Materi Telaah

Bab I . LISTRIK STATIS

Pernahkah kamu menyentuh layar TV atau monitor komputer yang nyala?

 Kamu mungkin akan merasakan sengatan kecil pada jari tanganmu. Apa yang menyebabkan kamu merasakan sengatan tersebut?

Penyebab sengatan tersebut sebetulnya sama dengan penyebab terjadinya petir, yaitu listrik statis.

Apakah listrik statis itu? Setelah belajar bab ini, kamu pasti dapat menggambarkan muatan listrik untuk memahami gejala-gejala listrik statis.

Soal Prasyarat

☺ Sebutkan kandungan dari inti atom!

☺ Disebut apakah bagian atom yang bermuatan listrik negatif?

☺ Disebut apakah bagian atom yang bermuatan listrik positif?

☺ Bagaimana interaksi antara proton dengan elektron?

A. MUATAN LISTRIK

          Apakah yang kamu ketahui tentang muatan listrik? Apakah muatan listrik dibentuk dari listrik statis? Apa betul listrik itu bermuatan? Bagaimana cara mengetahui bahwa listrik bermuatan? Coba kamu lakukan kegiatan berikut.

Kegiatan 1

·        Tujuan : Membuktikan Muatan Listrik

·        Alat dan bahan

- kertas tisu

- plastik transparansi

- gunting

·        Cara kerja

1. Buat potongan-potongan kecil kertas tisu.

2. Gosok-gosokkan plastik transparansi atau plastik sampul buku dengan kain (misalnya pada kain celana/rokmu).

3. Dekatkan plastik tersebut pada potongan kertas-kertas itu. Gejala apakah yang kamu amati? Catat hasil pengamatanmu.

4. Ganti potongan-potongan kertas tisu tersebut denganbenda-benda kecil lainnya, kemudian ulangi kegiatan di atas.

5. Ulangi lagi kegiatan di atas dengan benda-benda lain yang digosok sebagai pengganti plastik.

·        Analisis dan diskusi

1. Bandingkan hasil pengamatanmu terhadap perilaku kertas atau benda-benda kecil lainnya pada berbagai kegiatan yang telah kamu lakukan.

2. Apakah plastik transparansi bermuatan listrik?

3. Apakah potongan kertas tisu bermuatan listrik?

4. Buat sebuah uraian yang menurut kamu dapat menjelaskan kejadian-kejadian seperti yang telah kamu amati tersebut.

          Pada Kegiatan 1, kamu mengamati potongan-potongan kertas tisu yang mula-mula diam di atas meja kemudian meloncat dan akhirnya menempel pada plastik yang telah digosok. Gejala ini dapat pula kamu amati jika kamu menggosok- gosokkan sisir pada rambut kering, ternyata sisir tersebut dapat menarik potongan-potongan kertas. Gejala serupa terjadi pada saat kamu menyetrika baju dari kain nilon, ternyata baju-baju tersebut menjadi lengket satu dengan lain. Pada berbagai peristiwa tersebut kamu mengamati bahwa benda-benda tersebut menjadi “bermuatan listrik”. Seperti yang telah kamu pelajari tentang teori atom, setiap benda terdiri atas atom-atom.

          Model atom yang sekarang dikenal adalah model atom hasil penyelidikan dan teori-teori yang dikemukakan oleh E. Ruther ford (1871-1937), Niels Bohr (1885-1962), dan ahli fisika lain dari berbagai negara. Sebuah atom terdiri atas inti atom dan elektron. Inti atom terdiri atas satu atau lebih proton dan neutron, tergantung pada jenis atomnya. Proton bermuatan positif, sedangkan neutron tidak bermuatan. Elektron bermuatan negatif mengelilingi inti atom. Suatu atom dikatakan netral jika jumlah muatan positif (jumlah proton) sama dengan jumlah muatan negatif (jumlah elektron). Atom akan bermuatan negatif jika atom tersebut mendapatkan kelebihan elektron. Atom akan bermuatan positif jika atom tersebut kekurangan elektron. Atom Helium memiliki inti yang terdiri atas 2 proton dan 2 neutron serta dikeliling 2 elektron. Atom bermuatan negatif jika atom tersebut mendapatkan tambahan elektron.

          Atom Hidrogen yang netral terdiri atas 1 elektron, namun atom tersebut mendapatkan tambahan 1 elektron, sehingga bermuatan negatif. Atom bermuatan positif jika atom tersebut kekurangan elektron. Atom Litium yang netral memiliki 3 elektron, namun atom tersebut kehilangan 1 elektron sehingga bermuatan positif. Sekarang bayangkan plastik transparansi yang kamu gunakan pada Kegiatan 1. Mula-mula plastik tersebut bersifat netral. Pada saat plastik tersebut digosok dengan kain, sebagian elektron di kain berpindah menuju plastik. Plastik tersebut sekarang tidak lagi netral, namun bermuatan negatif, dan dapat menarik potongan-potongan kertas. Apa yang terjadi pada kain? Sebenarnya kain tersebut tidak lagi netral, namun bermuatan positif. Mengapa? Hal tersebut terjadi karena sebagian elektron-elektron pada kain berpindah menuju plastik. Melalui Kegiatan 1 tersebut, ternyata kamu dapat menghasilkan kumpulan muatan listrik pada plastik, dengan cara menggosok. Kumpulan muatan listrik pada suatu benda disebut listrik statis.

1. Interaksi antara benda-benda bermuatan listrik

          Berdasarkan teori atom, kamu mendapatkan pemahaman bahwa muatan listrik tidak hanya satu jenis, melainkan dua jenis, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Lakukan Kegiatan 2 untuk mempelajari interaksi benda-benda bermuatan listrik sejenis dan yang tak sejenis.

Kegiatan 2

Tujuan  : Mempelajari Interaksi Benda-benda Bermuatan Listrik

Alat dan bahan

- penggaris plastik - kain sutera

- batang kaca         - statif

- kain wool            - benang

Cara kerja

1. Ikatkan sebatang penggaris plastik pada statif. Gosokgosokkan satu ujung penggaris tersebut dan satu ujung penggaris plastik kedua dengan kain wool.

2. Dekatkan penggaris plastik kedua ke penggaris plastic yang digantung. Amati perilaku kedua penggaris tersebut.

Catat hasil pengamatanmu.

3. Dengan cara yang sama, lakukan untuk batang kaca yang digosok dengan kain sutera.

4. Sekarang, gosok  satu ujung penggaris plastik yang digantung dengan kain wool dan batang kaca dengan kain sutera. Dekatkan batang kaca pada penggaris tersebut. Amati perilaku kedua benda tersebut, catat hasil pengamatanmu.

Analisis dan diskusi

1. Apakah penggaris bermuatan listrik setelah digosokkan pada kain wool? Jelaskan.

2. Apakah batang kaca bermuatan listrik setelah digosokkan pada kain sutera? Jelaskan.

3. Apa yang terjadi jika penggaris setelah digosokkan pada kain sutera? Jelaskan.

4. Buat kesimpulan dari hasil kegiatanmu.

          Berdasarkan Kegiatan 2, kamu dapat mengamati bahwa jika dua penggaris plastik yang telah digosok dengan kain wool saling didekatkan, ternyata penggaris plastik tersebut saling tolak-menolak. Gejala serupa dapat kamu amati, jika dua batang kaca yang telah digosok dengan kain sutera didekatkan, ternyata juga saling tolak-menolak. Kamu dapat dengan mudah menyatakan, karena kedua penggaris plastik tersebut digosok dengan kain yang serupa, tentu saja muatan yang terdapat pada penggaris plastik tersebut sejenis. Demikian juga halnya dengan kedua batang kaca, pastilah memiliki muatan sejenis karena digosok dengan benda yang serupa. Hasil pengamatanmu ternyata menunjukkan bahwa benda-benda yang bermuatan listrik sejenis akan tolak-menolak, atau dapat disimpulkan lebih lanjut muatan listrik sejenis tolak-menolak.

(a) Muatan sejenis tolak-menolak, (b) muatan tak sejenis akan tarik-menarik.

          Bagaimana hasil ini jika dikaitkan dengan keberadaan atom-atom penyusun penggaris plastik dan batang kaca? Ketika penggaris plastik tersebut digosok dengan kain wool, elektronelektron dari kain wool berpindah ke penggaris plastik, sehingga penggaris plastik tersebut bermuatan listrik negatif. Sebaliknya, ketika batang kaca digosok dengan kain sutera, elektron-elektron pada batang kaca tersebut berpindah ke kain sutera, sehingga batang kaca bermuatan positif. Akibatnya, antara penggaris plastik dengan batang kaca terjadi tarik-menarik.

2. Konduktor dan isolator

          Bayangkan, kita memiliki dua buah bola logam. Salah satu bola dimuati, sedangkan bola yang lain netral. Selanjutnya kita tempatkan paku besi, sehingga paku menyentuh kedua bola itu. Ternyata kita mendapatkan, bola kedua dengan cepat menjadi bermuatan. Hal ini disebabkan sebagian muatan listrik pada bola pertama berpindah menuju bola kedua melalui paku besi. Namun seandainya kita tidak menggunakan paku besi, tetapi kayu, ternyata bola kedua tetap netral, artinya muatan listrik pada bola pertama tidak berpindah menuju bola kedua. Kamu dapat menggunakan tespen untuk mengetahui apakah bola logam tersebut bermuatan listrik. Benda-benda yang berperilaku seperti paku besi digolongkan sebagai konduktor listrik, yaitu benda-benda yang dapat menghantarkan listrik. Sebaliknya, benda-benda yang berperilaku seperti kayu digolongkan sebagai isolator listrik, yaitu benda-benda yang tidak dapat menghantarkan listrik. Dapatkah kamu memberikan contoh lain konduktor dan isolator listrik? Selain bersifat konduktor dan isolator, ada benda benda yang bersifat di antara kategori tersebut. Misalnya silikon, germanium, dan arsen. Benda-benda ini termasuk dalam kategori semi-konduktor.

Tulis jawaban pada buku kerjamu.

1. Sebutkan bagian-bagian dari atom!

2. Apa yang terjadi jika benda bermuatan positif didekatkan dengan benda bermuatan negatif?

3. Sebutkan 5 contoh benda yang ada disekitarmu termasuk konduktor listrik!

4. Apa perbedaan konduktor dan isolator?

5. Sebutkan benda-benda yang termasuk dalam semikonduktor!

B. ELEKTROSKOP

           Elektron-elektron pada batang logam netral tidak meninggalkan logam, namun akan bergerak menuju benda bermuatan positif, dan meninggalkan muatan positif di ujung lain. Walaupun secara keseluruhan batang logam tersebut netral, namun pada batang logam tersebut terjadi pemisahan muatan. Jika kita dapat memotong logam tersebut, maka kita akan memperoleh dua potong logam dengan muatan listrik yang tidak sejenis. Pemuatan listrik dengan cara demikian disebut pemuatan secara induksi.

1. Elektroskop

        Keberadaan muatan listrik pada sebuah benda dapat diketahui dengan elektroskop. Bangun elektroskop terdiri atas dua buah daun logam tipis yang dipasang pada ujung batang logam. Ujung lain batang itu biasanya dipasang bola logam (knob). Untuk menghindarkan dari berpindahnya muatan ke udara bebas, batang tersebur dimasukkan ke dalam kaca.

       Elektroskop, pada saat netral daun-daun logam menguncup; saat sisir bermuatan negatif didekatkan, elektron pada batang logam terdorong menuju daun elektroskop, dan daun mekar; saat kaca bermuatan positif didekatkan elektron pada batang logam bergerak ke knop, sehingga daun bermuatan positif, dan daun mekar. Memberi muatan dengan cara induksi. (a) Batang logam netral, (b) Batang logam secara keseluruhan netral, namun terjadi pemisahan muatan listrik pada batang tersebut.

2. Pengosongan muatan listrik

Muatan listrik pada suatu benda dapat hilang dengan pengosongan. Pengosongan muatan listrik dapat terjadi jika ada jalan agar muatan yang terkumpul pada suatu benda dapat berpindah ke benda lain, atau ke bumi. Pengosongan muatan listrik ke bumi disebut pentanahan. Kita tidak khawatir dengan pengosongan muatan listrik pada benda-benda seperti plastik, sisir, batang kaca, dan lain-lain. Namun kita mesti berhati-hati dan peduli dengan pengosongan muatan listrik yang besar, misalnya pengosongan muatan listrik pada awan dalam bentuk petir.Perhatikan Gambar berikut untuk mengetahui petir sebagai peristiwa pengosongan muatan listrik.

  

Selain berbahaya bagi manusia karena dapat mengakibatkan kematian bagi yang disambarnya, petir dapat menyebabkan kerusakan bangunan yang tinggi. Untuk mencegahnya, gedung-gedung dipasang penangkal petir. Penangkal petir berupa batang logam yang berujung lancip, dan dihubungkan ke tanah dengan kawat logam yang relative besar. Penangkal petir menyediakan jalan bagi muatan listrik di awan agar dapat berpindah menuju tanah melalui kawat, dan bukannya melalui bangunan.

C. HUKUM  COULOMB

          Kamu telah mengetahui, bahwa benda-benda yang bermuatan sejenis akan tolak-menolak, dan benda-benda yang bermuatan tidak sejenis akan tarik menarik. Tarik-menarik dan tolak-menolak tersebut diakibatkan oleh adanya gaya tarik atau gaya tolak. Faktor-faktor apakah yang mempengaruhi besarnya gaya listrik tersebut?

          Pada Kegiatan 2, tentunya kamu mengetahui, bahwa besarnya gaya tarik atau tolak pada benda-benda bermuatan listrik ternyata dipengaruhi oleh jarak antara benda bermuatan tersebut. Kamu harus mendekatkan penggaris plastik yang telah digosok sedekat mungkin dengan batang kaca, agar kamu dapat melihat gejala gaya tarik yang terjadi. Jika penggaris plastik kamu letakkan pada relatif jauh dari batang kaca, maka gaya tarik yang terjadi tidak dapat diamati, karena kecilnya. Ternyata, gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara muatan listrik dipengaruhi oleh jarak antara muatan tersebut. Jika jarak antara muatan kecil (berdekatan), maka gaya listrik yang terjadi besar. Sebaliknya jika jaraknya diperbesar (berjauhan), maka gaya listrik yang terjadi kecil.

          Kamu juga mengamati, agar gaya tarik-menarik atau tolak-menolak yang terjadi besar, kamu harus menggosok batang kaca atau penggaris plastik dengan kain keras-keras dan beberapa kali gosokan. Semakin keras dan sering kamu menggosoknya, muatan listrik yang terkumpul juga semakin besar. Hal ini menunjukkan semakin banyak muatan listrik yang ada, gaya listrik yang terjadi juga semakin besar. Gejala seperti yang kamu amati di atas telah diselidiki oleh ilmuwan Perancis yang bernama Charles Coulomb (1736-1806). Pada tahun 1785, beliau menyelidiki hubungan antara besar muatan dan jarak antara muatan dengan besar gaya listrik yang dihasilkan.

          Penyelidikan Coulomb menggunakan 2 bola konduktor kecil A dan A’ yang digantungkan melalui kawat tipis. Bola serupa, yaitu bola B diletakkan di dekat bola A. Bola A dan B bersama-sama disentuhkan pada benda bermuatan, sehingga mendapatkan muatan yang sama, karena ukuran bola tersebut sama. Ketika bola B diletakkan pada jarak tertentu dari bola A, maka batang penghubung A dan A’ akan berputar sedikit. Dengan mengukur sudut putaran tersebut, Coulomb dapat menentukan gaya yang diperlukan untuk memutarnya.

          Dengan menempatkan bola B yang berubah-ubah jaraknya dari bola A, dan mengukur gaya listrik yang dihasilkan, Coulomb berkesimpulan bahwa gaya listrik (F) yang terjadi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua pusat bola A dan B. Pernyataan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.

Berdasarkan hasil tersebut, jika jarak antara muatan listrik menjadi 2 kalinya, ternyata gaya listrik yang terjadi tinggal ½² atau ¼ dari gaya semula. Jika jarak antara muatan listrik dijadikan 3 kalinya, maka gaya listrik yang terjadi tinggal 1/3² atau 1/9 dari gaya semula.

          Coulomb selanjutnya mengubah-ubah muatan listrik pada bola A dan bola B, dengan cara menyentuhkan bola A dan bola B pada bola serupa yang netral, sehingga muatan di bola A dan bola B menjadi tinggal separuhnya. Hasil percobaannya menunjukkan, gaya listrik berbanding lurus dengan besar muatan di bola A (qA) dan besar muatan di bola B (qB), atau F = qA qB  Berdasarkan hasil tersebut, misalkan muatan di bola A menjadi 2 kali semula, dan muatan di bola B menjadi 3 kali semula, maka gaya listrik yang terjadi menjadi 2 × 3 atau 6 kali semula.

          Berdasarkan hasil-hasil di atas, akhirnya Coulomb menyimpulkan besar gaya listrik antara dua muatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu berbanding lurus dengan besar kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua muatan tersebut. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Coulomb, secara matematika dapat dituliskan sebagai berikut.

dengan q = muatan listrik ...................................... coulomb (C)

              r = jarak ................................................. meter (m)

              F = Gaya ................................................. Newton (N)

              k = konstanta = 9 × 109 Nm2C−2

Satuan muatan listrik

          Muatan suatu benda sangat sulit untuk diukur secara langsung. Tetapi Coulomb menunjukkan bahwa besarnya muatan listrik dapat ditentukan dengan cara mengukur gaya listrik yang dihasilkannya. Di dalam sains, setiap besaran memiliki satuan. Satuan muatan listrik dalam sistem SI adalah coulomb (C). Muatan listrik 1 elektron adalah 1,6 × 10−19 coulomb, dan jenisnya negatif, sedangkan muatan listrik 1 proton besarnya sama dengan muatan 1 elektron, namun jenisnya positif. Besar muatan 1 elektron disebut muatan elementer, dan merupakan besar muatan terkecil di alam.

D. Medan Listrik

          Jika benda A yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruang yang di dalamnya sudah ada benda B. Jika benda B bermuatan listrik, benda A akan mengalami gaya listrik juga. Ruang di sekitar A maupun B disebut medan listrik.

 Jadi, yang dimaksud dengan medan listrik (E) adalah ruangan di sekitar benda bermuatan listrik yang mengalami gaya listrik. Jika suatu benda yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruangan, maka dalam ruangan tersebut terdapat medan listrik. Jika benda lain yang bermuatan listrik diletakkan di ruang tersebut, maka kedua benda akan mengalami gaya. Jika muatan kedua benda sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tolak-menolak dan jika kedua benda mempunyai muatan yang tidak sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tarik-menarik.

Medan listrik dilukiskan dengan garis-garis gaya listrik yang arahnya dari kutub positif ke kutub negatif (Gambar 7.10). Kuat medan listrik bergantung pada kerapatan garis-garis gaya listrik. Besar kuat medan listrik dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut.

dengan E = kuat medan listrik ........................................ N/C

              F = gaya Coulomb .............................................. N

              q = besar muatan listrik ..................................... C

Karena

berarti E = k(q1 × q2)/r² / q

dengan k = tetapan = 9 × 109 Nm2/C2

              r = jarak antara dua muatan .................................. m

             q = muatan listrik pada sumber medan ................ C

Contoh :

Dua benda A dan B masing-masing bermuatan listrik sebesar 6 × 10−9 C dan 8 × 10−9 C pada jarak 4 cm. Tentukan:

a. gaya tolak-menolak antara kedua benda itu tersebut,

b. kuat medan listrik pada titik B oleh muatan A.

Diketahui : qa = 6 × 10-9 C, qb = 8 × 10-9 C, k = konstanta = 9 × 109 Nm2C-2

Ditanya : a. F         b. E ²

Jawab :

a.

 

       = 9 × 10⁹ Nm² C^-2 × ( 6x 10^-9 x 8 x 10^-9)/  (4x10^-2 )² C² m^-2

       = 2,7 × 10^-9 N

          Jadi, muatan yang listrik mengalir adalah 2,7 × 10^-9 N.

b. E = F/q_b  = 2,7 × 10^-9 N / 8 × 10^-9 C = 0,34 N/C.

          Jadi, kuat medan listrik pada titik B adalah 0,34 N/C.

Tulis jawaban pada buku kerjamu.

1. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya gaya listrik.

2. Sebutkan contoh peristiwa di sekitarmu yang termasuk dalam pengosongan muatan listrik.

3. Apa perbedaan dari induksi dan konduksi dalam pengumpulan muatan listrik?

4. Dua buah benda A danB masing-masing memiliki muatan listrik sejenis 3 × 10-9 C dan 5 × 10-9 C terpisah sejauh 3 cm. Jika k = 9 × 109 Nm2/C2, maka hitung gaya tolak antara kedua muatan listrik tersebut.

5. Besar gaya Coulomb antara dua benda adalah 7 × 10-5 N. Hitunglah besar kuat medan listrik pada salah satu muatan oleh muatan lain yang besarnya 3,5 × 10-9 C.

RANGKUMAN

1. Kumpulan muatan listrik pada suatu benda disebut listrik statis.

2. Terdapat dua jenis muatan listrik, yaitu muatan positif dan negatif.

3. Muatan-muatan yang sejenis tolak-menolak dan muatan yang tidak sejenis tarik-menarik.

4. Pengumpulan muatan listik dapat diperoleh melalui cara menggosok, menyentuhkan benda netral dengan benda bermuatan (konduksi), dan induksi.

5. Muatan listrik dapat dideteksi dengan elektroskop.

6. Penghilangan muatan listrik yang terkumpul pada suatu benda disebut pengosongan muatan.

7. Hukum Coulomb menyatakan, bahwa gaya yang terjadi antara dua buah muatan berbanding lurus dengan besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan itu.

REFLEKSI

- Apa kamu kesulitan ketika belajar materi bab ini?

- Coba kamu buat resume tentang materi bab ini berdasarkan pemahamanmu. Kamu dapat menambah pengetahuanmu tentang materi bab ini melalui browsing di internet.

Bab II . LISTRIK DINAMIS

          Listrik statis dan listrik dinamis sama-sama mempelajari tentang muatan-muatan listrik pada suatu benda. Hanya bedanya pada listrik statis khusus mempelajari tentang muatan-muatan listrik dalam keadaan diam pada suatu benda. Adapun, pada listrik dinamis khusus mempelajari tentang muatan muatan listrik (elektron) yang bergerak melalui penghantar.

A. ARUS LISTRIK

1. Pengertian Arus Listrik dan Beda Potensial

          Pada bab sebelumnya kamu sudah mempelajari muatan listrik pada suatu benda. Dua benda atau dua tempat yang muatan listriknya berbeda dapat menimbulkan arus listrik. Benda atau tempat yang muatan listrik positifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih tinggi. Adapun, benda atau tempat yang muatan listrik negatifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih rendah. Dua tempat yang mempunyai beda potensial dapat menyebabkan terjadinya arus listrik. Syaratnya, kedua tempat itu dihubungkan dengan suatu penghantar. Dalam kehidupan sehari-hari, beda potensial sering dinyatakan sebagai tegangan. Selanjutnya perhatikan Gambar 8.1. Pada Gambar 8.1, A dikatakan lebih positif atau berpotensial lebih tinggi daripada B. Arus listrik yang terjadi berasal dari A menuju B. Arus listrik terjadi karena adanya usaha penyeimbangan potensial antara A dan B. Dengan demikian dapat dikatakan, arus listrik seakan- akan berupa arus muatan positif. Arah arus listrik berasal dari tempat berpotensial tinggi ke tempat yang berpotensial lebih rendah.

          Pada kenyataannya muatan listrik yang dapat berpindah bukan muatan positif, melainkan muatan negatif atau elektron. Karena itu, berdasarkan Gambar 8.1 yang terjadi sebenarnya adalah terjadinya aliran elektron dari tempat berpotensial lebih rendah ke tempat yang berpotensial lebih tinggi. Jadi berdasarkan uraian di atas, arus listrik terjadi jika ada perpindahan elektron. Kedua benda bermuatan (Gambar 8.1 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 listrik, satuannya coulomb (C)

              t = waktu tempuh, satuannya sekon (s)

          Berdasarkan uraian tersebut, arus listrik dapat didefinisikan sebagai banyaknya elektron yang berpindah dalam waktu tertentu. Kamu sudah mengetahui bahwa perbedaan potensial akan mengakibatkan perpindahan elektron. Banyaknya energi 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 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: 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 mapu (1 elektron = 1,6 × 10-19C)

Penyelesaian:

Diketahui: I = 250 mA = 0,25 A , t = 10 jam = 36.000 s

Ditanyakan: a. Q = ... ?    b. ne = .. ?

Jawab:

a. Q = I × t

        = 0,25 A × 36.000 s

        = 9.000 C

Jadi, muatan yang mengalir pada lampu sebesar 9.000 C.

b. Karena 1 elektron (e) mempunyai muatan 1,6 × 10-19C, maka untuk muatan sebesar 9.100 C mempunyai elektron sebanyak

Penyelesaian:

Diketahui: I = 250 mA = 0,25 A

t = 10 jam = 36.000 s

Ditanyakan: a. Q = ... ?

b. ne = .. ?

Jawab:

a. Q = I × t

= 0,25 A × 36.000 s

= 9.000 C

Jadi, muatan yang mengalir pada lampu sebesar 9.000 C.

b. Karena 1 elektron (e) mempunyai muatan 1,6 × 10-19C, maka untuk muatan sebesar 9.100 C mempunyai elektron sebanyak =

n_e = Q / e = 9.000 C / 1,6 x 10^-19  C =1,5 x 10¹⁶ elektron

Jadi, pada lampu itu elektron yang mengalir sebanyak 1,5× 10¹⁶ (15 diikuti nol 15 buah) elektron.

2. Mengukur Kuat Arus Listrik

          Kuat arus listrik yang mengalir dalam penghantar atau rangkaian listrik dapat diukur besarnya dengan menggunakan amperemeter atau ammeter. Amperemeter ada dua jenis, yaitu amperemeter digital dan amperemeter jarum. Ciri sebuah amperemeter jarum adalah adanya huruf A pada permukaan skala. Bagaimanakah cara mengukur kuat arus listrik yang mengalir dalam rangkaian listrik? Untuk lebih memahami cara mengukur kuat arus listrik, cobalah kamu lakukan Kegiatan 8.1 secara berkelompok. Sebelumnya bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

KEGIATAN 1

Tujuan: Mengukur kuat arus listrik komponen secara seri dan paralel.

Alat dan Bahan:                                        

– Lampu

– Sakelar

– Amperemeter

– Baterai

Cara Kerja:

1. Rangkailah peralatan yang tersedia seperti gambar.

2. Tutuplah sakelar. Amatilah lampu dan catat besar arus listrik melalui amperemeter.

3. Ulangi cara kerja nomor 1 dan 2 dengan mengganti jumlah baterai, baik secara seri maupun paralel.

4. Catatlah pengamatan kelompokmu pada sebuah tabel di buku kerjamu.

Pertanyaan:

1. Mengapa lampu pada rangkaian dapat menyala?

2. Mengapa ketika baterai diubah, nyala lampu juga berubah?

3. Nyatakan kesimpulan kelompokmu dalam buku kerjamu.

          Dalam kehidupan sehari-hari, kamu dapat mengamati adanya gejala beda potensial di baterai atau akumulator. Beberapa baterai dapat disusun secara seri maupun paralel. Yang dimaksud susun seri adalah kutub positif disambungkan dengan kutub negatif lainnya. Adapun, untuk susun paralel adalah kutub-kutub yang sejenis disatukan. Untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar 8.2.

 Susunan seri          Susunan parallel

          Untuk susun seri akan menghasilkan kuat arus listrik yang lebih besar daripada rangkaian susunan paralel. Hal itu disebabkan oleh bertambahnya beda potensial. Karena itu jika kedua macam rangkaian itu digunakan untuk menyalakan lampu, akan menghasilkan nyala yang berbeda. Dapatkah kamu menjelaskan hal tersebut?

1. Ke manakah (P ataukah Q) arah aliran elektron dan arah arus listrik pada kawat penghantar berikut?

 

P                                               Q

2. Apakah yang dimaksud kuat arus 5 ampere?

TUGAS INDIVIDU

Sediakan lampu 2,5 V, baterai 2 buah, dan kabel secukupnya. Dengan berdasarkan peralatan tersebut, rancanglah beberapa variasi rangkaian untuk menyalakan lampu. Ada berapa variasi rangkaian yang dapat kamu gunakan untuk menyalakan lampu?

B. HUKUM OHM

          Arus listrik dapat mengalir pada rangkaian listrik apabila dalam rangkaian itu terdapat beda potensial dan rangkaiannya tertutup. Hubungan antara kuat arus listrik dengan beda potensial listrik pertama kali diteliti oleh ahli Fisika dari Jerman bernama Georg Simon Ohm (1789–1854). Hasil penelitiannya dikenal dengan nama Hukum Ohm. Untuk memahami lebih mendalam tentang Hukum Ohm, lakukan tugas berikut secara berkelompok. Sebelumnya bentuklah kelompok yang terdiri 4 orang; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

TUGAS PROYEK

Tujuan: Menyelidiki Hukum Ohm

Alat dan Bahan:

– Lampu

– Sakelar

– Voltmeter (basicmeter)

– Amperemeter (basicmeter)

– Baterai 4 buah

Cara Kerja:

1. Rangkailah alat-alat seperti gambar di samping.   

2. Tutup sakelar S, amati voltmeter dan amperemeter dan catat hasil pengukuran kedua alat itu ke dalam tabel.

3. Ulangilah langkah 2 dengan mengganti sumber tegangan dengan 2 baterai, 3 baterai, dan 4 baterai.

4. Buka sakelar S.

5. Hitunglah hambatan lampu dengan membandingkan kolom beda potensial (V) dan kolom kuat arus (I).

6. Buatlah grafik V-I di buku kerjamu.

Pertanyaan:

1. Bagaimanakah hasil perbandingan beda potensial dengan kuat arus listrik dalam tiap-tiap percobaan?

2. Bagaimanakah nyala lampu dalam tiap-tiap percobaan?

3. Bagaimanakah bentuk grafik V–I?

4. Apa kesimpulanmu setelah melakukan kegiatan ini?

5. Presentasikan tugasmu di muka kelas.

          Hubungan antara beda potensial (V) dengan kuat arus (I) dapat dinyatakan dengan grafik, seperti pada Gambar berikut :

v

I

Garis kemiringan merupakan perbandingan antara ordinat dengan absis yang besarnya selalu tetap. Jika nilai perbandingan yang besarnya tetap itu didefinisikan sebagai hambatan listrik (disimbolkan dengan huruf R) maka dapat dinyatakan dengan rumus. R = V/I , Dengan: V = tegangan listrik satuan volt (V)

I = kuat arus listrik satuan ampere (A), R = hambatan listrik satuan ohm ( Ω )

Rumus di atas dikenal dengan nama Hukum Ohm yang menyatakan bahwa, besar kuat arus listrik yang mengalir sebanding dengan beda potensial listrik dan berbanding terbalik dengan hambatan. Untuk lebih memahami Hukum Ohm perhatikan  

contoh :

1. Kawat penghantar kedua ujungnya memiliki beda potensial 6 volt, menyebabkan arus listrik mengalir pada kawat itu 2 A. Berapakah hambatan kawat itu?

Penyelesaian:

Diketahui: V = 6 volt, I = 2 A

Ditanya: R = ... ?

Jawab: R = V/I = 6 / 2 = 3 Ω

Jadi, hambatan kawat itu sebesar 3 Ω

2. 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

Ditanya: V = ... ?

Jawab: V = I × R

               = 0,5 × 400

               = 200 V

Jadi, beda potensial pada kedua ujung konduktor adalah 200 V

C. DAYA HANTAR LISTRIK

          Kamu sudah mengetahui bahwa dua ujung penghantar yang mempunyai beda potensial dapat mengalirkan arus listrik. Menurutmu, apakah arus yang mengalir dalam penghantar tersebut tidak mengalami hambatan apapun? Untuk mengetahui jawabannya, ikutilah uraian berikut.

          Di dalam kawat penghantar arus listrik dihasilkan oleh aliran elektron. Muatan positif tidak bergerak karena terikat kuat di dalam inti atom. Ketika ujung-ujung kawat penghantar mendapat beda potensial, elektron akan mengalir melalui ruang di antara sela-sela muatan positif yang diam. Tumbukan elektron dengan muatan positif sering terjadi sehingga menghambat aliran elektron dan mengurangi arus listrik yang dihasilkan. Makin panjang kawat penghantar makin banyak tumbukan elektron yang dialami, sehingga makin besar pula hambatan yang dialami elektron. Akibatnya makin kecil arus yang mengalir. Oleh karena itu, hambatan kawat penghantar dipengaruhi olehpanjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis kawat.

          Bagaimanakah pengaruh panjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis kawat terhadap besarnya hambatan? Untuk mengetahui pengaruh panjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis kawat terhadap besarnya hambatan, lakukan Kegiatan 2 secara kelompok. Sebelumnya bentuklah kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

KEGIATAN 2

Tujuan: Menyelidiki hambatan kawat penghantar

Alat dan Bahan:

– Berbagai jenis kawat (konstanta, nikrom, tembaga, nikelin)

– Sakelar

– Voltmeter (basicmeter)

– Amperemeter (basicmeter)

– Baterai 4 buah

– Lampu

Cara Kerja:

1. Rangkailah alat-alat seperti gambar di bawah.

 

2. Letakkan kawat konstanta panjang 5 cm pada ujung AB.

3. Tutup sakelar S, amati voltmeter dan amperemeter dan catat hasil pengukuran kedua alat itu ke dalam tabel.

4. Ulangilah langkah 2 dengan mengganti kawat konstanta dengan kawat nikrom yang panjangnya sama.

5. Buka sakelar S.

6. Ujilah semua jenis kawat yang tersedia.

7. Ulangi langkah 2 s.d 6 untuk kawat tembaga yang panjangnya 5 cm, 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. Catat hasilnya pada suatu tabel di buku kerjamu.

Pertanyaan:

1. Bagaimanakah hasil perbandingan tegangan dan kuat arus pada tiap-tiap percobaan berdasarkan data pada tabel?

2. Apa kegunaan lampu pada percobaan ini?

3. Apakah kesimpulanmu setelah melakukan kegiatan ini?

          Percobaan di atas apabila dilakukan dengan cermat, akan menunjukkan bahwa hambatan kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat. Kawat yang panjang hambatannya besar sehingga menyebabkan kuat arus kecil dan nyala lampu redup. Besar hambatan kawat penghantar bergantung pada jenis kawat. Kawat yang jenisnya berbeda, hambatannya juga berbeda. Hal itu dikarenakan kawat yang hambatan jenisnya besar akan menyebabkan hambatan kawat penghantar juga besar. Hambatan jenis beberapa jenis bahan disajikan pada Tabel berikut :

Tabel. Hambatan jenis beberapa bahan

Jenis bahan	Hambatan jenis ( Ω .m)	Jenis bahan	Hambatan jenis ( Ω .m)
Perak Tembaga Aluminium Platina Baja Mangan Nikrom Karbon	5,9 × 10-8 1,68 × 10-8 2,65 × 10-8 10,6 × 10-8 4,0 × 10-7 4,4 × 10-7 1,2 × 10-6 3,5 × 10-5	Wolfram Germanium Silikon Kayu Karet Kaca Mika Kuarsa	5,5 × 10-5 4,5 × 10-1 2,0 × 10-1 10 – 1011 1,0 × 1013 1012 – 1013 2,0 × 1015 1,0 × 1018

Apabila Kegiatan 2 dilakukan dengan menggunakan kawat sejenis dengan panjang yang sama, tetapi luas penampangnya berbeda maka dihasilkan hambatan yang berbeda pula. Hambatan makin kecil, apabila luas penampang kawat besar. Hubungan antara hambatan kawat penghantar, panjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis kawat secara matematis dirumuskan.

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)

          Apakah pengaruh penggunaan kawat penghantar yang panjang pada jaringan listrik PLN? Penggunaan kawat penghantar yang panjang menyebabkan turunnya tegangan listrik. Tegangan listrik yang diberikan pada kawat yang panjang tidak dapat merubah besar hambatan, tetapi hanya merubah besar arus listrik yang mengalir melalui kawat itu. Jika kawat penghantar itu panjang, kuat arus listrik yang mengalir kecil seiring turunnya tegangan listrik. Oleh karena itu diperlukan tegangan yang tinggi untuk mengalirkan arus listrik. Hal ini diterapkan pada jaringan kabel listrik yang panjangnya mencapai ratusan kilometer. Agar listrik dapat dinikmati konsumen diperlukan tegangan listrik yang tinggi sampai ribuan megavolt.

Contoh:

1. Kawat tembaga panjangnya 15 m memiliki luas penampang 5 mm². Jika hambatan jenisnya 1,7 × 10-8 Ω .m, berapakah hambatan kawat tembaga?

Penyelesaian:

Diketahui: l = 15 m, A = 5 mm² = 5 × 10^-6 m^2,, ρ = 1,7 × 10^-8 Ω .m

Ditanya: R = ... ?

Jawab: R = ρ.l /A = 17x 10^-8 . 15 / 5 x10^-6

                = 1,7 × 3×10^-2 = 5,1×10^-2 Ω

Jadi, hambatan kawat tembaga itu 5,1× ^10-2Ω

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

Penyelesaian:

Diketahui: A_A = A_B,  l_A = 3 l_B

                  ρ_A = ρ_B,  R_A= 150 Ω

Ditanya: R_B = ... ?

Jawab: l_A = 3l_B

Jadi, hambatan kawat B adalah 30 Ω

          Hambatan jenis setiap bahan berbeda-beda. Bahan yang mempunyai hambatan jenis besar memiliki hambatan yang besar pula, sehingga sulit menghantarkan arus listrik. Berdasarkan daya hantar listriknya (konduktivitas listrik), bahan dibedakan menjadi tiga, yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor. Konduktor adalah bahan yang mudah menghantarkan arus listrik. Bahan konduktor memiliki hambatan kecil karena hambatan jenisnya kecil. Bahan konduktor memiliki elektron pada kulit atom terluar yang gaya tariknya terhadap inti atom lemah. Dengan demikian, apabila ujung-ujung konduktor dihubungkan dengan tegangan kecil saja elektron akan bergerak bebas sehingga mendukung terjadinya aliran elektron (arus listrik) melalui konduktor. Contohnya: tembaga, perak, dan aluminium.

          Isolator merupakan bahan yang sulit menghantarkan arus listrik. Bahan isolator memiliki hambatan besar karena hambatan jenisnya besar. Bahan isolator memiliki elektron-elektron pada kulit atom terluar yang gaya tariknya dengan inti atom sangat kuat. Apabila ujung-ujung isolator dihubungkan dengan tegangan kecil, elektron terluarnya tidak sanggup melepaskan gaya ikat inti. Oleh karena itu, tidak ada elektron yang mengalir dalam isolator, sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melalui isolator. Plastik, kaca, karet busa termasuk isolator. Dapatkah isolator bersifat seperti konduktor? Semikonduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya berada di antara konduktor dan isolator. Semikonduktor memiliki elektron-elektron pada kulit terluar terikat kuat oleh gaya inti atom. Namun tidak sekuat seperti pada isolator. Bahan yang termasuk semikonduktor adalah karbon, silikon dan germanium. Karbon digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti resistor.

          Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti diode, transistor, dan IC (integrated circuit). Bahan-bahan apakah yang termasuk konduktor, isolator, dan semikonduktor? Untuk lebih memahami tentang konduktor dan isolator, lakukan kegiatan berikut secara berkelompok. Sebelumnya bentuklah kelompok yang terdiri 4 orang; 2 laki-laki dan dua perempuan.

KEGIATAN 3

Tujuan: Menyelidiki perbedaan bahan isolator dan konduktor

Alat dan Bahan:

– Lampu

– Kabel

– Bahan-bahan (pensil, besi, seng, aluminium, tembaga, air)

– Baterai 2 buah

Cara Kerja:

1. Rangkailah alat-alat seperti gambar di bawah.

2. Hubungkan ujung kabel dengan pensil. Apakah lampu menyala? Catat jawabanmu ke dalam tabel.

3. Ulangilah langkah 2 dengan mengganti pensil dengan bahan-bahan yang lain. Catat hasil semua pengamatanmu ke dalam tabel di buku kerjamu.

Pertanyaan:

1. Bahan-bahan manakah yang termasuk konduktor?

2. Bahan-bahan manakah yang termasuk isolator?

3. Apakah kesimpulanmu setelah melakukan kegiatan ini?

LATIHAN

1. Kawat A dan kawat B berbeda jenisnya, tetapi hambatannya sama. Jika panjang kawat A enam kali panjang kawat B dan diameter kawat A 4 kali diameter kawat B. Kawat manakah yang memiliki hambatan jenis paling besar?

2. Kawat tembaga hambatannya R. Jika kawat tersebut dipotong menjadi lima bagian yang sama, berapakah besarnya hambatan sepotong kawat?

3. Dua kawat aluminium masing-masing panjangnya 4 m dan 6 m. Jika diameter

kedua kawat sama, kawat manakah yang hambatannya paling besar?

4. Dua kawat P dan Q panjang dan jenisnya sama, tetapi luas penampangnya berbeda. Hambatan kawat P sebesar 20 Ω . Jika luas penampang kawat P empat kali luas penampang kawat Q, berapakah hambatan kawat Q!

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.

Q_masuk = Q_keluar

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

I_masuk = I_keluar

          Persamaan tersebut pertama kali dikemukakan oleh Robert Gustav Kirchoff seorang fisikawan berkebangsaan Jerman (1824 – 1887) yang dikenal dengan Hukum I Kirchoff. Hukum I Kirchoff berbunyi “jumlah kuat arus listrik yang masuk titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang meninggalkan titik percabangan”. Bagaimanakah penerapan Hukum I Kirchoff pada rangkaian listrik? Hukum I Kirchoff yang membahas kuat arus yang mengalir pada rangkaian listrik dapat diterapkan pada rangkaian listrik tak bercabang (seri) maupun rangkaian listrik bercabang (paralel).

E. RANGKAIAN HAMBATAN LISTRIK

          Secara umum rangkaian hambatan dikelompokkan menjadi rangkaian hambatan seri, hambatan paralel, maupun gabungan keduanya. Untuk membuat rangkaian hambatan seri maupun parallel minimal diperlukan dua hambatan. Adapun, untuk membuat rangkaian hambatan kombinasi seri-paralel minimal diperlukan tiga hambatan.

Jenis-jenis rangkaian hambatan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Oleh karena itu, jenis rangkaian hambatan yang dipilih bergantung pada tujuannya.

1. Hambatan seri

Dua hambatan atau lebih yang disusun secara berurutan disebut hambatan seri. Hambatan yang disusun seri akan membentuk rangkaian listrik tak bercabang. Kuat arus yang mengalir di setiap titik besarnya sama. Tujuan rangkaian hambatan seri 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 (R_s).

Tiga buah lampu masing-masing hambatannya R₁, R₂, dan R₃ disusun seri dihubungkan dengan baterai yang tegangannya V menyebabkan arus listrik yang mengalir I. Tegangan sebesar V dibagikan ke tiga hambatan masing-masing V₁, V₂, dan V₃, sehingga berlaku:

V = V₁ + V₂ + V₃

 

Berdasarkan Hukum I Kirchoff pada rangkaian seri (tak bercabang) berlaku:

I = I₁ = I₂ = I₃

Berdasarkan Hukum Ohm, maka beda potensial listrik pada setiap lampu yang hambatannya R₁, R₂, dan R₃ dirumuskan:

V₁ = I × R₁ atau V_AB = I × R_AB

V₂ = I × R₂ atau V_BC = I × R_BC

V₃ = I × R₃ atau V_CD = I × R_CD

Beda potensial antara ujung-ujung AD berlaku:

V_AD = V_AB + V_BC + V_CD

I × R_S = I × R_AB + I × R_BC + I × R_CD

I × R_S = I × R₁ + I × R₂ + I × R₃

Jika kedua ruas dibagi dengan I, diperoleh rumus hambatan pengganti seri (R_S):

R_S = R₁ + R₂ + R₃

Jadi, besar hambatan pengganti seri merupakan penjumlahan besar hambatan yang dirangkai seri. Apabila ada n buah hambatan masing-masing besarnya R₁, R₂, R₃, ...., Rn dirangkai seri, maka hambatan dirumuskan:

R_S = R₁ + R₂ + R₃ + … + Rn

2. Hambatan Paralel

Dua hambatan atau lebih yang disusun secara berdampingan disebut hambatan paralel. Hambatan yang disusun paralel akan membentuk rangkaian listrik bercabang dan memiliki lebih dari satu jalur arus listrik. Susunan hambatan paralel dapat diganti dengan sebuah hambatan yang disebut hambatan pengganti paralel (R_P). Rangkaian hambatan paralel berfungsi untuk membagi arus listrik.

          Tiga buah lampu masing masing hambatannya R₁, R₂, dan R₃ disusun paralel dihubungkan dengan baterai yang tegangannya V menyebabkan arus listrik yang mengalir I.

           Besar kuat arus I₁, I₂, dan I₃ yang mengalir pada masingmasing lampu yang hambatannya masing-masing R₁, R₂, dan R₃ sesuai Hukum Ohm dirumuskan:

I₁ = V/ R₁ atau I₁ = V_PQ / R₁

I₂ = V/ R₂ atau I₂ = V_PQ / R₂

I₃ = V/ R₃ atau I₃ = V_PQ / R₃

          Ujung-ujung hambatan R₁, R₂, R₃ dan baterai masing masing bertemu pada satu titik percabangan. Besar beda potensial (tegangan) seluruhnya sama, sehingga berlaku:

V = V₁ = V₂ = V₃

Besar kuat arus I dihitung dengan rumus:

I = V/Rp

Kuat arus sebesar I dibagikan ke tiga hambatan masingmasing I₁, I₂, dan I₃. Sesuai Hukum I Kirchoff pada rangkaian paralel berlaku:

 I = I₁ = I₂ = I₃

V/R_P = V/R₁ + V/R₂ + V/R₃

Jika kedua ruas dibagi dengan V, diperoleh rumus hambatan pengganti paralel:

1/R_P = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

Jika ada n buah hambatan masing-masing R₁, R₂, R₃, ... R_n, hambatan pengganti paralel dari n buah hambatan secara umum dirumuskan:

1/R_P = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃….1/R_n

Bab III. ELEMEN DAN ARUS LISTRIK

          Untuk dapat bergerak, mobil mainan memerlukan tenaga penggerak. Tenaga itu berasal dari baterai yang ada di dalamnya. Pada baterai tersebut terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Baterai, sebagai tempat pengubah suatu energy menjadi energi listrik, dikenal sebagai sumber arus listrik. Fenomena perubahan suatu jenis energi menjadi energi listrik itu akan kamu pelajari pada bab ini. Pada bab ini kamu akan mempelajari pengertian gaya gerak listrik dan sumber arus listrik, dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

-= Pretest =-

1. Kapankah terjadinya arus listrik?

2. Sebutkan sumber arus listrik DC yang sering kamu temukan dalam kehidupan sehari-hari.

3. Alat ukur apakah yang diperlukan untuk mengukur arus listrik?

-= Kata-Kata Kunci =-

– gaya gerak listrik          – sumber arus listrik

– hambatan dalam           – tegangan jepit

A. GAYA GERAK LISTRIK

          Pernahkah kamu memerhatikan tulisan 1,5 V pada baterai, atau 6 V dan 12 V pada akumulator? Besaran 1,5 V, 6 V atau 12 V yang tertulis pada badan baterai atau akumulator menunjukkan beda potensial listrik yang dimilikinya. Hal itu sering disebut gaya gerak listrik (GGL). Untuk membantumu memahami pengertian gaya gerak listrik , Jika sakelar ditutup, elektron di kutub negatif baterai akan bergerak melalui penghantar menuju kutub positif. Selama dalam perjalanannya, elektron mendapat tambahan energi dari gaya tarik kutub positif. Namun, energi itu akan habis karena adanya tumbukan antarelektron; di dalam lampu tumbukan itu mengakibatkan filamen berpijar dan mengeluarkan cahaya. Sesampainya di kutub positif, elektron tetap cenderung bergerak menuju ke kutub negatif kembali. Namun, hal itu sulit jika tidak ada bantuan energi luar. Energi luar tersebut berupa energi kimia dari baterai. Energi yang diperlukan untuk memindah elektron di dalam sumber arus itulah yang disebut gaya gerak listrik (GGL). Ketika sakelar terbuka merupakan GGL baterai. Adapun tegangan terukur ketika sakelar tertutup merupakan tegangan jepit. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil daripada gaya gerak listrik. Tahukah kamu mengapa demikian?

LATIHAN

1. Apakah perbedaan antara GGL dengan tegangan jepit?

2. Buatlah skema rangkaian untuk mengukur tegangan pada setiap lampu yang terdiri atas: dua lampu, sakelar, dua voltmeter, dan dua buah baterai!

B. SUMBER ARUS LISTRIK

          Kamu sudah mengetahui bagaimana terjadinya arus listrik. Selain itu kamu juga sudah mengenal komponen yang dapat membantu gerakan elektron dalam suatu rangkaian. Suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk mengubah satu jenis energi, misalnya energi kimia dan energi gerak, menjadi energi listrik disebut sumber arus listrik. Contohnya baterai, akumulator, dan generator.

          Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua, yaitu sumber arus listrik bolak-balik (AC) dan sumber arus listrik searah (DC). Sumber arus listrik AC dihasilkan oleh dinamo arus AC dan generator. Ada beberapa macam sumber arus searah, misalnya sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus searah. Elemen volta, batu baterai, dan akumulator merupakan sumber arus searah yang dihasilkan oleh reaksi kimia. Oleh karena itu, elemen volta, batu baterai, dan akumulator sering disebut elektrokimia.Dikatakan elektrokimia sebab alat tersebut mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

          Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi kembali. Contohnya elemen volta dan batu baterai. Elemen sekunder adalah elemen yang setelah habis muatannya dapat diisi kembali. Contohnya akumulator (aki). Pada elemen volta, baterai, dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu

a. anode, elektrode positif yang memiliki potensial tinggi,

b. katode, elektrode negatif yang memiliki potensial rendah,

c. larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.

          Untuk lebih memahami prinsip kerja beberapa contoh elektrokimia, ikutilah uraian berikut.

1. Elemen Volta

          Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh Fisikawan Italia bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan sebuah bejana yang diisi larutan asam sulfat (H ₂SO ₄) dan dua logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Bagian utama elemen Volta, yaitu

a. kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H ₂SO ₄).

          Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai berikut.

· Pada larutan elektrolit terjadi reaksi : H ₂SO₄ → 2H⁺ + SO^2-₄

· Pada kutub positif terjadi reaksi : Cu + 2H⁺→ polarisasi H₂

. Pada kutub negatif terjadi reaksi : Zn + SO₄→ ZnSO₄+ 2e

          Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen Volta karena dapat membasahi peralatan lainnya.

2. Elemen Kering

Elemen kering disebut juga baterai. Elemen kering pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama elemen kering adalah

a. kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

c. larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH ₄Cl),

d. dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO ₂).

          Baterai disebut elemen kering, karena elektrolitnya merupakan campuran antara serbuk karbon, batu kawi, dan salmiak yang berwujud pasta (kering). Batang karbon (batang arang) memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua elektrode itu dihubungkan dengan lampu maka lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan seng. Adapun, reaksi kimia pada batu baterai adalah sebagai berikut.

· Pada larutan elektrolit terjadi reaksi : Zn + 2NH ₄Cl → Zn²⁺ + 2Cl + 2NH₃ + H₂ (ditangkap dispolarisasi)

· Pada dispolarisator terjadi reaksi : H₂ + 2MnO₂ → Mn ₂O₃ + H ₂O

          Reaksi kimia pada batu baterai akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H₂). Gas hidrogen akan ditangkap dan bereaksi dengan dispolarisator yang berupa mangan dioksida (MnO₂) menghasilkan air (H ₂O), sehingga pada batu baterai tidak terjadi polarisasi gas hidrogen yang mengganggu jalannya arus listrik. Bahan yang dapat menghilangkan polarisasi gas hydrogen disebut dispolarisator. Adanya bahan dispolarisator pada batu baterai, menyebabkan arus listrik yang mengalir lebih lama. Setiap batu baterai menghasilkan tegangan 1,5 volt. Elemen kering (batu baterai) banyak dijual di toko karena memiliki keunggulan antara lain tahan lama (awet), praktis karena bentuk sesuai kebutuhan, dan tidak membasahi peralatan karena elektrolitnya berupa pasta (kering).

3. Akumulator

Akumulator sering disebut aki. Elektrode akumulator baik anode dan katode terbuat dari timbal (Cu) berpori. Bagian utama akumulator, yaitu

a. kutup positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO₂),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb),

c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H ₂SO₄) dengan kepekatan 30%.

          Lempeng timbal dioksida dan timbal murni disusun saling bersisipan akan membentuk satu pasang sel akumulator yang saling berdekatan dan dipisahkan oleh bahan penyekat berupa isolator. Beda potensial yang dihasilkan setiap satu sel akumulator 2 volt. Dalam kehidupan sehari-hari, ada akumulator 12 volt yang digunakan untuk menghidupkan starter mobil atau untuk menghidupkan lampu sein depan dan belakang mobil. Akumulator 12 volt tersusun dari 6 pasang sel akumulator yang disusun seri. Kemampuan akumulator dalam mengalirkan arus listrik disebut kapasitas akumulator yang dinyatakan dengan satuan Ampere Hour (AH). Kapasitas akumulator 50 AH artinya akumulator mampu mengalirkan arus listrik 1 ampere yang dapat bertahan selama 50 jam tanpa pengisian kembali.

a. Proses Pengosongan Akumulator

          Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada anode terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO₂) menjadi timbal sulfat (PbSO₄). Perubahan yang terjadi pada katode adalah timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO₄).

Adapun pada larutan elektrolit terjadi perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan akumulator terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut.

a. Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO₂).

b. Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb).

c. Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H ₂SO₄) dengan kepekatan 30%.

          Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga menghasilkan elektron dan air. Reaksi kimia pada akumulator yang dikosongkan adalah sebagai berikut.

· Pada elektrolit : H ₂SO₄→2H⁺ + SO₄ ^2-

· Pada anode: PbO₂ + 2H⁺ + 2e + H ₂SO₄ →PbSO₄+2H ₂O

· Pada katode : Pb + SO₄^2-→ PbSO₄

          Pada saat akumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO₄). Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis).

b. Proses Pengisian Akumulator

          Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO₄) berubah menjadi timbal dioksida (PbO₂). Perubahan pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO₄) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat akan berubah dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum terjadi penguapan air. Bagaimanakah cara menyetrum akumulator?

          Untuk menyetrum akumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang memiliki beda potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya lebih dari 6 volt. Kutub-kutub akumulator dihubungkan dengan kutub sumber tegangan. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator. Adapun, kutub negative sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator. Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC berlawanan dengan arah aliran elektron akumulator.

          Elektron-elektron pada akumulator dipaksa kembali ke electrode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman akumulator lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus listrik diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali.

Susunan akumulator yang akan disetrum (diisi) dalam keadaan masih kosong, yaitu

a. kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4),

c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.

Reaksi kimia saat akumulator diisi, yaitu

· pada elektrolit : H ₂SO₄→2H⁺ + SO₄^2-

· pada anode : PbSO₄ + SO₄^2- + 2H ₂O→ PbO₂ + 2H ₂SO₄

· pada katode: PbSO₄ + 2H⁺→ Pb + H ₂SO₄

Jadi, saat penyetruman akumulator pada prinsipnya mengubah anode dan katode yang berupa timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2) dan timbal murni (Pb).

LATIHAN

1. Apakah yang dimaksud sumber arus searah?

2. Apakah yang dimaksud kapasitas aki?

3. Apakah kelemahan elemen Volta?

4. Apakah perbedaan antara elemen primer dengan elemen sekunder?

5. Perubahan energi apakah yang terjadi pada saat aki

a. digunakan,

b. disetrum.

C. PENGUKURAN TEGANGAN LISTRIK

          Kamu sudah mengetahui bahwa alat ukur lsitrik yang cukup penting, selain amperemeter, adalah voltmeter. Amperemeter digunakan untuk mengetahui kuat arus listrik dalam suatu rangkaian tertutup. Adapun, voltmeter digunakan untuk

baterai atau beda potensial di dua titik suatu rangkaian listrik.

 

Dalam suatu rangkaian, penggunaan voltmeter secara paralel. Maksudnya, terminal positif voltmeter (berwarna merah) dihubungkan dengan kutub positif batu baterai. Adapun kutub negative voltmeter dihubungkan dengan kutub negatif batu baterai. Salah satu contoh penggunaan voltmeter yaitu pada pengukuran gaya gerak listrik dan tegangan jepit suatu rangkaian.

          Untuk lebih jelasnya, lakukan Kegiatan 9.1 secara berkelompok. Sebelumnya, bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

KEGIATAN 9.1

Tujuan: 1. Mengukur ggl elemen.                          

             2. Mengukur tegangan jepit.

Alat dan Bahan:

– Lampu 1,5 V

– Sakelar

– Baterai

– Voltmeter

Cara Kerja:

1. Rangkailah alat dan bahan yang tersedia seperti gambar.

 

2. Ukurlah tegangan baterai sebelum sakelar ditutup.

3. Tutuplah sakelar. Amatilah nyala lampu dan angka yang ditunjukkan skala voltmeter.

4. Pasangkan lagi sebuah lampu secara seri terhadap lampu pertama.

5. Tutuplah sakelar. Amatilah nyala kedua lampu dan angka yang ditunjukkan skala voltmeter.

6. Catatlah hasil pengamatan kelompokmu pada tabel di buku kerjamu.

7. Ulangilah cara kerja 1–5 dengan menambah baterai secara seri.

Pertanyaan:

1. Lebih besar manakah antara gaya gerak listrik baterai dengan tegangan jepitnya?

2. Bagaimanakah besar tegangan jepit untuk menyalakan lampu yang berbeda?

3. Nyatakan kesimpulan kelompokmu di buku kerjamu.

          Perbedaan antara besarnya GGL dengan tegangan jepit menimbulkan adanya kerugian tegangan. Baterai atau sumber arus listrik lainnya memiliki hambatan dalam. Dalam suatu rangkaian, hambatan dalam (r) selalu tersusun seri dengan hambatan luar (R). Rumus Hukum Ohm dapat ditulis sebagai berikut.

V = IR

E = I(R +r)

Untuk beberapa elemen yang dipasang secara seri berlaku

Etotal = E₁ + E₂ + ... + En = nE

R_total = r₁ + r₂ + r₃ = nr

Sehingga

Untuk beberapa elemen yang dipasang secara paralel berlaku :

Sehingga,

Keberadaan hambatan dalam itulah yang menyebabkan menyebabkan kerugian tegangan. Kerugian tegangan dilambangkan dengan U satuannya volt. Hubungan antara GGL, tegangan jepit, dan kerugian tegangan dirumuskan.

E = V + U dengan: E = gaya gerak listrik satuannya volt (V) ,V = tegangan jepit satuannya volt (V) , U = kerugian tegangan satuannya volt (V)

 CONTOH

1. Dua baterai masing 1,5 V dengan hambatan dalam 0,5 Ω dihubungkan ke hambatan 14 Ω . Berapakah tegangan jepitnya jika kedua baterai dipasang seri?

Penyelesaian:

Diketahui: E = 1,5 V, n = 2, r = 0,5 Ω ,R = 14 Ω

Ditanyakan: V = ... ?

Jawab:

I = nE/(R+ r/n) = 2 X 1,5(14 + 2.0,5) = 0,2 A

Sehingga besar tegangan jepitnya V = I ⋅ R = 0,2 A X 14 Ω = 2,8 volt

Jadi kerugian tegangan atau tegangan yang hilang adalah

3 volt 2,8 volt 0,2 volt

E = V +U

V = E – U = 3 volt - 2,8 volt =0,2 volt 

RANGKUMAN

1. Sumber arus listrik adalah alat yang berfungsi sebagai tempat pengubah suatu energi menjadi energi listrik. Sumber arus listrik searah contohnya elemen Volta, batu baterai, akumulator, dan sel surya.

2. Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah elemen yang jika beda potensialnya sama dengan nol (habis) tidak dapat diisi kembali. Misalnya, elemen kering (batu baterai) dan elemen Volta. Elemen sekunder adalah elemen yang dapat diisi kembali jika beda potensialnya sama dengan nol, misalnya aki.

3. Elemen kering, yaitu elemen Volta dan aki yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

4. Amperemeter yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik dipasang seri.

5. Gaya gerak listrik adalah beda potensial antara kutub-kutub sumber tegangan sebelum mengalirkan arus listrik.

6. Tegangan jepit adalah beda potensial antara kutub-kutub sumber tegangan pada saat mengalirkan arus listrik.

7. Kerugian tegangan adalah besarnya tegangan yang hilang akibat adanya hambatan dalam.

8. Untuk beberapa elemen yang dipasang seri akan menghasilkan kuat arus Sebesar = I = nE/(R+ nr)

9. Untuk beberapa elemen yang dipasang paralel akan menghasilkan kuat arus sebesar= I = E/(R+r/n)

REFLEKSI

Apabila kamu sudah membaca isi bab ini dengan baik, seharusnya kamu sudah dapat mengerti tentang hal-hal berikut.

1. Gaya gerak listrik.

2. Sumber arus listrik.

3. Tegangan jepit.

Apabila masih ada materi yang belum kamu pahami, tanyakan pada gurumu. Setelah paham, maka pelajarilah bab selanjutnya.

BAB IV.

Energi dan Daya Listrik

          Pada siang hari, setelah pulang sekolah Ari duduk-duduk di teras depan rumahnya. Sesekali ia melihat ke arah jalan, seolah-olah ada yang ia tunggu. Ternyata tidak lama lagi Andi adiknya yang tengah berjalan bersama  ibunya menuju rumah, setelah sampai di depan kakaknya, Andi memencet tombol mobil-mobilan yang baru saja ia beli di toko. Mobil-mobilan itu dapat berjalan. Andi berpikir kenapa mobil-mobilan itu dapat berjalan sendiri. Karena rasa ingin tahu Andi mengambil mobil-mobilan itu dan ia buka bagian bawahnya. Andi mendapat dua baterai kecil di dalam mobil-mobilan itu. Kemudian Andi bertanya kepada Ari, Kak . . . . Kenapa mobil-mobilan ini dapat berjalan? Ari tidak menjawab, hanya senyum saja yang ia lontarkan. Maka Andi mencoba lagi dengan melepas kedua baterai, ternyata mobil tersebut tidak mau berjalan. Oleh karena itu, Andi hanya berpikir bahwa kedua baterai itu yang menyebabkan mobil bisa berjalan. Mengapa mobil-mobilan yang di dalamnya diberi baterai itu dapat berjalan?

Untuk menjawab pertanyaan di atas mari kita pelajari bab berikut.

          Listrik merupakan sesuatu yang sangat penting dalam kehidupan sehari-hari. Hampir semua peralatan rumah tangga saat ini menggunakan energi listrik. Energi listrik diperoleh dari hasil pengubahan berbagai bentuk energi lain. Fenomena energi listrik dan pemanfaatannya akan kamu pelajari pada bab ini. Pada bab ini kamu akan mempelajari hal-hal yang berkaitan dengan energi dan daya listrik serta pemanfaatannya dalam kehidupan sehari-hari.

A. Energi Listrik

1. Pengertian Energi Listrik

          Energi atau tenaga adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha atau kerja. Menurut hukum kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Ini berarti bahwa energi hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Sedangkan,  

          Energi listrik merupakan aliran elektron yang bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi (lebih positif). Sewaktu bergerak, elektron- elektron itu saling berinteraksi dalam atom-atom konduktor. Jika getaran energi yang dipindahkan ke atom-atom itu bertambah, maka sejumlah energi magnetik dari elektron diubah menjadi energi panas, sehingga temperatur pada konduktor meningkat. Jika wujud konduktor tidak melebur, maka dengan cepat konduktor tersebut akan menyebarkan panas ke seluruh bagian konduktor secara merata.

          Energi listrik berbanding lurus dengan tegangan listrik. Maksudnya semakin besar tegangan listrik, semakin besar pula energi listrik yang dihasilkan. Sebaliknya semakin kecil tegangan listrik, semakin kecil pula energi listrik yang dihasilkan.

          Energi listrik berbanding lurus dengan kuat arus listrik.  Maksudnya semakin besar kuat arus, semakin besar pula energi listrik yang dihasilkan. Sebaliknya semakin kecil kuat arus listrik, semakin kecil pula energi listrik yang dihasilkan.

          Energi listrik berbanding lurus dengan waktu selama arus listrik mengalir. Maksudnya semakin lama arus listrik mengalir, semakin besar pula energi listrik yang dihasilkan.

          Energi listrik berbanding lurus dengan tegangan listrik, kuat arus dan waktu. Secara matematis, besar energi listrik dirumuskan: W = V.I.t dengan : W = energi listrik (joule), V = tegangan listrik (volt), I = kuat arus (ampere), t = waktu (sekon)

          Berdasarkan hukum Ohm, V = I.R, besar energi listrik juga dapat ditulis : 

dengan, W = energi listrik (joule), I = kuat arus listrik (ampere), R = hambatan listrik (ohm), t = waktu (sekon), V = tegangan listrik (volt).

Contoh soal:

1.     Sebuah loudspeaker 8 ohm dipasang pada tegangan 6 volt selama 4 detik. Berapakah energi listrik yang diserap loudspeaker tersebut?

Penyelesaian:      

          D₁ : R = 8 ohm, V = 6 volt, t = 4 sekon

          D₂ : W = V. I. T

 

2. Sebuah alat pemanas listrik bertegangan 220 volt dan padanya mengalir arus listrik 2 ampere. Jika alat pemanas tersebut dipakai selama 2 jam, berapa energi yang ditimbulkan oleh alat tersebut?

Penyelesaian:

          Diketahui:

          V = 220 volt

          I = 2 A

          t = 2 jam

            = 2 × 3600 sekon

            = 7200 sekon

          Ditanya: W = . . . . joule?

          Jawab :

          W= V I t

             = 220 volt x 2 A x 7200 s

             = 3168000 joule = 3168 × 10³ joule

             = 3,168 × 10⁶ joule

3. Pada sebuah penghantar 25 ohm, mengalir arus 0,2A. Bila aliran arus listrik ini berjalan selama 90 menit. Berapakah energi yang ditimbulkan?

          Penyelesaian:

          Diketahui:

          R = 25 ohm

          I = 0,2 A

          t = 90 menit

            = 90 × 60 sekon

            = 5400 sekon

          Ditanya : W = . . . . joule?

          Jawab :

          W = I² R t

               = (0,2 A)² × 25 ohm × 5400 s

               = 0,04 A × 25 ohm x 5400 s

               = 5400 joule = 5,4 × 10³ joule

B. Daya Listrik

          Sebuah penghantar yang diberi beda potensial V,kuat arus I, dalam waktu t, berdasarkan persamaan ketiga variabel tersebut merupakan bagian dari konsep

usaha atau energi listrik. Usaha yang dilakukan dalam satuan waktu disebut daya, P. Oleh karena itu, persamaan daya listrik dapat ditulis sebagai,

P = W/t =V.I

          Secara matematis energi listrik dirumuskan : 

besar daya listrik juga dapat ditentukan dengan persamaan : 

 

daya listrik (watt), V = tegangan listrik (volt), I = kuat arus listrik (ampere)

Jika dihubungkan dengan hukum Ohm V = I.R, persamaan daya listrik juga dapat dirumuskan :

 

Besar daya listrik ditentukan oleh tegangan listrik dan kuat arus listrik yang mengalir. Pada alat-alat listrik, biasanya tertulis besar tegangan listrik dan besar daya listrik.

          Daya listrik merupakan bagian dari besarnya beda potensial, kuat arus, hambatan dan waktu. Satuan daya adalah joule/sekon atau volt × ampere atau

lebih umum disebut watt, karena watt merupakan satuan Sistem Internasional.

Joule merupakan satuan Sistem Internasional energi listrik, tetapi dalam kehidupan sehari-hari energi listrik biasa dinyatakan dalam satuan kWh (kilowatt-hour) atau kilowatt-jam, dan dapat ditulis

W = P. t

          Persamaan di atas adalah energi listrik yang dinyatakan dalam satuan watt sekon. Bagaimana kalau dinyatakan kilowatt-jam, maka yang perlu diperhatikan adalah, 1 kilowatt = 1000 watt dengan t selama 1 jam = 3600 sekon. 1 joule = watt sekon, sehingga,

1 joule = 10³ watt .3600 sekon

atau

1 Wh = 3,6 × 10⁶ joule

1 kWh = 3,6 x 10³ joule

          Harga langganan listrik didasarkan pada banyak energi listrik yang digunakan oleh pelanggan listrik tersebut. Alat ukur untuk menentukan besarnya energi listrik yang digunakan disebut kWhmeter. Alat ini biasanya dipasang di rumah-rumah atau bangunan yang memanfaatkan energi listrik.

Misalnya:

          Sebuah lampu pijar bertuliskan 220 V, 25 W. Artinya lampu tersebut akan mempunyai daya 25 W jika tegangannya sebesar 220 V. Jika tegangan lampu tersebut kurang dari 220 V, maka lampu akan menyala redup karena dayanya berkurang.

          Sebaliknya, jika tegangan lebih dari 220 V, lampu akan menyala terang sekali dan filamennya akan cepat putus karena dayanya melebihi batas.

          Konsep energi dan daya listrik diterapkan pada penarikan rekening sewa listrik. Rekening listrik berdasarkan energi yang terpakai selama satu bulan. Satuan yang digunakan adalah kilowatt jam (kWh).

Secara matematis harga sewa rekening listrik dirumuskan :

Sewa = energi yang terpakai sebulan x harga tiap kWh

Contoh soal :

1. Pada sebuah lampu pijar bertuliskan 220 V/100 W. Jika lampu dipasang pada beda tegangan 220 volt selama sepuluh sekon. Tentukan energi listrik yang digunakan oleh lampu!

Penyelesaian:

Diketahui : V = 220 V sesuai dengan yang tertulis pada lampu

                   P = 100 W

                    t = 10 sekon

Ditanya : W = . . . . ?

Jawab : W = P t

                  = 100 W × 10 s

                  = 1000 joule

2. Sebuah keluarga berlangganan listrik PLN. Pada rumah tersebut terdapat 2 lampu tabung (TL) 20 watt yang menyala 5 jam tiap hari, 5 buah lampu pijar 25 watt yang menyala 6 jam tiap hari, sebuah setrika listrik 250 watt yang menyala 2 jam tiap hari, sebuah televisi berwarna 200 watt yang menyala 10 jam tiap hari, dan kipas angin 10 watt yang menyala 4 jam tiap hari. Apabila harga rekening listrik setiap kWh sebesar Rp 250,00 dan biaya beban tetap Rp 3.500,00 setiap bulan, berapa biaya rekening listrik yang harus dibayar oleh keluarga tersebut dalam 1 bulan?

Penyelesaian :

Pemakaian energi listrik PLN oleh alat-alat sebagai berikut :

Lampu tabung       : 2 x 20 W x 5 jam x 30 = 6.000 Wh = 6 kWh

Lampu pijar : 5 x 25 W x 6 jam x 30 = 22.500 Wh = 22,5 kWh

Seterika       : 1 x 250 W x 2 jam x 30 = 15.000 Wh = 15 kWh

Televisi        : 1 x 200 W x 10 jam x 30 = 60.000 Wh = 60 kWh

Kipas angin  : 1 x 10 x 4 jam x 30 = 1200 Wh = 1,2 kWh

Harga langganan per kWh Rp 250,00

Biaya beban tetap per bulan Rp 3.500,00

Jumlah energi yang dibutuhkan :

= 6 kWh + 22,5 kWh + 15 kWh + 60 kWh + 1,2 kWh =

= 104,7 kWh

Rekening yang harus dibayar :

= Rp 3.500,00 + (104,7 x Rp 250,00)

= Rp 3.500,00 + Rp 26.175,00

= Rp 29.675,00

C. Perubahan Energi Listrik

Perubahan bentuk energi listrik selalu memenuhi hukum kekekalan energi. Hukum tersebut berbunyi energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah dari bentuk energi satu ke bentuk energi yang lain.

1. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Cahaya

          Ambilah sebuah lampu pijar, dan coba perhatikan. Ternyata pada lampu tertulis 20 W/220 V. Kemudian hubungkan dengan stop kontak listrik PLN. Apa yang terjadi? Ternyata, lampu menyala. Perubahan bentuk energi apakah yang terjadi pada lampu pijar?

          Lampu pijar dan lampu neon merupakan alat listrik yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi cahaya dan energi kalor. Di dalam ruang kaca lampu pijar, terdapat filamen yang mudah terbakar yang terbuat dari kawat wolfram halus yang dibuat spiral. Di dalam bola kaca diisi gas argon dan nitrogen bertekanan rendah yang berguna untuk menyerap energi kalor dari filamen yang berpijar, sehingga filamen tidak cepat putus. Ketika arus listrik mengalir, filamen berpijar sampai suhu 1.000 ⁰C menghasilkan cahaya dan kalor. Lampu ini apabila digunakan terasa panas karena banyak energi listrik yang berubah menjadi energi kalor, sehingga lampu tidak hemat listrik.

           Lampu tabung (TL) sering disebut lampu neon. Lampu ini terbuat dari tabung kaca yang bentuknya bermacam-macam. Di dalam tabung kaca diisi gas raksa dan pada kedua ujungnya terdapat elektrode. Jika kedua elektrode dihubungkan dengan tegangan tinggi menyebabkan terjadinya loncatan elektron yang menimbulkan api listrik. Loncatan elektron ini dapat menyebabkan gas raksa memancarkan sinar ultraviolet yang tidak tampak oleh mata. Agar sinar yang dihasilkan dapat dilihat, dinding tabung kaca bagian dalam dilapisi zat fluoresensi. Dinding kaca berlapis zat itu akan memendarkan cahaya ketika terkena sinar ultraviolet. Cahaya yang dipancarkan berupa cahaya putih dan tidak panas.      Dibandingkan lampu pijar, lampu TL memiliki kelebihan. Pada lampu TL lebih banyak energi listrik yang berubah menjadi energi cahaya. Lampu ini hemat listrik karena kalor yang ditimbulkan kecil dan tidak terlalu panas ruang di sekitarnya. Sekarang ini, lampu jenis TL dibuat dalam berbagai bentuk dan memiliki keunggulan hemat energi.

2. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Kalor

          Ambilah sebuah setrika listrik atau solder dan hubungkan dengan stop kontak listrik PLN dan tunggu beberapa saat. Mengapa dasar setrika terasa panas? Dari manakah asalnya panas? Perubahan bentuk energi apakah yang terjadi pada setrika?

          Setrika listrik dan solder merupakan alat yang dapat merubah energi listrik menjadi energi kalor (panas). Bagian dalam setrika listrik terdapat elemen pemanas yang terbuat dari bahan konduktor yang hambatan jenisnya besar. Elemen pemanas diletakkan di antara alas berupa besi dengan penutup setrika yang dipisahkan bahan isolator. Ketika dialiri arus listrik, elemen tersebut akan menghasilkan

energi kalor dan suhunya naik. Energi kalor yang dihasilkan dihantarkan ke lapisan besi, sehingga lapisan besi ikut panas.

          Solder listrik merupakan alat untuk memasang komponen elektronika pada papan rangkai. Bagian dalam solder listrik berisi elemen pemanas yang terbuat dari bahan konduktor yang hambatan jenisnya besar. Elemen pemanas diletakkan di dalam selubung solder. Ketika dialiri arus listrik, elemen tersebut akan menghasilkan energi kalor dan suhunya naik. Energi kalor yang dihasilkan dihantarkan ke mata solder. Logam mata solder memiliki titik lebur yang lebih tinggi daripada titik lebur timah solder. Suhu solder yang terlalu tinggi akan merusak komponen solder.

D. Penghematan Energi Listrik

          Sumber energi ada yang dapat diperbarui dan ada pula yang tidak dapat diperbarui. Sebagian besar sumber energi yang kita gunakan di rumah dan untuk angkutan merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbarui. Akibatnya pada suatu saat akan terjadi krisis energi. Karena jumlah permintaan energi melebihi batas energi yang tersedia di bumi, maka para ahli menunjukkan bahwa minyak

bumi dan batu bara di dunia ini akan habis dalam kurun waktu tertentu.

          Walaupun energi listrik yang disediakan PLN cukup besar namun belum mencukupi kebutuhan listrik secara nasional. Karena masih terdapat daerah di tanah air ini yang belum mendapat suplai listrik. Pemerintah terus mengembangkan penyediaan energi listrik guna pemerataan penggunaan listrik untuk meningkatkan perkembangan industri di seluruh tanah air.

          Sumber energi yang terbatas dan banyaknya permintaan listrik di tanah air mendorong kita untuk menghemat energi di antaranya penghematan energi listrik. Pemanfaatan energi listrik secara efektif perlu digalakkan pada seluruh pengguna energi listrik. Jatah daya listrik yang diberikan PLN perlu dimanfaatkan sebaik-baiknya.

Berikut ini beberapa usaha penghematan energi listrik.

• Mematikan saklar alat listrik yang tidak digunakan.

• Menyalakan lampu setelah gelap.

• Menggganti lampu pijar dengan lampu TL.

• Memilih alat-alat listrik yang berdaya rendah.

• Membuat ruangan berjendela.

• Mencari sumber-sumber energi alternatif yang dapat diperbarui.

• Menemukan alat-alat baru yang menggunakan tenaga surya.