LISTRIK ARUS SEARAH (DC)

 

Assalamu’alaikum Wr. Wb, Semangat Belajar!

Senang sekali bisa berjumpa dengan siswa-siswi yang cerdas melalui modul ini. Modul ini sebagai salah satu sumber belajar yang membantu anak-anak untuk memahami materi Fisika kelas XII semester 1, tentang listrik arus searah (DC). Sebagai pengantar, Pernahkah anak-anak kesetrum listrik? bagaimana rasanya? bagaimana kita menjelaskan kejadian ini? berikut penjelasannya.

A.       ARUS LISTRIK

 Arus listrik ditimbulkan dari aliran muatan listrik yang terjadi pada bahan penghantar. Penghantar dapat berupa logam, larutan, maupun gas. Pembawa muatan arus listrik pada penghantar logam adalah elektron-elektron, pada larutan ion positif dan ion negatif seperti yang terjadi pada akumulator, pada gas pembawa muatannya adalah elektron dan ion positif seperti pada peristiwa petir.

Arah arus listrik (arus konvensional) adalah searah dengan arah aliran muatan posifif dan berlawanan arah dengan arah gerak elektron.

 
Di atas adalah gambar rangkaian listrik tertutup, dimana sumber tegangan atau sumber ggl (e) berfungsi sebagai tenaga penggerak listrik. Aliran arus elektron pada gambar di samping adalah searah dengan putaran jarum jam, sedangkan arah arus listrik konvensional berlawanan dengan arah aliran elektron ini.

Kutub-kutub sumber ggl disimbolkan sebagai garis sejajar yang terdiri atas bagian panjang (kutub positif) dan bagian pendek (kutub negatif). Ini berarti pada suatu rangkaian listrik, arah arus adalah keluar dari kutub positif menuju ke kutub negatif sumber tegangan.

 

B.       KUAT ARUS ( I )

Kuat arus ( I ) didefinisikan sebagai jumlah muatan yang mengalir tiap satuan waktu.

I = q / t

dengan I    : kuat arus (ampere disingkat A )             

              q    : muatan listrik yang mengalir ( coulomb disingkat C )

              t    : waktu (detik)

 

C.       HUKUM OHM

 Aliran air pada suatu pipa akan sebanding dengan beda tinggi kedua ujung pipa. Semakin besar perbedaan ketinggiannya, air akan mengalir semakin cepat. Hal ini karena energi potensial air yang dirubah menjadi energi kinetik semakin besar.

Hal yang sama berlaku pada aliran muatan listrik, dimana untuk suatu hambatan R yang tetap, bertambahnya beda potensial listrik pada dua titik akan menyebabkan jumlah muatan yang mengalir tiap detik semakin besar, yang berarti bahwa kuat arus yang mengalir juga semakin besar.

Hubungan antara beda potensial atau tegangan, kuat arus yang mengalir, dan hambatan penghantar akan memenuhi hukum Ohm :

 V = I.R

dimana         V   : tegangan atau beda potensial antara ujung-ujung penghantar ( volt )

                             I    : kuat arus yang dihasilkan ( ampere )

                             R   : hambatan penghantar ( ohm atau W )

 Contoh Soal :

1.      pada suatu penghantar terjadi aliran elektron sebesar 480 C selama 1 menit. Bila muatan elektron e = -1,6 x 10^-19 C, hitunglah kuat arus yang mengalir !

Penyelesaian :

q = 480 C ,   t = 1 menit = 60 detik ,   e = -1,6 x 10^-19 C (tanda negatif menunjukkan bahwa elektron bermuatan negatif).

Kuat arus yang mengalir :

I = q / t = 480 C/ 60 s = 8 A

2.      Berikut adalah grafik hubungan antara tegangan ( V ) dengan kuat arus yang mengalir ( I) yang mengalir pada sebuah hambatan R. Dari grafik tersebut tentukan nilai hambatan R?

        

Penyelesaian :

Dari grafik didapat,

saat kuat arus I = 1 A tegangan V = 20 volt

saat kuat arus I = 2 A tegangan V = 40 volt

saat kuat arus I = 3 A tegangan V = 60 volt

nilai hambatan R dapat diperoleh dengan cara memasukkan salah satu pasangan data di atas kedalam persamaan hukum Ohm : V = I R

    R = V / I = 60/3 = 20 W

D.      RESISTOR ( HAMBATAN )

1.     Nilai Hambatan ( Resistansi ) Penghantar

Sepotong penghantar logam dengan panjang L dan luas penampang A. Besarnya hambatan (resistansi) yang dihasilkan oleh penghantar seperti pada gambar dapat dihitung dengan persamaan :

dimana :

R    :   hambatan penghantar ( W )

r    :   hambat jenis penghantar ( Wm )

L    :   panjang penghantar ( m )

A    :   luas penampang ( m² )

 Untuk penghantar berbentuk batang silinder, maka luas penampang A = pr² , dengan r : jari-jari penampang (m).

 

2.     Hubungan antara Suhu dengan Nilai Hambatan

 Pengaruh kenaikan suhu terhadap nilai hambatan pada penghantar adalah bervariasi, dan bergantung pada jenis penghantar berdasarkan konduktivitas listriknya. Pada penghantar semikonduktor, kenaikan suhu akan menurunkan nilai hambatan, tetapi pada logam-logam konduktor, kenaikan suhu akan menaikkan nilai resistansi (hambatan listriknya).

Persamaan nilai hambatan konduktor logam, dengan melibatkan faktor perubahan suhu adalah :

Rt = Ro (1+a.Dt)

dengan Dt = t - t_o

dimana :

R_t  : hambatan penghantar pada suhu t^oC ( W )     

R_o : hambatan penghantar pada suhu acuan ( W )

t_o  : suhu acuan (biasanya digunakan 20 ^oC)

a  : koefisien suhu hambatan jenis ( ^oC^-1 )

Dt : perubahan suhu terhadap suhu acuan ( ^oC )

3.     Rangkaian Resistor ( R )

 Pada prinsipnya, cara merangkai resistor dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu rangkaian seri dan rangkaian paralel. Namun dalam banyak kasus, kombinasi dari kedua cara tersebut dipilih untuk mendapatkan nilai resistansi yang diinginkan.

Contoh Soal :

1.     Logam konduktor yang panjangnya 1 meter berjari-jari 0,1 mm pada suhu 20 ^oC memiliki hambat jenis sebesar 31,4 x 10⁸ Wm. Bila koefisien suhu hambat jenis logam tersebut 0,005 /^oC, hitung nilai hambatan logam pada suhu 20 ^oC dan pada suhu 100 ^oC !

 Penyelesaian :

Data soal :  L = 1 m  ,  r = 31,4 x 10^-8 = 3,14 x 10^-7 Wm  ,  a = 0,005 /^oC  ,  r = 0,1 mm = 10^-4 m

Menghitung nilai hambatan logam : R = 10 W

Besarnya hambatan dari logam tersebut ketika suhunya dinaikkan menjadi 100 ^oC adalah: Rt = 14 W

2.      Empat buah resistor identik masing-masing nilai hambatannya 20 W. Hitunglah hambatan pengganti bila keempatnya dirangkai secara seri dan bila dirangkai secara paralel !

 Penyelesaian :

Empat hambatan identik masing-masing 20 W ketika dirangkai seri menghasilkan hambatan total :

R_s = R + R + R + R = 4R = 4 x 20 = 80 W

Bila keempat resistor tersebut dihubungkan secara paralel, diperoleh hambatan pengganti sebesar :

Rp = 5 W

Dapat dilihat bahwa merangkai resistor secara seri akan menaikkan nilai hambatan, dan merangkainya secara paralel akan memperkecil nilai hambatan.