Fisika Dasar II (FIS_A)Materi:

By created: ANISA PUTRI RINJANI1405118751

ARUS LISTRIKRangkaian DC

...

ARUS LISTRIK

Baterai Listrik

Bateai (accu,aki) adalah sebuah alat yang dapat menyimpan energi (umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia.

Kotak BateraiWadah yangmenampung elektrolitdan elemen baterai.Pada kotak bateraiterdapat garis tandaupper level dan lowerlevel.

Konstruksi BateraiTerminal BateraiYaitu bagian dari baterai yang mempunyai simbol (+) dan (-) pada body baterai. Biasanya terminalk ini untuk dudukan kabel baterai.

Elektrolit BateraiMerupakancampuran antara airsuling (H2O) denganasam sulfat (SO4),komposisi campuranadalah 64 % H2O dandan 36 % SO4.

Lanjutan...Sel BateraiSel baterai terdapat plat(+) dan (-). Plat (+)berwarna cokelat gelapdan plat (-) berwarna abuabu metalik. Tiap selmenghasilkan tegangan2– 2,2 volt.

Arus listrik

Jumlah total muatan yang melewati suatu lokasi per satuan waktu. Jika Q adalah muatan positif neto yang bergerak dalam selang waktu t, maka arus didefinisikan sebagai:

Satuan arus listrik adalah Ampere (A)

I = kuat arus (amper / A)Q = muatan (coulomb / C)t = wakyu (setik / s)

tQI

Arah arus listrik (sesuai konvensi) dari potensial tinggi (kutub + ) ke potensial rendah ( kutub - ).

Arah aliran elektron dari potensial rendah (kutub - ) ke potensial tinggi ( kutub + ).

Potensial tinggi

Potensial rendah

Arus listrikAliran elektrontegangan

(beda potensial)

Mengukur Kuat Arus Listrik

Kuat arus listrik diukur dengan ampermeter

Ampermeter dipasang secara seri di dalam rangkaian listrik yang akan diukur kuat arusnya.

A

10

Contoh :Jumlah muatan yang melewati filamen dari lampu bolam dalam 2.00 s adalah 1,67 C. Tentukan : (a) arus listrik pada lampu(b) Jumlah elektron yang melewati filament dalam 1 detik.

Solusi :a.

b.

1.672.00

0.835Q CIt s

A

1

18

19

9

1.60 10 / 0.835

0.83515.22 10

.60 10 /

qN N C electron C

CNC e

N electronle osctr n

11

Hambatan Listrik dan Hukum Ohm Ketika tegangan listrik (beda potensial) diberikan pada ujung-pangkal konduktor

logam maka didapatkan arus yang sebanding dengan tegangan yang diberikan.

I V

V

I I

V

VRI

Dengan satuan R : volt/ampere atau ohm (Ω).

“Dalam suatu rantai aliran

listrik, kuat arus berbanding

lurus dengan beda potensial antara kedua

ujung-ujungnya dan berbanding terbalik dengan

besarnya hambatan kawat

konduktor tersebut.”

12

Hukum Ohm Georg Simon Ohm

(1787-1854)

V IR

I

V

I

V

Linier atau Ohmic MaterialNon-Linier atau Non-Ohmic Material

Semiconductorse.g. diodes

Most metals, ceramics

R konstan dan tidak tergantung terhadap ∆V

13

Contoh :

Sebuah setrika listrik menarik arus 2A ketika dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V. Tentukan hambatan listrik dari seterika tersebut.

Resistor

Resistor digunakan untuk mengendalikan besar arus. Resistor mempunyai hambatan mulai kurang dari 1 ohm Resistor memiliki 2 jenis utama:

1. Resistor gulungan kawat Terdiri dari kumparan kawat halus

2. Resistor komposisi Terbuat dari karbonsemikonduktor

15

Hambat jenis (Resistivity) • Pergerakan elektron dalam konduktor mengalami hambatan

oleh adanya tumbukan dengan atom-atom di dalamnya.

• Nilai hambatan ini akan sebanding dengan panjang l dan berbanding terbalik dengan luas penampang A dari konduktor.

lRA

16

• Konstanta kesebandingan ρ disebut hambat jenis bahan (resistivity) dengan satuan Wm.

• Konduktor mempunyai hambat jenis rendah dan Insulator mempunyai hambat jenis tinggi.

• Nilai hambat jenis tergantung lingkungan misalnya temperatur.

• α disebut temperature coefficient of resistivity.

• Sehingga untuk konduktor dengan luas penampang tetap berlaku :

1o oT T

1o oR R T T

17

Material Resistivity (10-8 Wm)

Material Resistivity (10-8 Wm)

Silver 1.61 Bismuth 106.8Copper 1.70 Plutonium 141.4

Gold 2.20 Graphite 1375Aluminu

m2.65 Germanium 4.6x107

Pure Silicon

3.5 Diamond 2.7x109

Calcium 3.91 Deionized water

1.8x1013

Sodium 4.75 Iodine 1.3x1015

Tungsten 5.3 Phosphorus 1x1017

Brass 7.0 Quartz 1x1021

Uranium 30.0 Alumina 1x1022

Mercury 98.4 Sulfur 2x1023

Resistivity of various materials

SuperkonduktorSuperkonduktor pertama kali ditemukan oleh H. Kamerlingh Onnes di Universitas Leiden Belanda pada tahun 1911. Suatu bahan dikatakan Superkonduktor apabila mempunyai sifat-sifat berikut:- Tanpa resistivitas (hambatan nol) untuk

semua suhu dibawah suhu kritis.- Medan magnetik di dalam bahan superkonduktor sama dengan nol.

Aplikasi Superkonduktor• Kereta Magnet (Maglev, Magnetic Levitation

Train) Di Jepang, kereta api supercepat ini diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, dimana kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph (550 km/jam).

20

Daya Listrik • Dengan adanya tumbukan pada proses pergerakan elektron

dalam konduktor maka energi listrik dapat berubah menjadi energi termal yang selanjutnya menghasilkan kalor. Contoh pemanas, setelika, toaster, lampu pijar.

• Laju perubahan energi ini disebut Daya P dengan satuan watt (joule/s)

• Dari hukum Ohm :

E QP V I Vt t

22 V

P I V I RR

21

Contoh : Sebuah pemanas listrik beroperasi 3 jam sehari selama

30 hari. Jika harga pemakaian listrik per kWh Rp. 300, berapakah biaya yang harus dikelurkan jika pemanas beroperasi pada tegangan 120V dan menarik arus 15A.

Solusi

Biaya = Rp.300 x 162 = Rp. 48.600

tVItPE = 15 (A) 120 (V) 3 (h) 30

= 162.000 Wh

= 162 kWh

Arus Bolak-Balik

Arah arus berubah secara bergantian

Arus Bolak-Balik Sinusoidal

Sudut Fase & Beda Fase

...

RANGKAIAN DC

Simbol-simbol untuk elemen-elemen rangkaian

Kapasitor

Baterai

Saklar

Resistor

Kawat dengan hambatan terabaikan

27

Resistor dalam Rangkaian Seri

• Arus : I = I1 = I2

• Tegangan : V = V1 + V2

I Rt = I R1 + I R2

• Resistor : Rt = R1 + R2

• Untuk kombinasi seri berlaku :

• Rangkaian berprilaku sebagai pembagi tegangan (voltage divider)

1 2 3 ...eqR R R R

R1

A

B C

D

V

R2

Resistor dalam Rangkaian Paralel

• Tegangan : V = V1 = V2

• Arus : I = I1 + I2

V / Rt = V1 / R1 + V2 / R2

• Resistor : 1/Rt = 1/R1 + 1/R2

• Untuk kombinasi Paralel berlaku :

• Rangkaian berperilaku sebagai pembagi tegangan (current divider)

1 2 3

1 1 1 1 ...eqR R R R

R1

A

B C

D

V R2

29

Contoh Soal:

• V = 18 volt• R1 = 2W ; R2 = 6W ; R3= 12W

• Hitung:• Hambatan ekivalen pada

rangkaian tersebut• Arus yang melalui masing-

masing hambatan• Beda tegangan di C dan di D

(VCD = VC – VD)

R2

A

B C

D

V R3

R1

Jawab: Rek = 6W ; I1 = 3A, I2 = 2A , I3 = 1A ; VCD = 12 V

Gaya Gerak ListrikJika saklar ditutup, elektron di

kutub negatif baterai akan bergerak melalui penghantar menuju kutub positif. Selama dalam perjalannya. Elektron

mendapat tambahan energy dari gaya tarik kutub positif. Namun

energi itu akan habis karena adanya tumbukan antar elektron. Tumbukan antar elekktorn inilah

yang mengakibatkan filament pada lampu akan berpijar dan

memancarkan cahaya. Sesampainya dikutub positif

elektron tetap cenderung bergerak manuju 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 memindahkan elektorn

dalam sumber arus listrik inilah yang disebut gaya gerak listrik (GGL))

GGL Dan Tegangan TerminalYang dimaksud dari:

beda potensial antara ujung-ujung penghantar sebelum dialiri arus listrik.

Beda potensial antara kedua ujung saat sumber arus itu mengalirkan arus dlm rangkain listrik

Gaya Gerak Listrik

Tegangan Terminal

GGL DAN TEGANGAN TERMINAL

Bila arus I mengalir dari baterai,terjadi penurunan tegangan terminal.tegangan terminal yang diberikan

Tegangan terminal menurun secara linier terhadap arus.

Vab = Ɛ – Ir

Tegangan jepit selalu lebih kecil dari ggl

Hubungan antara ggl dengan tegangan Terminal adalah

atau untuk mencari I tanpa tegangan jepit adalah

mengingat bahwa Vab = IR,maka akan memperoleh hubungan :

Vab = Ɛ – Ir

Dimana :

VAB = tegangan jepit pada terminal AB (V)

ε = gaya gerak listrik pada baterai (V)

I = kuat aruslistrik (A)

r = hambatan dalambaterai (Ω)

R = hambatan luar (Ω)

Hukum KirchoffHukum I Kirchoff :

Jumlah kuat arus yang masuk pada suatu titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik itu.

keluarmasuk II

I1

I2

I3

Pada dasarnya, arus adalah aliran muatan.

Karena muatan kekal, maka jumlah arus yang masuk kesuatu titik cabang pada rangkaian sama dengan jumlah arus yang meninggalkannya.I1 = I2 + I3

Tinjau rangkaian di atas. Mulai dari titik a dengan potensial Va, dan bergerak searah dengan arah jarum jam. Dalam resistor terdapat perubahan potensial –iR. Tanda minus karena bagian atas resistor memiliki potensial lebih tinggi dibanding bagian bawah. Kemudian bertemu dengan baterei dari bawah ke atas dengan potensial yang meningkat + . Jumlah dari perubahan potensial ini ditambah dengan Va haruslah menghasilkan Va juga.

R

ia

Hukum II Kirchhoff : Jumlah aljabar dari perubahan potensial yang dilalui

dalam suatu rangkaian tertutup adalah nol.

V = 0

Diperoleh:

Sehingga:

Ketentuan dalam menerapkan Hk. Kirchhoff II:1. Jika resistor dilewati searah dengan arah arus, perubahan

potensial adalah - iR, sebaliknya adalah + iR.2. Jika sumber ggl dilalui dalam arah ggl (arah panahnya),

perubahan potensial adalah + , sebaliknya adalah - .

aa ViRV

0 iR

Kapasitor Kapasitor adalah komponen elektronika yang

dapat menyimpan muatan listrik.

Sifat Kapasitor1. Dapat menyimpan energi listrik, tanpa disertai reaksi kimia2. Tidak dapat dilalui arus listrik DC dan mudah dilalui arus bolak-balik3. Bila kedua keping dihubungkan dengan beda potensial, masing-masing bermuatan listrik sama besar tapi berlawanan tanda.

Kegunaan Kapasitor• Untuk menghindari terjadinya loncatan listrik pada rangkaian yang mengandung kumparan bila tiba-tiba diputuskan arusnya.• Rangkaian yang dipakai untuk menghidupkan mesin mobil• Untuk memilih panjang gelombang yang ditangkap oleh pesawat penerima radio.

Kapasitas KapasitorKapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan elektron untuk level tegangan tertentu. Dengan rumus dapat ditulis :

Q = C.V

Q = muatan elektron dalam C (coulombs) C = nilai kapasitansi dalam F (farads) V = besar tegangan dalam V (volt)

Dari rumus tersebut dapat diturunkan rumus kapasitansi kapasitor, yaitu :

C = Q/V

Rangkaian Kapasitor

• Rangkaian seri

+V

+Q1 -Q1 +Q2 -Q2

1. Kapasitas gabungan kapasitor (Cg ), kapasitas kapasitor pertama (C1), kapasitor kedua (C2) memenuhi :

2. Muatan listrik yang tersimpan pada rangkaian = muatan listrik pada masing-masing kapasitor. Q = Q1 + Q2 dan Q1 = Q2

3. Tegangan listrik antar ujung rangkaian(V), tegangan pada kapasitor pertama(V1 ) dan kapasitor kedua(V2 ) memenuhi:V = V1 + V2

21g C1

C1

C1

+V = 6 volt

+Q -Q +Q -Q

C1 = 2 F C2 = 3 F

Contoh1. Kapasitas gabungan kapasitor :

Cg = 6/5 = 1,2 F2. Muatan listrik pada rangkaian = 1,2 F x 6V = 7,2 C Pada kapasitor satu = 7,2 C Pada kasitor kedua = 7,2 C3. Tegangan liatrik pada kapasitor satu = 3,6 V Pada kapasitor dua = 2,4 V

623

31

21

C1

g

Contoh...

Lanjutan...• Rangkaian paralel

+V

+Q1 -Q1

+Q2 -Q2

1. Tegangan pada kapasitor pertama (V1), kapasitor kedua (V2) dan tegangan sumber (V) masing-masing sama besar. V1 = V2 = V

2. Muatan listrik yang tersimpan pada rangkaian memenuhi Q = Q1 + Q2

3. Kapasitas gabungan kapasitor mmenuhi : Cg = C1 + C2

Contoh...

+

+Q1 -Q1

+Q2 -Q2

1. Tegangan pada kapasitor pertama (V1) dan kapasitor kedua (V2) adalah V1 = V2 = 6 volt

2. Kapasitas gabungan kapasitor adalah Cg = C1 + C2 = 2F + 3F = 5F

3. Muatan listrik yang tersimpan pada rangkaian memenuhi Q = Cg xV = 5F x 6V = 30CQ1 = C1 x V = 2Fx6V = 12C

Q2 = C2 x V = 3Fx6V = 18C

Contoh

C1 = 2 F

C2 = 3 F

V = 6 volt

Rangkaian RC (Resistor-Kapasitor)

Rangkaian RC (Resistor-Kapasitor), atau sering dikenal dengan istilah RC filter atau RC network, adalah rangkaian listrik yang tersusun dari resistor dan kapasitor. Rangkaian RC orde satu (first order) tersusun dari satu resistor dan satu kapasitor yang merupakan rangkaian RC paling sederhana.

Rangkaian RC dapat digunakan untuk menyaring (filter) sinyal dengan cara menahan (block) frekuensi sinyal tertentu dan meneruskan (pass) sinyal yang lainnya. Ada 4 macam filter RC, di antaranya: high-pass filter, low-pass filter, band-pass filter, dan band-stop filter.

Kurva Q dan I sebagai fungsi t

Penerapan Fisika• Alat Pacu Jantung

Penerapan fisika pada alat pacu jantung ini adalah dengan menggunakan rangkaian RC.Banyaknya bentuk penyakit jantung , sel-sel pacu jantung gagal berfungsi dengan baik, dan jantung kehilangan detaknya, orang yang menderita penyakit ini umumnya menggunakan pacu jantu ng elektronik.Alat ini dapat membuat jantung yang berhenti mulai berdetak kembali dengan memberikan rangsangan listrik melalui elektroda yang di pasang di dada. Jantung itu sendiri berisi pacu jantung, yang mengirimkan puls listrik kecil dengan kecepatan 60-80 per menit. Pulsa ini merupakan sinyal yang menyebabkan mulainya setiap detak jantung. Kecepatan pulsa bergantung pada nilai R dan C. Umumnya, sumber daya berupa baterai yang harus di ganti atau dimuati kembali, bergantung pada jenisnya. Beberapa pacu jantung mendapatkan energi dari panas yang di hasilkan oleh elemen radio aktif, energi panas di ubah menjadi listrik oleh termokopel.

Bahaya ListrikKebocoran Arus

Arus bocor sering terkopel secara kapasitif. Contohnya kawatpada lampu membentuk kapasitor dengan tmpat logamnya, mutan- muatan yang bergerak pada suatu konduktor menarik atau menolak muatan pada lainnya, sehingga ada arus. Arus bocor 1mA biasanya tidak berbahaya, bagaimanapun bisa sangat berbahaya bagi pasien rumah sakit yang dipasangi elektroda yang dihubungkan ke ground melalui alat yang bersangkutan. Hal ini di sebabkan karena arus dapat menuju langsung ke jantung jika di bandingkan dengan situasi biasa dimana arus memasuki tangan dan menyebar ke seluruh tubuh.

Selain itu sentrum juga dapat mengakibatkan kerusakan pada tubuh. Arus yang melalui organ vital seperti jantung atau otak akan sangat serius karena dapat mempengaruhi kinerja organ-organ tersebut.

ALAT UKUR LISTRIK

AMPERMETER Dipakai untuk mengukur kuat arus. empunyai hambatan yang sangat kecil. Dipasang seri dengan alat yang akan diukur. Untuk mengukur kuat arus yang sangat besar (melebihi batas ukurnya) dipasang tahanan SHUNT paralel dengan Amperemeter (alat Amperemeter dengan tahanan Shunt disebut AMMETER

•untuk mengukur arus yang kuat arusnya n x i Ampere harus dipasang Shunt sebesar :

Rn

RS d1

1

Lanjutan...

VOLTMETERDipakai untuk mengukur beda potensial. Mempunyai

tahanan dalam yang sangat besar. Dipasang paralel dengan alat (kawat) yang hendak diukur potensialnya. Untuk mengukur beda potensial yang melebihi batas ukurnya, dipasang tahanan depan seri dengan Voltmeter.

Untuk mengukur beda potensial n x batas ukur maksimumnya, harus dipasang tahanan depan (RV): Rv = ( n - 1 ) Rd