Kuliah-07 Arus listrik & Rangkaian DC

Presentasi berjudul: "Kuliah-07 Arus listrik & Rangkaian DC"— Transcript presentasi:

1 Kuliah-07 Arus listrik & Rangkaian DC
FI Fisika Dasar IIA Kuliah-07 Arus listrik & Rangkaian DC

2 Hambatan Gerak elektron sebagai pembawa arus listrik dalam bahan mendapat hambatan karena adanya interaksi dengan bagian kristal bahan, misalnya ion ion positif. l (panjang), s (konduktivitas listrik), A (luas penampang) adalah konstan untuk komponen tertentu. R : Hambatan listrik r: resistivitas

3 Hukum II Ohm Beda potensial sebanding dengan arus dengan konstanta pembanding adalah hambatan listrik R Dalam rangkaian listrik suatu hambatan atau resistor atau tahanan R biasa diberi simbol sebagai berikut. R R

4 Hambatan dalam suatu rangkaian listrik
Contoh resistor dalam suatu rangkaian listrik

5 Color Code 1st 2nd × 103rd ± tolerance
Resistors mempunyai 4 pita warna untuk menyatakan nilai hambatannya 1st 2nd × 103rd ± tolerance Ex. What is the value of the resistor?

6 Bagaimana menguji berlakunya hukum Ohm?
V I V + R A Hambat Ohmic V I Bukan hambat Ohmic

7 Resistivitas vs suhu Sampai dengan suatu selang suhu tertentu, sebuah konduktor mempunyai resistivitas yang berbanding lurus dengan suhu Karena hambatan/resistansi berbanding lurus dengan resistivitas, maka perubahan hambatan suatu konduktor terhadap suhu dapat juga dituliskan sebagai berikut.

8 Resistivitas vs suhu… konduktor Semikonduktor
Resistivitas vs suhu untuk bahan semikonduktor murni seperti silikon dan germanium Resistivitas vs suhu untuk bahan logam seperti tembaga

9 Resistivitas vs suhu… Ada beberapa logam atau senyawa yang resistansinya turun drastis menjadi nol jika berada dibawah suhu tertentu yang disebut suhu kritis, Tc. Bahan ini dikenal sebagai superkonduktor

10 Resistivitas vs suhu… (superconductor)

11 RANGKAIAN HAMBATAN : Rangkaian Seri
+ V R2 A R1 Hambat ekivalen: l = l1 +l2 Ditinjau dari beda potensial:

12 RANGKAIAN HAMBATAN : Rangkaian Paralel
Hambat ekivalen: + V R2 A2 R1 A1 Ditinjau dari beda potensial:

13 Daya terdisipasi dalam resistor
Energi potensial = Muatan x Potensial Daya adalah perubahan energi per satuan waktu: Satuan daya: Joule / sekon (J/s) atau Watt (W) Dengan menggunakan hukum Ohm:

14 Arus listrik: tinjauan mikroskopik

15 Arus listrik Arus listrik, I, adalah laju perubahan aliran muatan listrik yang melewati suatu permukaan Satuan arus listrik adalah Ampere (A)

16 Laju hanyutan (Drift Speed)
Arus listrik dibawa oleh “pembawa muatan” Jenis jenis pembawa muatan: Elektron bebas (konduktor); Hole (semikonduktor); Polaron (polimer) Pada logam, misalnya 1 atau 2 elektron per atom, elektron tsb bergerak pada jarak singkat dengan laju sangat tinggi, sekitar 106 ms-1 secara acak

17 Apakah laju hanyutan itu ?
Contoh: setiap lebah bergerak secara acak dengan laju sangat tinggi. Tetapi ‘kerumunan’ lebah akan bergerak dengan laju ‘hanyutan’ yang lebih kecil dari laju masing masing lebah! drift Laju hanyutan elektron:

18 Laju hanyutan A vdrift Jumlah muatan yang melalui permukaan A dalam selang waktu dalam selang waktu dt: Avdrift Dt = Al :volume yang melewati A n: jumlah pembawa muatan per satuan vol. q: muatan yang dibawa oleh satu pembawa muatan A vdrift

19 Pembawa muatan lebih dari satu jenis
* Medan listrik menghasilkan gaya listrik pada muatan. * Gaya listrik pada muatan negatif berlawanan arah dengan pada muatan positif sehingga arah aliran muatan akan berlawanan * Arah arus listrik searah dengan arah aliran muatan positif *Aliran muatan positif dan negatif berkontribusi pada arah arus listrik yang sama

20 Gaya Gerak Listrik (GGL)/ Electromotive Force (EMF)
Untuk memdapatkan arus yang konstan dalam rangkaian diperlukan sumber gaya gerak listrik (GGL) atau Electromotive Force (EMF) atau Power Supply. GGL bukanlah suatu gaya. GGL atau EMF adalah kerja persatuan muatan untuk memindahkan muatan dari kutub negatif ke kutub positif dalam suatu rangkaian.

21 Gaya Gerak Listrik (GGL)
Tinjau suatu rangkaian tertutup Sumber GGL mempunyai hambatan dalam r, sehingga beda potensial/tegangan antara kutub A dan B dapat dituliskan sebagai: Oleh karenanya untuk muatan-muatan melingkari rangkaian. Jika r = 0, ggl menjadi ggl ideal, dan

22 GGL … Bayangkan kita bergerak melewati baterei dari a ke b dan mengukur potensial listrik pada beberapa titik. Seiring kita bergerak dari terminal positif ke terminal negatif, potensial bertambah sejumlah . Tetapi begitu kita melewati hambatan dalam r, potensial berkurang sejumlah Ir, dimana I adalah arus dalam rangkaian.

23 POTONGAN RANGKAIAN Di luar baterei, arus mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan baterei memberikan DAYA pada rangkaian sebesar P = EI dimana E = VAB= VA – VB >0 Arus I yang melalui hambatan R akan memberikan DAYA pada hambatan sebesar P = IR Arus listrik pada rangkaian mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah, jadi VAB = VA – VB >0 VAB = IR

24 RANGKAIAN LISTRIK Pada potongan rangkaian AD, arus mengalir dari A menuju D, jadi VAD >0 Arus I mengambil daya dari baterei ε1 , memberi daya dari baterei ε2 dan R VAD = VAB + VBC + VCD VAD = -ε1 +ε2+IR VAD = IR – (ε1 +ε2) VAD = IR - ε E positif jika arah hitungan dari – ke +

25 Hukum Kirchhoff

26 Hukum Kirchhoff Hukum I Kirchhoff (aturan titik cabang): Jumlah arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang meninggalkannya. Hukum II Kirchhoff (aturan loop): Jumlah beda potensial yang melewati seluruh elemen dalam suatu rangkaian listrik tertutup sama dengan nol.

27 Hukum I: Kekekalan muatan
Pada dasarnya, arus adalah aliran muatan. Karena muatan adalah kekal, maka jumlah arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang meninggalkannya. I1 = I2 + I3

28 Hukum II Kirchhoff: Kekekalan Energi
Pada baterei, tegangan di kutub positif selalu lebih tinggi dari tegangan di kutub negatif. Arus di luar baterei mengalir dari kutub positif ke kutub negatif Di dalam baterei, arus mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Aliran muatan ini menggunakan energi kimiawi baterei Jadi arus luar akan mengambil daya dari baterei

29 Hk Kirchhoff untuk loop
VAA = IR - ε VAA = 0 IR - ε = 0 IR = ε Hukum kekekalan muatan tetap berlaku I di titik cabang = 0

30 Arus dalam loop tunggal
+ - R i Tinjau rangkaian satu loop di atas, yang terdiri dari satu sumber ggl dan sebuah resistor R. Dalam waktu dt sejumlah energi i2Rdt muncul pada resistor sebagai energi dalam. Dalam waktu bersamaan suatu muatan dq = idt bergerak melewati sumber ggl, dan sumber ini melakukan usaha pada muatan ini sebesar:

31 Arus dalam loop tunggal…
Dari prinsip kekekalan energi: Sehingga diperoleh:

32 Hukum Kirchhoff II Hukum Kirchhoff II: Jumlah aljabar dari perubahan potensial yang dilalui dalam suatu rangkaian tertutup adalah nol. Tinjau rangkaian di atas. Mulai dari titik a dengan potensial Va, dan bergerak searah dengan arah jarum jam. Dalam resistor terdapat perubahan potensial –iR. Tanda minus karena bagian atas resistor memiliki potensial lebih tinggi dibanding bagian bawah. Kemudian bertemu dengan baterei dari bawah ke atas dengan potensial yang meningkat Jumlah dari perubahan potensial ini ditambah dengan Va haruslah menghasilkan Va juga. + - R i a  V = 0

33 Hukum Kirchhoff II… Diperoleh: Sehingga: (Hukum Kirchhoff II)
Ketentuan dalam menerapkan Hk. Kirchhoff II: Jika resistor dilewati searah dengan arah arus, perubahan potensial adalah - iR, sebaliknya adalah + iR. Jika sumber ggl dilalui dalam arah ggl (arah panahnya), perubahan potensial adalah + , sebaliknya adalah

34 Contoh: Rangkaian Listrik
Tinjau rangkaian berikut

35 Contoh: Rangkaian Listrik …

36 Contoh: Rangkaian Listrik…

37 Contoh soal-1 Suatu loop tunggal terdiri dari 2 resistor dan 2 baterei seperti pada gambar. Hitunglah arus listrik dalam rangkaian. b) Tentukan daya listrik pada masing-masing resistor.

38 Contoh soal-2 Tentukan arus I1, I2 dan I3 dari rankaian berikut.
Ada 3 variable yang tidak diketahui.  dibutuhkan 3 persamaan

39 Contoh soal-2… Bagi pers. (3) dengan 2 dan kemudian diatur lagi
Kurangi pers. (4) dengan pers. (5) kemudian eliminasi I2 Masukkan I1 ke pers. (5) untuk memperoleh I2 Akhirnya diperoleh I3

40 Rangkaian RC

41 Rangkaian RC VR=iR + - i C Vc=q/C
s b C Vc=q/C VR=iR Andaikan kita ingin mengisi kapasitor dengan menghubungkan saklar S pada posisi a. Dari prinsip kekekalan energi diperoleh: atau (4)

42 Rangkaian RC… (5) (6) Persamaan (4) dibagi dengan dt, diperoleh: Atau
Pers. (5) dapat dituliskan menjadi: Solusi pers. (6) (untuk q=0 pada t=0) adalah: dan (5) (6)

43 Rangkaian RC… Besaran RC dikenal sebagai tetapan waktu kapasitif, c.
 e VR Vc t t

44 Tetapan Waktu t 4t 3t 2t 0.5Q 1.0Q Muatan kapasitor Mengisi kapasitor
t 4t 3t 2t 0.5Q 1.0Q Muatan kapasitor Contoh: Berapa tetapan waktu untuk suatu rangkaian RC dengan R=1.0kW dan C=500mF?

45 Pengosongan Kapasitor
+ - R i V a s b C Vc=q/C VR=iR Tinjau pengosongan kapasitor dengan menghubungkan saklar S ke titik b. Tidak ada sumber ggl dalam rangkaian.

46 Pengosongan Kapasitor…
Vc VR - t

47 Pengosongan Kapasitor…
At t = 0s the capacitor is discharged through resistor R. I R C + - t 4t 3t 2t 0.5Q 1.0Q Capacitor Charge

48 Contoh soal-3

49 Overview Arus Listrik Hukum I Ohm Hukum I Kirchhoff Rapat Arus
Hukum II Ohm Hukum II Kirchhoff

50 End of Section...