9.5.3 | Listrik Dinamis | Sumber Listrik dan Sumber Energi Listrik

 A. Sumber Listrik

Secara umum, sumber arus listrik terdiri atas dua jenis, yaitu sumber arus searah (Direct Current = DC) dan sumber arus bolak-balik (Alternating Current = AC).

Listrik adalah energi, sehingga sesuai dengan hukum kekekalan energi, untuk menghasilkan energi listrik perlu adanya alat yang dapat mengubah energi lain menjadi energi listrik.

Contohnya, Elemen volta, baterai, dan akumulator (sumber arus DC) dihasilkan dari reaksi kimia (Perubahan energi kimia menjadi energi listrik) sehingga disebut juga sebagai elektrokimia.

B. Sumber-sumber Energi Listrik

Pada saat ini selain minyak bumi dan batubara, sedang dikembangkan sumber energi listrik alternatif lain seperti matahari, angin, air, dan bioenergi.

1. Energi Matahari

Melalui penggunaan panel surya, energi matahari dapat diubah menjadi energi listrik. Energi yang diperoleh saat matahari bersinar terang akan disimpan dalam baterai agar dapat digunakan saat cuaca mendung atau bahkan malam hari.

2. Energi Angin (Kincir Angin)

Energi gerak, yang dihasilkan oleh gerakan angin terhadap kincir, diubah oleh generator menjadi energi listrik.

3. Energi Air (Hydropower)

Air yang mengalir dari hulu ke hilir, khususnya pada sungai-sungai yang deras, dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin yang terhubung pada generator sehingga energi listrik dapat dihasilkan.

4. Bioenergi

Bioenergi adalah energi yang diperoleh dari biomassa. Biomassa merupakan bahan organik yang berasal dari makhluk hidup, baik dari tumbuhan maupun hewan.

Energi yang diperoleh dari biomassa ini dapat diubah menjadi energi listrik dengan cara mengolah biomassa menjadi bahan bakar nabati, misalnya etanol atau biodisel. Bahan bakar nabati ini selanjutnya dapat digunakan sebagai bahan bakar generator atau diesel untuk menghasilkan listrik.

C. Menghitung Energi Listrik

Besarnya energi listrik yang mengalir bergantung pada, (1) beda potensial/ tegangan listrik, (2) kuat arus listrik, dan (3) lama pemakaian. Jadi besarnya energi listrik dapat dihitung dengan persamaa:

W = V.I.t

Keterangan:

W = energi listrik (Joule)

V = beda potensial (volt)

I =  kuat arus listrik (ampere)

t = waktu (detik atau sekon)

Sesuai dengan hukum Ohm dimana V = I.R, maka ada beberapa alternatif persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung energi listrik, yaitu:

D. Daya Listrik

Daya listrik merupakan besarnya energi listrik yang digunakan untuk melakukan usaha tiap satuan waktu. Maka daya listrik dapat diihitung dengan persamaan, 

Keterangan :

P = daya listrik (watt)

W = energi listrik (joule)

t = waktu (detik atau sekon)

Contoh soal

1. Sebuah lampu bertuliskan 30W/ 220V pada kemasannya.  Apakah arti tulisan tersebut?

Jawab : 

Lampu tersebut dapat mengubah energi listrik menjadi energi cahaya sebesar 30 joule setiap sekon, jika dihubungkan pada sumber tegangan 220 Volt.

2. Berapa besar hambatan pada sebuah lampu yang bertuliskan 120 V dan 60 W?

Penyelesaian

Diketahui:

V = 120 volt

P = 60 W

Ditanya:

hambatan (R) = ...?

Jawab:

(persamaan diatas dapat kamu temukan dari hubungan hukum ohm dengan energi listrik)

Maka hambatan pada lampu sebesar 240Ω.

3. Sebuah televisi LCD memerlukan tegangan listrik sebesar 220 V dan  arus listrik sebesar 1,2 A untuk mengaktifkannya. Berapa daya listrik yang dihasilkannya?

Penyelesaian:

Diketahui:

V = 220 Volt

I = 1,2 A

Ditanya: 

Daya Listrik (P) = ...?

Jawab:

P = V x I

P = 220 V x 1,2 A

P = 264 Watt

E. Penggunaan Energi Listrik dalam Kehidupan Sehari-hari

Selain lampu, energi listrik juga dimanfaatkan untuk mengoperasikan berbagai alat hasil teknologi untuk menunjang kehidupan manusia. Sebagai contoh di dalam rumah, kita sering menggunakan peralatan listrik seperti televisi, lampu, setrika listrik, pemasak nasi, dan lain sebagainya.

Lalu bagaimanakan menghitung biaya rekening listrik setiap bulan?

Total biaya listrik setiap bulan yang dibayarkan kepada PLN dihitung sesuai penggunaan energi listrik di rumah. Melalui kWh meter yang biasa dipasang di rumah, petugas PLN setiap bulan mendatangi dan mencatat besar energi listrik yang telah digunakan.

Perhitungan biaya listrik dilakukan dengan mengalikan energi listrik yang terpakai dengan tarif dasar listrik per kWh.

Misalnya sebuah lampu dengan daya 10 watt dinyalakan dalam waktu 8 jam/hari selama 30 hari. Hitung biaya listrik jika tarif dasar listriknya Rp385,00,? 

Jawab

Karena lampu 10 watt artinya dalam 1 detik menggunakan energi listrik sebesar 10 joule, maka energi total yang digunakan lampu selama 30 hari adalah W = P × t = 10 × 8 × 30 = 2400 Wh = 2,4 kWh. 

Jika tarif dasar listriknya Rp385,00, maka biaya yang harus dibayarkan adalah 2,4 kWh x Rp385,00 = Rp924,00.

Read More

9.5.2 | Listrik Dinamis | Rangkaian Listrik

 

Rangkaian listrik dibedakan menjadi 2 yaitu, rangkaian listrik yang tidak memiliki percabangan kabel disebut rangkaian seri, dan rangkaian listrik yang memiliki percabangan  kabel disebut rangkaian paralel.

A. Hukum Ohm

Hukum OHM, menyatakan: jika tegangan listrik pada suatu rangkaian dinaikkan, kuat arus listrik dalam rangkaian tersebut akan naik; dan jika tegangan diturunkan, kuat arus akan turun. 

Dalam artian lain, hukum ohm menyatakan tegangan listrik berbanding lurus dengan kuat arus. Berdasarkan hukum ohm dapat dibuat persamaan,

V = I x R

Keterangan:

V= beda potensial atau tegangan (Volt/ V)

I = kuat arus (ampere/ A)

R = hambatan listrik (ohm/ Ω)

Contoh Soal

Arus listrik 4 A mengalir melalui sebuah resistor (hambatan) 10 ohm. Berapa tegangan listrik yang dibaca oleh volt meter yang dihubungkan pada ujung-ujung resistor?

Penyelesaian:

Diketahui: 

I = 4A

R = 10  Ω

Ditanya:

besar tegangan listrik = ...?

Jawab:

V = I x R

V = 4A x 10  Ω

V = 40 V

Jadi besar tegangan listrik adalah 40 Volt.

B. Hukum Kirchoff

Hukum Kirchoff, menyatakan : jumlah kuat arus yang masuk ke dalam titik cabang nilainya sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik cabang. 

Persamaan Hukum Kirchoff dapat dirumuskan sebagai berikut:

Σ I_masuk = Σ I_keluar  

Contoh Soal

tentukanlah besar arus pada I₂ jika diketahui besar arus pada      I₁ =2 A, I₃ = 4A,  I₄ = 2A, dan I₅ = 3A, seperti pada gambar berikut

Penyelesaian:

Diketahui

Berdasarkan gambar

I_masuk = I₁ dan I₂

I_keluar = I₃ , I₄ dan I₅

Ditanya =  I₂ 

Jawab:

Σ I_masuk = Σ I_keluar  

I₁ + I₂ = I₃ + I4 + I5

2A + I2 = 4A + 2A + 3A

I2 = 9A - 2A

I2 = 7A

Jadi, besar kuat arus pada I₂ adalah 7 ampere.

C. Kuat Arus, Hambatan, dan Tegangan pada Rangkaian Listrik

1. Rangkaian Seri

Pada rangkaian seri kuat arus bernilai sama, tetapi tegangannya berbeda-beda.

Contoh soal: 

Hitunglah besar hambatan pengganti pada suatu rangkaian yang disusun secara seri seperti pada gambar disamping jika diketahui R₁=3 Ω, R₂=2 Ω dan R₃= 4 Ω

Penyelesaian: 

Diketahui:

Rangkaian Seri

R₁=3 Ω

R₂=2 Ω

R₃= 4 Ω

Ditanya:

Rtot = ...?

Jawab:

Rtot = R₁ + R₂ + R₃

Rtot = 3 Ω + 2 Ω + 4 Ω

Rtot =  9 Ω

2. Rangkaian Paralel

Pada rangkaian paralel, tegangan listrik bernilai sama, tetapi kuat arusnya berbeda.

Contoh soal: 

Hitunglah besar hambatan pengganti pada suatu rangkaian Yang disusun secara paralel seperti gambar disamping jika  diketahui R₁=3 Ω, R₂=2 Ω dan R₃= 6 Ω

Penyelesaian:

Diketahui:

Rangkaian Seri

R₁=3 Ω

R₂=2 Ω

R₃= 6 Ω

Ditanya:

Rtot = ...?

Jawab:

Jadi, hambatan pengganti pada rangkaian listri tersebut adalah 1Ω

D. Hukum Ohm pada Rangkaian Tertutup

Gaya Gerak Listrik (GGL) merupakan besar tegangan yang tersimpan dalam sebuah elemen/ baterai sebelum digunakan dalam rangkaian listrik, sedangkan Tegangan jepit adalah tegangan yang dihasilkan diantara kutub-kutub baterai saat dihubungkan dengan suatu rangkaian sehingga ada arus yang mengalir. 

Menurut hukum Ohm,  Rumus kuat arus yang mengalir dalam rangkaian tertutup adalah: 

Keterangan:

I = kuat arus (A)

E = GGL (V)

R = hambatan luar (Ω)

r = hambatan dalam (Ω)

Contoh soal:

Gaya Gerak listrik (GGL) sebuah baterai adalah 6 Volt. Jika hambatan dalam baterai 1 Ω dan hambatan luar 2 Ω, hitunglah arus yang lewat dari rangkaian itu!

Penyelesaian:

Diketahui:

E = 6V

r = 1 Ω

R = 2 Ω

Ditanya:

I = ...?

Jawab:

I = 2 A

Jadi, besar kuat arus yang mengalir pada rangkaian tersebut adalah 2 ampere.

Read More

9.5.1 | Listrik Dinamis | Arus Listrik dan Hambatan Listrik

A. Arus Listrik

Arus listrik mengalir karena adanya perbedaan potensial listrik. Adanya beda potensial mendorong elektron untuk bergerak sehingga memicu aliran listrik dalam rangkaian. Ujung kawat penghantar yang memiliki banyak elektron (terhubung dengan kutub negatif baterai) dapat dikatakan memiliki potensial listrik yang rendah, sedangkan ujung kawat penghantar lainnya yang memiliki sedikit elektron (terhubung dengan kutub positif baterai) dapat dikatakan memiliki potensial listrik yang tinggi. 

Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah, sedangkan arah aliran elektron dari kutub negatif ke kutub positif. 

Arus listrik dapat mengalir karena semua komponen listrik tersambung. Rangkaian ini disebut dengan rangkaian tertutup. Jika salah satu rangkaian tidak tersambung, maka ini disebut rangkaian terbuka, akibatnya arus listrik tidak dapat mengalir.

Besarnya arus listrik yang mengalir dapat dihitung dengan persamaan, 

Keterangan:

I = kuat arus (ampere)

q = muatan listrik (coulomb,)

t = waktu (sekon)

Contoh: 

Arus listrik sebesar 5 mA mengalir pada suatu kawat penghantar selama 0,1 sekon. Berapakah besar muatannya?

Penyelesaian:

Diketahui:

I = 5 mA = 0,005 A

t = 0,1 sekon

Ditanyakan: 

besar muatan yang berpindah pada suatu kawat penghantar

Jawab:

Besar muatan listrik, 

Berdasarkan persamaan diatas, besar muatan listrik dapat dihitung dengan persamaan

q = I × t 

q = 0,005 A × 0,1 s 

q = 5 × 10^-4 C

Jadi, besar muatan yang berpindah pada suatu kawat penghantar adalah 5 × 10^-4 C.

B. Hambatan Listrik

Berdasarkan kemampuan bahan untuk menghantarkan arus listrik, bahan digolongkan menjadi konduktor, semikonduktor, dan isolator. 

1. Konduktor Listrik

Bahan-bahan yang dapat digunakan untuk menghantarkan listrik disebut dengan konduktor listrik. Contoh dari konduktor listrik adalah tembaga, perak, dan emas. Meskipun perak dan emas merupakan konduktor yang sangat baik, tetapi karena harganya yang sangat mahal, kabel rumah tangga biasanya menggunakan bahan dari tembaga.

2. Isolator Listrik

Bahan yang sangat buruk untuk menghantarkan listrik karena di dalam bahan ini elektron sulit mengalir disebut dengan Isolator Listrik. Contoh Isolator listrik adalah karet dan plastik.

3. Semikonduktor Listrik

Bahan semikonduktor listrik adalah bahan-bahan yang jika berada pada suhu rendah bersifat sebagai isolator, sementara pada suhu tinggi bersifat sebagai konduktor. Contoh bahan semikonduktor listrik adalah karbon, silikon, dan germanium. Pada bidang elektronika, bahan semikonduktor digunakan untuk membuat transistor yang kemudian dirangkai menjadi integrated circuit (IC).

Besar hambatan listrik suatu kawat dipengaruhi oleh hambat jenis kawat, panjang kawat, dan luas penampang kawat. 

Semakin kecil hambatan jenis suatu bahan, semakin baik kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan listrik.

Berikut hambatan jenis pada beberapa bahan.

Besar hambatan suatu kawat pengantar dapat dihitung dengan persamaan, 

Keterangan,

R = hambatan kawat (Ω)

ρ = hambatan jenis kawat (Ωm)

L = panjang kawat (m)

A = luas penampang kawat (m²)

Read More

9.4.2 | Hukum Coulomb - Medan Listrik - Beda Potensial

Tujuan Pembelajaran

Melalui  proses  mengamati,  menanya,  mengumpulkan  informasi,  mengolah  informasi dan mengkomunikasikan hasil mengolah informasi  peserta didik mampu:

1. Menerapkan rumus hukum Coulomb dalam bentuk soal hitungan
2. Menjelaskan sifat – sifat medan listrik
3. Menggambarkan medan magnet
4. Menerapakan rumus kuat medan listrik  dalam soal hitungan

==============================================

Hukum Coulomb

Dalam gejala listrik statis, terdapat gaya, yaitu tarik menarik (benda-benda yang bermuatan berbeda), dan tolak menolak (benda-benda yang bermuatan sama). Menggunakan neraca punter, Charles Augustin Coulomb (1736-1806) merumuskan Hukum Coulomb, yang berbunyi 

Besarnya gaya tarik menarik atau gaya tolak – menolak antara 2 benda yang bermuatan listrik, sebanding dengan besarnya muatan masing-masing dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut.

Secara matematis, gaya Coulomb (sesuai dengan hukum coulomb) dapat dirumuskan sebagai berikut:

Contoh Soal: 

Dua buah benda bermuatan listrik, masing – masing besarnya 4 x 10^-6C dan 6 x 10 ^-6 C. Kedua muatan tersebut, terpisah sejuh 2 cm. Hitunglah besarnya gaya Coulmb kedua muatan tersebut !

Penyelesaian : 

Diketahui :

Dua buah benda bermuatan listrik,

muatan benda 1 (q1) = 4 x 10^-6C 

muatan benda 2 (q2) = 6 x 10 ^-6 C

jarak kedua benda (r) = 2 cm = 2 x 10-2 m

Ditanya :

gaya Coulomb (F) = ...?

Jawab :

Berdasarkan hukum Coulomb:

Besar gaya kedua benda bermuatan adalah 540 N

Medan Listrik

Medan Listrik ialah daerah/ruang disekitar benda bermuatan listrik, yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik (gaya Coulomb).

Sifat  - sifat  medan listrik:

• Medan listrik digambarkan dengan garis khayal berbentuk lengkung.
• Garis-garis gaya listrik tidak pernah berpotongan.
• Garis-garis gaya listrik selalu mengarah keluar dari muatan. positif dan masuk menuju muatan negatif. 

Ingat !!!

Positif panahnya Keluar dan panahnya Masuk ke Negatif  - PoKeMaN

Semakin rapat garis-garis gaya listrik pada suatu tempat, maka medan listrik pada tempat tersebut semakin kuat dan sebaliknya.

Besarnya kekuatan yang dialami benda bermuatan pada medan listrik disebut dengan Kuat Medan Listrik. Kuat medan listrik dapat dirumuskan dengan persamaan,

Contoh Soal:

Gaya Coulomb yang dialami kedua muatan A dan B adalah 12x10^-9N, Jika besar muatan A sebesar 6x10^-6C  dan muatan uji B sebesar 5 x 10^-8 C, berapakah besar kuat medan listrik yang dirasakan muatan uji B oleh muatan A tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

Gaya Coulomb benda A dan B (F) = 12x10^-9N

Besar muatan  benda A (Q_A) = 6x10^-6C

Besar muatan benda B (Q_B) = 5 x 10^-8 C

Ditanya:

Kuat medan listrik pada benda B (E) = ...?

Jawab:

Berdasarkan soal, muatan yang digunakan adalah muatan pada benda B, maka

Jadi, kuat medan listrik yang dialami Benda B adalah 0,24 N/C.

Beda Potensial

Beda potensial listrik ialah besarnya energi potensial listrik yang digunakan untuk memindahkan muatan listrik dari suatu titik ke titik yang lainnya.

Cermatilah ketentuan dibawah ini !

1. Proton mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah

2. Elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi

3. Muatan listrik hanya dapat berpindah, jika diantara 2 titik, ada beda potensial.

Beda potensial dapat dihitung dengan persamaan,

Contoh soal

Sebuah sumber tegangan dihubungkan dengan kawat penghantar sehingga muatan listrik berpindah sebanyak 350 C membutuhkan energi potensial listrik sebesar 5.600 joule. Hitunglah beda potensial kutub-kutub sumber tegangan tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:

muatan listrik berpindah (Q) = 350 C

energi listrik (W) = 5600 J

Ditanya:

Beda potensial kutub sumber tegangan (V) = ...?

Jawab:

 

Jadi, beda potensial kutub-kutub sumber tegangan adalah 16 Volt.

======================================================================

Latihan

1. Dua buah muatan diletakkan seperti pada gambar di bawah ini. Besar muatan pada A adalah +12 µC dan muatan di B adalah - 8 µC. Sedangkan besar gaya listrik yang bekerja pada kedua muatan 5 cm. (k = 9 x 109 Nm2//C2, 1µC ( baca mikro Coulomb) = 10−6 C). Berapakah Besar gaya listrik yang bekerja pada kedua muatan tersebut?

2. Perhatikan gambar medan listrik berikut! 

Kemudian gambar dalam buku catatanmu dengan rapi dan lengkapilah arah medan magnet dan garis-garis gaya listrik pada gambar A, B dan C, dibawah ini. (untuk menjawab soal ini, Perhatikan buku paketmu halaman 172).

3. Medan listrik yang dirasakan oleh muatan uji A terhadap muatan B, sebesar 120 n/C. Apabila jarak antara kedua muatan tersebut sebesar 6 cm, hitunglah besar muatan B!

4. Perhatikan gambar benda  bermuatan listrik di bawah ini. Jika antara ke dua buah benda tersebut, dihubungkan dengan kawat pengantar,  tuliskanlah aliran muatan elektron dan proton pada gambar 1, 2 dan 3, dibawah ini!.

Contoh: Gambar 1

• Elektron mengalir dari benda B ke benda A

• Proton mengalir dari benda A ke benda B

Lanjutkan pada gambar 2 dan 3.

5. Sebuah baterai memiliki beda potensial 6 Volt. Hitunglah besarnya energi yang dibutuhkan baterai tersebut apa bila digunakan untuk memindahkan muatan listrik sebanyak 190 C! 

===============================================

Read More