i
Kata Pengantar
Puji syukur penyusun panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas kasih karunia dan hikmat-Nya penyusun dapat menyusun modul mata pelajaran fisika kelas IX. Modul ini adalah bahan ajar yang dapat digunakan siswa secara mandiri untuk mencapai kompetensi belajar. Selain itu, modul juga dapat digunakan sebagai panduan kegiatan belajar siswa dalam mengikuti pembelajaran serta kegiatan tutorial mandiri sehingga siswa tidak bergantung pada pihak lain.
Modul yang telah disusun sedemikian menarik ini sehingga diharapkan dapat membantu siswa untuk lebih antusias dalam belajar fisika khususnya mengenai listrik dinamis, daya dan energi. Modul ini dilengkapi dengan kegiatan belajar siswa yang bervariasi yaitu disediakannya soal-soal yang menantang, permainan, refleksi, percobaan dan lain-lain.
Penyusun berterima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam proses penyusun modul ini. Penyusun berharap pengguna modul dapat memberikan saran-saran untuk perbaikan modul selanjutnya. Semoga modul ini bermanfaat bagi pengguna modul.
Karawaci, Maret 2016
ii
Daftar isi
Kata Pengantar ... i
Daftar isi ... ii
Daftar Gambar ... iii
Pendahuluan ... 1
BAB. 1 Listrik dinamis ... 4
A. Arus Listrik ... 4
B. Sumber Arus Listrik ... 5
1. Sel Primer... 6
2. Sel Sekunder ... 8
C. Beda Potensial ... 12
D. Rangakaian Listrik ... 13
1. Rangkaian tak bercabang ... 13
2. Rangkaian bercabang ... 14
3. Rangkaian terbuka dan tertutup ... 15
E. Hambatan ... 16
F. Rangkaian Hambatan ... 17
1. Rangkaian Seri ... 17
BAB. 2 Energi dan Daya Listrik ... 27
A. Energi Listrik ... 27
B. Daya Listrik ... 30
1. Hubungan antara Daya dan Energi Listrik ... 31
2. Hubungan antara satuan Watt, Joule dan kWh ... 36
Glosarium ... v
Daftar Pustaka ... vii
Kunci jawaban Listrik Dinamis ... viii
iii
Daftar Gambar
Gambar 1. Petir ... 1
Gambar 2. Pembangkit Listrik ... 1
Gambar 3. Peralatan Rumah Tangga yang menggunakan sumber arus listrik ... 1
Gambar 4. George S. Ohm ... 3
Gambar 5. Kincir Air ... 4
Gambar 6. Andre M. Ampere ... 6
Gambar 7. Alessandro Volta ... 7
Gambar 8. Sel Volta ... 7
Gambar 9. Sel Watson ... 7
Gambar 10. Baterai ... 8
Gambar 11. Gambar aki ... 9
Gambar 12. Rangkaian listrik tak bercabang ... 13
Gambar 13. Rangkaian listrik bercabang ... 14
Gambar 14. (a) Tegangan listrik rangkaian tak bercabang, (b) tegangan listrik rangkaian bercabang. ... 14
Gambar 15. (a) rangkaian terbuka, (b) rangkaian tertutup ... 16
Gambar 16. Rangkaian Seri ... 17
Gambar 17. (a) rangkaian lampu seri, (b) rangkaian baterai seri ... 18
Gambar 18. Rangkaian Paralel ... 19
Gambar 19. Lampu paralel ... 20
Gambar 20. Contoh perubahan energi listrik pada alat rumah tangga: (a) setrika listrik (listrik-kalor), (b) bohlam (listrik-cahaya), (c) rice coocker (listrik-kalor), dan (d) televisi (listrik-cahaya dan bunyi). ... 27
Gambar 21. Lampu bohlam ... 30
Gambar 22. James Watt ... 31
Gambar 23. Ular tangga ... 35
iv
3.1. Memahami konsep kelistrikan dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari
3.2. Menganalisis percobaan listrik dinamis dalam suatu rangkaian serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari
3.3. Mendeskripsikan muatan listrik untuk memahami gejala-gejala listrik statis serta kaitannya dalam kehidupan sehari-hari
Untuk membantu Anda dalam mempelajari kegiatan belajar ini, ada baiknya diperhatikan beberapa petunjuk belajar berikut ini:
1. Bacalah dengan cermat bagian pendahuluan sampai anda memahami secara tuntas tentang apa, untuk apa dan bagaimana mempelajari bahan ajar ini. 2. Tangkap konsep dasar esensial dan pengertian demi pengertian melalui
pemahaman sendiri kemudian diskusikan dengan teman atau tutor anda. 3. Untuk memperluas wawasan, baca dan pelajari sumber-sumber lain yang
relevan.
4. Mantapkan pemahaman anda dengan mengerjakan latihan dan melalui kegiatan diskusi dalam tutorial dengan teman sejawat.
5. Jangan lewatkan untuk menjawab soal-soal latihan dalam setiap akhir kegiatan belajar.
Tujuan Pembelajaran
1 Pendahuluan
Pada saat hujan turun, pernahkah kamu melihat petir? Petir adalah peristiwa alam yang sangat berbahaya dan ditakuti semua orang, karena petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara.
Apabila seseorang tersambar petir, maka tubuh orang tersebut akan terbakar. Akibat berbahayanya petir, maka gedung-gedung bertingkat yang cukup tinggi dilengkapi dengan penangkal petir. Petir merupakan gejala alam yang timbul karena berkumpulnya sejumlah besar elektron yang disebut listrik statis.
Berbeda dengan listrik yang
digunakan di rumah kalian masing-masing.
Listrik yang digunakan berasal dari
pembangkit tenaga listrik. Listrik tersebut mengalir melalui sebuah kabel penghantar sehingga disebut listrik dinamis. Listrik dinamis adalah kajian kelistrikan yang
muatannya bergerak/mengalir. Pada pelajaran listrik dinamis ini, kamu akan mengenal istilah yang disebut dengan arus listrik, beda potensial, dan hambatan listrik.
Listrik yang kini dapat dirasakan di rumah sehari-hari merupakan listrik yang muatannya bergerak. Peralatan listrik yang digunakan
Gambar 1. Petir
Gambar 2. Pembangkit Listrik
Gambar 3. Peralatan Rumah Tangga yang menggunakan sumber arus listrik
2
untuk berbagai keperluan akan mengurangi jumlah energi yang tersedia karena energi listrik berubah menjadi bentuk energi yang lain. Besarnya energi listrik yang berubah tersebut ditentukan oleh besarnya daya dari alat listrik yang digunakan. Apakah yang dimaksud dengan energi listrik dan daya listrik? Apa hubungan keduanya? Bagaimanakah penerapannya dalam kehidupan sehari-hari? Kamu akan menemukan jawabannya setelah mempelajari modul ini. Setelah mempelajari modul ini, diharapkan kamu dapat mendeskripsikan pengertian energi dan daya listrik, mendeskripsikan hubungan energi dengan daya listrik, serta menghitung besarnya energi listrik yang digunakan dan biaya yang harus dibayarkan untuk dapat memanfaatkan dan menghemat listrik yang digunakan,
3
LISTRIK
DINAMIS
Arus Listrik Sumber Arus Listrik Sel Primer Sel Sekunder Beda Potensial Rangkaian Listrik Rangkaian Listrik Tak Bercabang Rangkaian Listrik Bercabang Rangakaian Terbuka dan Tertutup Hambatan Listrik RangkaianHambatan Rangkaian Seri
Rangkaian Paralel
George Simon Ohm (1787 - 1854) adalah ahli fisika Jerman yang terkenal dengan penelitiannya tentang arus listrik. Ia dilahirkan di Erlangen dan menempuh pendidikan di University of Erlangen. Dari 1833 sampai 1849, ia menjabat sebagai direktur Polytechnic Institute of Nürnberg, dan dari 1852 sampai akhir hayatnya, ia menjadi professor fisika di University of Munich. Perumusannya tentang hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dikenal sebagai Hukum Ohm yang menjadi hukum dasar listrik dinamis.
4
Apakah kalian tahu, bagaimana air dalam Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)? Nah, PLTA ini menggunakan kincir Air untuk menghasilkan arus listrik. George Simon Ohm (1787 - 1854) adalah ahli fisika Jerman yang terkenal dengan penelitiannya tentang arus listrik. Ia dilahirkan di Erlangen
dan menempuh pendidikan di University of Erlangen. Dari 1833 sampai 1849, ia menjabat sebagai direktur Polytechnic Institute of Nürnberg, dan dari 1852 sampai akhir hayatnya, ia menjadi professor fisika di University of Munich. Perumusannya tentang hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dikenal sebagai Hukum Ohm yang menjadi hukum dasar listrik dinamis
Pernahkan kalian memperhatikan kincir air? Ketika air menyentuh kincir, maka kincir akan menggerakkan turbin. Setelah turbin bergerak, generator akan bergerak pula dan menghasilkan arus.
BAB. 1 Listrik dinamis
Listrik dinamis adalah listrik yang dapat bergerak atau berubah-ubah atau uang bisa juga disebut arus listrik. Arus listrik ini berasal dari aliran electron yang berlangsung secara teus menerus dari kutub negatif ke kutub positif, dari potensial tinggi ke potensial yang lebih rendah dari sumber tegangan (beda potensial). A. Arus Listrik
Seperti halnya air yang mengalir karena adanya perbedaan ketinggian, muatan listrik pun dapat mengalir karena adanya suatu perbedaan, yaitu perbedaan potensial listrik. Proton dan elektron dalam suatu muatan listrik mengalir dengan arah yang berbeda. Proton yang menyebabkan listrik bermuatan positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Sedangkan, electron (muatan listrik
5
𝑰 =𝑸
𝒕 𝒂𝒕𝒂𝒖 𝑸 = 𝑰 × 𝒕
negatif) mengalir dari tempat yang potensialnya rendah ke tempat yang potensialnya tinggi. Menurutmu, apakah kedua aliran muatan ini merupakan arus listrik? Yang disebut arus listrik hanyalah salah satu di antaranya, yaitu aliran proton atau muatan listrik positif yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah.
Secara fisika, besar arus listrik atau disebut dengan kuat arus listrik, didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik positif yang mengalir pada suatu penghantar tiap satu satuan waktu, dapat
ditulis oleh persamaan: Keterangan:
Q = muatan listrik (Coloumb, C) I = kuat arus listrik (Ampere, A) t = waktu (sekon, s)
1. Arus yang mengalir pada sebuah kawat tembaga dalam waktu 5 menit adalah 2 A. Hitunglah muatan listrik yang mengalir pada kawat tersebut!
Penyelesaian: Diketahui : I = 2 A t = 5 menit = 300 s Ditanya : Q = ? Jawab: Q = I × t = 2 ⋅ 300 = 600 C
Jadi, muatan listrik yang mengalir pada kawat tembaga tersebut adalah 600.
B. Sumber Arus Listrik
Apakah kalian pernah memakai lampu senter yang dapat memancar cahaya hanya dengan menggunakan baterai? Pernahkan kalian berpikir, bagaimana itu bisa terjadi?
6
Sumber arus listrik adalah benda-benda yang menghasilkan arus listrik. Sumber arus listrik ini dalam kehidupan sehari-hari sering dikenal dengan istilah elemen listrik atau sel listrik. Contoh yang sering kita jumpai adalah baterai, aki, sel volta, dan lain-lain. NAH, berdasarkan kemampuannya untuk isi ulang, sel listrik dibagi menjadi dua yaitu sel primer dan sel sekunder.
Seorang fisikawan bernama Andre Marie Ampere mengemukakan hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan. Pada tahun 1820 dia menemukan prinsip dari reaksi elektromagnetik dengan menyelidiki gaya yang ditimbulkan ketika arus listrik melewati medan
magnet. Ampere atau amp adalah nama julukannya.
1. Sel Primer
Sel primer adalah sel listrik yang apabila telah habis digunakan, muatannya tidak dapat diisi kembali.
1. Sel Volta
Pembagian sel listrik berdasarkan kemampuannya:
sel listrik
sel primer
sel Volta
sel Weston
baterai
sel sekunder akumulator
(aki)
Tokoh
Pada subbab ini kita akan mempelajari: Jenis sumber listrik. Contoh-contoh
dalam kehidupan sehari-hari mengenai sumber listrik, Cara kerja sumber
listrik tersebut
7 Ditemukan oleh Alessandro Volta (1745-1827) pada tahun 1799. Gambar 7. Alessandro Volta
Prinsip kerjanya adalah tembaga (Cu) dan Zink (Zn) ke dalam larutan Asam sulfat. Tembaga sebagai elektroda positif dan zink sebagai elektroda negatif, inilah yang akan menyebabkan timbulnya perbedaan potesial. Kemudian jika tembaga dan zink
dihubungkan dengan lampu maka lampu akan menyala beberapa saat.
Kelemahan sel volta:
Arus yang mengalir kecil dan sebentar karena terjadi peristiwa polarisasi.
Tidak dapat dipakai sebagai sumber tagangan permanen 2. Sel Weston
Tersusun oleh:
a. air raksa (Hg) sebagai elektroda positif,
b. larutan (Amalgama cadmium – 1 %, cadmium 89 % Hg) sebagai elektroda negatif,
c. dan larutan elektrolit berupa larutan jenuh kednium sulfat.
Sebagai depolarisator, sel Weston menggunakan campuran merkuri Tokoh
Gambar 8. Sel Volta
8
sulfat (HgSO4) dan kadnium sulfat (CdSO4). Beda potensial yang
dihasilkan Weston adalah konstan karena tidak dipengarihu oleh suhu dan tidak megalami polarisasi. Akibatnya, sel Weston banyak digunakan untuk mengukur beda potensial.
3. Baterai
Terdiri dari dua kutub sumber tagangan yaitu kutub utara dan kutub selatan. Kutub utara menggunakan batang carbon dan kutub selatan menggunakan pelat zink. Baterai membutuhkan larutan amonium klorida ( NH4C1). Batu Baterai
juga membutuhkan campuran mangan dioksida dan serbuk karbon untuk mencegah timbulnya gelembung gas hidrogen. Di antara depolaristor dan seng terdapat pasta amonium klorida yang dicampur
2. Sel Sekunder
Sel sekunder adalah sumber arus listrik yang dapat diisi ulang ketika muatannya telah habis. Mengapa hal ini bisa terjadi? Hal ini disebakan oleh sel elektrokimia yang menjadi penyusunnya tidak memerlukan pergantian bahan perekasi meskipun telah mengeluarkan sejumlah energi lain menuju sel.
Hal yang dapat kita lihat sel sekunder dalam kehidupan sehari-hari adalah akumulator (aki). Aki terdiri atas pasangan-pasangan keeping timbal. Dioksida yang bertindak sebagai elektroda positif dan timbal sebagai elektroda negatif. Setiap pasangan memberikan beda potensial 2 volt. Aki dirangkai seri sehingga dapat menghasilkan beda potensial yang lebih besar. Dalam sel ini, kepingan-kepingan timbal dan timbal dioksida dicelupkan ke dalam larutan elektrolit asam sulfat sekitar 30%. Pada saat aki digunakan, konsentrasi larutan elektrolit akan berkurang dan hal ini yang menyebabkan tidak adanya kedua elektroda. Aki membutuhkan
9
pengisian ulang jika arus listrik tidak mengalir. Arus listrik dalirkan berlawanan arah denganarah arus lisrik yang dihasilkan aki.
Perubahan energi aki saat digunakan yaitu energi kimia menjadi energi listrik. Sedangkan saat pengisiian aki terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi energi kimia. Berikut ini adalah cara pengisian aki:
a. Hubungkan dengan suber tegangan arus DC yang beda potensialnya yang lebih tinggi dari aki tersebut.
b. Arus yang mengalir lebih kecil sehingga perlu wakt yang lebih lama. Hal ini bertujuan agar tidak merusakkan sel aki.
c. Ukur konsentrasi larutan dengan hydrometer.
d. Perhatikan ukuran kapasitas akinya dengan amprejam.
Buah jeruk nipis dapat
menghasilkan listrik. Untuk membuktikannya ayo lakukan percobaan di bawah ini!
BATERAI LISTRIK DARI JERUK NIPIS I. Tujuan Percobaan
Mengukur tegangan yang dihasilkan oel buah jeruk nipis. II. Rumusan Masalah
Berapakah tegangan listrik yang dihasilkan oleh buah jeruk nipis? Mari Bereksperimen!
10 III. Landasan Teori
Baterai adalah alat listrik kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik. Terdapat 2 proses kimia listrik pada baterai yaitu, proses pengisian dan proses pengosongan, dimana pada saat pengisian/charge energi listrik diubah menjadi energi kimia dan saat pengosongan/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik.
Baterai terdiri atas beberapa sel listrik, sel listrik tersebut menjadi penyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia. Sel baterai tersebut dinamakan elektroda-elektroda. Elektroda negatif (katoda), berfungsi sebagai pemberi elektron (penghantar). Elektroda positif (anoda) yang terbuat dari batang karbon berfungsi sebagai penerima elektron. Antara anoda dan katoda akan mengalir arus yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan elektron akan mengalir dari katoda menuju anoda.
Energi listrik selain dapat diperoleh dari bahan nonorganik, juga dapat diperoleh dari bahan organik, seperti buah. Kita dapat menggunakan buah jeruk nipis sebagai sumber listrik pengganti baterai. Jeruk nipis seperti halnya sebuah baterai mengandung asam yang bersifat elektrolit yang dapat menghasilkan energi listrik. Ketika reaksi kimia antara asam pada jeruk nipis dan lempengan-lempengan berlangsung, pada saat itulah energi listrik dapat dihasilkan. Lempengan-lempengan yang digunakan berfungsi sebagai elektroda negatif (paku yang terbuat dari besi) dan elektroda positif (uang logam dari tembaga).
IV. Alat Dan Bahan
Alat dan Bahan Jumlah (buah)
Jeruk nipis 10
Koin kuning 500 rupiah 4
Pisau 1
Jepit buaya 5
Paku 4
11 V. Rancangan Percobaan
VI. Langkah-Langkah Percobaan
1. Ambil sebuah jeruk nipis kemudian membuat sayatan untuk tempat koin.
2. Masukkan koin ke masing-masing sayatan jeruk nipis. 3. Tancapkan paku pada jeruk nipis disisi sejajar dengan koin. 4. Tancapkan kabel ke ujung koin dan paku.
5. Ukur tegangan pada buah jeruk nipis dengan menggunakan multimeter.
6. Ulangi langkah 1 sampai 5 untuk jumlah jeruk nipis 2, 3, dan 4. VII. Hasil Pengamatan
No Rangkaian Tegangan (Volt)
1. 1 buah jeruk
2. 2 buah jeruk
3. 3 buah jeruk
4. 4 buah jeruk
VIII. Kesimpulan
Berdasarkan percobaan, kita dapat menyimpulkan bahwa
……… ……… ……… ……… ……… ……… ……… ………
12
V = I × R
C. Beda Potensial
Telah disebutkan bahwa dalam suatu penghantar, arus listrik mengalir dari tempat yang potensialnya tinggi ke tempat yang potensialnya rendah. Selisih potensial antara dua tempat dalam penghantar ini disebut dengan beda potensial. Dalam Sistem Internasional, satuan beda potensial adalah volt (V).
Beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik ketika saklar terbuka dan tidak mengalirkan arus adalah gaya gerak listrik (ggl), dinotasikan ε. Sedangkan, beda potensial antara kutub-kutub suatu elemen listrik ketika saklar ditutup dan mengalirkan muatan listrik disebut tegangan jepit, dilambangkan V.
……… ………
IX. Pertanyaan
1. Mengapa jeruk nipis dapat menjadi baterai listrik?
... ... ... ... ... ... ...
2. Selain jeruk nipis, apa yang dapat menjadi alternatif menjadi baterai listrik? ... ... ... ... ... ... ...
13
V = ε – I R
Nilai V berubah-ubah bergantung pada nilai hambatan bebannya. Hubungan antara ggl dengan sumber tegangan jepit dirumuskan sebagai berikut:
dan tegangan jepit dapat dihitung dengan hambatan luar: Dari kedua persamaan di atas, maka dapat dirumuskan:
ε – I r = I R
ε = I R + I r, sehingga Keterangan:
𝐼 = Kuat arus listrik (A) 𝑅 = Hambatan luar (Ω) 𝑟 = Hambatan dalam (Ω) 𝜀 = GGL sumber listrik (V)
Sebuah aki mempunyai ggl sebesar 15 volt dan hambatan luarnya 1 ohm. Jika arus yang mengalir sebesar 10 A, berapa tegangan jepit pada kedua kutub aki? D. Rangakaian Listrik
Rangkaian listrik tediri dari sumber tegangan dan beberapa alat listrik yang berupa rangkain bercabang atau tidak.
Rangakaian bercabang dikenal dnegan rangkaian paralel, sedangkan rangkaian tidak bercabang dikenal sebagai rangkaian seri.
1. Rangkaian tak bercabang
Pada rangkaian tidak bercabang, besaran yang bernilai tetap adalah arus sehingga besar tegangan bergantung pada setiap
resistensi yang dipasang. Dengan
demikian, dapat disimpulkan bahwa besarnya arus listrik yang mengalir dalam rangkaian tidak bercabang di = I (R + r), atau I = ε
𝑅 + 𝑟
Gambar 12. Rangkaian listrik tak bercabang Latihan Mandiri
14
∑𝑖𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = ∑𝑖𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 V = VOA = VAB = VBP
mana-mana adalah sama besar.
2. Rangkaian bercabang
Pada rangkaian ini besaran yang bernilai tetap adalah tegangan di antara titik A dan B atau nilai arus sama sebelum percabangan dan sesudah percabangan dikenal sebagai Hukum Kirchoff.
Hal ini menunjukkan jumlah arus masuk sebelum percabangan sama dengan jumlah arus yang masuk setelah percabangan.
Tegangan Listrik pada rangkaian tak bercabang dan rangkaian bercabang
(a). Tegangan listrik pada rangkaian tak bercabang (b). Tegang listrik pada rangkaian bercabang
Hasil pengukuran seperti pada gambar menunjukkan bahwa tegangan listrik di setiap titik sama dengan tegangan awal sama dengan jumlah tegangan di setiap alat listrik yang dilalui arus listrik. Pada rangkaian bercabang tegangan listrik disetiap titik adalah sama besar.
(b)
V = V1 + V2
(a)
Gambar 13. Rangkaian listrik bercabang
Gambar 14. (a) Tegangan listrik rangkaian tak bercabang, (b) tegangan listrik rangkaian bercabang.
15
Pada gambar rangkaian di bawah ini, berapakah besar kuat arus I2 ?
Penyelesaian: Diketahui: I = 60 A I = 0,2 A I = 2,8 A Ditanya: I2 Jawaban: ∑𝑖𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = ∑𝑖𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 I = I1 + I2 + I3 6,0 A = 0,2 A + I2 + 2,8 A 6,0 A = 3,0 A + I2 I2 = 6,0 A – 3,0 A I2 = 3,0 A
Pada gambar rangakaian berikut, berapa arus i3 ?
3. Rangkaian terbuka dan tertutup a. Rangkaian listrik tertutup
Rangkaian listrik tertutup adalah rangkaian yang tidak memiliki ujung dan pangkal (Gambar b). Arus listrik pada rangkaian ini mengalir pada kutub positif menuju kutub negatif baterai melalui lampu. Setelah itu di dalam baterai arus listrik mengalir dari kutub negatif ke positif. Ini menunjukkan bahwa diluar sumber tegangan, arus mengalir dari kutub negatif ke positif. Pada angkain ini lampu dapat menyala.
b. Rangkaian listrik terbuka Contoh Soal
16
Rangkaian listrik terbuka adalah rangkaian yang memiliki ujung pangkal. Rangkaian ini dapat terjadi jikalau salah satu ujung kabel dilepas dari kutub baterai sehingga arus listrik tidak mengalir, sehingga mengakibatkan lampu tidak menyala (Gambar a)
Gambar 15. (a) rangkaian terbuka, (b) rangkaian tertutup
E. Hambatan
Pada 1927, seorang fisikawan Jerman bernama George Simon Ohm melakukan penelitian untuk mencari hubungan antara beda potensial dan kuat arus listrik. Berdasarkan hasil penelitiannya, Ohm membuat suatu grafik beda potensial terhadap arus listrik. Ternyata, grafik tersebut membentuk suatu garis lurus yang condong ke kanan dan melalui titik pusat koordinat (0, 0). Dari grafik ini, Ohm menemukan bahwa kemiringan grafik sama dengan besar hambatan rheostat yang digunakannya dalam penelitian tersebut. Berdasarkan penelitian ini, Ohm membuat kesimpulan yang hingga kini dikenal dengan sebutan Hukum Ohm, yang berbunyi: “Pada suhu tetap, tegangan listrik V pada suatu penghantar
sebanding dengan kuat arus yang mengalir pada penghantar tersebut”.
Kesimpulan ini dapat dirumuskan dengan persamaan:
dengan: V = beda potensial (volt, V)
I = kuat arus listrik (ampere, A) R = hambatan (Ohm, Ω) 𝑹 =𝑽 𝑰 𝒂𝒕𝒂𝒖 𝑽 = 𝑰 × 𝑹 (b) (a) 𝑹 =𝑽 𝑰 𝒂𝒕𝒂𝒖 𝑽 = 𝑰 × 𝑹
17
Hambatan sebuah setrika listrik yang dipakai pada tegangan 220 V adalah 40 Ω. Berapakah kuat arus listrik yang harus dialirkan pada penghantar agar setrika tersebut dapat berfungsi?
Diketahui : V = 220 V R = 40 Ω Ditanya : I = ? Penyelesaian V=IR⇔𝐼 =𝑉 𝑅 I = 220 V 40 Ω = 5,5 A
Jadi, arus listrik yang diperlukan setrika tersebut adalah sebesar 5,5 A. F. Rangkaian Hambatan
Pernahkah Anda bertanya mengapa di rumah Anda terdapat banyak saklar? Ketika saklar dimatikan, maka semua lampu padam. Hal ini dikarenakan lampu-lampu itu disusun dengan rangkaian seri. Banyaknya saklar di rumah adalah untuk menghindari terhentinya semua aliran listrik jika Anda mematikan lampu. Banyaknya saklar menunjukkan bahwa rangkaian yang digunakan adalah rangkaian paralel.
1. Rangkaian Seri
Rangkaian seri adalah rangkaian listrik ketika semua hambatan listrik (atau peralatan listrik) disusun berderet, ujung hambatan satu bersambungan dengan ujung hambatan yang lainnya. Rangkaian seri dibuat untuk membagi-bagi beda potensial sekaligus memperbesar hambatan listrik.
Jika terdapat beberapa hambatan yang dirangkai secara seri dan dihubungkan dengan sumber listrik maka masing-masing hambatan tersebut
Contoh Soal
18 Contoh
Gambar 17. (a) rangkaian lampu seri, (b) rangkaian baterai seri
dilalui oleh arus listrik yang sama besar. Dengan demikian dari rangkaian tersebut diperoleh:
𝑉𝐴𝐵 = 𝐼 × 𝑅1, 𝑉𝐵𝐶 = 𝐼 × 𝑅2, 𝑉𝐶𝐷= 𝐼 × 𝑅3 𝑉𝐴𝐷 = 𝐼(𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3)
Atau
Maka dapat di tulis 𝑉𝐴𝐷 = 𝑉𝐴𝐷
𝐼(𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3) = 𝐼 × 𝑅𝑠
Karena besar 𝐼 pada kedua ruas sama maka dapat di hilangkan. Sehingga menjadi
Empat buah hambatan masing-masing besarnya 2 Ω, 3 Ω, 4 Ω dan 6 Ω dirangkai secara seri dengan beda potensial yang masuk sebesar 30 V. Tentukanlah:
a. Hambatan total
b. Kuat arus listrik di setiap resistor
c. Tegangan listrik yang melalui setiap hambatan
Penyelesaian
𝑉𝐴𝐷= 𝐼 × 𝑅𝑠
(a) (b)
𝑉𝐴𝐷= 𝑉𝐴𝐵+ 𝑉𝐵𝐶 + 𝑉𝐶𝐷
19 Diketahui : 𝑉 = 30 V 𝑅1 = 2 Ω, 𝑅2 = 3 Ω, 𝑅3 = 4 Ω dan 𝑅4 = 6 Ω Ditanya : 𝑅𝑠 = ……? 𝐼𝑡 = ……? 𝑉1, 𝑉2, 𝑉3, 𝑉4 = ……? Jawab : a. 𝑅𝑠 = 𝑅1+ 𝑅2+ 𝑅3+ 𝑅4 𝑅𝑠 = 2 + 3 + 4 + 6 = 15 Ω b. 𝐼 = 𝑉 𝑅𝑠 𝐼 =30 15= 2 A 𝐼 = 𝐼𝑡 = 2 A c. 𝑉1= 𝐼 × 𝑅1= 2 × 2 = 4 V 𝑉2= 𝐼 × 𝑅2= 2 × 3 = 6 V 𝑉3= 𝐼 × 𝑅3= 2 × 4 = 8 V 𝑉4= 𝐼 × 𝑅4= 2 × 6 = 12 V 1. Rangkaian Paralel
Rangkaian paralel adalah penyusunan
komponen-komponen listrik secara berjajar. Rangkaian ini berfungsi untuk membagi-bagi arus dan memperkecil hambatan listrik. Jika suatu hambatan listrik dirangkai paralel, maka beda Jika terdapat beberapa hambatan yang dirangkai secara paralel dan dihubungkan dengan sumber listrik maka masing-masing ujung-ujung hambatan tersebut mempunyai beda potensial yang sama. Dengan demikian, dari rangkaian tersebut diperoleh : 𝑉𝑅1 = 𝐼1× 𝑅1, 𝑉𝑅2 = 𝐼2× 𝑅2, 𝑉𝑅3= 𝐼3× 𝑅3 𝐼1 = 𝑉𝑅1 𝑅1 = 𝑉𝐴𝐵 𝑅1 , 𝐼2 = 𝑉𝑅2 𝑅2 = 𝑉𝐴𝐵 𝑅2 , 𝐼3 = 𝑉𝑅3 𝑅3 = 𝑉𝐴𝐵 𝑅3 Jika besar hambatan gantinya (𝑅𝑃), maka
𝑉𝐴𝐷= 𝑉𝑅1= 𝑉𝑅2= 𝑉𝑅3
𝐼 = 𝐼1+ 𝐼2+ 𝐼3
20 Contoh Soal 𝐼 = 𝐼1+ 𝐼2+ 𝐼3 𝑉𝐴𝐵 𝑅𝑃 = 𝑉𝐴𝐵 𝑅1 + 𝑉𝐴𝐵 𝑅2 + 𝑉𝐴𝐵 𝑅3 𝑉𝐴𝐵 𝑅𝑃 = 𝑉𝐴𝐵( 1 𝑅1+ 1 𝑅2+ 1 𝑅3)
Karena besar 𝑉𝐴𝐵 pada kedua ruas sama maka dapat dihilangkan. Sehingga
Tiga buah hambatan masing-masing besarnya 2 Ω, 3 Ω dan 6 Ω dirangkai secara pararel dengan kuat arus yang masuk sebesar 18 A. Tentukanlah:
a. Hambatan total
b. Tegangan listrik yang melalui setiap hambatan c. Kuat arus listrik di setiap resistor
Penyelesaian Diketahui : 𝐼 = 18 A 𝑅1 = 2 Ω, 𝑅2 = 3 Ω, dan 𝑅3 = 6 Ω Ditanya : 𝑅𝑃 = ……? 𝑉𝑡 = ……? 𝐼1, 𝐼2, 𝐼3 = ……? Jawab : a. 1 𝑅𝑃
=
1 𝑅1+
1 𝑅2+
1 𝑅3Gambar 19. Lampu paralel
1 𝑅𝑃= 1 𝑅1+ 1 𝑅2+ 1 𝑅3
21 1 𝑅𝑃
=
1 2+
1 3+
1 6 1 𝑅𝑃=
3+2+1 6=
6 6= 1
𝑅𝑃 = 1b. Berdasarkan hukum ohm, 𝑉𝑡= 𝑉1= 𝑉2 = 𝑉3 𝑉𝑡 = 𝐼 ×𝑅𝑃 𝑉𝑡 = 18 ×1 = 18 V c.
𝐼
1=
𝑉1 𝑅1=
18 2= 9
A𝐼
2=
𝑉2 𝑅2=
18 3= 6
A𝐼
3=
𝑉3 𝑅3=
18 6= 3
A22
Sumber arus listrik dikenal dengan istilah elemen listrik atau sel listrik Berdasarkan kemampunyanya sel listrik dibagi menjadi dua yaitu sel
primer dan sel sekunder.
Sel listrik yang termasuk sel primer adalah sel volta, sel Weston, dan baterai.
Sel listrik yang termasuk sel sekunder adalah akumulator.
Rangkaian seri dibuat untuk membagi-bagi beda potensial sekaligus memperbesar hambatan listrik.
Hambatan pengganti untuk hambatan-hambatan yang disusun seri adalah:
𝑅𝑠 = 𝑅1+ 𝑅2 + 𝑅3
Arus mengalir dalam satu lintasan di dalam rangkain seri. Di dalam rangkaian pararel arus terpecah ke dalam setiap cabang di dalam rangkaian.
Hambatan pengganti untuk hambatan-hambatan yang disusun paralel adalah: 1 𝑅𝑃 = 1 𝑅1+ 1 𝑅2+ 1 𝑅3
Lakukanlah evaluasi diri dengan menjawab beberapa pertanyaan di bawah ini. Jika semua pertanyaan dijawab dengan ‘ya’, berarti kamu telah menguasai bab ini dengan baik. Namun jika ada pertanyaan yang dijawab dengan ‘tidak’, kamu perlu mempelajari lagi materi yang berkaitan dengan pertanyaan itu.
1. Dapatkah kamu menjelaskan rangkaian listrik maupun hambatan yang disusun secara seri dan paralel? Apa keuntungan dan kerugiannya? Kilasan Materi
23 A. Pilihan Berganda
Pilih salah satu jawaban yang paling tepat dengan memberi tanda (x) pada huruf a, b, c, atau d!
1. Pernyataan mengenai elemen Volta berikut adalah benar, kecuali: a. Tembaga (Cu) berfungsi sebagai kutub positif (anode).
b. Seng(Zn) berfungsi sebagai kutub negatif (katode). c. Asam Sulfat berfungsi sebagai elektrolit.
d. Reaksi kimia pada elemen volta menghasilkan gelembung Oksigen. 2. Bagian baterai yang di tunjukkan nomor 2 dan 3 adalah....
a. karbondan seng
b. amonium klorida dan batang arang c. mangan dioksida dan karbon
d. mangan dioksida dan amonium klorida 3. Muatan listrik yang mengalir dari
potensial tinggi ke potensial rendah disebut .... a. beda potensial
b. arus listrik c. hambatan listrik d. gaya gerak listrik
4. Pernyataan berikut yang tidak tepat adalah ....
a. kuat arus listrik berbanding terbalik dengan waktu b. muatan listrik berbanding terbalik dengan waktu c. kuat arus listrik berbanding lurus dengan muatan
d. muatan listrik berbanding lurus dengan kuat arus dan waktu 5. Hambatan di susun seperti gambar berikut.
Jika beda potensial antara ujung - ujung PQ 6 Volt, kuat arus yang mengalir melalui penghantar PQ adalah ....
a. 0,5 A
24 b. 1,0 A
c. 1,5 A d. 2,5 A
6. Arus listrik yang mengalir pada rangkaian tertutup mengair pada kutub... menuju...
a. Positif – negatif b. Positif – positif c. Negatif – positif d. Negatif – negatif
7. Pada rangkaian dibawah ini berapakah kuat arus I1?
a. 40mA b. 60mA c. 80mA d. 100mA
8. Empat buah hambatan masing-masing besarnya 𝑅1 = 5 Ω, 𝑅2 =10 Ω, 𝑅3 =15 Ω dan 𝑅4 =20 Ω dirangkai seri, maka hambatan penggantinya ….
a. 55 b. 50 c. 45 d. 40
9. Tiga buah hambatan masing-masing besarnya 𝑅1 = 2 Ω, 𝑅2 = 4 Ω dan 𝑅3 =8 Ω dirangkai secara paralel, maka hambatan penggantinya….
a. 7 8 b. 1 c. 8 7 d. 2
10. Lima buah resistor masing-masing memiliki hambatan 5 Ω disusun secara paralel. Rangkaian tersebut dihubungkan dengan tegangan 20 V. Kuat arus listrik yang melewati setiap hambatan adalah ….
a. 4 A b. 20 A c. 5 A
25 d. 10 A
B. Isian
1. Sumber arus listrik ini dalam kehidupan sehari-hari sering dikenal dengan istilah...
2. Sel Weston menggunakan campuran...dan... sebagai depolarisator
3. Besar kuat arus I1 pada rangkaian tersebut adalah...
4. Nilai arus sama sebelum percabangan dan sesudah percabangan dikenal sebagai....
5. Rangkaian yang memiliki ujung pangkal disebut... C. Esayy
1. Dua buah baterai dengan ggl masing-masing 3 volt dan hambatan dalam 0,5 Ω disusun seri. Hambatan luar R = 1,5 Ω dirangkai seperti gambar. Tentukan besar kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian!
2. Jelaskan perbedaan kuat arus listrik pada rangkaian tak bercabang dan bercabang!
3. Berapakah hambatan pengganti dari rangkaian hambatan di bawah ini (gambar a)?
4. Pada gambar di atas (gambar b) jika 𝐼 = 1 A. Berapa kuat arus listrik yang melalui hambatan 𝑅1 dan 𝑅1?
(b)
26
Peralatan listrik yang digunakan untuk berbagai keperluan akan mengurangi jumlah energi yang tersedia karena energi listrik berubah menjadi bentuk energi yang lain. Besarnya energi listrik yang berubah tersebut ditentukan oleh besarnya daya dari alat listrik yang digunakan. Apakah yang dimaksud dengan energi listrik dan daya listrik? Apa hubungan keduanya? Bagaimanakah penerapannya dalam kehidupan sehari-hari? Kamu akan menemukan jawabannya setelah mempelajari bab ini.
Setelah mempelajari bab ini, diharapkan:
1. Mendeskripsikan pengertian energi dan daya listrik 2. Mendeskripsikan hubungan energi dengan daya listrik
3. Menghitung besarnya energi listrik yang digunakan dan biaya yang harus dibayarkan
ENERGI DAN
DAYA LISTRIK
Energi Listrik Daya Listrik Hubungan antara daya dan energilistrik Hubungan antara satuan Watt, Joule,
27
BAB. II Energi dan Daya Listrik
A. Energi ListrikTahukah Anda bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan? Hukum kekekalan energi yang berbunyi: “Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya bisa berubah bentuk dari bentuk yang satu ke bentuk lainnya”.
Dengan kata lain, tidak ada manusia yang dapat menciptakan atau menghilangkan energi. Energi hanya dapat diubah bentuknya dari bentuk energi satu ke bentuk energi lain. Perubahan-perubahan energi inilah yang banyak dimanfaatkan untuk kebutuhan hidup manusia salah satunya adalah perubahan energi listrik. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi lain di antaranya sebagai berikut:
1. Energi listrik dapat diubah menjadi energi kalor, misalnya di dalam setrika listrik, kompor listrik, solder listrik, dan oven listrik.
2. Energi listrik dapat diubah menjadi energi gerak, misalnya pada motor listrik, kipas angin, dan bor listrik.
3. Energi listrik dapat diubah menjadi energi cahaya, misalnya pada lampu listrik. 4. Energi listrik dapat diubah menjadi energi kimia, misalnya pada pengisian aki dan pada proses penyepuhan.
Pemindahan energi listrik dilakukan oleh muatan-muatan yang bergerak karena adanya beda tegangan. Untuk dapat mengalirkan muatan listrik dari suatu tempat ke tempat lain dalam sebuah penghantar, sumber listrik harus mengeluarkan energi. Misalnya pada perubahan energi listrik menjadi energi kalor ketik menghubungkan teko listrik yang berisi air dingin ke stop kontak listrik yang kemudian air yang tadinya dingin
Pada subbab ini kita akan mempelajari: bentuk perubahan energi listrik kesetaraan energi dan kalor menghitung besar
energi listrik yang dihasilkan sumber energi listrik.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 20. Contoh perubahan energi listrik pada alat rumah tangga: (a) setrika listrik (listrik-kalor), (b) bohlam (listrik-cahaya), (c) rice coocker (listrik-kalor), dan (d) televisi (listrik-cahaya dan bunyi).
28
akan menjadi panas. Air yang ada di dalam teko menjadi panas karena menerima energi kalor. Dari peristiwa tersebut bagaimana caranya mengukur energi listrik menjadi energi kalor? Faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi besar energi tersebut? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, coba lakukan percobaan berikut!
Berdasarkan percobaan di atas dapat disimpulkan bahwa energi listrik (W) sebanding dengan tegangan listrik (V), kuat arus listrik (I) dan waktu (t). Secara matematis dapat ditulis:
Mari Bereksperimen! I. Tujuan
Menyelidiki faktor-faktor yang mempengaruhi besar-kecilnya energi listrik. II. Alat dan Bahan
1. Pemanas celup 12 V 2. Baterai 12 V dan 6 V 3. Amperemeter 4. Stopwatch 5. Gelas berisi air. III. Langkah Kerja
1. Hubungkan pemanas celup 12 Vke baterai 12 V melalui ampermeter secara seri, agar lebih jelas perhatikanlah gambar di samping!
2. Celupkan pemanas ke dalam wadah yang berisi 1 kg air. Sebelumnya, ukur dahulu suhu air dengan termometer!
3. Gunakan stopwatch untuk mengukur berapa lama waktu yang diperlukan pemanas celup untuk memanaskan 1 kg air sehingga suhunya naik 5̊C!
4. Ulangi langkah 1 sampai dengan 3, tetapi sekarang gunakan baterai 6 V dan pemanas celup 6 V!
IV. Tabel Pengamatan
Tegangan Baterai (V) Kuat Arus (I) Lama waktu suhu air naik 5̊C (t)
12 V …… ……
6 V …… ……
V. Kesimpulan
Tuliskan kesimpulan dari data pengamatan yang diperoleh mengenai pengaruh tegangan, kuat arus, dan waktu terhadap energi listrik yang dihasilkan!
29
Jika rumus 𝑊 = 𝑉 × 𝐼 × 𝑡 di substitusikan dengan rumus Hukum Ohm =𝑉
𝑅 ,
maka didapat:
Keterangan.
𝑊 = energi listrik (joule atau J) 𝑉 = tegangan (volt atau V)
𝑅 = hambatan listrik (ohm atau Ω) 𝐼 = kuat arus listrik (ampere atau A) 𝑡 = waktu (detik atau s)
Contoh
1 kal = 4.18 joule 1 joule = 0.24 kal
1. Setrika listrik dipasang pada tegangan 110 Volt dan dipakai selama 10 menit. Apabila kuat arus yang mengalir 0,3 A maka hitunglah besar energi listrik yang diubah menjadi energi kalor!
Penyelesaian Diketahui : 𝑉 = 110 V 𝐼 = 0,3 A 𝑡 = 10 menit = 600 s Ditanya : 𝑊 = ……? Jawab : 𝑊 = 𝑉 × 𝐼 × 𝑡 𝑊 = 110 × 0,3 × 600 𝑊 = 19800 joule = 19,8 kJ
2. Hambatan listrik sebuah alat pemanas air adalah 5Ω. Jika alat ini dihubungkan dengan sumber tegangan 12 V selama 10 menit, berapakah energi listrik yang diperlukan pemanas air tersebut?
Penyelesaian Diketahui : 𝑅 = 5 Ω 𝑉 = 12 V 𝑡 = 10 menit = 600 s Ditanya : 𝑊 = ……? Jawab : 𝑊 =𝑉2 𝑅 × 𝑡 𝑊 =122 5 × 600 = 17280 joule = 17,28 kJ 𝑾 = 𝑽𝑽 𝑹𝒕 → 𝑾 = 𝑽𝟐 𝑹 𝒕
30 B. Daya Listrik
Pernahkah kamu memperhatikan tulisan pada bohlam lampu, seperti 110 V, 60 W. Apakah artinya? Jika bohlam diberi tegangan 110 V, maka daya listrik yang dipakai adalah 60 W. Nah, tahukah kamu apayang dimaksud dengan daya listrik? Daya listrik (P) adalah banyaknya energi listrik (W) yang dipakai dalam setiap
sekonnya (t). Maka persamaannya dapat ditulis:
P = daya listrik (watt) W = energi listrik ( joule)
t = selisih waktu waktu (sekon) Satuan daya lainnya:
a. kilowatt (kW), 1 kW = 1000 W
b. megawatt (MW) = 1000000 W
Telah diketahui bahwa W= V.I.t. dari persaman maka daya listrik dapat dituliskan
Dengan mengganti V= I. R, maka diperoleh:
Dengan mengganti I= 𝑉
𝑅, maka diperoleh:
1. Sebuah televisi 160 W, 220 V dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V selama 60 detik. Berapa banyak energi listrik yang digunakan?
Diketahui: P = 160 watt t = 60 s 𝑃 =𝑊 𝑡 𝑃 =𝑊 𝑡 = 𝑉 × 𝐼 × 𝑡 𝑡 = V × I 𝑃 = V × I = (I × R) × I = I2𝑅 Contoh
Gambar 21. Lampu bohlam
𝑃 = I2× 𝑅 = 𝑉 𝑅 2 × 𝑅 =𝑉 𝑅 2
31 V = 220 volt Ditanya: W = ? Penyelesaian: P = 𝑊 𝑡 160= 𝑊 60 W = 160 x 60 = 9600 Joule
2. Sebuah daya dipasang dengan tegangan 110 V, menyebabkan arus mengalir 4 ampere. Berapakah daya yang dipasang tersebut? Diketahui: V = 110 V I = 4 ampere Ditanya: P = ? Penyelesaian: P = I. V = 4 x 110 = 440 watt
James Watt (1736-1819) adalah seorang insinyur besar dari Skotlandia, Britania Raya. Ia dilahirkan di Greenock, Skotlandia, pada 19 Januari 1736. Ia berhasil menciptakan mesin uap pertama yang efisien. Ternyata mesin uap ini merupakan salah satu kekuatan yang mendorong terjadinya Revolusi Industri, khususnya di Britania dan Eropa pada umumnya. Ia meninggal di Birmingham, Inggris, pada 19 Agustus 1819. Untuk menghargai jasanya, nama belakangnya, yaitu Watt digunakan sebagai nama satuan daya, misalnya daya mesin dan daya listrik.
1. Hubungan antara Daya dan Energi Listrik
Pada energi listrik kita telah mengetahui bersama bahwa W= V.I.t, maka dapat dituliskan:
V.I = 𝑊
𝑡
Tokoh
32
Menghemat energi listrik: 1. Cabut colokan jika tidak
sedang gunakan. 2. Pilihan lampu neon
daripada lampu bohlam. 3. Gunakan laptop daripada
komputer.
4. Penggunaan suhu AC dengan perlahan. Melalui persamaan di atas maka dapat diperoleh hubungana antara energi dan daya listrik:
P= V.I = 𝑊
𝑡
P = daya listrik (watt) V = tegangan (volt)
I = Kuat arus listrik (ampere) W = energi listrik ( joule)
t = waktu yang diperlukan (detik)
Jadi, dapat disimpulkan bahwa Daya listrik sebanding dengan energi listrik dan berbanding terbalik dengan waktu penggunaannya.
Hubungan antara energi dan daya listrik ini dapat dilihat dalam perhitungan besarnya energi yang digunakan dalam suatu rumah. Beasrnya energi listrik yang digunakan dapat dihitung dari besarnya daya suatu alat listrik, dikalikan dengan lamanya waktu pemakaian. Makin besar daya dari alat listrik tersebut dan makin lama waktu pemakaiannya, maka akan besar pula pengeluaran biayanya. Oleh karena itu, jika ingin menghemat energi listrik maka gunakanlah peralatan listrik yang dayanya kecil dan meminimalkan waktu pemakaiannya.
1. Setelah Anda mempelajari konsep tentang energi dan daya listrik, coba jelaskan kembali konsep energi dan daya listrik! Dapatkan Anda menghitung besar energi listrik melalui suatu hambatan atau peralatan listrik? Dan manfaat apa yang Anda peroleh setelah mempelajarinya sehingga kamu dapat menerapkannya dalam kehidupan sehari-hari?
2. Tuliskan hal apa yang kamu ingin lakukan untuk menghemat listrik dalam kehidupanmu sehari-hari!
Pada tegangan 220 V, sebuah setrika dapat mengalir arus sebesar 35 A. Hitunglah:
i. daya listrik tersebut Refleksi
33
ii. energi listrik yang digunakan selama 3 menit Diketahui: V= 220 V I = 35 A Ditanya : (i) P = ? (ii) W = ? Penyelesaian: (i) P = V.I = 220 x 35 = 7700 watt (ii) P = 𝑊 𝑡 W = P . t = 7700 x 180 = 1386000 Joule
1. Pada sebuah setrika tertulis 330 W, 220 V . Tentukan: a. Besarnya hambatan kawat tersebut
b. Energi listrik yang dihasilkan selama setegah jam.
2. Apabila hambatan pada sebuah alat listrik adalah 2 ohm dan tengangannya 10 V. Jika alat tersebut digunakan selama 5 menit. Tentukan:
a. Daya alat tersebut,
b. dan energi yang dimiliki alat tersebut.
Cara Bermain:
- Ajaklah temanmu untuk bermain. Setiap permainan terdiri dari 2-3 orang. Setiap pemian diawali dari angka 1 atau start. Gunakan dadu untuk mengetahui berapa langkah yang harus berjalan.
Jika kamu berdiri di atas petak yang mempunyai tangga, maka kamu akan naik sesuai dengan tangga. Jika kamu berdiri di atas petak yang mempunyai ular, maka kamu akan turun sesuai dengan ular.
34
Apabila kamu berdiri di atas petak yang bergambarkan tanda Tanya (?), maka kamu harus menjawab pertanyaan yang telah tersedia dengan benar. Jika kamu salah menjawab, maka kamu harus kembali lagi ke start atau di petak angka 1.
Pemain dikatakan menang jika behasil di petak ke 30 atau mencapai finish.
2. Dua buah hambatan besarnya masing-masing 7 Ω dan 3 Ω drangkai secara seri dan dihubungkan dengan sebuah baterai sehingga kuat arus yang mengalir adalah 1 A. Jika kuat arus mengalir selama 5 menit. Berapakah energi listrik yang diberikan pada baterai? (W dalam satuan Kj) (3)
12. Suatu alat listrik yang memiliki daya 25 watt dugunakan 4 menit setiap harinya. Maka energi yang dihasilkan adalah . . . Joule. (6)
18. Sebuah peralatan listrik dihubungkn dengan tegangan 40 V dan mengalir arus sebesar 3 A. Daya alat listrik tersebut adalah … watt. (12)
24. Biaya yang dikeluarkan keluarga Surya 1 bulan untuk membayar listrik adalah Rp 14.400,00. Apabila di rumah Surya terdapat 1 buah kulkas 120 W, 1 buah TV 200, dan beberapa buah lampu 20 W. Tentukan berapa banyak lampu pada rumah Surya, jika harga 1 kWh = Rp 200,00 ! (1 bulan= 30 hari) (8)
28. Apabila hambatan pada sebuah alat listrik adalah 2 ohm dan tengangannya 10 V. Jika alat tersebut digunakan selama 5 menit. Tentukan daya tersebut.
35
36 Contoh Soal Gambar 25 Gambar 26 Gambar 27 Gambar 28
2. Hubungan antara satuan Watt, Joule dan kWh Jadi 1 joule menyatakan banyak energi listrik yang hasilkan oleh daya 1 watt selama 1 sekon. Karena satuan ini terlalu kecil untuk pemakaian di rumah, gedung-gedung maka digunakan satuan yang lebih besar yaitu kilowatt hour (kWh). Alat untuk mengukur kWh disebut kWh meter. Satu kWh menyatakan energi listrik yang di hasilkan oleh daya 1 kilowatt selama 1 jam.
Maka 1 kWh = 1 kWh x 1 jam = 1000 W x 3.600 s = 3.600.000 J = 3,6 x 106 J
Di rumah pak Anton terdapat 5 bola lampu 40 W, 3 buah lampu 80 W, dan 2 buah TV 200 W. Selama perharinya peralatan tersebut digunakan 5 jam. Hitunglah biaya yang harus dikeluarkan keluarga pak Anton setiap bulannya jika harga 1 kWh = Rp 200,00 (1 bulan = 30 hari)
Diketahui: Plampu = 40 W (sebanyak 5 buah)
Plampu = 80 W (sebanyak 3 buah)
PTV = 200 W (sebanyak 2 buah)
t = 5 jam per hari
tarif 1 kWh = Rp 200,00
Ditanya: biaya pemakaian listrik 1 bulan ?
Penyelesaian:
Daya total listrik (P) = (5 x 40 W) + (3 x 80) + (2 x 200) = 200 + 240 + 400
= 840 W Energi listrik 1 hai (W) = P x t
= 840 W x 5 jam = 4200 watt jam = 4,2 kWh
37
Energi listrik 1 bulan (W) = 30 x 4,2 kWh = 126 kWh
Biaya listrik 1 bulan = 126 kWh x Rp 200,00 = Rp 252.000,00
Jadi biaya yang harus keluarkan keluarga pak Anton selama 1 bulan sebesar Rp 252.000,00.
1. Sebuah rumah menggunakan peralata-peralatan listrik sebagai berikut: 6 buah lampu dengan daya 60 W dinyalakan 8 jam setiap hari 4 buah lampu dengan daya 100 W dinyalakan 5 jam setiap hari Pesawat televisi dengan dya 250 W dinyalakan 6 jam setiap hari Setrika listrik dengan daya 300 W dinyalakan dalam 2 jam setiap hari Lemari es dengan daya 200 W dinyalakan 24 jam setiap hari
Komputer dengan daya 300 W dinyalakan 10 jam setiap hari
Berapakah besar biaya yang harus dibayar oelh pemilik rumah tersebut pada bulan Desember jika harga 1 kWh Rp 250,00 ?
2. Sebuah perusahaan menggunakan peralatan-peralatan listrik sebagai berikut: 14 buah lampu dengan daya 25 W dinyalakan 12 jam setiap hari
4 buah lampu dengan dya 50 W dinyalakan 6 jam setiap hati 8 buah lampu dengan 10 W dinyalakan 4 jam setiap hari
3 buah pesawat televisi dengan daya 250 W dinyalakan 7 jam setiap hari 2 buah pesawat televisi dengan day 250 W dinyalakan 4 jam setiap hari 6 buah printer dengan daya 250 W dinyalakan 7 jam setiap hari
10 buah komputer dengan daya 400 W dinyalakan 12 jam setiap hari 2 buah lemari es dengan daya 450 W dinyalakan sepanjang hari
Jika harga 1 kWh Rp 750,00 , berapakah besar biaya yang harus dikeluarkan pada pemakaian listrik pada setiap bulannya?
38
Tujuan: Menghitung besarnya energi listrik yang digunakan selama 1 bulan. Kamu dapat menghitung besarnya energi listrik yang digunakan oleh keluargamu selam 1 bulan. Caranya adalah
sebagai berikut:
1. Perhatikan angka yang tertulis pada kWh meter di rumahmu. Kemudian catat dalam buku catatan. Lakukan pencatatan ini di awal bulan.
2. Setelah sebulan, perhatikan dan catat
kembali angka yang tertera pada kWh meter dirumahmu.
3. Hitunglah selisihnya. Itu adalah banyak energi listrik yang digunakan oleh keluargamu.
4. Lakukan kegiatan ini setiap bulan agar kamu dapat mengontrol pemakaian daya listrik di rumahmu. Catatlah hasilnya ke dalam tabel seperti berikut:
No Bulan Angka pada kWh meter
39
Listrik dapat dibuah menjadi bermacam-macam energi lain yang bermanfaat bagi kehidupan.
a. Energi listrik dapat diubah menjadi energi kalor, misalnya di dalam setrika listrik, kompor listrik, solder listrik, dan oven listrik.
b. Energi listrik dapat diubah menjadi energi gerak, misalnya pada motor listrik, kipas angin, dan bor listrik.
c. Energi listrik dapat diubah menjadi energi cahaya, misalnya pada lampu listrik.
d. Energi listrik dapat diubah menjadi energi kimia, misalnya pada pengisian Besar energi listrik ditentukan oleh tegangan, kuat arus, dan waktu. Energi listrik yang diperoleh dirumuskan sebagai berikut:
𝑾 = 𝑽 × 𝑰 × 𝒕
𝑾 =𝑽
𝟐
𝑹 𝒕
Daya listrik adalah banyaknya energy yang dipakai dalam setiap sekonnya Hubungan antara daya dan energy listrik:
𝑷 = 𝑽 × 𝑰 =𝑾 𝒕
Daya listrik sebanding dengan energy listrik dan berbanding terbalik dengan waktu penggunaannya
Setelah kamu mempelajari hubungan antara satuan Watt, Joule dan kWh, coba kamu jelaskan kembali hubungan antara antara satuan Watt, Joule dan kWh! Manfaat apa yang kamu peroleh? untuk diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari!
Refleksi
40
A. Pilihan Berganda
Pilih salah satu jawaban yang paling tepat dengan memberi tanda (x) pada huruf a, b, c, atau d!
1. Selama menggunakan baterai di dalam baterai terjadi perubahan energi …. a. listrik menjadi energi kalor
b. listrik menjadi energi kimia c. kimia menjadi energi listrik d. kimia menjadi energi kalor
2. Pada sebuah lampu pijar tertera 20 Watt, 220 Volt artinya …. a. kuat arus yang mengalir pada lampu besarnya 0,05 A b. hambatan filamen pemanas besarnya 0,05 ohm
c. lampu akan berpijar dengan baik bila dipasang pada tegangan 220 Volt d. lampu akan berpijar dengan redup bila dipasang pada tegangan 220 Volt 3. Satuan dari daya listrik adalah...
a. Ampere b. Ohm c. Watt d. volt
4. Anto membeli lampu dengan spesifikasi 220 volt, 100 watt. Jika lampu dipasang Anto pada tegangan 110 volt, berapakah daya lampu saat menyala?
a. 110 watt b. 75 watt c. 55 watt d. 25 watt
5. Arus listrik sebesar 2 A mengalir melalui penghantar yang berhambatan 10 ohm maka besar energi listrik yang timbul pada penghantar tersebut selama 0,5 menit dan besar kalori energi kalor yang timbul pada penghantar tersebut selama 20 menit adalah ….
a. 600 joule dan 1.152 kalori b. 1200 joule dan 11.520 kalori c. 11.520 joule dan 1200 kalori
41
d. 1.152 joule dan 600 kalori
6. Sebuah setrika listrik 200 W, 125 V dipasang pada tegangan yang tepat selama 1 menit. Berapa banyaknya energi listrik yang digunakannya? a. 12. 000 J
b. 12.500 J c. 25.000 J d. 1.500.000 J
7. Sebuah sekering dipasang pada tegangan 250 V menyebabkan arus mengalir 3 A. Berapa daya sekering itu?
a. 2 W b. 125 W c. 250 W d. 750 W
8. Sebuah setrika listrik dipasang pada tegangan 220 volt dan kuat arus 2 ampere. Berapa energi yang diperlukan selama 5 menit?
a. 123 kJ b. 132 kJ c. 213 kJ d. 312 kJ
9. Pada sebuah penghantar mengalir arus sebesar 0,75 A pada tegangan 110 volt. Besar daya penghantar tersebut adalah ... watt.
a. 19,5 b. 44,5 c. 82,5 d. 155,5
10. Pada sebuah rumah terdapat 5 lampu masing-masing 100 watt, menyala selama 5 jam sehari, dan TV 150 watt menyala 6 jam sehari. Harga tiap kWh Rp 500,00. Biaya yang harus dibayar satu bulan (30 hari) adalah...
a. Rp 51.000,00 b. Rp 52.000,00 c. Rp 53.000,00 d. Rp 57.000,00
42 B. Isian
1. Pasangkan perubahan energi di bawah ini yang sesuai dengan gambar!
No. Peralatan Perubahan energi
1. a. Energi listrik Energi cahaya
2. b. Energi listrik Energi bunyi
3. c. Energi kimia Energi listrik
4. d. Energi listrik Energi gerak
5. e. Energi listrik Energi kalor
43
3. Besar daya listrik dapat dihitung dengan satuan ... dan ... 4. Besar daya listrik menggunakan satuan megawatt adalah...
5. Alat untuk mengukur energi listrik yang digunakan dalam rumah tanggga disebut...
C. Essay
Jawablah soal-soal berikut dengan teliti dan benar!
1. Dua buah hambatan masing-masing besarnya 3 Ω dan 6 Ω dirangkai secara seri dan dihubungkan dengan sebuah baterai sehingga kuat arus yang masuk sebesar 2 A. Jika kuat arus mengalir selama 5 menit, tentukanlah:
a. energi listrik yang diberikan baterai
b. energi listrik termal yang muncul pada masing-masing hambatan
2. Alat listrik bertuliskan 250 W/220 V menyala selama 10 jam. Berapa kWh energi listrik yang diperlukan?
3. Sebuah lampu dipasang pada tegangan 220 V menyebabkan arus mengalir sebanyak 2 A. berapa daya lampu tersebut?
4. Dalam sebuah rumah terdapat 6 buah lampu 25 watt, 2 buah lampu 60 watt, sebuah radio 100 watt, dan sebuah televisi 150 watt yang dinyalakan selama 5 jam setiap harinya. Jika harga 1 kWh sebesar Rp 200,00, berapakah biaya pemakaian listrik selama 1 bulan (30 hari)?
5. Sebuah lemari es adalah salah satu pengguna daya listrik utama di rumah-tangga. Apabila lemari es ini menggunakan 300 W dan dijalankan 20 jam tiap hari, berapa banyak energi (dalam kWh) digunakan dalam satu hari? Bila tarif listrik per kWh Rp. 500. Berapakah rekening listrik yang harus dibayar selama 1 bulan?
v
Glosarium
AAmperemeter : Alat untuk mengukur besar kuat arus listrik yang
mengalir dalam rangkaian tertutup.
Arus listrik : Banyaknya muatan yang mengalir dalam setiap detik.
D
Daya listrik : Banyaknya energi listrik (W) yang dipakai dalam setiap sekonnya (t)
E
Energi : Ukuran kemampuan suatu sistem untuk melakukan kerja.
Energi listrik : Bentuk energi yang berhubungan dnegan letak suatu
muatan listrik di dalam medan listrik. G
Gaya gerak listrik : Beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik ketika saklar terbuka dan tidak mengalirkan arus
George Simon Ohm : Seorang fisikawan Jerman yang melakukan penelitian untuk mencari hubungan antara beda potensial dan kuat arus listrik
H
Hukum kekekalan
Energi : Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnahkan, tetapi hanya bisa berubah bentuk dari bentuk yang satu ke bentuk lainnya
Hukum Kirchoff : Nilai arus sama sebelum percabangan dan sesudah
percabangan
Hukum Ohm : Hukum yang menghubungkan tegangan hambatan dan
kuat arus listrik. J
Joule : Satuan energi
K
Kalor : Panas
Kilowatt hour : Satuan energi listrik yang lebih besar
Kalori : satuan energi (1 kal = 4,2 joule)
L
Listrik : Gejala pemisahan muatan negatif dan positif dalam suatu
medan magnet.
Listrik dinamis : Listrik yang dapat bergerak atau berubah-ubah atau uang bisa juga disebut arus listrik
M
Motor listrik : Mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi
mekanik. R
Rangkaian listrik
terbuka : Rangkaian yang memiliki ujung pangkal
Rangkaian listrik
vi
Rangkaian paralel : Rangkaian dua buah alat atau lebih yang disusun secara sejajar.
Rangkaian seri : Rangkaian dua buah alat atau lebih yang disusun secara
beruntun.
Resistor : Komponen listrik yang berfungsi untuk menghambat arus
listrik. S
Saklar : Komponen listrik yang berfungsi untuk memutuskan atau
menyambungkan arus listrik pada sebuah rangkaian.
Sel primer : Sel listrik yang apabila telah habis digunakan, muatannya
tidak dapat diisi kembali.
Sel sekunder : Sumber arus listrik yang dapat diisi ulang ketika
muatannya telah habis
Sumber arus listrik : Benda-benda yang menghasilkan arus listrik V
Voltmeter : Alat listrik yang digunakan untuk mengukur tegangan
listrik. W
vii
Daftar Pustaka
Abdullah, M. (2004). IPA Fisika 3 SMP dan MTs untuk Kelas IX. Jakarta: Esis. Esvandiari. (2007). Kumpulan Lengkap Rumus Fisika SMP. Jakarta: Puspa Swara,
Anggota IKAPI.
Kuswanti, N., dkk. (2008). Contextual teaching and learning Ilmu Pengetahuan
Alam: Sekolah Menengah Pertama kelas IX. Jakarta: Departemen
Pendidikan Nasional.
Mundilarto & Istiono, E. (2007). Seri IPA Kelas 3 SMP Kelas IX. Jakarta: Yudistira.
Prasodjo, B., Naryoko, Djannah, P., Tampubolon, R., Damayanti, E. (2007). Teori
dan Aplikasi: Fisika SMP Kelas IX. Jakarta: Yudistira.
Puspita, D & Rohima, I. (2009). Alam sekitar IPA terpadu: Untuk SMP/MTs kelas
XI. Jakarta: Departemen Pendidikan Nasional.
Sarwono, Suyatman & Novita, A. (2009). Ilmu Pengetahuan Alam 3: Untuk
SMP/MTs kelas 9. Jakarta: Departemen Pendidikan Nasional.
Styeni, I. (2014). Rangkuman & Trik IPA SMP Kelas 1,2,3. Surabaya: GentaSmart Publisher.
Sumarwan, Sumartini, Kusmayadi, Sulastri, S., Priambodo, B. A. (2007). IPA
SMP: Untuk kelas IX. Jakarta: Erlangga.
Wasis, Irianto, S. Y. (2009). Ilmu Pengetahuan Alam 3: Untuk SMP/MTs kelas IX. Jakarta: Departemen Pendidikan Nasional.
Widodo, T., Santoso, T. C. B., Suprayogi, B., Suharsono, Mintayani, S. (2009).
IPA terpadu: Untuk SMP/MTs kelas IX. Jakarta: Departemen Pendidikan
viii
Kunci jawaban Listrik Dinamis A. Pilihan Berganda. 1. D 2. A 3. B 4. D 5. D 6. A 7. A 8. B 9. C 10. A B. Isian
1. Elemen listrik atau sel listrik
2. Merkuri sulfat (HgSO4) kadnium sulfat (CdSO4)
3. 0,25 A
4. Hukum 1 Kirchoff 5. Rangkaian listrik terbuka C. Esayy
1. Dua buah bateri disusun seri. Ggl total dari bateri dan hambatan dalam penggantinya:
E = 3 v + 3 v = 6 volt r = 0,5 Ω + 0,5 Ω = 1 Ω
Rangkaian ekivalennya seperti berikut.
ix I = 6 : (1 +1,5)
I = 6 : 2,5 = 2,4 A
2. Pada rangkaian tak bercabang arus besar tegangan bergantung pada setiap resistensi yang dipasang, dan pada rangkaian bercabang jumlah arus masuk sebelum percabanagan sama dengan jumlah arus yang masuk setelah percabangan 3. 1 𝑅𝑃= 1 𝑅1+ 1 𝑅2 1 𝑅𝑃= 1 2+ 1 3 1 𝑅𝑃= 3+2 6 = 5 6 𝑅𝑃 =6 5 𝑉𝐴𝐵 = 𝐼 × 𝑅𝑃 𝑉𝐴𝐵 = 1 × 6 5 𝑉𝐴𝐵 = 1,2 V a. 𝑉𝐴𝐵 = 𝐼1× 𝑅1 1,2 = 𝐼1× 2 𝐼1 = 0,6 A 4. 𝑏. 𝑉𝐴𝐵 = 𝐼2× 𝑅2 1,2 = 𝐼2× 3 𝐼2 = 0.4
Kunci jawaban Energi Listrik A. Pilihan berganda 1. C 2. C 3. C 4. D 5. B 6. A 7. D 8. B 9. C
x
10. A B. Isian
1. 1(d), 2(c), 3(e), 4(b), dan 5(a) 2. Daya listrik
3. Kilowatt dan megawatt 4. 1000000 watt
5. kWh meter C. Essay
1. Hambatan penggantinya adalah: 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑅1+ 𝑅2 = 3 + 6 = 9Ω Maka, energi yang diberikan baterai:
𝑊 = 𝐼2× 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝑡 = (2𝐴)2× (9Ω) × (300 𝑠) = 10.800 joule
Jadi, energi listrik yang diberikan baterai adalah 10,8 kJ.
Pada rangkaian seri, kuat arus listrik masing-masing hambatan adalah sama. a. Pada 𝑅1, 𝑊 = 𝐼2× 𝑅 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × 𝑡 = (2𝐴)2× (3Ω) × (300 𝑠) = 3.600 J atau 3,6 kJ b. Pada𝑅2, 𝑊 = 𝐼2× 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙× 𝑡 = (2𝐴)2× (3Ω) × (300 𝑠) = 7.200 J=7,2 kJ 2. Diketahui: P = 250 W V = 220 V t = 10 jam Ditanyakan: W = ? Jawab: W = P × t = 250 × 10 = 2.500 Wh = 2,5 kWh 3. Diketahui : V = 220 V I = 2 A Ditanya : P ? Jawab: P = V I = 220 . 2 = 440 W
xi
P = (6 × 25 W) + (2 × 60 W) + (1 × 100 W) + (1 × 150 W) = 150 W + 120 W + 100 W + 150 W
= 520 W
Pemakaian selama 1 bulan = 5 jam × 30 hari = 150 jam. Energi listrik selama 1 bulan adalah:
W = P × t
= 520 watt × 150 jam
= 78.000 watt jam (1 kWh = 1.000 watt jam) = 78 kWh
Jadi, biaya listrik yang harus dibayar adalah 78 kWh × Rp 200,00 = Rp 15.600,00.
5. Daya, P = 300 W = 0,3 kW waktu, t = 20 jam
E = P x t
E = 0,3 kW x 20 jam = 6 kWh
