PEMBIASAN CAHAYA

1.      Latar Belakang

Rangakain listrik belimpah di dunia sekarang ini, mereka merupakan rangkaian dasar dari semua peralatan dari pesawat radio dan televisi sampai komputer dan bahkan mobil. Pengukuran ilmiah, dari fisika sampai biologi dan kedokteran, juga menggunakan rangkaian listrik. Selain itu, rangkaian listrik juga digunakan pada peralatan yang digunakan sehari-hari khususnya barang elektronik seperti rangkaian lampu, setrika, penanak nasi dan lain-lain yang tidak terlepas dari listrik.

Sebuah rangkaian listrik biasanya terdiri dari komponen-komponen seperti kuat arus listrik, tegangan, dan hambatan. Berdasarkan susunan hambatannya rangkaian listrik dibedakan atas rangkaian listrik seri, rangkaian listrik paralel, dan rangkaian listrik campuran. Rangakaian hambatan seri merupakan rangkaian hambatan yang disusun secara sejajar dan berfungsi sebagai pembagi tegangan, sedangakan rangkaian paralel merupakan rangkaian yang terdapat titik percabangan dan berfungsi sebagai pembagi kuat arus, dan rangkaian campuran merupakan rangkaian gabungan dari seri dan paralel.

Akan tetapi, selain dari ketiga jenis rangkaian tersebut, terdapat satu rangkaian lagi yang memang jarang dikenali, yaitu rangkaian jembatan wheatstone. Rangakain jembatan wheatstone merupakan rangkaian yang terdiri dari empat hambatan, hambatan pertama, kedua, dan ketiga sudah diketahui besarnya, sedangkan hambatan keempat belum diketahui besarnya, hambatan yang belum diketahui inilah yang akan dicari dengan menggunakan hambatan standar, yaitu yang telah ditentukan variabelnya.

Rangakaian jembatan wheatstone ini berfungsi untuk menentukan hambatan yang belum diketahui, dalam rangakaian ini galvanometer akan menunjukkan angka nol ketika dalam keadaan setimbang, hal ini karena tidak ada arus yang mengalir sehingga dapat ditentukan persamaan untuk menentukan hambatan yang belum diketahui besarnya tersebut.

Praktikum rangkain jembatan wheatstone ini dilaksanakan untuk memahami lebih lanjut mengenai konsep rangkaian hambatan wheatstone, sehingga mahasiswa dapat memahami cara merangkai dan menghitung hambatan yang belum diketahui besarnya.

2.      Tujuan Praktikum

Adapun tujuan yang akan dicapai setelah melaksanakan praktikum rangkaian jembatan wheatstone adalah agar mahasiswa dapat memahami konsep rangkaian jembatan wheatstone.

 

3.      Tinjauan Pustaka

Listrik secara umum terbagi menjadi 2 jenis, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Listrik statis mengkaji interaksi antara muatan-muatan listrik yang diam, sedangkan listrik dinamis mengkaji tentang muatan-muatan listrik yang bergerak. Pada dasarnya rangkaian listrik adalah sarana untuk menghantarkan energi dari satu tempat ke tempat lain. Ketika suatu partikel bermuatan bergerak di dalam sebuah rangkaian, maka energi potensial listrik dipindahkan dari sebuah sumber (aki atau generator) ke sebuah alat tempat energi tersebut disimpan atau dikonveksi kedalam bentuk lain (Modul Praktikum).

3.1  Arus Listrik

Arus listrik didefinisikan sebagai aliran muatan, biasanya dibawa oleh electron-elektron. Elektron-elektron dalam penyekat terperangkap di dalam atom, tetapi di dalam penghantar sebagian electron tidak terperangkap dan dapat bergerak bebas di dalam penghantar. (Swadidik, 2009)

Arus listrik merupakan banyaknya muatan yang mengalir melalui suatu penampang tiap detik. Jika ada muatan sebesar  melewati suatu penampang konduktor dalam interval waktu , maka besar kuat arus listrik rata-rata yang mengalir dalam konduktor itu adalah: (Surya, 2010)

Jika laju aliran muatan ini konstan, maka besarnya arus setiap saat, I, sama dengan .

Dalam SI (Sistem Internasional), satuan arus adalah ampere (A). sering juga dipakai miliampere (mA) dan microampere (). (Surya, 2010)

3.2  Hambatan (Resistor)

Resisitor terdapat dalam semua jenis rangakaian, mualai dari pengering rambut dan pemanas ruangan sampai pada rangakain yang membatasi atau membagi arus. Rangkaian seperti itu sering memiliki beberapa resisitor. (Modul Praktikum)

Resisitor adalah komponen yang dirancang untuk memiliki tahanan yang diketahui. Resistor ini berfungsi sebagai penghambat arus listrik. Kemampuan menghambat arus yang dimiliki sebuah resistor ditunjukkan dengan nilai hambatan atau resistansinya. Untuk tegangan tetap yang melalui resistor, arus yang melalui resistor adalah tetap. Semakin besar tahanan resistor, semakin kecil arus yang mengalir. (Swadidik, 2009)

Hambatan komponen rangkaian ditetapkan sebagai:

Satuan hambatan adalah ohm (simbol Ω) yaitu jumlah hambatan antara dua titik dalam sebuah rangkaian  ketika tegangan antara kedua titik adalah 1 volt dan arus 1 ampere. (Swadidik, 2009)

3.3  Rangkaian Listrik

Rangkaian listrik terdiri atas sumber tegangan dan hambatan (resistor). Rangakain yang terdiri atas sumber tegangan dan hambatan tersebut dapat dibedakan menjadi beberapa macam antara lain sebagai berikut:

a.      Rangkaian Pembagi Tegangan

Rangkaian pembagi tegangan terdiri atas sumber tegangan dan rangkaian seri hambatan.

 

Ketika dua atau lebih resistor dihubungkan dari ujung keujung seperti pada gambar di atas, maka dapat dikatan sebagai rangkaian hambatan seri. Muatan yang melalui R₁ juga akan melewati R₂ dan kemudian R₃. Dengan demikian arus I yang sama melewati setiap resistor. Artinya kuat arus listrik yang mengalir pada setiap hambatan adalah sama besar. (Giancoli, 2001)

Itot = I₁ = I₂ = I₃ =…

Karena resistor-resistor pada rangkaian seri dihubungkan dari ujung ke ujung, kekekalan energi menyatakan bahwa tegangan total V sama dengan jumlah semua tegangan dari masing-masing resistor (Giancoli, 2001)

Vtot = V₁ + V₂ + V₃ +…

Kekurangan dari rangkaian listrik susunan seri adalah ketika satu resistor rusak, rangkaian menjadi terbuka dan tidak ada arus yang mengalir lagi sehingga resistor yang lain tidak berfungsi sebagaimana mestinya. (Surya, 2010)

b.      Rangkaian Pembagi Arus

Rangkaian pembagi arus terdiri atas sumber tegangan dan rangkaian hambatan paralel.

 

Pada rangkaian paralel, arus dari sumber terbagi menjadi cabang-cabang yang terpisah. Arus total I yang meninggalkan baterai terbagi menjadi tiga cabang I1, I2, dan I3 berturut-turut sebagai arus yang melalui setiap resisitor R1, R2, dan R3. Karena muatan listrik kekal, arus yang masuk ke dalam titik cabang harus sama dengan arus yang keluar dari titik cabang. (Giancoli, 2001)

Ketika resistor-resistor terhubung paralel, masing-masing hambatan mengalami tegangan yang sama (dan memang dua titik manapun pada rangkaian yang dihubungkan oleh kawat dengan hambatan yang dapat diabaikan berada pada potensial yang sama). Berarti tegangan penuh baterai diberikan kesetiap resistor. (Giancoli, 2001)

Vtot = V1 = V2 = V3

c.       Rangkaian Jembatan Wheatstone

Jembatan wheatstone digunakan secara luas untuk pengukuran presisi tahanan dari sekitar 1 Ω sampai rangkuman mega ohm (M Ω) rendah. (http://script.ac.id/default/2010/10/Rangkaian_Jembatan_Wheatstone.pdf)

Jembatan wheatstone adalah rangkaian yang terdiri dari empat hambatan, seperti pada gambar dibawah ini,  hambatan pertama (R1), kedua (R2), dan ketiga (R3) sudah diketahui besarnya, sedangkan hambatan keempat (Rx) belum diketahui besarnya. (Modul Praktikum)

 

Prinsip dasar dari jembatan wheatstone didasarkan pada rangkaian yang ditunjukkan pada gambar di atas, dimana rangkaian terdiri dari (1) sumber tegangan baterai. (2) empat lengan tahanan, yaitu R1 dan R2, disebut lengan pembanding, tahanan R3 disebut lengan standar, dan tahanan Rx adalah tahanan yang besarnya tidak diketahui. (3) sebuah galvanometer, yang merupakan detector nol.

(http://script.ac.id/default/2010/10/Rangkaian_Jembatan_Wheatstone.pdf)

Jembatan wheatstone dikatakan setimbang jika beda potensial pada galvanometer adalah nol, artinya tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer. Karena tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer tersebut, maka berlaku hubungan:

(http://script.ac.id/default/2010/10/Rangkaian_Jembatan_Wheatstone.pdf)

 Ada jenis jembatan wheatstone lain yang biasa dimanfaatkan seperti pada gambar dibawah ini:

 

L adalah kawat homogen, sehingga panjang kawat sebanding dengan nilai hambatannya.  adalah hambatan standar yang nilainya dapat kita tentukan dengan mengatur variabel yang ada. Untuk harga  tertentu dan dengan mencatat kedudukan kontak geser K yaitu panjang l₁ dan l₂, maka pada saat galvanometer menunjukan harga nol hubungan persamaan (1) menjadi:(http://xsact.script&cmd.ac.id/default/2011/12/Jembatan_Wheatstone.pdf)

Pada umumnya nilai hambatan suatu bahan berubah terhadap temperature. Untuk kenaikan temperature yang sama, dua bahan yang berbeda jenis akan mengalami perubahan nilai hambatan yang berbeda pula. Hal ini dipengaruhi oleh suatu besaran yang disebut koefesien temperature. (http://xsact.script&cmd.ac.id/default/2011/12/Jembatan_Wheatstone.pdf)

3.4  Galvanometer

Komponen dasar kebanyakan alat ukur, termasuk ammeter, voltmeter dan ohmmeter, adalah galvanometer. Galvanometer terdiri dari satu kumparan kawat (dengan jarum penunjuk yang terpasang) yang digantung pada medan magnet oleh magnet permanen. (Giancoli, 2001)

Bila arus melalui loop kawat, yang biasanya terbentuk persegi panjang, medan magnet memberikan torsi pada loop, torsi ini dilawan oleh pegas yang memberikan torsi yang hampir sebanding dengan sudut melalui mana ia dibelokkan (hukum hooke). (Giancoli, 2001)

4.      Alat dan Fungsinya

Alat yang digunakan dalam praktikum rangkaian jembatan wheatstone adalah sebagai berikut:

1.      Hambatan standar berfungsi sebagai hambatan yang sudah ditentukan  besarnya.

2.      Hambatan geser berfungsi sebagai hambatan yang akan dicari besarnya.

3.      Galvanometer berfungsi untuk mengukur kuat arus listrik.

4.      Catu daya berfungsi untuk menentukan tegangan masukkan yang akan dipergunakan.

5.      Kabel-kabel penghubung 4 buah berfungsi untuk menghubungkan kuat arus listrik dari catu daya ke galvanometer, hambatan geser, hambatan standar dan kontak geser.

6.      Kontak geser berfungsi untuk menentukan jarak ketika galvanometer menunjukkan angka nol.

5.      Prosedur Praktikum

Prosedur yang harus dilakukan pada praktikum rangkaian jembatan wheatstone adalah sebagai berikut:

1.      Persiapkan semua peralatan yang dibutuhkan, konsultasikan dengan dosen pengasuh atau asisten dosen.

2.      Susun rangkaian seperti pada gambar dibawah ini.

 

3.      Hidupkan catu daya dengan masukkan tegangan 3 volt DC (minta petunjuk dosen pengasuh atau asisten).

4.      Tentukan harga Rs, atur kontak geser sehingga galvanometer menunjukkan angka nol.

5.      Catat panjang l₁ dan l₂.

6.      Ulangi langkah 3, 4, dan 5 untuk 10 kali perulangan, tanyakan kepada asisten besarnya Rs tersebut.

7.      Ulangi langkah di atas untuk harga Rs yang lain.

6.      Hasil dan Pembahasan

6.1  Hasil

No	l1 (m)	l2 (m)	Rx
1	78,5 m	21,5 m	204
2	84 m	16 m	294
3	71,3 m	28,7 m	139
4	62 m	38 m	91,3
5	54,5 m	45,5 m	67
6	45 m	55 m	45,8
7	39 m	61 m	35,8
8	36 m	64 m	31,5
9	25 m	75 m	18,6
10	20 m	80 m	14

Keterangan: V = 3 volt

                   Rs = 56 ohm

a.       Untuk Rx pertama

b.      Untuk Rx kedua

c.       Untuk Rx ketiga

d.      Untuk Rx keempat

e.       Untuk Rx kelima

f.       Untuk Rx keenam

g.      Untuk Rx ketujuh

h.      Untuk Rx kedelapan

i.        Untuk Rx kesembilan

j.        Untuk Rx kesepuluh

6.2  Pembahasan

Jembatan wheatstone digunakan secara luas untuk pengukuran presisi tahanan dari sekitar 1 Ω sampai rangkuman mega ohm (M Ω) rendah. Rangkaian jembatan wheatstone merupakan rangkaian yang terdiri dari sumber tegangan baterai, empat lengan tahanan yaitu R1 dan R2 yang disebut sebagai lengan pembanding, tahanan R3 disebut lengan standar, dan tahanan Rx adalah tahanan yang besarnya tidak diketahui dan sebuah galvanometer, yang merupakan detector nol.

Namun pada praktikum ini jembatan wheatstone yang dimanfaatkan seperti pada gambar dibawah ini:

 

L adalah kawat homogen, sehingga panjang kawat sebanding dengan nilai hambatannya. Rs adalah hambatan standar yang nilainya dapat kita tentukan dengan mengatur variabel yang ada. Untuk harga Rs tertentu dan dengan mencatat kedudukan kontak geser yaitu panjang l₁ dan l₂, maka pada saat galvanometer menunjukkan angka nol, kita dapat menentukan besar Rx melalui persamaan:

Dalam praktikum ini, percobaan dilakukan sebanyak sepuluh kali yaitu dengan menggeser hambatan geser yang posisi awal berada ditengah digeser ke kiri sebanyak sepuluh kali. Pada saat galvanometer menunjukkan angka nol, semakin kekiri posisi hambatan geser maka panjang l₁ akan semakin kecil dan panjang l₂ semakin besar, sehingga semakin kekiri posisi hambatan geser maka besar hambatannya (Rx) akan semakin kecil, hal ini dapat dilihat pada hasil praktikum.

Akan tetapi pada praktikum ini ada yang tidak sesuai dengan teori yaitu pada tabel no 2, seharusnya Rx pada tabel no 2 lebih kecil dari Rx pada no 1. Kesalahan ini disebabkan karena sensivitas dektor nol yang tidak cukup, pengaruh pemanasan dari arus-arus lengan jembatan, yang mengakibatkan perubahan tahanan lengan-lengan jembatan, sehingga dapat mengubah tahanan yang diukur, dan kesalahan-kesalahan tahanan kawat sambung dan kontak-kontak luar seperti kabel penghubung yang disentuh sehingga mengakibatkan kabelnya tergoyang.

7.      Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari praktikum rangkaian jembatan wheatstone adalah sebagai berikut:

1.      Jembatan wheatstone adalah rangkaian yang terdiri dari empat hambatan, hambatan pertama, kedua, ketiga sudah diketahui besarnya, sedangkan hambatan keempat belum diketahui besarnya.

2.      Pada saat jembatan wheatstone dalam keadaan setimbang, galvanometer akan menunjukkan angka nol karena tidak ada arus yang mengalir.

3.      Karena tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer ketika dalam keadaan setimbang, maka berlaku persamaan: