Modul Listrik Dinamis

MODUL LISTRIK DINAMIS Disusun untuk memenuhi tugas Mata Kuliah Kapita Selekta IPA Terpadu SMA Dosen Pengampu : Supriyanto Disusun Oleh: Dita Galih P ( 09330096 ) Irna Ilfiana ( 09330105 ) Roni Heryoko ( 09330119 ) PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM IKIP PGRI SEMARANG 2011 Kata Pengantar Dengan mengucap syukur Alhamdulilah, kami dapat mewujudkan Modul “Kapita Selekta Ipa Terpadu” sebagai sarana belajar siswa. Modul “Kapita Selekta Ipa Terpadu” secara khusus memiliki tujuan sebagai sarana belajar, mendidik dan melatih anak aktif dalam belajar. Dengan harapan berbagai hal sesuai tujuan pendidikan nasional kita. Modul “Kapita Selekta Ipa Terpadu” untuk SMP ini disusun berdasarkan kurikulum KTSP . Berkaitan dengan soal-soal latihan yang disajikan dalam Modul “Kapita Selekta Ipa Terpadu” diharapkan dapat mendorong siswa aktif dan gemar membaca sekaligus berlatih sehingga dapat meningkatkan tingkat daya serap peserta didik. Secara khusus keberadaan Modul “Kapita Selekta Ipa Terpadu” yang memuat rangkuman materi dan sejumlah latihan soal untuk siswa memiliki tujuan sebagai berikut: Untuk memberikan bekal dan kemudahan bagi peserta didik dalam menerima dan mengembangkan konsep dan sub konsep dari GBPP yang berlaku. Menyelaraskan pemahaman sekaligus untuk mengatasi keterbatasan buku acuan, meningat belum semua siswa memiliki buku tersebut. Menjawab permasalahan munculnya suplemen yang netebene belum terjabarkan secara rinci dalam buku teks. Keberadaan dan penerbitan Modul “Kapita Selekta Ipa Terpadu” tidak terlepas dari peran serta dan perhatian khusus dari para instruktur dan guru senior yang semata-mata ingin mewujudkan peran sertanya dalam ikut mendidik dan mencerdaskan bangsa. Meskipun demikian kami, menyadari pada penerbitan kali ini tidak lepas dari kekurangan yang ada. Oleh karena itu saran, kritik dan perhatian para cerdik pandai sangat berati bagi kami. Mudah-mudahan usaha kecil ini menjadi sumbangan kami terhadap upaya mendidik dan membekali generasi bangsa di masa-masa mendatang. Amin. Tim penyusun Pendahuluan Listrik sudah ada sejak adanya jagat raya ini, bahkan saat kehidupan di planet ini belum ada. Kilatan petir yang sangat kuat dapat menerangi langit. Petir merupakan fenomena alam yang menunjukkan adanya energi listrik.Gejala listrik telah diselidiki sejak 600 SM oleh Thales, ahli filsafat dari Miletus, Yunani Kuno. Batu ambar yang digosok-gosokkan dengan kain sutra mampu menarik potongan-potongan jerami, sehingga dikatakan bahwa batu ambar bermuatan listrik.Sejalan dengan berkembangnya kehidupan, listrik menjadi bagian yang sangat penting dalam kehidupan manusia. Hampir seluruh peralatan yang digunakan manusia memanfaatkan bantuan energi listrik. Listrik pada dasarnya dibedakan menjadi dua macam, yaitu listrik statis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan diam) dan listrik dinamis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan bergerak). Pada saat sakelar pada suatu rangkaian listrik ditutup, lampu akan menyala, dan sebaliknya saat sakelar dibuka lampu mati. Kalian tentu tidak asing dengan bab ini, yaitu tentang listrik. Listrik sudah menjadi sumber energi banyak bidang. Di rumah, di sekolah, di kantor, di mol dan di jalanraya pun kalian banyak melihat pemanfaatan energi listrik dari PLN. Pernahkah kalianberfikir, bagaimana listrik bisa mengalir? Bagaimana rangkaian-rangkaian elektronika dapat bekerja? Sifat apakah yang digunakan? Bagaimanakah rangkaian listrik di rumah-rumah? dan Seberapa besar energi listrik yang terpakai? Serta data-data alat listrik apa saja yang perlu diperhatikan? Semua pertanyaan di atas itulah yang dapat kalian pelajari pada bab ini, sehingga setelah belajar kalian diharapkan dapat: 1. menjelaskan hukum Ohm dalam rangkaian listrik sederhana, dan 2. membedakan sifat-sifat rangkaian hambatan seri dan paralel.   DAFTAR ISI Halaman Judul 1 Kata Pengantar 2 Pendahuluan 3 Daftar Isi 4 Tujuan Pembuatan modul 5 Petunjuk Penggunaan Modul 6 ISI : LISTRIK DINAMIS 7 Arus Listrik 7 Hukum Ohm dan Hambatan Listrik 9 2.1 Hukum Ohm 9 2.2 Hambatan Listrik 9 3. Rangkaian listrik arus Searah 11 3.1 Hukum I Kirchoff tentang Arus pada Titikn Simpul 11 3.2 Hubungan Seri dan paralel untuk Resistor 12 3.3 Hukum II Kirchoff tentang Tegangan pada Rangkaian Tertutup 13 RANGKUMAN 15 UJI KOMPETENSI 16 DAFTAR PUSTAKA 19   Tujuan Pembuatan Modul Modul ini disusun dengan tujuan sebagai berikut : Pada penyajian memudahkan siswa dan guru mengembangkan evaluasi yang mengacu pada kompetensi dan meteri pokok. Rangkuman pembelajaran berisan bahan pembelajaran singkat, padat, dan menggunakan bahasa yang mudah dipahami siswa. Rangkuman ini berguna sebagai referensi dan sarana berpikir serta memudahkan penyelesaian soal. Pada lembar tugas siswa berstruktur yang dapat dilakukan secara individu dan dapat digunakan untuk penilaian. Dengan latihan – latihan soal diharapkan dapat menguji diri siswa dalam konseptualisasi yang lebih bermakna.   Petunjuk Penggunaan Modul Dengan dibuatnya modul ini yang dalam penyajiannya diantar dengan materi dan latihan soal dan diakhiri soal tes serta rangkuman maka harus dimanfaatkan sebaik – baiknya. Maka untuk mempermudah penggunaan modul, petunjuknya adalah sebagai berikut : Digunakan sebagai pelengkap meteri Digunakan untuk mengerjakan soal – soal latihan. Untuk mempermudah pemahaman materi Untuk memenuhi nilai tugas Sehingga dengan adanya petunjuk penggunaan modul ini diharapkan dapat mempermudah dalam proses belajar mengajar.   LISTRIK DINAMIS Arus Listrik Arus didefinisikan sebagai aliran muatan listrik melalui sebuah konduktor. Arus ini bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, dari kutub positif ke kutub negatif, dari anoda ke katoda. Arah arus listrik ini berlawanan arah dengan arus elektron. Muatan listrik dapat berpindah apabila terjadi beda potensial. Beda potensial dihasilkan oleh sumber listrik, misalnya baterai atau akumulator. Setiap sumber listrik selalu mempunyai dua kutub, yaitu kutub positif (+) dan kutub negatif (–). Apabila kutub-kutub baterai dihubungkan dengan jalur penghantar yang kontinu, kita dapatkan rangkaian listrik tampak seperti pada Gambar (a), diagram rangkaiannya tampak seperti pada Gambar (b). Dalam hal ini, baterai (sumber beda potensial) digambarkan dengan simbol: Garis yang lebih panjang menyatakan kutub positif, sedangkan yang pendek menyatakan kutub negatif. Alat yang diberi daya oleh baterai dapat berupa bola lampu, pemanas, radio, dan sebagainya. Ketika rangkaian ini terbentuk, muatan dapat mengalir melalui kawat pada rangkaian, dari satu kutub baterai ke kutub yang lainnya. Aliran muatan seperti ini disebut arus listrik. Kuat arus listrik Dalam suatu selang waktu Δt, muatan yang melewati penampang A adalah Δq sehingga kuat arus listrik I yang mengalir dapat dinyatakan sebagai dengan Δq adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir untuk selang waktu Δt yang sangat kecil. Untuk arus searah, jumlah muatan yang mengalir melalui penampang kawat / konduktor adalah konstan sehingga dapat dituliskan dengan: q = jumlah muatan listrik yang bergerak melewati luasan A (C) t = selang waktu (s) I = kuat arus listrik (A) Bila suatu penghantar yang memiliki luas penampang A dan dialiri arus listrik I maka dapat dikatakan bahwa penghantar tersebut dialiri arus listrik dengan rapat arus sebesar : Rapat arus (J) adalah besar kuat arus listrik per satuan luas penampang. Satuan rapat arus dalam sistem SI adalah ampere/m2 atau Am-2. Hukum Ohm dan Hambatan Listrik Hukum Ohm Suatu kawat panjang i berpenampang serba sama dialiri arus I. Misalkan beda potensial pada titik A dan B (gambar a) adalah V, yaitu Va – Vb = V. Dari hasil percobaan didapatkan grafik seperti pada gambar (b) Gambar a menunjukkan bahwa tegangan V berbanding lurus terhadap kuat arus I. Apabila hambatan tetap yang digunakana diganti dengan yang lain, kemiringan (gradien) kurva akan beruba. Akhirnya dapat disimpulkan bahwa jika kemiringan grafik disebut hambatan R, didapatkan hubungan : dengan: V = beda potensial atau tegangan (V) R = hambatan listrik penghantar (Ω) I = kuat arus listrik (A) Persamaan diatas dikenal dengan hukum Ohm yang berbunyi : “Kuat arus yang melalui suatu konduktor ohm adalah sebanding (berbanding lurus) dengan beda potensial antara ujung-ujung konduktor asalkan suhu konduktor tetap”. Hambatan Listrik Resistor adalah suatu komponen dengan bahan konduktor yang dibuat sedemikian rupa sehingga mempunyai hambatan tertentu elemen pemanas dalam kompor listrik, pengering rambut, setrika, dan alat sejenis lainnya merupakan resistor seperti halnya filamen pada lampu pijar biasa. Dari percobaan dengan mengamati pengaruh panjang (l), luas penampang (A) dan jenis bahan (ρ) diperoleh rumus sederhana besarnya hambatan penghantar : dengan R = hambatan penghantar (Ω) A = luas penampang penghantar (m2) L = panjang penghantar (m) Ρ = hambatan jenis (Ωm) Daya hantar sebuah kawat logam (konduktivitas) dipengaruhi juga oleh suhu. Dari hasil percobaan diketahui bahwa umumnya hambatan berbanding lurus terhadap suhu. Dalam suatu batas perubahan suhu tertentu, perubahan hambatan jenis sebanding dengan besar perubahan suhu (Δt) Hambatan R berbanding lurus terhadap lurus tertentu, maka perubahan nilai hambatan akan mengikuti hubungan Sehingga Atau dengan Ro = hambatan mula-mula (Ω) ΔR = perubahan hambatan (Ω) Rt = hambatan pada suhu t0C Δt = perubahan suhu (0C) α = koefisien suhu hambatan jenis (/0C) Rangkaian Listrik Arus Searah 3.1 Hukum I Kirchoff Tentang Arus pada Titik Simpul Rangkaian listrik biasanya terdiri dari banyak hubungan sehingga akan terdapat banyak cabang maupun titik simpul. Titik simpul adalah titik pertemuan tiga cabang atau lebih. Pada titik simpul itu tidak pernah terjadi penimbunan atau penambahan muatan, sehingga jumlah muatan yang pergi dari titik simpul sama banyak. Hal tersebut dinyatakan sebagai hukum I Kirchoff yang berbunyi : Hukum I kirchoff tersebut sebenarnya tidak lain dari hukum kekekalan muatan listrik. Hukum I kirchoff secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut Hubungan seri dan Paralel untuk Resistor Hubungan Seri Resistor – resistor disusun seri, jika ujung-ujung resistor yang satu berhubungan dengan ujung dari resistor yang lainnya. Pada hubungan seri, resistor dialiri oleh arus yang sama besar. V = Vab + Vbc =I R1 + I R2 = I (R1 + R2) Karena V = I Rac, maka Rac = R1 + R2 Dalam perkataan lain, hambatan gabungan (Rgab) beberapa hambatan yang terhubung secara seri dapat dituliskan sebagai Rangkain seri sebagai pembagi tegangan Bila diterapkan hukum Ohm pada rangkaian akan didapat V1 = I R1 dan V = I (R1 + R2) sehingga (V1 )/(V )=R1/(R1+R2) Atau Hubungan Paralel Hubungan hambatan (resistor) pararel, masing-masing mendapatkan beda potensial yang sama sehingga arus listrik akan terbagi sebanyak hambatan tersebut. Dengan menggunakan hukum I kirchoff diperoleh I = I1 + I2 + I3 atau I = (V )/(R1 )+ (V )/(R2 )+(V )/(R3 ) = V (1/R1+ 1/R2+1/R3) Dari hasil tersebut, daat dituliskan n buah hambatan gabungan disusun parallel, (1 )/(Rgab )=1/R1+(1 )/(R2 )+1/R3+⋯+1/Rn Dapat juga dituliskan untuk dua hambatan yang dihubungkan secara parallel Jika nilai hambatan sama, hambatan gabungan secara parallel 3.3 Hukum II Kirchoff tentang Tegangan pada Rangkaian Tertutup Rangkaian yang di dalamnya terdapat dua atau lebih ggl, dapat disederhanakan dengan menggunakan hukum II Kirchoff yang berbunyi : “Di dalam sebuah ranhkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (ε) dengan penurunan tegangan (I R) sama dengan nol”. Secara matematis dapat dituliskan : Aturan untuk menggunakan hukum II Kirchoff ini adalah sebagai berikut : Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah tertentu. Pada dasarnya pemilihan arah loop bebas, namun jika memungkinkan usahakan searah dengan arah arus. Jika suatu cabang, arah loop sama dengan arah arus, maka penurunan tegangan (IR) bertanda positif, sedangkan bila berlawanan arah, maka penurunan tegaqngan (IR) bertanda negatif. Bila ssat mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub positif, maka ggl bertanda + (positif), dan sebaliknya bila kutub negatif yang lebih dulu dijumpai adalah kutub negatif, maka ggl bertanda – (negatif). Lihat gambar !!! Apabila aturan diatas diterapkan pada gambar akan diperoleh hasil sebagai berikut : Loop yang dipilih adalah loop abdfga dengan arah loop sesuai dengan penamaan a-b-c-d-f-a Terapkan hukum II Kirchoff ∑ε † ∑ (I R) = 0. Dengan memperhatikan aturan penentuan tanda dan dimulai dari titk a maka -ε1 + I R1 + I R2 + ε2 + I R3 = 0 Atau -ε1 + ε2 +I (R1 + R2 + R3) = 0 Beda Potensial (tegangan) antara dua titik pada suatu cabang Tegangan antara dua titik (VAB = VB - VA) pada suatu cabang adalah jumlah aljabargaya gerak listrik (ε) dengan penurunan tegangan (I R) secara matematis dapat ditulislan V AB = VB – VA = ∑ε + ∑(IR) Untuk menentukan beda potensial antara a dan d (Vad) kita harus mengikuti arah loop dari a ke d. untuk gambar Va-d = ∑ε + ∑ (IR) Va-d = -ε2 – I ( R3 + R2) Va-d = -ε2 – I ( R1)   RINGKASAN Arus listrik adalah laju aliran muatanlistrik yang melalui suatu luasan penampang lintang. Syarat-syarat arus listrik dapat mengalir dalam konduktor yaitu: Rangkaian harus tertutup dan harus ada beda potensial antara dua titik dalam rangkaian listrik. Kuat arus listrik : I = q/t Rapat arus (J) adalah besar kuat arus listrik per satuan luas penampang. Satuan rapat arus dalam sistem SI adalah ampere/m2 atau Am-2. J = I/A Hukum Ohm : V = IR Hambatan listrik suatu kawat penghantar berbanding langsung dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat penghantar tersebut,yaitu: R = ( ρ L)/A Hukum I Kirchhoff: Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang yaitu ∑Imasuk = ∑Ikeluar Hambatan pengganti RS dari sejumlah hambatan R1, R2, dan Rn yang dihubungkan secara seri tersebut adalah Rs = R1+ R2 + . . . . .+ Rn Hambatan pengganti Rp dari kedua hambatan R1, R2, dan Rn yang dihubungkan secara paralel tersebut adalah: (1 )/(Rp )=1/R1+(1 )/(R2 )+1/R3+⋯+1/Rn Hukum Kirchhoff II berbunyi : Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (ε) dengan penurunan tegangan (IR) sama dengan nol. Secara matematis, hukum Kirchhoff II ditulis: ∑ε + ∑(IR) = 0   Berilah tanda (X) pada huruf A, B, C, D, atau E pada jawaban yang benar ! Nilai hambatan suatu kawat penghantar dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut, kecuali .... Tegangan Suhu kawat Panjang kawat Jenis kawat Luas penampang Berikut ini adalah pernyataan-pernyataan yang bener tentang kuat arus listrik, kecuali. . . . Merupakan perpindahan muatan positif dari potensial rendah ke tinggi Merupakan peerpindahan elektron dari potensial rendah ke tinggi Dapat mengalir melalui isolator Satuannya adalah volt/meter Timbul akibat adanya beda potensial antara 2 detik yang dihubungkan. Arus sebesar 2 A mengalir pada kawat penghantar yang memiliki beda potensial 12 V. Besar muatan yang mengalir tiap menit pada kawat penghantar itu adalah … . a. 20 C d. 180 C b. 60 C e. 240 C c. 120 C Tiga buah hambatan masing-masing 4 Ω, 6 Ω dan 12 Ω disusun paralel dan dihubungkan dengan sumber tegangan listrik. Perbandingan arus yang mengalir pada masing-masing hambatan adalah … . a. 1 : 2 : 3 d. 2 : 1 : 3 b. 1 : 3 : 1 e. 2 : 3 : 1 c. 3 : 2 : 1 Suatu penghantar panjangnya 2 m dipasang pada beda potensial 6 V, ternyata arus yang mengalir 3 A. Jika luas penampang kawat 5,5 × 10-2 mm2, maka besar hambatan dan hambatan jenis kawat adalah … . a. 2 Ω dan 2,75 × 10-8 Ωm b. 2 Ω dan 5,5 × 10-8 Ωm c. 2 Ω dan 1,1 × 10-7 Ωm d. 20 Ω dan 5,5 × 10-7 Ωm e. 20 Ω dan 2,75 × 10-7 Ωm Sebuah kawat penghantar yang di hubungkan dengan bateray 6 volt mengalirkan arus listrik 0,5 Ampere. Jika kawat dipotong menjadi dua bagian sama panjang dan dihubungkan paralel satu sama lain ke bateray, maka arus yang mengalir sekarang adalah . . . . a. 0,25 Ampere d. 6 Ampere b. 0,5 Ampere e. 12 Ampere c. 2,0 Ampere Jika I1=I2=I3= 4 A dan R1 = 2Ω, R2 = 3Ω, R3 = 6Ω, maka besar arus listrik I pada gambar adalah . . . 8 A d. 14 A 10 A e. 16 A 12 A Dari percobaan hubungan tegangan (V) dengan kuat arus (I) pada resistor, dihasilkan grafik V-I pada gambar di bawah. Jika V= 4,5 volt, maka besar kuat arus yang mengalir . . . . 5 mA 10 mA 20 mA 30 mA 35 mA Perhatikan gambar rangkaian dibawah. Arus yang melewati lampu (L) adalah.... 0.02 ampere d. 1.2 ampere 0.5 ampere e. 1.5 ampere 1.0 ampere Beda potensial antara titik A dan B pada gambar adalah . . . volt 5 d.13 8 e. 15 12 Jawablah pertanyaan di bawah ini dengan singkat dan jelaskan ! Sebuah voltmeter dengan hambatan dalam 5 kΩ memberikan penunjukan maksimum 50 volt. Supaya alat ini mampu mengukur tegangan sampai 1 kV, berapakah nilai hambatan muka yang harus diserikan dengan voltmeter? Tentukan semua kombinasi yang mungkin diperoleh dari susunan 3 buah hambatan listrik yang masing-masing besarnya 4 Ω! Sebuah amperemeter dengan hambatan dalam 6 Ω mempunyai batas maksimum untuk mengukur arus listrik adalah 10 mA. Supaya alat ini mampu mengukur arus listrik sampai 100 mA, berapakah nilai hambatan yang harus dipasang paralel dengan amperemeter? Tiga buah hambatan listrik yang besarnya masing-masing 2 Ω, 4 Ω, dan 6 Ω disusun secara seri dan kemudian dihubungkan dengan sebuah bateri yang gaya gerak listrik (tegangan) nya 24 V. Hitunglah beda potensial antara ujung-ujung masing-masing hambatan tersebut! Sebuah aki mempunyai gaya gerak listrik 12 V dan hambatan dalam 0,1 Ω. Jika aki ini dialiri arus 10 A, maka hitunglah tegangan antarkedua terminalnya!   RINGKASAN Arus listrik adalah laju aliran muatanlistrik yang melalui suatu luasan penampang lintang. Syarat-syarat arus listrik dapat mengalir dalam konduktor yaitu: Rangkaian harus tertutup dan harus ada beda potensial antara dua titik dalam rangkaian listrik. Kuat arus listrik : I = q/t Rapat arus (J) adalah besar kuat arus listrik per satuan luas penampang. Satuan rapat arus dalam sistem SI adalah ampere/m2 atau Am-2. J = I/A Hukum Ohm : V = IR Hambatan listrik suatu kawat penghantar berbanding langsung dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat penghantar tersebut,yaitu: R = ( ρ L)/A Hukum I Kirchhoff: Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang yaitu ∑Imasuk = ∑Ikeluar Hambatan pengganti RS dari sejumlah hambatan R1, R2, dan Rn yang dihubungkan secara seri tersebut adalah Rs = R1+ R2 + . . . . .+ Rn Hambatan pengganti Rp dari kedua hambatan R1, R2, dan Rn yang dihubungkan secara paralel tersebut adalah: (1 )/(Rp )=1/R1+(1 )/(R2 )+1/R3+⋯+1/Rn Hukum Kirchhoff II berbunyi : Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (ε) dengan penurunan tegangan (IR) sama dengan nol. Secara matematis, hukum Kirchhoff II ditulis: ∑ε + ∑(IR) = 0   DAFTAR PUSTAKA Sumarsono, Joko.2008. FISIKA Untuk SMA/MA Kelas X.Jakarta : Teguh Karya. Karyono, dkk.2009. FISIKA Untuk SMA dan MA Kelas X.Jakarta : Sahabat. Foster, Bob.2004.FISIKA SMA JILID 1B untuk Kelas X.Jakarta : Erlangga.