MAKALAHRANGKAIAN ARUS SEARAH

NAMA: 1. CINTIA AGTASIA PUTRI (4201412030)

2. NURUL FAIZAH (4201412040)

KELOMPOK : 06

MATERI : RANGKAIAN ARUS SEARAH

A. Konsep Dasar Arus ListrikDalam pembahasan listrik statik dipelajari tentang partikel yang bermuatan listrik

di dalam atom, yaitu elektron dan proton. Elektron adalah pembawa muatan listrik

negatif yang dapat digunakan untuk menjelaskan terjadinya arus listrik dan proton

pembawa muatan positif. Listrik dinamis adalah ilmu yang mempelajari tentang listrik

yang mengalir. Pada listrik statik, muatan listrik yang telah dipelajari itu pada umumnya

tidak mengalir sama sekali atau kalau ada juga aliran, maka aliran tersebut berlangsung

sangat singkat dan sangat kecil sehingga tak dapat ditunjukkan dengan alat pengukur

arus. Seperti yang telah kita ketahui bahwa elektron-elektron itu adalah pambawa muatan

negatif. Di dalam suatu penghantar elektron-elektron dapat berpindah dengan mudah,

sedangkan di dalam suatu isolator elektron-elektron tersebut sukar berpindah.

1. Arus ListrikArus listrik adalah aliran muatan listrik atau muatan listrik yang mengalir tiap

satuan waktu. Arah arus listrik dari arah dari potensial yang tinggi ke potensial rendah,

jadi berlawanan dengan arah aliran electron. Seandainya muatan-muatan positif di dalam

suatu penghantar dapat mengalir, maka arah alirannya sama dengan arah arus listrik,

yaitu dari potensial tinggi ke potensial rendah. Perhatikan gambar di bawah ini !

Dua buah benda bermuatan masing-masing A dan B dihubungkan dengan sebuah

penghantar.

Bila potensial A lebih tinggi dari pada potensial B, maka arus akan mengalir dari

A ke B. Arus ini mengalir dalam waktu yang sangat singkat. Setelah potensial A sama

dengan potensial B maka arus berhenti mengalir.

Supaya arus listrik tetap mengalir dari A ke B, maka muatan positif yang telah

sampai di B harus dipindahkan kembali ke A. Dengan demikian maka potensial A selalu

lebih tinggi daripada B. Jadi dapat disimpulkan bahwa supaya arus listrik dapat mengalir

dalam kawat penghantar, maka antara kedua ujung kawat tersebut harus ada beda

potensial.

2. Kuat Arus ListrikKuat arus listrik ialah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap detik melalui

suatu penghantar. Simbol kuat arus adalah I.

Satuan kuat arus listrik ialah Ampere yang diambil dari nama seorang ilmuwan

Perancis yaitu : Andrey Marie Ampere (1775– 1836). Misalkan bahwa dalam waktu t

detik mengalir muatan listrik sebesar q coulomb dalam suatu penghantar berpenampang

A, maka dirumuskan:

Satuan I =CS = Ampere (A). Satuan lain untuk kuat arus misalnya miliampere

(mA) dan mikroampere (μA), dengan konversi 1 mA = 10−3 A dan 1μA = 10−6A

Sedangkan kuat arus untuk setiap satuan luas penampang dinamakan kerapatan

arus. Rapat arus dinyatakan dengan :

J =IA dengan satuan A/m² .

Jumlah muatan adalah n x electron-elektron yang berpindah.

Atau q = n. e

Sehingga berlaku pula

n .e = I .t

Perhatikan lagi gambar 2, memperlihatkan muatan yang bergerak pada

penghantar dengan penampang A (m2), dan muatan-muatan itu bergerak dengan

kecepatan v (m/s). Misalkan dalam setiap satuan volume ada n electron yang bergerak,

dan setiap elektron itu memiliki muatan e = 1,6 x 10−19 C, maka dalam setiap selang

waktu t elektron-elektron itu menempuh jarak:

s = v . t dengan satuan meter.

Sehingga jumlah elektron-elektron itu dalam volume silinder (V = s.A)

penghantar berjumlah

q = n .e .s .A

q = n.e.v.t. A dalam coulomb.

Kuat arus listriknya sebesar

I = n . e . v .t . A

t

I = n.e.v.A dalam ampere.

Sedangkan rapat arusnya adalah

J = IA =

n . e . v . AA dalam A/m2

3. Hukum Ohm Dan Hambatan Listrik

Seorang guru fisika dari Jerman bernama George Simon Ohm (1789-1854)

berhasil mendapatkan hubungan antara besarnya beda potensial dengan besarnya arus

yang mengalir. Ia menyimpulkan penemuannya ini ke dalam suatu hukum yang dikenal

dengan nama Hukum Ohm. Bunyi Hukum Ohm sebagai berikut.

“Kuat arus yang mengalir dalam suatu penghantar sebanding dengan beda

potensial antara ujung-ujung penghantar itu, asalkan suhu penghantar itu tetap” Secara

ringkasnya hukum ini dapat ditulis sebagai berikut;

V ~I (V sebanding dengan I)

VI = R

Dalam persamaan ini, R merupakan suatu faktor perbandingan yang besarnya

tetap untuk suatu penghantar tertentu dan pada suhu tertentu pula. Faktor tetap R ini

disebut hambatan listrik.

Definisi hambatan suatu penghantar adalah hasil bagi beda potensial antara ujung-

ujung penghantar itu dengan kuat arus dalam penghantar itu.

Satuan hambatan listrik = volt

ampere = Ohm. Simbolnya dalam huruf yunani Ω

(omega)

Satuan lainnya kilo ohm (KΩ) = 1000 Ω, mega ohm (MΩ) =106Ω

Sebuah penghantar disebut mempunyai hambatan sebesar satu ohm bila beda

potensial sebesar satu ampere melalui penghantar itu.

Penghambat/resistor adalah komponen yang diproduksi pabrik dan memiliki nilai

hambatan tetap dengan toleransi tertentu.

4. Hukum Kirchhoff

a. Hukum 1 Kirchhoff

Pada rangkaian listrik tidak bercabang, kuat arus yang melalui tiap komponen

adalah sama besar. Pada rangkaian listrik bercabang, arus listrik terbagi pada setiap

percabangan dan besarnya tergantung ada tidaknya hambatan pada cabang tersebut.

Besarnya arus listrik pada masing-masing cabang dikenal dengan hukum

Kirchhoff I yang berbunyi: “pada rangkaian listrik yang bercabang, jumlah kuat arus

yang masuk pada suatu titik cabang sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik

cabang itu”.

Hukum ini merupakan penerapan hukum kekekalan muatan pada rangkaian

listrik yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik pada suatu rangkaian listrik selalu

tetap.

b. Hukum 2 Kirchhoff

Hukum II Kirchhoff tentang tegangan menyatakan bahwa “ jumlah aljabar

perubahan tegangan yang mengelilingi suatu rangkaian tertutup (loop) sama dengan nol”.

Rangkaian tertutup (loop) dalam suatu rangkaian listrik adalah rangkaian keliling yang

berasal dari suatu titik dan akhirnya kembali lagi ke titik tersebut.

Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah gaya gerak listrik () dengan

penurunan tegangan (I.R) sama dengan nol.

Untuk menggunakan persamaan tersebut dalam satu atau dua loop, harus

memperhatikan hal-hal berikut :

1. Kuat arus bertanda positif jika searah dengan loop dan bertanda negatif jika

berlawanan dengan arah loop.

2. GGL bertanda positif jika kutub positifnya lebih dulu dijumpai loop dan sebaliknya

GGL negatif jika kutub negatifnya lebih dulu dijumpai loop.

a. Rangkaian Seri

Penyusunan hambatan listrik secara seri berfungsi untuk memperbesar hambatan

dan pembagi tegangan. Arus listrik adalah muatan listrik yang mengalir. Pada rangkaian

hambatan seri, muatan-muatan itu akan mengalir melalui semua hambatannya secara

bergantian. Berarti muatan yang melalui R1, R2 dan R3 akan sama dan kuat arusnya

secara otomatis harus sama. Karena I sama, maka sesuai hukum Ohm, dapat diketahui

bahwa beda potensial ujung-ujung hambatan akan sebanding dengan besarnya hambatan

R.

b. Rangkaian Paralel

Penyusunan hambatan listrik secara paralel berfungsi untuk membagi-bagi arus dan

memperkecil hambatan listrik.

Besar hambatan total pengganti pada rangkaian listrik paralel adalah kebalikan

hambatan penggantinya sama dengan jumlah kebalikan hambatan dari tiap-tiap

penghambatnya.

Kuat arus yang melalui hambatan pengganti paralel sama dengan jumlah kuat arus

yang melalui tiap-tiap komponen.

Tegangan pada ujung-ujung tiap komponen sama, yaitu sama dengan tegangan

pada ujung-ujung hambatan pengganti paralelnya.

Kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen sebanding dengan kebalikan

hambatannya.

5. Sumber Arus Listrik

Sumber arus listrik adalah benda-benda yang dapat menghasilkan arus listrik,

contohnya baterai, akumulator, elemen Volta, elemen Daniell, dan elemen Weston.

Mobil-mobilan dapat bergerak karena memperoleh energi listrik dari baterai, lampu

senter dapat digunakan setelah dipasang baterai ke dalamnya.

1. Gaya Gerak Listrik

Semua sumber arus listrik memiliki kemampuan memberikan gaya pada elektron

sehingga elektron dari sebuah atom materi dapat bergerak. Gaya dari sumber baterai yang

demikian disebut sebagai gaya gerak listrik (ggl).

Gaya gerak listrik sering juga disebut tegangan. Satuan gaya gerak listrik adalah

volt (V). Ggl diberi lambang E. Misal pada kulit luar baterai tercantum label 1,5 V, ini

menunjukkan besarnya ggl yang dibangkitkan oleh baterai tersebut. Jadi, ggl merupakan

beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik (baterai) saat sumber tidak

mengalirkan listrik (saklar terbuka).

2. Elemen Primer

Berdasarkan kemampuannya memberikan gaya gerak listrik, sumber arus listrik

dibedakan menjadi elemen primer dan elemen sekunder. Baterai yang digunakan oleh

jam dinding merupakan elemen primer.

Elemen primer merupakan sebuah sumber arus listrik. Elemen primer merupakan

sumber arus listrik yang bersifat sekali pakai. Artinya jika sumber arus tersebut sudah

habis energinya, kamu tidak dapat mengisi elemen primer. Kamu harus mengganti

sumber arus listrik tersebut dengan sumber arus yang baru.

a. Baterai

Baterai disebut juga elemen kering karena tidak menggunakan larutan kimia

cair. Larutan elektrolitnya adalah ammonium klorida. Baterai menggunakan larutan

tambahan yaitu mangan dioksida kering yang dicampuir dengan serbuk karbon. Larutan

ini berfungsi sebagai depolarisator, yaitu melindungi larutan ammonium klorida supaya

arus listrik yang dihasilkan dapat bertahan lama. Barterai tersusun dari batang karbon (C)

sebagai anode dan seng (Zn) sebagai katode, baterai akan mengubah energy kimia

menjadi energi listrik.

Larutan elektrolit dalam baterai berfungsi sebagai sumber arus untuk

mengeluarkan electron secara terus menerus hingga akhirnya electron bebas di dalam

larutan habis sehingga baterai tidak dapat digunakan lagi. Dewasa ini ada juga elemen

kering yang dapat diisi kembali, tanpa harus membuang baterai tersebut. Pada baterai,

electron mengalir dari elektroda negative (seng) ke elektroda positif (karbon). Sebaliknya

arus listrik mengalir dari batang karbon ke plat seng.

b. Elemen Volta

Elemen volta adalah sumber tegangan listrik yang ditemukan oleh Alessandro Volta.

Elemen volta menggunakan pelat tembaga (Cu) sebagai electrode positif dan pelat

seng (Zn) sebagai electrode negatif. Elektrode positif disebut anode dan elektrodenegatif

disebut katode. Elemen ini menggunakan asam sulfat encer (H)sebagai larutan

elektrolitnyanya. Elemen volta mengubah energy kimia menjadi energy listrik.

Sebuah lampu pijar yang dihubungkan dengan elemen volta tidak mampu

menyala dalam waktu yang sama. Haal ini disebabkan gelembung-gelembung gas

hydrogen hasil reaksi kimia di dalam asam sulfat akan menutupi lapisan permukaan plat

tembag, disebut polarisasi.

Arus listrik menjadi terhambat. Ele3men volta tidak dapat dimanfaatkan sebagai

sumber arus listrik yang permanen.

c. Elemen Daniell

Cara kerja elemen daniell pada dasarnya sama dengan cara kerja elemen volta.

Namun pada elemen daniell ditambahkan larutan tembaga sulfat (CuSO4) untuk mencegah

terjadi polarisasi, yang dinamakan depolarisator sehingga usia elemen dapat lebih lama.

Perhatikan diagram sel daniell pada gambar di bawah ini.

3. Elemen Sekunder

Tidak seperti elemen primer, elemen sekunder bersifat dapat diperbaharui.

Artinya tegangan yang berasal dari elemen sekunder suatu saat akan habis, tetapi kamu

masih dapat mengisi elemen tersebut. Contoh elemen sekunder adalah akumulator.

Akumulator banyak digunakan dalam kendaraan bermotor seperti sepeda motor dan

mobil.

Aki mempunyai larutan elektrolit yang dapat diperbaharui. Hal ini berbeda

dengan baterai yang bila pereaksinya habis maka baterai tidak dapat dipakai lagi. Aki

terdiri dari anode yang terbuat dari batang dari batang timbal dioksida (PbO2) dan

electrode batang timbale (Pb). Larutan elektrolitnya adalah asam sulfat encer (H2SO4).

Aki seruing juga disebut baterai basah, karena larutan kimianya menggunakan

larutan cair. Pada saat pengisian, aki mengubah energy listrik menjadi energi kimia. Pada

saat aki dipakai terjadi perubahan energy kimia menjadi energy listrik.

Elemen yang dapat diperbaharui pereaksinya seperti aki disebut dengan elemen

sekunder, sedangkan elemen volta dan baterai yang larutan kimianya tidak dapat

diperbaharui lagi disebut elemen primer.

Proses pengisian kembali arus listrik ke dalam akumulator adalah, sebagai berikut:

Tegangan listrik yang dihasilkan oleh setiap sel di dalam sebuah aki adalah 2

volt, sehingga pada aki 6 volt terdapat tiga buah sel. Karena aki berfungsi sebagai

penyimpanan muatan atau energy listrik, maka kapasitas penyiompanan sebuah aki dapat

terlihat berupa angka-angka pada aki. Contoh, pada aki tertulis 12 V, 40 AH. Artinya, aki

mempunyai ggl 12 volt dan dapat mengalirkan arus listrik 40 ampere selama 1 jam.

4. Tegangan Listrik

Tegangan listrik adalah beda potensial antara dua buah kutub sumber tegangan.

Alat untuk mengukur tegangan disebut voltmeter. Selain tegangan antara kutub-kutub

sumber tegangan, setiap alat listrik dalam sebuah rangkaian tertutup akan mempunyai

tegangan yang dapat diukur dengan voltmeter.

Tegangan ini disebut tegangan jepit. Jadi tegangan jepit merupakan beda potensial

antara kutub-kutub sebuah sumber arus listrik ketika sumber mengalirkan arus listrik.

Misalkan sebuah sumber 12 V digunakan untuk menyalakan sebuah lampu, ukurlah

potensial listrik lampu tersebut dengan cara memasangkan voltmeter secara paralel

dengan lampu. Tegangan yang terbaca pada voltmeter ini merupakan tegangan jepit atau

tegangan terpakai oleh alat. Nilai tegangan jepit tergantung pada nilai hambatan

bebannya. Makin besar nilai hambatan bahan makin kecil nilai tegangan jepitnya.

B. Energi Listrik

Dalam kehidupan sehari-hari, energi listrik dapat diubah menjadi energi kalor,

energi cahaya, dan energi gerak. Nah, agar kamu lebih memahami bagaimana perubahan

bentuk energi listrik dan alat-alat yang memanfaatkan energi listrik.

1. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Kalor

Perubahan energi listrik menjadi energi kalor dapat diamati pada alat-alat seperti

setrika listrik, kompor listrik, solder, dan teko listrik.

Alat-alat tersebut dapat menghasilkan kalor karena memiliki elemen pemanas.

Elemen pemanas merupakan sejenis hambatan listrik. Ketika

elemen pemanas dialiri arus listrik selama waktu tertentu, maka sebagian arus listrik ini

akan berubah menjadi energi kalor. Adanya energi kalor menyebabkan benda-benda yang

berhubungan dengan konduktor elemen pemanas, seperti pakaian pada setrika listrik,

bahan makanan pada kompor listrik, timah pada solder, dan air pada teko listrik, akan

mengalami kenaikan suhu.

Elemen pemanas biasanya terbuat dari kawat nikrom yang dililitkan pada

lempeng isolator tahan panas, seperti asbes mika. Seluruh bagian lilitan ini ditutupi lagi

dengan bahan isolator yang tahan panas, seperti keramik. Alat-alat listrik tersebut aman

untuk disentuh karena bagian elemen pemanas telah disekat dengan isolator tahan panas.

Besarnya kalor yang dihasilkan elemen pemanas tergantung pada panjang kawat, luas

penampang kawat, dan jenis kawat.

2. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Cahaya

Alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi cahaya adalah lampu.

Saat ini ada dua jenis lampu yang banyak digunakan, yaitu lampu pijar dan lampu neon

atau lampu tabung.

Filamen pada lampu pijar terbuat dari kawat tungsten yang sangat tipis dan

digulung menjadi spiral rangkap. Ketika dialiri arus listrik, filamen lampu ini berpijar

sampai berwarna putih sehingga lampu memancarkan cahaya. Selain memancarkan

cahaya, sebagian energi listrik yang mengalir melalui filamen lampu ini diubah menjadi

kalor. Hal ini menyebabkan lampu pijar terasa panas saat kamu sentuh.

Tungsten dipilih sebagai filamen karena bahan ini tahan panas, titik leburnya

mencapai 3.400° C, sehingga tungsten dapat berpijar tanpa melebur. Oleh karena filamen

lampu mudah terbakar di udara, maka di dalam bola kaca lampu pijar diisi gas argon dan

gas nitrogen. Gas ini tidak bereaksi dengan logam panas sehingga filamen tidak terbakar.

Lampu TL (tube luminescent) memiliki cara kerja yang berbeda dengan lampu

pijar. Di dalam lampu TL tidak terdapat filamen, seperti pada lampu pijar. Lampu TL

terdiri atas tabung kaca yang hampir hampa udara dan berisi uap raksa. Di ujungujung

lampu TL terdapat elektroda yang diberi beda potensial yang cukup tinggi. Perbedaan

beda potensial ini menghasilkan loncatan bunga api listrik di antara kedua elektroda

sehingga gas yang ada di dalam lampu TL memancarkan cahaya. Cahaya

tersebut mengenai lapisan fosfor yang ada dalam tabung lampu TL sehingga lapisan

fosfor memendar dan lampu terlihat mengeluarkan cahaya.

Lampu TL merupakan lampu yang hemat energi. Karena lampu TL dapat

mengubah 60% energi listrik menjadi energi cahaya dan 40% lainnya menjadi energi

kalor. Hal ini berbeda dengan lampu pijar yang hanya mengubah 10% energi listrik

menjadi energi cahaya.

3. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Gerak

Alat-alat yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak, di antaranya kipas

angin, bor listrik, gergaji listrik, dan mesin jahit listrik. Bagaimana alat-alat tersebut dapat

mengubah energi listrik menjadi energi gerak? Alat-alat tersebut dapat mengubah energi

listrik menjadi energi gerak dengan bantuan motor listrik. Perubahan energi listrik

menjadi energi gerak pada motor listrik dimulai dengan perubahan energi listrik menjadi

induksi magnet. Induksi magnet inilah yang menyebabkan poros atau as pada alat-alat

listrik bergerak.

4. Hubungan Tegangan, Kuat Arus, dan Energi Listrik

Ketika lampu 3 volt dihubungkan dengan sumber tegangan sebesar 6 volt, lampu

tersebut akan menyala sangat terang. Sebaliknya, jika lampu tersebut dihubungkan

dengan sumber tegangan 1,5 volt, lampu akan menyala redup. Berdasarkan uraian

tersebut, besarnya energi listrik sangat bergantung pada tegangan listrik.

Energi listrik sebanding dengan tegangan listrik (V), kuat arus listrik (I), dan

waktu (t). Secara matematis pernyataan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut.

W=V.I.t

Kamu telah mempelajari Hukum Ohm yang menyatakan bahwa:

I=V/R atau V=I.R

Sehingga dapat ditulis menjadi:

5. Penghematan Energi

Energi listrik yang kita nikmati sehari-hari pada umumnya berasal dari bahan bakar fosil, seperti

gas, batubara, dan minyak bumi. Ketersediaan bahan bakar fosil tersebut pada umumnya sangat

terbatas. Artinya, suatu saat kita akan kehabisan bahan bakar fosil. Hal penting yang harus

dilakukan adalah mulai dengan segera melakukan penghematan energi, termasuk di antaranya

penghematan energi listrik.

Hal-hal yang dapat kita lakukan untuk menghemat energi listrik di rumahmu adalah

sebagai berikut.

1. Tidak menyalakan lampu di siang hari.

2. Mematikan televisi jika tidak ditonton.

3. Mematikan alat-alat listrik setelah selesai dipakai.

4. Menggunakan lampu hemat energi seperti lampu neon.

5. Memakai alat-alat listrik yang mempunyai daya rendah.

C. Daya Listrik

Watt merupakan satuan daya listrik. Daya listrik adalah banyaknya energi listrik yang

terpakai setiap sekonnya. Satuan daya listrik adalah watt, 1 watt = 1 joule/sekon. Secara

matematis, persamaan daya listrik dinyatakan sebagai berikut.

PLN menggunakan kWh meter untuk mengukur penggunaan energi listrik oleh konsumen dalam

satuan kilowatt jam (kWh = kilowatt hour). Satu kWh adalah besarnya energi listrik yang

digunakan selama 1 jam dengan daya listrik sebesar 1.000 watt.

DAFTAR PUSTAKA

Aline Chew, O-Level Classifield Physics, WEB Publications Pte Ltd., 1996

Andrew Lambert, Physics Question for GCSE, Blackie

Bernard Abrams, Physics Questions for GCSE, Stanley Thornes Ltd.,1995

Foster,Bob. 1994. Seribu Pena Fisika SLTP Kelas 3. Erlangga : Jakarta.

Widodo, Tri. 2009. Fisika untuk SMA/MA Kelas X. MEFI CARAKA : Jakarta.