arus listrik dan hukum Ohm

arus listrik dan

hukum Ohm

PHYSI S

Tujuan

Dapat menentukan :

 arus listrik,

 hambatan listrik,

 energi listrik,

 daya listrik

2

PHYSI S

Arus listrik

Definisi: arus listrik adalah jumlah total muatan yang melewati suatu lokasi per satuan waktu.

Misalkan jumlah muatan Q yang melewati area A dalam selang waktu t, maka arus merupakan perbandingan antara muatan dan waktu tersebut.

Satuan SI untuk arus listrik adalah ampere (A).

1 A = 1 C/s ( 1 C muatan yang melewati area dalam selang waktu 1 s)

Arus Konvensional dinyatakan sebagai aliran yang searah dengan pergerakan muatan positif.

PHYSI S

Laju hanyutan (Drift Speed)

Arus listrik dibawa oleh “pembawa muatan”

Jenis jenis pembawa muatan: Elektron bebas

(konduktor); Hole (semikonduktor); Polaron (polimer)

Pada logam, misalnya 1 atau 2

elektron per atom, elektron tsb

bergerak pada jarak singkat

dengan laju sangat tinggi,

sekitar 10

⁶

ms

^-1

secara acak

PHYSI S

Apakah laju hanyutan itu ?

Contoh: setiap lebah bergerak secara acak dengan laju sangat tinggi. Tetapi ‘kerumunan’ lebah akan bergerak dengan laju ‘hanyutan’ yang lebih kecil dari laju masing masing lebah!

drift

Laju hanyutan elektron:

^{4 1}

drift

 10

^

ms

^

v

PHYSI S

Laju hanyutan

A

v_drift

l

Jumlah muatan yang melalui permukaan A dalam selang waktu dalam selang

waktu dt:

n: jumlah pembawa muatan per satuan vol.

q: muatan yang dibawa oleh satu pembawa muatan

A

v_drift

l

nq t

Av

Q  (

_drift

 )



drift

t qnAv

I Q 



 

PHYSI S

Contoh soal 1

Jumlah muatan yang melewati filamen dari lampu bolam dalam 2.00 s adalah 1,67 C. Tentukan :

(a) arus listrik pada lampu

(b) Jumlah elektron yang melewati filament dalam 1 detik.

Solusi : a.

b.

1.67

2.00 0.835

Q C

I  t s A

  



7

 

1 18

19

9

1.60 10 / 0.835

0.835 1

5.22 10

.60 10 /

N

q

N C electron C

N C

C e

N electron

le o s ctr n





  

 

 

PHYSI S

Contoh soal 2

 solusi

PHYSI S

PHYSI S ¹⁰

Hambatan Listrik dan Hukum Ohm

 Ketika tegangan listrik (beda potensial) diberikan pada ujung-pangkal

konduktor logam maka didapatkan arus yang sebanding dengan tegangan yang diberikan.

I   V

V

I

I

V

R V

I

 

Dengan satuan R : volt/ampere atau ohm (Ω).

PHYSI S

11

Hukum Ohm

Georg Simon Ohm (1787-1854)

V IR

 

I

V

I

V

Linier atau Ohmic Material

Non-Linier atau Non-Ohmic Material

Semiconductors e.g. diodes Most metals, ceramics

Beda potensial sebanding dengan arus dengan

konstanta pembanding adalah hambatan listrik R

V +

R

A

PHYSI S

12

Contoh soal 3

Sebuah setrika listrik menarik arus 2A ketika dihubungkan dengan sumber

tegangan 220 V. Tentukan hambatan

listrik dari seterika tersebut.

PHYSI S

Contoh soal 5

 solusi

PHYSI S ¹⁴

Hambat jenis (Resistivity)

 Pergerakan elektron dalam konduktor mengalami

hambatan oleh adanya tumbukan dengan atom-atom di dalamnya.

 Nilai hambatan ini akan sebanding dengan panjang l dan berbanding terbalik dengan luas penampang A dari konduktor.

R l

 A



PHYSI S

15

 Konstanta kesebandingan ρ disebut hambat jenis bahan (resistivity) dengan satuan Wm.

 Konduktor mempunyai hambat jenis rendah dan Insulator mempunyai hambat jenis tinggi.

 Nilai hambat jenis tergantung lingkungan misalnya temperatur.

• α disebut temperature coefficient of resistivity.

 Sehingga untuk konduktor dengan luas penampang tetap berlaku :

 

o

1 T T

o

   ^     ^ 

 

o 1 o

R  R ^    T  T ^ 

Hambat jenis

PHYSI S

Resistivitas vs suhu…

Resistivitas vs suhu untuk bahan logam seperti tembaga

Resistivitas vs suhu untuk bahan

semikonduktor murni seperti silikon dan germanium

Semikonduktor konduktor

PHYSI S

Material Resistivity (10^-8 Wm) Material Resistivity (10^-8 Wm)

Silver 1.61 Bismuth 106.8

Copper 1.70 Plutonium 141.4

Gold 2.20 Graphite 1375

Aluminum 2.65 Germanium 4.6x10⁷

Pure Silicon

3.5 Diamond 2.7x10⁹

Calcium 3.91 Deionized

water

1.8x10¹³

Sodium 4.75 Iodine 1.3x10¹⁵

Tungsten 5.3 Phosphorus 1x10¹⁷

Brass 7.0 Quartz 1x10²¹

Uranium 30.0 Alumina 1x10²²

Mercury 98.4 Sulfur 2x10²³

PHYSI S

Resistivitas vs suhu…

Ada beberapa logam atau senyawa yang resistansinya turun drastis menjadi nol jika berada dibawah suhu tertentu yang disebut

suhu kritis, Tc. Bahan ini dikenal sebagai superkonduktor

PHYSI S

Contoh soal 4

solusi

PHYSI S

20

Energi dan Daya Listrik

 Dengan adanya tumbukan pada proses pergerakan elektron dalam konduktor maka energi listrik dapat berubah menjadi energi termal yang selanjutnya menghasilkan kalor. Contoh pemanas, setelika, toaster, lampu pijar.

 Laju perubahan energi ini disebut Daya P dengan satuan watt (joule/s)

 Dari hukum Ohm :

E Q

P V I V

t t

 

    

 

 

²

2

V

P I V I R

R

    

Pada sebuah lampu pijar tertulis 100W, 220V. Perkirakan hambatan listrik dari lampu pijar tersebut!

PHYSI S ²¹

Contoh soal 5:

Sebuah pemanas listrik beroperasi 3 jam sehari selama 30 hari. Jika harga pemakaian listrik per kWh Rp. 300, berapakah biaya yang harus dikelurkan jika pemanas beroperasi pada

tegangan 120V dan menarik arus 15A.

Solusi

Biaya = Rp.300 x 162 = Rp. 48.600

t V

I t

P

E    



= 15 (A) 120 (V) 3 (h) 30

= 162.000 Wh

= 162 kWh

PHYSI S

Contoh soal 6

arus