RANGKAIAN HAMBATAN SERI

1.      Latar Belakang

Ilmu fisika merupakan salah satu cabang Ilmu Pengetahuan Alam yang dalam pembelajarannya sangat memerlukan kegiatan penunjang berupa praktikum di laboratorium. Praktikum ini dapat melatih para mahasiswa dalam menggunakan peralatan praktikum secara tepat dan benar, selain itu juga membantu pemahaman siswa terhadap materi yang diajarkan di kelas.

Salah satu materi pokok fisika dasar adalah listrik dinamis, yang penerapannya sangat dekat dengan kehidupan sehari-hari. Hal itu dapat dirasakan di zaman yang sudah modern ini, listrik sudah menjadi kebutuhan pokok manusia yang dibuktikan dengan banyaknya manusia yang memanfaat kan teknologi dan alat-alat yang canggih untuk mempermudah melakukan aktivitas. Dan untuk menghidupkan alat-alat yang canggih tersebut tidak lepas dari daya listrik.

Secara umum listrik di bagi menjadi dua, 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. Muatan-muatan listrik tersebut biasanya mengalir pada suatu rangkaian tertutup yang berfungsi sebagai sarana untuk menghantarkan energi dari satu tempat ke tempat lain. Ketika suatu partikel bermuatan bergerak di dalam sebuah rangkaian dari sebuah sumber ke sebuah alat tempat energi tersebut disimpan atau dikonversi ke dalam bentuk energi lain.

 Biasanya terdapat hambatan yang selalu dijumpai dalam setiap rangkaian yang disebut resistor. Secara umum rangkaian hambatan terbagi menjadi dua bagian, yaitu rangkaian hambatan seri dan rangkaian hambatan paralel. Rangkaian hambatan seri merupakan rangkaian yang disusun sejajar dan hanya memiliki sebuah lintasan arus tunggal diantara titik-titik dari elemen yang di sambungkan, sedangkan rangkaian paralel merupakan rangkaian yang terdapat titik cabang dan menyediakan sebuah lintasan alternatife diantara titik-titik dari elemen yang disambungkan.

Akan tetapi pada praktikum ini hanya akan membahas mengenai rangkaian hambatan seri, yaitu untuk membuktikan bahwa beda potensial sumber akan terbagi pada masing-masing hambatan yang dirangkai secara seri. 

2.      Tujuan Praktikum

Adapun tujuan yang akan dicapai setelah melakukan praktikum rangkaian hambatan seri adalah sebagai berikut:

1.      Mahasiswa memahami konsep hukum Ohm

2.      Mahasiswa dapat menentukan kuat arus listrik dan beda potensial listrik pada masing-masing hambatan yang disusun seri

3.      Mahasiswa memahami pemasangan amperemeter dan voltmeter.

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 laju aliran muatan listrik yang melalui penghantar dalam waktu selang tertentu. (Purwoko dan Fendi, 2009)

Arus listrik merupakan 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 dapat di rumuskan sebagai berikut :

Dalam SI, satuan muatan listrik adalah coulomb (C), sedangkan satuan waktu adalah sekon (s). Jadi satuan kuat arus listrik dalam SI coulomb / sekon atau C/s, akan tetapi satuan ini sering disebut ampere (A). Kuat arus listrik di ukur menggunakan amperemeter atau ammeter. (Purwoko dan Fendi, 2009)

Arus listrik diperoleh dari sumber arus listrik dan mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arus listrik dapat dikelompokkan menjadi arus listrik searah (DC) dan arus listrik bolak-balik (AC). Sumber arus searah misalnnya batu baterai dan aki, sedangkan sumber arus bolak-balik misalnya listrik dari PLN dan generator arus searah. (Purwoko dan Fendi, 2009)

3.2  Tegangan Listrik

Tegangan listrik disebut juga potensial listrik, yaitu selisih potensial antara dua terminal (ujung) rangkaian listrik. Seperti arus listrik, terangan listrik dapat dikelompokkan menjadi tegangan listrik searah dan tegangan listrik bolak-balik. Sumber tegangan searah misalnnya batu baterai dan aki, sedangkan sumber tegangan bolak-balik misalnya listrik dari PLN dan generator arus searah.

Arus listrik dapat timbul jika sumber tegangan di beri beban (hambatan). Jadi, sumber tegangan listrik yang diberi beban merupakan sumber arus listrik. Tegangan listrik diukur menggunakan voltmeter. Satuan SI untuk teganagn listrik adalah volt (V). (Purwoko dan Fendi, 2009)

3.3  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)

Secara umum, rangakain hambatan terbagi menjadi dua bagian, yaitu rangakaian hambatan seri dan rangakaian hambatan paralel.

a.      Rangkaian Hambatan Seri

Rangkaian hambatan seri adalah rangkaian hambatan yang hanya memiliki sebuah lintasan arus tunggal diantara titik-titik dari elemen-elemen rangkaian yang di sambungkan. (Modul Praktikum)

 

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 +…

Jika n resistor yang besar hambatannya masing-masing R₁, R₂, …, Rn, dihubungkan seri maka dapat digantikan oleh sebuah resistor  yang nilai hambatannya:

Rp = R₁ + R₂ + … + Rn

Rumus diatas menunjukkan bahwa pada rangkaian hambatan seri, besar hambatan pengganti selalu lebih besar daripada besar masing-masing hambatan asal. Hambatan pengganti ini lebih besar karena electron yang mengalir harus melewati hambatan oleh atom-atom di resistor 1, 2, 3, …, n, secara berturut-turut. (Surya, 2010)

Kekurangan dari 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 Hambatan Paralel

Rangakain hambatan paralel adalah rangakain hambatan yang menyediakan sebuah lintasan alternative diantara titik-titik dari elemen-elemen rangkaian yang disambungkan. (Modul Praktikum)

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

Secara umum, rangkaian paralel sejumlah resistor dapat digantikan oleh sebuah resistor yang nilai hambatannya memenuhi persamaan:

Rumus diatas menunjukkan bahwa pada hubungan paralel, besar hambatan pengganti selalu lebih kecil daripada masing-masing besar hambatan asalnya. Hal ini dikarenakan penambahan resistor secara paralel berarti penambahan jalur di mana electron-elektron bergerak. Penambahan jalur ini mempermudah gerakan electron-elektron dari kutub negative ke kutub positif baterai (hambatan lebih kecil). (Surya, 2010)

3.4  Hukum Ohm

Untuk menghasilkan arus listrik di perlukan teganagn listrik. Hasil eksperimen George Simon Ohm (1787-1854) menunjukkan bahwa arus listrik yang mengalir pada suatu kawat penghantar sebanding dengan beda potensial  yang diberikan pada ujung-ujung penghantar itu. Artinya, jika beda potensial diperbesar, arus yang mengalir juga semakin besar. Sebaliknya, jika beda potensial diperkecil, arus yang mengalir juga semakin kecil. (Purwoko dan Fendi, 2009)

Besar arus listrik pada rangkaian dipengaruhi oleh besar hambatan. Untuk nilai tegangan tertentu, semakin besar hambatan, semakin kecil arus yang mengalir. Artinya kuat arus (I) berbanding terbalik dengan besar hambatan (R). (Purwoko dan Fendi, 2009)

Dari percobaan tersebut, Ohm memperoleh kesimpulan yang dikenal sebagai Hukum Ohm, yang menyatakan bahwa:

“besar arus dalam suatu penghantar sebanding dengan tegangan (beda potensial) dan berbanding terbalik dengan hambatannya”.

Secara matematis, Hukum Ohm dapat dirumuskan dengan:

Keterangan:   I = Kuat arus (Ampere)

                    V = Beda potensial (Volt)

                      R = Hambatan (Ohm)

3.5  Mengukur Kuat Arus dan Tegangan

Secara prinsip, rangkaian listrik terdiri atas sumber tegangan dan bebannya (hambatan). Beban rangkaian dapat berupa lampu ataupun komponen lain. Ada sumber tegangan dan beban, artinya terdapat arus listrik yang mengalir.

Kuat arus yang mengalir pada suatu konduktor (misalnya filament pada bolham) diukur dengan menghubungkan secara seri konduktor tersebut dengan alat pengukur arus (amperemeter). (Surya, 2010)

Pada pengukuran arus searah, kutub positif amperemeter dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan dan kutub negative amperemeter dihubungkan dengan kutup negative sumber tegangan, tidak boleh terbalik. (Purwoko dan Fendi, 2009)

Tegangan (beda potensial) antara ujung-ujung konduktor (filament lampu) diukur dengan menghubungkan secara paralel konduktor ini dengan alat pengukur tegangan (voltmeter). (Surya, 2010)

Sekarang ini umumnya amperemeter dan voltmeter disatukan dalam satu alat yang dinamakan multimeter. Dengan memutar switch kita dapat mengubah fungsi multimeter ini dari amperemeter menjadi voltmeter atau sebaliknya. (Surya, 2010)

4.      Alat dan Fungsinya

Alat dan bahan yang di gunakan dalam praktikum rangkaian hambatan paralel adalah sebagai berikut:

1.      Papan rangkaian berfungsi sebagai tempat pemasangan rangkaian paralel.

2.      Basicmeter berfungsi sebagai untuk mengukur kuat arus dan beda potensial pada masing-masing hambatan.

3.      Catu daya berfungsi sebagai menentukan jumlah tegangan pada rangkaian.

4.      Resistor berfungsi sebagai hambatan pada rangkaian paralel.

5.      Kabel penghubung merah dan hitam berfungsi untuk menghubungkan arus listrik dari catu daya ke papan rangkaian.

6.      Sakelar berfungsi untuk menyambung dan memutuskan arus listrik.

7.      Jembatan penghubung berfungsi sebagai penghubung pada papan rangkaian.

5.      Prosedur Praktikum

Prosedur yang harus di lakukan dalam praktikum rangkaian hambatan paralel adalah sebagai berikut:

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

2.      Susun rangkaian seperti pada gambar dibawah ini membentuk sebuah rangkaian paralel seperti gambar berikut :

                           R1                  R2                  R3

 

                                                        V_S

 

3.      Berikan tegangan masukan 3 volt DC pada catu daya (konsultasikan dengan dosen pengasuh atau asisten)

4.      Hidupkan sakelar (S)

5.      Ukur arus pada rangkaian (I) dan pada masing-masing hambatan (I₁, I₂, I₃)

6.      Ukur beda potensial pada masing-masing hambatan (V)

7.      Ulangi langkah 3, 4, 5, dan 6 untuk tegangan masukan 6 volt, 9 volt, dan 12 volt DC.

6.      Hasil dan Pembahasan

6.1  Hasil

a.      Hasil Praktikum

No	Vs	I	V1	V2	V3	Vtot
1	3 volt	14 mA	0,8 volt	0,6 volt	1,2 volt	2,6 volt
2	6 volt	30 mA	1,8 volt	1,4 volt	2,8 volt	6 volt
3	9 volt	48 mA	2,6 volt	2,0 volt	4,4 volt	9 volt
4	12 volt	60 mA	3,4 volt	2,8 volt	5,8 volt	12 volt

Keterangan : R1 = 56 Ω

R2 = 47 Ω

R3 = 100 Ω

a)      Untuk Vs 3 volt

1)      Menentukan kuat arus

2)      Menentukan beda potensial

b)     Untuk Vs 6 volt

1)      Menentukan kuat arus

2)      Menentukan beda potensial

c)      Untuk Vs 9 volt

1)      Menentukan kuat arus

2)      Menentukan beda potensial

d)     Untuk Vs 12 volt

1)      Menentukan kuat arus

2)      Menentukan beda potensial

b.      Hasil Secara Teori

No	Vs	I	V1	V2	V3	Vtot
1	3 volt	14,7 mA	0,82 volt	0,69 volt	1,47 volt	3 volt
2	6 volt	29,5 mA	1,65 volt	1,38 volt	2,95 volt	6 volt
3	9 volt	44 mA	2,46 volt	2,0 volt	4,4 volt	9 volt
4	12 volt	59 Ma	3,3 volt	2,77 volt	5,9 volt	12 volt

Keterangan : R1 = 56 Ω

R2 = 47 Ω

R3 = 100 Ω

Hambatan pengganti = Rs = R1 + R2 + R2 = 56 + 47 + 100 = 203 Ω

a)       Untuk Vs 3 volt

1)      Menentukan kuat arus listrik

2)      Menentukan beda potensial

b)     Untuk Vs 6 Volt

1)      Menentukan kuat arus listrik

2)      Menentukan beda potensial

c)      Untuk Vs 9 volt

1)      Menentukan kuat arus listrik

2)      Menentukan beda potensial

d)     Untuk Vs 12 Volt

1)      Menentukan kuat arus listrik

2)      Menentukan beda potensial

6.2  Pembahasan

Rangkaian hambatan seri merupakan rangkaian hambatan yang disusun secara sejajar dan tidak memiliki titik cabang atau percabangan pada rangkaiannya, sehingga kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian seri adalah sama besar (Itot = I1 = I2 = I3), tetapi memiliki beda potensial yang berbeda di setiap hambatan nya dan jumlah seluruh beda potensial pada hambatan sama dengan beda potensial yang masuk (Vs = V1 + V2 + V3 ). Hambatan yang disusun pada rangkaian seri ini berfungsi sebagai pembagi tegangan atau beda potensial dan juga untuk menaikkan atau memperbesar hambatan

Dalam rangkaian hambatan ini berlaku hukum Ohm yaitu, “kuat arus yang mengalir dalam suatu penghantar berbanding lurus dengan beda potensial ujung-ujung penghantar dan berbanding terbalik dengan hambatan penghantar tersebut”. Berdasarkan hukum Ohm tersebut diperoleh kesimpulan bahwa beda potensial berbanding lurus dengan kuat arus listrik dan besarnya hambatan, sehingga semakin besar hambatan (R) pada rangkaian seri maka semakin besar juga beda potensialnya (V). Hal ini dapat dilihat pada hasil praktikum yang menunjukan bahwa beda potensial pada hambatan 100 Ω lebih besar dari pada beda potensial pada hambatan 56 Ω dan hambatan 47 Ω. Dan beda potensial pada hambatan 56 Ω lebih besar dari pada beda potensial 47 Ω.

Pada praktikum rangakaian hambatan seri ini, terdapat beberapa perbedaan hasil praktikum dengan hasil yang diperoleh secara perhitungan teori, hal itu dapat dilihat pada hasil praktikum misalnya pada Vs 3 volt, pada hasil praktikum Vtot = 2,6 volt, sedangkan secara perhitungan teori Itot = 3 volt. Perbedaan tersebut di sebabkan oleh beberapa faktor yaitu ketelitian praktikan dalam melakukan praktikum, misalnya saat melihat angka pada basic meter, kabel penghubung yang tergoyang dan adanya hambatan dalam yang  terdapat dalam alat-alat percobaan, seperti pada basic meter atau power supply yang menyebabkan beda potensial yang masuk tidak sama dengan beda potensial yang keluar, hal itu dapat di lihat dalam hasil praktikum, seharusnya Vs = Vtot tetapi pada hasil praktikum Vs  Vtot, misalnya pada Vs 3 volt, Vs = 3 volt sedangkan Vtot = 2,6 volt, hal itulah yang menyebabkan hasil praktikum berbeda dengan hasil perhitungan secara teori.

7.      Kesimpulan

Kesimpulan yang diperoleh dari praktikum rangkaian hambatan paralel adalah sebagai berikut:

1.      Sesuai dengan konsep hukum Ohm, semakin besar hambatan pada rangakain seri maka akan semakin besar beda potensialnya.

2.      Pada rangakaina seri berlaku bahwa kuat arus (I) yang mengalir pada masing-masing hambatan adalah sama besar, sedangkan beda potensial sumber (Vs) akan terbagi pada masing-masing hambatan.

3.      Untuk mengukur kuat arus listrik dipergunakan ampermeter yang harus disusun secara seri dengan hambatan yang akan diukur kuat arusnya.

4.      Sedangkan untuk mengukur beda potiansial dipergukan voltmeter yang

5.       harus dipasang secara paralel dengan hambatan yang akan diukur beda potensialnya.