bahan ajar pekan ke 2-3

BAHAN AJAR

Sekolah                                                 : SMA Al Azhar 3 B. Lampung

Mata Pelajaran                    : Fisika

Kelas/Semester                    : XII / Ganjil

Materi Pokok                       : Rangkaian arus searah

Alokasi Waktu                     : 6 Minggu x 4 Jam Pelajaran @45 Menit

A.      Kompetensi Inti

·         KI-1 dan KI-2:Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya. Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, santun, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), bertanggung jawab, responsif, dan pro-aktif dalam berinteraksi secara efektif sesuai dengan perkembangan anak di lingkungan, keluarga, sekolah, masyarakat dan lingkungan alam sekitar, bangsa, negara, kawasan regional, dan kawasan internasional”.

·         KI 3: Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah

·         KI4: Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metode sesuai kaidah keilmuan

B.      Kompetensi Dasar dan Indikator Pencapaian Kompetensi

Kompetensi Dasar	Indikator
3.1    Menganalisis prinsip kerja peralatan listrik searah (DC) berikut keselamatannya dalam kehidupan sehari-hari	·   Memahami arus listrik dan pengukurannya ·   Memahami Hukum Ohm ·   Menjelaskan arus listrik dalam rangkaian tertutup ·   Menganalisis hambatan sepotong kawat penghantar ·   Menganalisis rangkaian hambatan ·   Menganalisis gabungan sumber tegangan listrik ·   Memahami Hukum II Kirchoff ·   Menganalisis energi dan daya listrik ·   Menganalisis prinsip kerja peralatan listrik searah (DC) dalam kehidupan sehari-hari
4.1    Melakukan percobaan prinsip kerja rangkaian listrik searah (DC) dengan metode ilmiah berikut presentasi hasil percobaan	·   Membuat percobaan tentang rangkaian listrik searah ·   Menyajikan hasil percobaan tentang rangkaian listrik searah baik lisan maupun tulisan secara sistematis

C.      Tujuan Pembelajaran

Setelah mengikuti proses pembelajaran, peserta didik diharapkan dapat:

·         Memahami arus listrik dan pengukurannya

·         Memahami Hukum Ohm

·         Menjelaskan arus listrik dalam rangkaian tertutup

·         Menganalisis hambatan sepotong kawat penghantar

·         Menganalisis rangkaian hambatan

·         Menganalisis gabungan sumber tegangan listrik

·         Memahami Hukum II Kirchoff

·         Menganalisis energi dan daya listrik

·         Menganalisis prinsip kerja peralatan listrik searah (DC) dalam kehidupan sehari-hari

·         Membuat percobaan tentang rangkaian listrik searah

·         Menyajikan hasil percobaan tentang rangkaian listrik searah baik lisan maupun tulisan secara sistematis

D.      Materi Pembelajaran

PEKAN KEDUA

PERTEMUAN PERTAMA

Pengertian dan Cara Menghitung Hambatan Jenis Suatu Penghantar 

Hambatan jenis adalah kecenderungan suatu bahan untuk melawan aliran arus listrik, di lambangkan dengan ρ (rho). Faktor penentu besar kecilnya nilai hambatan jenis suatu penghantar adalah bahan kawat penghantar

Kita mungkin mengira bahwa hambatan yang dimiliki oleh sebuah kawat yang tebal lebih kecil dibandingkan kawat yang tipis, karena kawat yang lebih tebal mempuyai area yang lebih luas untuk aliran elektron. Kita tentunya juga memperkirakan bahwa semakin panjang suatu penghantar, maka hambatannya juga semakin besar, karena akan ada lebih banyak penghalang untuk aliran elektron.

Rumus Hambatan Jenis Pada Suatu Penghantar

Berdasarkan suatu percobaan, Ohm juga merumuskan bahwa hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang l, berbanding terbalik dengan luas penampang lintang kawat A, dan bergantung kepada jenis bahan tersebut. Secara matematis rumus hambatan jenis suatu pengantar dituliskan seperti:

Dengan keterangan:

R = hambatan kawat penghantar (Ω).
l = panjang sebuah kawat penghantar (m).
A = luas penampang lintang penghantar (m²).
ρ = hambatan jenis kawat penghantar (Ω.m).

Konstanta pembanding ρ disebut dengan hambatan jenis (resistivitas). Hambatan jenis kawat berbeda-beda tergantung dari bahannya.

Contoh Soal  Hambatan Jenis 

1. Berapakah hambatan seutas kawat aluminium (hambatan jenis 2,65 × 10-8Ω .m) yang mempunyai panjang 40 m dan diameter 4,2 mm?

Penyelesaian:

Diketahui:

ρ = 2,65 × 10^-8 Ω .m.
l = 40 m.
d = 4,2 mm → r = 2,1 mm = 2,1 × 10^-3 m.

Ditanya: R = ….?

Jawab:

Langkah pertama kalian cari terlebih dahulu luas penampang (A) penghantar tersebut dengan menggunakan rumus luas lingkaran, yaitu:

L = πr²
L = (22/7) x (2,1 × 10^-3 m) ²
L = 13,86 x 10^-6 m²
L = 1,4 x 10^-5 m²

Jadi besarnya hambatan dari penghantar tersebut bisa dicari dengan menggunkan rumus:

R = ρl/A
R = 2,65 × 10^–8 Ω .m x 40 m /1,4 x 10^-5 m²
R = 7,6 x 10^-2 Ω.

2. Seutas kawat nikrom yang memiliki panjang 3 meter dan memiliki hambatan 20 ohm. Seutas Kawat nikrom kedua memiliki panjang yang sama, namun diamaternya ½ kali diameter kawat pertama. Berapakah hambatan kawat yang kedua?

Penyelesaian:

Diketahui:

l₁ = l₂ = 3 m
d₂ = ½ d₁
R₁ = 20 Ω
ρ₁ = ρ₂

Ditanya: R₂ = … ?

Jawab:

Karena diameter d₂ = ½ d₁ maka jari-jari kawat tersebut juga sama yaitu r₂ = ½ r₁. Langkah pertama kita cari terlebih dahulu luas penampang (A) kawat nikron yang kedua dengan menggunakan rumus luas lingkaran, yaitu:

L = πr² maka
L₁ = πr²
L₂ = π(½ r₁)² => L₂ = ¼ πr₁² => L₂ = ¼L₁
Jadi, A₂ = ¼A_1.

Hambatan jenis kedua dari penghantar tersebut dapat dicari dengan menggunkan rumus seperti:

R = ρl/A
ρl = R.A.

Dalam hal ini panjang dan hambatan jenis kawat sama, oleh karena itu:

(ρl)₁ = (ρl)₂
R₁A₁ =  R₂A₂
20 Ω A₁ =  R₂ x ¼A₁
R₂  = 4 x 20 Ω
R₂  = 80 Ω.

3. Diketahui sebuah kawat dengan luas penampang 0,000.005 m² dan memiliki hambatan jenis sebesar 0,000.001 Ω .m. Kawat tersebut digunakan sebagai elemen pembakar listrik 1 kW dengan hambatan listrik 5 Ω . Panjang kawat yang diperlukan adalah….

Penyelesaian:

Diketahui:
Hambatan jenis (ρ) = 0,000.001 Ω .m
Luas penampang (A) = 0,000.005 m²
Hambatan listrik elemen (R) = 5 Ω

Ditanya: panjang kawat yang dibutuhkan (l)?

Jawab:

PERTEMUAN KEDUA

Pengertian Resistor

Resistor adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk menghambat atau membatasi aliran listrik yang mengalir dalam suatu rangkain elektronika. Sebagaimana fungsi resistoryang sesuai namanya bersifat resistif dan termasuk salah satu komponen elektronika dalam kategori komponen pasif. Satuan atau nilai resistansi suatu resistor di sebut Ohm dan dilambangkan dengan simbol Omega (Ω). Sesuai hukum Ohm bahwa resistansi berbanding terbalik dengan jumlah arus yang mengalir melaluinya. Selain nilai resistansinya (Ohm) resistorjuga memiliki nilai yang lain seperti nilai toleransi dan kapasitas daya yang mampu dilewatkannya. Semua nilai yang berkaitan dengan resistor tersebut penting untuk diketahui dalam perancangan suatu rangkaian elektronika oleh karena itu pabrikan resistor selalu mencantumkan dalam kemasan resistor tersebut.

Simbol Resistor

Berikut adalah simbol resistor dalam bentukgambar ynag sering digunakan dalam suatu desain rangkaian elektronika.

Resistor dalam suatu teori dan penulisan formula yang berhubungan dengan resistor disimbolkan dengan huruf “R”. Kemudian pada desain skema elektronika resistor tetap disimbolkan dengan huruf “R”, resistor variabel disimbolkan dengan huruf “VR” dan untuk resistorjenis potensiometer ada yang disimbolkan dengan huruf “VR” dan “POT”.

Kapasitas Daya Resistor

Kapasitas daya pada resistor merupakan nilai daya maksimum yang mampu dilewatkan oleh resistor tersebut. Nilai kapasitas daya resistor ini dapat dikenali dari ukuran fisik resistor dan tulisan kapasitas daya dalamsatuan Watt untuk resistor dengan kemasan fisik besar. Menentukan kapasitas daya resistor ini penting dilakukan untuk menghindari resistor rusak karena terjadi kelebihan daya yang mengalir sehingga resistor terbakar dan sebagai bentuk efisiensi biaya dan tempat dalam pembuatan rangkaian elektronika.

Nilai Toleransi Resistor

Toleransi resistor merupakan perubahan nilai resistansi dari nilai yang tercantum pada badan resistor yang masih diperbolehkan dan dinyatakan resistor dalam kondisi baik. Toleransi resistor merupakan salah satu perubahan karakteristik resistor yang terjadi akibat operasional resistor tersebut. Nilai torleransi resistor ini ada beberapa macam yaitu resistor dengan toleransi kerusakan 1% (resistor 1%), resistor dengan toleransi kesalahan 2% (resistor2%), resistor dengan toleransi kesalahan 5% (resistor 5%) dan resistor dengan toleransi 10% (resistor 10%).

Nilai toleransi resistor ini selalu dicantumkan di kemasan resistor dengan kode warna maupun kode huruf. Sebagai contoh resistor dengan toleransi 5% maka dituliskan dengan kode warna pada cincin ke 4 warna emas atau dengan kode huruf J pada resistor dengan fisik kemasan besar. Resistor yang banyak dijual dipasaran pada umumnya resistor 5% dan resistor 1%.

Jenis-Jenis Resistor

Berdasarkan jenis dan bahan yang digunakan untuk membuat resistor dibedakan menjadi resistor kawat, resistor arang dan resistor oksida logam atau resistor metal film.

1.       Resistor Kawat (Wirewound Resistor)

Resistor kawat atau wirewound resistor merupakan resistor yang dibuat dengan bahat kawat yang dililitkan. Sehingga nilai resistansiresistor ditentukan dari panjangnya kawat yang dililitkan. Resistor jenis ini pada umumnya dibuat dengan kapasitas daya yang besar.

2.       Resistor Arang (Carbon Resistor)

Resistor arang atau resistor karbon merupakan resistor yang dibuat dengan bahan utama batang arang atau karbon. Resistor karbon ini merupakan resistor yang banyak digunakan dan banyak diperjual belikan. Dipasaran resistor jenis ini dapat kita jumpai dengan kapasitas daya 1/16 Watt, 1/8 Watt, 1/4 Watt, 1/2 Watt, 1 Watt, 2 Watt dan 3 Watt.

3.       Resistor Oksida Logam (Metal Film Resistor)

Resistor oksida logam atau lebih dikenal dengan nama resistor metal film merupakan resistor yang dibuah dengan bahan utama oksida logam yang memiliki karakteristik lebih baik. Resistor metal film ini dapat ditemui dengan nilai tolerasni 1% dan 2%. Bentuk fisik resistor metal film ini mirip denganresistor kabon hanya beda warna dan jumlah cicin warna yang digunakan dalam penilaian resistor tersebut. Sama seperti resistorkarbon, resistor metal film ini juga diproduksi dalam beberapa kapasitas daya yaitu 1/8 Watt, 1/4 Watt, 1/2 Watt. Resistor metal film ini banyak digunakan untuk keperluan pengukuran, perangkat industri dan perangkat militer.

Kode Warna Pada Resistor 4 Gelang

Arus Listrik Searah Fisika Klas 12

ARUS LISTRIK SEARAH

1.      Pengertian Listrik Arus Searah

Listrik Arus Searah (Direct Current atau DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik yang lebih rendah. Pada umumnya sumber arus listrik searah adalah baterai seperti aki dan elemen volta dan juga panel surya. Selain dari aki sumber arus searah didapat juga melalui arus bolak balik yang yang dirubah menjadi arus searah yaitu dengan menggunakan penyearah (Rectifier).

Arus searah biasanya mengalir pada sebuah konduktor. Dahulunya arus listrik searah dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung sumber positif ke ujung sumber negatif. 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. Arus listrik searah banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga, hal ini karena komponen elelktonika sebagian besar adalah menggunakan arus searah.

PEMBAHASAN

1.      Besaran – Besaran Listrik Arus Searah

2.      Arus Listrik

Dalam tinjauan mikroskopik, sebuah benda dikatakan brmuatan listrik jika benda tersebut kelebihan atau kekurangan elektron. Benda yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif, sedangkan benda yang kekurangan elektron akan bermuatan positif.

Ketika dua benda yang berbeda jumlah muatannya ( positif dan negative ) dihubungkan dengan sebuah konduktor, sebagian muatan (positif dan negatif ) salah satu dari kedua benda akan saling mengalir menuju benda lainnya melalui konduktorsehingga dicapai keadaan seimbang yakni muatan listrik kedua benda menjadi sama. Terjadinya aliran arus listrik karena perbedaan potensial listrik yang mendorong muatan positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Aliran muatan listrik positif in disebut arus listrik. Arus listrik mengalir secara spontan dari potensial tinggi ke potensial rendah melalui konduktor, tetapi tidak dalam arah sebaliknya. Aliran muatan ini dapat dianalogikan dengan aliran air dari tempat ( potensial gravitasi ) tinggi ke tempat ( potensial gravitasi) rendah.

2.      Kuat Arus LIstrik

Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar tiap satuan waktu. Simbol kuat arus listrik adalah I.

Secara sistematis kuat arus listrik dituliskan dengan persamaan sebagai berikut.

Ket : I = kuat arus listrik (A)

q = muatan listrik (C)

t = waktu (s)

Banyaknya muatan yang mengalir pada konduktor besarnya sama dengan kelipatan besar muatan sebuah electron – 1,6. C Jika pada konduktor mengalir n buah , maka total muatan yang mengalir memenuhi persamaan sebagai berikut.

Rapat arus (J) adalah besar kuat arus listrik per satuan luas penampang. Satuan rapat arus dalam system SI adalah ampere / atau A.

Contoh :

Sebuah kawat penghantar mempunyai penampang berbentuk lingkaran dengan diameternya 2 mm, dialiri arus sebesar 2 A selama 2 menit. Hitunglah jumlah muatan yang mengalir melewati, suatu penampang tertentu dan besar rapat arusnya ?

Penyelesaian :

Diketahui : I = 2 A

T = 2 menit

d = 2mm = 2.

Ditanya : a. q ?

b. J ?

Jawab :

1.      q = I . t

= 2 . 120 = 240 C

1.      J

= =

Jadi jumlah muatan yang mengalir adalah 240 C dan besar rapat muatannya adalah

3.      Potensial Listrik

Arus Listrik dapat mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah menggunakan sumber energy, mislanya baterai. Potensial listrik ini yang akan menimbulkan perbedaan tegangan antara kedua kutub positif dan negative pada suatu penghantar listrik.

Beda Potensial adalah besarnya energy yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari suatu titik berpotensial tinggi ke titik berpotensial rendah. Beda potensial listrik ( tegangan ) timbul karena dua benda yang memiliki potensial listrik berbeda dihuungkan oleh suatu penghantar. Beda potensialini berfungsi untuk mengaliran muatan dari satu titik ke titik lainnya dalam suatu penghantar listrik. Besarnya beda potensial dapat dirumuskan sebagai berikut.

Ket :    V = beda potensial ( volt )

W = usaha ( joule )

q = muatan listrik ( coulomb )

4.      Hambatan Listrik

Hambatan listrik dapat berupa resistor tetap dan variable. Resistor tetap dibuat dari karbo atau kawat nikrom tipis. Sedangkan resistor variable dapat dibedakan menjadi resistor variable tipe berputar dan tipe bergeser. Hambatan listrik erat kaitannya dengan hokum Ohm, yaitu hokum yang menyatakan hubungan antara tegangan, arus , danhambatan listrik pada sebuah penghantar listrik ( konduktor ).

1.      Hukum Ohm

Arus Listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Dari hasil percobaan George Simon Ohm ( 1787 – 1854 ) beliau menyimpulkan bahwa “Besarnya beda potensial listrik ujung – ujung penghantar yang berhambatan tetap sebanding dengan kuat arus listrik yang mengalir melalui penghantar tersebut selama suhu penghantar tersebut dijaga tetap”. Karena beda potensial sebanding dengan kuat arus, maka perbandingan tegangan dengan kuat arus adalah konstan.

Dari percobaan lebih lanjut dengan menggunakan penghantar yang berhambatan R, ternyata diperoleh huungan sebagai berikut.

Ket : V = beda potensial ( volt )

I = kuat arus ( ampere )

R = hambatan kawat penghantar ( Ω )

1.      Hambatan pada kawat penghantar

Kuat arus listrik akan kecil ketika melalui konduktor yang luas penampangnya kecil, hambatan jenisnya besar,dan panjang. Sebaliknya, kuat arus listrik akan besar ketika melewati konduktor yang luas penampangangnya kecil, hambatan jenisnya besar dan sebaliknya, ketika kuat arusnya besar, berarti hambatan konduktornya kecil. Apabila hambatan dapat berupa sebuah kawat penghantar yang lurus.

Penghantar ( , luas penampang kawat penghantar (A), dan penghantar jenis penghantar ( ). Besarnya hambatan sebanding dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat, sehingga dapat dituliskan dalam persamaan :

 

Ket :

R = hambatan ( Ω )

 panjang kawat ( m )

 hambatan jenis kawat ( Ω.m )

A = luas penampang kawat ()

Hambatan jenis konduktor bergantung pada suhunya. Semakin tinggi suhunya, semakin tinggi hambatan jenis konduktor dan semakin tinggi pula hambatan konduktor tersebut. Pengaruh suhu terhadap hambatan konduktor dapat dituliskan dalam persamaan berikut.

 

Ket :

  = hambatan konduktor pada suhu C (

= hambatan konduktor pada suhu  ( Ω )

α = koefisien suhu hambatan jenis (/)

= t – selisih suhu

2.      Rangkaian hambatan listrik

Secara umum rangkaian hambatan dikelompokkan menjadi rangkaian hambatan seri, hambatan paralel, maupun gabungan keduanya. Untuk membuat rangkaian hambatan seri maupun paralel minimal diperlukan dua hambatan. Adapun, untuk membuat rangkaian hambatan kombinasi seri-paralel minimal diperlukan tiga hambatan. Jenis-jenis rangkaian hambatan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Oleh karena itu, jenis rangkaian hambatan yang dipilih bergantung pada tujuannya.

Hambatan seri

Dua hambatan atau lebih yang disusun secara berurutan disebut hambatan seri. Hambatan yang disusun seri akan membentuk rangkaian listrik tak bercabang. Kuat arus yang mengalir di setiap titik besarnya sama. Tujuan rangkaian hambatan seri untuk memperbesar nilai hambatan listrik dan membagi beda potensial dari sumber tegangan. Rangkaian hambatan seri dapat diganti dengan sebuah hambatan yang disebut hambatan pengganti seri (Rs).