Materi Ajar SMP tentang Listrik Dinamis

Listrik Dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. cara

mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai

waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu

adalah detik. kuat arus pada rangkaian bercabang sama dengan kuata

arus yang masuk sama dengan kuat arus yang keluar. sedangkan pada

rangkaian seri kuat arus tetap sama disetiap ujung-ujung hambatan.

Sebaliknya tegangan berbeda pada hambatan. pada rangkaian seri

tegangan sangat tergantung pada hambatan, tetapi pada rangkaian

bercabang tegangan tidak berpengaruh pada hambatan. semua itu telah

dikemukakan oleh hukum kirchoff yang berbunyi "jumlah kuat arus

listrik yang masuk sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar".

berdasarkan hukum ohm dapat disimpulkan cara mengukur tegangan

listrik adalah kuat arus × hambatan. Hambatan nilainya selalu sama

karena tegangan sebanding dengan kuat arus. tegangan memiliki

satuan volt(V) dan kuat arus adalah ampere (A) serta hambatan adalah

ohm.

ARUS LISTRIK

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan

dari pergerakan elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik

dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Arus listrik (I) yang mengalir

melalui penghantar didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik

(Q) yang mengalir setiap satu satuan waktu (t).

I = Q/t

Secara matematis dapat dituliskan:

I    = arus listrik (A)

Q   = muatan listrik (C)

t    = selang waktu

Arus listrik dapat diukur dalamsatuan Coulomb/detik atau Ampere.

Contoh arus listrik dalam kehidupan sehari-hari berkisar dari yang

sangat lemah dalam satuan mikroAmpere (μA) seperti di dalam

jaringan tubuh hingga arus yang sangat kuat 1-200 kiloAmpere (kA)

seperti yang terjadi pada petir. Dalam kebanyakan sirkuit arus

searah dapat diasumsikan resistansi terhadap arus listrik adalah

konstan sehingga besar arus yang mengalir dalam sirkuit bergantung

pada voltase dan resistansi sesuai dengan hukum Ohm.

Arus listrik merupakan satu dari tujuh satuan pokok

dalam satuan internasional. Satuan internasional untuk arus listrik

adalah Ampere (A). Secara formal satuan Ampere didefinisikan

sebagai arus konstan yang, bila dipertahankan, akan

menghasilkan gaya sebesar 2 x 10-7 Newton/meter di antara dua

penghantar lurus sejajar, dengan luas penampang yang dapat

diabaikan, berjarak 1 meter satu sama lain dalam ruang hampa udara.

Arus yang mengalir masuk suatu percabangan sama dengan arus yang

mengalir keluar dari percabangan tersebut. i1 + i4 = i2 + i3. Untuk arus

yang konstan, besar arus I dalam Ampere dapat diperoleh dengan

persamaan:

I=Q/t

di mana I adalah arus listrik, Q adalah muatan listrik, dan t adalah

waktu (time). Sedangkan secara umum, arus listrik yang mengalir

pada suatu waktu tertentu adalah

I =dQ/dt

Dengan demikian dapat ditentukan jumlah total muatan yang

dipindahkan pada rentang waktu 0 hingga t melalui integrasi. Sesuai

dengan persamaan di atas, arus listrik adalah besaran skalar karena

baik muatan Q maupun waktu t merupakan besaran skalar. Dalam

banyak hal sering digambarkan arus listrik dalam suatu sirkuit

menggunakan panah, salah satunya seperti pada diagram di atas.

Panah tersebut bukanlah vektor dan tidak membutuhkan operasi

vektor. Pada diagram di atas ditunjukkan arus mengalir masuk melalui

dua percabangan dan mengalir keluar melalui dua percabangan lain.

Karena muatan listrik adalah kekal maka total arus listrik yang

mengalir keluar haruslah sama dengan arus listrik yang mengalir ke

dalam sehingga i1 + i4 = i2 + i3. Panah arus hanya menunjukkan arah

aliran sepanjang penghantar, bukan arah dalam ruang.

TEGANGAN LISTRIK

Sumber tegangan listrik yaitu peralatan yang dapat

menghasilkan beda potensial listrik secara terus menerus. Beda

potensial listrik diukur dalam satuan volt (V).  Alat yang digunakan

adalah volmeter.

Beda potensial adalah usaha yang digunakan untuk memindahkan

satuan  muatan listrik . hubungan antara energi listrik, muatan listrik

dan beda potensial dapat dituliskan dalam persamaan:

V= W/ Q

V = Beda potensial listrik dalam volt (V)

W = energi listrik dalam joule (J)

Q = muatan listrik dalam coulomb (C).

Arus listrik hanya akan terjadi dalam penghantar jika antara

ujung-ujung penghantar terdapat beda potensial (tegangan listrik).

Alat ukur beda potensial listrik adalah voltmeter. Dalam rangkaian

tertutup pemasangan voltmeter dan amperemeter dapat dilakukan

bersama-sama. Voltmeter dipasang paralel terhadap hambatan dan

amperemeter dipasang seri terhadap hambatan. Di laboratorium

volmeter dapat dibuat dari rangkaian basic mater dan multiplier,

sedangkan ampere meter dapat di buat dari rangkaian basic meter dan

shun. Baik shun maupun multiplier memiliki batas ukur. Oleh karena

itu dalam pembacaan sekalanya perlu diperhatikan antara batas ukur

dan pembacaan pada skala basic meter. Berikut ini cara menggunakan

basic meter dan cara pembacaannya.

HUKUM OHM

Hukum Ohm merupakan hukum dasar dalam rangkaian

elektronik. Hukum Ohm menjelaskan hubungan antara tegangan, kuat

arus dan hambatan listrik dalam rangkaian. Besarnya tegangan listrik

dalam sebuah rangkaian sebanding dengan kuat arus listrik.

Pernyataan ini di kenal sebagai hukum Ohm. Hal ini  menyatakan

bahwa tegangan listrik dalam rangkaian akan bertambah jika arus

yang mengalir dalam rangkaian bertambah. Hubungan tersebut dapat

di tuliskan dalam persamaan matematika.

V ~ I atau V = R I (Hukum Ohm)

R adalah konstanta yang disebut hambatan penghantar, satuannya

adalah ohm. Jika dalam hambatan R mengalir arus listrik I, maka

antara ujung-ujung hambatan timbul beda potensial V.     

V = IR

Jika diantara ujung-ujung hambatan R terdapat beda potensial

V, maka dalam hambatan pasti mengalir arus listrik I

I = V/R

Jika arus listrik I mengalir dalam suatu penghantar dan antara

ujung-ujung penghantar muncul beda potensial V, maka dalam

penghantar tersebut terdapat hambatan. 

R = V/I

Materi Ajar SMA tentang Listrik Dinamis

KUAT ARUS LISTRIK

Kuat arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir dalam kawat

penghantar tiap satuan waktu. Arah arus listrik (I) yang timbul pada penghantar

berlawanan arah dengan arah gerak elektron.

I   = Kuat arus listrik yang mengalir (A)

Q = Muatan listrik (C)

t   = Waktu (s)

HUBUNGAN MUATAN LISTRIK DAN MUATAN ELEKTRON

Muatan juga dapat menunjukkan banyaknya elektron yang mengalir,

muatan elektron ini sering disebut sebagai "e". Besarnya e = - 1,6 . 10-19 C,

sehingga banyaknya elektron (n) dapat dirumuskan :

Tambahan :

Bila diketahui grafik arus terhadap waktu ( I-t ) maka besar muatan = luas bidang

di bawah grafik. Kuat arus ( I ) juga dapat didefinisikan sebagai jumlah muatan 

yang lewat penampang dalam satu satuan waktu :

Keterangan :

I   = arus listrik (A)

A = luas penampang (m2)

v  = kecepatan elektron (m/s)

Q = muatan listrik (C)

n = banyaknya elektron/partikel per satuan volume (m-1)

e  = muatan elektron (C) = - 1,6 . 10-19 C (hafalan)

BEDA POTENSIAL

Keterangan 

V   =  beda potensial (V)

I     =  kuat arus (A)

R    =  hambatan (ohm)

HAMBATAN LISTRIK

Dari persamaan beda potensial kita dapat mencari besarnya hambatan

listrik :

 Hambatan Jenis

Besarnya nilai hambatan suatu penghantar berbeda-beda tergantung pada

jenis bahan yang digunakan, selain itu besarnya hambatan juga dipengaruhi oleh

panjang penghantar dan luas penampangnya.

Keterangan :

l     = panjang penghantar (m)

A    = luas penampang (m2)

Pada umumnya penampang kawat berbentuk lingkaran sehingga :

Perbandingan hambatan dua kawat penghantar

dalam perbandingan, yang kita bandingkan adalah bagian yang berbeda saja. coba

perhatikan rumus perbandingan di bawah ini :

Perhatikan perbandingan rumus di atas.....panjang penghantar (l)

berbanding lurus dengan hambatan maka bentuk perbandingannnya = l1/L2

sedangkan luas (A) berbainding terbalik dengan  hambatan maka bentuk

perbandingannya A2/A1. Dari rumus perbandingan di atas bila kawat penghantar

dibuat dari bahan yang sama maka hambatan jenisnya pun sama, sehingga rumus

perbandingannya menjadi :

Kadang-kadang perbedaan luas tidak diketahui secara langsung, namun

diketahui perbedaan jari-jarinya (dengan asumsi penampang penghantar berbentuk

lingkaran) maka rumus perbandingannya menjadi (pada jenis kawat yang sama) :

Dalam luas lingkaran, jari-jarinya dikuadratkan sehingga bila

perbandingan luas kita ganti menjadi perbandingan jari-jari bentuk kuadratnya

juga ikut dalam perbandingan.

Pengaruh suhu terhadap hambatan  :

Bila suhu suatu hambatan dalam penghantar meningkat maka besarnya

akan berubah.

Keterangan :

Ro          = hambatan mula-mula sebelum kenaikan suhu

      = koefisien suhu hambatan jenis

= perubahan suhu = suhu akhir - suhu awal

SUSUNAN RANGKAIAN LISTRIK

Susunan Seri

Hambatan Seri (Rs)

Kuat Arus dalam Rangkaian Seri

Beda Potensial dalam Hambatan Seri

Beda potensial Total dalam Rangkaian Seri

Susunan Paralel

Hambatan Paralel (Rp)

Kuat Arus Total dalam Rangkaian Paralel

Kuat Arus dalam Percabangan Rangkaian Paralel

Beda Potensial dalam Percabangan Rangkaian Paralel

Beda Potensial Total dalam Rangkaian Paralel

Pada Prinsipnya dalam rangkaian seri :

Hambatan total merupakan hasil penjumlahan tiap-tiap hambatan serinya, 

Kuat arus dalam tiap-tiap hambatannya tetap dan besar kuat arus setiap

hambatan sama dengan kuat arus totalnya, 

Beda potensial/tegangan tiap-tiap hambatannya berbeda-beda dan hasil

penjumlahan tegangan tiap-tiap hambatannya sama dengan tegangan

totalnya.

Pada Prinsipnya dalam rangkaian paralel :

Seper hambatan paralel merupakan hasil penjumlahan seper tiap-tiap

hambatan paralelnya

Kuat arus dalam percabangannya berbeda-beda dan perbandingan kuat

arus tiap-tiap percabangan berbanding terbalik dengan perbandingan

hambatan tiap-tiap percabangannya serta hasil penjumlahan kuat arus tiap-

tiap percabangannya sama dengan kuat arus totalnya.

Beda potensial/tegangan tiap-tiap percabangannya tetap dan besar

tegangan setiap percabangan sama dengan tegangan totalnya.

SOAL dan PENYELESAIAN MATERI SMP

1. Pada suatu penghantar mengalir muatan listrik sebanyak 60

coulomb selama 0,5 menit. Hitung besar arus listrik yang mengalir

pada penghantar tersebut ?

Diketahui:

Q = 60 C

t  = 0,5 menit= 30 sekon

Ditanyakan:

I = ........ ?

Penyelesaian:                   

I = Q/t  

I = 60 / 30

I = 2 ampere

2. Arus listrik sebesar 2 A mengalir dalam rangkaian yang memiliki

hambatan sebesar 2 ohm, hitunglah besarnya beda potensial antara

ujung-ujung hambatan tersebut.

Diketahui:

I = 2 A

R = 2 ohm

V = ?

Jawab:

V = I x R

V = 2 A x 2 ohm

V = 4 volt

Dalam rangkaian listrik, volt meter dipasang paralel terhadap alat

listrik.

Jika voltmeternya dengan menggunakan kombinasi basic meter dan

multiplier, maka pembacaan hasil pengukurannya perlu

memperhatikan sekala maksimum dan batas ukurnya.

Batas ukur maksimumnya = 10 volt

Sekala maksimumnya = 30 volt

Pengukuran dengan menggunakan basic mater dan multiplier yang

memiliki spesifikasi sebagai berikut:

Contoh, Batas ukur multiplier adalah 12 volt, skala maksimum basik

meter adalah 120 volt, jika jarum pada saat digunakan menunjukkan

angka 40, maka hitunglah besrnya tegangan listrik yang terukur

Diketahui:

Batas ukur : 12 volt

Skala maksimum : 120 volt

Pembacaan skala = 40

Jawab:

Hasil pengukuran  = (12/120) x 40 volt

                           = 0,1 x 40 volt

                           = 4 volt

. Dalam rangkaian voltmeter dipasang paralel dengan hambatan

(beban).

Contoh, Beda potensial antara ujung penghantaradalah 12 volt,

hitunglah besarnya energi listrik jika jumlah muatan yang mengalir

sebesar 4 coulomb.

Diketahui:

V = 12 volt

Q = 4 C

W = ?

Jawab:

W = V. Q

W = 12 volt x 4 C

W = 48 joule

AMA

Contoh soal :

Jika sebuah kawat penghantar listrik dialiri muatan listrik sebesar 360 C dalam

waktu 1 menit, maka berapa besarnya arus yang mengalir ?

Diketahui: Q = 360 C

                        t = 1 menit = 60 s

Maka kuat arus listrik ( I ) adalah ….

misalnya :

Dalam suatu berkas elektron, terdapat 5.106 elektron per sentimeter kubik.

Misalkan energi kinetik masing-masing elektron sebesar 10 keV dan berkas

berbentuk silinder dengan diameter 1 mm.

(a). berapakah kecepatan elektron?,

(b). carilah arus berkas elektron?

Diketahui :

 Ek = 10 keV = 10 kilo x 1,6 . 10-19   = 104.1,6 . 10-19 =  1,6 . 10-15 V

 massa elektron = 9,1 x 10-31 kg (hafalan)

 

A   =  luas penampang lingkaran  

r = diameter/2 =  1 mm/2 = 0,5 mm =   5.10-5

maka A = 3,14.(5.10-5)2 = 78,5 . 10-10

n   =   5 . 106 cm3  =   5 m3

Jawab :