Alat listrik
+ ggl searah
arah arus konvensional (I) arah aliran elektron
LISTRIK ARUS SEARAH 1. Pengertian Arus Listrik
Arus listrik adalah aliran muatan listrik dari potensial tinggi ke potensial rendah, misalnya : - Logam elektron-elektron
- Gas ion positif dan elektron - Larutan ion positif dan ion negatif
Aliran muatan listrik terjadi karena ada sumber energi yang memompa muatan sehingga mutan mengalami gaya gerak listrik (ggl) yang menimbulkan arus listrik.
Gaya gerak listrik dapat diperoleh dari sumber energi listrik seperti baterai, aki, sel volta, dan lain-lain.
Dalam suatu rangkaian listrik tertutup, ggl ini disebut
sumber tegangan karena dapat menimbulkan beda
potensial sehingga arus listrik mengalir dari titik berpotensial tinggi ke titik berpotensial rendah.
Apabila arus listrik tersebut mengalir dalam konduktor logam (misalnya kawat tembaga) maka arah arus listrik (arus konvensional) berlawanan arah dengan aliran elektron.
Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan yang mengalir melalui penampang penghantar dalam selang waktu tertentu, yang dirumuskan:
q = muatan listrik (Coulomb)
t = selang waktu (sekon)
I = kuat arus listrik (Ampere) Contoh :
Arus listrik sebesar 2,5 A mengalir pada kawat penghantar selama 4 menit, bila q electron = 1,6 x 10-19 C, hitunglah :
a. muatan listrik yang mengalir ? b. jumlah electron yang mengalir
?
Penyelesaian:Diket : I = 2,5 Ampere t = 4 menit = 240 sekon qe = 1,6 x 10-19 C/elektron Latihan:
1. Sebuah lampu dilalui arus listrik 0,5 A. Hitung jumlah elektron yang mengalir dalam 1 jam. (muatan satu elektron = -1,6 x 10-19 C)
2. Kuat arus 1 A mengalir melalui kawat penghantar. Berapa coulomb banyak muatan listrik yang mengalir pada kawat dalam waktu 1 menit ?
3. Jika arus 4 ampere mengalir dalam kawat penghantar, maka berapa besar muatan per menit ? 4. Jika selama 1 menit terjadi perpindahan muatan listrik sebesar 30 C, berapakah kuat arus
listriknya?
2. Hukum Ohm
George Simon Ohm menyatakan : Beda potensial antara ujung-ujung hambatan sebanding dengan kuat arus listrik yang melalui hambatan tersebut.
V = tegangan (volt v)
I = kuat arus (Ampere A)
R = hambatan (ohm )
Hambatan (Resistans = R) bernilai konstan untuk suhu yang konstan. Sebagian besar peralatan listrik menggunakan suatu komponen dari bahan konduktor tertentu yang diperhitungkan nilai hambatannya yang disebut Resistor.
Ragam nilai resistor dapat dirancang dengan memperhatikan pengaruh panjang, luas penampang
dan jenis bahan resistor sesuai dengan rumus :
R = nilai resistor ()
= hambatan jenis bahan (m)
l = panjang kawat (m)
A = luas penampang kawat (m2)
Selain itu hambatan (resistor) juga tergantung pada besar suhu, hubungan antara hambatan dengan suhu bisa dinyatakan berikut :
Rt = hambatan pada suhu toC ()
Ro = hambatan mula-mula ()
= koefisien suhu hambatan jenis (oC-1) t = perubahan suhu (oC)
Contoh :
Gulungan kawat aluminium mempunyai diameter 2,59 mm dengan hambatan jenis 2,8x10-8 m. Untuk mendapatkan kawat berhambatan 2, berapa panjang kawat yang diperlukan ?
Penyelesaian :
A = (22/7) x (2,59x10-3)2 = 2,11x10-5m2
R
=
ρ
A
l
l
=
R
A
ρ
=
2x
2
,
11
x
10
−5
2,8x
10
−8=
1507,14 m Latihan :
1. Sebuah rangkaian listrik mempunyai sumber tegangan 12 Volt dan hambatan 5 ohm. Tentukan kuat arus yang mengalir pada rangkaian !
2. Alat listrik memakai arus 5 A dihubungkan dengan sumber 110 volt. Berapa hambatannya ? 3. Sepotong kawat tembaga mempunyai hambatan jenis 1,72 x 10-8 ohm.meter panjangnya 100 m
penampangnya 3 mm2. Hitung hambatan kawat!
4. Suatu penghantar panjang 10 m dengan luas penampang 2 cm2 dan hambatan jenisnya 10-5 Ω m bila dilalui arus listrik sebesar 2 Ampere, tentukan :
a. hambatan kawat penghantar tersebut?
b. beda potensial kedua ujung penghantar tersebut ?
5. Jika sebuah senter menggunakan dua buah baterai 1,5 v untuk mensuplai 0,3 A kepada filamen lampunya, tentukan besar hambatan pada filamen lampu ! (jawab : 10 )
6. Suatu kawat tembaga panjangnya 12 m dan diameternya 1,5 mm, mempunyai hambatan jenis 4,8 x 10-8 .m. Hitung hambatan kawat tembaga!
atau
Rt = Ro (1+ t)
Ditanya : a. q ? b. ne?
Jwb : a. q = i. t = 2,5 x 240 = 600 C b.
n
e=
q
q
e
=
600
1,6
x
10
−19¿
3,8
x
10
21elektron
I
=
q
t
V
=
IR
R
=
V
I
I2
7. Lilitan kawat mempunyai hambatan 25 pada suhu 35oC, sedangkan pada suhu 60oC hambatannya 25,25 . Berapa koefisien hambatan jenisnya ? (jawab : 4 x 10-4oC-1) 3. Hukum Kirchhoff
(a) Hukum I Kirchhoff :
Jumlah kuat arus listrk yang masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik simpul tersebut.
Penerapan hukum I Kirchhoff pada hubungan seri dan paralel komponen-komponen listrik (misal : lampu pijar) serta rangkaian penggantinya (resistor).
Hubungan seri :
1. Fungsi hubungan seri yaitu memperbesar hambatan rangkaian, membagi tegangan dan untuk mendapatkan kuat arus yang sama besar pada setiap hambatan.
2. Fungsi hubungan paralel yaitu memperkecil hambatan rangkaian, membagi arus dan untuk mendapatkan beda potensial yang sama besar pada setiap hambatan.
Contoh :
1. Berapa besar kuat arus yang melewati R2, R5, R6, dan R8
Penyelesaian : Berdasar hukum I Kirchoff, maka :
I1 = 10A dan I4 = 4A I2 = 10-4-2 = 4A
I2 = 4A dan I3 = 1A I5 = 4-1 = 3A
I3 = 1A I6 = 1+2 = 3A
I1 = 10A I8 = 10A
2. Tentukan hambatan ekivalen untuk rangkaian ini dan berapa besar kuat arus yang melalui hambatan 4 ?
Rangkaian paralel sebagai pembagi tegangan
I
4Ω=
1. Pada rangkaian di samping, tentukan besar : (a) I1, (b) I2, (c) I, (d) VAB !
(jawab : 18A, 12A, 36A, 36v)
2. Jika setiap resistor pada rangkaian bernilai 3 dan baterai tidak mempunyai hambatan dalam dengan = 6v, berapa beda potensial VAB ?
(b) Hukum II Kirchhoff
Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya listrik (E ) sama dengan jumlah aljabar penurunan potensial(IR).
E= (I.R) Aturan-aturan :
1. Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah tertentu, usahakan searah dengan arah arus.
2. Jika pada suatu cabang, arah loop sama dengan arah arus maka penurunan tegangan (IR)
bertanda positif, sedangkan bila berlawanan arah maka penurunan tegangan bertanda negatif.
3. Bila saat mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan yang lebih dulu dijumpai adalah kutub positif, maka ggl (E) bertanda positif, sebaliknya bila kutub negatif yang lebih dulu
dijumpai, maka ggl (E ) bertanda negatif. Contoh :
Imasuk = Ikeluar
4 2
6V I
2
6V, 1 3 6V, 1
5
I2 I3
I1
II I
R
S i
E r
a b
B A
R I
1. Berapa kuat arus yang mengalir pada rangkaian dan berapa besar beda potensial antara titik ab? Penyelesaian :
E =(I.R)
- 6 = - I (2+4) 6= 6I I = 1A
2 Tentukan kuat arus yang mengalir pada masing-masing hambatan !.
Penyelesaian :
Kuat arus pada hambatan 2 = 0,8A, hambatan 5 = 0,4A, hambatan 3 = 1,2A. 4. Gaya Gerak Listrik (GGL)
Gaya Gerak Listrik (ggl) adalah beda potensial antara kutub-kutub elemen sebelum terjadi arus listrik (terbuka).
Contoh pada baterai tertulis 1,5 volt, berarti ggl baterai 1,5 volt.
Setelah baterai dipasang pada rangkaian tertutup maka beda potensial antara kutub-kutubnya dinamakan tegangan jepit.
Dalam hal ini besar tegangan jepit lebih kecil dari ggl (V < E), karena tegangan berkurang untuk melewati hambatan dalam (r) dari elemen, seperti terlihat pada gambar berikut:
Vab = E – i.r sedang Vab = i.R maka
E = i ( R + r )
Keterangan : Vab = tegangan jepit E = ggl
i = kuat arus listrik R = hambatan luar r = hambatan dalam Susunan Sumber Tegangan
(a) susunan seri
E = E1+ E2+ E3
r = r
1+ r
2+ r
3(b) susunan Paralel
Contoh:
Tiga buah baterai masing-masing memiliki ggl yang sama yaitu 1,5 volt dan hambatan dalam 0,5 ohm. Rangkaian tersebut dihubungkan dengan hambatan luar sebesar 10 ohm. Tentukan besar ggl total baterai dan kuat arus yang mengalir pada hambatan tersebut jika baterai disusun seri ? Jawab:
a. Besar ggl total : Etot = E1+ E2+ E3= n.E = 3 x 1,5 volt = 4,5 volt b. kuat arus yang mengalir :
5. Sumber Arus Searah
Sumber arus searah adalah sumber energi listrik yang dapat menimbulkan arus listrik yang besar dan arahnya selalu tetap.
Sumber arus searah yang berasal dari proses kimia disebut elemen elektrokimia, yang terdiri dari: a.Elemen primer : reaksi kimianya tidak dapat dibalik sehingga elemen itu hanya dapat dipakai
selama reaksi di dalamnya berlangsung. Misalnya : elemen volta, elemen leclance, elemen kering, elemen alkalin, dan elemen raksa.
b. Elemen sekunder : jenis elemen elektrokimia yang dapat memperbaharui bahan-bahan pereaksinya dengan cara mengalirkan arus listrik dari sumber luar yang arahnya berlawanan dengan arus yang dihasilkannya. Misalnya : akumulator.
Sumber arus searah dapat diperoleh dari generator arus searah yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik melalui peristiwa induksi.
6. Energi dan Daya Listrik
Dengan adanya beda potensial (V) antara titik AB maka muatan
(q) yang mengalir dalam konduktor berhambatan (R) akan menimbulkan arus listrik (I) yang memberikan energi sebesar (W)
W = q V
Karena q = I t dan V = I R
Maka: W = V I t W = I2 R t W = (V2/R) t dengan W = energi listrik (Joule); I = kuat arus (A)
q = muatan listrik (C); R = hambatan ()
V = beda potensial (v); T = selang waktu (s) Daya listrik adalah energi per satuan waktu
P
=
W
t
watt
I3 = I1 + I2
Loop I E = (IR)
-6 = - I1 .1+ I1 .2 + I3.3 6 = 3 I1 + 3 (I1 + I2) 6 = 6 I1 + 3 I2……..(1)
Loop II
-6 = - I2.1+ I2 .2 + I3.3 6 = 6 I2 + 3 (I1 + I2) 6 = 3 I1 + 9 I2……..(2) (1)…….: 6 = 6 I1 + 3 I2 (2)x2….: 12 = 6 I1 + 18 I 2 -6 = 0 - 15 I2
I2 = 0,4A 6 = 6 I1 + 3(0,4)
I1 = 0,8A
I3 = 0,8 + 0,4 = 1,2A
Dalam satuan SI : 1 watt = 1 Joule/sekon 1 Joule = 1 watt sekon 1 kwh = 1kw x 1 jam = 3,6 x 106 J Satuan lain: Daya kuda/
8
6 4
4 36V
2 6V2
R1=1 R2=2
R3=4 R5=3
R4=4 E=12V
r=0
atau
P
=
VI
=
I
2
R
=
V
2
R
wattDaya listrik yang tertera pada spesifikasi alat listrik merupakan daya listrik yang terpakai oleh alat tersebut jika dipasang pada tegangan yang tertulis pada alat.
Suatu alat dirancang dengan nilai hambatan yang dianggap tetap sehingga dayanya sebanding dengan kuadrat tegangan.
P
1=
V
12
R
danP
2=
V
22
R
P2
P1=
V
22
V
12
Keterangan :
P2 = daya sesungguhnya yang diserap alat
P1 = daya tertera pada spesifikasi alat
V2 = tegangan sesungguhnya yang diberikan oleh alat
V1 = tegangan tertera pada spesifikasi alat Contoh :
1. Setiap hari sebuah pesawat televisi rata-rata dinyalakan selama 3 jam. Tarif energi listrik Rp 80,00 per kwh. Jika tegangan listrik 200 volt dan televisi memakai arus 2A, berapa biaya yang dibayarkan pada bulan Juni ?
Penyelesaian :
W = V I t = 200 x 2 x 3 watt jam = 1200 watt jam/hari atau 1,2 kwh/hari
Biaya yang harus dibayarkan : 30 x 1,2 x Rp 80,00 = Rp 2880,00
2. Sebuah keluarga menyewa listrik PLN sebesar 450 watt dengan tegangan 200 volt. Jika keluarga tersebut menggunakan lampu 25w, 220v. Tentukan jumlah lampu maksimum yang dapat dipasang dalam rumah itu !
Penyelesaian :
P2
P1=
V
22
V
12
P2 = (200/220)2 x 25 = 22,7w Jumlah lampu maksimum : 450/22,7 = 19,8 19 lampu Latihan :
1. Sebuah bola lampu dengan spesifikasi 30v, 90w, akan dipasang pada sumber tegangan 120v dengan daya tetap, maka lampu harus dirangkaikan seri dengan hambatan ….
2. Sebuah pesawat televisi dihubungkan dengan sumber tegangan 220v selama 5 jam. Apabila kuat arus yang mengalir 2A, maka energi listrik yang terpakai oleh televisi sebesar ….
3. Lampu A = 75 watt, B = 60 watt, C = 40 watt, D = 25 watt dan E = 15 watt. Dari kelima lampu
tersebut yang mempunyai tahanan paling besar adalah ….
4. Tiga buah hambatan 3, 2, dan 6 disusun paralel kemudian dipasang pada sumber tegangan. Ternyata kuat arus yang keluar dari elemen 3A. Akan tetapi jika disusun seri dan dipasang pada elemen yang sama, ternyata arus yang keluar 0,5A. Besarnya ggl dan hambatan dalam elemen adalah …….
5. Sebuah aki mempunyai ggl 12 volt dan hambatan dalam 0,1 ohm. Jika aki ini diisi dengan arus 10A, maka tegangan antara kedua terminalnya adalah…..
6. Sebuah voltmeter mempunyai hambatan dalam 1000 ohm dengan batas ukur maksimum 10 volt. Berapa besar hambatan muka yang harus dipasang seri dengan voltmeter agar batas ukurnya dapat diperbesar menjadi 100 volt?
7. Kuat arus yang mengalir dalam rangkaian adalah…… dan beda potensial antara ujung-ujung hambatan 8 adalah…
8. Lampu pijar bertuliskan 80 watt, 220 volt dipasang pda tegangan 110 volt. Berapa daya yang diserap lampu?
9. Perhatikan rangkaian ini! Berapa kuat arus yang mengalir dalam rangkaian?
10. Pesawat TV rata-rata dinyalakan selama 6 jam per hari. Pesawat tersebut dihubungkan dengan tegangan 220 V memerlukan arus ½ A. Jika harga energi listrik tiap Kwh = Rp 100,00. Hitunglah biaya yang dibutuhkan untuk penggunaan TV selama 1 bulan (30 hari)?
11. Pada sebuah rice cooker tercantum data 140 ohm, 220 volt. Alat ini dipasang pada jala-jala listrik 220 volt dan digunakan untuk memanaskan air selama 5 menit. Bila suhu awal air 10oC, berpa suhu akhir yang dicapai air?
12. Sebuah rangkaian listrik terdiri dari dua buah hambatan R1 = 4, R2 = 8, dan sebuah batere 24 volt yang ketiganya dipasang secara seri. Hitunglah energi kalor yang timbul pada masing-masing hambatan!
