Sebelumnya kita telah mempelajari mengenai listrik arus searah, yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya dapat dianggap tetap dan mengalir dalam satu arah. Arus searah yang juga disebut direct current DC contohnya dihasilkan oleh baterai. Pada modul ini akan dibahas mengenai arus bolak-balik atau alternating current AC, yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolak-balik digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik seperti televisi, radio, oven microwave, dan lain-lain. Di Indonesia, listrik arus bolak-balik disediakan oleh PLN. Pada modul ini, Anda juga akan mempelajari beberapa komponen-komponen listrik, diantaranya resistor, induktor, dan kapasitor, serta rangkaian yang menggunakan komponen-komponen listrik adalah mesin yang mengubah energi kinetik mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar kumparan dalam suatu medan magnetik. Berdasarkan jenis ggl induksi atau arus listrik induksi yang dihasilkan maka generator dapat dibedakan atas generator arus bolak-balik AC dan generator arus searah DC. Perbedaan generator arus searah dengan generator arus bolak-balik hanyalah pada cincin luncur cincin kolektor yang berhubungan dengan kedua ujung kumparan dimana generator AC memiliki dua buah cincin yang masing-masing berhubungan dengan tiap ujung kumparan sedangkan generator DC memiliki sebuah cincin yang terbelah di tengahnya yang disebut cincin belah atau AC sederhana terdiri dari sebuah kumparan yang diputar dalam suatu medan magnetik seperti gambar yang ditunjukkan gambar di atas. Untuk melihat bagaimana arus dibangkitkan oleh generator, perhatikan dua sisi vertikal dari kumparan pada gambar tersebut. Agar kumparan berputar berlawanan arah jarum jam maka sisi vertikal kiri harus mengalami gaya F ke depan dan sisi vertikal kanan harus mengalami gaya F ke belakang. Sesuai dengan kaidah telapak tangan untuk gaya magnetik gaya Lorentz, arus I pada sisi vertikal kiri haruslah ke atas, dan arus I pada sisi vertikal kanan haruslah ke bawah, seperti ditunjukkan pada gambar tersebut. Arah gaya F pada gambar searah dengan arah normal bidang kumparan n. dengan demikian sudut antara arah induksi magnetik B dan arah normal bidang n adalah θ. Dalam generator, perputaran kumparan menyebabkan sudut θ selalu berubah, dan ini menyebabkan fluks magnetik Ф, yang menerobos bidang kumparan juga berubah. Pada ujung-ujung kawat loop dibangkitkan ggl induksi ε, yang dapat dihitung dengan persamaanε=-NBA d cosθ/dtBila loop diputar dengan kecepatan sudut maka θ = t, dan persamaan di atas dapat ditulis sebagaiε=-NBA d /dtcos⁡〖t〗ε=NBA sin⁡tJika ggl induksi maksimum antara ujung-ujung sikat sama dengan ε_m, maka persamaan di atas dapat ditulis sebagaiε=ε_m sin⁡〖t=〗 NBA sin⁡tDengan ggl maksimum, ε_m, diberikan olehε_m=NBADengan ε = ggl induksi sesaat ε_m = ggl induksi maksimum = kecepatan sudut putar dari loop t = lama loop telah berputarARUS DAN TEGANGAN BOLAK BALIKArus dan tegangan bolak-balik adalah arus dan tegangan yang nilainya selalu berubah terhadap waktu secara periodik. Besaran seperti ini disebut arus dan tegangan bolak-balik atau AC Alternating Current. Pada arus bolak-balik Anda akan dapat mengetahui nilai maksimum yang dihasilkan dan frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh sumbernya. Arus dan tegangan listrik bolak-balik berbentuk sinusoida seperti yang ditunjukkan oleh gambar matematis, arus dan tegangan listrik bolak-balik tersebut dapat dinyatakan sebagai berikutDimanaV = tegangan sesaat VI = arus sesaat AVm = tegangan maksimum VIm = arus maksimum Af = frekuensi HzT = periode st = waktu st = sudut fase radian atau derajatNILAI RATA-RATA DAN NILAI EFEKTIFNilai rata-rata arus bolak-balik adalah kuat arus bolak-balik yang nilainya setara dengan kuat arus searah untuk memindahkan sejumlah muatan listrik yang sama dalam waktu yang sama. Arus rata-rata dinyatakan denganSedangkan tegangan rata-rata dinyatakan denganNilai efektif arus dan tegangan bolak-balik ialah arus dan tegangan bolak-balik yang setara dengan arus dan tegangan searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu resistor dalam waktu yang sama. Secara matematis, hubungan antara arus dan tegangan efektif dengan arus dan tegangan maksimum dinyatakan denganContoh Soal1. Jala-jala listrik di rumah mempunyai tegangan 220 volt. Sebuah alat listrik dengan hambatan 50 ohm dipasang pada jala-jala tersebut. HitunglahNilai efektif dan maksimum teganganNilai efektif dan maksimum arus listrik yang mengalirPenyelesaianTegangan hasil pengukuran adalah nilai efektif, jadi Vef = 220 volt dan R = 50 2. Sebuah generator AC menghasilkan tegangan sebagai fungsi waktu sebagai berikut V=200√2 sin⁡ 50t volt. Hitunglaha. Tegangan maksimumb. Tegangan puncak ke puncakc. Tegangan efektifd. Frekuensi angulare. Periodef. Frekuensig. Tegangan pada saat 0,01π sekonPenyelesaianBandingkan persamaan umum tegangan dengan persamaan yang diketahuiAlat Ukur Tegangan dan Arus Bolak-BalikTegangan dan arus listrik bolak-balik diukur dengan voltmeter AC dan amperemeter AC seperti terlihat pada gambar di atas. Dengan menggunakan alat ukur voltmeter atau amperemeter AC besaran yang terukur adalah nilai rms root mean squere = akar rata-rata kuadrat arus; rata-rata dari atau nilai efektif dari tegangan atau arus. Secara umum hasil pengukuran tegangn V dan arus I dapat ditulis sebagai berikutContoh SoalPerhatikan gambar berikut!Sebuah amperemeter AC digunakan untuk mengukur kuat arus bolak-balik sehingga jarum amperemeter menunjukkan angka seperti pada gambar. Tentukanlaha. Nilai efektifb. Nilai maksimumc. Nilai rata-rata arus bolak-balikPenyelesaianKawat rangkaian listrik dihubungkan dengan terminal arus 0 A dan 10 A, artinya batas ukur maksimum amperemeter 10 A. Skala amperemeter adalah 0 sampai dengan 50, sehingga jika jarum amperemeter menunjukkan angka 50 maka hasil pengukuran adalah maksimum, 10 melihat bentuk tegangan atau arus sinusoidal yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dapat digunakan alat ukur osiloskop Lihat gambar di atas. Sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan atau arus yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dan sumbu horizontalnya menunjukkan waktu. Dari monitor osiloskop dapat ditentukan nilai maksimum dari tegangan atau arus listriknya dan dari sumbu horizontal dapat ditentukan periode atau frekuensi dari sumber bolak-baliknya. Monitor dari sebuah osiloskop terbagi-bagi menjadi baris-baris dan kolom-kolom sehingga membentuk sebuah soalPerhatikan gambar berikut!Jika sumbu vertikal diatur pada tegangan 2 V/cm, waktu dalam arah horizontal menunjukkan 10 ms/cm dan tiap kotak memiliki ukuran 1 cm × 1 cm. Tentukanlaha. tegangan maksimum sumber AC;b. frekuensi sumber ARUS BOLAK-BALIKPada dasarnya, komponen-komponen rangkaian listrik menunjukkan karakteristik yang berbeda ketika dihubungkan dengan sumber tegangan searah dan ketika dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik. Karena itu, karakteristik rangkaian arus searah berbeda dengan karakteristik rangkaian arus bolak-balik dan salah satu perbedaan tersebut berkaitan dengan fase antara tegangan dan arus. Pada umumnya, semua rangkaian listrik mempunyai hambatan, kapasitas, dan induktansi meskipun pada rangkaian tersebut tidak terdapat resistor, kapasitor, dan induktor. Akan tetapi nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tersebut tergantung pada jenis komponen yang terdapat dalam rangkaian, dan mungkin pada keadaan tertentu nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tersebut dapat diabaikan, sedangkan pada keadaan lain mungkin tidak dapat diabaikan. Secara teoritis dapat dianggap bahwa rangkaian listrik terdiri dari rangkaian resistif, rangkaian induktif, dan rangkaian kapasitifRANGKAIAN RESISTIFRangkaian resistif merupakan rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan V dengan resistor yang mempunyai hambatan R dan nilai kapasitas C maupun induktansi L rangkaian tersebut diabaikan. Perhatikan sebuah rangkaian arus bolak-balik yang terdiri dari sebuah resistor dan generator AC seperti gambar berikut iniTegangan pada resistor VR sama dengan tegangan generator sehingga untuk rangkaian resistif dapat ditulisDengan demikian akan berlaku juga hubungan sebagai berikutKarena rangkaian resistif dianggap tidak mempunyai induktansi dan kapasitas, maka rangkaian resistif tidak dipengaruhi oleh perubahan medan magnet di sekitarnya. Berdasarkan hal tersebut, maka pada rangkaian resistif, arus dan tegangan bolak-balik mempunyai fase yang sama atau beda fasenya INDUKTIFRangkaian induktif merupakan rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan V dengan induktor yang mempunyai induktansi L dan nilai-nilai hambatan R maupun kapasitas C rangkaian tersebut diabaikan, seperti ditunjukkan gambar berikutArus yang mengalir pada rangkaian induktif murni berubah terhadap waktu yang memenuhi persamaan I=I_m sin⁡ t, sehingga pada induktor terinduksi gaya gerak listrik yang memenuhi persamaanKarena pada rangkaian induktif, hambatan rangkaian R dan kapasitasnya C diabaikan, maka tidak ada penurunan potensial IR pada induktor, sehingga tegangan sumber V sama dengan gaya gerak listrik induksi 〖-ε〗_ind= V_L, yaituJadi pada rangkaian induktif arus listrik mempunyai fase yang berbeda dengan tegangan. Sesuai dengan persamaan I dan V di atas, maka beda fase antara arus dan tegangan pada rangkaian induktif adalah ∅=π/2. Dalam hal ini, pada rangkaian induktif, tegangan V mendahului arus I dengan beda fase sebesar π/2 atau 90o. Meskipun pada rangkaian induktif tidak terdapat resistor, tetapi pada rangkaian ini terdapat sebuah besaran yang mempunyai sifat yang sama dengan hambatan listrik, yaitu reaktansi induktif, yang besarnya dapat ditentukan sebagai berikutDenganX_L = reaktansi induktif = kecepatan sudut rad/sf = frekuensi sumber AC HzL = induktansi induktor HRANGKAIAN KAPASITIFRangkaian kapasitif adalah rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan V dengan kapasitor yang mempunyai kapasitas C dan nilai-nilai hambatan R dan induktansi L rangkaian tersebut diabaikan, seperti ditunjukkan gambar berikut iniPada rangkaian kapasitif murni, tegangan yang dipasang pada kapasitor berubah terhadap waktu sesuai dengan persamaan V=V_m sin⁡〖t,〗 sehingga muatan yang tersimpan pada kapasitor memenuhi persamaan berikutSehingga arus listrik pada kapasitor ditentukan sebagai berikutSesuai dengan persamaan I dan V di atas, maka pada rangkaian kapasitif, arus mempunyai beda fase sebesar ∅=π/2 dengan tegangan. Dalam hal ini, arus mendahului tegangan dengan beda fase sebesar π/2 atau 90o. Seperti juga pada rangkaian induktif, maka pada rangkaian kapasitif terdapat sebuah besaran reaktansi yang disebut reaktansi kapasitif dan besarnya dapat ditentukan sebagai berikutDenganX_C = reaktansi kapasitif C = kapasitas kapasitor Ff = frekuensi HzContoh Soal1. Sebuah rangkaian arus bolak-balik yang bersifat induktif murni terdiri dari induktor dengan induktansi L = 25 mH dan sumber tegangan AC dengan tegangan efektif 150 V. berapakaha. Reaktansi induktifnyab. Kuat arus efektif rangkaian jika frekuensi sumber 50 Sebuah kapasitor 8 μF dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan AC yang tegangan efektifnya 150 V dan frekuensinya f = 50 Hz. Berapakaha. Reaktansi kapasitifb. Arus efektif di dalam rangkaianPenyelesaianRANGKAIAN SERI R-L-CPada kegiatan belajar sebelumnya telah dibahas bagaimana pengaruh resistor, induktor, dan kapasitor yang dihubungkan secara terpisah dengan sebuah sumber arus bolak-balik I=I_m sin⁡t. Sekarang akan ditinjau, apa yang akan terjadi jika ketiga elemen tersebut dihubungkan secara seri, yang sering disebut rangkaian seri RLC seperti gambar di VR, VL, VC, DAN V PADA RANGKAIAN SERI RLCUntuk menentukan hubungan VR, VL, dan VC digunakan diagram fasor. Perhatikan bahwa karena ketiga elemen berhubungan seri, maka arus yang mengalir melalui semua elemen sama besar, yaitu I=I_m sin⁡t. Dengan kata lain arus bolak-balik di semua titik pada rangkaian seri RLC memiliki nilai maksimum dan fase yang sama. Akan tetapi tegangan pada masing-masing elemen akan memiliki nilai dan fase yang berbeda. Tegangan pada resistor VR sefase dengan arus I, tegangan pada induktor VL mendahului arus π/2 rad atau 90o, dan tegangan pada kapasitor tertinggal dari arus π/2 rad atau 90o. Dengan demikian dapat ditulisJika ditetapkan sudut t pada sumbu x, maka diagram fasor untuk arus I, tegangan VR, VL, dan VC akan tampak seperti gambar dengan hukum Kirchoff, tegangan antara ujung-ujung rangkaian seri RLC, yaitu VAB = V adalah jumlah fasor antara VR, VL, dan VC. penjumlahan fasor tersebut menghasilkan besar tegangan total, yaituTampak jelas pada gambar bahwa beda sudut fase antara arus dan tegangan θ memenuhi hubunganIMPEDANSI RANGKAIAN SERI R-L-CPada rangkaian DC umumnya hanya akan ditemukan satu macam hambatan yaitu resistor murni R, nilai hambatan total dari beberapa resistor yang terhubung secara seri adalah penjumlahan secara aljabar skalar masing-masing hambatan rangkaian AC, terdapat resistor, induktor, dan kapasitor dalam rangkaian. Efek hambatan total yang dihasilkan oleh R, XL, dan XC dalam rangkaian AC disebut impedansi Z. Nilai Z tidak dapat dihitung dengan penjumlahan aljabar skalar seperti pada arus searah. Untuk menentukan nilai Z digunakan persamaan berikutBeda sudut fase antara kuat arus I dengan tegangan V adalahDengan menggunakan kedua persamaan di atas dapat dibuat diagram fasor untuk impedansi seperti tampak pada gambar SoalRangkaian R-L-C seri dengan R = 80 ohm, XL = 100 ohm, dan Xc =40 ohm. Rangkaian ini dihubungkan dengan tegangan bolak-balik dengan tegangan efektif 220 V. Tentukanlaha. impedansi rangkaian;b. arus efektif yang mengalir pada rangkaian;c. tegangan efektif antara ujung-ujung PADA RANGKAIAN R-L-CResonansi pada rangkaian seri R-L-C terjadi ketika XL = XC. Keadaan ini menyebabkan impedansi rangkaian Z memiliki harga minimum yang bernilai sama dengan hambatan murni R. Adapun arus dalam rangkaian menjadi maksimum. Garis singgung antara kurva Z dan garis linear R merupakan titik terjadinya frekuensi resonansi. Di titik tersebut besaran Z bernilai minimum. Perhatikan gambar terjadinya resonansi,Oleh karena , maka diperoleh frekuensi resonansiRangkaian resonansi dapat dijumpai pada rangkaian penala, caranya dengan mengubah-ubah frekeunsi melalui kondensator variabel. Jika frekuensinya sesuai, frekuensi gelombang radio akan di SoalPada frekuensi berapakah sebuah rangkaian R-L-C seri yang dihubungkan bertegangan bolak-balik akan beresonansi. Apabila R = 80 ohm, L = 1 henry, dan C = 1 mikroFarad?PenyelesaianDiketahuiR = 80 ohmL = 1 henryC = 1 mikroF = 10-6 FDitanyakan f = …?JawabDAYA PADA ARUS LISTRIK BOLAK-BALIKInduktor dan kapasitor yang terpasang pada rangkaian arus bolak-balik membutuhkan tambahan energi listrik. Daya yang diserap dalam rangkaian resistif Z besarnya adalahAdapun daya yang sesungguhnya atau daya rata-rata adalahKeteranganContoh SoalPerhatikan gambar berikut ini!Sebuah rangkaian seri R–L-C dengan R = 30 , L = 0,6 H dan C = 500 F dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik yang memiliki V = 300 sin 100t Volt. Tentukana. Impedansi rangkaianb. Daya rata-rata yang diserap rangkaianPenyelesaianDiketahuiR = 30 L = 0,6 HC = 500 F = 500 x 10-6 F = 5 x 10-4 FV = 300 sin 100t VoltDitanyakanZ = ...?P = ...?JawabTRANSFORMATORApakah transformator itu? Dalam kehidupan sehari-hari tentunya sahabat fisioner sering mendengar atau mungkin telah menggunakan transformator. Transformator adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik AC dari satu nilai tertentu menjadi nilai yang atau trafo terdiri dari pasangan kumparan primer dan sekunder yang terpisah dan dililitkan pada inti besi lunak seperti ditunjukkan pada gambar di atas. Kumparan primer berfungsi sebagai input dan kumparan sekunder berfungsi sebagai output. Prinsip dasar cara kerja transformator adalah hukum induksi Faraday. Kumparan primer dihubungkan ke suatu sumber arus bolak-balik yang besar arus listriknya senantiasa berubah terhadap waktu. Arus pada kumparan primer ini bekerja seolah-oleh mengalirkan atau memutuskan arus searah secara berulang-ulang sehingga terjadi perubahan garis-garis gaya magnet yang memotong kumparan sekunder. Akibatnya, timbul GGL induksi dalam kumparan sekunder yang berfungsi sebagai output dengan mengalirkan arus listrik induksi. Dengan menentukan jumlah lilitan yang sesuai untuk tiap kumparan, dapat dihasilkan GGL kumparan sekunder yang berbeda dengan GGL pada kumparan primer. Hubungan antara tegangan dengan jumlah lilitan kumparan pada sebuah transformator dapat ditulis secara matematis sebagai = tegangan sekunder voltVp = tegangan primer voltNs = lilitan sekunder lilitanNp = lilitan primer lilitanTransformator berdasarkan taraf tegangan dibedakan menjadi 2 yaitu, transformator step up dan transformator step down. transformator step up adalah transformator yang digunakan untuk menaikkan taraf tegangan listrik, sedangkan transformator step down adalah transformator yang digunakan untuk menurunkan taraf tegangan listrik. Transformator step up biasanya digunakan pada daerah pembangkit untuk menaikkan tegangan sebelum ditransmisikan ke jaringan listrik, tujuannya adalah untuk meminimalisir kerugian daya yang terjadi ketika daya ditransmisikan ke jaringan listrik. Transformator step down sering kita jumpai pada distribusi energi listrik dari tegangan tinggi menjadi tegangan menengah atau tegangan rendah milik PLN seperti yang kita lihat pada tiang-tiang listrik di pinggir SoalSebuah tarfo step-up kumparan primernya terdiri atas 50 lilitan dan kumparan sekundernya 100 lilitan. Jika tegangan primernya 110 V, berapakah tegangan pada kumparan sekundernya?PenyelesaianDiketahuiNp = 50 lilitanNs= 100 lilitanVp = 110 VDitanyakan Vs = ?JawabJadi, tegangan pada kumparan sekunder adalah 220 Trafo untuk Transformator IdealApakah jumlah energi yang masuk sama dengan jumlah energi yang keluar? Menurut hukum kekekalan energi, apabila transformator itu adalah transformator ideal maka jumlah energi yang masuk ke dalam sebuah transformator sama dengan jumlah energi yang keluar dari transformator itu. Akibatnya, daya listrik yang ada pada kumparan primer Pp adalah sama dengan daya listrik yang ada pada kumparan sekunder Ps. Dengan demikian, secara matematis dapat ditulisPp = PsKarena Pp = Vp Ip dan Ps = Vs Is, makaVp Ip = Vs IsKeteranganPp = daya pada kumaparan primer wattPs = daya pada kumparan sekunder wattContoh SoalSebuah trafo step-down dihubungakan dengan sumber tegangan 220 V. Trafo ini digunakan untuk menyalakan lampu bertegangan 10 V. Jika kuat arus listrik yang melalui lampu 4 A, berapakah kuat arus listrik yang melalui kumparan primer?PenyelesaianDiketahuiVp = 220 VVs = 10 VIs = 4 ADitanyakan Ip =….. ?JawabJadi, arus listrik yang melewati kumparan primer adalah 0,182 TransformatorInti transformator terbuat dari pelat-pelat besi. Ketika suatu tegangan bolak-balik dihubungkan pada transformator maka akan dihasilkan garis-garis gaya magnet yang selalu berubah. Hal ini dapat menyebabkan timbulnya arus pusat pada inti tarnsformator. Inti transformator terbuat dari besi yang bersifat sebagai penghantar yang memiliki hambatan listrik sehingga timbul kehilangan energi dalam bentuk kalor. Selain itu, kumparan primer dan sekunder yang terbuat dari kawat tembaga dan bersifat sebagai penghantar dengan nilai hambatan listrik tertentu juga menimbulkan kehilangan energi dalam bentuk kalor. Dalam transformator selalu timbul kalor sehingga energi listrik yang keluar dari transformator selalu lebih kecil daripada energi listrik yang masuk ke transformator. Sebagian energi listrik itu berubah menjadi kalor. Keadaan ini merupakan sesuatu yang tidak dapat dihindarkan. Efisiensi transformator didefinisikan sebagai perbandingan antara daya listrik yang keluar dari transformator dengan daya listrik yang masuk ke adalah alat atau mesin yang sangat efisien. Efisiensi transformator dapat mencapai 99%.Contoh SoalSebuah tarnsformator memiliki tegangan primer 220 V dan tegangan sekunder 110 V. Apabila kuat arus yang mengalir melalui tegangan primer sebesar 0,2 A, ternyata kuat arus yang mengalir pada kumparan sekunder menjadi 0,3 A. Berapakah efisiensi transformator itu?PenyelesaianDiketahuiVp = 220 VVs = 110 VIp = 0,2 AIs = 0,3 ADitanyakan efisiensi = ….. ?JawabJadi, efisiensi transformator adalah 75%.-fisika online-22 materi fisika beserta rumus, soal, penyelesaian soal berikut ini dapat Anda pelajari dengan mengklik salah satu materi yang ingin dipelajari. Materi Arus dan Tegangan Listrik Bolak-Balik