DEPARTEMEN FISIKA Arus Listrik dan Lingkar Arus Searah

DEPARTEMEN FISIKA Arus Listrik dan Lingkar Arus Searah http: //bima. ipb. ac. id/~tpb-ipb/materi INSTITUT PERTANIAN BOGOR 1

Tujuan Instruksional Dapat menentukan arus listrik, hambatan listrik, energi listrik, daya listrik serta dapat menggunakan hukum Ohm dan aturan Kirchhoff pada analisa rangkaian listrik. Pembatasan: n n Arus listrik bersifat steady dimana besar dan arahnya konstan (arus DC ) Rangkaian hanya terdiri atas komponen resistor 2

Arus Listrik Definisi: arus listrik adalah jumlah total muatan yang melewati suatu lokasi per satuan waktu. Misalkan jumlah muatan DQ yang melewati area A dalam selang waktu Dt, maka arus merupakan perbandingan antara muatan dan waktu tersebut. Satuan SI untuk arus listrik adalah ampere (A). n + + + A 1 A = 1 C/s ( 1 C muatan yang melewati area dalam selang waktu 1 s) Arus Konvensional dinyatakan sebagai aliran yang searah dengan pergerakan muatan positif. Pada konduktor logam seperti tembaga, arus listrik merupakan pergerakan dari elektron (muatan negatif ). - - + + I - v 3

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. 4

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. DV DV I I Dengan satuan R : volt/ampere atau ohm (Ω). 5

Georg Simon Ohm (1787 -1854) Hukum Ohm R konstan dan tidak tergantung terhadap ∆V Linier atau Ohmic Material I Non-Linier atau Non-Ohmic Material I DV Most metals, ceramics DV Semiconductors e. g. diodes 6

Contoh : Sebuah setrika listrik menarik arus 2 A ketika dihubungkan dengan sumber tegangan 220 V. Tentukan hambatan listrik dari seterika tersebut. 7

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. 8

Konstanta kesebandingan ρ disebut hambat jenis bahan (resistivity) dengan satuan m. 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 : 9

Resistivity of various materials Material Resistivity (10 -8 Wm) Silver Copper Gold Aluminum 1. 61 1. 70 2. 20 2. 65 Bismuth Plutonium Graphite Germanium 106. 8 141. 4 1375 4. 6 x 107 Pure Silicon Calcium 3. 5 Diamond 2. 7 x 109 3. 91 1. 8 x 1013 Sodium Tungsten Brass Uranium Mercury 4. 75 5. 3 7. 0 30. 0 98. 4 Deionized water Iodine Phosphorus Quartz Alumina Sulfur 1. 3 x 1015 1 x 1017 1 x 1021 1 x 1022 2 x 1023 10

Energi dan 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) Pada sebuah lampu pijar tertulis 100 W, 220 V. Perkirakan hambatan listrik dari : lampu pijar tersebut! Dari hukum Ohm 11

Contoh : Sebuah pemanas listrik beroperasi 3 jam sehari selama 30 hari. Jika harga pemakaian listrik per k. Wh Rp. 300, berapakah biaya yang harus dikelurkan jika pemanas beroperasi pada tegangan 120 V dan menarik arus 15 A. Solusi = 15 (A) 120 (V) 3 (h) 30 = 162. 000 Wh = 162 k. Wh Biaya = Rp. 300 x 162 = Rp. 48. 600 12

Rangkaian Arus Searah Ø Syarat terjadinya arus dalam rangkaian : - Ada sumber tegangan ( Baterai, Generator, Accu, PLN) - Rangkaian tertutup ( Close loop circuit ) V = IR I + - V = IR = Vbat Hindari terjadinya hubung singkat ( R = 0 ohm ) Gunakan pembatas arus / sekering untuk pengaman rangkaian 13

Ø Baterai • Mengubah energi kimia menjadi energi listrik. • Baterai membangkitkan gaya gerak listrik / EMF (E) dan mempunyai hambatan dalam (r). • Hambatan dalam makin lama membesar seiring dengan lama pemakaian sehingga dikatakan baterai habis. • Tegangan terminal VAB dirumuskan sebagai berikut : B C r R E E A D 14

Ø Resistor dalam Rangkaian Seri • Arus : I = I 1 = I 2 • Tegangan : V = V 1 + V 2 I Rt = I R 1 + I R 2 • Resistor : Rt = R 1 + R 2 B C R 1 V • Untuk kombinasi seri berlaku : R 2 A D • Rangkaian berprilaku sebagai pembagi tegangan (voltage divider) 15

Ø Resistor dalam Rangkaian Paralel • Tegangan : V = V 1 = V 2 • Arus : I = I 1 + I 2 V / Rt = V 1 / R 1 + V 2 / R 2 • Resistor : 1/Rt = 1/R 1 + 1/R 2 B V • Untuk kombinasi Paralel berlaku : A C R 1 R 2 D • Rangkaian berperilaku sebagai pembagi tegangan (current divider) 16

Ø Contoh Soal: • V = 18 volt • R 1 = 2 ; R 2 = 6 ; R 3= 12 B • Hitung: • Hambatan ekivalen pada rangkaian tersebut • Arus yang melalui masing hambatan • Beda tegangan di C dan di D (VCD = VC – VD) V A R 1 C R 2 R 3 D Jawab: Rek = 6 ; I 1 = 3 A, I 2 = 2 A , I 3 = 1 A ; VCD = 12 V 17

Aturan Kirchhoff’s Prosedur analisa rangkaian yang komplek dapat diselesaikan dengan aturan Kirchhoff ( aturan arus dan tegangan ) Aturan Arus ( Jucntion ) Jumlah arus yang masuk node ( titik persambungan) sama dengan jumlah arus yang meninggalkannya. 18

Aturan Kirchhoff’s Aturan Tegangan ( loop ) Jumlah perubahan potensial mengelilingi lintasan tertutup pada suatu rangkaian harus nol. B R 1 I 1 C I 2 R 2 A, B, C dan D merupakan titik-titik cabang A VAB + VBC + VCD + VDA = 0 I 3 R 3 D 19

Contoh soal: Diketahui R 1=R 2=R 3=2 Ω. Jika I 1 adalah arus yang mengalir pada R 1, I 2 arus yang mengalir pada R 2 dan I 3 arus yang mengalir pada R 3, maka besar masing arus tersebut secara berturut-turut adalah: A. B. C. D. E. R 1 12 V R 3 R 2 8 V 8/3 A; 10/3 A; 2/3 A; 8/3 A; 10/3 A; 8/3 A; 2/3 A; 10/3 A; 8/3 A 20