Ringkasan Materi Pelajaran IPA Kelas IX KTSP Lengkap untuk Semester 1 BAB VIII L. DINAMIS

BAB 8. LISTRIK DINAMIS A. ARUS LISTRIK

1. Pengertian Arus Listrik dan Beda Potensial

Dua benda yang yang muatan listriknya berbeda dapat menimbulkan arus listrik. Benda yang muatan listrik positifnya lebih banyak dikatakan memiliki potensial lebih tinggi. Adapun benda yang muatan listrik negatifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih rendah.

Dua benda yang memiliki beda potensial dapat menyebabkan terjadinya arus listrik. Syaratnya kedua benda tersebut dihubungkan dengan suatu penghantar. Dalam kehidupan sehari-hari, beda potensial sering dinyatakan sebagai tegangan.

Sifat-sifat arus listrik diantaranya yaitu: Arus listrik terjadi karena adanya usaha penyeimbangan potensial dari satu benda ke benda lain, Arah arus listrik berasal dari benda berpotensial tinggi ke benda yang berpotensial lebih rendah, Arah arus listrik berlawanan dengan arah aliran elektron, Muatan listrik yang dapat berpindah adalah muatan negatif atau elektron, Arus listrik terjadi jika ada perpindahan elektron.

Kedua benda yang bermuatan jika dihubungkan melalui kabel akan menghasilkan arus listrik yang besarnya dapat ditulis dalam rumus:

I

=

Q

t

dengan: I = besar kuat arus (satuannya Ampere (A)) Q = besar muatan listris (satuannya Coulomb (C)) t = waktu tempuh (satuannya Sekon (s))

Berdasarkan uraian tersebut, arus listrik dapat didefinisikan sebagai besarnya atau banyaknya muatan listrik (elektron) yang berpindah dalam waktu tertentu (per satuan waktu).

Banyaknya energy listrik yang diperlukan untuk mengalirkan setiap muatan listrik dari ujung-ujung penghantar disebut beda potensial listrik atau tegangan listrik. Hubungan antara energi listrik, muatan listrik, dan beda potensial listrik secara matematik dirumuskan dengan:

V

=

W

Q

dengan: V = beda potensial listrik (satuannya volt (V)) W = energi listrik (satuannya joule (J))

Q = muatan listrik (satuannya coulomb (C))

Dengan demikian, beda potensial adalah besarnya energi listrik untuk memindahkan muatan listrik.

Contoh soal:

Kuat arus listrik yang mengalir pada lampu 250 mA. Jika lampu menyala selama 10 jam, berapakah: a. Muatan listrik yang mengalir pada lampu?

b. Banyaknya elektron yang mengalir pada lampu (1 elektron = 1,6 x 10-19 _C)

Penyelesaian:

Diketahui: I = 250 mA = 0,25 A t = 10 jam = 36.000 s Ditanyakan: a. Q ?

b. ne ?

Jawab: a. Q = I x t

= 0,25 A x 36.000 s = 9.000 C

b. Karena 1 elektron (e) mempunyai muatan 1,6 x 10-19 _{C, maka untuk muatan sebesar 9.100 C mempunyai}

elektron sebanyak

n

_e

=

Q

e

=

9.000

C

1,6

×

10

−19

C

=

1,5×

10

16

elektron

Jadi, pada lampu itu elektron yang mengalir sebanyak 1,5 x 1016 _elektron.

2. Mengukur Kuat Arus Listrik

Kuat arus listrik diukur besarnya dengan menggunakan amperemeter. Amperemeter ada dua jenis, yaitu amperemeter digital dan amperemeter jarum. Ciri amperemeter jarum adalah adanya huruf A pada permukaan skala.

Cara menggunakan Amperemeter:

kuat arus

batasukur

=

skala yang ditunjuk

skala maksimum

kuat arus

5

A

=

4

10

kuat arus

=

4

10

×

5

A

kuat arus=2A

Dalam kehidupan sehari-hari, kamu dapat mengamati adanya gejala beda potensial di baterai atau akumulator. Beberapa baterai dapat disusun secara seri maupun paralel. Susunan seri dibuat dengan cara menyambungkan kutub positif dengan kutub negatif pada baterai lain. Sedangkan susunan paralel dengan cara menyambungkan kutub-kutub sejenis. Lihat gambar berikut.

Gambar (a) susunan seri. (b) susunan paralel

B. HUKUM OHM

Hubungan antara kuat arus listrik dengan beda potensial listrik pertama kali diteliti oleh Fisikawan Jerman bernama Georg Simon Ohm (1789 – 1854). Hasil penelitiannya dikenal sebagai hukum Ohm. Secara matematik hukum ohm ditulis dengan rumus:

V

I

=

R

dengan: V = tegangan listrik (satuan volt (V)) I = kuat arus listrik (satuan ampere (A)) R = hambatan listrik (satuan ohm (Ω)) Contoh soal:

Konduktor berhambatan 400 Ω dihubungkan dengan sumber tegangan, sehingga mengalir arus listrik 500 mA. Berapakah beda potensial ujung-ujung konduktor tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui: R = 400 Ω, I = 500 mA = 0,5 A Ditanyakan: V ?

Jawab: V = I × R V = 0,5 × 400 V = 200 volt

C. DAYA HANTAR LISTRIK

Di dalam kawat penghantar, arus listrikdihasilkan oleh aliran elektron. Muatan positif tidak bergerak karena terikat kuat di dalam inti atom. Ketika ujung-ujung kawat penghantar mendapatbeda potensial, elektron akan mengalir melalui ruang di antara sela-sela muatan positif yang diam. Tumbukan elektron dengan proton sering terjadi sehingga menghambat aliran elektron dan mengurangi arus listrik yang dihasilkan. Semakin panjang kawat penghantar maka semakin banyak tumbukan elektron sehingga semakin besar pula hambatan yang dialami elektron. Akibatnya semakin kecil arus yang mengalir.

Oleh karena itu, hambatan kawat penghantar dipengaruhi oleh panjang kawat, luas penampang kawat (makin besar maka semakin kecil hambatan), dan jenis kawat. Berikut ini tabel hambatan jenis beberapa bahan:

Jenis bahan Hambatan jenis (Ω. M) Jenis bahan Hambatan jenis (Ω. M) Perak 5,9 x10-8 _{Wolfram 5,5 x 10}-5

Tembaga 1,68 x 10-8 _{Germanium 4,5 x 10}-1

Alumunium 2,65 x 10-8 _{Silicon 2,0 x 10}-1

Platina 10,6 x 10-8 _{Kayu 10 – 10}11

Baja 4,0 x 10-7 _{Karet 4,0 x 10}13

Mangan 4,4 x 10-7 _{Kaca 10}12 _{– 10}13

Nikrom 1,2 x 10-6 _{Mika 2,0 x 10}15

Karbon 3,5 x 10-5 _{Kuarsa 1,0 x 10}18

R

=

ρ

l

A

dengan: R = hambatan kawat (satuan ohm (Ω))

ρ = hambatan jenis kawat (satuan ohm meter (Ω.m) l = panjang kawat (satuan meter (m))

A = luas penampang kawat (satuan meter kuadrat (m2₎₎

Contoh soal:

1. Kawat tembaga panjang 15 m memiliki luas penampang 5 mm2_{. Jika hambatan jenisnya 1,7 x 10}-8 _{Ω.m, berapakah}

hambatan kawat tembaga? Penyelesaian:

Diketahui: l = 15 m , A = 5 mm2 _{= 5 x 10}-6 _m2 _{, ρ = 1,7 x 10}-8 _Ω.m

Ditanyakan: R ? Jawab:

R

=

ρ

l

A

R

=

1,7

×

10

−8

15

5

×10

−6 R=1,7×3×10−2

R

=

5,1

×10

−2

Ω

Jadi, hambatan kawat tembaga adalah 5,1 x 10-2 _Ω

2. Dua kawat A dan B luas penampangnya sama dan terbuat dari bahan yang sama. Panjang kawat A 3x panjang kawat B. Jika hambatan kawat A = 150 Ω, berapakah hambatan kawat B?

Penyelesaian:

Diketahui: AA = AB , ρA = ρB , lA = 3 lB , RA = 150 Ω

Ditanyakan: RB = ?

Jawab: lA = 3 lB

R

_A

× A

_A

ρ

_A

=

3

(

R

_B

× A

_B

ρ

_B

)

R_A=3R_B

R

_B

=

R

A

3

R

_B

=

150

3

=

30Ω

Jadi, hambatan kawat B adalah 30 Ω.

Berdasarkan daya hantar listrik (konduktivitas listrik), bahan dibedakan menjadi 3 yaitu:

 Konduktor, adalah bahan yang mudah menghantarkan arus listrik. Konduktor memiliki hambatan kecil karena hambatan jenisnya kecil. Contohnya seperti tembaga, perak, dan alumunium.

 Semi konduktor, adalah bahan yang daya hantar listriknya berada diantara konduktor dan isolator. Bahan yang termasuk semi konduktor adalah karbon (biasanya digunakan sebagai komponen elektronik seperti resistor), silicon dan germanium (biasa digunakan untuk membuat transistor dan IC).

 Isolator, adalah bahan yang sulit menghantarkan arus listrik. Bahan isolator memiliki hambatan besar karena hambatan jenisnya besar. Benda seperti kaca, plastic, karet busa merupakan benda yang termasuk isolator.

D. HUKUM I KIRCHOFF

Muatan listrik yang mengalir melalui rangkaian listrik bersifat kekal artinya muatan listrik yang mengalir ke titik percabangan dalam suatu rangkaian besarnya sama dengan muatan listrik yang keluar dari titik percabangan itu. Oleh karena itu berlaku persamaan berikut.

Q

_masuk

=

Q

_keluar

Q₁+Q₂+Q₅=Q₃+Q₄

Jika muatan mengalir selama selang waktu t, kuat arus yang terjadi:

Q

1

t

+

Q

2

t

+

Q

5

t

=

Q

3

t

+

Q

4

Persamaan tersebut pertama kali dikemukakan oleh Fisikawan Jerman Robert Gustav Kirchoff (1824 – 1887) yang dikenal dengan hukum I Kirchoff. Hukum I Kirchoff berbunyi: “Jumlah kuat arus yang masuk titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang meninggalkan titik percabangan”.

Contoh soal:

Gunakan hukum Kirchoff untuk menghitung V dan I pada rangkaian berikut.

Penyelesaian:

Tegangan pada rangkaian dapat ditulis V = VAB+ VBC …… (i)

Karena berdasarkan hukum kirchoff I, pada titik cabang B berlaku: Imasuk = Ikeluar

I6Ω = I10Ω + I15Ω …… (ii)

Maka kita dapat menentukan harga VAB

VAB = I6ΩRAB

= (I10Ω + I15Ω) RAB

=

(

V

BC

10Ω

+

V

_BC

15Ω

)

6

Ω

=

5

30

Ω

V

BC

.6

Ω

VAB = VBC

Sehingga V = VAB + VBC

Dapat ditulisV = 2 VAB

12 = 2 VAB

VAB = 6 volt

Dengan demikian

I

_6Ω

=

V

AB

R

AB

=

6

volt

6

Ω

=

1

A

I

_10Ω

=

V

BC

R

BC

=

6

volt

10

Ω

=

0,6

A

I

_15Ω

=

V

BC

R

BC

=

6

volt

15

Ω

=

0,4

A

Untuk mengetahui kebenaran jawaban dapat dikembalikan ke persamaan awal yaitu  V = VAB + VBC

 I = IAB= I6Ω = I10Ω + I15Ω

E. RANGKAIAN HAMBATAN LISTRIK 1. Hambatan seri

Hambatan seri adalah dua hambatan atau lebih yang dipasang secara berurutan (tanpa percabangan). Kuat arus (I) yang mengalir di setiap titik besarnya sama. Tujuan rangkaian hambatan seri adalah untuk memperbesar nilai hambatan listrik dan membagi beda potensial dari sumber tegangan. Rangkaian hambatan seri dapat diganti dengan sebuah hambatan yang disebut hambatan pengganti seri (Rs). Lihat gambar rangkaian hambatan seri

berikut ini.

Berdasarkan gambar tersebut berlaku persamaan: V = V1 + V2 + V3

I = I1 = I2 = I3

Contoh soal:

Perhatikan gambar berikut ini!

Berdasarkan gambar disamping, tentukanlah: a. Hambatan pengganti

b. Arus liastrik yang mengalir pada R1, R2, dan R3

c. Beda potensial pada masing-masing hambatan

Penyelesaian:

Diketahui: R1= 20Ω , R2= 10Ω , R3= 30Ω , V = 6 Volt

Ditanyakan: a. Rs

b. I

c. V1, V2, dan V3

Jawab:

a.

R

_s

=

R

₁

+

R

₂

+

R

₃

R_s=20+10+30=60Ω

b.

I

=

V

R

_s

I

=

6

60

=

0,1

A

c. V1=I × R1 V2=I × R2 V3=I × R3

¿0,1×20=2V ¿0,1×10=1V ¿0,1×30=3V

2. Hambatan paralel

Hambatan paralel adalah dua hambatan atau lebih yang disusun secara berdampingan (rangkaian bercabang dan memiliki lebih dari satu jalur arus listrik). Besar beda potensial (tegangan) seluruhnya sama. Tujuan rangkaian hambatan paralel adalah untuk membagi arus listrik. Rangkaian hambatan paralel dapat diganti dengan sebuah hambatan yang disebut hambatan pengganti paralel (Rp).

Lihat gambar rangkaian hambatan paralel berikut ini.

Berdasarkan gambar tersebut, sesuai hukum Ohm dirumuskan:

I1= V R1

atau I1= V_PQ

R1

I₂=V

R2atau I2= V_PQ

R2

I₃=V

R3

atau I₃=VPQ

R3

Karena beda potensial seluruhnya sama, maka berlaku rumus: V=V₁=V₂=V₃

Besar kuat arus dapat dihitung dengan:

I

=

V

R

P

Hubungannya dengan hukum kirchoff I adalah:

I

=

I

₁

+

I

₂

+

I

₃

V

R

_P

=

V

R

₁

+

V

R

₂

+

V

R

₃ Jika kedua ruas dibagi denganV, maka diperoleh rumus:

1

R

_P

=

1

R

₁

+

1

R

₂

+

1

R

₃ Jadi hambatan pengganti paralel dapat dihitung dengan rumus:

1

R

_P

=

1

R

₁

+

1

R

₂

+

1

R

₃

+

…

+

1

R

_n Contoh soal:

Berdasarkan gambar berikut, tentukanlah: a. Hambatan pengganti paralel

b. Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian

Penyelesaian:

Diketahui: R1 = 60Ω , R2 = 120Ω , R3= 40Ω , V = 6 Volt

Ditanyakan: a. Rp ?

b. I ?

c. I1, I2, dan I3 ?

Jawab:

a.

1

R

_P

=

1

R

₁

+

1

R

₂

+

1

R

₃ b.

I

=

V

R

_P c.

I

1

=

V

R

₁

=

6

60

=

0,1

A

¿

1

60

+

1

120

+

1

40

=

6

120

I

=

6

20

=

0,3

Ω

I

2

=

V

R

₂

=

6

120

=

0,05

A

R

P

=

120

6

=

20

Ω

I

3

=

V

R

3

=

6