Soal dan Pembahasan Rangkaian Listrik Arus Searah(DC) Untuk Belajar Mandiri

Zubair Sensei
Zubair Sensei
Top page rangkaian arus searah

Soal dan Pembahasan Rangkaian Listrik Arus Searah Untuk Belajar Mandiri

Kami sediakan di bawah ini soal-soal yang mampu melatih Anda mengerjakan soal rangkaian listrik arus searah. Soal-soal yang kami berikan bertujuan untuk membantu Anda:
  1. Memahami watak arus listrik baik besar dan arahnya
  2. Mengaplikasikan hukum Ohm
  3. Membaca hasil pengukuran voltmeter dan amperemeter
  4. Memahami sifat rangkaian listrik seri dan paralel
  5. Memahami cara memperbesar batas ukur voltmeter
  6. Mengaplikasikan hukum Kirchhoff dan menghitung tegangan jepit
  7. Memahami hubungan suhu dengan hambatan
Silakan siapkan kertas dan pelajari pelan-pelan. Jika ada yang bingung langsung minta tutor dengan saya.
Les Online Fisika Bareng Creaticals yuk
Kami bisa berikan tutor/kelas online untuk materi Fisika SMP dan SMA. GRATIS cukup subscribe youtube saja.

Hukum Kirchhoff dan tegangan jepit

Perhatikan gambar di atas. Tentukan besar dan arah 3 arus yang mengalir pada rangkaian. Hitung juga beda potensial pada titik A dan B. Tentukan tegangan jepit pada baterai 150 Volt.
Pembahasan:
Pembahasan soal ini dapat kamu liat di video yang saya buat. Silahkan tonton dan saya minta like dan subscribenya :D.

Sifat arus listrik

Soal arah arus listrik
Perhatikan gambar di atas. Ada dua bola konduktor yang masing-masing bermuatan positif dan negatif. Kedua bola tersebut kemudian dihubungkan dengan sebuah batang konduktor sehingga muncul arus listrik. Cermati pernyataan berikut.
“Arus listrik mengalir dari bola konduktor bermuatan positif menuju bola konduktor bermuatan negatif karena bersesuaian dengan arah elektron yang mengalir dari bola bermuatan positif ke bola bermuatan negatif”
Apakah pernyataan tersebut benar? jelaskan alasan Anda membenarkan atau menyalahkan pernyataan tersebut.
Pembahasan:
Salah.
Pertama kita mesti paham dulu bahwa bola bermuatan positif memiliki potensial listrik yang lebih besar dibandingkan bola bermuatan negatif sebagaimana dijelaskan oleh rumus V_{bola}=K\frac{Q}{r}.
Arah arus memang benar mengarah dari bola bermuatan positif ke bola bermuatan negatif sebagaimana watak arus listrik yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Namun, elektron TIDAK mengalir dari bola bermuatan positif ke bermuatan negatif.
Elektron bebas konduktor mengalir dari bola bermuatan negatif ke bola bermuatan positif selaras dengan hukum Coulomb atau Anda juga dapat memahaminya dari watak elektron yang bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi.

Menghitung arus listrik berdasarkan banyaknya elektron yang mengalir

soal arus elektron
Perhatikan gambar di atas. Sebanyak 7,5 \times 10^{20} elektron melewati kawat dalam 5 menit. Tentukan besar dan arah arus listrik yang mengalir pada kawat tersebut.
Pembahasan:
Besar arus listrik yang kawat miliki dapat kita hitung dengan cara sebagai berikut.
\begin{aligned} I=&\frac{Q}{t}\\ =&\frac{Ne}{t}\\ =&\frac{(7,5\times 10^{20})(1.6\times{10}^{-19})}{300}\\ =&0,4\;\text{A} \end{aligned}
Dapat kita lihat elektron bergerak kiri, ini berarti arusnya bergerak ke kanan.

Menentukan besar hambatan pada rangkaian arus searah

Kawat yang barusan Anda hitung pada soal sebelumnya ternyata adalah kawat berarus pada rangkaian listrik di bawah ini.
Rangkaian terdiri dari baterai 12 volt dan sebuah lampu yang memiliki hambatan R. Diketahui arus yang mengalir pada rangkaian adalah 0,4 Ampere. Jawab pertanyaan berikut.
a. Tentukan posisi kutub positif dan kutub negatif baterai.
b. Tentukan hambatan yang dimiliki lampu.
Pembahasan:
Perhatikan gambar di atas. Arus mengarah ke kanan sebagaimana telah kita temukan pada soal sebelumnya. Dan kita harus paham bahwa arus mengalir dari potensial tinggi(kutub positif) ke potensial rendah(kutub negatif). Ini berarti kutub positifnya ada di sebelah kiri baterai dan kutub negatifnya ada di sebelah kanan. Geser gambar di atas untuk melihat tanda kutub baterai.
Kita dapat gunakan rumus hukum Ohm untuk menentukan besar hambatan lampu pada rangkaian.
\begin{aligned} R=&\frac{V}{I}\\ =&\frac{12 \;Volt}{0,4\;A}\\ =&30\;\Omega \end{aligned}
Les Online Fisika Bareng Creaticals yuk
Kami bisa berikan tutor/kelas online untuk materi Fisika SMP dan SMA. GRATIS cukup subscribe youtube saja.

Soal membaca skala voltmeter dan amperemeter serta memahami prinsip rangkaian seri dan paralel

Amperemeter dan voltmeter menunjukkan pengukuran sebuah rangkaian listrik sebagaimana gambar di atas. Jawablah pertanyaan berikut.
a. Tentukan arus dan beda tegangan yang dibaca oleh amperemeter dan voltmeter
b. Tentukan hambatan R_1 dan R_2
Pembahasan:
Dapat kita lihat bahwa batas ukur amperemeter adalah 1 A, batas maksimumnya adalah 100, dan jarum menunjukkan angka 50. Ini berarti arus yang mengalir adalah
\begin{aligned} \text{hasil ukur}=&\frac{\text{skala ditunjuk}}{\text{skala maksimum}}\times \text{batas ukur}\\ =&\frac{50}{100}\times 1\;\text{A}\\ =&0,5\;\text{A} \end{aligned}
Dengan cara yang sama kita bisa menentukan beda tegangan yang diukur oleh voltmeter.
\begin{aligned} \text{hasil ukur}=&\frac{\text{skala ditunjuk}}{\text{skala maksimum}}\times \text{batas ukur}\\ =&\frac{10}{50}\times 70\;\text{V}\\ =&14\;\text{V} \end{aligned}
Voltmeter hanya mengukur tegangan pada rangkaian paralel yaitu 14 Volt. Kita tahu rangkaian diberi sumber tegangan 24 Volt. Ini berarti tegangan pada R_1 adalah 24 Volt – 14 Volt = 10 Volt. Dengan informasi ini kita bisa menentukan R_1 dengan cara sebagai berikut.
\begin{aligned} R_1=&\frac{V_{R1}}{I}\\ =&\frac{10}{0,5}\\ =&20\;\Omega \end{aligned}
Mari kita hitung hambatan pengganti dari rangkaian paralel R_2 dengan R_2.
\begin{aligned} Rp=&\frac{R_2\times R_2}{R_2+R_2}\\ =&\frac{R_2}{2} \end{aligned}
Selanjutnya kita hitung besar Rp menggunakan informasi dari voltmeter dan arus I_1 yang telah kita hitung.
\begin{aligned} Rp=&\frac{Vp}{I_1}\\ =&\frac{14}{0,5}\\ =&28\;\Omega \end{aligned}
Sehingga R_2 adalah
\begin{aligned} R_2=&2Rp\\ =&2(28)\\ =&56\;\Omega \end{aligned}

Memperbesar batas ukur voltmeter

Misalkan kita memiliki voltmeter yang memiliki batas ukur 4 Volt dengan hambatan dalam 1000 \Omega. Tetapi kita ingin menambah batas ukurnya menjadi 120 Volt. Berapakah hambatan depan yang harus kita instal?
Pembahasan:
Mari kita hitung perbandingan batas ukur antara batas ukur yang kita inginkan dan batas ukur asli amperemeter.
\begin{aligned} n=&\frac{{V_{batas}}’}{{V_{batas}}}\\ =&\frac{120}{4}\\ =&30 \end{aligned}
Kemudian kita hitung hambatan depan voltmeter.
\begin{aligned} R_d=&(n-1)R_v\\ =&(29)(1000)\\ =&29000\;\Omega \end{aligned}
Kinda difficult, but here we go.
Setiap soal tentang hukum Kirchhoff mesti yang pertama kita lakukan adalah membuat prediksi arah arus dan penentuannya sebenarnya terserah Anda. Tapi di artikel ini, mari kita buat prediksi arus sebagaimana slide kedua dari gambar di atas. Silakan geser gambarnya.
Sebagaimana dengan gambar prediksi arus kita adalah sebagai berikut.
\begin{aligned} I_2=I_1+I_3 \end{aligned}
Selanjutnya kita buat loop 1 pada bagian atas rangkaian dan kita lakukan operasi hukum Kirchhoff sebagai berikut.
\begin{aligned} (48+2+30)I_1-150+10I_2-110=&0\\ 80I_1+10I_2-260=&0 \end{aligned}
Kita lakukan hal yang sama untuk loop 2.
\begin{aligned} 110-(1+9)I_2-95-(4+1)I_3=&0\\ -10I_2-5I_3+15=&0 \end{aligned}
Selanjutnya kita lakukan substitusi.
\begin{aligned} -10I_2-5(I_2-I_1)+15=&0\\ 5I_1-15I_2+15=&0 \end{aligned}
Kita lakukan operasi eliminasi dan kita akan mendapatkan besar arus I_1 dan I_2
\begin{aligned} I_1=&3\;A\\ I_2=&2\;A \end{aligned}
Untuk mendapatkan I_3 kita lakukan operasi berikut.
\begin{aligned} I_2=&I_1+I_3\\ I_3=&I_2-I_1\\ =&2-3\\ =&-1\;A \end{aligned}
Ternyata I_3 negatif, ini berarti kita perlu membalik arah I_3. Geser gambar di atas untuk melihat arah I_3 yang baru.
Selanjutnya kita hitung tegangan AB. Caranya seperti operasi hukum Kirchhoff namun jalurnya kita mulai dari titik A ke hambatan 4 \Omega, kemudian ke tegangan 95 Volt, dan berakhir pada titik B. Caranya sebagai berikut.
\begin{aligned} V_{AB}=&\Sigma IR+ \Sigma \varepsilon\\ =&(4+1)I_3- 95\\ =&5-95\\ =&-90\;Volt \end{aligned}
Terakhir kita hitung tegangan jepit pada baterai 95 Volt, pengerjaannya adalah seperti di bawah ini.
\begin{aligned} V_{jepit}=&\varepsilon -Ir\\ =&95-(1)(1)\\ =&94\;Volt \end{aligned}

Berubahnya besar hambatan akibat perubahan suhu

Sebuah kawat besi dihubungkan dengan sumber tegangan 12 Volt dan terukur memiliki arus 0.3 A pada suhu 40^\circ C. Kemudian kawat tersebut dipindahkan pada tempat lain yang suhunya berbeda. Setelah beberapa saat, arus yang terukur pada kawat berubah menjadi 0.4 A. Tentukan suhu kawat tersebut setelah berpindah tempat. (\alpha=5 \times 10^{-3}).
Pembahasan:
oke ayo kita hitung hambatan awal dan hambatan akhir terlebih dahulu. Caranya sebagai berikut.
\begin{aligned} R_0=&\frac{V}{I_0}\\ =&\frac{12}{0.3}\\ =&40\;\Omega \end{aligned}
\begin{aligned} R=&\frac{V}{I}\\ =&\frac{12}{0.4}\\ =&30\;\Omega \end{aligned}
Ada rumus hubungan perubahan suhu dengan besar hambatan yaitu \begin{aligned} R=&R_0(1+\alpha(T-T_0))\end{aligned}. Namun, rumus ini perlu kita rubah sedikit seperti di bawah ini.
\begin{aligned} R=&R_0(1+\alpha(T-T_0))\\ R=&R_0+R_0\alpha(T-T_0)\\ T-T_0=&\frac{R-R_0}{R_0\alpha}\\ T=&T_0+\frac{R-R_0}{R_0\alpha} \end{aligned}
Kita gunakan rumus tersebut untuk menemukan suhu kawat setelah berpindah tempat.
\begin{aligned} T=&T_0+\frac{R-R_0}{R_0\alpha}\\ =&40+\frac{30-40}{(40)(5\times 10^{-3})}\\ =&40-50\\ =&-10^{\circ}C \end{aligned}
Les Online Fisika Bareng Creaticals yuk
Kami bisa berikan tutor/kelas online untuk materi Fisika SMP dan SMA. GRATIS cukup subscribe youtube saja.

Energi yang dihabiskan oleh sebuah lampu belajar

lampu belajar
Anda sedang mengerjakan tugas fisika ditemani sebuah lampu belajar yang memiliki spesifikasi 220 Volt. Arus yang mengalir pada lampu tersebut adalah 0.041 A. Anda menggunakan lampu tersebut selama 80 menit. Apabila tarif listrik adalah Rp. 1000 per kWh, berapa duit keluar untuk bayar listrik lampu belajar Anda?
Pembahasan:
Pertama kita hitung dulu berapa banyak sih energi yang dihabiskan lampu untuk menyala selama 80 menit. Caranya di bawah ini.
\begin{aligned} W=&VIT\\ =&(220\;\text{Volt})(0.041\;A)(\frac{80}{60}\;h)\\ =&12\;Wh\\ =&12\times 10^{-3}\;kWh \end{aligned}
Nah dari perhitungan di atas ada sesuatu yang harus Anda cermati yaitu satuan. Satuan energi kan biasanya Joule, ini kok pakai kWh?
Kita pakai kWh soalnya PLN pasang tarif menggunakan satuan energi kWh yang merupakan kepanjangan dari “kilo Watt hour”. Satuan Wh sendiri muncul ketika kita melakukan perkalian \text{Volt} \times \text{Ampere} \times \text{hour}. Berbeda dengan Joule yang muncul ketika kita melakukan perkalian \text{Volt} \times \text{Ampere} \times \text{seconds}.
Selanjutnya tinggal kita hitung berapa biaya yang keluar dari konsumsi energi listrik sebanyak 12 Wh.
\begin{aligned} \text{biaya}=&W\times \text{tarif}\\ =&12\times 10^{-3}\;kWh \times \frac{1000}{kWh}\\ =&12\;\text{rupiah}\\ \end{aligned}
Widih….Murah banget itu kak? perasaan tagihan listrik ane di rumah bisa sampe ratusan ribu.
Itu soalnya kita hanya menghitung satu lampu saja. Kita coba misalkan di satu rumah ada 8 lampu 9 Watt yang menyala selama 6 jam setiap hari. Energi listrik yang dihabiskan dapat kita hitung di bawah ini.
\begin{aligned} \text{W}=&\;8\times P\times t\\ =&\;8\times 9\; Watt\times 6h\\ =&432\;Wh \end{aligned}
Kalau hitung per bulan, kira-kira energi yang kita konsumsi adalah sebagai berikut.
\begin{aligned} \text{W}_{\text{30}}=&30\times 432\\ =&12960\;Wh\\ =&12,96\;kWh \end{aligned}
Sehingga total duit yang keluar sebulan cuma untuk bayar lampu adalah
\begin{aligned} \text{biaya}=&\text{W}_{30}\times \text{tarif}\\ =&12,96\times 10^{-3}\;kWh \times \frac{1000}{kWh}\\ =&12960\;\text{rupiah}\\ \end{aligned}
Itu cuma lampu, belum kulkas(90 Watt), TV(35 Watt), Kipas angin(20 Watt) dan lain-lain.
Les Online Fisika Bareng Creaticals yuk
Kami bisa berikan tutor/kelas online untuk materi Fisika SMP dan SMA. GRATIS cukup subscribe youtube saja.
Bagikan ke Teman Anda

Tinggalkan Balasan