PERANGKAT PEMBELAJARAN SAINS FISIKA SMA

PERANGKAT PEMBELAJARAN

SAINS FISIKA SMA

Kelas X Semester 2

Standar Kompetensi : Menerapkan konsep kelistrikan dalam berbagai penyelesaian masalah dan berbagai produk teknologi.

Kompetensi Dasar : Mengidentifikasi penerapan listrik AC dan DC dalam kehidupan sehari-hari.

Oleh :

Ferry Yudha Pratama (063184012)

Universitas Negeri Surabaya

2007

I.

PENDAHULUAN

Di zaman yang serba modern ini kehidupan manusia tidak dapat dipisahkan dari dunia kelistrikan. Hal ini terbukti dari hampir semua peralatan yang kita miliki menggunakan listrik. Untuk bisa bekerja tentu saja peralatan elektronika yang kita miliki harus diberikan supply tegangan listrik, pada dasarnya ada dua bentuk tegangan listrik yaitu arus bolak balik / alternating current (disingkat Arus AC) dan arus searah / direct current (disingkat arus DC). Arus AC dapat diperoleh dengan cara menghubungkan langsung peralatan kita ke kabel PLN ataupun menghubungkan peralatan kita ke Genset. Sedangkan arus DC dapat diperoleh dari batu batere ataupun accumulator (disingkat aki). Sesungguhnya arus listrik yang biasanya diperlukan oleh perangkat elektronika pada rangkaian internalnya ialah arus DC, arus DC tersebut diperoleh dengan menyearahkan arus AC sehingga menjadi DC dan rangkaian penyerarah (rectifier) digunakan pada proses ini. Metode ini banyak digunakan pada perangkat yang membutuhkan daya yang relative kecil.

Sedangkan arus atau tegangan AC (Alternating Current) sendiri adalah arus atau tegangan yang nilainya selalu berubah terhadap waktu secara periodic. Jumlah perubahan arus persatuan waktu disebut frekuensi dan diukur dalam hertz (Hz). Kita dapat membedakan antara tegangan DC dengan tegangan AC yaitu dengan melihat bentuk grafik tegangan yang dihasilkan oleh osiloskop. Tegangan yang digunakan dalam listrik perumahan (yang disediakan oleh PLN) yaitu tegangan AC. Kita dapat membuktikannya dengan menghubungkan stop kontak ke terminal tegangan yang ada pada osiloskp. Maka grafik yang muncul pada osiloskop berupa grafik “sinusodial”.

Pada arus atau tegangan DC terdapat nilai efektif yang merupakan nilai dimana tegangan dan arus searah akan mentransfer atau mendisipasi daya yang sama. Nilai ini bisa digunakan untuk mendiskripsikan nilai AC.

(a)

(b)

Arus DC, electron di dalam konduktor mengalir hanya pada

satu arah. Arus AC, arah aliran arus berubah secara terus

Gambar Arus AC keluaran PLN (a) dan arus AC melalui Osiloskop (b)

II.

ISI

1. Idintifikasi Arus Searah

Arus searah (bahasa Inggris direct current atau DC) adalah aliran elektron atau aliran arus listrik yang konstan dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah. Pada umumnya ini terjadi dalam sebuah konduktor seperti kabel, namun bisa juga terjadi dalam semikonduktor, isolator, atau juga vakum seperti halnya pancaran elektron atau pancaran ion. Dalam listrik arus searah, muatan listrik mengalir ke satu arah. Istilah lama yang digunakan sebelum listrik arus searah adalah Arus galvanis.

Grafik arus searah pada osiloskop

"http://id.wikipedia.org/wiki/Listrik_arus_searah"

Sumber arus listrik searah biasanya adalah baterai (termasuk aki dan Elemen Volta) dan panel surya. Arus searah biasanya mengalir pada sebuah konduktor, walaupun mungkin saja arus searah mengalir pada semi-konduktor, isolator, dan ruang hampa udara. Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif sumber arus listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan-pengamatan yang lebih baru menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron ini menyebabkan terjadinya lubang-lubang bermuatan positif, yang "tampak mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

1. a. Susunan Sumber Tegangan DC

Sumber tegangan merupakan tempat diperolehnya arus listrik yang disebut juga gaya gerak listrik atau ggl. Contoh sumber tegangan yang sering ditemuidalam kehidupan sehari-hari adalah batu bateraiaau elemen. Jadi, ggl adalah tegangan pada ujung-ujung baterai pada saat baterai tidak dihubungkan ke beban atau alat dan diberi symbol

ε

(epsilon) dan satuannya volt. Sedangkan tegangan jepit V adalah tegangan pada ujung-ujung baterai ketika baterai ketika baterai mengalirkan arus ke beban. Ketika arus mengalir melalui sumber tegangan maka akan ditemukan tegangan baterai sedikit turun, hal ini terjadi karena adanya hambatan dalam baterai itu sendiri yang di sebut dengan

hambatan dalam r. hambatan dalam ini tidak dapat dipisahkan karena merupakan bagian dari baterai itu sendiri.

Ketika tidak ada arus yang diambil dari baterai, tegangan jepit VAB sama dengan ggl

ε.

Tetapi ketika arus I mengalir dari baterai, penurunan internal pada tegangan yang terjadi sama dengan Ir (beda tegangan pada hambatan r) sehingga tegangan jepit yang terukur ialah;

……… (1)

VAB =

ε - I

r

A B

Gambar diagram baterai sebagai sumber tegangan dengan ggl ε dan hambatan

1. a. 1. sumber tegangan seri

Apabila baterai tersebut dihubungkan dengan suatu hambatan R akan diperoleh bahwa

……….. (2)

Jika dalam rangkaian tertutup dipasang sejumlah n sumber tegangan yang dipasang seri dan masing-masing bernilai

ε

volt dan hambatan dalamnya r, besar tegangan total adalah (n

ε

) volt dan hambatan dalam seluruhnya adalah (nr) ohm, sehingga kuat arus yang mengalir dalam rangkaian adalah;

……….. (3)

1. a. 2. Sumber Tegangan Paralel

Jika pada rangkaian tertutup dipasang n buah sumber tegangan yang dipasang parallel, besar tegangan

ε

akan tetap dan hambatan dalamnya menjadi r/n. Jadi kuat arus yang mengalir dalam rangkaian ialah;

……. ……… (4)

Diskusikan dengan kelompok mu tentang beberapa pembuktian berikut;

1. Buktikan bahwa n sumber tegangan yang disusun serri akan menghasilkan besar tegangan total sebesar n ε volt, berdasarkan sekema percobaan berikut;

P Q

a b c d e

2. Buktikan bahwa n sumber tegangan yang disusun paralel akan menghasilkan besar tegangan total sebesar

ε

tetap, berdasarkan sekema percobaan berikut;

2. Idietifikasi Arus Bolak-balik

Gambar Lampu-lampu kota yang dilihat dari kamera yang bergerak. Listrik

arus bolak-balik menyebabkan lampu

berkelip-kelip yang membuat garis terlihat menjadi bintik-bintik.

"http://id.wikipedia.org/wiki/Listrik_arus_bo lak-balik"

Listrik Arus bolak-balik (listrik AC alternating current) adalah arus listrik dimana listrik arus searah dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arah arus DC yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien. Namun dalam aplikasi-aplikasi spesifik yang lain, bentuk gelombang lain pun dapat digunakan, misalnya bentuk gelombang segitiga (triangular wave) atau bentuk gelombang segi empat (square wave)..

Secara umum, listrik bolak-balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN) ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga merupakan listrik arus bolak-balik. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut.

2. a. Arus dan Tegangan Bolak- balik

Sumber arus bolak-balik adalah generator arus bolak-balik. Prinsip dasar generator arus bolak-balik adalah sebuah kumparan berputar dengan kecepatan sudut ωyang berada dalam medan megnetik. Generator ini menghasilkan gaya gerak listrik induksi (magnetik) dan arus listrik induksi yang berbentuk sinusoida. Tegangan dan arus bolak-balik tersebut dapat dapat dinyatakan dalam matematik sebagai berikut :

t = waktu (s)

ωt = sudut fase (radian atau derajat)

2. b. Nilai Rata-rata dan Nilai Efektif

Dalam suatu siklus antuk arus bolak-balik, luas bagian positif sama dengan luas bagian negative. Akibatnya nilai rata-rata yang diambil untuk satu siklus sama dengan nol. Karenanya, nilai rata-rata diambil hanya untuk setengah siklus.

Dengan tinjauan luas daerah dibawah untuk grafik arus terhadap waktu sama dengan jumlah muatan listrik yang mengalir, maka dapat dinyatakan bahwa nilai rata-rata arus bolak-balik adalah kuat arus bolak-balik yang nilainya setara dengan kuat arus searah untuk memindahkan sejumlah muatan listrik yang sama dalam waktu yang sama pula.

……….. (3)

……….. (4)

Dengan :

I r = arus rata-rata (A), I m= arus maksimum (A)

V r = tegangan rata-rata (V), V m = tegangan maksimum (V)

Sedangkan secra fisik dapat dinyatakan bahwa nilai efektif dari arus dan tegangan bolak-balik ialah kuat arus dan tegangan bolak-alik yang setara dengan arus dan tegangan searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu resistor dalam waktu yang sama. Sehingga secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut;

………. (5)

dan

………. (6)

3. c. Keuntungan Menggunakan Arus AC Dibandingkan Arus DC

Keuntungan menggunakan tegangan AC dibandingkan DC yaitu dengan menggunakan transformer dapat menaikkan dan menurunkan tegangan transmisi. Listrik DC tidak dapat ditransformasikan dengan mudah. Selain itu, AC juga mempunyai kelebihan lein seperti;

Generator AC lebih sederhana, lebih murah dan lebih dapat diandalkan dari pada generator DC

AC dapat diubah (on ke off atau sebaliknya) seketika pada saklar-saklar atau pemutus daya pada setiap tegangan

Disediakan sebuah osiloskop yang menghasilkan tampilan pada layar tampak seperti pada gambar sewaktu tegangan ACdihubungkan pada terminal masukan vertikalnya. Tombol pnguat vertical osiloskop diatur pada 3V/cm, sedangkan tombol sweeptime (waktu sapu) horizontal 2 ms/cm, dan tiap kotak mempunyai ukuran 1 cm.

Diskusikan dengan kelompokmu untuk menyelesaikan permasalahan berikut ini; (a) menentukan berapa tegangan maksimumnya, (b) frekuensi sumber serta, (c) waktu sapu horizontal ketika disetel pada 0,5 sm/cm.

Gambar grafik arus AC pada Osiloskop

3. Ditribusi Listrik di dalam Rumah

Listrik yang di suplai ke dalam rumah pada umumnys ysitu 220 V dengan frekuensi 50 Hz. Terdapat dua kawat yang menuju rumah, kawat aktif L (live) dan kawat netral N. kedua kawat ini masuk ke circuit breaker utama, ke KWh meter dan dilanjutkan ke kotak sekering pelayanan rumah.

Selanjutnya kedua kawat tersebut (L dan N) yang keluar dari kotak pelayanan rumah dihubungkan ke berbagai rangkaiaan di dalam rumah seperti lampu, saklar ddan stop kontak. Semua stop kontak dan lampu di dalam setiap rangkaian di hubungkan secara parallel. Ketika sebuah alat dihubungkan ke stop kontak maka alat tersebut terhubung secara parallel dengan peralatan lain yang terhubug ke rangkaian tersebut.

4. Sekering dan Circuit Breaker

Setiap rangkaian mempunyai alat pengaman yang mencegah terlalu banyak arus yang mengalir pada rangkaian. Ketika jumlah arus di dalam rangkaian melibihi batas aman untuk rangkaian tersebut, maka alat pengaman tersebut akan membuka rangkaian. Sekering merupakan salah satu alat pengaman tersebut.

Sekering berisi sebuah logam tipis yang memiliki titik leleh rendah. Ketika arus yang terlalu besar mengalir melaluisekering, logam tipis tersebut akan panas dan meleleh. Hal ini menyebabkan rangkaian menjadi terbuka. Sekering akan meleleh sebelum kawat tembag pada rangkaian menjadi panas dan meyebabkan kerusakan.

Circuit breaker merupakan alat yang sama. Circuit breaker merupakan saklar yang membuka rangkaian apabila pada rangkaian terjadi kelebihan beban. Circuit

Semakin tinggi garis vrtikal pada gravik maka tegangannya

pun semakin besar, sedangkan semakin panjang garis horizontal maka frekuensi arus

breaker memiliki kelebihan dibandingkandenga sekering, yaitu dapat direst. Sedangkan pada sekering apabila telah terbakar tidak dapat digunakan kembali dan harus diganti.

5. Penerapan Listrik AC dan DC Pada Kehidupan Sehari-hari

Transmisi daya listrik dalam jumlah besar dapat dilakukan dengan saluran transmisi tegangan tinggi. Energi listrik ditransmisikan ke berbagai daerah dengan saluran tegangan tinggi karena daya yang hilag pada saluran tersebut jauh lebih kecil dibandingkan daya hilang apabila menggunakan daya rendah. Saluran tegangan rendah tidak berbahaya apabila dibandingkan dengan tegangan tinggi.

Apabila seluruh total hambatan dari saluran transmisi dari pusat pembangkit listrik ke cabang local dianggap sebagai R.dan kebutuhan masyarakat akan daya dari cabang local tersebut sebesar P = VI. Hal ini berarti arus yang yang dipakai oleh cabang yaitu I = P/V dan semakin tinggi tgangan saluran transmisi, maka arusnya semakin kecil. Serta daya yang hilang dalam perjalanan saluran transmisi diberikan oleh Philang = I2R, atau dengan

mensubstitusika I, menjadi

……….. (7)

Dengan fraksi daya yang hilang bertambah dengan kenaikan beban P; transmisi daya kurang efektif untuk kebutuhan yang lebih tinggi.

……… (8)

Hal ini disebabkan karena daya berbanding lurus dengan arus sedangkan daya yang hilang berbanding lurus dengan arus kuadrat.

6. Aplikasi Listrik AC dan DC dalam Kehidupan Sehari-hari

Listrik DC pada umumnya ditemukan pada peralatan bertegangan rendah, khususnya yang menggunakan sumber listrik baterai atau aki. Selain baterai dan aki, listrik DC juga dapat dihasilkan oleh dynamo DC seperti yang diterapkan pada lampu sepeda. Beberapa peralatan elektronik yang portable (mudah dibawa) seperti mainan anak-anak, lampu senter, radio mini, dan sebagainya pada umumnya menggunakan listrik DC karena listrik DC memiliki kelebihan yaitu sumber arusnya (seperti baterai dan aki) mudah untuk dibawa kemana-mana.

Alat-alat elektronik yang ada saat ini seperti lemeri es, kipas angina, setrika listrik, pemanas nasi, blender dan lampu penerangan menggunakan suplai listrik AC. Bahkan, peralatan elektronik yang membutuhka energi DC seperti pemutar DVD, VCD, Tape dan Radio tetap menggunakan suplai listrik AC yang kemudian disearahkan menjadi DC dengan menggunakan rangkaian penyearah atau rectifier yang terdapat di dalamnya.

2 2

V R P P_hilang

2

V R P P P_hilang

Arus searah (bahasa Inggris direct current atau DC) adalah aliran elektron atau aliran arus listrik yang konstan dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah. Dalam listrik arus searah, muatan listrik mengalir ke satu arah. Istilah lama yang digunakan sebelum listrik arus searah adalah Arus galvanis.

Listrik Arus bolak-balik (listrik AC alternating current) adalah arus listrik dimana listrik arus searah dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arah arus DC yang mengalir tidak

Beberapa peralatan elektronik yang portable (mudah dibawa) seperti mainan anak-anak, lampu senter, radio mini, dan sebagainya pada umumnya menggunakan listrik DC karena listrik DC memiliki kelebihan yaitu sumber arusnya (seperti baterai dan aki) mudah untuk dibawa kemana-mana.

Alat-alat elektronik yang ada saat ini seperti lemeri es, kipas angina, setrika listrik, pemanas nasi, blender dan lampu penerangan menggunakan suplai listrik AC. Bahkan, peralatan elektronik yang membutuhka energi DC seperti pemutar DVD, VCD, Tape dan Radio tetap menggunakan suplai listrik AC yang kemudian disearahkan menjadi DC dengan menggunakan rangkaian penyearah atau rectifier yang terdapat di dalamnya.

Foster, Bob. 2003. Fisika SMU jilid 3A. Jakarta : Erlangga

Budi, Kartika dan Ganijanti. 2007. Fisika Untuk SMA dan MA Kelas X. Jakarta: Widya Utama

Kanginan, Marthen. 2002. Fisika SMU Kelas 1 Semester 2. Jakarta: Erlangga

1. Mengapa transmisi daya listrikdalam jumlah besar dapat dilakukan dengan transmisi daya tinggi ?

a. Daya hilang pada transmisi tersebut lebih kecil b. Daya hilang dalam saluran tersebut tidak ada c. Agar daya yang dihasilkan juga besar

d. Untuk mempercepat laju pnerimaan listrik

2. Dibawah ini merupakan cirri-ciri alat listrik sekering, kecuali …. a. Berisi logam tipis dngan titik leleh rendah

b. Merupakannalat pengaman pada perangkat listrik

c. Mencegah terlalu banyak arus listrik yang mengalir pada rangkaian d. Dapat direset kembali setelah terjadi korsliting

3. Disediakan 4 buah sumber tegangan DC disusun secara seri dengan besar masing-masing sumber adalah 1,5 volt. Tentukan berapa besar ggl ε total .…

a. 3 volt b. 4 volt c. 5 volt d. 6 volt

4. Hitunglah berapa nilai dari 3 buah sumber tegangan berupa baterai 1,5 volt yang disusun secara parallel …..

a. 1.5 volt b. 3 volt c. 4,5 volt d. 6 volt

5. Ayah memiliki dua lampu pijar 100 W yang masing-masing bertegangan 110 volt dan 220 volt.

a. Apa yang terjadi jika lampu dengan tgangan 110 V dipasang pada tegangan 220 V?