KEGIATAN IX LISTRIK DINAMIS
Listrik dinamis adalah bagian dari fisika yang mempelajari tentang gejala kelistrikan yang berhubungan dengan gerakan muatan dalam suatu penghantar. Gerakan
muatan dalam suatu penghantar disebut arus listrik. Jumlah muatan yang mengalir dalam suatu penghantar disebut dengan kuat arus listrik. Dalam kegiatan ini kita akan
membahas tentang arus listrik, keterbatasan penggunaan hukum ohm dan rangkaian listrik jembatan wheatstone.
a. Tujuan
Setelah mempelajari modul ini diharapkan anda dapat : -
Menjelaskan pengertian arus listrik -
Menjelaskan keterbatasan penggunaan hokum ohm -
Menjelaskan pengertian rangkaian jembatan weatstone -
Menyelesaikan soal-soal tentang listrik dinamis.
b. Uraian materi dan Contoh
9.1 Pengertian Arus listrik
Dalam konduktor logam terdapat elektron-elektron bebas yang bergerak kesegala arah. Sedangkan dalam konduktor cair elektrolit terdapat ion-ion positif dan
ion-ion negative sebagai pembawa muatan listrik. Elektron bebas dan ion-ion bergerak karena pengaruh medan listrik. Bila dalam suatu konduktor diberi medan listrik, maka
muatan positif akan bergerak searah dengan arah medan dan muatan negatif berlawanan dengan arah medan sehingga terjadilah arus listrik. Arah arus listrik piperjanjikan
searah dengan arah gerakan muatan positif seperti terlihat pada Gambar 9-1.
Gambar 9-1 Arah arus listrik dalam suatu penghantar
Listrik Dinamis IX - 1
Kuat arus listrik didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah muatan yang bergerak terhadap waktu yang diperlukan. Secara matematis ditulis:
dt dq
i
……………………………………………………….. 9-1
Jika sebuah penghantar yang panjangnya s dan luas penampang A, terdapat n muatan persatuan volume. Semua muatan bergerak dengan kecepatan v, sehingga dalam
waktu dt, mauatan menempuh jarak s = v dt. Oleh karena tiap elektron bermuatan e, maka jumlah muatan seluruhnya adalah:
dq = A v n e dt ……………………………………………….. 9-2
Menurut persmaan 9-1, maka jumlah arus dalam sutu penghantar dapat ditulis:
dt dt
e n
v A
dt dq
i
i = A v n e ……………………………………………………. 9-3
dengan: i = kuat arus listrik amper
e = muatan electron coulomb
Rapat arus di dalam penghantar didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah kuat arus dengan luas penampang, secara matematis ditulis:
A i
J
………………………………………………………. 9-4
dengan J = rapat arus listrik amperm
2
A = luas penampang penghantar m
2
Listrik Dinamis IX - 2
CONTOH 9 - 1 Kuat arus listrik
Besarnya kuat arus listrik yang mengalir dalam suatu kabel listrik yang luas penampangnya 0,2 mm
2
adalah 0,17 mA. Berapakah a rapat arus, b jumlah muatan yang mengalir dalam kabel setiap jam. c Bila muatan electron -1,6 x 10 -19 C, berapa
banyak electron yang mengalir dalam setiap jam.
PENYELESAIAN :
a. Rapat arus dapat dihitung dengan persamaan 9-4, yaitu:
2 4
3
10 2
, 10
17 ,
m A
A i
J
Am
2
J = 850 Am
2
a. Untuk selang waktu 1 jam = 3600 s, jumlah muatan dalam kabel dapat dihitung dengan persamaan 9-1, yaitu:
dt
dq i
q = i t q = 0,17 x 10
-3
x 3600 q = 0,61 C
c. jumlah electron yang mengalir yang menghasilkan muatan 0,61 C adalah:
19
10 6
, 1
61 ,
n
q n
n = 381 x 10
18
buah
9-2. Hukum Ohm dan Hambatan Listrik
Listrik Dinamis IX - 3
Hasil percobaan tentang hubungan arus listrik I terhadap tegangan V dan hambatan R pada suatu rangkaian listrik yang pertama kali dilakukan oleh Georg
Simon Ohm menyimpulkan bahwa Tegangan V pada sebuah hambatan R sebanding
dengan kuat arus I pada suhu konstan. Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum Ohm. Secara matematis ditulis:
I V
R R
V I
…………………………………………………. 9-1 Perlu diketahui bahwa hukum ohm tidak merupakan pernyataan yang universal,
tetapi hanya sekedar hukum empiris yang menggambarkan bahwa sebagian materi atau
bahan konduktor memenuhi hukum ohm atau yang dikenal dengan bahan ohmik. Nilai
R untuk bahan ohmik selalu konstan asalkan suhu konstan. Untuk bahan yang tidak
memenuhi hukum ohm dikenal dengan bahan non-ohmik. Nilai hambatan R untuk bahan non-ohmik tidak konstan, tergantung pada tegangan V seperti pada Gambar 9-2.
V
Berdasarkan Gambar 9-2 dapat kita lihat bahwa untuk bahan non-ohmik, nilai
R bertambah ketika V bertambah dan nilai R berkurang ketika V naik. Jadi inilah keterbatasan pemakaian hukum ohm, yaitu nilai R akan konstan dengan menganggap
suhu konstan. Pada dasarnya nilai hambatan R dari sebuah konduktor tidaklah konstan, tetapi dipengaruhi oleh hambatan jenis
, panjang penghantar l dan luas penampang
penghantar A. Dari hasil percobaan diperoleh persamaan 9-2 bahwa:
A l
R
…………………………………………………………… 9-2
Listrik Dinamis IX - 4
Gambar 9-2 Grafik Hubungan I sebagai
fungsi dari V untuk bahan ohmik dan bahan non-ohmik
Meskipun konduktivitas logam bahan ohmik tidak tergantung pada potensial dan kuat arus, namun ada faktor lain yang mempengaruhinya, yaitu suhu. Berdasarkan
hasil percobaan diketahui bahwa umumnya hambatan berbanding lurus terhadap suhu,
seperti pada Gambar 9-3.
T K Dalam batas perubahan suhu tertentu, perubahan hambatan jenis sebanding
dengan perubahan suhu t seperti pada persamaan 9-3, yaitu :
=
o
t ……………………………………………………….. 9-3
atau : =
o
1 + t …………………………………………………….
9-4
Mengingat persamaan 9-2 bahwa hambatan R sebanding dengan hambatan jenis
, maka perubahan nilai hambatan R adalah:
R = R
o
t ………………………………………………………. 9-5
atau : R
t
= Ro 1 + t …………………………………………………
9-6 Dengan :
Rt = hambatan pada suhu t
o
C Ro = hambatan mula-mula
= koefisien suhu hambatan jenis
o
C
-1
t = perubahan suhu
o
C
Listrik Dinamis IX - 5
Gambar 9.3 Grafik hambatan jenis
terhadap suhu mutlak K
Koefisien suhu hambatan jenis dan resistivitas bahan atau hambatan jenis
tergantung pada jenis bahan. Meskipun sebahagian besar logam konduktor bertambah akibat kenaikan suhu, namun pada bahan tertentu hambatan jenis justru
akan semakin kecil akibat kenaikan suhu. Pengurangan hambatan jenis ini dinyatakan dengan nilai
negatif seperti terjadi pada grafit dan sebagian besar bahan semikonduktor. Nilai resistivitas
dan koefisien suhu bebrapa bahan pada suhu 20
o
C dapat dilihat pada Tabel 9.1 di bawah ini.
Tabel 9.1 Resistivitas dan Koefisien suhu Beberapa Bahan. No.
Jenis bahan Resistivitas
.m
Koefisien suhu
o
C
-1
Klasifikasi
1. 2.
3. 4.
5. 6.
7. 8.
9. 10.
11. 12.
13. 14.
15. Perak
Tembaga Emas
Aluminium Tungsten
Besi Platinum
Nikrom Karbon
Germanium Silikon
Gelas Karet Kertas
Sulfat Kwarz
1,59 x 10
–8
1,70 x 10
–8
2,44 x 10
–8
2,82 x 10
–8
5,60 x 10
–8
10,00 x 10
–8
11,00 x 10
–8
15,00 x 10
–7
3,50 x 10
–5
0,46 640
10
16
- 10
14
10
13
– 10
6
10
15
75 x 10
16
3,8 x 10
–3
3,9 x 10
–3
3,4 x 10
–3
3,9 x 10
–3
4,5 x 10
–3
5,0 x 10
–3
3,92 x 10
–3
0,40 x 10
–3
- 0,50 x 10
–3
- 48 x 10
–3
- 75 x 10
-3
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Semi konduktor Semi konduktor
Semi konduktor
Isolator Isolator
Isolator Isolator
Sumber: Serway,Raymond. A 1992
Listrik Dinamis IX - 6
CONTOH 9 - 2 Hukum Ohm dan hambatan listrik
Sebuah kawat yang panjang nya 90 m mempunyai diameter 3mm dan hambatan jenis 6,28x10
m .
8
. Berapakah ahambatan kawat danb hambatan kawat kedua yang bahan dan berat nya sama dengan yang pertama, akan tetapi diameter nya tiga kali
diameter kawat pertama?
PENYELESAIAN :
a Luas penampang kawat
2 6
2 3
2
10 25
, 2
4 10
3 4
m d
A
Hambatan kawat pertama adalah
8 ,
10 25
, 2
90 10
28 ,
6
6 8
1
A l
R
b Karena d
1 2
3d
, maka r
. 1
2
3r
Berat kedua kawat adalah sama, sehingga
g m
g m
1 2
1 2
V V
Jika sama untuk kedua kawat,
2 1
1 2
1 2
2 1
1 2
1 2
2
3 3
l l
l r
l r
atau l
r r
Perbandingan luas penampang kedua kawat adalah
2 1
1 2
1 2
2 2
1 2
1
3 9
1 3
l A
r r
r r
A A
Perbandingan hambatan kedua kawat
1 2
1 1
2 2
1 1
2 2
1 2
R A
A l
l R
A l
A l
R R
, maka hambatan R
2
adalah:
03 ,
8 ,
9 1
3 1
8 ,
9 1
3
2 2
2 2
2
A A
l l
R
Listrik Dinamis IX - 7
CONTOH 9 - 3 Hukum Ohm dan hambatan listrik
Sebuah thermometer hambatan logam memiliki hambatan 60,0 sewaktu di celupkan ke dalam es yang sedang melebur,dan memiliki hambatan 80,0 sewaktu di celupkan
ke dalam air yang sedang mendidih.tentukanlah suhu yang di tunjukkan oleh thermometer tersebut ketika hambatan logam bernilaia75,0 dan b50,0
PENYELESAIAN :
Data pada soal menunjukkan bahwa pada saat
-
es melebur t
= 0 C, hambatan R
= 60,0
-
air mendidih t =100
o
C, hambatan R
, 80
t
berdasarkan persamaan9-5menghasilkan
R = R
o
t atau
100 60
60 80
x R
R t
o
= 3,3 x 10
-3
C
-1
a ketika hambatan thermometer 75 ,diperoleh R = R
o
t atau
o
R R
t
C t
C t
o o
75 75
75 10
3 ,
3 60
60 75
3
jadi suhu yang ditunjukkan thermometer adalah 75
C
o
b Ketika hambatan thermometer 50,0 ,diperoleh
C t
C R
R t
o o
o
50 50
50 10
3 ,
3 60
60 50
3
Jadi suhu yang di tunjukkan thermometer adalah -50
C
o
Listrik Dinamis IX - 8
9.3. Rangkaian Listrik Jembatan Wheatstone
