Bab 5. Listrik Dinamis dalam Kehidupan Sehari-Hari (Materi 1 : Arus Listrik, Beda Potensial Listrik dan Hukum Ohm)

Kompetensi Dasar :

Pengetahuan

3.5 Menerapkan konsep rangkaian listrik, energi dan daya listrik, sumber energi listrik dalam kehidupan sehari-hari termasuk sumber energi listrik alternatif, serta berbagai upaya menghemat energi listrik.

Keterampilan

4.5 Menyajikan hasil rancangan dan pengukuran berbagai rangkaian listrik.

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran daring, peserta didik dapat :

1. Menjelaskan konsep arus listrik dengan benar.

2. Menerapkan perhitungan konsep arus listrik dengan benar.

3. Menjelaskan konsep beda potensial listrik dengan benar.

4. Menjelaskan konsep hambatan listrik dengan benar.

5. Menjelaskan konsep Hukum Ohm dengan benar.

6. Menerapkan perhitungan konsep Hukum Ohm dengan benar.

Assalamualaikum Wr. Wb

Anak-anak, sebelum kita belajar IPA hari ini, jangan lupa untuk berdoa terlebih dahulu. Dengan doa dan upaya kalian yang sungguh-sungguh, Pak Arief yakin kalian akan mampu menguasai materi hari ini. Berikut Peta Konsep materi yang akan kita pelajari.

PETA KONSEP

APERSEPSI

Sebelum melanjutkan membaca ringkasan materi, silakan disimak dulu video berikut ini untuk memberikan gambaran mengenai materi yang akan kita pelajari.

RINGKASAN MATERI

      Listrik mempengaruhi kehidupan sehari-hari manusia di seluruh dunia. Sebagian besar dari kita bergantung pada peralatan listrik untuk membuat hidup kita lebih aman, lebih sehat, lebih mudah, dan lebih nyaman. Lampu lalu lintas, penerangan listrik, radio, dan mobil mainan merupakan sebagian kecil peralatan tersebut dapat bekerja karena adanya arus listrik yang disebabkan oleh aliran elektron dalam sistem rangkaian listrik dalam peralatan listrik. Pada bab ini, kita akan belajar mengenai muatan listrik yang mengalir dari suatu titik ke titik lainnya yang sering disebut sebagai listrik dinamis. 

A. Arus Listrik

1. Konsep Arus Listrik

Perhatikan gambar berikut ini!

• Apa yang menyebabkan lampu tersebut bisa menyala? Lampu tersebut bisa menyala karena adanya arus listrik. 
• Arus listrik mengalir karena pada ujung-ujung rangkaian terdapat beda potensial listrik.
• Arus listrik mengalir dari potensial tinggi (kutub positif) ke potensial rendah (kutub negatif). Hal ini berlawanan dengan arah elektron yang mengalir dari potensial rendah (kutub negatif) ke potensial tinggi (kutub positif).

  
• Dalam Sistem Internasional, satuan arus listrik adalah ampere (A).

Perhatikan gambar berikut ini!

• Gambar tersebut menunjukkan rangkaian listrik sederhana. Rangkaian listrik tersebut merupakan susunan alat-alat listrik yang terdiri dari sumber arus, kawat penghantar, lampu atau alat listrik, dan sakelar. 
• Pada gambar 1a, sakelar dalam keadaan terbuka dan rangkaian tersebut disebut rangkaian terbuka. Pada rangkaian terbuka, arus listrik tidak dapat mengalir karena tidak terhubung dengan sumber arus listrik sehingga lampu tidak menyala. 
• Pada gambar 1b, sakelar dalam keadaan tertutup dan rangkaian tersebut disebut rangkaian tertutup. Pada rangkaian tertutup, arus listrik mengalir melalui rangkaian karena terhubung dengan sumber arus listrik sehingga lampu menyala.

Jadi, syarat terjadinya arus listrik ada dua yaitu: 

• Terdapat beda potensial pada sumber arus listrik.
• Terjadi dalam rangkaian tertutup.

2. Kuat Arus Listrik

• Kuat arus listrik didefinisikan sebagai besarnya muatan listrik yang mengalir pada suatu rangkaian tertutup dalam selang waktu tertentu. 
• Semakin banyak muatan listrik yang mengalir, maka arus listriknya semakin besar. 
• Artinya jika dalam suatu rangkaian tertutup dialiri arus sebesar 2 ampere, maka dalam 1 detik rangkaian tersebut dilewati muatan listrik sebesar 2 coulomb.
  

Keterangan:
I = Kuat arus listrik (A)
q = Besarnya muatan listrik (C)
t = selang waktu (s)

Contoh Soal :

1. Sebuah bola lampu dilewati muatan listrik sebesar 4 C dalam waktu 10 sekon. Berapakah kuat arus listrik yang mengalir pada bola lampu tersebut?

Penyelesaian :
Diketahui:
q = 4 C
t = 10 s
Ditanyakan: I = ?
Jawab:
I = q/t = 4 /10 = 0,4 A

Jadi, kuat arus listrik yang mengalir pada bola lampu tersebut adalah 0,4 A.

2. Dalam suatu rangkaian listrik, dialiri arus sebesar 1.500 mA selama 6 menit. Berapakah besar muatan listrik yang mengalir dalam rangkaian tersebut?

Penyelesaian :
Diketahui:
I = 1.500 mA = 1,5 A    (Ingatt!! 1 mA = 1/1.000 A)
t = 6 menit = 6 . 60 = 360 sekon
Ditanyakan: q = ?
Jawab:
I = q/t --> q = I . t = 1,5 . 360 = 540 C

Jadi, besar muatan listrik yang mengalir dalam rangkaian tersebut adalah 540 C.

3. Kuat arus di dalam sepotong kawat penghantar adalah 10 A. Berapa menit waktu yang diperlukan oleh muatan sebesar 9.600 C untuk mengalir melalui penampang tersebut?

Penyelesaian :

Diketahui:
I = 10 A
q = 9.600 C
Ditanyakan: t= ?
Jawab:
I = q/t  --> t = q/I = 9.600/10 = 960 s = 960/60 = 16 menit.

Jadi, waktu yang diperlukan oleh muatan sebesar 9.600 C untuk mengalir melalui penampang tersebut adalah 16 menit.

4. Jumlah muatan listrik yang mengalir selama 10 jam sebesar 9.000 C, hitunglah kuat arus listrik mengalir pada lampu dalam mA!

Penyelesaian :

Diketahui:

t = 10 jam = 36.000 s

q = 9.000 C

Ditanyakan: I = ?

Jawab:

I = q/t

I = 9.000/36.000 

I = 0,25 A       (Ingatt!! 1 A = 1.000 mA)

I = 250 mA

Jadi, kuat arus listrik yang mengalir pada lampu adalah 250 mA.

3. Mengukur Kuat Arus Listrik

• Alat yang dipakai untuk mengukur besarnya kuat arus listrik pada suatu rangkaian disebut sebagai amperemeter. 
• Amperemeter dipasang secara seri dalam rangkaian listrik. 
  

• Cara pembacaan skala adalah berdasarkan pada jarum yang menunjuk angka pada panel Amperemeter.

• Hasil ukur dari pembacaan skala Amperemeter dapat dihitung dengan rumus:
  

Contoh Soal :
Perhatikan gambar yang diberikan berikut!

Dari pengukuran kuat arus listrik menggunakan amperemeter didapatkan skala seperti pada gambar. Tentukan hasil pengukuran kuat arus listrik tersebut !
Penyelesaian :
Diketahui :

• Skala ditunjuk = 60
• Skala maksimal = 100
• Batas ukur = 200 mA

Ditanyakan : I = ?
Jawab:
Menghitung besar kuat arus listrik (I) :

Jadi, besar kuat listrik yang terukur adalah 0,12 A.

B. Beda Potensial/Tegangan Listrik

1. Konsep Beda Potensial/Tegangan Listrik

• Beda potensial adalah selisih potensial antara dua tempat dalam penghantar. 
• Terjadinya arus listrik dari kutub positif ke kutub negatif dan aliran elektron dari kutub negatif ke kutub positif, disebabkan oleh adanya beda potensial antara kedua kutub, dimana kutub positif mempunyai potensial yang lebih tinggi dibandingkan kutub negatif.
• Dalam Sistem Internasional, satuan beda potensial adalah volt (V).
• Beda potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian disebut juga tegangan listrik. Biasanya, baterai mempunyai tegangan yang tertulis pada bagian luarnya misalnya 1,5 V, artinya baterai tersebut mempunyai beda potensial antara kutub positif dan kutub negatif sebesar 1,5 V.
• Beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik ketika saklar terbuka dan tidak mengalirkan arus disebut gaya gerak listrik (GGL).
• Beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik ketika saklar tertutup dan mengalirkan arus disebut tegangan jepit.
  

3. Cara Mengukur Beda Potensial/Tegangan Listrik

• Tegangan listrik (beda potensial) dapat diukur menggunakan voltmeter. 
• Cara mengukur tegangan listrik dilakukan dengan merangkai voltmeter secara sejajar (paralel) dalam suatu rangkaian.
  
  
  

  

  Amperemeter dirangkai Seri dan Voltmeter dirangkai Paralel

• Cara pembacaan skala adalah berdasarkan pada jarum yang menunjuk angka pada panel Voltmeter.
  
• Hasil ukur dari pembacaan skala Voltmeter dapat dihitung dengan rumus:
  

Contoh Soal :
Perhatikan gambar yang diberikan berikut!

Dari pengukuran tegangan listrik menggunakan voltmeter didapatkan skala seperti pada gambar. Tentukan hasil pengukuran tegangan listrik tersebut !

Penyelesaian :

Diketahui :

• Skala ditunjuk = 5
• Skala maksimal = 5
• Batas ukur = 10 V

Ditanyakan : V = ?

Jawab:

Menghitung besar tegangan listrik (V) :

                     = (5/5) × 10 V = 10 V.

Jadi, besar tegangan listrik yang terukur adalah 10 V.

C. Hukum Ohm

     Pernahkah kalian memikirkan, mengapa lampu listrik dapat menyala jika ada arus listrik? Karena di dalam lampu terdapat kawat halus yang disebut filamen. Jika terdapat arus listrik pada rangkaian, maka muatan-muatan listrik melewati filamen lampu tersebut. Pada saat melewati filamen, energi listrik yang dikandung muatan listrik berubah menjadi energi panas dan cahaya. Berpijarnya filamen ini mirip dengan air sungai di pegunungan yang melewati bebatuan, dan kalian mendengar bunyi gemericik air. Bebatuan tersebut menghambat aliran air, dan energi gerak air berubah menjadi energi bunyi. Seperti halnya bebatuan yang menghambat aliran air, filamen tersebut memiliki hambatan.

1. Hambatan

• Hambatan merupakan kecenderungan suatu benda untuk melawan aliran muatan listrik, mengubah energi listrik menjadi energi bentuk lain. 
• Di dalam rangkaian listrik, hambatan diberi simbol R dengan satuan SI yaitu ohm (Ω).
  
• Hambatan listrik dapat diukur menggunakan ohmmeter.

2. Hukum Ohm

• Hukum Ohm merupakan hukum dasar pada rangkaian listrik.
• Hukum Ohm digunakan untuk menghitung tegangan listrik, hambatan listrik, atau kuat arus dalam rangkaian listrik.
• Bunyi Hukum Ohm adalah “Kuat arus dalam suatu rangkaian berbanding lurus dengan tegangan pada ujung-ujung rangkaian dan berbanding terbalik dengan hambatan rangkaian”.
• Sesuai dengan bunyi Hukum Ohm, secara matematis dirumuskan :
  
  
  
  

Keterangan:
I = Kuat arus listrik (A)
V = Beda potensial/tegangan listrik (V)
R = Hambatan listrik (Ω)

• Grafik hubungan tegangan dan kuat arus listrik pada Hukum Ohm.
  

Contoh Soal:

1. Pada sebuah rangkaian listrik, terdapat penyuplai daya dengan tegangan 20 Volt. Hambatan pada rangkaian tersebut adalah 20 Ohm. Tentukan kuat arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut!

Penyelesaian :

Diketahui: 

V = 20 V

R = 20 Ω

Ditanya: I = ...?

Jawab:

I = V/R = 20/20 = 1 A

Jadi, kuat arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut adalah 1 A.

2. Sebuah hambatan sebesar 120 Ω dihubungkan dengan baterai. Setelah dihitung dengan amperemeter, didapatkan kuat arus yang mengalir sebesar 50 mA. Berapakah nilai tegangan baterai tersebut?

Penyelesaian :

Diketahui:

R = 120 Ω

I = 50 mA = 0,05 A   (Ingatt!! 1 mA = 1/1.000 A)

Ditanyakan: V = ..?

Jawab:

V = I . R

V = 0,05 . 120

V = 6 V

Jadi, nilai tegangan pada baterai adalah 6 V.

3. Apabila nilai tegangan sebuah arus listrik 20 V dan nilai arus listrik sebesar 5 A. Berapakah nilai resistansi atau hambatannya?

Penyelesaian :

Diketahui:

V = 20 V

I = 5 A

Ditanyakan :R = ...?

Jawab:

R = V/I

R = 20/5

R = 4 Ω

Jadi, nilai hambatannya adalah 4 Ω.

4. Dari hasil suatu percobaan Hukum Ohm diperoleh grafik hubungan antara tegangan V dan kuat arus I seperti pada gambar.

Tentukan nilai hambatan yang digunakan dalam percobaan tersebut !

Penyelesaian :

Untuk mencari nilai hambatan yang digunakan pada percobaan tersebut, dapat menggunakan persamaan hukum Ohm dengan melihat salah satu pasangan nilai V dan I pada grafik.

Data 1


atau

Data 2


atau

Data 3

Dari ketiga hasil percobaan, diperoleh nilai hambatan yang digunakan dalam percobaan tersebut adalah 2 ohm.

5. Perhatikan tabel hasil percobaan berikut ini!

Berdasarkan data di atas, tentukan :

a. Nilai hambatannya 

b. Kuat arusnya jika V = 10 V

Penyelesaian :

Diketahui:

Dari hasil percobaan 1 :

V = 2 V

I = 4 A

Ditanyakan :

a. R ?

b. I jika V = 10 V ?

Jawab:

a. Untuk mencari nilai hambatan yang digunakan pada percobaan tersebut, dapat menggunakan persamaan hukum Ohm dengan melihat salah satu pasangan nilai V dan I pada tabel.

• Misalnya kita menggunakan hasil percobaan 1

           V = 2 V

            I = 4 A

           R = V/I

           R = 2/4

           R = 0,5 Ω

• Dari hasil percobaan 1, diperoleh nilai hambatan yang digunakan dalam percobaan tersebut adalah 0,5 Ω.

b. Jika V = 10 V, maka I = V/R = 10/0,5 = 20 A

Jadi, besarnya kuat arus jika V=10 V adalah 20 A.

6. Perhatikan gambar berikut!

Tentukan besarnya beda potensial dalam rangkaian tersebut!

Penyelesaian :

Diketahui:

R = 200 Ω

I = 5 A   

Ditanyakan: V = ..?

Jawab:

V = I . R

V = 5 . 200

V = 1.000 V = 1 kV

Jadi, besarnya beda potensial dalam rangkaian tersebut adalah 1.000 V atau 1 kV.

Jadi, besar tegangan listrik yang terukur adalah 10 V.

REFERENSI

• Video referensi :
Beberapa video referensi terkait materi bisa dilihat dengan cara klik pada gambar. 

LATIHAN SOAL

• Tugas dikerjakan di buku tugas dilengkapi cara mengerjakan (Diketahui, Ditanyakan Jawab) kemudian difoto.
• Tugas dikumpulkan melalui WA ke nomor HP Pak Arief maksimal 1 hari setelah pemberian tugas.
• Jangan lupa sampaikan salam dan perkenalkan diri dulu saat mengirimkan tugas.

Soal Latihan :

1. Dalam sebuah kawat penghantar dialiri arus listrik dengan muatan 450 Coulomb dalam waktu 2 menit. Hitunglah kuat arus listrik yang dialiri dalam kawat tersebut !

2. Sepotong kawat memiliki hambatan 200 ohm. Jika kuat arus yang melalui kawat tersebut 4 mA, maka tentukan beda potensial antar ujung kawat tersebut !

3. Dari percobaan hubungan tegangan (V) dengan kuat arus (I) pada resistor dihasilkan grafik V-I pada gambar. 

Jika V = 4 volt, maka tentukan besar kuat arus yang mengalir !

~ Tetap Semangat Belajar IPA #dirumahaja ~