Analisis Materi Ajar.docx

Analisis Materi Pelajaran Rangkaian Arus Searah A. Konsep Esensial  Arus listrik  Kuat arus listrik  Rapat arus listrik  Beda Potensial  Hukum ohm  Rangkaian hambatan seri  Rangkaian hambatan parallel  Hukum Kirchoff I  Hukum Kirchoff II B. Peta Konsep

C. Urutan Penyampaian Materi 1) Arus, Kuat Arus, Beda Potensial, dan Hukum Ohm  Arus listrik  Kuat arus listrik  Rapat arus listrik  Beda Potensial  Hukum Ohm 2) Rangkaian Hambatan  Rangkaian hambatan seri  Rangkaian hambatan paralel 3) Hukum Kirchoff  Hukum Kirchoff I  Hukum Kirchoff II D. Materi 1) Fakta Dalam kehidupan sehari-hari, arus searah banyak digunakan pada kendaraan bermotor (baik roda empat maupun roda dua), lampu penerangan di rumah, misalnya lampu senter. Pada masa lalu contoh dari penggunaan listrik arus searah yaitu penyaluran tenaga listrik

komersil yang pertama (dibuat oleh Thomas Alfa Edison di akhir abad ke 19) menggunakan listrik arus searah. Generator komersiel yang pertama di dunia juga menggunakan listrik arus searah. 2) Konsep Rangkaian arus searah atau direct current (DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah. Pada dasarnya dalam kawat penghantar terdapat aliran elektron dalam jumlah yang sangat besar, jika jumlah elektron yang bergerak ke kanan dan ke kiri sama besar maka seolah-olah tidak terjadi apa- apa. Namun jika ujung sebelah kanan kawat menarik elektron sedangkan ujung sebelah kiri melepaskannya maka akan terjadi aliran elektron ke kanan (tapi ingat, dalam hal ini disepakati bahwa arah arus ke kiri). Aliran elektron inilah yang selanjutnya disebut arus listrik. Sumber arus listrik searah biasanya adalah baterai (termasuk aki dan Elemen Volta) dan panel surya. Arus searah biasanya mengalir pada sebuah konduktor walaupun mungkin saja arus searah mengalir pada semi-konduktor, isolator, dan ruang hampa udara. Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif sumber arus listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan-pengamatan yang lebih baru menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron ini menyebabkan

terjadinya lubang-lubang bermuatan positif, yang "tampak" mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. 3) Proses Dengan perkembangan teknologi elektronika saat ini, listrik arus searah (DC) dapat dihasilkan dengan cara merubah Arus bolak-balik (AC) menjadi Arus Searah (DC) dengan menggunakan suatu alat yang disebut Power Supply atau Adaptor. Sebagai dasar dari rangkaian Power Supply adalah sebuah komponen diode yang dapat berfungsi sebagai penyearah, artinya adalah dapat merubah dan menyearahkan arus bolak-balik (AC) menjadi Arus Searah (DC).

1) Arus, Kuat Arus, Beda Potensial, dan Hukum Ohm Dalam kehidupan sehari - hari kita sudah biasa mendengarkan istilah arus listrik. Kebutuhan kitapun terhadapnya sudah menyamai dan bahkan melebih banyak kebutuhan lainnya. Lihat saja kehidupan kita, hampir tidak ada lagi yang tidak menggunakan arus ini. Bahkan kehilangannya beberapa detik, menit atau jam saja sudah cukup untuk membuat banyak kebutuhan dan aktivitas kita terganggu. Arus listrik merupakan aliran muatan-muatan listrik positif atau proton (bahkan dalam teori yang lebih kuat adalah pergerakkan hole). Sebagaimana air yang mengalir dari tempat (kedudukan) yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah, arus listrik juga mengalir dari tempat berpotensial tinggi ke tempat berpotensial rendah. Potensial tinggi ini bukan berarti kedudukan penghantarnya lebih tinggi dari ujung lainnya dari permukaan bumi, tapi potensial tinggi ditandai dengan banyaknya muatan listrik positif (proton) pada ujung penghantar tersebut. Titik yang kaya akan proton dikatakan lebih tinggi potensialnya jika dibandingkan dengan titik yang kaya akan elektron. Arus listrik ini akan senantiasa mengalir hingga muatan antara kedua ujung penghantar sama (tidak ada beda potensial). A. Kuat Arus Listrik Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam waktu 1 detik. Semakin banyak muatan yang mengalir semakin kuat arus listriknya, sebaliknya jika muatan yang mengalir sedikit maka akan semakin kecil arus listriknya. Secara matematik kuat arus listrik ini dapat dirumuskan sebagai berikut.

I = kuat arus listri (ampere) Q = muatan listrik yang mengalir (Coulomb) T = waktu yang dihabiskan (s) Untuk mengukur kuat arus listrik digunakan alat yang disebut ampere meter. Ampere meter ini di pasaran dapat berdiri sendiri dan banyak pula yang disatukan dengan alat pengukur tegangan dan hambatan listrik. Biasanya alat gabungan ini

disebut dengan multimeter atau AVO meter (A singkatan dari Ampre, V singkatan dari volt dan O singkatan dari ohm).

Multimeter atau AVO Meter B. Beda Potensial Listrik Beda potensial listrik sering juga disebut dengan istilah tegangan listrik. Beda potensial listrik ini biasanya dihasilkan atau dapat diperoleh dari alat pembangkit tegangan listrik atau sumber listrik seperti aki, dinamo, baterai dan lain - lain. Untuk mengukur besarnya beda potensial yang terjadi antara kedua ujung penghantar atau yang dihasilkan oleh sumber tegangan listrik dapat digunakan alat yang dinamakan dengan volt meter. Beda potensial atau tegangan listrik ini biasanya diberi simbol dengan huruf V dengan satuan volt. C. Hukum Ohm Jika dua tempat atau titik yang berbeda potensial listriknya dihubungkan dengan kawat penghantar akan menghasilkan arus listrik. Kuat arus listrik yang mengalir dalam kawat penghantar tersebut akan bergantung pada besarnya beda potensial antara kedua ujung penghantar, dan besarnya hambatan yang dimiliki oleh kawat penghantar. Semakin besar beda potensialnya maka akan semakin besar kuat arusnya sebaliknya semakin kecil beda potensialnya maka akan semakin kecil kuat arus yang ditimbulkannya. Semakin besar hambatan kawat penghantar akan semakin kecil kuat arus yang melaluinya, sebaliknya jika hambatannya kecil maka kuat arus akan semakin besar. Secara matematik dapat dinyatakan sebagai berikut.

I = kuat arus listrik (ampere) V = beda potensial listrik atau tegangan listrik (volt) R = hambatan kawat penghantar (ohm)

Hambatan listrik atau resistansi listrik merupakan sifat suatu benda yang sangat menentukan besar kecilnya kuat arus listrik yang akan melaluinya. Satuan hambatan listrik ini adalah ohm dan alat ukurnya ohm meter. Hambatan listrik kawat penghantar berbeda-beda nilainya antara satu penghantar dengan penghantar lainnya bergantung dari jenis, panjang dan luas penampang kawat penghantar. Secara matematis hambatan kawat penghantar dapat dirumuskan sebagai berikut.

R = hambatan kawat penghantar (ohm) p = hambatan jenis (ohm meter) l = panjang kawat penghantar (meter) A = luas penampang kawat (m2)

2) Rangkaian Hambatan A. Rangkaian Seri

Gambar 2.1 Rangkaian Seri Pada hubungan seri, komponen-komponen listrik dialiri oleh arus listrik yang sama besar. Hambatan gabungan (Rgab) beberapa hambatan yang terhubung secara seri dapar dituliskan sebagai berikut: Rgab = R1 + R2 + R3+………+Rn Bila diterapkan hukum Ohm pada rangkaian akan didapat V1 = I R1 dan V = I(R1+R2+R3)

Empat Prinsip susunan seri 1. Susunan Seri bertujuan untuk memperbesar hambatan suatu rangkaian 2. Kuat arus melalui tiap-tiap komponen sama, yaitu sama dengan kuat arus yang melalui hambatan pengganti serinya. I1 = I2 = I3 = …….=In 3. Tegangan pada ujung-ujung hambatan pengganti seri sama dengan jumlah tegangan pada ujung-ujung tiap komponen

Vseri = V1 + V2 + V3 +… 4. Susunan seri berfungsi sebagai pembagi tegangan dimana tegangan pada ujung-ujung tiap komponen sebanding dengan hambatannya. Sehingga 𝑉1 𝑅1 = 𝑉 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 atau 𝑉1 = 𝑅

𝑅1

1 +𝑅2 +𝑅3

𝑥

Pengertian Rangkaian Seri Rangkaian seri adalah salah satu model rangkaian listrik yang dikenal dewasa ini. Dalam pelajaran kelistrikan, rangkaian seri adalah suatu rangkaian yang semua bagian-bagiannya dihubungkan berurutan, sehingga setiap bagian dialiri oleh arus listrik yang sama. Rangkaian ini disebut juga dengan rangkaian tunggal, membiarkan listrik mengalir keluar dari sumber tegangan, melalui setiap bagian, dan kembali lagi ke sumber tegangan. Kuat arus yang mengalir selalu sama di setiap titik sepanjang rangkaian. Hambatan yang dirangkai secara seri akan semakin besar nilai hambatannya. Sedangkan, lampu yang dirangkai secara seri nyalanya menjadi semakin redup. Apabila satu lampu mati, maka lampu yang lain juga akan mati. Ciri-ciri Rangkaian Seri Ciri-ciri rangkaian seri adalah semua komponen listrik yang akan dipasang disusun secara berderet atau berurutan. Kabel penghubung semua komponen tersebut tidak memiliki percabangan sepanjang rangkaian, sehingga hanya ada satu jalan yang dilalui oleh arus. Akibatnya, arus listrik (I) yang mengalir di berbagai titik dalam rangkaian sama besarnya, sedangkan beda potensialnya berbeda. Artinya semua komponen yang terpasang akan mendapat arus yang sama pula. Rangkaian seri memiliki hambatan total yang lebih besar daripada hambatan penyusunnya. Hambatan total (Rtotal) ini disebut hambatan pengganti. Beda potensial atau tegangan total (Vtotal) dari rangkaian seri adalah hasil jumlah antara beda potensial pada tiap resistor. Semua pernyataan ini dapat dirumuskan menjadi:

Keuntungan menggunakan rangkaian seri adalah dapat mengurangi biaya pemakaian kabel listrik. Sedangkan kelemahannya, energi yang diserap masingmasing alat listrik menjadi semakin kecil. Contoh: lampu menjadi redup jika dirangkai seri. Jika salah satu dari komponen listrik putus/rusak maka semua komponen tidak dapat bekerja. Selain itu, hambatan listrik jika komponen dirangkai seri akan semakin besar. Beberapa Gambar Rangkaian Seri Berikut ini kami tampilkan beberapa gambar yang memperlihatkan susunan komponen yang dirangkaian secara seri: Rangkaian Seri Resistor

Rangkaian Seri pada Lampu

B. Rangkaian Paralel

Gambar 2.2 Rangkaian Paralell

Gambar 2.2 dapat digantikan oleh sebuah hambatan pengganti paralel Rp bernilai 1 1 1 = + 𝑅𝑝 𝑅1 𝑅2 Atau 𝑝𝑒𝑟𝑘𝑎𝑙𝑖𝑎𝑛 𝑅1 𝑥𝑅2 𝑅𝑝 = = 𝑝𝑒𝑛𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑅1 + 𝑅2 Pada hubungan paralel, komponen-komponen listrik mendapatkan beda potensial yang sama besar.dengan menggunakan Hukum Kirchhoff diperoleh I = I1 + I2 Atau 𝑉 𝑉 𝑉 1 1 𝑉 𝑉1 = + + = 𝑉( + ) = 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅1 𝑅2 𝑅𝑔𝑎𝑏 Hambatan gabungan beberapa hambatan yang terhubung secara parallel dapat dituliskan sebagai berikut : 1 1 1 1 = + + ⋯+ 𝑅𝑔𝑎𝑏 𝑅1 𝑅2 𝑅𝑛 Empat Prinsip susunan Paralel 1. Susunan paralel bertujuan untuk memeperkecil hambatan suatu rangkaian 2. Tegangan tiap-tiap komponen sama, yaitu sama dengan tegangan pada ujungujung hambatan penggantinya. V1 = V2 = V3 = …….=Vn 3. Kuat arus yang melalui hambatan penggati paralel sama dengan jumlah kuat arus tiap-tiap komponen Iparalel = I1 + I2 + I3 +… 4. Susunan paralel berfungsi sebagai pembagi arus dimana kuat arus pada ujung-ujung tiap komponen sebanding dengan hambatannya.

Pengertian Rangkaian Paralel Rangkaian paralel adalah salah satu model rangkaian yang dikenal dalam kelistrikan. Secara sederhana, rangkaian paralel diartikan sebagai rangkaian listrik yang semua bagian-bagiannya dihubungkan secara bersusun. Akibatnya, pada rangkaian paralel terbentuk cabang di antara sumber arus listrik. Olehnya itu, rangkaian ini disebut juga dengan rangkaian bercabang. Dalam rangkaian ini, semua percabangan yang ada dapat dilalui oleh arus listrik. Di setiap cabang itulah komponen listrik terpasang, sehingga masing-masing komponen itu memiliki cabang dan arus tersendiri. Arus tersebut mengaliri semua komponen listrik yang terpasang secara bersamaan. Rangkaian paralel diperlukan jika kita akan melakukan pengaturan arus listrik, dengan membagi arus listrik dengan cara merubah beban yang lewat di tiap percabangan.

Ciri-ciri Rangkaian Paralel Ciri-ciri dari rangkaian paralel adalah semua komponen listrik terpasang secara bersusun atau sejajar. Pada rangkaian paralel arus yang mengalir pada setiap cabang berbeda besarnya. Setiap komponen terhubung dengan kutub positif dan kutub negatif dari sumber tegangan, artinya semua komponen mendapat tegangan yang sama besar. Sedangkan, hambatan totalnya menjadi lebih kecil dari hambatan tiap-tiap komponen listriknya. Semuanya dapat ditulis dalam bentuk rumus matematis:

Kelebihan menggunakan rangkaian paralel adalah apabila saklar dimatikan, maka tidak semua komponen mati kecuali komponen yang dihubungkan dengan saklar yang dimatikan, misalnya lampu. Selain itu, Jika ada salah satu cabang atau komponen listrik yang putus atau rusak, maka komponen yang lain tetap berfungsi. Sebab masih ada cabang lain yang dapat dialiri arus listrik dan komponen yang tidak rusak itu masih mempunyai hubungan dengan kedua kutub sumber tegangan. Sedangkan, kelemahan rangkaian paralel adalah dibutuhkan lebih banyak kabel atau penghantar listrik untuk menyusun seluruh rangkaian. Gambar Rangkaian Paralel Berikut ini adalah gambar dari beberapa alat listrik yang dirangkai secara paralel: Rangkaian Paralel Lampu

Rangkaian Paralel Baterai

3) Hukum Kirchoff Untuk memecahkan persoalan-persoalan rangkaian yang rumit; yaitu rangkaian yang terdiri dari beberapa buah sumber tegangan atau sumber arus serta beberapa buah hambatan/beban maka dipergunakan hukum-hukum rangkaian, diantaranya hukum Kirchoff Hukum Kirchoff I Hukum Kirchoff I berbunyi “jumlah aljabar dari arus yang menuju / masuk dengan arus yang meninggalkan/keluar pada satu titik sambungan / cabang sama dengan nol “ Sebagai contoh dapat digambarkan melalui Gambar berikut ini. Hukum tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut :

Si=0 i1 + i2 + i3 – i4 – i5 = 0 dimana: · Arus yang masuk (i1, i2, i3) diberi tanda positif. · Arus yang keluar (i4 dan i5) diberi tanda negatif Hukum II Khirchoff Hukum II Kirchoff adalah hukum kekekalan energi yang diterapkan dalam suatu rangkaian tertutup. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah aljabar dari GGL (Gaya Gerak Listrik) sumber beda potensial dalam sebuah rangkaian tertutup (loop) sama dengan nol. Secara matematis, Hukum II Kirchoff ini dirumuskan dengan persamaan

Di mana V adalah beda potensial komponen komponen dalam rangkaian (kecuali sumber ggl) dan E adalah ggl sumber. Untuk mempermudah penggunaan hukum Kirchoff perlu diketahui: 1. Dalam menentukan arah arus pada tiap cabang bebas tetapi harus diingat bahwa arah arus pada tiap-tiap percabangan harus ada yang masuk dan keluar. 2. Tentukan arah tiap kelompok secara bebas (pada contoh di atas ada tiga). Sebaiknya semuanya searah (seperti contoh di atas). Arah arus dari kelompok lingkaran digunakan sebagai dasar untuk menberikan tanda positif atau negatif pada sumber tegangan (V) maupun rugi tegangan (IR) dalam persamaan nantinya. 3. Setelah ditentukan arah arus kelompok, maka dibuat persamaan terhadap tiap kelompok, arah arus listrik tiap cabang yang searah dengan arah arus yang menuju kutub sumber tegangan, maka harga sumber tegangan tersebut positip. (lihat contoh untuk lingkaran I). 4. Bahwa arus listrik yang mengalir dalam satu cabang besarnya sama (pada contoh: arus yang mengalir pada R3 dan R4 adalah sama yaitu I3). 5. Apabila nantinya setelah dihitung ternyata harga arus pada cabang tertentu berharga negatif, ini menunjukkan bahwa arah arus yang ditentukan semula adalah salah, oleh karenanya perlu dibalik.

Untuk lebih jelas lihat contoh ini………. Rangkaian Listrik majemuk adalah rangkaian listrik yang terdiri dari dua buah loop atau lebih. Gambar berikut adalah rangkaian listrik majemuk beserta cara memecahkannya

Langkah-langkah untuk menyelesaikan rangkaian majemuk di atas adalah: 1) Andaikan arah loop I dan loop II seperti pada gambar 2) Arus listrik yang melalui r1, R1, dan R4 adalah sebesar I1, yang melalui r2, R2, dan R3 adalah sebesar I2, dan R5 dilalui arus sebesar I3 3) Persamaan Hukum I Kirchoff pada titik cabang b dan e adalah I1 + I2 = I3

I3 = I1 + I2 4) Persamaan Hukum III Kirchoff pada setiap loop adalah seperti berikut Loop I

a-b-e-f-a (arah looop sama dengan arah arus) ΣE + ΣV = 0 I1R1 + I3R5 + I1R4 + I1r1 – E1 = 0 E1 = I1(r1 + R1 + R4) + I3R5 Loop II

b-e-d-c-b (arah loop searah dengan arah arus) ΣE + ΣV = 0 I3R5 + I2R3 + I2r2 – E2 + I2R2 = 0 Dengan menggunakan Hukum I Kirchoff, diperoleh persamaan I3 = I1 + I2, dan dari Hukum II Kirchoff diperoleh persamaan (1) dan persamaan (2). Dari ketiga persamaan tersebut dapat ditentukan nilai dari I1, I2, dan I3. Jika dalam perhitungan diudapat kuat arus berharga negatif, berarti arah arus sebenarnya berlawanan dengan arah arus yang anda andaikan. Namun perhitungannya tidak perlu diulang karena nilai arusnya adalah tetap sama hanya arahnya saja yang berbeda.