Rangkaian Hambatan Listrik Dinamis

Pengertian Hambatan Resistansi Bahan Konduktor dan Isolator

Kemampuan material dalam menghantarkan arus listrik sangat tergantung pada besar kecilnya hambatan yang dimiliki material tersebut.

Bahan material yang memiliki hambatan (resistansi R) besar akan sulit untuk dapat mengalirkan arus listrik. Sebaliknya, bahan material yang hambatannya kecil akan lebih mudah mengalirkan arus listrik.

Berdasarkan pada kemampuan menghantarkan arus listrik, bahan atau material dapat dibedakan menjadi konduktor, semi konduktor, super konduktor, dan isolator

Bahan Konduktor

Bahan konduktor adalah bahan yang dapat mengalirkan arus listrik. Pada bahan konduktor elektron- elektron di setiap atomnya terikat sangat lemah, sehingga electron tersebut mudah lepas dari ikatan atomnya. Hal ini akan menyebabkan electron mudah bergerak atau berpindah.

Ini artinya, bahan konduktor adalah bahan yang memiliki hambatan kecil. Contoh Bahan yang termasuk kelompok konduktor di antaranya adalah besi, baja, dan tembaga.

Bahan Isolator

Bahan isolator memiliki sifat yang berlawanan dengan bahan konduktor. Bahan yang termasuk isolator sangat sulit, bahkan tidak bisa mengalirkan arus listrik.

Pada bahan isolator, electron -elektron di setiap atomnya terikat kuat oleh inti atom. Hal ini akan menyebabkan elektron sangat sulit untuk bergerak dan berpindah. Ini artinya, bahan isolator mempunyai hambatan yang sangat besar.

Namun, pada keadaan tertentu bahan isolator dapat dirubah menjadi bahan konduktor. Keadaan  tersebut adalah ketika bahan isolator diberi tegangan yang sangat tinggi.

Tegangan tinggi mampu melepaskan elektron dari ikatan denagn inti atomnya. Hal ini akan menyebabkan elektron menjadi mudah bergerak dan berpindah.

Contoh Bahan yang tergolong isolator diantaranya adalah kayu, kaca dan plastik.

Bahan Semi Konduktor

Bahan semi konduktor adalah bahan- bahan yang kadang bersifat isolator dan kadang bersifat konduktor. Jadi Bahan ini memiliki sifat konduktor dan isolator.

Contoh bahan yang termasuk semi konduktor  diantaranya adalah karbon, silikon, dan germanium.

Bahan Super Konduktor

Bahan super konduktor adalah bahan yang dapat mengalirkan arus listrik sangat kuat. Orang pertama kali yang menemukan bahan super konduktor adalah Ilmuwan yang berasal dari Belanda yang bernama Kamerlingh Onnes pada 1991.

Contoh Bahan yang termasuk dalam kelompok super konduktor adalah raksa dan timah.

Hambatan Listrik (Resistor) Bahan Pengantar Konduktor.

Hambatan listrik yang dimiliki oleh Suatu kawat penghantar atau bahan konduktor sering disebut sebagai resistensi atau hambatan. Hambatan listrik ini dinotasikan dengan huruf kapital R.

Nilai Hambatan listrik dari suatu bahan kawat penghantar berbanding lurus dengan panjang kawat, berbanding terbalik dengan luas penampang kawat penghantar tersebut dan bergantung juga kepada jenis bahan tersebut.

Secara matematis Resistensi sebuah kawat konduktor dapat diformulasikan dengan menggunakan rumus persamaan berikut:

R = ρ (l/A)

Dengan keteranagan:

R = hambatan listrik konduktor (Ω ),

ρ = hambatan jenis konduktor (m),

l = panjang konduktor (m), dan

A = luas penampang konduktor (m2).

Dari persamaan resistansi tersebut diketahui bahwa semakin panjang kawat konduktornya, semakin besar hambatan listriknya. Di sisi lain, semakin besar luas penampangnya atau semakin besar jari- jari penampangnya, maka hambatan listrik konduktor akan semakin kecil.

Hambatan listrik konduktor bergantung pada hambatan jenis konduktor. Semakin besar hambatan jenis konduktor, semakin besar hambatannya.

Konduktor yang paling baik adalah konduktor yang memiliki hambatan jenis kecil. Sebaliknya, bahan yang memiliki hambatan jenis sangat besar merupakan bahan isolator yang baik.,

Hambatan jenis konduktor bergantung pada temperaturnya. Semakin tinggi temperaturnya, semakin tinggi hambatan jenis konduktor dan semakin tinggi pula hambatan konduktor tersebut.

Pengaruh Temperatur terhadap hambatan jenis konduktor dapat diformulasikan dengan menggunakan rumus persamaan berikut.

ρ=ρ0(1+αΔT)

Dengan keterangan:

ρ = hambatan jenis konduktor akhir pada Temperatur ToC,

ρ0= hambatan jenis konduktor awal pada Temperatur T0oC,

α = koefisien Temperatur hambatan jenis (/oC), dan

ΔT = T – T0 = selisih temperature, Akibat pertambahan temperature (oC).

Karena hambatan konduktor R sebanding dengan hambatan jenis ρ, makan hambatan konduktor R dapat dinyatakan dengan formulasi persamaan berikut:

R=R0 (1+αΔT)

R = hambatan konduktor akhir pada Temperatur ToC,

R0 = hambatan konduktor awal pada Temperatur T0oC,

Contoh Soal Hambatan Jenis Bahan Konduktor

Sebuah kawat yang panjangnya 2 m dan luas penampangnya 5 cm2 memiliki hambatan 100Ω. Jika kawat tersebut memiliki panjang 4 m dan luas penampang 1,25 cm2, berapakah hambatannya?

Jawab

Diketahui

l1=2m,  A1=5cm2, R1=100ohm,

l2=4m,  A2=1,25cm2,

Soal ini lebih mudah diselesaikan dengan menggunakan metoda perbandingan.

Dari Persamaan

R = ρ(l/A) diperoleh

R2/R1=(l2 x A2)/(l1 x A1)

R2=(4m x 1,25cm2)/(2m x 5cm2) x 100 ohm

R2 = 50 ohm

Jadi, hambatan konduktor  adalah 50 ohm

Hukum Ohm

Hukum Ohm menyatakan bahwa “Besarnya beda potensial listrik ujung- ujung penghantar yang berhambatan tetap sebanding dengan kuat arus listrik yang mengalir melalui penghantar tersebut selama temperatur penghantar tersebut tetap”.

Kalua dinyatakan dalam persamaan atau rumus seperti berikut

Beda potensial  ≈  kuat arus listrik

V ≈ I atau

(Beda potensial /kuat arus listrik ) = konstan

V/I = konstan

Menurut George Simon Ohm hasil perbandingan antara beda potensial atau tegangan listrik dengan arus listrik disebut hambatan listrik. Secara matematis dapat dinyatakan dengan persamaan rumus berikut.

R = V/I

Dengan Keterangan:

V = beda potensial (V, volt)

I = kuat arus (A, ampere)

R = hambatan kawat penghantar (Ω, Ohm)

Contoh Soal Rumus Persamaan Hukum Ohm

Pada saat ujung- ujung sebuah penghantar yang berhambatan 50 ohm diberi beda potensial. Kuat  arus listrik yang mengalir pada penghantar adalah 50 mA. Hitung Berapakah beda potensial ujung- ujung penghantar tersebut?

Penyelasaian:

Diket:

R = 50 ohm

I = 50 mA = 0,05 A

Ditanya:

V = …?

Jawab:

V = I x R

V = 0,05 A x 50 ohm

V = 2,5 volt

Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukum Ohm

Sebuah pemanas listrik memiliki beda potensial 25 V dan kuat arus listrik 5 A. Berapakah hambatan pemanas tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

V = 25V, I = 5A

Ditanya:

R = … ?

Jawab:

R =V/I

R =25/5

R = 5 ohm

Hukum Kirchhoff Rangkaian Hambatan Listrik

Hukum I Kirchsoff menyatakan bahwa “jumlah arus yang masuk pada suatu titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang tersebut”. Hukum I Kirchhoff dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut:

Kuat Arus listrik masuk = Kuat Arus listrik keluar

∑ I masuk = ∑ I keluar

Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukum I Kirchhoff 

Jika rangkaian arus listrik seperti pada gambar dengan I1 = 20 Amper,  I2 = 30 Amper dan   I3 = 40 Amper. Hitung kuat arus di posisi  I4

Penyelesaian:

Diketahui:

I1 = 20 A,  I2 = 30 A

I3 = 40 A

Ditanyakan, I4 = …

Jawab

∑ I masuk = ∑ I keluar

∑ I1 + I2 = ∑ I3 + I4

 20 + 30 =  40 + I4

I4= 10 Amper

Hukum II Kirchhoff

Hukum II Kirchhoff atau hukum loop menyatakan bahwa jumlah perubahan potensial yang mengelilingi lintasan tertutup pada suatu rangkaian harus sama dengan nol. Hukum ini di dasarkan pada hukum kekekalan energi.

Secara matematis hukum II Kirchhoff dapat dinyatakan sebagai berikut.

E = ∑ ( I × R)

Keterangan:

E = ggl sumber arus (volt)

I = kuat arus (A)

R = hambatan (Ohm )

Rangkaian Hambatan Listrik

Rangkaian hambatan listrik bisa dirancang dengan merangkai atau menyusun secara seri, parallel atau kombinasi dari seri- parallel. Hambatan yang dimaksud di sini bukan hanya resistor, melainkan semua peralatan yang menggunakan listrik, seperti lampu, radio, televisi, dan setrika listrik.

Rangkaian Hambatan Listrik Seri

Rangkaian hambatan seri adalah rangkaian yang disusun secara berurutan atau berderet (satu garis). Jika rangkaian hambatan seri dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka besar kuat arus di setiap titik dalam rangkaian tersebut adalah sama.

Contoh Soal Rangkaian Hambatan Resistor Seri
Contoh Soal Rangkaian Hambatan Resistor Seri

Jadi, semua hambatan yang terpasang pada rangkaian tersebut memiliki arus listrik yang besarnya sama. Besar hambatan pada rangkaian seri adalah penjumlahan semua hambatannya. Jadi rangkaian hambatan seri dapat digantikan oleh satu hambatan saja.

Hambatan – hambatan yang dirangkai seri akan memberikan hambatan total (pengganti) yang lebih besar dari nilai setiap hambatannya.

Besarnya hambatan pengganti yang dirangkai seri dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

Rs = R1 + R2 + R3 + … + Rn (n = banyaknya hambatan)

Contoh Soal Rangkaian Hambatan Resistor Seri

Tiga  buah hambatan resistor yang masing- masing nilainya 2, 4, dan 8 disusun seri. Tentukan hambatan penggantinya!

Diketahui :

R1 = 2ohm

R2 = 4 ohm

R3 = 8ohm

Ditanyakan:

Rs = … ?

Jawab :

Rs = R1 + R2 + R3

Rs = 2 + 4 + 8

Rs = 14 ohm

Jadi, hambatan penggantinya adalah 14 ohm, Nilai hambatan pengganti Rs lebih besar dari R1, R2 dan R3.

Rangkaian Hambatan Listrik Paralel

Hambatan paralel adalah rangkaian yang disusun secara berdampingan atau berjajar. Jika hambatan yang dirangkai paralel dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka tegangan pada ujung- ujung tiap hambatan adalah sama.

Sesuai dengan Hukum I Kirchoff, jumlah kuat arus yang mengalir pada masing- masing hambatan adalah sama dengan kuat arus yang mengalir pada penghantar utama.

Rangkaian Hambatan Listrik Paralel
Rangkaian Hambatan Listrik Paralel

Hambatan – hambatan yang dirangkai paralel akan memberikan hambatan total (pengganti) yang lebih kecil dari nilai setiap hambatannya.

Besarnya hambatan pengganti yang dirangkai paralel dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut.

1/Rp = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + … + 1/Rn (n = banyaknya hambatan)

Contoh Soal Rangkaian Hambatan Resistor Paralel

Tiga  buah hambatan resistor yang masing- masing nilainya 2, 4, dan 8 disusun seri. Tentukan hambatan penggantinya!

Diketahui :

R1 = 2ohm

R2 = 4 ohm

R3 = 8ohm

Ditanyakan:

Rp = … ?

Jawab :

1/Rp = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3

1/Rp = 1/2 +1/ 4 + 1/8

1/Rp = (4 +2+1)/8

1/Rp = 7/8ohm atau

Rp=8/7 ohm

Jadi, hambatan penggantinya adalah 8/7 ohm atau 1,14 ohm. Nilai Hambatan pengganti Rp lebih kecil dari R1, R2 dan R3.

Energi Listrik

Energi listrik adalah energi yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari titik yang berpotensial tinggi ke titik yang berpotensial rendah. Besar energi untuk memindahkan muatan tersebut sama dengan perkalian antara muatan dengan beda potensial antara ke dua titik.

Secara matematis Energi listrik dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus berikut.

W = q V.

Besarnya q memenuhi rumus berikut

q = I t.

Sehingga Energi listrik W dapat dihitung dengan rumus berikut

W = V I t

Dan jika disubstitusi dengan Hukum Ohm

V=IR

maka energi listrik adalah

W = I2 R t

W = (V2/R) x t

Dengan  keterangan:

W = energi listrik yang diserap hambatan (joule)

V = beda potensial ujung-ujung hambatan (volt)

I = kuat arus yang mengalir pada hambatan (A)

t = waktu aliran (detik, s)

Daya Listrik

Daya listrik merupakan besarnya energi yang mengalir atau diserap alat tiap detik. Definisi lain, daya listrik didefinisikan sebagai laju aliran energi. Daya listrik menunjukkan Besarnya energi setiap satuan waktu.

Secara matematis daya listrik dapat di tulis sebagai berikut.

P =W/t

P = V x I

P = V2/R

Keterangan:

P = daya listrik (W)

W = energi listrik (J)

V = tegangan listrik (V)

I = kuat arus listrik (A)

R= hambatan listrik ( Ohm )

Contoh Soal Energi dan Daya Listrik

Sebuah lampu yang berhambatan dalam sebesar10 Ohm dihubungkan denga baterai yang bertegangan 5 volt seperti ditunjukkan pada Gambar

Rangkaian Listrik Sederhana
Rangkaian Listrik Sederhana

Tentukan:

  1. daya yang diserap hambatan,
  2. energi yang diserap hambatan selama setengah menit!

Penyelesaian

Diketahui

R = 10 Ω

V = 5 volt

t = 0,5 menit = 30 detik

Daya yang diserap memenuhi rumus berikut

P=V2/R

P=(52)/10=5watt

Energi yang diserap hambatan R adalah memenuhi rumus berikut

W = P x t

W = 5 watt x 30 detik

W = 150 Joule

Daftar Pustaka:

  1. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,  Jakarta.
  2. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  3. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  4. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Gelombang, Jenis Gelombang, Sifat-sifat Gelombang, Contoh Gelombang, Manfaat fungsi gelombang,
  5. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  6. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  7. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  8. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  9. Ardra.Biz, 2019, “Resistansi Eloktrodinamis, Rangkaian Hambatan Listrik Dinamik, Hambatan Resistansi Bahan Konduktor, Jenis bahan konduktor, pengertian dan contoh konduktor, pengertian dan contoh semi konduktor, pengertian dan contoh super konduktor, pengertan dan contoh isolator,
  10. Ardra.Biz, 2019, “ikatan electron bahan semi super konduktor, Rumus Hambatan Listrik Konduktor, satuan hambatan listrik konduktor, satuan hambatan jenis, pengaruh hambatan jenis, pengertian hambatan jenis, pengaruh temperature pada hambatan jenis,
  11. Ardra.Bzi, 2019, “koefisien Temperatur hambatan jenis, Contoh Soal Hambatan Jenis Bahan Konduktor, Rumus Hukum Ohm, bunyi penyataaan hukum ohm, Pengertian Beda potensial, satuan beda potensial, Contoh Soal Rumus Persamaan Hukum Ohm , Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukum Ohm,
  12. Ardra.Biz, 2019, “Bunyi pernyataan Hukum Kirchhoff, Rumus Hukum I Kirchsoff, Contoh Soal Perhitungan Rumus Hukum I Kirchhoff,   Hukum II Kirchhoff, Rumus matematis hukum II Kirchhoff, Rangkaian Hambatan Listrik, Rangkaian Hambatan Listrik Seri, Rumus Rangkaian hambatan seri,
  13. Ardra.Biz, 2019, “Contoh dan rumus Rangkaian Hambatan Listrik Paralel, Contoh Soal Rangkaian Hambatan Resistor Paralel, Pengertian dan rumus Energi Listrik, cara menghitung rangkai hambatan seri parallel,  satuan Energi listrik, satua muatan listrik,  Pengertian dan Rumus Daya Listrik, satuan daya listrik, Contoh Soal Energi dan Daya Listrik