Listrik Dinamis
-
Upload
lhiya-shinhye-handriani -
Category
Documents
-
view
232 -
download
12
description
Transcript of Listrik Dinamis
Listrik merupakan salah satu bentuk dasar energi yang berhubungan dengan muatan
listrik, yaitu sifat suatu partikel dasar seperti elektron dan proton. Muatan-muatan listrik dapat
berupa muatan yang diam atau muatan yang bergerak. Kajian tentang listik yang berhubungan
dengan muatan-muatan listrik yang diam disebut listrik statis, sedangkan kajian tentang listik
yang berhubungan dengan muatan-muatan listrik yang bergerak disebut listrik dinamis. Dalam
bab ini akan mengkaji kembali kajian tentang listrik dinamis secara lebih khusus yang mencakup
materi-materi sebagai berikut.
1. Arus Listrik
2. Hukum Ohm dan Hambatan Listrik
3. Rangkaian Listrik Arus Searah
4. Pengukuran Besaran-besaran Listrik
5. Energi Listrik dan Daya Listrik
6. Tegangan AC dan DC
A. Arus Listrik
Arus Listrik adalah aliran muatan-muatan listrik yang melalui penghantar dalam
selang waktu. Muatan-muatan listrik dalam suatu arus listrik dibawa oleh partikel-partikel
kecil, yaitu elekron-elektron atau ion-ion positif.
Zat padat, zat cair dan gas yang dapat menglirkan arus listrik disebut dengan
konduktor, bahan-bahan yang tidak dapat mengalirkan arus listrik disebut dengan
isolator, sedangkan bahan-bahan diantara konduktor dan isolator disebut semikonduktor.
Arus listrik mengalir dari tempat yang mempunyai potensial lebih tinggi ke tempat
yang mumpunyai potensial yang lebih rendah . Dalam hal ini perbedaan potensial di
antara dua titik (tempat) yang dapat menghasilkan arus listrik disebut oleh gaya gerak
listrik(ggl). Gaya gerak listrik dapat diperoleh dari beberapa bahan yang dibebut sumber
tegangan seperti sel Volta, sel Daniel , sel Leclanche, baterai, akumulator dan lain
sebagainya.
Besaran yang menyatakan ukuran arus listrik disebut dengan kuat arus listrik.
Dalam hal ini kuat arus listrik didefinisikan sebagai jumlah muatan listrik yang mengalir
melalui penampang sebuah konduktor tiap satuan waktu . Kuat arus listrik yang mengalir
melalui sebuah penampang konduktor dapat ditemukan dengan persamaan sebagai
berikut.
I=
dengan : I = kuat arus listrik (A)
Q = jumlah muatan listrik yang mengalir (C)
t = waktu (s)
Dalam SI, satuan muatan listrik adalah coulomb (C), sedangkan satuan waktu adalah
sekon (s). Jadi, satuan kuat arus listrik dalam SI adalah coulomb / sekon atau C/s. Satuan
C/s ini diberi nama khusus, yaitu ampere(A), dimana 1A=1C/s. Kuat arus listrik diukur
menggunakan amperemeter atau ammeter.
Kuat arus listrik merupakan besaran skalar, tetapi dalam fisika terdapat sebuah
besaran rapat arus (J) yang merupakan besaran vektor. Rapat arus didefinisikan sebagai
kuat arus listrik tiap satuan luas penampang konduktor. Rapat arus dapat dinyatakan
secara matematis dengan menggunakan persamaan sebagai beikut.
J=
Dengan
J= rapat arus (A/m2)
A=luas penampang konduktor(m2)
Arus listrik diperoleh dari sumber arus listrik. Arus listrik dapat dikelompokkan
menjadi arus listrik searah (DC) dan arus listrik bolak-balik (AC). Sumber arus listrik
searah misalnya batu baterai dan aki, sedangkan sumber arus bolak-balik misalnya listrik
dari Perusahaan Listrik Negara dan generator arus searah.
Contoh soal
Suatu konduktor dilewati muatan listrik 2,4 C dalam waktu 2 menit
Tentukan :
a. Kuat arus listrik
b. Rapat arus jika luas penampang konduktor 0,2 x 10-6 m2
Penyelesaian
a. Kuat arus Listrik
Karena Q = 2,4 C, dan t = 2 menit = 120 s, maka
I = =
= 20 mA
Jadi, kuat arus listriknya adalah 20 mA
b. Rapat arus
J= =
= 105 A/m2
Jadi, rapat arusnya adalah 105 A/m2
B. Hukum Ohm dan Hambatan Listrik Hukum Ohm
Untuk menghasilkan arus listrik diperlukan tegangan (beda potensial). Hasil
eksperimen George Simon Ohm (1787-1854) menunjukkan bahwa arus listrik yang
mengalir pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial yang diberikan
pada ujung-ujung penghantar itu. Artinya, jika beda potensial diperbesar, arus yang
mengalir juga semakin besar. Sebaliknya, jika beda potensial diperkecil arus yang
mengalir juga makin kecil.
Besar arus listrik pada rangkaian dipengaruh oleh besar hambatan. Untuk nilai
tegangan tertentu, semakin besar hambatan, semakin kecil arus yang menglir. Ini
berarti kuat arus (I) berbanding terbalik dengan besar hambatan (R).
Berdasarkan hasil eksperimennya, Ohm memperoleh kesimpulan penting yang
selanjutnya dikenal sebagai Hukum Ohm, yang menyatakan bahwa :
Besar arus dalam suatu penghantar sebanding dengan tegangan (beda
potensial) dan berbanding terbalik dengan hambatannya.
Secara matematis, Hukum Ohm dapat dirumuskan dengan:
I=
Dengan :V = tegangan (volt)I = arus listrik (A)R = hambatan listrik (Ω)
Berdasarkan persamaan diatas, besar hambatan adalah R= . Jadi, satuan
hambatan juga bisa diturunkan dari satuan tegangan dibagi satuan kuat arus atau
volt /ampere. Satuan ini setara dengan satuan SI untuk hambatan, yaitu Ohm (Ω),
dimana 1Ω =1V/A.
Pada kenyataannya, tidak semua komponen listrik memenuhi hukum Ohm.
Komponen-komponen listrik yang memenuhi hukum Ohm disebut komponen Ohmik
sedangkan komponen-komponen listrik yang tidak memenuhi hukum Ohm disebut
komponen non-ohmik. Hambatan komponen ohmik mempunyai nilai yang tetap
meskipun tegangan berubah, tetapi hambatan komponen non-ohmik mempunyai nilai
yang berubah ketika tegangan berubah.
Hambatan ListrikDari pendefinisian besaran R (hambatan) oleh Ohm itu dapat memotivasi para
ilmuwan untuk mempelajari sifat-sifat resistif suatu bahan dan hasilnya adalah semua
bahan di alam ini memiliki hambatan. Berdasarkan sifat resistivitasnya ini bahan
dibagi menjadi tiga yaitu konduktor, isolator dan semikonduktor. Konduktor
memiliki hambatan yang kecil sehingga daya hantar listriknya baik. Isolator memiliki
hambatan cukup besar sehingga tidak dapat menghantarkan listrik. Sedangkan
semikonduktor memiliki sifat diantaranya.
Hambatan listrik merupakan sifat suatu benda atau bahan untuk menahan atau
bahan untuk menahan atau menentang aliran arus listrik . Besarnya hambatan pada
suatu rangkaian listrik menentukan jumlah aliran arus pada rangkaian untuk setiap
tegangan yang diberikan pada rangkaian dan sesuai dengan prinsip hokum Ohm.
Pada dasarnya nilai hambatan suatu bahan konduktor dipengaruhi oleh tiga
besaran yaitu sebanding dengan panjangnya l, berbanding terbalik dengan luas
penampangnya A , dan hambatan jenis bahan tersebut ρ. Secara matematis hambatan
suatu bahan konduktor dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
R = hambatan bahan (ohm, disingkat Ω )
ρ= Hambatan jenis bahan (Ω m)
l= panjang bahan (m)
A = luas penampang bahan (m2)
Dalam fisika hambatan sering dihubungkan dengan konduktivitas bahan, dimana
τ =
dengan
τ = konduktivitas bahan (Ωm)-1
ρ = hambatan jenis bahan (Ωm)
Hambatan jenis dan konduktivitas suatu bahan merupakan sifat khas bahan
yang tidak dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk bahan, tetapi dipengaruhi oleh
perubahan suhu. Pada batas perubahan suhu tertentu, maka hambatan jenis suatu
bahan memenuhi persamaan sebagai berikut .
ρT = ρ0 (1 + α ΔT)
ρT -ρ0 = Δρ
ΔT=T-T0
Dengan
ρ = hambatan jenis pada suhu T (Ωm)
ρ0 = hambatan jenis pada suhu T0 (Ωm)
α = koefisien suhu hambatan jenis ( 0C-1)
ΔT = perubahan suhu (0C)
Karena hambatan jenis (R) berbanding lurus dengan hambatan jenis (ρ), maka berlaku
Besaran α dari persamaan-persamaan di atas disebut dengan koefisien suhu hambatan
jenis, yang bergantung pada jenis bahan.
Nilai Hambatan jenis suatu bahan menentukan kemampuan bahan tersebut
dalam menghantahar listrik . Bahan konduktor seperti aluminiu, dan tembaga
mempunyai hambatan jenis lebih kecil dari bahan isolator seperti karet dan daca,
sedangkan bahan semikonduktor seperti germanium, silikon murni tentu mempunyai
hambatan jenis diantara hambatan jenis konduktor dan isolator.
Contoh soal
Seutas kawat konduktor mempunyai panjang 50 m, diameter 2,5 mm dan hambatan
jenis 1,72 × 10-8 Ω m. Tentukan :
a. Hambatan kawat ( = 3,14)
b. Arus listrik yang mengalir melalui kawat dihubungkan dengan tegangan 3 volt
dan hambatan kawat tetap
RT = R0 (1 + α ΔT)RT - R0 = ΔR
c. Hambatan kawat dari bahan dan panjang yang sama, tetapi diameternya dua kali
semula ( = 3,14)
Penyelesaian
a. Hambatan kawat
R =
A = ( penampangnya lingkaran)
Karena ρ=1,25 10-8 Ωm, l = 50 m, r = =
= 1,25 mm = 1,25 10-3 m, dan = 3,14 , maka
R =
= Ω
= 0,175 Ω
Jadi, hambatan kawat tersebut adalah 0,175 Ω
b. Arus listrik(untuk V= 3 volt)
Berdasarkan hukum Ohm, maka
I = =
= 17,14 A
Jadi, arus listrik yang mengalir adalah 17,14 A
c. Hambatan kawat (R2), jika ρ1= ρ2=ρ, l1 = L2=l , dan d2 = d1
=
=
=
=
Karena d2 = 2d1 , maka
=
=
R2 =
= Ω
= 0,04375 Ω
Jadi, hambatan kawat tersebut adalah ,04375 Ω
C. Rangkaian Listrik Arus Searah
1. Hukum Kirchoff
Gustav Robert Kirchoff (1824-1887) meneliti besar arus pada rangkaian
bercabang dan menemukan suatu aturan yang kemudian dikenal sebagai Hukum I
Kirchoff tentang titik cabang. Kirchoff juga meneliti besar tegangan (beda potensial)
pada rangkaian tertutup dan menemukan suatu aturan yang kemudian dikenal sebagai
Hukum II Kirchoff tentang loop.
a) Hukum I Kirchoff
Hukum I Kirchoff menyatakan bahwa :
Jumlah kuat arus yang memasuki suatu titik cabang sama dengan jumlah kuat
arus yang keluar dari cabang itu.
Hukum I Kirchoff berkaitan dengan arus listrik pada rangkaian bercabang.
Dalam bentuk persamaan, Hukum I Kirchoff ditulis :
∑Imasuk = ∑Ikeluar
Sebagi contoh , perhatikan Gambar ….Arus I1, I2, dan I3, menuju titik cabang
itu, sedangkan arus I4 keluar atau meninggalkan titik cabang. Berdasarkan
Hukum Kirchoff, pada titik A berlaku persamaan :
∑Imasuk = ∑Ikeluar
I1 + I2 + I3 = I4
b) Hukum II Kirchoff
Hukum II Kirchoff atau loop berkaitan dengan tegangan dan gaya gerak listrik
pada rangkaian listrik tertutup.Hukum II Kirchoff menyatakan bahwa :
Jumlah aljabar gaya gerak listrik ( ε ) dengan penurunan tegangan (IR) yang
membentuk suatu rangkaian tertutup sama dengan nol.
Dalam bentuk persamaan, hukum II Kirchoff ditulis dengan :
∑ ε + ∑IR = 0
Teorema Simpal digunakan untuk memecahkan masalah-masalah pada
rangkaian listrik tertutup. Dalam menggunakan teorema ini kita memperhatikan
beberapa hal berikut ini :
1). Perhatikan kutub-kutub pada symbol sumber tegangan searah, garis
panjang merupakan kutub positif, sedangkan garis pendek menunjukkan
kutub negative.
2). Berilah tanda panah untuk menandai arah arus di setiap percabangan. Arah
tanda panah ini dapat dipilih sembarang.
3). Gunakan hukum I Kirchoff pada setiap titik cabang.
4). Jika dalam rangkaian terdapat lebih dari satu loop, hukum loop berlaku
masing-masing loop itu. Arah loop dipilih sembarang.
5). Dalam menjumlahkan beda potensial (tegangan) secara aljabar, perhatikan
ketentuan pemberian tanda aljabarnya.
Untuk tegangan pada resistor :
- bernilai positif jika arus yang dipilih searah dengan arah loop.
(searah = positif)
- bernilai negatif jika arus listrik yang dipilih berlawanan arah
dengan arah loop (berlawanan arah = negative)
Untuk tegangan pada baterai
- Bernilai positif jika loop bertemu baterai dari arah kutub
positifnya
- Benilai negative jika loop bertemu baterai dari arah kutub
negatifnya.
Contoh
Suatu rangkaian seperti ditunjukkan pada gambar 5.10, dengan hukum Kirchhoff II
hitunglah arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut.
Gambar 5.10 Suatu loop tertutup untuk menerapkan hukum II Kirchhoff
1. Dipilih loop abdca, dengan arah dari a - b - d - c - a
2. Dengan menerapkan hukum II Kirchhoff: 6H + 6(IR) = 0 dan memperhatikan
aturan yang disepakati tentang tanda-tandanya, sehingga diperoleh:
- ε2 + I R1 + I R2 - ε1 + I R2 = 0 atau
- ε1 - ε2 + I(R1 + R2 + R3) =0
I = = =
Jadi, arus yang mengalir adalah 7,5 A dengan dari a-b-d-c-a
2. Rangkaian Seri dan Paralel Resistor
Resistor adalah komponen elektronika yang berfungsi sebagai penghambat arus
listrik. Kemampuan menghambat arus yang dimiliki sebuah resistor ditunjukkan
dengan nilai hambatan atau resistansinya.
Pada sebuah rangkaian listrik, resistor dapat dihubungkan secara seri maupun
paralel. Hambatan total resistor dari hubungan seri dan paralel menunjukkan
karakteristik yang berbeda.
a. Rangkaian Seri Resistor
GAMBAR
Berdasarkan gambar di atas, maka pada rangkaian seri resistor, tegangan sumber
(V) terbagi menjadi V1 dan V2 sedangkan arus listrik yang mengalir R1 dan R2
adalah sama, sehingga
Berdasarkan Hukum Ohm (V=I.R), maka
Dengan
V = tegangan sumber (volt)
V1 = tegangan pada R1 (volt)
V2 = tegangan pada R2 (volt)
R = hambatan total (Ω)
R1 = hambatan resistor 1 (Ω)
R2 = hambatan resistor 2 (Ω)
I = arus listrik (A)
Dari uraian di atas , maka rangakian seri merupakan rangkaian pembagi
tegangan dan dapat digunakan untuk memperbesar hambatan rangkaian. Untuk n
buah resistor yang di ubungkan secara seri, maka hambatan totalnya dapat di
tentukan dengan persamaan sebagi berikut.
V = V1 + V2
IR=IR1 + IR2
R = R1 + R2
Rs = R1 + R2 + … + Rn
Contoh
Empat resistor masing-masing sebesar 15Ω , 24Ω , 25Ω , dan 36 Ω disusun secara
seri dalam rangkaian. Tentukan besar hambatan sebuah resistor pengganti (Rs) untuk
mengganti keempat resistor tadi !
Jawab
Rs = R1 + R2 + R3 + R4
= 15Ω + 24Ω + 25Ω + 36 Ω
= 100 Ω
b. Rangkaian Paralel Resistor
GAMBAR
Berdasrkan gambar di atas, maka rangkaian pararel resistor, tegangan sumber(V)
sama dengan V1 dan V2, sedangkan arus listrik I terbagi menjadi I1 dan I 2 ,
sehingga
Karena I = , maka
Berdasarkan uraian di atas, maka rangkaian pararel merupakan rangkaian pembagi
arus dan dapat digunakan untuk memperkecil hambatan rangkaian. Untuk n buah
I = I1 + I2
= +
= +
resistor yaug dihubungkan secara pararel, maka hambatan totalnya dapat
ditentukan daengan persamaan sebagai berikut.
Untuk dua buah hambatan R1 dan R2 yang dihubungkan secara pararel, maka.
Sedangkan untuk n buah hambatan yang sama besar ( R1 = R1 = ...Rn = R ), maka
Contoh Soal
………………….
3. Gaya Gerak Listrik dan Tegangan Jepit
a. Gaya Gerak ListrikBeberapa alat seperti baterai dan generator listrik dapat mempertahankan
perbedaan potensial di antara dua buah titk yang merupakan kutub-kutub sumber
tegangan. Alat-alat yang demikian dinamakan dengan tempat kedudukan gaya
gerak listrik.
Gaya listrik didefinisikan sebagai energy yang digunakan untuk
memindahkan muatan postif dari total yang mempunyai potensial rndah ke titik
yang mempunyai potensial lebih tinggi tiap suatu muatan yang dipindahkan.
Simbol ε biasanya digunakan untuk ggl (jangan kacaukan dengan E untuk
medan listrik).
= + + … +
Rp =
Rp =
ε =
ε = gaya gerak listrik (volt)
Pada dasarnya setiap sumber listrik , seperti baterai mempunyai hambatan dalam (r),
yang secara sederhana dapat ditunjukan denagn gambaran berikut ini.
GAMBARR
Jika tempat kedudukan gaya gerak listrik dihubungkan pada suatu komponen listrik
( misalnya resistor), maka terdapat dua hal penting yang harus kita perhatikan, tapi
sebelumnya perhatikan gambar di bawah ini !
GAMBAR
Jika sakelar (S) tidak dihibungkan, maka tidak ada arus listrik yang mengalir melalui
rangkaian (I=0), sehingga beda potensial antara A dan B (VAB) sama dengan gaya gerak
listrik (ε ). Akan tetapi jika sekalar (S) dihubungkan, maka terdapat arus listrik ysng
mengalir melalui rangkaian, sehingga beda potensial (ε). Pada saat sakelar dihubungkan
(I≠0) tersebut, beda potensial antara A dan B disebut dengan tegangan jepit, yang dapat
ditentukan dengan
VAB = tegangan jepit ( volt)
ε = gaya gerak listrik (volt)
I = arus listrik (A)
r = hambatan dalam (Ω)
R = hambatan luar (Ω)
VAB = ε – Ir = IR
Tegangan jepit di antara kutub-kutub sumber tegangan tidak tetap, tetapi bergantung pada
milai hambatan rangkaian.
4. Rangkaian Sumber Tegangan
Seperti juga resistor, maka sumber tegangan dapat dirangkai secara pararel atau seri, dan
tentu saja akan memberikan karaktristik yang berbeda.
GAMBAAARRRRR
Jika beberapa sumber tegangan secara seri, maka gaya gerak listrik totalnya adalah
Dengan
εs = gaya gerak listik total (pengganti) pada rangkaian seri (volt)
sedangkan hambatan dalam total (pengganti) dari rangkaian seri sumber tegangan
dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.
rs = r1 + r2 + …+ rn
Dengan
rs = hambatan dalam penganti pada rangkaian seri (Ω)
Jika beberapa sumber tegangan dihubungkan secara pararel, maka gaya gerak listrik
dari rangkaian tersebut adalah
εp = ε1 = ε2 = … εn
sedangkan hambatan dalam total ( pengsnti dari rangkaian pararel sumber tegangan
dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini .
=
Dengan
rp = hambatan dalam pengganti pada rangkaian pararel (Ω)
contoh soal
εs = ε1 + ε2 + …+ εn
1. Tiga buah batrai dihubungkan seri dan dipasangnpada lampu pijar 1 Ω. Jika
masing- masing baterai mempunyai ε = 1,5 V dan r = 0,5 Ω hitunglah arus
listrik yang mengalir melalui lampu pijar!
Penyelesaian
I =
εtotal = r1 + r2 + r3
Karena r1 = r2 = r3 = 1,5 V , makaεtotal = 1,5 V + 1,5 V + 1,5 V= 4,5 VRtotal = RL + rs
= RL + r1 + r2 + r3
D. Pengukuran Besaran-besaran Listrik
Alat ukur listrik merupakan alat untuk mengukur dan menunjukan nilai suatu besaran
lisrtik seperti arus, muatan, tegangan, dan daya serta sifat-sifat listrik pada rangkaian
seperti hambatan kapasitansi dan induktasi. Dalam sub bab ini kita akan mempelajari
beberapa pengukuran besaran-besaran listrik, yaitu untuk arus, tegangan dan hambatan.
1. Pengukuran arus
Untuk mengukur kuat arus listrik pada suatu rangkaian digunakan alat yang
disebut amperemeter. Bagian terpenting amperemeter atau voltmeter adalah
galvanometer, yaitu suatu alat yang dapat mendeteksi arus kecil yang melaluinya.
Gambar Galvanometer
Galvanometer bekerja dengan prinsip gaya antara medan magnet dan kumparan
pembawa arus yang dapat menyimpangkan jarum magnetis yang terdapat dekat
kumparan tersebut.
Galvanometer dapat digunakan secara langsung untuk mengukur arus DC yang
kecil. Contohnya, galvanometer dengan sensitivitas Im 50 mA dapat mengukur arus
dari 1 mA sampai dengan 50 mA. Untuk mengukur arus yang lebih besar, sebuah
resistor dipasang paralel dengan galvanometer. Amperemeter yang terdiri dari
galvanometer yang dipasang paralel dengan resistor disebut resistor shunt (“shunt”
adalah persamaan kata “paralel dengan”). Dengan memasang resistor shunt dengan
cara paralel maka didapatkan pengukuran arus yang lebih akurat sehingga kelebiahan
arus listrik akan mengalir ke resistorshunt.
Penyusunan resistor shunt tampak seperti pada Gambar 7.17.
Gambar Amperemeter dirangkai paralel dengan
resistor (resistor shunt)
Sudut penyimpangan jarum magnetis berhubungan dengan kuantitas arus listrik yang
mengalir pada kawat, sehingga dengan mengkalibrasi besar sudut penyimpangan
jarum untuk setiap nilai arus lisrtik yang mengalir dengan menggunakan skala
tertentu, maka nilai arus lisrik dapat ditentukan
DIAGRAM SEBUAH GALVANOMETER SEDERHANA.
Jika arus skala penuh pada amperemeter dinyatakan dengan I yang mempunyai nilai
n kali besar dari arus skala penuh pada galvanometer (Ig ), maka kelipatan batas ukur
makdimum amperemeter dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
atau
Dengan n : kelipatan batas ukur maksimumI : arus skala pada amperemeterIg ; arus skala penuh pada galvanometer
Rangkaian amperemeter pada gambar di atas, menunjukkan bahwa Rg dan Rsh
dihubungkan secara pararel, sehingga
Karena rangkaian pararel merupakan rangkaian pembagi arus, maka
n =
I = n
Ig : Ish = :
I = Ig + Ish
n Ig = Ig + Ish
Ig = I
Ig = n Ig
Rg + Rsh = n Rsh
Dengan
Ish = arus pada hambatan shunt
Rsh = hambatan shunt
Rg = hambatan galvanometer
Dengan penggunaannya untuk arus listrik pada sebuah rangkaian, amperemeter
harus dihubungkan secara seri terhadap rangkaian sehingga dalam hal ini hambatan
pengganti Rsh dan Rg merupakan hambatan dala amperemeter, yang besarnya adalah
Dengan RA = hambatan dalam amperemeter
Contoh soal
Sebuah galvanometer yang hambatan 30 Ω akan mengalami penyimpangan skala
penuh pada 500 mA, hitunglah hambatan resistor shunt agar dapat digunakan untuk
mengukur arus 3A!
Penyelesaian
n =
Karena I = 3A dan Ig = 500 mA = 0,5A, maka
n = = 6
Rsh =
RA =
= = 6Ω
Jadi, hambatan resistor shunt yang harus dipasang adalah 6Ω.
2. Pengukuran TeganganVoltmeter adalah alat ukur tegangan listrik. Voltmeter sering dicirikan dengan
simbol V pada setiap rangkaian listrik. Voltmeter harus dipasang paralel dengan
ujung-ujung hambatan yang akan diukur beda potensialnya. Penggunaan voltmeter
untuk mengukur beda potensial listrik ditunjukkan pada Gambar 5.18.
Satuan beda potensial listrik dalam satuan SI adalah volt atau diberi simbol V.
Voltmeter sendiri mempunyai hambatan sehingga dengan disisipkannya voltmeter
tersebut menyebabkan arus listrik yang melewati hambatan R sedikit berkurang. Idealnya,
suatu voltmeter harus memiliki hambatan yang sangat besar agar berkurangnya arus listrik
yang melewati hambatan R juga sangat kecil. Komponen dasar suatu voltmeter adalah
galvanometer. Galvanometer mempunyai hambatan yang sering disebut sebagai hambatan
dalam galvanometer, R .
Susunan suatu voltmeter dengan menggunakan galvanometer ditunjukkan pada Gambar
5.19.
Susunan suatu voltmeter dengan menggunakan galvanometer G dengan hambatan dalamRg dan suatu hambatan Rs
Untuk mendapatkan pengukuran tegangan akurat, maka hambatan suatu
voltmeter dibuat jauh lebih besar dari hambatan rangkaian. Sehingga untuk
meningkatkan kemampuan pengukuran suatu voltmeter, maka harus dipasang
resistor seri yang dihubungkan galvonmeter, hal ini akan menyebabkan kelebihan
tegangan akan diberikan resistor seri.
Jika tegangan skala penuh pada voltmeter dinyatakan dengan V mempunyai nilai
n kali lebih besar dari tegangan skala penuh galvanometer (Vg), maka kelipatan batas
ukur maksimum voltmeter dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
atau
Dengan n = kelipatan batas ukur maksimum
V = tegangan skala penuh pada voltmeter
Vg = tegangan skala penuh pada galvanometers
Pada rangkaian voltmeter menunjukkan bahwa Rs dan Rg dihubungkan secara seri, sehingga
Karena rangkaian seri merupakan rangkaian pembagi tegangan, maka
n =
V = n
Vs : Vg = Rs Rg
Vg = = V
Vg = nV
Rs + Rg = nRg
Dengan
Vs = tegangan pada resistor seri
Rs = hambatan resistor seri
Rg = hambatan galvanometer
Dengan penggunaanya untuk mengukur tegangan pada sebuah
rangkaian voltmeter harus dihubungkan pararel terhadap rangkaian,
sehingga dalam hal ini hambatan penganti dari Rs dan Rg merupakan
hambatan dalam voltmeter, yang besarnya adalah
Dengan
Rv =hambatan dalam voltmeter
Contoh soal
Sebuah galvanometer mempunyai hambatan 50Ω dan mempunyai
simpangan maksimal jika dialiri arus 0,01 A. untuk mengukur
tegangan hingga 100 V, hitunglah hambatan resistor seri yang harus
dipasang!
Penyelesaian
Tentukan Vg !
Vg = Ig.Rg
= (0,0,1 A) (50Ω)
= 0,5 volt
RV = Rs + Rg
n = = = 200
Rs = ( n – 1) Rg
= (200 – 1) 950Ω
= 9950Ω
Jadi hambatan resistor seri yang harus dipasang adalah 9950 Ω.
3. Pengukuran HambatanUntuk mengukur hambatan listrtik kita dapat mengunakaan sebuah alat yang
disebut ohmmeter. Pada dasarnya ohmmeter dibuat sari rangkaian amperemeter,
dimana arus listrik diukur oleh amperemeter dan ggl (ε) yang diketahui dapat
digunakan untuk menentukan nilai suatu hambatan (Rx) dengan kalibrasi tertentu.
GAMBAR
Biasanya fungsi voltmeter, amperemeter dan ohmmeter digabungkan dalam
sebuah alat disebut multimeter.
Prinsip voltmeter, ampereremeter dan ohmmeter yang diuraikan diatas
merupakan analog dari vrinsip voltmeter, amperemeter dan ohmmeter. Akan tetapi
selain itu terdapat voltmeter, amperemeter dan ohmmeter digital yang dapat
menampilkan nilai pengukur tegangan, arus dan hambatan dalam brntuk angka.
4. Rangkaian Jembatan WheatstoneWheatstone mengukur hambatan dengan membandingkan arus yang mengalir
melalui salah satu bagian jembatan dengan sebuah arus yanag diketahui mengalair
melalui bagian lainnya. Rangkaian jembatan whewtstone mempunyai empat buah
lengan, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini .
GAMBAR
hambatan yang diiukur sedangkan Rs merupakan variable resistor ( biasanya
digunaka potensiometer0 yang nilai hambatannya dapat diatur. R1, R2, Rs dan Rx
dihubungkan seperti gambar 7.18 dan dipasangkan pada sumber ggl (ε) serta
digunakan sebuah galvanometer untuk mengetahui keberadaan arus pada rangkaian.
Untuk mengukur hambatan Rx maka hambatan Rs diatur sampai galvometer
menunjukkan angka nol ( tidak ada arus rangkaian), dan dalam keadaan ini rangkaian
dalam keadaan seimbang. Jika jembatan wheatstone dlam keadaan seimbang, maka
berlaku persamaan sebagai persamaan sebagai berikut.
Hambatan Rs pada rangkaian jembatan wheatsone dapat diganti dengan
potensiaometer yang menggunakan kawat logam dan kontak geser, seperti pada
gambar berikut ini.
Untuk menukur hambatan Rx menggunakan rangkaian jembatan wheatstone ynang
menggunakan kontak feser, maka keadaan seimbang rangkaian diatur dengan
menggerakkan kontak geser sepanjang kawat logam sampai jarum galvanometer
menunjukan angka nol. Pada keadaan seimbang hambatan R1 dan R2 dapat
ditentukan dari
E. Energi Listrik Dan Daya Listrik
1. Energi Listrik
Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Maka pengertian energi
listrik adalah kemampuan untuk melakukan atau menghasilkan usaha listrik
(kemampuan yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari satu titik ke titik yang
lain). Energi listrik dilambangkan dengan W.
Bila pada ujung-ujung suatu kawat penghantar yang hambatannya R terdapat
beda potensial V, maka di dalamnya mengalir arus sebesar I = V/R . Untuk
mengalirkan arus ini sumber arus mengeluarkan energi. Sebagian dari energi ini
berubah menjadi kalor yang menyebabkan kawat penghantar menjadi panas. Hal ini
terjadi karena electron-elektron bebas dalam kawat atom-atom kawat yang dilaluinya.
Berdasar pada hasil percobaan J.P. Joule, besarnya kalor yang timbul ditentukan oleh
factor-faktor :
1. besarnya hambatan kawat yang dilalui arus
2. besarnya arus yang mengalir
3. waktu atau lamanya arus mengalir
Besarnya energi yang dikeluarkan oleh sumber arus untuk mengalirkan arus
listrik adalah : W = QV
Dengan
W = Energi listrik (joule)
Q = Muatan listrik (Coulumb)
V = Beda potensial ( Volt)
Karena I = Q/t maka diperoleh perumusan
W = (I.t).V
W = V.I.t
dimana : V dalam Volt
i dalam ampere dan t dalam detik atau sekon
Karena V = I R
maka W = I2 Rt
Karena I =
Maka W = t
Apabila semua energi listrik berubah menjadi kalor, maka banyaknya kalor yang
timbul W = 0,24 I2R t kalori
dimana : 1 kalori = 4,2 joule
1 joule = 0,24 kalori