dan tidak paralel karena ujung bawah kedua resistor dipisahkan oleh . dan tidak seri karena arus yang keluar dari dapat mengalir ke atau ke . Penyederhanaan rangkaian seperti ini memerlukan suatu teknik khusus yang bukan merupakan
35 R1 R4 R3 R2 R5 ε
Gambar 2.13. Rangkaian ini tidak dapat dianalisis dengan menggunakan kombinasi seri dan parallel
Untuk menyederhanakan rangkaian yang rumit, dapat digunakan Hukum II Kirchoff yang berbunyi:
Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (�) dengan penurunan tegangan ( ) sama dengan nol.
Secara matematis, dapat ditulis:
�� + � = (pers. 22)
Aturan untuk menggunakan Hukum II Kirchoff ini adalah sebagai berikut: a. Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah tertentu.
Pada dasarnya, pemilihan arah loop bebas. Tetapi jika memungkinkan, usahakan searah dengan arus.
b. Jika pada suatu cabang, arah loop sama dengan arah arus, penurunan tegangan ( ) bertanda positif. Sedangkan jika berlawanan arah, penurunan tegangan ( ) bertanda negatif.
c. Jika saat mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub positif, ggl � bertanda positif.
36
Sebaliknya, jika kutub negatif yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub negatif, ggl � bertanda negatif.
11.Energi dan Daya Listrik
Suatu hambatan yang dilalui oleh arus listrik, hambatan tersebut menjadi panas karena tumbukan antara muatan yang mengalir dengan elektron konduktor. Dengan kata lain, muatan yang mengalir ( ) karena adanya beda potensial ( ) pada konduktor memberikan energi ( ) sebesar:
= (pers. 23)
Karena muatan listrik = � dan beda potensial = , Persamaan di atas dapat ditulis menjadi tiga bentuk berikut:
= � (pers. 24)
= ² � (pers 25)
Daya didefinisikan sebagai energi per satuan waktu. Secara matematis, daya listrik ( ) dapat ditulis:
= (pers. 26)
Dengan memperhatikan persamaan (2), daya listrik ( ) dapat juga diperoleh dari hubungan:
37
Untuk hambatan listrik yang konstan, besar daya listrik sebanding dengan kuadrat tegangan ataupun kuadrat arus seperti pada kurva berikut ini:
P
I V
(a) (b)
P
Gambar 2.14 (a) Kurva daya terhadap kuat arus, (b) kurva daya terhadap tegangan, keduanya berbentuk parabola
12.Penerapan Listrik AC-DC dalam Kehidupan Sehari-hari
Salah satu keuntungan DC daripada AC adalah bahwa sumber arus DC seperti aki dan batu baterai mudah dibawa kemana-mana, sehingga sumber listrik DC banyak digunakan pada peralatan elektronika. Sifat dari listrik DC yang hanya mengalir dalam satu arah dimanfaatkan untuk:
a. Melapisi logam dengan logam lain secara kimia, misalnya melapisi piala dengan emas.
b. Motor listrik yang digunakan untuk mengatur kecepatan, yaitu yang biasa digunakan pada mainan anak-anak.
38
Listrik AC memberikan lebih banyak keuntungan daripada listrik DC. Alat-alat listrik seperti seterika listrik, kipas angin, rice cooker, lemari es, mesin cuci, lampu-lampu penerangan, dan lain-lain menggunakan catu daya tegangan AC yang disuplai oleh PLN ke rumah-rumah. Jika input dari peralatan elektronik, misalnya radio, tape recorder, televisi, dan komputer, adalah arus AC. Maka pada umumnya dalam rangkaian tersebut dipasang rangkaian penyearah yang disebut rectifier atau adaptor yang berfungsi mengubah AC menjadi DC, sehingga dapat menggunakan sumber tegangan DC.
Untuk pengamanan jaringan listrik dan peralatan listrik akibat
kelebihan arus listrik (konsleting) maka dapat digunakan alat pemutus arus yang disebut sekering. Kawat sekering akan cair dan putus jika dialiri arus listrik yang melampaui batas tertentu yang tertulis pada sekering.
III. METODE PENELITIAN
A. Desain Penelitian
Metode penelitian ini yaitu research and development atau penelitian pengembangan. Pengembangan yang dilakukan adalah pembuatan media pembelajaran berupa modul interaktif untuk SMA pada konsep listrik dinamis. Modul interaktif yang dikembangkan dijadikan sebagai latihan penguasaan konsep fisika terutama pada materi listrik dinamis.
Sasaran pengembangan program ditujukan untuk siswa kelas X. Saat proses pengembangan diberlakukan uji ahli dan uji coba produk. Uji ahli dilakukan untuk mengetahui tingkat kelayakan produk yang dihasilkan. Sedangkan uji coba produk dilakukan untuk memperoleh informasi mengenai bagaimana karakteristik, kelebihan dan kekurangan dari media pembelajaran. Selain itu, uji coba produk juga dilakukan untuk mengetahui tingkat kemenarikan, kemudahan dan kemanfaatan produk yang telah dihasilkan dari penelitian pengembangan ini.
Proses uji coba penggunaan produk dilakukan menggunakan desain penelitian
one-shot case study. Desain penelitian ini digunakan untuk mengetahui,
menilai efek dan pengaruh perlakuan yang diberikan kepada satu kelompok subjek menggunakan instrumen tes diakhir perlakuan. Efek atau pengaruh
40 perlakuan yang ingin diketahui melalui uji coba produk adalah tingkat
kemenarikan, kemudahan dan kemanfaatan produk hasil pengembangan sabagai media pembelajaran. Tingkat kemenarikan tersebut dapat dilihat dari hasil penilaian yang diberikan setelah uji coba penggunaan produk.