I. CAPAIAN
Mampu mengaplikasikan dan membuktikan Hukum Ohm dan Kirchoff pada rangkaian listrik sederhana.
II. TEORI
Rangkaian listrik adalah hubungan antara elemen-elemen listrik seperti resistor, induktor, kapasitor, sumber tegangan, sumber arus, diode, dan elemen listrik lain dengan syarat minimal terdapat satu arus loop yang mengalir. Tabel 1 merupakan contoh gambar rangkaian listrik sederhana terdapat simbol-simbol yang harus diketahui.
Tabel 1. Gambar dan Simbol Komponen Rangkaian Listrik No Nama
Komponen
Simbol Gambar Komponen
1 Resistor
100
No Nama Komponen
Simbol Gambar Komponen
2 Sumber Tegangan
3 Saklar
4 Voltmeter
5 Amperemeter
6 Lampu
101
Di dalam suatu jenis rangkaian terdapat 2 jenis komponen yaitu komponen aktif dan komponen pasif. Salah satu contoh dari komponen aktif ialah baterai dan salah satu contoh dari komponen pasif ialah resistor. Gambar 1 merupakan contoh gambar rangkaian listrik sederhana.
V R
I
Gambar 1. Rangkaian Listrik Sederhana
Susunan komponen-komponen listrik dapat disusun dengan berbagai macam cara, hubungan komponen listrik atau rangkaian listrik yang paling dasar adalah secara seri dan parallel, seperti dicontohkan pada gambar 2. Gambar 2 (a) merupakan contoh rangkaian listrik dengan resistor tersusun secara parallel, sedangkan gambar 2 (b) merupakan rangkaian listrik dengan resistor tersusun secara seri.
V R1 R2 R3 V
R1
R2
R3
I I
(a) (b)
Gambar 2. Jenis Hubungan Rangkaian Listrik Sederhana
102
Untuk rangkaian seri, Resistansi Total (𝑅𝑇) rangkaian tersebut dirumuskan pada persamaan 1:
𝑅𝑇 = 𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3
...
(1)
Sedangkan pada rangkaian resistor parallel, di rumuskan pada persamaan 2:
1 𝑅𝑇= 1
𝑅1+ 1
𝑅2+ 1
𝑅3
...
(2)
Dalam setiap rangkaian listrik berlaku hukum Ohm dan Hukum Kirchoff.
Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan bahwa: tegangan (v) pada material-material penghantar adalah berbanding lurus terhadap arus (i) yang mengalir melalui material tersebut. Secara matematika dituliskan pada persaman 3:
𝑣 = 𝑖. 𝑅
...
(3)
103
Gambar 3. Hukum Ohm dalam Rangkaian Listrik Sederhana
Gambar 3 menunjukan penerapan Hukum Ohm pada rangkaian sederhana, dengan konstanta proporsionalitas atau kesebandingan R disebut sebagai resistansi. Satuan resistansi adalah Ohm, yaitu 1 Volt/Ampere, atau yang biasa disingkat menggunakan huruf besar omega(Ω).
Hukum Kirchoff Arus
Hukum ini juga disebut hukum pertama Kirchoff, aturan Kirchoff titik, persimpangan aturan Kirchoff (atau nodal aturan), dan aturan pertama Kirchoff. Prinsip ini menyatakan bahwa: pada setiap node (persimpangan) dalam sebuah sirkuit listrik, jumlah arus yang mengalir ke node sama dengan jumlah arus yang mengalir keluar dari simpul tersebut, atau jumlah aljabar arus dalam jaringan konduktor bertemu di sebuah titik adalah nol.
104
Gambar 4. Contoh Aplikasi Hukum Kirchoff Arus
Dari gambar 4 dapat kita tuliskan persamaan hukum Kirchoff Arus pada sebuah node sebagai berikut:
𝐼1+ 𝐼2 = 𝐼3+ 𝐼4 𝐼1+ 𝐼2 − 𝐼3− 𝐼4 = 0 ∑𝐼 = 0
...
(4)
Adapun syarat-syarat dimana arus dapat mengalir, yaitu:
1. Terdapat beda potensial dalam suatu rangkaian
2. Rangkaiannya tertutup (seluruh elemen saling terhubung)
Hukum Kirchoff Tegangan
Hukum ini juga disebut hukum kedua Kirchoff, loop Kirchoff (atau mesh) aturan, atau aturan kedua Kirchoff.
Prinsip ini menyatakan bahwa:
Jumlah perbedaan potensial (tegangan) sekitar setiap sirkuit tertutup adalah nol.
105
Gambar 5. Contoh Aplikasi Hukum Kirchoff Tegangan
Dari gambar 5 dapat kita tuliskan persamaan Hukum Kirchoff tegangan pada rangkaian listrik sederhana tersebut sebagai berikut:
−𝑉𝑠+ 𝑉2+ 𝑉3+ 𝑉4 = 0 ∑𝑉 = 0
...
(5)
Untuk mengetahui berapa besarnya arus dan tegangan pada suatu komponen listrik dalam suatu rangkaian listrik digunakan alat ukur yaitu amperemeter dan voltmeter.
Pengukuran Arus
Amperemeter adalah alat untuk mengukur arus listrik di suatu titik. Dengan begitu amperemeter harus dipasang secara seri, nilai arus yang terukur pada amperemeter akan sama dengan nilai arus pada rangkaian karena tidak ada percabangan. Jika amperemeter dipasang secara parallel maka arus yang terbaca akan menjadi keliru.
Untuk mengukur arus yang melalui sebuah komponen, misalnya resistor, maka amperemeter disisipkan ke dalam
106
rangkaian, dihubungkan secara seri dengan komponen yang akan diukur seperti pada gambar 6.
Gambar 6. Contoh Perangkaian Amperemeter pada Suatu Komponen
Pengukuran Tegangan
Untuk mengukur tegangan antara dua titik pada sebuah rangkaian atau komponen, maka voltmeter dihubungkan secara parallel dengan rangkaian atau komponen yang diukur tegangannya. Karena pada rangkaian parallel nilai tegangan yang terukur melalui voltmeter akan sama dengan tegangan pada komponen.
Gambar 7. Contoh Perangkaian Voltmeter pada Suatu Komponen
III. ALAT-ALAT
107 1. Baterai ukuran D (2 buah).
2. Sakelar SPST.
3. Lampu 2,5[V], 0,5[A].
4. Multimeter digital (2 buah).
5. Dudukan lampu.
6. Jepit buaya bersoket (2 buah).
7. Dudukan Baterai (2 buah).
8. Kabel penghubung (9 buah).
9. Resistor 50[Ω] 5[W] (2 buah).
10. Resistor 100[Ω] 5[W] (2buah).
11. Resistor 500[Ω] 5[W].
IV. TUGAS PENDAHULUAN
1. Apa yang dimaksud dengan rangkaian listrik sederhana?
2. Sebutkan dan jelaskan simbol-simbol yang dipakai pada rangkaian listrik!
3. Sebutkan dan tuliskan bunyi Hukum Ohm disertai dengan rumusnya!
4. Sebutkan dan tuliskan bunyi Hukum Kirchoff Arus dan Hukum Kirchoff Tegangan serta persamaannya!
5. Gambarkan rangkaian seri dan parallel serta jelaskan perbedaannya sesuai dengan apa yang kalian pahami!
108
6. Sebutkan dan jelaskan 2 jenis komponen yang terdapat dalam rangkaian listrik!
7. Apa yang dimaksud dengan arus listrik?
8. Sebutkan syarat-syarat suatu rangkaian dapat dikatakan sebagai rangkaian listrik!
9. Jika Vs=10 V, maka berapa Arus total yang mengalir pada rangkaian tersebut?
10. Apa yang dimaksud dengan node?
V. PROSEDUR PERCOBAAN
A. Rangkaian Resistor Seri dan Paralel
1. Catat keadaan ruang sebelum percobaan!
2. Rangkailah rangkaian (a) seperti gambar berikut!
(pastikan sakelar dalam keadaan terbuka)!
109
Gambar Rangkaian Seri (a)
Gambar Rangkaian Seri (b)
3. Tutuplah sakelar, kemudian ukur tegangan dan arus di setiap komponen(R1, R2, R3 dan Baterai)! Lakukan pengamatan berulang sebanyak 3 kali serta catatlah pada tabel pengamatan 1!
4. Lakukan langkah V.A.2 dan V.A.3 untuk rangkaian seri (b), juga rangkaian paralel (a) dan (b)!
110
Gambar Rangkaian Paralel
B. Sumber Tegangan Seri dan Paralel
1. Susunlah rangkaian seperti gambar berikut, pastikan sakelar dalam keadaan terbuka!
A v
Gambar Rangkaian satu baterai
2. Baca tegangan (E) pada rangkaian saat sakelar terbuka!
3. Tutup sakelar, dan catat tegangan (V)!
4. Catat arus (I) yang mengalir pada rangkaian!
5. Lakukan V.B.2. s.d. V.B.4 sebanyak 3 kali! Catat hasil pengamatan pada tabel pengamatan 2!
6. Lakukan langkah V.B.1 hingga V.B.5 untuk dengan sumber tegangan yang telah dirangkai seperti gambar-gambar berikut:
111
A v
A v
Gambar rangkaian dua baterai seri (a) Gambar rangkaian dua baterai seri (b)
A v
A v
Gambar rangkaian dua baterai paralel(a) Gambar rangkaian dua baterai
parallel(b)
C. Hukum Kirchoff arus dan Hukum Tegangan 1. Rangkailah rangkaian seperti gambar berikut!
Gambar Rangkaian untuk Hukum Kirchoff Arus dan Tegangan
112
2. Ukurlah arus Is, I1, I2, I3, dan I4 sebanyak 3 kali dengan menggunakan amperemeter! Sesuaikan polaritas amperemeter dengan arah arus pada gambar!
3. Ukurlah tegangan Vs, V1, V2, V3, dan V4 sebanyak 3 kali! Sesuaikan polaritas voltmeter dengan arah arus gambar!
4. Catat hasil pada tabel pengamatan 3!
5. Lakukan langkah V.C.1 hingga V.C.4 untuk rangkaian pada gambar (b)! Lakukan pengukuran hanya untuk V3 dan I3 saja!
6. Catat keadaan ruang setelah percobaan
VI. PENGOLAHAN DATA
A. Rangkaian Resistor Seri dan Parallel
Susunan
1. Tegangan Rata-rata (V) 𝑉̅ = ∑ 𝑉
3
2. Kuat Arus Rata-rata (A)
113
B. Sumber Tegangan Seri dan Parallel
Susunan Baterai GGL/E (Volt) V (Volt) Arus (A)
Satu Baterai
Dua Baterai Seri (a) Dua Baterai Seri
(b) Dua Baterai
Parallel (a) Dua Baterai
Parallel (b)
1. Tegangan Rata-rata (V) 𝑉̅ = ∑ 𝑉
114 4. Hambatan (Ω)
R = 𝐸̅−𝑉̅
𝐼̅
C. Hukum Kirchoff Arus (HKA) dan Hukum Kirchoff Tegangan (HKT)
Susunan
Resistor Tegangan (Volt) Arus (Ampere)
Rangkaian
Vs V1 V2 V3 V4 Is I1 I2 I3 I4
1. Tegangan Rata-rata (V) 𝑉̅𝑠 = ∑ 𝑉𝑠
3
2. Kuat Arus Rata-rata (A) 𝐼̅s = ∑ 𝐼𝑠
3
3. Hukum Kirchoff Arus (A) (Untuk Node A, B, dan C)
115 Rumus :
𝐼1+ 𝐼2 = 𝐼3+ 𝐼4 𝐼1+ 𝐼2− 𝐼3− 𝐼4 = 0
∑ 𝐼 = 0
*Catatan : I yang dipakai adalah I rata-rata 4. Hukum Kirchoff Tegangan (HKT) (Untuk Loop 1,
2, dan 3)
Berikut merupakan gambar rangkaian yang harus dilengkapi HKT setiap loop-nya.
116 Rumus :
−𝑉𝑠+ 𝑉2+ 𝑉3+ 𝑉4 = 0
∑ 𝑉 = 0
*Catatan : V yang dipakai adalah V rata-rata
V2
V3
V4 Loop 1 Vs
+
-+
-- +
+
-117 VII. DAFTAR PUSTAKA
1. Andar, Soeprapto, Muhammad Ridwan, Irma Amelia, Dkk. 2017. Buku Petunjuk Praktikum Fisika Dasar.
Bandung: Laboratorium Fisika Dasar Institut Teknologi Nasional Bandung.
2. Halliday, Resnick, Walker, J. 2011. Fundamentals of Physics 9th Edition. John Wiley & sons, Inc.: Danvers.
118
PERCOBAAN L2
(JEMBATAN WHEATSTONE)
Disusun Oleh:
RISKA MUTIARA FITRI (11-2019-087)
119 INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL LABORATORIUM FISIKA DASAR
PRAKTIKUM FISIKA - LISTRIK