Jumat, 08 Februari 2008

LISTRIK DINAMIS

Pada kajian sebelumnya kita telah mempelajari listrik statis, yaitu muatan listrik dalam keadaan diam. Tetapi jika anda amati, kebanyakan peralatan listrik berhubungan dengan muatan listrik yang bergerak atau arus listrik. Sebagai contoh, muatan listrik yang mengalir melalui filamen lampu pijar menyebabkan lampu pijar menyala. Arus yang mengalir melalui rangkaian radio atau televisi menyebabkan alat-alat tersebut mempu menjalankan fungsinya.

Arus Listrik dan Kuat Arus Listrik
Arus Listrik

Pada abad ke-18, para ilmuwan memperkirakan bahwa listrik adalah semacam zat yang dapat mengalir melalui kawat. Setelah elektron ditemukan pada abad ke-20, barulah diketahui bahwa di dalam konduktor logam terdapat elektron bebas yang dapat bergerak bebas di dalamnya dan menghasilkan arus, yang menurut konvensi (perjanjian) internasional yang dianut SI, arah arus listrik berlawanan dengan arah gerak elektron. Di luar sumber tegangan, arah arus searah dengan arah medan magnet, yaitu dari potensial tinggi ke potensial rendah. Sumber tegangan akan mengembalikan muatan positif ke kutub positif (potensial tinggi dengan usaha oleh gaya non elektrostatik). Jadi, di dalam baterai arus mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi.






Di luar sumber tegangan, arah arus listrik berlawanan dengan arah aliran elektron. Elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi, sedangkan arah arus listrik adalah dari potensial tinggi ke potensial rendah.

Kuat Arus Listrik

Kuat arus didefinisikan dengan jumlah muatan yang melintasi penampang kawat setiap satuan waktu. Secara matematis



Pada arus searah, dalam rangkaian tertutup yang mengandung sumber tegangan (baterai) arus konstan terhadap waktu, sehingga persamaan di atas dapat ditulis menjadi

Dimana: I = kuat arus listrik (ampere, A)
q = muatan listrik yang melintasi penampang listrik dalam selang waktu t (coulomb, C)
t = selang waktu (sekon, s)

Dari persamaan diatas, dapat kita definisikan bahwa satu coulomb adalah muatan listrik yang melintasi penampang kawat saat arus listrik satu ampere mengalir selama satu sekon.
Karena q dan t adalah besaran skalar, maka arus listrik I juga mmerupakan besaran skalar. Untuk memudahkan penulisan, arah arus listrik dalam rangkaian diberi tanda arah berupa anak panah.



Contoh
Tentukan muatan listrik yang melintasi penampang kawat pengantar jika: (a) arus lewat 10 A selama 1 menit, (b) arus 5 mA lewat selama 1 jam
Jawab:
(a) diketahui: (b) diketahui:
I = 10 A I = 5 mA = A = 0,005 A
t = 1 menit t = 1 jam = 3600 s
= 60 s maka,
q = It = (10 A)(60 s) q = It = (0,005 A)(3600 s)
= 600 C = 18 C

Tentukan jumlah elektron (e=-1,6.10-19C) yang melintasi penampang kawat penghantar selama satu jam bila kawat tersebut dialiri arus sebesar 1,6 A?
Jawab:
Diketahui: I = 1,6 A
t = 1 jam = 3600 s
jumlah elektron yang melintasi (n) sama dengan jumlah muatan yang mengalir (q) dibagi dengan besarnya muatan elektron

Pengukuran Kuat Arus Listrik dengan Amperemeter
Alat dan bahan:
î 1 buah baterai
î 1 buah amperemeter
î 1 buah lampu
î Kabel penghubung secukupnya

Amperemeter adalah alat untuk mengukur kuat arus listrik dalam suatu rangkaian tertutup. Amperemeter disusun secara seri berderet dengan elemen listrik yang akan diukur kuat arus listriknya, sehingga kuat arus listrik yang melalui amperemeter sama dengan kuat arus listrik yang melalui elemen listrik tersebut, susunlah elemen-elemen listrik yang tersedia menjadi rangakain seperti pada gambar dibawah ini.















Pertanyaan
Apakah yang terjadi dengan amperemeter?
Apa yang terjadi jika salah satu kabel pada lampu dilepas?


Pengukuran Beda Potensial Listrik dengan Voltmeter

Voltmeter adalah alat untuk mengukur beda potensial listrik. Voltmeter disusun secara paralel (sejajar) dengan sumber listrik atau peralatan listrik yang akan diukur beda potensialnya. Susunlah elemen-elemen listrik yang tersedia menjadi rangakain seperti pada gambar dibawah ini (ntuk mengukur tegangan antara ujung-ujung sebuah lampu pijar, kita harus menggunakan dua utas kabel untuk menghubungkan kedua ujung lampu pijar dengan kedua terminal voltmeter).











Pertanyaan
Berapakah beda potensial yang terukur pada rangkaian tersebut?

Hukum Ohm dan Hambatan
Hukum Ohm
Tujuan:
mengetahui hubungan antara beda potensial dan arus listrik pada rangkaian listrik

Alat dan bahan
î 3 buah baterai @ 1,5 V
î 3 buah lampu pijar kecil
î Kawat nikrom secukupnya
î 1 buah amperemeter

Langkah kegiatan
î Susunlah tiga macam rangkaian seperti pada gambar












î Catatlah angka yang ditunjukkan oleh amperemeter pada setiap percobaan (a), (b) dan (c) dalam bentuk tabel
Σ baterai
Beda Potensial
Kuat arus













Gambarkan dalam bentuk grafik hasil eksperimen yang anda lakukan










Pertanyaan
Bagaimana hubungan antara kuat arus dan beda potensial berdasarkan hasil eksperimen diatas?
Bagaimana hubungan antara kuat arus, sumber tegangan (beda potensial) dan lampu (hambatan)?










Contoh:
Arus listrik 300 mA mengalir pada suatu kawat penghantar. Jika beda potensial ujung-ujung kawat 30 V. Tentukan hambatan listrik kawat tersebut.
Jawab
Diketahui, I = 300 mA = 0,3 A
V = 30 volt, maka

Berapakah kuat arus listrik yang mengalir melalui seutas kawat dengan hambatan 0,9 Ω jika ujung-ujungnya diberi beda potensial 0,9 kV?
Jawab
Diketahui, R = 0,9 Ω
V = 0,9 kV = 900 V, maka


Aplikasi Hukum Ohm pada Kehidupan Sehari-hari
Dari Hukum Ohm, kita mengetahui bahwa jika sebuah bola lampu diberi tegangan V, arus listrik yang akan melalui filamennya adalah . Tegangan yang diberikan pada suatu alat listrik harus disesuiakan dengan tegangan yang seharusnya diperuntukkan bagi alat tersebut.
Jika lampu 220 V diberi tegangan 110 V, maka fiamen lampu tersebut akan dialiri oelh arus yang lebih kecil dari yang seharusnya, sehingga lampu 220 V tersbut akan menyala redup. Sedangkan jika lampu 110 V diberi tegangan 220 V, filamen lampu kan dialiri arus yang terlalu besar dari yang seharusnya, sehingga lampu 110 V tersebut akan rusak (tidak menyala) karena filamennya terbakar.

Hubungan Hambatan Kawat dengan Jenis dan Ukuran Kawat
Hambatan atau resistor berguna untuk mengatur besarnya kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik. Dalam radio dan televisi, resistor berguna unutk menjaga arus dan tegangan pada nilai tertentu dengan tujuan agar komponen-komponen listrik lainnyadapat berfungsi dengan baik.
Agar anda dapat mengetahui besaran-besaran apa saja yang mempengaruhi besarnya hambatan suatu kawat penghantar. Lakukan kegiatan berikut ini

Tujuan :
mengetahui hubungan antara hambatan (R), Jenis Kawat (ρ), Panjang Kawat (l) dan Luas Penampang (A)

Alat dan Bahan :
î Kawat nikrom dan kawat tembaga yang tebalnya sama namun panjangnya berbeda
î Kawat nikrom dan kawat tembaga yang panjangnya sama namun tebalnya berbeda
î Sebuah volmeter
î Sebuah amperemeter
î 3 buah baterai @ 1,5 V
î Kabel penghubung

Langkah kerja









î Susunlah rangkaian seperti pada gambar.
î Ukurlah besarnya harga beda potensial dan kuat arus listrik untuk setiap jenis dan ukuran kawat (hambatan, R)
î Catatlah angka yang ditunjukkan oleh voltmeter dan amperemeter untuk setiap jenis dan ukuran kawat.

Pertanyaan
Bagaimana hubungan hambatan dengan jenis kawat, panjang kawat dan luas penampang kawat?














Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa hambatan listrik (R) suatu kawat penghantar:
î Sebanding dengan panjang kawat (l)
î Sebanding dengan hambatan jenis kawat (ρ)
î Berbanding terbalik dengan tebal kawat atau luas penampang kawat (A)

Secara matematis dapat dituliskan:
Di mana:
R = hamabatan kawat (Ω)
l = panjang kawat (m)
A = luas penampang kawat (m­)
=
ρ = hambatan jenis kawat (Ωm)


Hambatan jenis kawat (ρ) atau disebut juga resistivitas adalah suatu besaran yang bergantung pada jenis dan temperatur kawat. Kawat yang mudah menghantarkan listrik memiliki hambatan jenis yang kecil. Kawat yang sukar menghantarkan listrik memiliki hambatan jenis yang besar. Hambatan jenis kawat pada temperatur tinggi lebih besaqr daripada hambatan jenis kawat pada temperatur rendah.

Contoh:
Untuk membuat elemen pemanas listrik 2 kW yang berhambatan 60 Ω digunakan kawat yang memiliki hambatan jenis 0,000002 Ωm dan luas penampang 0,00000050 m2. Tentukan panjang kawat yang butuhkan untuk membuat elemen pemanas tersebut.
Jawab:
Diketahui, R = 60 Ω
r = 0,000002 Ωm
A = 0,00000050 m2
Maka,
Jadi, panjang kawat yang dibutuhkan adalah 15 m

Penurunan Tegangan Listrik
Listrik dari rumah kita berasal dari gardu trafo yang terletak tak jauh dari rumah kita. Dari persamaan , kita mengetahui bahwa R ~ l. Sedangakan dari persamaan V = IR, kita mengetahui bahwa V ~ R. Berarti bahwa V ~ l. Dengan demikian jika runak kita terletak jauh dari gardu listrik (l besar), maka tegangan yang hilang (V) akan besar pula. Akibatnya, tegangan di rumah kita akan jauh lebih kecil dari pada tegangan di gardu trafo.
Jadi penggunaan kawwat penghantar yang terlalu panjang dapat mengakibatkan berkurangnya tegangan listrik yang dapat diakibatkan oleh pemakaian penghantar yang terlalu kecil (tipis) atau pemakaian kawat yang hambatan jenisnya terlalu besar.


Hukum I Kirchhoff
Tujuan :
memahami Hukum I Kirchhoff

Alat dan bahan:
î Amperemeter DC (0 -1A), 4 buah
î Lampu kecil 1,5V, 2 buah
î Sebuah baterai 1,5V
î Kabel penghubung secukupnya

Cara melakukan kegiatan:
î Susunlah rangkaian seperti pada gambar
î Apakah semua lampu menyala?
î Catatlah angka yang ditunjukkan oleh A1, A2, A3, dan A4.








Pertanyaan:
Apakah A1 dan A2 menunjukkan angka yang sama?
Apa yang dapat anda simpulkan dari kegiatan ini?











Dari kegiatan diatas tampak bahwa angka yang ditunjukkan oleh amperemeter A1 dan A2 adalah sama, sehingga dapat disimpulkan bahwa kuat arus listrik dalam suatu kawat tak bercabang disetiap titik adalah sama besar.
Titik P adlah titik percabangan dalam rangkaian tersebut. Kuat arus listrik yang masuk pada titik P diukur oleh amperemeter A2, kuat arus listrik yang keluar dari titik cabang P diukur oleh amperemeter A3 dan A4. Ternyata, kuat arus yang diutnjukkan oleh amperemeter A2 sama dengan jumlah kuat arus yang ditunjukkan oleh amperemeter A3 dan A4. Sehingga dapat disimpulkan bahwa jumlah arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang tersebut.
Secara matematis dapat ditulis:




Pernyataan ini pertma kalinya dikemukakan oleh Gustav Kirchhoff, seorang fisikawan Jerman, sehingga disebut Hukum I Kirchhoff. Pada gambar XXX dapat dilihat bahwa arus yang memasuki titik cabang P adalah I1 dan I2, sedangkan arus yang keluar dari titik cabang P adalah I3, I4 dan I5, sehingga dari persamaan
I1 + I2 =I3 + I4 + I5

Hukum II Kirchhoff
Hukum II kirchhoff merupakan suatu cara yang khas dalam menyatakan hukum kekekalan energi untuk rangkaian-rangkaian listrik. Hukum II Kirchhoff disebut juga teorema loop.
Perhatikan gambar


Bila Dq melintasi penampang di a dalam waktu Dt dan terus keluar di b, mutan tersebut kehilangan energi potensial listrik sebesar Dq Vab. Energi listrik ini diberikan hambatan R selama bertumbukan denganatom-atom dan molekul disebut P (daya atau energi per satuan waktu yang diberikan pada R) adalah . Di dalam baterai yang mengandung arus ini disuplai energi listrik (dari energi kimia) sebesar ei persatuan waktu. Pada bateai yang diisi sebaliknya, energi listrik diubah menjadi energi kimia ei per satuan waktu.


Energi listrik dari luar ab perdetik = Vab i
Energi listrik dari baterai e1 per detik = e1 i
Energi listrik diambil R perdetik = i2R
Energi listrik diambil baterai e2 perdetik = e2 i

Hukum kekekalan energi
Vab i + e1 i = i2R + e2 i
Vab = iR - (e1 - e2)
e1 - e2 = Se (e1 searah ab, positif à arah positif e1 (dari kutub negative ke kutub positif)), artinya jika ia menghasilkan arus, makan arah arusnya sesuai dengan arah panah tersebut. e2 berlawanan arah ab, negatif
Maka, Vab = iR - Se
Untuk beberapa hambatan:
Vab = S iR - Se (5-18)
Catatan:
Jika arah i berlawanan ab diberi tanda negatif. Untuk loop, b berhimpit a.

Vaa = 0 ; Si R - S e = 0 atau Se - Si R = 0
Atau Si R=S e
Dalam menggunakan persamaan (5-18), pertama-tama kita harus menentukan kuat dan arah arus pada rangkaian. Jika tidak diketahui, diumpamakan saja. Jika didapatkan nilai negatif, tandanya arah yang diumpamakan terbalik. Kemudian, kita harus memilih arah loop pada rangkaian tertutup dengan arah tertentu. Pemilihan arah loop tersebut dapat searah ataupun berlawanan dengan arah jarum jam. Selain itu, kita harus memperhatikan perjanjian tanda untuk penurunan tagangan dan GGL sumber tegangan. (jangan lupa tulis ”perjanjian tanda” ditepi halaman ya....)
Catatan:
î Hambatan dalam r dapat dianggap sebagai hambatan luar yang disusun seri dengan sumber tegangan:


î Titik yang dihubungkan dengan tanah atau ground (dibumikan) menurut perjanjian memiliki potensial nol. Simbolnya:



Rangkaian dengan Satu Loop
Pada sebuah arangkaian tertutup (loop), arus listrik yang mengalir adalah sama, yaitu sebesar I. Gambar XXX menunjukkan rangkaian sederhana dengan satu loop. Apabila e1 > e2, kita menentukan arus I mengalir searah dengan putaran jarum jam, yaitu a – b – c – d – a. Supaya mudah, kita tetapkan arah loop searah dengan arah kuat arus I dalam rangkaian, sehingga semua penurunan tegangan bertanda positif. Selanjutnya, kuat arus I dapat dihiutng dengan Hukum II Kirchhoff.
Perjanjian tanda yang sesuai ambil arah loop a à R à b à e à a.
iR - e = 0 positif jika panah e searah loop.
Kuat arus I yangsearah dengan arah loop melalui hambatan r1, r2, dan R. Sehingga kita peroleh jumlah penurunan tegangan:
S (I R) = I r1 + I r2 + IR = I (r1 + r2 + R)
Se - SiR = 0
Se = SiR
e1 - e2 = I (r1 + r2 + R)
Sehingga didapat

Contoh soal






Rangkaian dengan Dua Loop atau Lebih
Rangkaian yang memiliki dua loop atau lebih disebut pula rangakaian majemuk. Secara umum, langkah-langkah yang perlu ditempuh untuk menyelesaikan rangkaian majemuk adalah sebagai berikut:
Langkah-langkah Penyelesaian Rangkaian Majemuk
î Buat pengandaian kuat arus dan arahnya pada setiap cabang.
î Tuliskan persamaan-persamaan arus untuk setiap titik cabang dengan menggunakan hukum I Kirchhoff.
î Tetapkan arah loop pada setiap rangkaian tertutup , sehingga setiap komponen yang berarus dilalui oleh minimal satu buah loop. Akan tetapi jumlah loop dalam rangkaian harus seminimal mungkin.
î Tulislah persamaan-persamaan untuk setiap loop yang ada dalam rangkaian dengan menggunakan hukum II kirchhoff.
î Hitung besaran-besaran yang ditanyakan dengan menggunakan persamaan-persamaan pada butir kedua dan keempat.

Contoh soal:





Rangkaian Seri-Paralel Komponen Listrik
Komponen-komponen listrik dapat disusun secara seri, paralel atau gabungan seri-paralel (campuran)

Rangkaian Seri
Tujuan:
Mengetahui karakteristik rangkaian seri pada komponen-komponen listrik

Alat dan bahan:
î 3 buah voltmeter
î 1 buah amperemeter
î 3 buah resistor 1kΩ
î 3 buah baterai @ 1,5 V
î Kabel penghubung secukupnya.

Langkah kerja:
î Susunlah komponen-komponen listrik tersebut seperti pada gambar
î Ukur dan catatlah tegangan yang terukur pada V1, V2 dan V3
î Ukur dan catatlah kuat arus yang mengalir pada rangkain tersebut
î Ulangi pengukuran hingga 10 kali pengulangan







Pertanyaan:
1. Mengapa kita tidak perlu mengukur besarnya kuat arus yang keluar dari resistor R1, R2 dan R3?­­
2. Bagaimana kaitan antara tegangan total (tegangan sumber) dengan tegangan V1, V2 dan V3?
3. Berapakah besar hambatan yang diperlukan untuk mengganti besar hambatan yang ditimbulkan oleh rangkaian seri 3 buah hambatan tersebut?


Pada rangkaian seri komponen-komponen listrik, kuat arus yang melalui masing-masing komponen sama besar walaupun hambatan masing-masing komponen berbeda. Rangkaian seri bertujuan untuk memperbesar hambatan, berfungsi sebagai pembagi tegangan.
Pada rangakaian seri, kuat arus yang melalui setiap hambatan adalah sama, yaitu:
Itotal = I1 = I2 = I3






Pada gambar, tegangan pada ujung-ujung R1, R2 dan R3 adalah V1, V2 dan V3; sedangakan tegangan total antara A dan B adlah Vtotal, dimana:
Vtotal = V1 + V2 + V3
= I1R1 + I2R2 + I3R3
Karena Itotal = I1 = I2 = I3, maka persamaan diatas dapat dituliskan menjadi
Vtotal = Itotal R1 + Itotal R2 + Itotal R3
= Itotal (R1 + R2 + R3)
Menurut Hukum Ohm, V = IR atau Vtotal = Itotal Rtotal, sehingga
Itotal Rtotal = Itotal (R1 + R2 + R3)
Dengan demikian, kita peroleh bahwa susunan seri:
Rtotal = R1 + R2 + R3
Jadi hambatan total pada susunan seri sama dengan jumlah hambatan-masing-masing komponennya. Beberapa komponen, misalnya lampu pijar, disusun seri, maka hamabtan totalnya selalu lebih besar dari hambatan yang terbesar. Karena hambatan susunan R menjasi semakin besar, maka kuat arus I menjadi lebih kecil ( , kuat arus berbanding terbalik dengan hambatan). Akibatnya, lampu pijar yang disusun seri tampak nyala lebih redup.


Rangkaian Paralel
Tujuan:
Mengetahui karakteristik rangkaian paralel pada komponen-komponen listrik

Alat dan bahan:
î 3 buah voltmeter
î 3 buah amperemeter
î 3 buah resistor 1kΩ
î 3 buah baterai @ 1,5 V
î Kabel penghubung secukupnya.

Langkah kerja:
î Susunlah komponen-komponen listrik tersebut seperti pada gambar
î Ukur dan catatlah tegangan yang terukur pada V1, V2 dan V3
î Ukur dan catatlah kuat arus yang terukur pada I1, I2 dan I3










Pertanyaan:
1. Bagaimana hubungan antara tegangan sumber dengan tegangan pada masing-masing cabang?
2. Bagaimana hubungan antara kuat arus total dengan kuat arus yang mengalir pad amsing-masing cabang?
3. Berapakah besar hambatan yang diperlukan untuk mengganti besar hambatan yang ditimbulkan oleh rangkain paralel 3 buah resistor tersebut?


Pada rangkaian paralel komponen-komponen listrik, tegangan pada masing-masing komponen sama besar, walaupun hambatan masing-masing komponen berbeda. Rangkaian paralel bertujuan untuk memperkecil hambatan dan berfungsi sebagai pembagi arus.

Pada rangkaian paralel, beda potensial setiap hambatan adalah sama, yaitu:
Vtotal = V1 = V2 = V3







Pada gambar, kuat arus yang melalui R1, R2 dan R3 adalah I1, I2 dan I3; sedangkan kuat arus total antara A dan B adalah Itotal, dimana:
karena Vtotal = V1 = V2 = V3, maka persamaan diatas dapat dituliskan menjadi:
Menurut Hukum Ohm, atau , sehingga:
Dengan demikian, kita peroleh bahwa pada susunan paralel:
Jadi, kebalikan hambatan total pada susunan parallel sama dengan jumlah dari kebalikan hambatan masing-masing komponen. Jika beberapa hambatan disusun paralel, hambatan tatalnya selalu lebih kecil daripada hambatan terkecil.
Rangkaian dirumah kita pada umumnya disusun secara paralel. Dengan susunan secara paralel, jika salah satu komponen rusak (misalnya filamen lampu pijar putus) maka alat elektronika yang lain masih dapat menyala dan tegangannya tetap.

Rangkaian Campuran (Gabungan Seri-Paralel)
Seringkali, komponen-komponen listrik dalam suatu rangkaian disusun secara seri-paralel. Untuk lebih memahami susunan gabungan seri paralel ini perhatikan contoh berikut
Contoh:
Pada gambar rangkaian dibawah ini, tentukan hambatan listrik antara:
(a) titik A dan B (b)titik A dan C (c)titik A dan D





Jawab:
(a) Hambatan listrik antara titik A dan B berarti sumber tegangan dipasang pada ujung-ujung A dan B, sehingga arus listrik mengalir dari A ke B. Ujung C dan D terbuka, sementara arus listrik hanya mengalir pada rangkaian tertutup, sehingga hambatan 6 W dan 7 W yang terpasang pada ujung C dan D tidak dialiri arus. Jadi, kita dapat menganggap bahwa hambatan 6 W dan 7 W tersebut tidak ada. Dengan menggunakan prinsip seri-paralel, rangkaian tersebut dapat disederhanakan menjadi:








(b) Hambatan listrik antara titik A dan C berarti sumber tegangan dipasang pada ujung-ujung A dan C, sehingga arus listrik mengalir dari A ke C. Ujung B dan D terbuka, sementara arus listrik hanya mengalir pada rangkaian tertutup, sehingga hambatan 5 W dan 7 W yang terpasang pada ujung B dan D tidak dialiri arus. Jadi, kita dapat menganggap bahwa hambatan 5 W dan 7 W tersebut tidak ada. Dengan menggunakan prinsip seri-paralel, rangkaian tersebut dapat disederhanakan menjadi:







(c) Hambatan listrik antara titik A dan D berarti sumber tegangan dipasang pada ujung-ujung A dan D, sehingga arus listrik mengalir dari A ke D. Ujung B dan C terbuka, sementara arus listrik hanya mengalir pada rangkaian tertutup, sehingga hambatan 5 W dan 6 W yang terpasang pada ujung B dan C tidak dialiri arus. Jadi, kita dapat menganggap bahwa hambatan 5 W dan 6 W tersebut tidak ada. Dengan menggunakan prinsip seri-paralel, rangkaian tersebut dapat disederhanakan menjadi:







Energi dan Daya Listrik
Energi
Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi. Energi dapat berubah bentuk, dari satu bentu energi ke bentuk energi yang lainnya. Energi potensial yang tersimpan dalam air terjun dapat memutar turbin dan menghasilkan energi listrik. Dari energi listrik dapat dihasilkan energi gerak, energi cahaya, energi bunyi, energi panas dan berbagai bentuk energi lainnya.

Jika ujung-ujung sebuah hambatan R dihubungakna dengan sebuah elemen e, hambatan R tersebut akan dialiri arus listrik I. Lama-kelamaan, hambatan R terbut akan menjadi panas. Dikatakan bahwa elemen e memberikan energi listrik kepada hambatan R. Proses kimia di dalam elemen menggerak-gerakkan muatan negatif Dq dari potensial rendah (katoda) ke potensial tinggi (anoda) atau mutan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah. Usaha yang dilakukan elemen sama dengan perubahan energi potensial listrik dari muatan Dq tersebut. Secara matematis dapat ditulis


Muatan listrik yang bergerak melalui resistor akan menumbuk atom\atom yang terdapat dalam resistor, sehingga muatan listrik tersebut akan kehilangan energi potensialnya. Energi potensial listrik tersbut akan berubah menjadi kalor. Untuk menghitung besarnya energi listrik yang hilang pada saat kuat arus I melalui sebuah hambatan R, digunakan persamaan:

dan

Contoh soal






Pemanas listrik dapat mengubah energi listrik menjadi energi kalor(gamabr XXX). Energi listrik yang diberikan oleh elemen pemanas listrik adalah W, dan diubah oleh elemen pemanas menjadi energi kalor Q untuk menaikkan temperatur air sebesar DT. Jadi, terdapat perubahan dari energi listrik (W) menjadi energi kalor (Q). Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:

Keterangan:
Q = energi kalor (J)
m = massa air (kg)
c = kalor jenis air = 4200 J/kgoC
DT = perubahan suhu (oC)



Daya
Daya adalah perubahan energi listrik per satuan waktu. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:


Dengan menyubtitusikan persamaan (),()dan () ke persamaan () maka menghasilkan :
Jika R konstan, maka besarnya daya listrik sebanding dengan kuadrat tegangan (P ~ V2). Hubungan tersebut dapat dilihat grafiknya pada gambar XXX

Contoh soal
Sebuah setrika listrik 480W; 240V dipasang pada tegangan yang tepat selama 1 menit, tentukan:
a. energi listrik yang digunakan,
b. arus listrik yang mengalir,
c. hambatan kumparan pemanas,

jawab:
Diketahui: P = 480 W
V = 240 V
t = 1 menit = 60 s

a. Energi yang digunakan


b. Arus listrik yang mengalir

c. Hambatan kumparan pemanas


Contoh soal
Tentukan berapa persen pengurangan daya lampu pijar yang sedang menyala jika tegangan PLN berkurang 30%

Jawab:
Diketahui:
V2 = 70 % V1 (berkurang 30%) = 0,7 V1
Maka,
Berarti P2= 49%P1, sehingga DP = P2 – P1 = 49% P1 – 100% P1 = -51% P1, tanda minus menunjukkan dayanya berkuramg. Jadi, daya berkurang 51% dari semula.

Pada peralatan listrik selalu tercantum spesifikasi alat, misalnya 100W; 220V yang artinya daya listrik yang dipakai oleh alat tersebut adalah 100W, jika alat tersebut dipasang pada tegangan 200V, sehingga jika tegangan yang diberikan kepada alat tersebut kurang dari 220V, daya alat tersebut akan berkurang dari 100W. Daya sesungguhnya yang dipergunakan oleh suatu alat akan memenuhi persamaan:



Persamaan tersebut diturunkan dari persamaan dengan menganggap bahwa hambatan alat listrik (R) selalu konstan. Dimana:
P2 = daya yang sebenarnya (W)
P1 = daya yang tertulis pada spesifikasi (W)
V2 = tegangan yang sebenarnya (V)
V1 = tegangan yang tertulis pada spesifikasi (V)

Contoh
Sebuah keluarga menyewa listrik PLN sebesar 900 W dengan tegangan 110 V. Jika untuk penerangan keluarga tersebut menggunakan lampu 100 W; 220 V, tentukan
besar hambatan setiap lampu
daya yag sebenarnya dari lampu 100 W; 220 V setelah dipasang pada tegangan 110 V
jumlah maksimum lampu yang dapat dipasang

Jawab
Diketahui : Ptot = 900 W; V2 = 110 V
P1 = 100 W; V1 = 220 V
a. hambatan setiap lampu

Besarnya hambatan lampu tersebut dianggap selalu konstan.

b. daya yang sebenarnya:

c. jumlah maksimum lampu yang dapat dipasang (n) adalah
Jadi jumlah maksimum lampu yang bisa digunakan adalah 36 buah.

Contoh





Untuk pamakain energi listrik dalam jumlah besar, energi listrik dihitung dalam kWh (kilo watt hours atau kilo watt jam). Dimana satu kWh adalah energi yang diserap oleh alat listrik yang memiliki daya satu kilo watt selama pemakaian satu jam.
1 kWh = 1 kilowatt x 1 jam
= 1000 watt x 3600 sekon
= 3.600.000 watt sekon
Satu kWh ini digunakan oleh PLN dalam mengukur penggunaan energi listrik pada konsumennya. Tarif listrik didasarkan pada satuan ini, misalnya 1 kWh = Rp, 450,00