BAB 1. RANGKAIAN LISTRIK ARUS SEARAH MATERI KOMPREHENSIF

(1)

WOKIB/PHYSICS / SMA-MA XII /ADVANCE LEARNING BOOK Page 1 Topik Utama Yang

Dipelajari:

Arus Listrik, Beda Potensial, Hambatan Listrik, Hukum Ohm, Percabangan, Rangkaian Hambatan, GGL & Tegangan Jepit , Energi & Daya Listrik, Hukum-2 Kirchhoof,

*Alat Ukur Listrik.

Kenapa Ini Penting?

Secara umum peralatan yang kita gunakan hampir semuanya tak lepas dari listrik, mengenal bagaimana mekanisme kerja listrik tentu akan sangat bermanfaat baik untuk keseharian maupun untuk bekal pengaplikasian lebih lanjut.

Kompetensi Dasar 3.1 Menganalisis prinsip

kerja peralatan listrik searah (DC) dalam kehidupan sehari-hari 4.1 Mempresentasikan

hasil percobaan tentang prinsip kerja rangkaian listrik searah (DC)

Tujuan Pembelajaran Peserta didik mampu menganalisis prinsip kerja serta mempresentasikan hasil percobaan tentang rangkaian listrik searah dalam kehidupan sehari-hari.

ADVANCE LEARNING BOOK WOKIB

PENGHANTAR

Energi listrik merupakan energi yang paling praktis untuk diubah kebentuk-bentuk energi yang lain seperti panas, cahaya, mekanik dan bentuk energi lainnya. Beruntung jika rumah kita sudah mendapatkan aliran listrik sehingga kita dapat memanfaatkan peralatan- peralatan modern untuk menunjang aktivitas produktif kita bahkan sampai hiburan.

Lampu menjadi bercahaya, memasak nasi dengan rice cooker, kedipan angka pada kalkulator, pembangkit listrik tenaga air yang mengirimkan energi ke perumahan, bahkan sampai impuls saraf yang membawa sinyal penglihatan ke otak, serta otak mengirimkan pesan untuk bayi agar jari kakinya bergerak-gerak,— ini dan banyak contoh lainnya melibatkan arus listrik, pergerakan muatan listrik. Manusia memang telah memanfaatkan listrik sebagai basis teknologi, untuk meningkatkan kualitas hidupnya.

Pada bab ini kita akan mempelajari listrik arus searah yaitu arus listrik yang hanya mengalir dari suatu titik yang berpotensial tinggi ke potensial rendah.

BATERAI

VOLT

BAB 1. RANGKAIAN LISTRIK ARUS SEARAH

ARUS LISTRIK ( i )

SUSUNAN SERI-PEMBAGI TEGANGAN SUSUNAN RESISTOR

SUSUNAN PARALEL-PEMBAGI ARUS

GAYA GERAK LISTRIK (  ) DAN TEGANGAN JEPIT ( V )

RANGKAIAN MAJEMUK

Aliran gerak muatan sebagai arus listrik pada konduktor : logam gerak muatan negatif elektrolit muatan negatif dan positif plasma muatan negatif dan positif

Q = nQ A_e _d t n = jumlah elektron i = ^Q_t = n e Ad

Elektron-elektron bebas dihasilkan oleh tiap-tiap atom di dalam penghantar.

penghantar (n )

Jumlah atom per volume di dalam a

n = =  =

a V 

Mr a

HAMBATAN ( R ) KAWAT

R = L A Resistivitas Listrik ()

Konduktivitas Listrik ()

R = L

 = 1 A



Faktor suhu (T) pada resistivitas listrik bebas per volume

Rapat besar arus listrik persatuan arus luas

J = = ne _Aⁱ 

 =  + 

 =  +  (T - 20°) = 

20° 20°

20°

o 20°

 =  (1 +  (T - 20°))=koefisien o

Maka:

R = R (1 +  (T - 20°))_o

temperatur resistivitas

V = V +  - ira b V - V =  - ira b

V =  - ir V =  - ir HUKUM OHM

R = = = tan V i

V

i ohmik

 nonohmik

V

i Note:

- Nilai R pada bahan ohmik tidak bergantung pada - Nilai R pada bahan

nonohmik bergantung PERCABANGAN

i

i i

i a

b 1

i2 3

i = i_in _out i + i = i + i + ia b 1 2 3

JEMBATAN WHEATSTON

R¹

R5 R2

R3 R⁴

a

b

a

b

R¹ R

2

R

3 R⁴

Jika : R R = R R₁ ₄ ₂ ₃

melalui R .₅

perhitungan R_total

R₁

R² R

3

TRANSFORMASI  - Y

Rc

Ra R_b

R =₁

A B

C

Rc RaR +b RbR +c RcRa

R =₂

R_b R_aR +_b R_bR +_c R_cR_a

R =₃

Ra R_aR +_b R_bR +_c R_cR_a

R =_a R +1

R1R2

R =_b R +₁

R₂R₃

R =_c R +1

R₁R₃ R +2 R3

R +₂ R₃

R +2 R3

Ketentuan :

METODE SIMETRIS DAYA (P) DAN ENERGI (w)

GALVANOMETER ( i, V, R)

Voltmeter Ohmmeter

R

+ _

V2

V1

V

+ _

Vs

V

1 R2 R_s

i

Ketentuan paralel:

i = i = i + ip 1 2

V = V =p V =1 V2

= +

V1

V2

+ _

V

+ _

Vp

V

R₁ R_p

i₁

i2 R2

Ketentuan seri:

i = i = i = i_s ₂

V =V =_s V +₁ V₂ R =_s R +₁ R₂

1

i

+ _ + _

R1 R2

1 r₁

2 r₂ looping

^{+iR = 0}

(₁-₂) + i(r +R +r +R ) = 0₁ ₂ ₂ ₁ Kasus pada gambar:

Note:Jika hasil perhitungan i negatif berarti arah i pada gam- terbalik

E

t^p =V - W=

= t

P Q

t  misal:V = V = VI

P

= VI P

= i R P

= P

2 V² R

= VI t w

= i Rt w

= t w

2 V² R

Note:Nilai V, i, P, dan W pada peralatan listrik dapat berubah hanya R yang tidak berubah

= n i

i G

= i + i

i _G _sht

R = i R i_sht _sht G G R =_sht R

(n-1) G

= nV

V G

V =G R_G R + Rsh GV R =_sh (n-1) RG

ish

iG i

RG G Rsh

i

R G

Rsh RG i VRA i1 i2 = i + ii

=

R V

i 1 2 = V i R₁

R

R i2 i1

i_n i

i = i = ... = i = i1 2 n 1 n i R = i R _T ₁ i R = i R_T 1

n R = R_T 1

n Q = ee

d

Amperemeter m V

i

iis

ip 1 Rp

1 R1

1 R2

RANGKAIAN LISTRIK ARUS SEARAH

Bogor-2019

sh nilai i & V pada nilai i & V

maka v = v_a _b sehingga tak ada arus listrik yang Dengan demikian R tidak ikut dalam₅

SMAN 1 Cigudeg

MATERI KOMPREHENSI F

ⁱ ⁺^a ^b

R



_ r

V A

WOKIB Arus laju aliran muatan listrik yang

listrik melewati suatu luasan penam- pang lintang (A) di dalam konduktor

i =Q

t

Gerak kelompok muatan ke arah yang sama (mengalir -drift) dengan kecepatan aliran sebesar v inilah yang disebut arus listrik (i)

Arus listrik konvensional pada penghantar logam dianggap sebagai aliran muatan positif Percepatan (a) akibat gaya dorong listrik ini sifatnya hanya sesaat dan secara keseluruhan gerakan bersama-mengalir (drift) akan mengalami kecepatan yang

d

i

 t_d

A L

d _

+

batera +i _ E

F __

_ _

_ _ _

dalam kawat akan mendapatkan energi listrik berupa gaya dorong untuk bergerak bersama yang dikenal dengan istilah drift- hanyut ke arah yang berlawanan dengan medan listrik berarti dari potensial rendah ke tinggi.

Walau energi dorongan ini cepat habis terdisipasi pada tumbukan tapi dengan cepat digantikan dengan energi dorongan.

yang baru demikian proses itu berulang Ketika kawat konduktor (penghantar) dihubungkan ke baterai (sumber beda

ke rendah, akibatnya elektron - elektron bebas yang sedang bergerak acak di potensial maka akan timbul medan listrik di sepanjang kawat dari potensial tinggi

konstan sebesar-v

(2)

KD 3.1 & 4.1 RENCANA PELAKSANAAN PEMBELAJARAN

IDENTITAS SEKOLAH:

SMAN 1 Cigudeg Kab. Bogor

MATERI PELAJARAN:

FISIKA

MATERI POKOK:

RANGKAIAN LISTRIK ARUS SEARAH

KELAS/SEMESTER:

XII/GANJIL

ALOKASI WAKTU:

12 JP

TUJUAN PEMBELAJARAN

Peserta didik mampu menganalisis prinsip kerja serta mempresentasikan hasil percobaan tentang rangkaian listrik searah dalam kehidupan sehari-hari

AKTIVITAS PEMBELAJARAN

Pertemuan 1-2

 Mengamati fenomena-fenomena listrik searah.

 Mendiskusikan dan menyimpulkan hubungan antara beda potensial dan mekanisme mengalirnya arus listrik searah.

 Mendiskusikan dan atau melakukan pengukuran besaran listrik pada penghantar untuk menyimpulkan i, V, dan R yang membentuk hukum Ohm.

 Mendiskusikan dan menyimpulkan besaran-besaran yang mempengaruhi hambatan listrik pada kawat penghantar.

 Mendiskusikan dan menyimpulkan konsep ggl, tegangan jepit serta hambatan dalam baterai.

Pertemuan 3-4

 Mendiskusikan dan menyimpulkan konsep arus listrik pada percabangan.

 Mendiskusikan dan menyimpulkan rangkaian hambatan dan rangkaian sumber tegangan listrik.

 Mendiskusikan konsep daya dan energi listrik.

 Mendiskusikan dan menyimpulkan rangkaian listrik kompleks.

Pertemuan 5-6

 *Mendiskusikan dan menyimpulkan prinsip kerja alat ukur besaran-besaran listrik- galvanometer

 Mendiskusikan tugas proyek

 Diskusi persiapan tes dan atau penugasan

 Tes dan atau penugasan

PENILAIAN PEMBELAJARAN

Pengetahuan Ketrampilan Sikap

 Checkpoint

 Portofolio dari soal latihan mandiri dan soal tantangan akhir bab.

 Portofolio dari nilai luar biasa

 Tes tertulis dan atau penugasan

 Kegiatan Kelompok, Praktikum, dan atau Tugas Proyek

Observasi terhadap:

 Sikap spiritual

Rasa syukur dan

bertoleransi

 Sikap sosial

Bertanggung jawab, jujur, disiplin, mandiri dan pro- aktif.

Mengetahui Bogor, Agustus 2022

Kepala Sekolah Guru Fisika -XII

Drs. Windu Sarwono, M.Pd Wokib, S.Si

NIP. ……….. NIP. ………..

(3)

AKTIVITAS PEMBELAJARAN

PERTEMUAN 1

PENGHANTAR: Listrik termasuk kata yang sangat familiar dalam keseharian kita.

Tahukah kamu apa arti kata listrik dan apa itu arus listrik serta arus listrik searah?

Bagaimana mekanisme mengalirnya arus listrik dan apa hubungannya dengan baterai?

MIKiR PANDUAN AKTIVITAS

(PERTANYAAN IMAJINATIF & TERBUKA)

Gambar- Peragaan 1.1

MENGALAMI Guru memfasilitasi demonstrasi kontekstual tentang mekanisme arus listrik pada rangkaian tertutup dan atau menarasikan demonstrasi tersebut kepada peserta didik.

Tersedia tiga lampu identik, tiga saklar, kawat tembaga, serta dua baterai identik baru dan bekas

Prosedur:

1. Bersama kelompokmu, buatlah tiga rangkaian seperti pada Gambar-Peragaan 1.1 2. Tutup ketiga saklar S pada ketiga rangkaian dan amati nyala dari tiap lampu.

INTERAKSI Dengan berdiskusi guru membimbing para peserta didik untuk melakukan analisis dan mengajak berfikir kritis terhadap hasil demonstrasi kontekstual tentang mekanisme arus listrik pada rangkaian tertutup dan atau guru menarasikan hasil demonstrasi tersebut untuk dianalis bersama peserta didik.

Analisis dan Berfikir Kritis

Kemukakan pendapatmu dalam diskusi kelompok dan mintalah pendapat gurumu jika mengalami kesulitan dalam memahami topic persoalaan.

1. Kenapa hanya lampu B yang menyala?

2. Apa yang sebenarnya diperlukan agar lampu dapat menyala? Serta apa itu arus listrik?

3. Apa yang menyebabkan listrik mengalir ke lampu serta apa hubungannya dengan baterai?

4. Apa arti baterai bertuliskan 4500 mAh?

KOMUNIKASI Komunikasikan hasil analisis kelompokmu di depan kelas, dengan memperhatikan hal-hal berikut:

1. Semangat menjaga persatuan dengan cara menghormati dan mengapresiasi pendapat kelompok lain.

2. Bersifat kritis serta terbuka terhadap kritik dan atau pendapat dari kelompok lain

3. Mintalah pendapat gurumu jika kebingungan tentang pertanyaan atau tanggapan dari kelompok lain

REFLEKSI Setelah proses pembelajaran ini selesai, periksa tingkat pemahamanmu dengan memberi tanda (); apakah kamu telah:

Pertanyaan ya tidak

01. Memahami apa itu listrik?

02. Memahami apa itu arus listrik dan perumusannya?

03. Memahmi apa itu beda potensial?

04. Memahami hubungan beda potensial dan mekanisme mengalirnya arus listrik searah?

05. Mengetahui apa saja komponen-komponen listrik sebagai penghasil beda potensial?

REVIEW Guru melakukan review dan atau penjelasan materi sebagai bentuk penguatan dan atau contoh-contoh fenomena atau persoalan yang umum ditanyakan di tingkat SMA tentang topic yang sedang dibahas.

MATERI POKOK

Fenomena arus listrik searah.

Arus listrik searah umumnya dari baterai dan aki yang digunakan pada peralatan listrik seperti pesawat radio, HP, dan lampu LED. Pemasangan kutub positif dan negatif baterai pada peralatan harus tepat (tidak boleh terbalik).

Gambar 1.1. Phone cell merupakan peralatan yang bekerja berdasarkan listrik arus searah.

Arus listrik searah.

Ketika kawat konduktor terhubung ke baterai maka di sepanjang kawat akan timbul medan listrik sehingga elektron-elektron bebas yang sedang bergerak acak di dalam kawat akan mendapatkan gaya listrik untuk bergerak bersama ke arah yang sama yang disebut mengalir atau drift.

Aliran (drift) elektron-elektron bebas di dalam konduktor inilah yang disebut arus listrik searah. Kecepatan gerak elektron-elektron bergerak bersama akibat medan listrik disebut kecepatan drift (_d).

_d =

d = rapat elektron (banyaknya elektron per volume) A = luas permukaan

Gambar 1.2. Mekanisme terjadinya arus listrik pada konduktor yang terhubung ke baterai sebagai alat penghasil beda potensial.

 Definisi arus listrik

Arus listrik merupakan banyaknya muatan listrik q yang melewati suatu titik selama waktu t.

Arus listrik sebenarnya yang terjadi pada kawat konduktor adalah pergerakan muatan negatif dari potensial rendah ke potensial tinggi (dari kutub negatif ke positif baterai)

Arus listrik konvensional (kebiasaan) yang terjadi pada kawat konduktor adalah pergerakan muatan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah (dari kutub positif ke negatif baterai)

B

BATERAI

VOLT

A

C

BATERAI

VOLT

S

 t d

A L

d _

baterai _ + E

F _

_ _ _

Sebelum memulai aktivitas pembelajaran jangan lupa selalu berdoa, mengechek kehadiran serta sapa, salam dan

(4)

 Perumusan arus listrik Rapat arus listrik i = atau I = J =

Beda potensial.

Beda potensial merupakan banyaknya usaha W untuk memindahkan muatan q

V =

Grounding/Pentanahan-penghasil potensial nol, karena Bumi sebagai konduktor yang baik mampu menampung muatan listrik dengan jumlah tak berhingga dari berbagai penghantar yang disentuhkannya maka Bumi ditetapkan sebagai titik berpotensial nol.

Contoh Soal

01. Tembaga mengandung 1 x 10²⁹ elektron bebas per m². Berapakah kecepatan aliran-drift dari elektron- elektron pada kawat tembaga yang berpenampang lintang 0,25 mm² yang mengalirkan arus listrik 0,4 A?

Jawab

Besaran-besaran yang diketahui cukup jelas di dalam soal sehingg nilai  dapat dihitung:

= = ₍ ) ( ) ( )

= =

02. Sebuah elektron bermuatan - 1,6 x 10^-19 C. Berapa banyak elektron harus mengalir melalui kawat dalam 1 s agar amperemeter membaca 0,8 mA?

Jawab

Besaran-besaran yang diketahui cukup jelas di dalam soal sehingg nilai  dapat dihitung:

n =

= ⁽^{)( )} =

03. Tentukan besar usaha untuk memindahkan satu elektron dari suatu titik ke titik lain yang berbeda potensial 3 volt!

Jawab

Besaran-besaran yang diketahui cukup jelas di dalam soal sehingg nilai W dapat dihitung:

= = (3 V) (1,6 x 10^-19) = 4,8 x 10^-19 J

04. Dua bola konduktor identik P dan Q digosok sehingga menjadi bermuatan listrik seperti tampak pada gambar.

Apabila kedua bola dihubungkan dengan kawat tipis, tentukan:

a. bola yang lebih postif dari bola lainnya b. kemanakah aliran elektron antar bola c. dari manah ke manahkah arus listrik mengalir Jawab

- Awalnya potensial Q lebih positif dari P (lihat gambar muatan positif bola Q > bola P)

- Aliran elektron dari P ke Q - Arus listrik dari Q ke P

CHECKPOINT

Coba uji tingkat pemahamanmu tentang topik ini dengan mengerjakan soal-soal berikut:

01. Periksa pernyataan-pernyataan berikut ini benar (B) atau salah (S) dengan memberi tanda ceklis ()

Pernyataan B S

01. Arus listrik merupakan banyaknya muatan listrik yang melewati suatu titik di dalam penghantar per satuan waktu

 02. Arus elektron bergerak dari potensial rendah ke Potensail tinggi  03. Baterai phone cell yang bertuliskan 5000 mAh dapat digunakan selama 20 jam non stop, berarti

arus listrik yang mengalir pada rangkaian 25 mA

 04. Yang dimaksud arus listrik 1 A adalah tiap 2 s jumlah muatan yang melewati suatu titik di dalam

penghantar adalah 1 C.

 05. Belut merupakan binatang yang mampu menghasilkan beda potensial listrik.  02. Gambar di berikut memperlihatkan dua bola konduktor identik X dan Y yang masing-masing

bermuatan listrik positif dengan kerapatan seperti tampak pada gambar.

Apabila kedua bola konduktor tersebut dihubungkan, periksa kebenaran dari pernyataan- pernyataan berikut dengan cara memberikan tanda () pada pernyataan yang dianggap benar!

 Aliran elektron dari bola Y ke bola X terjadi apabila penghubung keduanya dari kayu basah.

Potensial Y lebih tinggi dari potensial X

 Aliran elektron yang terjadi akan berhenti ketika kedua bola memiliki potensial yang sama.

 Apabila arus listrik pada kawat penghubung terdeteksi 2 A, maka jumlah elektron yang melewati suatu titik pada kawat tersebut tiap detiknya berjumlah 1,25 x 10¹⁹.

 Apabila untuk perpindahan satu elektron antar bola menghabiskan energi sebesar 6,4 x 10^-19J, maka beda potensial bola Y terhadap X adalah - 4 volt.

SOAL LATIHAN MANDIRI 1.1

Tingkatkan pemahamanmu dengan berlatih mengerjakan soal-soal berikut ini:

01. Tembaga mengandung 1 x 10²⁹ elektron bebas per m². Berapakah arus listrik yang terjadi ketika kecepatan aliran-drift dari elektron-elektron pada kawat tembaga yang berpenampang lintang 0,5 mm² adalah 2 x 10^-4 m/s? (1,6 A)

02. Berapakah banyaknya muatan listrik yang mengalir dan nilai rapat arus listriknya ketika dalam satu detik arus listrik 1 A mengalir pada kabel tembaga dengan luas 1 mm²? (1 C; 10⁶ A/m²)

03. Baterai phone cell bertuliskan 6000 mAh.

a. Berapa lama baterai mampu mensuplai arus listrik 0,75 A yang diperlukan phone cell secara terus menerus? (8 h)

b. Berapa banyak jumlah muatan listrik yang mengalir ke rangkaian phone cell pada pertanyaan a?

(21 600 C)

04. Apabila usaha untuk menggerakan satu elektron dari satu ujung kabel ke ujung lainnya adalah 1,6 x 10^-19 J, berapakah nilai beda potensial antara ujung-ujung kabel? (e = 1,6 x 10^-19C) (1 V)

Critical Thinking

05. Apakah arus listrik dapat mengalir pada air? Gas?

Plasma?. Muatan apa yang mengalir pada ketiga wujud zat tersebut?

_ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _

_

_ _ _ __ _ __ _ _ _ __ _ _ _ _ _

_ _

+ + + ++ + + + + + ++ + + + + + + + + +

+ + + + +

+

+ + + ++ + ++ ++ + + + ++ + + + + +

+ +

(5)

PERTEMUAN 2

PENGHANTAR: Kalau arus air di sungai mengalami hambatan karena sampah, bagaimana dengan arus listrik yang mengalir di dalam penghantar?

Apa saja yang mempengaruhi nilai hambatan listrik?

Bagaimana cara menghitung nilai hambatan suatu penghantar?

Kenapa nilai voltase baterai yang terukur umumnya berbeda dengan nilai yang tertulis di kemasan?

(a)

(b)

(c)

Gambar- Peragaan 1.2

MENGALAMI Guru memfasilitasi demonstrasi kontekstual tentang hambatan listrik dan hukum Ohm, GGL serta tegangan jepit dan atau menarasikan demonstrasi tersebut kepada peserta didik.

Tersedia amperemeter (A), voltmeter (V), kawat tembaga, kawat konduktor, resistor serta beberapa baterai identik.

Prosdur:

1. Bersama kelompokmu, buatlah rangkaian seperti pada Gambar-Peragaan 1.2(a) serta catat angka pada A dan V. Tambahkan baterai dan catat kembali angka pada A dan V. Plot grafik dari angka-angka V dan A

2. Bersama kelompokmu, buatlah rangkaian seperti pada Gambar-Peragaan 1.2(b), amati dan catat angka pada A dan V

INTERAKSI

Dengan berdiskusi guru membimbing para peserta didik untuk melakukan analisis dan mengajak berfikir kritis terhadap hasil demonstrasi kontekstual tentang hambatan listrik dan hukum Ohm, GGL serta tegangan jepit dan atau guru menarasikan hasil demonstrasi tersebut untuk dianalis bersama peserta didik.

Kemukakan pendapatmu dalam diskusi kelompok dan mintalah pendapat gurumu jika mengalami kesulitan dalam memahami topic persoalaan.

1. Apakah hasil plot grafikmu seperti pada Gambar-Peragaan 1.2(b)?

Apakah kemiringan grafik akan berubah untuk kawat konduktor dari jenis yang berbeda?

Besaran apa yang ditunjukkan oleh kemiringan grafik?

Apa saja yang mempengaruhi hambatan dari penghantar?

Apa fungsi utama dari komponen bernama resistor?

2. Berapa nilai V pada rangkaian Gambar-Peragaan 1.2(c)?. Apakan nilai yang ditunjukkan oleh V sama dengan yang tertera pada kemasan baterai?. Apa penyebab angka pada A makin lama makin mengecil dan lampu makin redup?

2. Bersifat kritis serta terbuka terhadap kritik dan pendapat dari kelompok lain

REFLEKSI

Setelah proses pembelajaran ini selesai, periksa tingkat pemahamanmu dengan memberi tanda (); apakah kamu telah:

01. Memahami apa itu hukum Ohm?

02. Memahami apa saja yang mempengaruhi hambatan pada konduktor?

03. Memahami fungsi utama dari resistor?

04. Memahami apa itu gaya gerak listrik (ggl)?

05. Memahami apa itu tegangan jepit atau tegangan terminal?

06. Memahami apa itu hambatan dalam baterai?

07. Memahami hubunganantara hambatan dalam baterai terhadap mekanisme kerja baterai.

REVIEW

Guru melakukan review dan atau penjelasan materi sebagai bentuk penguatan dan atau contoh-contoh fenomena atau persoalan yang umum ditanyakan di tingkat SMA tentang topic yang sedang dibahas.

MATERI POKOK Hukum Ohm

Amperemeter (A) dan voltmeter (V) digunakan pada suatu percobaan pengukuran beda potensial dan arus listrik pada suatu konduktor yang terhubung dengan baterai. Dengan menambah jumlah baterai nilai pada A dan V yang bersesuaian di plot dalam suatu grafik.

Gambar 1.3. (a) skema rangkaian percobaan hukum Ohm (b) garfik hasil percobaan hukum Ohm.

Kemiringan grafik ternyata menyatakan suatu hambatan listrik dari konduktor tersebut yang dikenal dengan hukum Ohm:

i a ⁺ b



_ r

V A

R

i ₊ ^_

...

A V

i (A) V(V)



i ₊ ^_

...

A V

i (A) V(V)



(6)

“Hambatan pada penghantar logam konduktor tidak bergantung pada beda potensial dan arus listrik yang terukur tapi nilai hambatan merupakan nilai konstan dari perbandingan nilai beda potensial terhadap besar arus listrik yang terukur”

 Perumusan Hukum Ohm = atau

 Lampu pijar tak taat Hukum Ohm

Gambar 1.4.

Memperlihatkan bahwa garfik V terhadap i pada lampu hasil percobaan tidak sesuai hukum Ohm.

Hambatan listrik pada kawat

Gambar 1.5. (a) kawat konduktor (b) simbol hambatan (c) simbol ohmmeter alat ukur hambatan.

 Perumusan hambatan pada kawat R =

 Hubungan R dengan perubahan suhu =

= 

 Hambatan jenis dipengaruhi suhu

=

=  Resistor

Komponen listrik yang utamanya dbuat khusus untuk menghasilkan hambatan listrik. Lihat Tabel-1.2 untuk cara membaca hambatan resistor dan simbolnya.

GGL dan Tegangan Jepit

Alat atau komponen elektronik yang mampu merubah energi kimia, mekanik dan bentuk energi lainnya menjadi energi yang digunakan untuk memindahkan muatan listrik disebut sumber gaya geya gerak listrik (GGL), misalnya baterai dan generator

Gambar 1.6. Diagram rangkaian dengan hambatan dalam di dalam baterai.

Pada Gambar 1.6, rangkaian untuk kategori baterai yang ideal nilai beda potensial yang terukur akan bernilai konstan walaupun nilai R di ubah-ubah. Pada kenyataanya, angka yang ditunjukkan voltmeter akan berubah ketika nilai R berubah demikian juga nilai arus listrik pada amperemeter mengalami perubahan. Kondisi ini terjadi akibat adanya hambatan di dalam baterai (r), sehingga pada gambar rangkaian di atas berlaku hubungan:

= =

= saat R = 0

Ketika baterai akan habis, nilai hambatan dalam akan meningkat.

Gambar 1.7. a. Grafik

baterai ideal r = 0. b.

Grafik  terhadap i_max untuk baterai dengan hambatan dalam r

(a) (b)

Contoh Soal

05. Dari percobaan pengukuran hambatan suatu penghantar diperoleh hasil seperti tampak pada grafik di samping.

Dari grafik tersebut, berapakah besar nilai hambatan penghantar?

Jawab

Dua titik pada grafik cukup jelas untuk mendapatkan nilai

V dan i untuk menghitung R =  = = 0,5 

06. Grafik di samping menunjukkan hasil percobaan terhadap pengukuran nilai hambatan suatu kawat konduktor.

Untuk nilai beda potensial 17 volt, dapatkah kalian tentukan berapakah nilai arus listrik yang sesuai?

Jawab

Lihat nilai sudut pada grafik untuk menentukan nilai R = =  = = = = 10 A

07. Perhatikan skema percobaan listrik sederhana dengan beterai 3 volt seperti pada gambar di samping.

Apabila amperemeter dan voltmeter menunjukkan berturut 0,25 A dan 2,5 V, berapakah nilai hambatan dalam baterai?

Jawab

=  = = = 2 

CHECKPOINT

Coba uji tingkat pemahamanmu tentang topik ini dengan mengerjakan soal-soal berikut:

01. Periksa pernyataan-pernyataan berikut ini benar (B) atau salah (S) dengan memberi tanda ceklis ()

Pernyataan B S

01. Prosedur percobaan Hukum Ohm dapat digunakan untuk menentukan hambatan suatu konduktor.  02. Kawat konduktor yang terhubung ke baterai nilai hambatannya berubah jika baterainya diganti

dengan baterai yang lain.

 03. Tujuan utama kabel listrik yang terbentang antar tiang dibuat kendur agar hambatan kabel nilainya

tetap ketika menghadapi cuaca ekstrem.

 04. Agar lampu menyala lebih terang maka pada rangkaian tersebut harus dipasang resistor.  05. Alat yang merubah bentuk energi tertentu menjadi energi listrik disebut sumber gaya gerak listrik.  06. Besar tegangan terminal suatu baterai pada rangkaian listrik dipengaruhi oleh nilai hambatan yang

terpasang pada rangkaian.

 07. Hambatan dalam baterai nilainya akan semakin besar ketika baterai akan habis.  08. Arus listrik yang mengalir ke lampu ketika terhubung ke baterai hanya dipengaruhi oleh hambatan

dalam baterai dari baterai.

 09. Grafik di samping merupakan grafik hasil percobaan terhadap suatu konduktor.

Hambatan konduktor ketika terhubung pada beda potensial 3 V adalah 1,73 , 

10. Baterai berggl 3 V dan hambatan dalam 0,5  yang terangkai ke resistor 5,5  akan menghasilkan tegangan terminal 2,75 V.



L

A  ^R

R

i (A)

V(V)

i ₊ ^_

...

A V

tidak taat Huku

m Ohm (nonOhmik)

(a) (a) (c)

i (A)



^tan= r imax

i (A) 60°

0 i (A) 60°

0

i a ⁺ b

R



_

r V A i (A)

10

20

i a ⁺ b

_

i a ⁺ b



_

 r

V V

A A

i (A)



(7)

SOAL LATIHAN MANDIRI 1.2

Tingkatkan pemahamanmu dengan berlatih mengerjakan soal-soal berikut ini:

01. Pada suhu 20^oC, berapakah hambatan listrik yang dihasilkan dari 1 m kawat tembaga dengan luas penampang 1 mm² dan resistivity 1,72 x 10^-8m? (17,2 m)

02. Dua kawat A dan B dengan ukuran panjang dan luas penampang yang identik. Apabila kawat A terbuat dari tembaga dan kawat B dari aluminium, kawat manakah yang memiliki hambatan paling besar? Jelaskan!

(Aluminium > Tembaga)

03. Berapakah hambatan suatu kawat yang ketika dihubungkan pada beda tegangan 1,5 volt terdeteksi arus listrik yang mengalirnya sebesar 0,15 A? (10 A)

04. Berdasarkan hukum Ohm , apabila nilai beda potensial (V) pada suatu percobaan diperkecil apakah hambatan (R) suatu kawat tembaga akan juga menjadi mengecil? Jelaskan (tidak,ohmik)

05. Tentukan tegangan jepit aki 12 V, 1  ketika dihubungkan dengan lampu berhambatan 20 !

Apakah tegangan jepit aki tersebut akan berubah jika dihubungkan dengan lampu yang berhambatan 30 ?

Jelaskan! (11,43 V; ya ) Critical Thinking

06. Kawat terhubung ke baterai akan menjadi panas demikian juga lampu bohlam yang sedang menyala juga akan panas, apakah yang menyebabkan panas pada kedua kasus tersebut sama? Besaran listrik apakah yang menyebakan terjadinya panas tersebut?

Tabel-1.1. Resistivitas (_o) beberapa bahan pada suhu 20^oC Bahan

Konduktor

_o (.m)

Bahan Isolator

_o (.m)

Perak 1,59×10^-8 Amber 5×10¹⁴

Tembaga 1,72×10^-8 Gelas 10⁹- 10¹⁴

Emas 2,44×10^-8 Lucite >10¹³

Aluminium 2,65×10^-8 Mica 10¹¹- 10¹⁵

Tungsten 5,6×10^-8 Quartz 75×10¹⁶

Besi 9,71×10^-8 Karet (Keras) 10¹³- 10¹⁶

Platinum 10,6×10^-8 Sulfur 10¹⁵

Baja 20×10^-8 Teflon >10¹³

Lead 22×10^-8 Kayu 10⁸- 10¹¹

Manganin (Cu, Mn. Ni)

44×10^-8 Bahan

Semi

_o (.m) Constantan

(Cu, Ni)

49×10^-8 Carbon (3,5 - 60)×10⁵

Mercury 96×10^-8 Germanium (1 - 600)×10³

Nichrome (Ni, Fe, Cr)

100×10^-8 Silicon 0,1–2300

Tabel-1.2. Nilai pita-pita warna pada resistor

Warna Pita 1 Pita 2 Pita2 Pita4 Contoh Pembacaan Nilai Hambatan Pada Resistor Angka 1 Angka 2 Pengali Toleransi

Hitam 0 0 10⁰ 1%

62 x 10⁵ (10% x 62 x 10⁵) 

Coklat 1 1 10¹ 2%

Merah 2 2 10² 3%

Jingga 3 3 10³ 4%

Kuning 4 4 10⁴ -

Hijau 5 5 10⁵ -

Biru 6 6 10⁶ -

Ungu 7 7 10⁷ -

Abu-abu 8 8 10⁸ -

Putih 9 9 10⁹ -

Emas - - 10^-1 5%

Perak - - 10^-2 10%

Tak berwarna - - - 20%

pita 1 pita 2

pita 3 pita 4

R

(8)

PERTEMUAN

3

PENGHANTAR: Ketika kita memadamkan suatu lampu, lampu lain dan televisi tidak ikut padam. Pernahkah terfikir oleh kamu bagaimana lampu-lampu dan peralatan listrik lainnya di rumah dirangkai untuk terhubung ke sumber listrik sehingga satu dengan lainnya seakan tak saling mempengaruhi?

(a)

(b)

Gambar-Peragaan 1.3

MENGALAMI Guru memfasilitasi demonstrasi kontekstual tentang rangkaian hambatan, percabangan, energy dan daya listrik, serta rangkaian sumber beda potensial dan atau menarasikan demonstrasi tersebut kepada peserta didik.

Tersedia lampu-lampu identik, beberapa voltmeter dan amperemeter, kawat tembaga, serta beberapa baterai identik.

Prosdur:

1. Bersama kelompokmu, buatlah rangkaian seperti pada Gambar-Peragaan 3(a) dan (b), catat angka pada tiap voltmeter dan amperemeter, dan amati nyala lampu

2. Lepaskan kabel yang terhubung ke lampu R₁ pada tiap rangkaian dan amati yang terjadi pada lampu R2.

4. Coba kamu lakukan juga percobaan bagaiman jika lampu terhubung ke baterai-baterai identik yang tersusun seri dan atau parallel, amati nyala lampu yang terjadi.

INTERAKSI

Dengan berdiskusi guru membimbing para peserta didik untuk melakukan analisis dan mengajak berfikir kritis terhadap hasil demonstrasi kontekstual tentang rangkaian hambatan, percabangan, energy dan daya listrik serta rangkaian sumber beda potensial dan atau guru menarasikan hasil demonstrasi tersebut untuk dianalis bersama peserta didik

Kemukakan pendapatmu dalam diskusi kelompok dan mintalah pendapat gurumu jika mengalami kesulitan dalam memahami persoalaan.

1. Rangkaian Gambar-Peragaan 3(a), lampu-lampu tersusun seri. Bagaimana hubungan angka-angka pada V1, V2,dan V?.

Pada rangkaian seri, bagaimana arus listrik A1, A2, dan A3 serta hambatan total rangkaian dirumuskan?.

Kenapa R2 ikut padam ketika R1 dibuat padam?

2. Rangkaian Gambar-Peragaan 3(b), lampu-lampu tersusun paralel. Bagaimana hubungan angka-angka pada V1, V2,dan V? Bagaimana hubungan angka-angka pada A1, A2, dan A serta apa kesimpulanmu ketika arus listrik masuk dan keluar pada percabangan?.

Pada rangkaian paralel, bagaimana hambatan total rangkaian dirumuskan?.

Kenapa R2 tidak ikut padam ketika R1 dibuat padam?

3. Pada rangkaian manakah lampu menyala terang dan apa yang menyebabkan lampu menyala terang?

4. Manakah yang membuat lampu menyala terang, terhubung ke susunan seri atau parallel dari baterai-baterai identik.

2. Bersifat kritis serta terbuka terhadap kritik dan pendapat dari kelompok lain

REFLEKSI Setelah proses pembelajaran ini selesai, periksa tingkat pemahamanmu dengan memberi tanda (); apakah kamu telah:

01. Memahami ketentuan dan manfaat rangkaian hambatan seri?

02. Memahami ketentuan dan manfaat rangkaian hambatan paralel?

03. Memahmi arus pada percabangan

04. Memahami ketentuan manfaat rangkaian seri baterai?

05. Memahami ketentuan manfaat rangkaian parallel baterai?

06. Memahmi perumusan dan perhitungan energi?

07. Memahmi perumusan dan perhitungan daya listrik?

REVIEW Guru melakukan review dan atau penjelasan materi sebagai bentuk penguatan dan atau contoh-contoh fenomena atau persoalan yang umum ditanyakan di tingkat SMA tentang topic yang sedang dibahas.

MATERI POKOK

Selain resistor yang memang fungsinya untuk menghasilkan hambatan listrik, komponen seperti lampu dan yang lainnya juga memiliki nilai hambatan. Bagaimana nilai hambatan ini jika komponen-komponen tersebut dirangkai dalam suatu rangkaian listrik seperti halnya seri atau parallel?

Pada topic ini juga dibahas tentang apa itu energy dan daya listrik dan bagaimana konversinya jika digunakan pada bentuk energy yang lain?

+ _ R₁ R₂

V₁ V₂

V A₂

A₁ A

+ _

R2 R₁

i_p ^V² i_p

A₁

A A2

V V1

(9)

Arus listrik pada percabangan

Bagaimana hubungan antara arus listrik yang masuk ke titik percabangan dengan yang keluar dari percabangan?

Pada titik percabangan berlaku hukum kekekalan muatan: ∑ = ∑

Apabila persamaan di atas dibagi dengan waktu maka kita dapatkan persamaan arus listrik pada percabangan:

∑ = ∑

Gambar 1.8. Percabangan kawat berarus listrik

Hambatan pada rangkaian seri Pada rangkaian seri nampak tak ada percabangan sehingga arus listrik yang mengalir pada tiap komponen listrik adalah sama besar.

Ketentuan pada hambatan rangkaian seri:

1. Arus listrik 3. Hambatan listrik pengganti = = =

2. Beda potensial 4. Rangkaian seri resistor disebut = rangkaian pembagi tegangan =

= = ( )

Hambatan pada rangkaian paralel Pada rangkaian paralel nampak bahwa beda potensial untuk tiap komponen listrik adalah sama besar tapi adanya percabangan membuat arus lsitrik yang mengalir pada tiap komponen listrikmengikuti ketentuan arus pada percabangan.

Ketentuan pada hambatan susunan paralel 1. Arus listrik 2. Beda potensial = + = 3. Hambatan listrik pengganti

=

=  =

4. Rangkaian parallel resistor disebut rangkaian pembagi arus.

Contoh Soal

08. Perhatikan gambar di samping!.

a. Apabila semuan nilai R masing-masing bernilai 10 , berapakah nilai R total

antara titik A dan B pada gambar rangkaian di atas?

b. Apabila semua R di ganti dengan lampu-lampu yang identik serta titik A dan B dihubungkan ke baterai 5 volt, tentukan lampu-lampu yang menyala sama terang dan sama redup serta adakah lampu yang menyala paling terang dan atau paling redup?

Jawab

Rangkaian pada gambar termasuk rangkaian campuran antara paralel dan seri.

a.

b. Lampu-lampu menyala sama terang : L3 dan L4

Lampu-lampu menyala sama redup : L1, L2, dan L3

Lampu menyala paling terang : tidak ada Lampu menyala paling redup : tidak ada

Energi dan Daya Listrik

Pada lampu terjadi proses pengubahan dari energi listrik menjadi energi cahaya dan panas. Dengan demikian makin besar energi listrik yang dappat diubah ke cahaya maka lampu akan menyala makin terang.

Gambar 1.11. Lampu dengan nilai daya dan beda potensial serta lampu terangkai pada rangkaian.

Energi listrik yang tak lain dari energi potensial listrik, dirumuskan sebagai berikut:

= =

Besaran energi listrik ini pula yang menjadi perhitungan pembayaran rekening listrik pelanggan ke pihak jasa penyedia

listrik yang dinyatakan dalam daya listrik terpakai dengan satuan kilo watt hour (kWh)

Perumusan Daya Listrik

P = =  P =

Karena , maka perumusan Daya Listrik memilik variasi lain:

P = atau P =

Daya Listrik yang sebenarnya (real/nyata) akibat nilai beda potensial sumber listrik yang tidak sesuai dengan beda potensial yang diharapkan peralatan listrik seperti lampu dan lainnya: =

=  = ()

Contoh Soal

09. Dua liter air bersuhu 20^oC hendak dididihkan dengan menggunakan ketel listrik 200 W 220 V. Apabila ketel dioperasikan pada sumber tegangan 220 V, berapa lama waktu yang diperlukan? (_air = 1 gr.cm^-3 dan cair = 4200 J.kg^-1.

oC^-1).

Jawab

Dari besaran-besaran yang diketahui di dalam soal, nilai massa (m) tidak diketahui sedangkan untuk menghitung t kita perlu informasi nilai m. Untuk itu kita lakukan perhitungan nilai m terlebih dahulu dengan cara:

E = Qair = m c T  m = _V Pt = m c T = (1 gr.cm^-3)(2x10³ cm³)

t = = 2000 gr = 2 kg = ( )( )( )

= 3360 s = 56 menit

10. Perhatikan gambar lampu pijar di samping!.

Apabila lampu pijar tersebut dihubungkan pada beda potensial 110 V, berapakah

rosentase perubahan nilai daya lampu tersebut?.

Jawab

= ()

= () = 15 W

= |( )|

= 75%

60 W 220 V 3

R

B A

R1 R2 R5

A

R1 R2 Rp R5

B

=1 R + 1 Rp

Rp =10 3

1 R 4

=1 10+ 1 Rp

1 10

= 2 10 1 Rp

= 5 

RT B A

bentuk akhir seri R T = R1 R2 Rp R5+ + +

= 10 10+ +5 10+

= 35 

i

+V = V_ ...

25 W 220 V

+ _

V = V

+ _

V = V R₁ R₂

R₁ R₂

 + _

Rs

V = V

i_s i_s i_s i_s i_s i_s

is is is is

V1 V2

V1 V2 Vs

Gambar 1.9. Rangkaian seri pada lampu dan resistor i₁

i₂

i i_A

i_B

+ _

+ _ V2

R2 R₁

V2 R2 V₁ R1

i₂ i₁



+ _ Rp Vp

i_p i_p i_p i_p i_p i_p

i_p _V i_p i_p

1

Gambar 1.10. Rangkaian paralel pada lampu dan resistor