Listrik Statis dan Listrik Dinamis — Materi Fisika SMA

Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.7 Rangkaian listrik

Listrik statis membahas muatan yang diam dan gaya di antaranya; listrik dinamis membahas muatan yang mengalir. Keduanya dihubungkan oleh konsep potensial listrik. Halaman ini berakhir dengan hal yang paling praktis: membaca rangkaian, menghitung tagihan listrik, dan memakai listrik dengan aman.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: mengevaluasi rangkaian listrik. Panduan mencakup interaksi benda bermuatan dan elektroskop, gaya, medan, dan potensial listrik, kapasitor keping sejajar, arus, beda potensial, GGL, hambatan, energi dan daya listrik, penggunaan amperemeter dan voltmeter, analisis rangkaian seri, paralel, dan campuran, serta risiko bahaya perangkat listrik di rumah.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Menerapkan Hukum Coulomb, kuat medan, dan potensial listrik.
Menghitung kapasitas kapasitor dan susunannya.
Menerapkan Hukum Ohm dan faktor yang memengaruhi hambatan kawat.
Menganalisis rangkaian seri, paralel, campuran, dan Hukum Kirchhoff.
Menghitung energi, daya, dan biaya listrik, serta mengenali risiko bahaya.

📚Materi

1. Listrik statis

Muatan sejenis tolak-menolak, berlawanan jenis tarik-menarik. Benda bermuatan karena elektron berpindah (misalnya saat penggaris plastik digosok dengan rambut kering).

\[ F = k\frac{q_1 q_2}{r^2}, \qquad k = 9 \times 10^9\ \text{N m}^2/\text{C}^2 \]

\[ E = \frac{F}{q} = k\frac{Q}{r^2}, \qquad V = k\frac{Q}{r} \]

Medan listrik adalah vektor (menjauhi muatan positif, menuju muatan negatif); potensial adalah skalar. Usaha memindahkan muatan \( q \) antara dua titik: \( W = q\Delta V \). Di antara dua keping sejajar bermuatan, medannya homogen: \( E = V/d \). Penerapan: penyaring debu elektrostatis, pengecatan semprot, dan mesin fotokopi.

2. Kapasitor

\[ C = \frac{Q}{V} = \varepsilon_0 \frac{A}{d}, \qquad W = \tfrac12 CV^2 \]

Susunan paralel: \( C_p = C_1 + C_2 \). Susunan seri: \( \dfrac{1}{C_s} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2} \) — kebalikan dari hambatan.

3. Arus, hambatan, dan Hukum Ohm

\[ I = \frac{Q}{t}, \qquad V = IR, \qquad R = \rho\frac{L}{A} \]

Hambatan kawat sebanding dengan panjangnya dan berbanding terbalik dengan luas penampangnya. Amperemeter dipasang seri (hambatan dalamnya sangat kecil); voltmeter dipasang paralel (hambatan dalamnya sangat besar). Baterai bergaya gerak listrik \( \varepsilon \) dengan hambatan dalam \( r \) memberi tegangan jepit \( V = \varepsilon - Ir \).

4. Rangkaian seri, paralel, dan Kirchhoff

Seri: \( R_s = R_1 + R_2 + \ldots \); arus sama di setiap hambatan, tegangan terbagi. Satu lampu putus, semua padam.

Paralel: \( \dfrac{1}{R_p} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + \ldots \); tegangan sama, arus terbagi. Instalasi rumah dipasang paralel.

Rangkaian dengan baterai 12 volt, hambatan R1 sama dengan 4 ohm seri dengan susunan paralel R2 sama dengan 6 ohm dan R3 sama dengan 3 ohm. — Rangkaian campuran: R₂ dan R₃ paralel (2 Ω), lalu seri dengan R₁.

Hukum I Kirchhoff: jumlah arus masuk titik cabang sama dengan jumlah arus keluar (kekekalan muatan). Hukum II Kirchhoff: dalam satu loop tertutup, \( \Sigma\varepsilon + \Sigma IR = 0 \) (kekekalan energi).

5. Energi dan daya listrik

\[ P = VI = I^2R = \frac{V^2}{R}, \qquad W = Pt \]

Tagihan PLN dihitung dalam kWh: lampu 10 W yang menyala 10 jam per hari selama 30 hari memakai \( 10 \times 10 \times 30 = 3.000 \) Wh = 3 kWh. Alat bertuliskan 220 V/100 W yang dipasang pada 110 V hanya menghasilkan \( 100 \times (110/220)^2 = 25 \) W karena hambatannya tetap.

Keselamatan: kabel terkelupas, terlalu banyak alat pada satu stopkontak (arus berlebih memanaskan kabel), alat listrik di tempat lembap, dan pembumian (grounding) yang salah dapat menyebabkan sengatan listrik atau kebakaran. Sekring dan MCB memutus arus saat arusnya melebihi batas.

✏️Contoh soal

Pada rangkaian di gambar (R₁ = 4 Ω, R₂ = 6 Ω, R₃ = 3 Ω, ε = 12 V, hambatan dalam diabaikan), tentukan arus total, arus pada R₃, dan daya pada R₁.

\[ R_p = \frac{6 \times 3}{6 + 3} = 2\ \Omega, \qquad R_{\text{total}} = 4 + 2 = 6\ \Omega \]

\[ I = \frac{12}{6} = 2\ \text{A} \]

Tegangan pada susunan paralel \( 2 \times 2 = 4 \) V, sehingga \( I_3 = 4/3 \approx 1{,}33 \) A dan \( I_2 = 4/6 \approx 0{,}67 \) A. Daya pada R₁: \( P = I^2 R_1 = 4 \times 4 = 16 \) W.

Periksa. \( I_2 + I_3 = 2 \) A = arus total (Hukum I Kirchhoff). Tegangan R₁ (8 V) + tegangan paralel (4 V) = 12 V (Hukum II Kirchhoff).

Jebakan. Membagi arus total sama rata ke R₂ dan R₃. Arus lebih besar melewati hambatan yang lebih kecil.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Dua muatan saling tolak dengan gaya 18 N. Salah satu muatan dijadikan dua kali dan jaraknya tiga kali. Berapa gaya barunya?

\( F' = 18 \times 2/9 = 4 \) N.

2. Kawat tembaga diganti dengan kawat sejenis yang panjangnya dua kali dan diameternya dua kali. Bagaimana hambatannya?

\( R \propto L/A \propto L/d^2 \), sehingga \( R' = R \times 2/4 = \tfrac12 R \).

3. Baterai 9 V berhambatan dalam 1 Ω dihubungkan ke hambatan 8 Ω. Berapa arus dan tegangan jepitnya?

\( I = 9/(8 + 1) = 1 \) A; \( V = 9 - 1 \times 1 = 8 \) V.

4. Lima lampu LED 9 W menggantikan lampu pijar 60 W dan menyala 10 jam per hari selama 30 hari. Berapa kWh yang dihemat?

Selisih daya \( 5 \times 51 = 255 \) W; energi \( 255 \times 10 \times 30 = 76.500 \) Wh = 76,5 kWh.

5. Lampu 220 V/100 W dan 220 V/25 W dirangkai seri pada 220 V. Lampu mana yang lebih terang?

\( R_{100} = 484\ \Omega \), \( R_{25} = 1.936\ \Omega \), arus \( 1/11 \) A. Daya lampu 25 W menjadi 16 W, lampu 100 W hanya 4 W — lampu 25 W lebih terang.

6. Mengapa instalasi listrik rumah dipasang paralel, bukan seri?

Pada rangkaian paralel setiap alat mendapat tegangan penuh 220 V dan dapat dinyalakan atau dimatikan sendiri; jika satu alat rusak, alat lain tetap bekerja.

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

Paket 1 · Soal 23 PGK Kategori — Menganalisis kuat medan dan gaya listrik pada penyaring debu elektrostatis.
Paket 1 · Soal 24 PG — Menentukan kuat arus pada cabang rangkaian campuran seri-paralel menggunakan hukum Ohm dan hukum Kirchhoff.
Paket 1 · Soal 25 PG — Menganalisis keputusan penghematan energi listrik rumah tangga menggunakan konsep energi dan daya listrik.
Paket 2 · Soal 23 PG — Menentukan perubahan gaya Coulomb ketika muatan dan jarak diubah.
Paket 2 · Soal 24 PGK Kategori — Menganalisis kuat arus dan daya pada rangkaian campuran seri-paralel.
Paket 2 · Soal 25 PG — Menganalisis daya dan nyala dua lampu berbeda spesifikasi yang dirangkai seri.