Rangkaian Arus Searah 6l4k38

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

REVISI

BUKU KOMPILASI FISIKA SMA KELAS XII SEMESTER 1

RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

I Putu Yogi Setia Permana (1613022013)

BATERAI ARANG ALUMUNIUM

UNIVERSITAS LAMPUNG

SEBAGAI CATU DAYA LAMPU BACA i

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Kata Pengantar Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas limpahan rahmat-Nya, buku siswa ini dapat hadir di tengah-tengah peserta didik. Buku siswa ini berisi mengenai materi tentang Rangkaian Arus Searah (DC) untuk SMA kelas XII semester 1. Buku siswa ini adalah kumpulan dari berbagai sumber buku cetak di antaranya buku pelajaran dan buku teks atau penunjang yang dikemas sedemikian rupa sehingga menjadi buku pendamping materi yang tepat bagi peserta didik. Dalam pembuatan dan penyusunan buku siswa ini, penulis merasa masih banyak kekurangan. Untuk itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak demi penyempurnaan pembuatan dan penyusunan buku siswa ini. Semoga buku siswa ini dapat bermanfaat bagi peserta didik dan dapat membantu para peserta didik dalam belajar serta membantu para pendidik dalam memberikan materi sehingga peserta didik dapat meningkatkan kemampuannya dalam membangun konsep-konsep fisika dengan bahasanya sendiri dan dapat menyelesaikan tugas mengenai masalah-masalah fisika dengan baik.

Bandarlampung, 24 November 2017

I Putu Yogi Setia Permana

ii

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Daftar isi

Halaman COVER ............................................................................................. i KATA PENGANTAR ...................................................................... ii DAFTAR ISI ..................................................................................... ii

Sumber 1 ........................................................................................... 1 Sumber 2 ........................................................................................... 10 Sumber 3 ........................................................................................... 23 Sumber 4 ........................................................................................... 25 Sumber 5 ........................................................................................... 29

DAFTAR PUSTAKA

iii

SUMBER 1

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

platinum

Kajian Konsep FISIKA Muhammad Farchani Rosyid untuk Kelas XII Eko Firmansah SMA dan MA Rachmad Resmiyanto Atsnaita Yasrina

Kajian Konsep Fisika 3 untuk Kelas XII SMA dan MA

2

Kelompok Peminatan

J Matematika dan Alam

J

Ilmu

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Kelompok Peminatan Matematika dan Ilmu Alam

Pe nulis Editor Perancang Kulit Perancang Tata Letak Isi Penata Letak Isi Ilustrator Tahun Terbit

Muhammad Farchani Rosyid, Eko Firmansah, Rachmad Resmiyanto, Atsnaita Yasrina Agus Sriyanto Wahyudi Daru Sukamto Agung Wibawanto Bonawan Sartana

SKU Diset dengan Power Mac G5, font Adobe Garamond Pro 11 pt 2017 141303.146

Penerbit PT Tiga Serangkai Pustaka Mandiri Jalan Dr. Supomo 23 Solo Anggota IKAPI No. 19 Tel. 0271714344, Faks. 0271-713607 http://www.tigaserangkai.com emait. [email protected] Dicetak oleh percetakan PT Tiga Serangkai Pustaka Mandiri © Hak cipta dilindungi undangundang All rights reserved.

Dalam rangka meningkatkan mutu buku, masyarakat sebagai pengguna buku diharapkan dapat memberikan masukan kepada alamat penulis dan/atau Perpustakaan Nasional: Katalog Dalam Terbitan (K0T)

530.7 ROSYID, Muhammad Farchani R0S Kajian Konsep Fisika 3 untuk Kelas XII SMA dan MA Kelompok Peminatan Matematika dan IlmuEko Alam. Muhammad Fachrani Firmansah, Rachmad Resmiyanto, dan Atsnaita Yasrina Editor Agus Sriyanto f Rosyid. Wahyudi— Solo Serangkai Pustaka Mandiri, 2017. xvi, 336 him.: foto, tab., ilus., bibi.; 25,5 cm Bibliografi: him. 327 Indeks ISBN 978-602-320-120-4 (no. jil. lengkap) 978-602-320-123-5 (jil. 3) I. Fisika-Studi dan Pengajaran I. Judul II. Eko Firmansah III. Rachmad Resmiyanto IV. Atsnaita Yasrina

V. Agus

penerbit atau melalui email. [email protected] Ketentuan Pidana Sanksi Pelanggaran Pasal 72 Undang-Undang Nomor 19 Tahun 2002 Perubahan aras Undang-Undang Nomor 7 Tahun 1987 tentang Hak Cipta Barang siapa dengan sengaja dan tanpa hak mengumumkan atau memperbanyak suatu ciptaan atau memberi izin untuk itu, dipidana dengan pidana penjara paling sedikit 1 (satu) bulan dan/atau denda paling sedikit Rpl.000.000,00 (satu juta rupiah), atau pidana penjara paling lama 7 (tujuh) tahun dan/atau denda paling banyak Rp5.000.000.000,00 (lima miliar rupiah). Barang siapa dengan sengaja menyerahkan, menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada umum sesi. itu , iptaan barang atau hasil pelanggaran Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksud pada ayat (1), dipidana dengan pidana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling banyak Rp500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).

Dalam bab ini, Anda akan menganalisis prinsip kerja peralatan listrik searah (DC) yang terdapat dalam kehidupan sehari-hari. Untuk itu, pelajarilah konsep-

3

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

konsep berikut ini. A. Listrik Arus Searah (Direct Current = DC) Pengamatan yang telah Anda lakukan di atas merupakan pengamatan cara kerja pada alat-alat listrik. Alat-alat listrik tersebut memiliki beberapa komponen. Misalnya, alat listrik pada lampu senter memiliki komponen sumber listrik, penghantar listrik, sakelar, dan bohlam listrik. Pada mainan mobil listrik, Anda akan menemukan komponen berupa sumber listrik, penghantar, sakelar, dan motor listrik. Komponen-komponen yang (a) berada di dalam alat listrik tersebut saling Alat listrik terhubung sehingga membentuk sebuah rangkaian listrik. Secara sederhana, rangkaian listrik yang terdapat dalam lampu senter dan mainan mobil listrik dapat dilihat pada Gambar 1.2. Rangkaian listrik yang terdapat dalam sebuah alat listrik dapat bekerja jika semua komponen saling terhubung. Pada saat terhubung inilah terjadi aliran listrik dari sumber listrik di sepanjang penghantar. (b) Dalam penghantar tersebut terpasang alat Gambar 1.2 Rangkaian sederhana pada (a) lampu listrik (misalnya, bohlam listrik dan motor senter dan (b) mainan mobil listrik. listrik) yang bekerja jika ada aliran listrik. Alat-alat listrik tersebut akan terhenti ketika tidak ada arus listrik yang masuk padanya. Dalam rangkaian listrik, biasanya dipasang komponen yang dapat memutus dan menyambung arus listrik, yaitu sakelar. Rangkaian listrik yang digambarkan di atas merupakan rangkaian listrik yang bersumber listrik arus searah (direct current = DC). Lalu, bagaimana sumber listrik tersebut dapat mengalir sehingga menghasilkan arus listri k melalui penghantar? Simaklah uraian berikut ini.

1. Arus Listrik dan Potensial Listrik DC Perhatikanlah Gambar 1.3. Gambar tersebut memperlihatkan sebuah bejana berhubungan yang diisi dengan air. Permukaan air pada bejana di sebelah kiri lebih tinggi dibandingkan dengan yang di sebelah kanan. Secara alami, air akan mengalir pada bagian P dari kiri ke kanan. Aliran ini akan berhenti pada saat ketinggian permukaan air di sebelah kiri sama dengan ketinggian permukaan air di sebelah kanan. Selama masih ada perbedaan ketinggian permukaan air di kedua tempat tersebut, air akan mengalir pada daerah P. Jadi, perbedaan ketinggian permukaan di kedua tempat tersebut dibutuhkan agar terjadi aliran air dari kiri ke kanan pada P. Perbedaan ketinggian permukaan air berarti

4

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

penumpukan air di bagian bejana sebelah kiri. Penumpukan ini mengakibatkan tekanan air di titik A lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan air di titik B. Perbedaan tekanan inilah yang mengakibatkan air mngalir dari A menuju ke Aliran air di atas mirip aliran listrik pada penghantar. Arus listrik akan mengalir pada suatu penghantar jika ada perbedaan tekanan’ listrik pada kedua ujung penghantar tersebut. ‘Tekanan’ listrik ini disebut potensial listrik. Beda potensial listrik disebut pula sebagai beda tegangan listrik. Beda potensial listrik biasanya dilambangkan dengan V. Beda potensial listrik diberi satuan volt atau disingkat V. Untuk mengukur beda tegangan secara langsung, digunakan alat yang disebut voltmeter. Sebagaimana pada aliran air, perbedaan tekanan’ listrik di ujung A dan di ujung B diakibatkan oleh perbedaan penumpukan muatan listrik positif pada kedua uj ung penghantar. Penumpukan muatan listrik positif yang lebih banyak di ujung A mengakibatkan potensial di ujung A lebih tinggi dibandingkan dengan potensial di ujung B (perhatikan Gambar 1.4). Sebagaimana pada aliran air, jika tidak ada lagi perbedaan potensial antara ujung A dan ujung B, tidak ada lagi arus listrik yang mengalir pada penghantar. Makin tinggi perbedaan potensial antara ujung-ujung penghantar itu, makin deras aliran listrik yang mengalir melaluinya. Derasnya aliran listrik disebut kuat arus listrik. Kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu penghantar didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik yang melewati penampang penghantar itu tiap satu satuan waktu. Kuat arus listrik biasanya dilambangkan dengan i. Kuat arus listrik diberi satuan ampere atau A. Satu ampere sama nilainya dengan satu coulomb per sekon. Kuat arus listrik diukur dengan alat ukur yang dikenal sebagai amperemeter atau ammeter. 2. Sumber Tegangan Listrik

Kembali kita perhatikan bejana berhubungan yang diisi air sebagaimana diperlihatkan oleh Gambar 1.3. Sebagaimana telah dikatakan, aliran air pada pipa P akan berhenti ketika perbedaan tekanan antara ujung A dan ujung B sudah tidak ada. Hal ini sama artinya dengan tiadanya kelebihan penumpukan air di bagian bejana sebelah kiri. Aliran air pada pipa P akan dapat terus berlangsung jika kelebihan penumpukan air di bagian bejana sebelah kiri tetap terjaga. Hal ini dapat dilakukan misalnya dengan memasang pompa air sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 1.5. Jadi, dengan pompa air tersebut orang dapat menjaga tetap adanya perbedaan tekanan antara ujung

5

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

A dan ujung B pada pipa P. Demikian pula halnya dalam aliran listrik (Gambar 1.6). Diperlukan ’pompa’ untuk menjaga kelebihan penumpukan muatan listrik positif pada ujung A sehingga perbedaan potensial listrik terjaga. Peranti yang berperan sebagai’pompa’ ini disebut sumber tegangan. Banyak sekali jenis sumber tegangan. Contoh sumber tegangan yang populer adalah baterai ataupun aki. dalam 0,2 Ω, hitunglah kuat arus yang mengalir melalui resistor 1 Ω. kuat arus yang mengalir melalui resistor 4 Ω?

Berapa

Jawab: Jika titiku dan titik B dihubungkan dengan sumber teg.mgan 10 volt tak ideal yang memiliki hambatan dalan 0,2 Ω akan diperoleh rangkaian semacam gambar di samping dengan R = 0,8 Ω, r = 0,2 Ω, dan V= 10 volt. Oleh karena itu, dari persamaan (1.8), arus total yang mengalir melalui rangkaian satu loop itu diberikan oleh V 10 volt

Beda tegangan antara titiku dan titik B, yaitu VAB dihitung dengan persamaan

Jadi, kuat arus z'in yang mengalir melalui resistor 1 Ω senilai

Dan kuat arus yang mengalir melalui resistor 4 Ω adalah

6

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

F. Penerapan Listrik Searah (DC) Banyak peralatan listrik yang menggunakan listrik searah (DC). Peralatan listrik ini menggunakan sumber tegangan searah DC k Berikut ini beberapa sumber tegangan searah (DC). 1. Baterai Kering Baterai kering atau baterai adalah salah satu sumber tegangan searah i DC) yang merupakan alat listrik-kimiawi. Dinamakan alat listrik-kimiawi karena baterai menyimpan energi dan dikeluarkan dalam bentuk energi listrik, sedangkan kimiawi menunjukkan komponen-komponen penyusun baterai. Komponen penyusun baterai tersebut berupa batang karbon yang berperan sebagai anoda, seng (Zn) yang berperan sebagai katoda, dan elektrolit Sumber: http://teknikelektronika.com/wp-content/s/2014/08/Baterai-Primer.jpg (penghantar).

Gambar 1.26 Sumber tegangan searah (DC): a. Bateraibaterai primer (sekali pakai); b. baterai laptop merupakan baterai kering yang bisa diisi ulang.

Baterai kering merupakan baterai primer yang hanya bisa digunakan sekali pakai. Artinya, jika reaksi kimia dalam baterai telah habis, baterai tidak bisa digunakan kembali. Baterai yang digunakan pada jam dinding merupakan contoh baterai primer. Saat ini, baterai kering juga telah digunakan pada sepeda motor. Namun demikian, seiring dengan perkembangan teknologi telah ada baterai yang dapat diisi ulang, dan digunakan seperti di telepon genggam, laptop, dan handycamp.

8

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

2. Baterai Basah

Gambar 1.27 Aki merupakan elemen basah yang dapat diisi kembali. Sumber: http://www.hargavelg.com

Baterai basah atau lebih sering disebut accumulator atau acu atau aki. Aki juga merupakan alat listrik-kimiawi. Komponenkomponen yang terdapat dalam aki meliputi elektrode Pb sebagai anode, Pb02 sebagai katoda, dan elektrolit H2S04. Aki merupakan baterai sekunder yang dapat diisi ulang untuk dapat melakukan reaksi kimia kembali. Aki banyak digunakan di kendaraan seperti sepeda motor dan mobil.

3. Sel Surya

Sel surya merupakan akat semikonduktor yang terdiri atas wilayah-wilayah dioda p-n junction. Cahaya matahari yang mengenai wilayah-wilayah ini dapat menghasilkan listrik. Bahan- bahan semikonduktor yang dapat digunakan untuk membuai sel surya di antaranya adalah germanium, silikon, dan titanium oksida. Sumber: httpssuryamurahsurabaya

Gambar 1.28 surya/sH surya.

4. Adaptor atau Power Supply Beberapa alat listrik yang menggunakan sel surya adalah motor listrik, mobil listrik, dan kalkulator.

9

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Sumber:http://compulibros.com

Gambar 1.29 Penggunaan adaptor dapat Anda temui pa da charger handphone atau laptop.

Adaptor adalah sebuah rangkaian yang berguna untuk mengubah tegangan AC yang tinggi menjadi DC yang rendah. Adaptor merupakan sebuah alternatif pengganti dari tegangan DC (misalnya, baterai atau aki) karena penggunaan tegangan AC lebih lama dan setiap orang dapat menggunakannya asalkan ada aliran listrik di tempat tersebut. Adaptor juga banyak digunakan dalam alat sebagai catu daya, layaknya amplifier, radio, pesawat televisi mini, dan perangkat elektronik lainnya. Perangkat elektronik adaptor sangatlah mudah untuk dibuat karena banyak dari komponennya yang dijual di pasaran. Sumber tegangan AC dari PLN diturunkan tegangannya oleh trafo, kemudian disearahkan dengan dioda dalam adaptor.

10

SUMBER 2

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

12

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

FISIKA EDISI KELIMA 2

Douglas C. Giancoli

PENERBIT ERLANGGA

Jl. H. Baping Raya No. 100 Ciracas, Jakarta 13740 e-mail:[email protected] (Anggota IKAPI)

Glnncoll, Dougins C.

13

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Fisika/Douglns C. Ginncoll; nlih bnhnsa, Yuhilza Hanum; Irwnn Arilin; editor, Hilarius Wibl, -- Ed. 5. Jakarta; Eilnnggn, 2001. , . , jil. ; , . . cm Judul Asli : Physics Fifth Edition ISBN 979-688-1314 (no. jil. lengkap) ISBN 979-688-132-2 (jil. 1) ISBN 979-688-133-0 (jil. 2) I. Fisika. I. Judul III. Hilarius.

II. Hanum, Yuhilza.

HSIKA/Edisi Keli inn Douglas C. Giancoli Judul Asli: PHYSICS Fifth Edition Douglas C.Giancoli Copyright © 1998 by Prentice-Hall, Inc. Translation Copyright © 2001 by Penerbit Erlangga. Hak cipta dalam Bahasa Inggris © 1998 pada Prentice-Hall, Inc. Hak terjemahan dalam Bahasa Indonesia pada Penerbit Erlangga, berdasarkan perjanjian pada 10 Desember 1999.

Alih Bahasa : Editor

Dra. Yuhilza Hanum, M.Eng.Ir. Irw.in Arifin, M.Eng. Hilarius Wibi Hardani, S.T. Sylvester L. Simarmata, S.T.

Simarmata, S.T. Dicetak oleh : PT. Gelora Aksara Pratama 15 14 13 12 8

7 6 5 4

ALL RIGHTS RESERVED No part of this book may be reproduced, stored in retrieval system, or transmitted, in any form or by any means—electronic or mechanical, photocopying, recording, or otherwise—without prior written permission from the publisher.Dilarang keras mengutip, menjiplak, memperbanyak, memfotokopi, baik sebagian maupun keseluruhan isi buku ¡m serta memperjualbelikannya tanpa izin tertulis dari Penerbit Erlangga. © HAK CIPTA DILINDUNGI OLEH UNDANG-UNDANG

14

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Bertahun-tahun yang lalu ketika lampu pohon natal jenis tertentu terbakar seluruh raangkaian lampu padam. (apakah ini merupakan rangkaian seri atau paralel?) Dewasa ini jika satu lampu mati, yang lainnya tetap menyala . bagaimana pun itu, untuk rangkaian yang lain (biasanya dengan bola lampu yang kecil). Jika anda melepaskan sebuah lampu (terbakar ataupun tidak). Seluruh lampu lainnya padam. Apa kira-kira jenis rangkaian ini?

Rangkaian listrik berlimpah di Dnia

sekarang ini meeka merupakan bagian dasar dari semua peralatan elektronik dari pesawat radio dan TV sampai computer dan bahkan mobil. Pengukuran ilmiah, dari fisika sampai biologidan kedokteran, menggunakan rangkaian listrik. Pada Bab 18, kita membahas prinsip-prinsip dasar arus listrik. Sekarang kita akan menerapkan prinsip-

15

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

prinsip tersebut untuk menganalisa rangkaian dc dan untuk TABEL 19-1 Simbol-simbol untuk Eleroeo-elemen Rangkaian memahami cara kerja berbagai instrumen yang berguna.’ Simbol

Alat

Bila kita menggambarkan diagram untuk rangkaian, kita Baterai Hh menvajikan baterai, kapasitor, dan resistor dengan simbol Kapasitor HIyang digambarkan pada Tabel 19-1. Kawat-kawat yang Resistor hambatannya dapat diabaikan dibandingkan hambatan lain Kawat dengan hambatan pada rangkaian dapat digambarkan sebagai garis lurus. terabaikan Sebagian besar bab ini, kecuali pada Subbab 19-7, kita akan tertarik untuk membahas rangkaian- rangkaian yang bekerja pada keadaan yang stabil— artinya, kita tidak akan memandang rangkaian pada saat dilakukan perubahan, seperti ketika sebuah baterai atau resistor dihubungkan atau dilepas, melainkan beberapa waktu sesudahnva saat arus telah mencapai nilai yang stabil. 19-1

Resistor Seri dan Paralel

Ketika dua atau lebih resistor dihubungkan dari ujung ke ujung seperti pada Gambar 19-1, dikatakan mereka dihubungkan secara sen. Resistor-resistor tersebut bisa merupakan resistor biasa seperti pada Gambar 18-11, atau dapat berupa bola lampu, elemen pemanas, atau alat penghambat lainnya. Muatan yang melalui R, pada Gambar 19-la juga akan melewati R, dan kemudian Ry Dengan demikian arus 7 yang sama melewati setiap resistor. (Jika tidak, hal ini berarti bahwa muatan terakumulasi pada beberapa titik pada rangkaian, yang tidak terjadi dalam keadaan stabil). Kita tentukan V menyatakan tegangan pada ketiga resistor. Kita anggap semua resistor yang lain pada rangkaian dapat diabaikan, dan sehingga Vsama dengan tegangan baterai. Kita tentukan Vy V2, dan V3 merupakan beda potensial berturut- turut melalui resistor R,, R2, dan Ry berturut-turut, seperti pada Gambar 19- la. Dengan hukum Ohm, V, = /R,, V2 = 7R,, dan V3 = 7R?. Karena resistor- resistor tersebut dihubungkan ujung ke ujung, kekekalan energi menyatakan bahwa tegangan total V sama dengan jumlah semua tegangan dari masing- masing resistor:

Rangkaian seri; tegangan dijumtahkan. arus pada sefiap GAMBAR 19-1 (a) Hambatan yang dihubungkan secara sen: /?tk = R, + ft, + ft,, (h) Hambatan bisa berupa bola lantpu. atau jcnis hambatan lainnya. (cl hambatan R sama Hambatan seri

ekivalen tunggal yang menarik arus yang besamya sama. ’Rangkaian ac yang hanya terdiri dari sumber tegangan dan resistor dapat dianalisa seperti rangkaian dc pada bab ini. Bagaimana pun, rangkaian ac yang terdiri dari kapasitor dan elemen rangkaian lainnya lebih rumit, dan kita membahasnya pada Bab 21. V

= V1+V2+V3=IR1+IR2+IR3

[seri] (19-2)

16

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Sekarang mari kita tentukan hambatan ek.valen tunggal R yang aka„ larik arus yang sama seperti kombinasi di atas Gambar 19- lc). Hambatan tunggal Rrk tersebut akan dihubungkan dengan V dengan persamaan Kita padukan persamaan ini dengan Persamaan 19-1, V=I(R,+R2 + Rj), dan didapat Rek = R, + R2 + R3. [seri] (19-2) Pada kenyataannya, hal ini merupakan apa yang kita harapkan. Jika kita pasang beberapa hambatan secara seri, hambatan total merupakan jumlah hambatanhambatan tersebut jika terpisah. Hal ini berlaku untuk sejumlah hambatan berapa pun secara seri. Perhatikan bahwa jika Anda menambahkan lebih banyak hambatan pada rangkaian, arus akan berkurang. Sebagai contoh, jika baterai 12 V dihubungkan dengan resistor 4 Q, arus akan menjadi 3 A. Tetapi jika baterai 12 V dihubungkan dengan tiga buah resistor 4 Q yang dirangkai seri, hambatan total adalah 12 Q dan arus hanya akan sebesar 1 A. Cara sederhana lainnya untuk menghubungkan resistor adalah paralel, sehingga arus dari sumber terbagi menjadi cabang-cabang yang terpisah, seperti pada Gambar 19-2. Pengkabelan pada rumah-rumah dan gedung- gedung diatur sehingga semua peralatan listrik tersusun paralel, sebagaimana telah kita lihat pada Gambar 18-18. Dengan pengkabelan paralel, jika Anda memutuskan hubungan dengan satu alat (katakanlah R. pada Gambar 19-2), arus ke yang lainnya tidak terganggu. Tetapi pada rangkaian seri, jika satu alat (katakanlah R, pada Gambar 19-1) dilepaskan, ams ke yang lainnva terhenti.

Rangkaian paralel; arus dijumlahkan; tegangan yang melintasi setiap R sama Pada rangkaian paralel, Gambar 19-2a, arus total I yang meninggalkan baterai terbagi menjadi tiga cabang. Kita tentukan 12, dan /3 berturutturut sebagai arus melalui setiap resistor, R,, R2, dan Ry Karena muatan listrik kekal, arus yang masuk ke dalam titik cabang (di mana kawat atau konduktor vang berbeda bertemu) harus sama dengan arus yang keluar dari titik cabang. Dengan demikian, pada Gambar 19-2a, / = /, + / 2 + Iy [paralel] Ketika resistor-resistor terhubung paralel, masing-masing mengalami tegangan yang sama. (Dan memang, dua titik mana pun pada rangkaian yang dihubungkan oleh kawat dengan hambatan yang dapat diabaikan berada pada potensial yang sama). Berarti tegangan penuh baterai diberikan ke setiap resistor pada Gambar 192a, sehingga

17

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

𝑉

𝑉

𝑉

𝐼1 = 𝑅1 , 𝐼2 = 𝑅2, dan 𝐼2 = 𝑅3 Mari kita tentukan berapa nilai resistor tunggal Rek (Gambar 19-2c) yang akan menarik arus 1 yang sama dengan ketiga hambatan paralel ini. Resistor ekivalen Rck ini harus memenuhi 𝐼=

𝑉 𝑅𝑒𝑘

Sekarang kita gabungkan persamaan-persamaan di atas: I = I1+I2+I3 𝑉 𝑉 𝑉 = = 𝑅1 𝑅2 𝑅3 Jika kita bagi setiap suku dengan V, kita dapatkan: 1 1 1 1 = + + 𝑅𝑒𝑘 𝑅1 𝑅2 𝑅3 Sebagai contoh, misalkan Anda menghubungkan dua pengeras suara 8Ω ke satu pasang terminal keluaran pada pengeras atau penerima stereo Anda. (Abaikan jalur lain untuk sesaat—katakanlah, kedua pengeras suara terhubung ke jalur kiri). Hambatan ekivalen kemudian bisa didapat dari 1 1 1 1 = + = 𝑅 8Ω 8Ω 4Ω sehingga R = 4fl. Dengan demikian hambatan tunggal total lebih kecil dari masingmasing hambatan. Hal ini mungkin terlihat mengejutkan. Tetapi ingat bahwa ketika Anda memasang resistor secara paralel, Anda memberi jalur tambahan bagi arus.

GAMBAR 19-3 Pipa air disusun paraiei- analogi untuk arus listrik paralel.

Dengan demikian hambatan total akan lebih kecil.

Sebuah analogi dalam hal ini bisa membantu. Ba- yangkan dua pipa yang menerima air di dekat puncak bendungan dan mengeluarkannya di dasar pada Gambar 19-3. Beda potensial gravitasi, sebanding dengan keting-

18

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

gian h, sama untuk kedua pipa, sepert. pada kasus listnk resistor parale| Jika kedua pipa terbuka, bukan hanya satu saja, arus yang menga|,r ak_ dun kali lipat. Maka, dengan dua pipa yang sama terbuka hambatan to, terhadap aliran air akan diperkecil, setengahnya. Perhahkan bahvya jika ked 1 pipa ditutup, bendungan memberikan hambatan takhmgga terhadap ajjr air. Hal ini berhubungan dengan kasus listrik dengan rangkaian terbuka-^ ketika tidak ada arus yang mengalir— sehingga hambatan listrik takliingga| Seri atau Paralel? (a) Bola lampu pada Gambar 19-4 identik dan mempunyai hambatan R yang sama. Konfigurasi mana yang menghasilkan cahaya yang lebih terang? (b) Menurut Anda, dengan cara mana lampu depan mobil dipasang?

991

Mengapa tegangan baterai tidak konstan

TANGGAPAN (a) Kombinasi paralel mempunyai hambatan yang lebih kecil (= R/2) dibanding kombinasi seri (= 2R). Akan ada arus total yang lebih besar pada konfigurasi (2). Daya total yang terpakai, yang sebanding dengan cahaya yang dihasilkan, adalah P = IV, sehingga arus yang lebih besar pada (2) berarti cahaya lebih terang. (b) Tersusun paralel (2), karena jika satu mati, lampu yang lain tetap menyala.

Resistor seri dan paralel. Dua resistor 100 El dihubungkan (a) seri, dan (M paralel, ke baterai 24,0 V. Lihat Gambar 19-5. Berapa arus melalui setiap resistor dan berapa hambatan ekivalen setiap rangkaian? PENYELESAIAN (a) Setiap muatan, setiap elektron yang bergerak, pertama melewati R, dan kemudian R2. Jadi arus I sama pada kedua resistor; dan beda potensial pada baterai, V, sama dengan perubahan total potensial melalui kedua resistor: V= V1+V2=IR1+IR2 𝐼=

𝑉 24𝑉 = = 0,120𝐴 𝑅1 + 𝑅2 100Ω + 100Ω

H.mbatan pada kotak terputus (d) ekivalen dengan Hambatan ini Mrangkai aeri dengan dua lagi, yang menghsailkan hambatan ekivalen akhir

19

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Kita ketahui bahwa R = 100 Q, sehingga Rek = 273 fi. Perhatikan kembali keuntungan penggunaan aljabar sepanjang tahap: kita bisa mendapatl^ jawaban yang memungkinkan kita untuk menghitung am atan eseluruhan tanpa bergantung pada nilai resistor individual. GGL dan Tegangan Terminal Komponen seperti baterai atau generator listrik yang merubah satu jenis energi (kimia, mekanik, cahaya, dan sebagainya) menjadi energi listrik disebut tempat atau sumber gaya gerak listrik atau ggl. (Istilah "gaya gerak listrik" tidak tepat karena tidak mewakili "gaya" seperti diukur dalam newton. Dengan demikian, untuk mencegah kebingungan, kita lebih memilih meng- gunakan singkatannya, ggl). Beda potensial antara terminal sumber seperti itu, bila tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian luar, disebut ggl dari sumber. Simbol € biasanya digunakan untuk ggl (jangan kacaukan dengan E untuk medan listrik).

GAMBAR 19-9 Diagram untuk sel listrik atau baterai.

Tegangan terminal

Anda mungkin telah memperhatikan dari pengalaman Anda sendiri bahwa ketika arus ditarik dari baterai, tegangan antara terminal-terminalnya turun di bawah ggl-nya. Sebagai contoh, jika Anda menghidupkan mobil dengan lampu depan menyala, Anda mungkin memperhatikan bahwa lampu tersebut meredup. Hal ini terjadi karena starter menarik arus yang besar, dan tegangan baterai turun sebagai akibatnya. Tegangan turun terjadi karena reaksi kimia pada baterai tidak dapat memasok muatan dengan cukup cepat untuk mempertahankan ggl penuh. Di satu sisi, muatan harus mengalir (di dalam elektrolit) antara elektroda-elektroda baterai. dan selalu ada halangan untuk aliran yang bebas. Berarti, baterai itu sendiri memihki hambatan, yang disebut hambatan dalam; yang biasa dilambangkan dengan r. Baterai yang riil dimodelkan sebagai ggl yang sempuma yang terangkai seri dengan resistor r, sebagaimaw ditamjukkan pada Gambar 19-9. Karena hambatan r ini berada di dalam baterai, kita tidak aka pernah bisa memisahkannya dari baterai- Kedua titrk a dan b pada gambar menunjukkan dua terminal baterai. Yang kita ukur adalah tegangan terminal V„ Ketika tidak ada arus yang ditarik dari baterai denan terminal sama dengan ggl, yang ditentukan oleh reaksi kimia baterai bagaimanapun, bila arus / mengalir dari baterai ada penurunan internal pada tegangan yang sama denean Jr Deng*} demikian tegangan terminal (tegangan sebenarnya yang diberikan) adalah Lihat, misalnya, Soal 25 dan Gambar 19-31 Sobagai contoh, jika baterai 12 V mempunyai hambatan dalam 0,1 ohm, maka ketika 10 A mengalir dari baterai, tegangan terminal adalah 12V-(10 A)(0,1 ohm)-ohmV. Hambatan dalam baterai biasanya kecil. Misalnya, sebuah baterai senter biasa ketika baru mempunyai hambatan dalam sekitar 0,05 ohm. (Bagaimana pun, makin lama dan elektrolit makin keering, hambatan dalam berlambah sampai boborapa ohm). Baterai mobil mempunyai hambatan dalam yang lebih rendah lagi. Menganalisa suatu rangkaian. Baterai 0,0 V dongan hambatan dalam r sobosar 0,50ohm dihubungkan pada rangkaian seperti pada Gambar 19-10a. (n) Borapa bosar arus yang ditarik dari baterai? ((>) Borapa tegangan terminal baterai? (r) Borapa arus pada resistor 6,0 ohm? PENYELESAIAN

20

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Pertama, kita tentukan hambatan ekivalen rangkaian. Tetapi di mana kita mulai? Kita lihat bahwa resistor 4,0 ohm dan 8,0 ohm terangkai paralel, sohingga mcmiliki hambatan ekivalen Rek

to.o n

sehingga R,kl = 2,7 ohm. Hambatan 2,7 ohm ini seri dongan resistor 6,0 ohm, seperti pada Gambar 19-10b; sohingga hambatan total bagian bawah rangkaian adalah

10.11 u

Rm = 6,0 ohm + 2,7 ohm - 8,7 ohm,

sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1910c. Hambatan ekivalen R ek dari hambatan 8,7 ohm dan 10,0 ohm dalam hubungan paralel dinyatakan dengan _J ___ + 1 = 0,21 1 10,0 11 8,7 11 1 R ek3 n, sehingga Rck3 = (1/0,21 11 ') = 4,8 11. Hambatan 4,8 11 ini seri dengan resistor 5,0 H dan hambatan dalam 0,50 11 pada baterai (Gambar 19-10d), sehingga hambatan ekivalen total Rrk dari rangkaian adalah Rok = 4,8 11 + 5,0 11 + 0,50 11 = 10,3 11. (b) Tegangan terminal baterai adalah GAMBAR 19-10 Rangkaian untuk Contoh 19-7. di mana r adalah hambatan dalam batcrai. V„„ = 9,0 V - (0,87 A)(0,50 11) = 8,6 4.8 n V. (c) Sekarang kita dapat bekerja ke belakang dan menghitung arus pada resistor 6,0 11. Nilainya harus sama dengan arus melalui 8,7 11 seperti pada Gambar 19-10c (mengapa?). Tegangan pada 8,7 11 yang ditunjukkan akan merupakan ggl dari baterai dikurangi ponurunan tegangan

GGL Seri dan Paralel; Memuati Baterai

Bila dua atau lebih sumber ggl, seperti baterai, disusun seri, tegangan total merupakan jumlah aljabar dari tegangan masing-masing. Sebagai contoh, jika dua baterai senter 1,5 V dihubungkan seperti pada Gambar 19-14a, tegangan Va pada senter, dinyatakan dengan hambatan R, adalah 3,0 V. (Untuk tepatnya, kita juga harus memperhitungkan hambatan dalam baterai, tetapi kita anggap kecil). Di pihak lain, bila baterai 20 V dan 12 V dihubungkan bersebrangan seperti ditunjukkan pada Gambar 19-14b, tegangan total V. Berarti, muatan tes positif yang bergerak dari a ke b mendapatkan potensial 20 V, tetapi ketika melewati dari b ke c akanterjadi penurunan . sehingga penurunannya 8V Anda mungkin berpikir bahwa menghubungkan baterai berlawanan seperti ini akan sia-siadan untuk sebagian besar kasus hal ini memang benar. Pada Gambar 19-14b, electron-elektron dipaksa kedalam terminal negatifnya dan dilepaskan dari tenrimal

8

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

positif. Generator mobil menjaga agar baterai termuati dengan cara yang sama. Sebuah voltmeter 12 V diletakan melintasi baterai mobil dengan mesin yang berjalan dengan cukup cepat untuk memberitahu anda apakah generator tersebut sedang memuati baterai. Jika ya, voltmeter menunjukan 13 atau 14V. jika baterai sedang tidak termuati, teangan akan turun dibawah 12 volt Karen baterai sedang melepaskan muatan. Baterai obil dapat dimuati kembali, tetapi baterai lain mungkin tidak bisa karena reaksi kimia pada sebagian besar batcrai tidak dapat dibalik. Pada kasus seperti itu, penyusunan Gambar 19-14b akan merupakan pembuangan energi yang sia-sia.

Sumber-sumber ggl juga dapat disusun paralel, Gambar 19-14c. Penyusunan paralel tidak digunakan untuk menaikkan tegangan, melainkan untuk menvediakan lebih banyak energi jika dibutuhkan arus yang besar (seperti untuk menghidupkan mesin diesel). Masing-masing sel pada rangkaian paralelharus menghasilkan sebagian saja dari arus total, sehingga kehilangan yang disebabkan oleh hambatan dalam lebih kecil dari untuk suatu sel tunggal; dan baterai akan mati lebih lambat. Rangkaian dengan Kapasitor Seri dan Paralel

Sebagaimana resistor dapat dirangkai seri atau paralel, demikian juga halnya dengan kapasitor (Bab 17). Pertama kita lihat hubungan paralel seperti pada Gambar 19-15a. Jika baterai tegangan V dihubungkan ke titik a dan b,tegangan ini ada pada setiap kapasitor. Masing-masingnya mendapatkan muatan yang dinyatakan dengan Q, = C,V, Q2 = C2V, dan Q3 = C3P. Muatan total Q yang harus meninggalkan baterai adalah Q = Q, + Q2 + Q3 = C,P + C2V + C3P. Suatu kapasitor ekivalen tunggal yang akan berisi muatan Q yang sama pada tegangan V yang sama akan memiliki kapasitansi yang dinyatakan dengan Q = C*V. Dengan menggabungkan dua persamaan di atas, kita dapatkan CekP = CiV + C V+ C V 2 3 ' atau Cek = C, + C2 + C3. [paralel] (19-4) paralelKapasitor Efek total dari menghubungkan kapasitor secara paralel adalah untuk menaikkan kapasitansi. Hal ini masuk akal karena pada intinya kita menambah luas pelat-pelat di mana muatan dapat tertumpuk (lihat Persamaan 176). Jika kapasitor dihubungkan seri, seperti pada Gambar 19-15b, muatan +Q mengalir dari baterai ke salah satu pelat C,, dan -Q mengalir dari satu pelat Cy Daerah A dan B di antara kapasitor asalnya netral, sehingga muatan total di sana harus tetap nol. +Q di pelat kiri C2 menarik muatan -Q pada pelat yang berlawanan. Karena daerah A harus memiliki muatan total nol, maka +Q ada di pelat kiri C2. Pertimbangan yang sama berlaku untuk kapasitor yang lain, sehingga kita lihat bahwa muatan pada setiap kapasitor adalah sama, yaitu Q.

11

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Suatu kapasitor tunggal yang bisa menggantikan tiga ini secara seri tanpa mempengaruhi rangkaian (yaitu, Q dan V sama) harus memiliki kapasitansi C.k yang dinyatakan dengan Q* =cv. Sekarang tegangan total V pada ketiga kapasitor seri harus sama dengan jumlah tegangan masing-masing:

12

SUMBER 3

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Hugh D. Young Carnegie Mallow University Roger A. Freedman University of California. Santa Barbara Pengarang Pendamping T. R. Sandin Nodh Carotrvi AST Stata UmverMy A. Lewis Ford Texas A&M Ursvorsity SIKA l'NIV ERSITAS/Editi KesepuluhUilid 2 Hugh D. Young & Roger A. Freedman Judul Asli UNIVERSITY PHYSICS Tenth Edition Hugh D. Young & Roger A. Freedman Copyright 02000 by Addison Wesley Longman. Inc. Translation Copyright O 2001 by Penerbit Erlangga. All Rights Reserved. Authorized translation from English language edition published by Addison Wesley Longman. Inc Hak terjemahan dalam Bahasa Indonesia pada Penerbit Erlangga. berdasarkan perjanjian resmi pada tunggal 23 Oktober 2001. Alih Bahaui Pantur Silaban Intniut Teknologi Bandung Editor Amalia Safari. S.TP. M Si. Santika. S.T.. M.M Buku ini diset dan dilayout oleh Bagian Produksi Penerbit Erlangga dengan Power Mac G4 (Times 10 pt). Setting : Tim Perti Departemen Setting Percetakan : PT (ielora Aksarn Pralama 07 06 05 04 8 7 6 5 4 3 2 1 Dilarang keras mengutip, menpplak. memperbansak. mem/otokopi. baik sebagian maupun keseluruhan isi buku ini serta memperjualbelikannya tanpa izin tertulis dan Penerbit Erlangga

14

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

27-1 PENDAHULUAN Jika Anda melihat bagian dalam TV Anda, komputer Anda, atau penerima stereo Anda atau di bawah kap mobil Anda. Anda akan menemukan rangkaian yang jauh lebih rumit daripada rangkaian sederhana yang telah kita kaji dalam Bab 26. Tidak peduli apakah disambungkan oleh kawat atau terintegrasi dalam sebuah chip semikonduktor, rangkaian ini seringkah memasukkan beberapa sumber, resistor, dan elemen rangkaian lain seperti kapasitor, transformator, dan motor, yang terinterkoneksi dalam sebuah jaringan (network). Dalam bab ini kita mengkaji metode umum untuk menganalisis jaringan seperti itu. termasuk bagaimana mencari tegangan yang tak diketahui, urus, dan sifat-sifat elemen rangkaian. Kita akan mempelajari bagaimana menentukan hambatan ekuivalen untuk beberapa resistor yang disambungkan seri atau paralel. Untuk jaringan yang lebih umum kita memerlukan dua kaidah yang dinamakan kaidah-kaidah Kirchhoff. Salah satu kaidah itu didasarkan pada prinsip kekekalan muatan yang diterapkan pada persambungan (junction); yang satu lagi diturunkan dari kekekalan energi untuk sebuah muatan yang bergerak mengitari sebuah simpai tertutup (closed loop). Kita akan mendiskusikan instrumen untuk mengukur berbagai kuantitas listrik. Kita juga melihat sebuah rangkaian yang memiliki hambatan dan kapasitansi. yang di dalamnya anis berubah seiring waktu. Perhatian kita yang utama dalam bab ini adalah rangkaian arus searah (direct current, dc). yang di dalamnya arah arus tidak berubah seiring waktu. Lampu senter dan sistem sambungan kawat mobil adalah contoh-contoh rangkaian arus searah. Daya listrik rumah tangga disuplai dalam bentuk arus bolak-balik [alternating current, ac). di mana arus berosilasi bolak-balik. Prinsip yang sama untuk menganalisis jaringan berlaku untuk kedua jenis rangkaian, dan kita menutup bab ini dengan mengkaji sistem sambungan kawat rumah tangga. Kita akan mendiskusikan arus bolak-balik secara rinci dalam Bab 32. 27-2 RESISTOR DALAM SAMBUNGAN SERI DAN PARALEL Resistor terdapat dalam semua jenis rangkaian, mulai dari pengering rambut dan pemanas mangan sampai pada rangkaian yang membatasi atau membagi arus. atau mereduksi atau membagi tegangan. Rangkaian seperti itu seringkah memiliki beberapa resistor, sehingga wajar untuk meninjau gabungan resistor. Sebuah contoh sederhana adalah serentetan bola lampu yang digunakan untuk dekorasi liburan, dengan setiap bola bertindak sebagai sebuah resistor, dan dari perspektif analisis rangkaian serentetan bola lampu itu hanyalah merupakan gabungan resistor.

Anggaplah kita mempunyai tiga resistor dengan besar hambatan R1. R2. dan R3 Gambar 27-1 memperlihatkan empat cara yang berbeda untuk menghubungkan ketiga resistor itu di antara titik a dan titik b. Bila beberapa elemen rangkaian seperti resistor, aki. dan

25

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

motor disambungkan dalam barisan seperti dalam Gambar 27-la, dengan hanya sebuah lintasan arus tunggal di antara titik-titik itu. kita mengatakan bahwa elemen-elemen rangkaian itu disambungkan seri. Kita meng kaji kapasitor yang disambung seri dalam Subbab 25-3; kita mendapatkan bahwa karena kekekalan muatan, maka kapasitorkapasitor yang disambung sen semuanya mempunyai muatan yang sama jika kapasitorkapasitor itu pada mulanya tidak bermuatan. Dalam rangkaian seringkah kita lebih berminat mempelajari arus itu. yakni aliran muatan per satuan waktu.

Resistor-resistor dalam Gambar 27-1 b dikatakan tersambung paralel di antara titik a dan titik b. Setiap resistor menyediakan sebuah lintasan alternatif di antara titik-titik itu. Untuk elemen-elemen rangkaian yang disambung paralel, selisih potensial adalah sama melalui setiap elemen. Kita mempelajari kapasitor-kapasitor yang disambung paralel dalam Subbab 25-3.

Dalam Gambar 27-lc. resistor 𝑅2 , dan 𝑅3 , adalah paralel, dan gabungan ini adalah seri dengan 𝑅1 . Dalam Gambar 27-Id. 𝑅2 , dan 𝑅3 , adalah seri, dan gabungan ini adalah paralel dengan 𝑅1 .

Untuk sebarang gabungan resistor kita selalu dapat mencari sebuah resistor tunggal yang dapat menggantikan gabungan itu dan menghasilkan anis total dan selisih potensial yang sama. Misalnya, serentetan bola lampu dapat digantikan oleh sebuah bola lampu tunggal yang dipilih secara tepat, yang akan menarik arus yang sama dan mempunyai selisih potensial yang sama di antara terminal-terminal seperti rentetan bola lampu semula. Hambatan tunggal dari resistor ini dinamakan hambatan ekuivalen (equivalent resistance) dan gabungan itu. Seandainya jaringan yang manapun dalam Gambar 27-1 digantikan oleh hambatan ekuivalen 𝑅𝑐𝑘 . kita dapat menuliskan 𝑉𝑎𝑏 = 𝐼𝑅𝑐𝑘 atau 𝐼𝑅𝑐𝑘 = 𝑉𝑎𝑏 /𝐼

26

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

di mana adalah selisih potensial di antara terminal a dan terminal b dari janngan itu dan / adalah arus di titik a atau titik b.

27

SUMBER 4

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

A. Katoda Umumnya saat penggunaan anoda standard, maka digunakanlah sebuali katoda untuk menghindari terjadinya korosi. Namun pada penggunaannya pada strainer maupun pada seachest, jika peralatan tersebut tidak dipasang anti korosi sendiri, maka sebaiknya katoda dapat berupa isolated(dedicated) atau dapat dipasang pada grounding kapal. Dedicated Cathode Arrangement

• (4)

Stalnlecs Stool Cathode The anode and the cathode are isolated from the hall Gambar 10. Pemasangan katoda B. Menghitung Tahanan Kabel pada Sirkuit DC Untuk mengetahui besamya tahanan yang timbul pada kabel yang menghubungkan setiap anoda pada seachest dengan connection box dengan menggunakan kabel Tabel IV. 2 Perhitungan Tahanan Kabel Kabel Ld Re N c Rc (Q.) (m) (£i/m Anoda 10 0.01 2 1 0.061 Con. 2 Con. 0.01 Box 15 £T2-.- 2 2 0.046 Box 2 .. DPU 2 Rc : 0.107

berinti satu dan kabel yang menghubungkan connection box dengan DPU yang terdiri dari transformer rectifier. Maka dari itu digunakanlah rumusan sebagai berikut (Sulistijono, 1999) Lcx Re c N x c ' Dimana : Rc : Besarnya tahanan pada kabel (Q) Lc : Panjang kabel (m) Re : Tahanan spesifik kabel (Q/m) N : jumlah kabel yang diparalel c : jumlah inti pada kabel

26

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Untuk jumlah kabel yan diparalel dan panjang setiap kabel dilakukan asumsi yang sesuai Error! Reference source not found.. Untuk tahanan spesifik kabel dan jumlah inti kabel disesuaikan dengan jenis kabel yang digunakan sesuai yang terlampir pada lampiran 14. Untuk mempermudah dalam perhitmigan, perhitungan akan dilakukan dengan tabel berikut : a. Menghitung Total Tahanan pada Sirkuit DC Untuk menghitung total tahanan pada sirkuit DC, maka digunakan penjumlahan antara tahanan pada anoda -elektroiit dengan tahanan pada kabel, sehingga total tahanan pada sirkuit DC (Sulistijono, 1999) R, : Rv + Rc ........................... 7$5) Dimana : Rv : Besar tahanan pada anoda - elektroiit (Q) Rc : Besar tahanan pada kabel (Q) Sehingga besarnya tahanan total pada sirkuit DC ini adalah Rt : 0.19+0,107 Rt : 0.297 Q b. Menghitung Tegangan DC untuk Setiap Anoda Untuk menghitung suplai tegangan yang bisa dilakukan oleh transformer rectifier maka digunakan rumusan di bawah ini (Sulistijono, 1999) VA : [(It x Rt) x (1+ SF)] + Remf ... (6) Dimana : VA : Tegangan DC keluaran TR (Volt) It : Total Kebutuhan Arus Proteksi (A) Rt : Total hambatan sirkuit DC (Q) SF : Faktor keamanan TR (20%) Bemf : Tegangan balik 2 volt Sehingga tegangan DC untuk disuplai ke setiap anoda yang terpasang adalah VA : [(It x Rt) x (1+ SF)] + Bemf : [(4.16 x 0,297 x (1+0.2)] +2 : 3,49 Volt c. Menghitung Losses Tegangan DC Karena pada setiap meter kabel terdapat kehilangan tegangan maka untuk memastikan bahwa setiap anoda mendapatkan suplai tegangan 3,49 volt, maka perlu ditambahkan losses akibat panjang kabel Dari spesifikasi marine cable jpyang digunakan, untuk kabel ukuran 1 x 1.5 nun2 mempunyai losses sebesar 34 mV/A.m dan mituk kabel dengan ukuran

27

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

2 x 1.5 mm2 mempunyai losses sebesar 35 mV/A.m sesuai dengan spesikasi marine cable yang ada pada lampiran. Sehingga losses setiap kabel dapat diketahui, yaitu • Anoda ke Connection Box (1 x 1.5 mm2) = 34 mV/A.m = 35,36 mV/m (arus yang mengalir 1,04 A) = 282.88 111 (panjang kabel 8 m) •

•

a.

= 0.283 V Connection Box ke DPU (2 x 1.5 mm2) = 35 mV/A.m = 72.8 mV/m (arus yang mengalir 2,08 (panjang kabel 12 m)

IAC ~' IAC ~'

A) = 873.6 mV

= 0,874 V Total Losses Tegangan Vi = 0,283 V + 0,874 V = 1.16 V

Menghitung Tegangan DC Transformer Rectifier

Setelah besamya tegangan DC dan besar losses tegangan sudah diketahui, maka besarnya tegangan yang haras disuplai oleh transformer rectifier adalah VA + V! 3,49+1.16 4.65 Volt Menghitung Suplai Arus AC untuk Transformer Rectifier Untuk menyuplai transformer rectifier yang sudah ada yaitu Vn dengan spesifikasi 240 volt/50-60 Hz, single phase sesuai dengan lampiran 6. Dibutuhkan besar arus AC yang dibutuhkan sesuai dengan rumusan berikut 1dcxvdc VAC X TJTRX cos b.

Dimana : IDc : Arus DC keluaran transformer rectifier (A) VDc : Tegangan DC keluaran transformer rectifier (V)

28

SUMBER 5

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

1. Baterai Baterai adalah perangkat yang mengandung sel listrik yang dapat menyimpan energi yang dapat dikonversi menjadi daya. Baterai menghasilkan listrik melalui proses kimia. Baterai atau akkumulator adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berkebalikan ) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan reaksi elektrokimia reversibel adalah didalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik ( proses pengosongan ) dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia ( proses pengisian ) dengan cara proses regenerasi dari elektroda - elektroda yang dipakai yaitu, dengan melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan didalam sel. Baterai terdiri dari dua jenis yaitu, baterai primer dan baterai sekunder. Baterai primer merupakan baterai yang hanya dapat dipergunakan sekali pemakaian saja dan tidak dapat diisi ulang. Hal ini terjadi karena reaksi kimia material aktifnya tidak dapat dikembalikan. Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang, karena material aktifnya didalam dapat diputar kembali. Kelebihan dari pada baterai sekunder adalah harganya lebih efisien untuk penggunaan jangka waktu yang panjang. Jenis - jenis baterai a. Baterai Asam (Lead Acid Storage Acid) Baterai asam yang bahan elektrolitnya adalah larutan asam belerang (sulfuric acid = H2SO4) . Didalam baterai asam, elektroda - elektroda nya terdiri dari plat - plat timah peroksida PbO2 (Lead Peroxide) sebagai anoda (kutub positif) dan timah murni Pb (lead sponge) sebagai katoda (kutub negatif) Ciri - ciri umumnya a. Tegangan nominal per sel 2 volt b. Ukuran baterai per sel lebih besar dibandingkan dengan baterai alkali. c. Nilai berat jenis elektrolit sebanding dengan kapasitas baterai. d. Suhu elektrolit sangat mempengaruhi terhadap nilai berat jenis elektrolit, semakin tinggi suhu elektrolit semakin rendah berat jenis dan sebaliknya. b. Baterai Basa / Alkali (Alkaline Storage Battery) Baterai alkali bahan elektrolitnya adalah larutan alkali Ciri- ciri umum ( tergantung pabrik pembuat ) adalah sebagai berikut: a. Tegangan nominal per sel adalah 1,2 volt b. Nilai jenis berat elektroit tidak sebanding dengan kapasitas baterai. c. Umur baterai tergantung pada penggunaan dan perawatan, biasanya dapat mencapai 15 - 20 tahun.

30

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

2. Kapasitas Baterai Kapasitas baterai merupakan kemampuan baterai menyimpan daya listrik atau besarnya energi yang dapat disimpan dan dikeluarkan oleh baterai. Besarnya kapasitas, tergantung dari banyaknya bahan aktif pada plat positif maupun plat negatif yang bereaksi, dipengaruhi oleh jumlah plat tiap-tiap sel, ukuran, dan tebal plat, kualitas elektrolit serta umur baterai. Kapasitas energi suatu baterai dinyatakan dalam ampere jam (Ah), misalkan kapasitas baterai 100 Ah 12 volt artinya secara ideal arus yang dapat dikeluarkan sebesar 5 ampere selama 20 jam pemakaian. Besar kecilnya tegangan baterai ditentukan oleh besar / banyak sedikitnya sel baterai yang ada di dalamnya. Sekalipun demikian, arus hanya akan mengalir bila ada konduktor dan beban yang dihubungkan ke baterai. Kapasitas baterai juga menunjukan kemampuan baterai untuk mengeluarkan arus (discharging) selama waktu tertentu, dinyatakan dalam Ah (Ampere - hour). Berarti sebuah baterai dapat memberikan arus yang kecil untuk waktu yang lama atau arus yang besar untuk waktu yang pendek. Pada saat baterai diisi (charging), terjadilah penimbunan muatan listrik. Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat ditampung oleh baterai disebut kapasitas baterai dan dinyatakan dalam ampere jam (Ampere - hour), muatan inilah yang akan dikeluarkan untuk menyuplai beban ke pelanggan. Kapasitas baterai dapat dinyatakan dengan persamaan dibawah ini :Ah = Kuat Arus (ampere) x waktu (hours) 2.1 Dimana :

Ah = kapasitas baterai aki I = kuat arus (ampere) t = waktu (jam/sekon)

3. Prinsip kerja baterai 1. Proses pengosongan ( discharge ) pada sel berlangsung menurut gambar. Jika sel dihubungkan dengan beban maka, elektron mengalir dari anoda melalui beban melalui beban katoda, kemudian ion - ion negatif mengalir ke anoda dan ion - ion positif mengalir ke katoda. 2. Pada proses pengisian menurut gambar dibawah ini adalah bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda dan proses kimia yang terjadi adalah sebagai berikut:

31

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Gambar 2.4 Proses pengosongan dan pengisian baterai

1. 2. 3.

Aliran elektron menjadi terbalik, mengalir dari anoda melalui power supply ke katoda. Ion - ion negatif mengalir dari katoda ke anoda. Ion - ion positif mengalir dari anoda ke katoda

Jadi, reaksi kimia pada saat pengisian (charging) adalah kebalikan dari saat pengosongan (discharging) . 4. Berdasarkan elektrolitnya Jenis baterai berdasarkan jenis elektrolitnya terdiri dari sel basah ( baterai basah) dan sel kering ( baterai kering ). Baterai basah mempunyai ciri - ciri antara lain elektrolitnya berbentuk cair, kapasitas umumnya besar dan bentuk fisik umumnya besar. Sedangkan, baterai kering mempunyai ciri - ciri antara lain elektrolitnya berbentuk pasta, bentuk fisik umumnya lebih kecil dari baterai basah. 5. Elemen elektrokimia Adalah elemen yang dapat menghasilkan energi listrik dari energi kimia selama reaksi kimia berlangsung. Elemen ini terdiri dari elektrodaelektroda positif (ANODA), elektroda negatif (KATODA) dan elektrolit. 6. Generator Arus Searah Generator adalah alat untuk menghasilkan listrik dari energi mekanik. 7. Gaya gerak listrik (ggl) Gaya gerak listrik (GGL) adalah besarnya energi listrik yang berubah menjadi energi bukan listrik atau sebaliknya, jika satu satuan muatan melalui sumber itu, atau kerja yang dilakukan sumber arus persatuan muatan.

32

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

8.

Persamaan rangkaian arus searah

Bila beberapa elemen (n buah elemen) yang masing- masing mempunyai GGL e Volt disusun secara seri, kuat arus yang timbul:

e = gerak gaya listrik (Joule/Coulomb = Volt) R = hambatan listrik (ohm) I = arus listrik (Ampere)

Daya Listrik USAHA LISTRIK (dalam satuan joule) yang diperlukan Untuk memindahkan muatan q (dalam satuan coulomb) melintasi beda potensial V (dalam satuan volt) ialah: usaha =a V Apabila q dan V telah diberi tandanya menurut aturan yang berlaku, maka dengan sendirinya tanda pada ussin juga tepat. Maka T, untuk memindahkan muatan positif melintasi potensial yang naik, kita harus melakukat usaha pada muatan itu. DAYA LISTRIK (satuan watt) yang dihasilkan sumber energi dalam membawa muatan q (dalam satu* coulomb) melintasi potensial yang naik V (dalam satuan volt) dalam waktu t (dalam satuan detik) ialah:

33

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

daya yang diberikan 𝑢𝑠𝑎ℎ𝑎 𝑉𝑞 = 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑡 Karena q/t I rumus ini dapat pula ditulis sebagai: daya yang diberikan = V I dengan I dalam satuan ampere. Daya yang hilang dalam hambatan didapatkan dengan mengubah lambang V dalam VI mencari IR, atau dengan menggantikan I dalam VI dengan V / R sehingga diperoleh: daya yang hilang dalam hambatan * VI = I2.R=

𝑣2 𝑅

Kalor yang timbul setiap detik dalam sebuah hambatan adalah sama dengan daya yang hilang hambatan itu. kalor yang timbul (dalam satuan joule) per detik =VI = I2R Karena 1 J = 0,239 kal. Maka kalor yang timbul (dalam satuan kalori) per detik = 0,239 VI = 0,239 12R Faktor-faktor konversi: 1 w = 1 j/s = 0,239 kal/s = 0,738 ft • lb/s 1 kw = 1,341 hp = 56,9 btu/menit 1 hp = 746 w = 33 000 ft • lb/menit = 42,4 btu/menit 1 kw • h = 3,6 x 106 j = 3,6 mj Soal-soal yang Dipecahkan Hitunglah usaha dan daya rata-rata yang diperlukan untuk memindahkan muatan 96 000 C i kenaikan potensial 50 V dalam waktu satu jam. usaha =qV = (96 000 CK50 V) =4,8 x 106 J = 4,8 MJ daya =

𝑈𝑆𝐴𝐻𝐴 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢

= 4,8. 106 j / 3600 = 1,33 KW

Sumber Arus Searah Sumber arus searah merupakan penghasil ggl arus searah. Gaya gerak listrik ini dihasilkan dari pengubahan energi kimia menjadi energi listrik oleh elemen yang disebut elemen elektrokimia. Elemen elektrokimia umumnya terdiri dari dua batang logam yang dimasukkan dalam suatu larutan elektrolit atau larutan pereaksi. Larutan elektrolit dapat berbentuk cairan atau pasta. Ide elemen elektrokimia ini sebenamya cukup

34

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

sederhana. Anggap sebuah elemen elektrokimia yang terdiri dari batang A dan batang B. Kedua batang ini dimasukkan dalam sebuah bejana berisi larutan elektrolit seperti pada gambar. Larutan elektrolit dapat menyebabkan terjadinya reaksi kimia dibatang A dan B. Reaksi kimia ini menyebabkan A bermuatan positif dan B bermuatan negatif, sehingga timbul beda potensial antara kedua batang. Pada waktu kedua batang dihubungkan dengan kawat (lampu) elektron di B akan mengalir ke A dan berusaha menetralkan batang A. Namun proses penetralan ini dicegah oleh reaksi kimia yang terus menerus mempertahankan beda potensial antara batang A dan batang B. Dengan demikian aliran elektron berlangsung terus secara kontinu tanpa berhenti

Jenis Elemen Elektrokimia Elemen elektrokimia yang banyak dikenal orang ada 2 maram•

•

Elemen Primer yaitu elemen elektrokimia yang memerlukan pergantian bahanbahan pereaksi setelah bahan-bahan ini tidak menimbulkan reaksi kimia lagi. Contoh elemen primer adalah: elemen volta dan elemen kering (baterai). Elemen sekunder yaitu elemen elektrokimia yang bahan-bahan pereaksinya dapat diperbaharui kembali setelah mereka tidak berfungsi. Contoh elemen sekunder adalah: akumulator (accumulator).

Tabel 4 menunjukkan perbandingan kedua elemen di atas: Tabel 4

35

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Perbandingan harga ukuran waktu hidup bahan pereaksi massa

Primer murah

Sekunder mahal agak besar cukup lama dapat diperbaharui berat

kecil tidak lama tidak dapat diperbaharui ringan

Elemen Primer ada 2 macam:  

Elemen basah: elektrolitnya berupa cairan, misalnya elemen volta Elemen kering: elektrolitnya berupa pasta, misalnya baterai Elemen Volta Elemen volta Elemen volta ditemukan oleh volta pada permulaan abad 19. Secara sederhana elemen ini terdiri dari 2 batang logam misalnya seng dan tembaga yang dicelyupkan larutan asam sulfat. .

Larutan asam sulfat mampu melarutkan sebagian kecil batang seng menjadi ion-ion positif Zn2+ menurut reaksi Zn - Zn2+ + 2e-. lon-ion ini akan meninggalkan batang seng sedangkan elektron tetap pada batang seng. Akibatnya batang seng menjadi bermuatan negatif. Dengan masuknya ion-ion seng (positif) ke dalam larutan, larutan akan semakin bermuatan positif. Muatan positif dalam larutan ini akan menarik elektron dalam batang tembaga. Akibatnya batang tembaga menjadi bermuatan positif. Jika kedua elektroda (seng dan tembaga) di hubungkan dengan sebuah lampu pijar elektron akan bergerak dari elektroda negatif (seng) melewati lampu pijar, menuju elektroda positif (tembaga). Gerakan elektron ini, menimbulkan arus yang

36

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

menyebabkan lampu menyala.

Pada elemen Volta di atas, nyala lampu tidak berlangsung lama. Hal ini disebabkan karena telah beberapa waktu, keping-keping elektroda tertutup oleh gas-gas hidrogen yang merupakan hasil sampingan reaksi kimia yang teijadi. Peristiwa menumpuknya gas hidrogen berupa gelembung-gelembung udara di keping elektroda ini dinamakan polarisasi. Untuk menghilangkan efek ini, dalam larutan elektrolit harus dimasukkan depolarisator yang berfungsi menyemp gasgas ini. Pada elemen volta depolarisatornya adalah larutan tembaga sulfat (Cuso4) Larutan ini akan menyerap gas hidrogen yang terbentuk, sehingga lampu bisa menyala lebih lama. Gambar 14.52 melukiskan elemen volta yang sudah diberi depolarisator (dinamakan elemen Daniell). batang seng (Zn)+

37

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

38

Daftar PUSTAKA

Giancoli, Douglas.C. 2001. Fisika Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga

Kho, dickson. 2017. Diunduh dari: http://teknikelektronika.com/caramenggunakan-multimeter-multitester/ kho dickson.2017. diakses pada 23 November 2017. Rosyid, Muhammad Farchani, DKK. 2017. Kajian Konsep Fisika 3. Solo: PT Tiga Serangkai Pustaka Mandiri Young, D Hugh, DKK. 2001. Fisika Universitas Edisi 10. Jakarta: Erlangga Panjaitan, marison feriandi.2015. Analisa Penggunaan Arus Searah (Dc) Pada Impressed Current Anti Fouling (Icaf) Sebagai Pencegahan Terjadinya Fouling Pada Cooling System. Jurusan teknik sistem perkapalan ftk - its kampus its sukolilo surabaya 60111

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

RANGKAIAN ARUS SEARAH 1 https://www.youtube.com/watch?v=bqD9yLxD0uI RANGKAIAN ARUS SEARAH 2 https://www.youtube.com/watch?v=cRjJl_AgcHc MEMBUAT BATERAI DARI ARANG https://www.youtube.com/watch?v=MdU5CTzBjos

40

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

SOAL INTERAKTIF

1.

Perhatikan rangkaian listrik berikut. Besar kuat arus yang mengalir pada hambatan 4 Ω adalah…

A. 1,0 A B. 1,2 A C. 1,6 A D. 2,4 A E. 3,2 A

41

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

PEMBAHASAN SOAL INTERAKTIF

1.

Perhatikan rangkaian listrik berikut. Besar kuat arus yang mengalir pada hambatan 4 Ω adalah…

A. 1,0 A B. 1,2 A C. 1,6 A D. 2,4 A E. 3,2 A Pembahasan Diketahui : Resistor 1 (R1) = 6 Ω Resistor 2 (R2) = 4 Ω Resistor 3 (R3) = 1,6 Ω Tegangan listrik (V) = 16 Volt Ditanya : Kuat arus yang mengalir pada hambatan 4 Ω Jawab : Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arah arus listrik pada rangkaian di atas sama dengan arah putaran jarum jam. Kuat arus yang mengalir keluar dari baterai Resistor pengganti : Resistor R1 dan resistor R2 tersusun paralel. Resistor pengganti adalah : 1/R12 = 1/R1 + 1/R2 = 1/6 + 1/4 = 2/12 + 3/12 = 5/12 R12 = 12/5 = 2,4 Ω Resistor R12 dan resistor R3 tersusun seri. Resistor pengganti adalah : R= R12 + R3 = 2,4 + 1,6 = 4 Ω Kuat arus yang mengalir keluar dari baterai : I = V / R = 16 / 4 = 4 Ampere Kuat arus yang mengalir keluar dari baterai adalah 4 Ampere. Tegangan listrik Vab dan Vbc

Berdasarkan hukum I Kirchhoff disimpulkan bahwa jika arus listrik yang keluar dari baterai adalah 4 Ampere maka arus listrik yang melewati a-b sama dengan 4 Ampere, demikian juga arus listrik yang melewati b-c adalah 4 Ampere. Tegangan listrik Vab : Vab = Iab Rab = (4)(2,4) = 9,6 Volt Tegangan listrik Vbc : Vbc = Ibc Rbc = (4)(1,6) = 6,4 Volt Rangkaian di atas tersusun secara seri sehingga tegangan listrik total adalah V = V ab + Vbc = 9,6 Volt + 6,4 Volt = 16 Volt.

42

FISIKA SMA KELAS XII – RANGKAIAN ARUS SEARAH (DC)

Kuat arus listrik yang melalui R2 = 4 Ω I1 = Vab / R1 = 9,6 Volt / 6 Ohm = 1,6 Ampere I2 = Vab / R2 = 9,6 Volt / 4 Ohm = 2,4 Ampere Arus listrik yang mengalir keluar dari baterai adalah 4 Ampere. Ketika tiba di titik a, arus listrik terbagi menjadi dua, arus listrik 1,6 Ampere mengalir melalui resistor R 1 dan arus listrik 2,4 Ampere mengalir melalui resistor R2. 1,6 Ampere + 2,4 Ampere = 4 Ampere. Hal ini sesuai dengan pernyataan hukum I Kirchhoff. Jawaban yang benar adalah D.

43