Makalah Fisika Bab Energi Listrik

enter.agung.sutrisno@gmail.com

Energi Listrik
Energi listrik adalah energi yang disebabkan oleh mengalirnya muatan listrik dalam suatu rangkaian tertutup. Energi listrik dapat diubah menjadi berbagai bentuk energi yang lain.
Sumber-sumber listrik seperti baterai yang dihasilkan oleh perubahan energi kimia dihasilkan energi listrik dan ada energi mekanik menjadi energi listrik, bahkan energi panas (kalor) menjadi energi listrik.
Sumber-sumber listrik mempunyai kemampuan untuk mempertahankan beda potensial antara kedua kutubnya.

Resistor
I . R

Energi kalor
Elemen
Gambar Rangkaian tertutup
Jika kedua kutub baterai dihubungkan menjadi rangkaian tertutup melalui hambatan (tahanan) listrik, maka terjadilah aliran arus. Pada keadaan ini beda potensial antara kedua kutub positif dan kutub negatif pada selang waktu tertentu dapat dipertahankan sama, sehingga dapat dianggap mengalirkan arus yang sama pula.
Pada rangkaian yang ada di luar yaitu R dan kawat penghubung lainnya akan menyebabkan pengaliran arus, yaitu gerakan muatan positif kemudian masuk kembali ke sumber arus di terminal negatif dan oleh tenaga kimia seolah-olah dipindahkan kembali seperti semula. Ketika terjadi aliran arus melalui hambatan, maka tenaga tersimpan itu makin lama makin kecil karena adanya sebagian berubah menjadi tenaga lain. Misalnya, menjadi tenaga panas dalam hambatan.
Bila suatu hambatan dilalui oleh arus listrik hambatan tersebut menjadi panas karena tumbukan antara muatan yang mengalir dengan elektron konduktor.
Misalkan sepotong kawat AB mempunyai hambatan R ohm. Apabila kedua ujung kawat itu dihubungkan pada tegangan V volt, maka banyaknya kuat arus listrik yang mengalir kawat itu I ampere.
I R
A B
Gambar Arus pada Hambatan
Banyaknya muatan listrik yang masuk di titik A selama t detik ialah I.t coloumb.

Jika muatan itu mengalir dalam beda potensial V pada konduktor memberikan W energi sebesar
Atau
Dengan,
W = energi listrik…….. (joule)
V = beda potensial…… (volt)
Q = muatan listrik……. (coloumb)
I = kuat arus……………. (ampere)
t = selang waktu…….. (detik / sekon)
Menurut hukum Ohm V = I . R , maka dapat ditulis persamaan :
atau atau
dengan,
t = waktu selama energi dipakai….. (detik / sekon)
R = hambatan beban………………….. (Ω atau ohm )
I = kuat arus……………………………… ( ampere )
Dari persamaan di atas dapat ditulis bahwa :
“ Energi listrik yang timbul dalam suatu hambatan yang dialiri arus berbanding lurus dengan hambatan tahan dan berbanding lurus pula dengan waktu pengaliran arus itu dan berbanding lurus dengan kuat arus pangkat dua. ”

Contoh soal :
Sebuah bola lampu dengan spesifikasi 100 W ; 220 V dipasang pada beda potensial 110 V dinyalakan selama 10 menit.
Hitung energi listrik yang terpakai pada lampu tersebut !
Dan berapa kalori panas yang timbul pada lampu tersebut ! ( 1 joule = 0,24 kalori )
Penyelesaian :
Diketahui : V1 = 220 volt ; P1 = 100 watt
V2 = 110 volt ; t = 10 menit
Hambatan lampu dianggap konstan, sehingga :
R = V1² / P1= V2² / P2 maka
P2 = ( V2 / V1 )² x P1
= ( 110 / 220 )² x 100
= ( 0,5 )² x 100
= 0,25 x 100
= 25 watt
W = P . t = 25 . (10.60) = 25 . 600 =15.000 = 15 x 10³ joule
W = 0,24 x 15 x 10³= 3,6 x 10³ joule
Sebuah setrika 350 watt, 220 V akan dilengkapi dengan sebuah sekring. Jika sekring yang tersedia bernilai 2A, 3A, dan 6A, berapakah nilai sekring yang akan dipilih ?
Penyelesaian :
Kuat arus yang diperlukan setrika adalah
I = P / V = 250 / 220 = 1, 14 A
Sekring yang digunakan harus lebih besar dari 1,14 A sehingga yang dipilih adalah sekring yang bernilai 2A.

Hubungan Energi Listrik dan Kalor
Energi listrik dapat diubah menjadi energi panas, contoh setrika listrik, kompor listrik dll. Kesetaraan antara energi listrik dan kalor / panas dinyatakan sbb :
Dengan,
m = massa zat yang dipanaskan
c = kalor jenis zat yang dipanaskan
∆t = perubahan suhu yang terjadi
t = waktu selama pemanasan
Dalam pemecahan masalah soal hubungan antara energi listrik dan kalor sering ditulis dalam bentuk ;
Q = 0,24 I².R .t
Dengan Q = kalor / panas ( dalam kalori )


Catatan :
1 joule = 0,24 kalori atau
1 kalori = 4,186 joule
V = 1L = 1 dm³ = 10 m³

Contoh soal :
Elemen pemanas sebuah kompor listrik 220 V mempunyai hambatan 40 ohm. Jika kompor ini digunakan untuk memanaskan 10 kg air bersuhu 10℃ selama 10 menit dan dipasang pada tegangan 220 Volt, tentukanlah suhu akhir air ( kalor jenis air 4.200 J/kg.℃ ) ?
Penyelesaian :
Diketahui : R = 20 ohm ; T1 = 10℃ ,
t = 10 menit = 600 sekon
m = 10 kg
W = Q
V^2/R .t = m .c .∆t
∆t = (V^2.t)/(m.c.R)=(220.220)(600)/(10)(4200)(40) =17,28℃

t2 = 17,28 ℃ + 10℃ = 27,28℃
Penggunaan Energi Listrik
Sebagai sumber tenaga listrik pada umumnya berasal dari bahan bakar fosil ( minyak bumi, gas, batubara ) hingga pada suatu saat kelak akan habis. Oleh karena itu, upaya untuk menghemat penggunaan energi harus dijalankan misalnya dengan cara :
Memadamkan listrik pada saat tidak digunakan.
Menyesuaikan daya listrik sesuai dengan pemanfaatan cahaya.
Menggunakan alat-alat yang efisiensinya tinggi, yaitu peralatan yang bermutu tinggi.
Pilihlah lampu dengan daya rendah, tetapi memiliki iluminasi (kecerahan) yang sesuai dengan kebutuhan.
Memelihara peralatan alat-alat listrik.
Peningkatan efisiensi, misalnya melapisi atap dengan isolator panas sehingga mesin pendingin ruangan mempunyai beban yang lebih ringan.


Contoh soal :
Sebuah rumah terpasang listrik PLN sebesar 450 W dengan tegangan 220 V. Jika untuk penerangan penghuninya menggunakan lampu 40 W; 220 V, berapakah jumlah lampu maksimum yang dapat dipasang ?
Penyelesaian :
P tiap lampu 40 W
P sumber listrik 450 W
n = (P sumber)/(P lampu) = ( 450)/40 = 11,25
Jadi jumlah lampu maksimum yang dapat terpasang adalah 11 buah.

Daya Listrik
Daya listrik adalah usaha dibagi waktu yang diperlukan untuk melakukan usaha itu, atau energi yang ditimbulkan dibagi oleh waktu yang digunakan. Dapat dituliskan :

P = (energi listrik)/waktu P = (V^2.I. t)/t

Dengan,
P = daya listrik ………… (joule / detik atau Volt ampere atau watt)
R = hambatan beban …. (Ω atau ohm)
V = beda potensial ……. ( volt )
I = kuat arus …………….. ( ampere )

Dari persamaan di atas dapat dikatakan bahwa :
“ Satu watt ( 1W ) adalah energi yang ditimbulkan oleh beda potensial jika dalam satu detik mengalir arus sebesar 1A.”
Untuk hambatan listrik yang konstan, besar daya listrik sebanding dengan kuadrat tegangan ataupun kuadrat arus seperti tampak dalam kurva berikut.

P P

I V
(a) (b)
Keterangan :
(a) kurva daya terhadap kuat arus Keduanya berbentuk prabola.
(b) kurva daya terhadap tegangan
Hubungan antara watt, joule, dan kilowatt-hour (kWH)
1 watt = 1 joule per sekon atau 1 joule = 1 watt . sekon

Untuk pemakaian energi listrik dalam jumlah besar biasanya satuan energi listrik dinyatakan dalam kilowatt-hour (kWh). Satu kWh adalah energi yang dihasilkan oleh daya 1 kW selama 1 jam.
Alat untuk mengukur energi listrik dinamakan kWh-meter, sedangkan alat untuk mengukur daya listrik dinamakan watt- meter. Selain itu, dapat pula digunakan gabungan dari volt-meter dengan amperemeter yang penunjukkan jarumnya langsung menyatakan ukuran daya listrik,alat ini dinamakan dinamometer.
Arus listrik masuk ke rumah kita melalui kWh meter dan pembatas daya. kWh-meter tersebut mengukur banyaknya energi listrik yang digunakan dalam satuan watt, sedangkan pembatas daya membatasi daya maksimum dengan satuan ampere yang dapat dipergunakan di rumah kita.
Misalkan tegangan listrik di rumah kita 200 volt, maka p yangembatas daya 2 A membatasi daya maksimum 2A x 220 V = 440 W. Jika peralatan listrik yang digunakan melebihi 440 W, maka pembatas daya bekerja ( putus).

Pengertian Data yang Tertulis pada Peralatan Listrik
Peralatan listrik seperti lampu pijar, setrika listrik, dan pengering rambut disebut elemen listrik karena memiliki elemen yang terbuat dari kumparan kawat logam tipis yang berfungsi sebagai hambatan yang akan menyerap (mendisipasi) energi dalam bentuk kalor ketika dilalui arus.
Peralatan listrik tersebut didesain sehingga mempunyai spesifikasi tertentu, misalnya 100 W ; 220 V. Spesifikasi ini dituliskan pada peralatan listrik sehingga langsung terlihat oleh si pemakai. Jika tertulis 100 W; 220 V, ini berarti: “ Daya listrik yang dipakai oleh alat tersebut tepat 100 W jika tegangan yang diberikan kepada alat itu tepat 220 V. “ Tentu saja daya yang dipakai oleh alat itu akan lebih kecil dari 220 V.
Pada umumnya, hambatan peralatan listrik dianggap konstan sehingga dayanya sebanding dengan kuadrat tegangan sesuai dengan hubungan

Dengan,
P 2 = daya sesungguhnya yang diserap peralatan
P 1 = daya tertulis pada spesifikasi peralatan
V 2 = tegangan sesungguhnya yang diberikan kepada peralatan
V 1 = tegangan tertulis pada spesifikasi peralatan
Untuk mendesain spesifikasi peralatan, salah satu parameter yang ditentukan adalah hambatannya. Dengan demikian, di dalam rangkaian listrik peralatan diwakili oleh hambatannya yang dapat ditentukan dari hubungan
Dengan,
R = hambatan pengganti peralatan listrik
V = tegangan tertulis pada spesifikasi peralatan
P = daya tertulis pada spesifikasi peralatan

Contoh soal :
Sebuah keluarga menyewa listrik PLN sebesar 500 W dengan tegangan 110 V. Jika untuk penerangan keluarga itu menggunakan lampu 100 W ; 220 V, tentukanlah jumlah lampu maksimum yang dapat dipasang !

Penyelesaian :
Jika lampu 100 W ; 220 V diberi tegangan yang lebih kecil (110 V), maka daya sesungguhnya menjadi lebih kecil, yaitu :
P2 = [ V2/V1 ]² x P1 = P2 = [ 110/220 ]² x 100 = (0,5)² x 100 = 0,25 x 100 = 25 W
Banyaknya lampu yang dapat dipasang (n) jika daya PLN sebesar 500 W adalah :
n = (daya total rumah)/(daya 1 buah lampu) = 500/25 = 20 buah
Jadi, jumlah lampu maksimum yang dapat dipasang adalah 20 buah.

Sebuah lampu pijar L dengan data 12 V, 36 W dipasang dalam rangkaian seperti pada gambar. Agar lampu tersebut menyala normal, tentukanlah besar hambatan R1 yang harus diberikan !
A
ε=15 V
r = 0,25Ω L R1
B
R2 = 0,5 Ω


Penyelesaian :
Hambatan lampu RL diperoleh dari data lampu, yaitu :
TL = V²/P= ((12)²)/36 = 144/36 = 4 Ω
Lampu L akan menyala normal jika tegangan pada lampu VAB sama dengan data lampu 12 V, dengan perkataan lain VAB = 12 V.
Dengan mengingat bahwa pengganti RAB adalah hubungan paralel dari RL dan R1 serta rumus pembagi tegangan, maka :


VAB = RAB/(RAB+R2+ r) ε
12 = RAB/(RAB+0.5+ 0,25) (15) 12 RAB + 6 + 3 = 15 RAB
3 RAB = 9
RAB = 3 Ω
RAB adalah hubungan paralel dari RL dan R1 sehingga
RAB = (R1 .RL)/(R1+RL) 3 = (R1 . 4)/(R1+4)
3 R1+ 12 = 4 R1
R1 = 12 Ω
Jadi, besar hambatan R1 yang harus dipasang adalah 12 Ω