22.1
arus dan rangkaian
Seperti
yang Anda pelajari dalam BAB 11, air yang mengalir di atas air terjun memiliki
energi potensial dan kinetik. Namun, sejumlah besar potensi alam dan energi
kinetik yang tersedia dari sumber daya seperti Air Terjun Niagara yang kurang
bermanfaat bagi orang atau produsen yang jauhnya 100 km, kecuali energi yang
dapat diangkut secara efisien. Energi listrik menyediakan sarana untuk
mentransfer sejumlah besar energi jarak jauh dengan sedikit kerugian. Transfer
ini biasanya dilakukan pada perbedaan potensial tinggi melalui saluran listrik,
seperti yang terlihat pada foto di sebelah kiri. Setelah energi ini mencapai
konsumen, dengan mudah dapat dikonversi ke dalam bentuk lain atau kombinasi
dari bentuk, termasuk suara, cahaya, energi panas, dan gerak. Karena energi
listrik dapat dengan mudah diubah menjadi bentuk lain, hal itu menjadi sangat
diperlukan dalam kehidupan kita sehari-hari. Bahkan melihat disekitar Anda
mungkin akan menghasilkan contoh yang banyak dari konversi energi listrik. Di
dalam, lampu untuk membantu Anda membaca di malam hari, microwave dan kompor
listrik untuk memasak makanan, komputer, stereo dan semua bergantung pada
listrik untuk daya. Di luar, lampu jalan, toko tanda-tanda, iklan, dan pemula
di mobil semua menggunakan aliran muatan listrik. Dalam bab ini, Anda akan
belajar bagaimana perbedaan potensi, ketahanan, dan arus terkait. Anda juga
akan belajar tentang listrik dan transfer energi.
|
Dalam
Bab 21, Anda belajar bahwa ketika dua bola melakukan sentuh, muatan mengalir
dari bola yang potensial tinggi ke potensial rendah. Aliran berlanjut sampai
tidak ada perbedaan potensial antara dua daerah.
Aliran
muatan partikel adalah arus listrik. Dalam Gambar 22 - 1a, dua konduktor, A dan
B, dihubungkan dengan konduktor kawat, C. Muatan arus dari perbedaan potensial
yang tinggi dari B ke A melalui C. Aliran muatan positif disebut arus
konvensional. Aliran berhenti ketika perbedaan potensial antara A, B, dan C
adalah nol. Anda bisa mempertahankan perbedaan potensial listrik antara B dan A
dengan memompa partikel bermuatan dari A kembali ke B, seperti digambarkan pada
Gambar 22-1b. Karena pompa meningkatkan energi potensial listrik dari muatan,
itu membutuhkan sumber energi eksternal untuk menjalankan. Energi ini bisa
berasal dari berbagai sumber. Satu sumber yang dekat, sel volta atau galvanik (
sel kering umum), mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Beberapa sel
galvanik terhubung bersama-sama disebut baterai. Sumber kedua energi sel
photovoltaic listrik, atau perubahan sel matahari dari energi cahaya menjadi
energi listrik.
Arus Listrik
Muatan
pada Gambar 22 - 1b bergerak di sekitar lingkaran tertutup, beredar dari pompa
B, melalui C, ke A dan kembali dipompa. Setiap loop tertutup atau melakukan
jalan yang memungkinkan muatan listrik mengalir disebut sebuah rangkaian
listrik. Sebuah rangkaian termasuk pompa muatan, yang meningkatkan energi
potensial muatan yang mengalir dari A ke B, dan alat yang mengurangi energi
potensial muatan yang mengalir dari B ke A. Potensi energi yang hilang oleh
muatan, qV, bergerak melalui alat
yang biasanya diubah menjadi beberapa bentuk energi lainnya. Misalnya, energi
listrik diubah menjadi energi kinetik oleh sebuah motor, energi cahaya oleh
lampu, dan energi panas oleh pemanas.
Sebuah
pompa muatan menciptakan aliran partikel bermuatan yang membentuk arus.
Pertimbangkan generator yang digerakkan oleh kincir air, seperti yang
digambarkan dalam Gambar 22 - 2a. Air jatuh dan kincir air dan pembangkit
berputar. Dengan demikian, energi kinetik air diubah menjadi energi listrik
oleh generator. Generator, seperti pompa muatan, meningkatkan beda potensial
listrik, V. Energi dalam jumlah qV diperlukan untuk meningkatkan perbedaan
potensial dari muatan. Energi ini berasal dari perubahan energi air. Tidak
semua energi kinetik air yang bagaimanapun diubah menjadi energi listrik,
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22 - 2b.
Gambar 22.2
Jika generator melekat pada kincir air
terhubung ke motor, muatan dalam kawat mengalir ke motor. Muatan terus mengalir
melalui rangkaian kembali ke generator. Motor mengubah energi listrik menjadi
energi kinetik.
Kekekalan
Beban muatan tidak dapat diciptakan atau
dihancurkan, tetapi mereka dapat dipisahkan. Dengan demikian, jumlah total
muatan sama dengan jumlah elektron negatif dan ion positif dalam rangkaian
tidak berubah. Jika salah satu coulomb mengalir melalui generator dalam 1 s,
maka salah satu coulomb juga akan mengalir melalui motor dalam 1 s. Dengan
demikian, muatan adalah besaran dilestarikan. Energy juga kekal. Perubahan
energi listrik, E,
sama dengan qV. Karena q kekal, perubahan bersih energi potensial dari muatan
yang terjadi benar-benar di sekitar rangkaian harus nol. Peningkatan beda
potensial yang dihasilkan oleh generator sama dengan penurunan beda potensial
di motor.
Jika
perbedaan potensial antara dua kawat adalah 120 V, kincir air dan generator
harus melakukan 120 J bekerja pada setiap coulomb muatan yang disampaikan.
Setiap coulomb muatan yang bergerak melalui motor memberikan 120 J energi ke
motor.
Tingkat arus muatan dan
transfer energi
Daya, yang didefinisikan dalam
watt, W, mengukur tingkat di mana energi yang ditransfer. Jika transfer
pembangkit 1 J energi kinetik menjadi energi listrik setiap detik, itu
mentransfer energi pada tingkat 1 J/s, atau 1 W. energi yang dibawa oleh arus
listrik tergantung pada muatan yang ditransfer, q, dan potensi perbedaan di
mana ia bergerak, V. Dengan demikian, E = qV.
Ingat dari Bab 20 bahwa unit untuk kuantitas muatan listrik adalah coulomb.
Laju aliran muatan listrik, q/t, disebut arus listrik, diukur dalam
coulomb per detik. Arus listrik diwakili oleh I, jadi I = q/t. Aliran 1 C/s disebut ampere , A. Energi yang dibawa oleh arus
listrik berhubungan dengan tegangan, E = qV.
Sampai saat ini, I = q/t, adalah laju aliran muatan, daya, P =
E/t, dari perangkat listrik dapat ditentukan dengan mengalikan tegangan dan
arus. Untuk memperoleh bentuk akrab dari persamaan untuk daya yang dikirim ke
perangkat listrik, Anda dapat menggunakan P = E/t dan pengganti E = qV dan q = It.
Daya
P = IV
Daya
sama dengan waktu sebanding dengan perbedaan potensial
|
Jika arus yang melalui motor dalam
Gambar 22-2a adalah 3,0 A dan beda potensial adalah 120 V, daya di motor
dihitung dengan menggunakan ekspresi P = (3,0 C / s) (120 J / C) = 360 J / s,
yang adalah 360 W.
Contoh 1
Tenaga
Listrik dan Energi adalah 6.0 V
Baterai memberikan 0,50 A saat
ini untuk motor listrik yang terhubung di terminal.
a.
Apakah daya dikirim ke motor?
b.
Jika motor berjalan
selama 5,0 menit, berapa banyak energi listrik yang disampaikan?
1.
Menganalisis dan Sketsa
Masalah
•
Buatlah sebuah
rangkaian yang menunjukkan terminal positif baterai terhubung ke motor dan
kawat kembali dari motor dihubungkan ke terminal negatif baterai.
•
Tampilkan arah arus
konvensional
Diketahui
V
= 6 V, I = 0,5 A, t = 5.0 menit
Ditanyakan
:
P
= ?
E
= ?
2.
Memecahkan untuk
Diketahui
a.
Gunakan P= IV untuk menemukan kekuatan.
P= IV Subsitusikan I= 0,50
A, V= 6,0 V
P=(0.50 A) (6,0 V)
= 3,0 W
b.
Dalam Bab 10, Anda
belajar bahwa P = E / t. Untuk
menemukan energi (E).
E =Pt Substitusikan
= (3.0 W) (5.0 Min)
= (3.0 J/s) (5.0 Min)
=
Evaluasi
Jawaban
o Apakah
unit yang benar? Daya diukur dalam watt, dan energi diukur dalam joule.
o Apakah
besarnya realistis? Dengan tegangan yang relatif rendah dan arus, beberapa watt
wajar.
Latihan soal
1.
Arus yang melalui
sebuah bola lampu terhubung di terminal outlet 125 V adalah 0,50 A. Pada
tingkat apa bohlam mengubah energi listrik untuk menerangi? (Asumsikan
efisiensi 100 persen)
2.
Sebuah aki mobil
menimbulkan arus 2,0 A melalui sebuah lampu dan menghasilkan 12 V di atasnya. berapakah daya yang digunakan
oleh lampu?
3.
Berapakah
Arus yang melalui sebuah bola lampu 75W yang terhubung ke stopkontak 125V?
4.
Arus yang melalui motor
starter dari mobil adalah 210 A. Jika baterai mempertahankan 12 V di motor,
berapa banyak energi listrik yang dikirimkan ke starter dalam 10,0 s?
5.
Sebuah bola lampu senter
bernilai 0,90 W. Jika lampu turun 3,0 V, berapa banyak arus masuk melaluinya?
Mengubah resistensi
|
||
Faktor
|
Bagaimana perubahan
resistensi
|
Contoh
|
Panjang
|
Resistensi meningkat bila panjangnya meningkat.
|
|
Luas penampang
|
Resistensi meningkat bila luas penampang
menurun.
|
|
Suhu
|
Resistensi meningkat dengan
meningkatnya suhu.
|
|
Bahan
|
Menjaga panjang, luas penampang,
dan suhu konstan, resistensi bervariasi dengan bahan yang digunakan.
|
|
Resistansi dan hukum
ohm
Misalkan
dua konduktor memiliki perbedaan potensial antara keduanya. Jika kedua
konduktor terhubung dengan batang tembaga, arus yang besar dibuat. Di sisi
lain, menempatkan batang kaca antara kedua konduktor menciptakan hampir tidak
ada arus. Properti menentukan
berapa banyak arus akan mengalir disebut resistensi. Tabel 22-1 mencantumkan
beberapa faktor dampak resistensi. Resistansi diukur dengan menempatkan
perbedaan potensial di konduktor dan membagi tegangan dengan arus. Resistansi, R,
didefinisikan sebagai rasio beda potensial listrik, V, dengan arus, I.
Resistansi R =
Resistansi sebanding dengan
tegangan dibagi arus
|
Hambatan
dari konduktor, R, diukur dalam ohm. Satu ohm (1 Ω) Adalah resistansi
memungkinkan muatan listrik dari 1 A mengalir ketika beda potensial 1 V
diterapkan pada resistansi. Sebuah rangkaian sederhana yang berkaitan
resistensi, arus, dan tegangan ditunjukkan pada Gambar 22-3 yang ada di
samping.
Sebuah
aki mobil 12 V terhubung ke salah satu mobil 3 Ω lampu rem. Rangkaian ini
dilengkapi dengan koneksi ke ammeter, yang merupakan sebuah perangkat yang
mengukur arus. Arus membawa energi ke lampu yang akan mengukur 4 A.
Unit
resistansi adalah nama untuk ilmuwan Jerman Georg Simon Ohm, yang menemukan
bahwa rasio beda potensial untuk saat ini adalah konstan untuk sebuah konduktor
tertentu. Hambatan bagi kebanyakan konduktor tidak bervariasi sebagai jarak
atau arah potensial yang diterapkan untuk berubah. Sebuah perangkat yang
memiliki resistansi konstan independen dari perbedaan potensial mematuhi hukum
Ohm.
Kebanyakan
konduktor logam mengikuti hukum Ohm, setidaknya selama rentang terbatas
tegangan. Banyak perangkat penting, bagaimanapun, tidak. Sebuah radio
dan kalkulator saku mengandung banyak perangkat, seperti transistor dan dioda,
yang tidak mengikuti hukum Ohm. Bahkan bola lampu memiliki ketahanan yang
tergantung pada suhu dan tidak mematuhi hukum Ohm.
Kabel
digunakan untuk menghubungkan perangkat listrik memiliki resistansi rendah. 1 m
dari kawat biasa yang digunakan di laboratorium fisika memiliki resistansi
sekitar 0,03Ω. Kabel yang digunakan dalam kabel rumah menawarkan sedikitnya
0.004Ω resistensi untuk setiap meter panjang. Karena kabel memiliki begitu sedikit
hambatan, hampir tidak ada
penurunan potensial di antara kabelnya. Untuk menghasilkan penurunan potensi
yang lebih besar, resistansi besar terkonsentrasi dalam volume kecil yang
diperlukan. Sebuah resistor adalah perangkat yang dirancang untuk memiliki
ketahanan tertentu. Resistor dapat dibuat dari grafit, semikonduktor, atau
kabel yang panjang dan tipis.
dua cara untuk mengontrol arus dalam sebuah
rangkaian. Karena I = V/R , I dapat diubah dengan memvariasikan V, R, atau
keduanya . Gambar 22 - 4a menunjukkan rangkaian sederhana. Ketika V adalah 6 V
dan R adalah 30 Ω, Arus 0,2 A. Bagaimana mungkin saat ini dikurangi menjadi 0,1
A? Menurut hukum Ohm, semakin besar tegangan ditempatkan di sebuah resistor,
semakin besar arus melewati itu. Jika arus yang melalui resistor dipotong
setengah, perbedaan potensial juga dipotong setengah. Dalam Gambar 22-4b,
tegangan diterapkan di seluruh resistor berkurang dari 6 V menjadi 3 V untuk
mengurangi arus 0,1 A. Cara kedua untuk mengurangi arus 0,1 A untuk menggantikan
30 Ω resistor dengan 60 Ω resistor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22-4c.
Gambar 22.4
Resistor
sering digunakan untuk mengontrol arus dalam rangkaian atau bagian dari
rangkaian. Kadang-kadang, variasi secara kontinyu membuat kelancaran arus yang diinginkan.
Sebagai contoh, kontrol kecepatan pada beberapa motor listrik memungkinkan
kontinu, dibandingkan secara bertahap, perubahan putaran motor. Untuk mencapai
kontrol seperti ini, resistor variabel dihubungkan pada potensiometer yang
digunakan. Sebuah rangkaian yang mengandung potensiometer ditunjukkan pada
Gambar 22-5 yang ada di samping. Beberapa resistor variabel terdiri dari
kumparan kawat resistensi dan titik kontak geser. Memindahkan titik kontak
untuk berbagai posisi di sepanjang kumparan bervariasi jumlah kawat di
rangkaian. Karena semakin banyak kawat ditempatkan di rangkaian,resistensi
meningkat pada rangkaian, dengan demikian, perubahan saat ini sesuai dengan
persamaan I = V / R. Dengan cara ini, kecepatan motor dapat disesuaikan dari
cepat dengan sedikit kawat di rangkaian, untuk memperlambat dengan banyak kawat
di sirkuit. Contoh lain dari menggunakan resistor variabel untuk menyesuaikan
tingkat energi listrik dapat ditemukan pada bagian depan TV : kontrol volume,
kecerahan, kontras, nada, dan kendali warna semua resistor variabel .
Tubuh
manusia Tubuh manusia bertindak sebagai
resistor variabel. Setelah kering, resistensi kulit cukup tinggi untuk menjaga
arus yang dihasilkan oleh tegangan kecil dan moderat yang rendah. Jika kulit
menjadi basah, bagaimanapun resistensi lebih rendah, dan arus listrik dapat
naik ke tingkat berbahaya. Sebuah arus serendah 1 mA dapat dirasakan sebagai
guncangan ringan, sedangkan arus dari 15 mA dapat menyebabkan hilangnya kontrol
otot dan arus 100 mA dapat menyebabkan kematian.
Rangkaian Diagram
Sebuah
rangkaian sederhana dapat digambarkan dalam kata-kata. Hal ini juga dapat
digambarkan oleh foto atau gambar artis. Paling sering, sebuah sirkuit listrik
digambarkan menggunakan simbol-simbol standar untuk elemen sirkuit. Diagram
seperti ini disebut skema rangkaian. Beberapa simbol yang digunakan dalam skema
rangkaian ditunjukkan pada Gambar 22-6.
Contoh 2
Arus
Melalui Resistor Baterai 30.0 V terhubung ke 10,0 Ω resistor.
Apakah
arus dalam rangkaian?
Menganalisis
dan Sketsa Masalah
•
Gambarlah sebuah
rangkaian yang berisi baterai, ampermeter, dan resistor.
•
Tampilkan arah arus
konvensional.
Diketahui
V
= 30 v, R = 10 Ω
Ditanya
I
= ?
Penyelesaian
I
= V/R = 30/10 = 3 A
Evaluasi
Jawaban
•
Apakah unit yang benar?
Arus diukur dalam ampere
•
Apakah besarnya
realistis? Ada tegangan yang cukup besar dan resistensi kecil, sehingga arus
3,00 A wajar.
Latihan soal
Untuk
semua masalah, menganggap bahwa tegangan baterai dan resistensi lampu yang
konstan, tidak peduli arus yang datang.
6.
Sebuah panel lampu
mobil dengan hambatan 33 Ω ditempatkan di baterai 12 V. Apakah arus melalui
rangkaian?
7.
Sebuah motor dengan
ketahanan operasi 32 Ω terhubung ke sumber tegangan. Arus dalam rangkaian
tersebut adalah 3,8 A. Apa yang dimaksud dengan tegangan dari sumbernya?
8.
Sebuah sensor
menggunakan 2.0 × 10-4 A saat ketika dioperasikan oleh baterai 3.0
V. Berapakah resistansi dari rangkaian sensor?
9.
Sebuah lampu menarik
arus 0,50 A saat dihubungkan ke sumber 120 V.
a. Berapakah
resistansi lampu?
b. Apakah
konsumsi daya lampu?
10. Sebuah
lampu 75 W terhubung ke 125 V.
a. Apakah
arus yang melalui lampu?
b. Berapakah
resistansi lampu?
11. Sebuah
resistor ditambahkan ke lampu dalam masalah sebelumnya untuk mengurangi arus
setengah dari nilai aslinya.
a. Apa
perbedaan potensial di seluruh lampu?
b. Berapa
banyak resistensi ditambahkan ke rangkaian?
c. Berapa
banyak daya yang sekarang hilang di lampu?
Gambar
dan skematis dari rangkaian yang sama ditunjukkan pada Gambar 22-7a dan 22-7b.
Perhatikan baik dalam menggambar dan skema bahwa muatan listrik ditunjukkan
mengalir keluar dari terminal positif baterai.
Untuk menggambar diagram skema, gunakan strategi pemecahan masalah di bawah
ini, dan selalu mengatur arus konvensional.
Anda
belajar bahwa ammeter mengukur arus dan voltmeter mengukur perbedaan potensial.
Setiap instrumen memiliki dua terminal, biasanya diberi label (+) dan (-)
Sebuah voltmeter mengukur perbedaan potensial di setiap komponen sirkuit.
Ketika menghubungkan voltmeter dalam rangkaian, selalu menghubungkan (+)
terminal ke ujung komponen rangkaian yang lebih dekat ke terminal positif baterai, dan menghubungkan (-) terminal ke
sisi lain dari komponen.
Strategis Pemecahan
Masalah
Menggambar
Skema Diagram Ikuti langkah-langkah saat menggambar diagram skematik.
1.
Gambarkan simbol untuk
baterai atau sumber lain energi listrik, seperti generator, di sisi kiri
halaman. Pasang terminal positif di atas.
2.
Menggambar kawat keluar
dari terminal positif. Ketika Anda mencapai sebuah resistor atau perangkat
lain, menggambar simbol untuk itu.
3.
Jika Anda mencapai
titik di mana ada dua jalur saat ini, seperti pada voltmeter, menggambar dalam
diagram. Ikuti salah satu jalan sampai dua jalur saat ini bergabung lagi.
Kemudian gambarlah jalan kedua.
4.
Ikuti lintasan arus
sampai Anda mencapai terminal negatif baterai.
5.
Periksa pekerjaan Anda
untuk memastikan bahwa Anda telah memasukkan semua bagian dan bahwa ada jalan
lengkap untuk saat ini untuk mengikuti.
Latihan soal
12. Menggambar
diagram sirkuit untuk menyertakan baterai 60,0 V, sebuah ammeter, dan hambatan
dari 12,5? dalam seri. Menunjukkan pembacaan ammeter dan arah arus.
13. Menggambar
diagram seri-sirkuit yang menunjukkan baterai 4.5-V, resistor, dan ammeter yang
bertuliskan 85 mA. Tentukan perlawanan dan label resistor. Pilih arah untuk
arus konvensional dan menunjukkan terminal positif baterai.
14. Tambahkan
voltmeter untuk mengukur beda potensial di resistor dalam masalah 12 dan 13 dan
ulangi masalah.
15. Gambarlah
sebuah sirkuit menggunakan baterai, lampu, potensiometer untuk mengatur
kecerahan lampu, dan saklar on-off.
16. Ulangi
soal sebelumnya, menambahkan ammeter dan voltmeter seluruh lampu.
Ketika
voltmeter terhubung di komponen lain, itu disebut hubungan paralel karena
komponen rangkaian dan voltmeter selaras sejajar satu sama lain di rangkaian,
seperti yang digambarkan dalam Gambar 22-8a. Setiap kali saat memiliki dua atau
lebih jalur untuk mengikuti sambungan diberi label paralel. Beda potensial di
voltmeter adalah sama dengan perbedaan potensial di seluruh elemen rangkaian.
Selalu mengaitkan kata-kata tegangan dengan sambungan paralel.
Sebuah ammeter mengukur arus
melalui komponen rangkaian. Arus yang sama akan melalui komponen harus melalui
ammeter, sehingga hanya ada satu jalan saat ini. Sambungan yang hanya memiliki
satu jalan disebut sambungan seri, ditunjukkan pada Gambar 22 - 8b. Untuk
menambahkan ammeter ke sirkuit, kabel yang terhubung ke komponen sirkuit harus
dipindahkan dan dihubungkan ke ammeter sebagai gantinya. Kemudian, kawat lain
terhubung dari terminal kedua ammeter untuk komponen rangkaian. Dalam sambungan
seri, hanya ada satu jalan melalui sambungan. Selalu mengasosiasikan kata-kata
arus melalui sambungan seri.
Bagian
pengulasan
17. Skema
Gambarkan diagram skematik dari rangkaian yang berisi baterai dan bola lampu.
Pastikan bola lampu akan menyala di sirkuit ini.
18. Resistansi
Joe menyatakan bahwa karena R= V / I, jika ia meningkatkan tegangan, resistansi
akan meningkat. Apakah Joe benar? Jelaskan.
19. Resistansi
Anda ingin mengukur perlawanan dari sepotong panjang kawat. Tampilkan bagaimana
Anda akan membangun sirkuit dengan baterai, voltmeter, ammeter, dan kawat yang
akan diuji untuk membuat pengukuran. Tentukan apa yang akan Anda mengukur dan
bagaimana Anda akan menghitung perlawanan.
20. Menggerakkan
Rangkaian listrik A memiliki 12 Ω resistensi dan terhubung ke baterai 12 V.
Tentukan perubahan kekuasaan jika resistansi tersebut menurun menjadi 9,0 Ω.
21. Daya
Sebuah rangkaian mengkonversi 2,2× 103 J energi ketika dioperasikan
untuk 3,0 menit. Tentukan jumlah energi yang akan dikonversi ketika
dioperasikan selama 1 jam.
22. Berpikir
Kritis Kita mengatakan bahwa kekuasaan adalah
" hilang " dalam resistor. Untuk menghilangkannya dengan menggunakan,
membuang, atau menyia-nyiakan. Apa itu " digunakan " ketika muatan
mengalir melalui resistor ?
22.2
Menggunakan Energi Listrik
Banyak peralatan rumah tangga umum
yang mengubah energi listrik menjadi
bentuk lain, seperti cahaya, energi kinetik, suara, atau energi panas. Bila Anda menyalakan salah satu dari alat-alat ini, Anda menyelesaikan rangkaian dan mulai mengubah energi listrik. Pada bagian ini, Anda akan belajar untuk menentukan laju konversi energi dan jumlah yang dikonversi.
bentuk lain, seperti cahaya, energi kinetik, suara, atau energi panas. Bila Anda menyalakan salah satu dari alat-alat ini, Anda menyelesaikan rangkaian dan mulai mengubah energi listrik. Pada bagian ini, Anda akan belajar untuk menentukan laju konversi energi dan jumlah yang dikonversi.
Transfer energi di
Sirkuit Listrik
Energi yang dipasok ke rangkaian
dapat digunakan dalam berbagai cara. Sebuah motor mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik, dan perubahan lampu dari energi listrik menjadi cahaya.
Sayangnya, tidak semua energi yang disampaikan untuk motor atau lampu berakhir
dalam bentuk yang berguna. Bola lampu, terutama bola lampu pijar, menjadi
panas. Motor terasa panas jika sering terlalu disentuh. Dalam setiap kasus,
sebagian energi listrik diubah menjadi energi panas. Anda sekarang akan
memeriksa beberapa alat yang dirancang untuk mengkonversi sebagai energi
sebanyak mungkin menjadi energi panas.
Pemanasan suatu resistor Arus yang bergerak melalui
resistor menyebabkannya memanas karena
elektron mengalir menabrak atom dalam resistor. Tabrakan ini meningkatkan
energi atom kinetik dan suhu resistor. Sebuah ruang pemanas, piring panas, dan
elemen pemanas di pengering rambut semua dirancang untuk mengubah energi
listrik menjadi energi panas. Dan peralatan rumah tangga lainnya, seperti yang
digambarkan pada Gambar 22-9, bertindak seperti resistor ketika mereka berada
dalam sebuah rangkaian. Ketika muatan, q,
bergerak melalui resistor, beda potensial yang dikurangi dengan jumlah, V. Seperti
yang Anda pelajari, perubahan energi diwakili oleh qV. Dalam penggunaan praktis, tingkat dimana energi yang berubah
menjadi daya, P = E/t jadi lebih penting. Sebelumnya, Anda mempelajari bahwa
saat ini tingkat dimana biaya arus, I = q/t,
dan bahwa daya yang dihamburkan dalam resistor diwakili oleh P = IV. Untuk
resistor, V = IR. Jadi, jika Anda tahu I dan R, Anda dapat mensubstitusikan V =
IR ke dalam persamaan tenaga listrik sebagai berikut.
Power
|
Dengan demikian,
kekuatan yang dihamburkan dalam resistor sebanding
dengan kuadrat arus yang melalui resistansi. Jika Anda tahu V dan R, tapi tidak I, Anda dapat menggantikan I
= V / R ke P = IV untuk memperoleh persamaan berikut.
Power
Daya adalah
tingkat di mana energi diubah dari
satu bentuk ke bentuk lain. Energi berubah dari listrik
ke energi panas, dan
suhu resistor naik. Jika resistor pemanas
perendaman atau pembakaran
pada kompor listrik, misalnya, panas mengalir
ke dalam air dingin cukup cepat untuk mendidihkan
air dalam beberapa menit.
Jika
daya terus hilang
pada tingkat yang seragam, kemudian
setelah waktu t,
energi diubah menjadi energi panas akan menjadi E = Pt. Karena P= R dan
P= / R, total energi untuk dikonversi menjadi energi panas dapat ditulis dengan cara berikut.
energi diubah menjadi energi panas akan menjadi E = Pt. Karena P= R dan
P= / R, total energi untuk dikonversi menjadi energi panas dapat ditulis dengan cara berikut.
Energy thermal :
Energi panas sama dengan daya yang dihamburkan
dikalikan dengan waktu. sekarang juga sama dengan arus kuadrat dikalikan
dengan resistansi dan waktu serta sebagai tegangan kuadrat dibagi dengan
resistansi dikalikan dengan waktu.
|
Contoh
3
Listrik
Panas pemanas A memiliki ketahanan dari 10,0?. Ini beroperasi pada 120,0 V.
a.
Apa daya yang
dihamburkan oleh pemanas?
b.
Apa energi panas
dipasok oleh pemanas di 10,0 s?
Menganalisis dan Sketsa Masalah
·
Sketsa situasi.
·
Label komponen sirkuit
yang dikenal, yang merupakan potensi 120,0-V sumber perbedaan dan 10,0-Ω
resistor.
Diketahui
R = 10 Ω, V = 120 V, t = 10 s
Ditanya
P dan E = ?
Penyelesaian
a.
P = V2/R =
(120)2/10 = 1,44 kW
b.
E=Pt = 1,44 × 10 = 14,4
kJ
Evaluasi Jawaban
·
Apakah unit yang benar?
Daya diukur dalam watt, dan energi diukur dalam joule.
·
Apakah besaran
realistis? Untuk daya, 102 × 102 × 10-1 = 103,
sehingga kilowatt wajar. Untuk energi, 103 × 101 = 104,
jadi urutan besarnya dari 10.000 joule wajar.
Latihan
soal
23. Suatu
pemanas listrik 15 Ω beroperasi pada outlet 120 V.
a. Berapakah
arus yang melalui pemanas?
b. Berapa
banyak energi yang digunakan oleh pemanas di 30 s?
c. Berapa
banyak energi panas dibebaskan saat ini?
24. Suatu
resistor 39 Ω dihubungkan dengan sebuah baterai 45 V.
a. Barapakah
arus dalam rangkaian?
b. Berapa
banyak energi yang digunakan oleh resistor dalam 5,0 menit?
25. Suatu
bola lampu 100 W adalah 22 persen efisien. Ini berarti bahwa 22 persen dari
energi listrik diubah menjadi energi cahaya.
a. Berapa
banyak joule lampu menyala setiap menit saat dihidupkan?
b. Berapa
joule energi termal yang dihasilkan bola lampu setiap menit?
26. Hambatan
dari elemen kompor listrik pada suhu operasi 11 Ω
a. Jika
220 V diterapkan di atasnya, berapa arus yang melalui elemen kompor?
b. Berapa
banyak energi yang elemen dikonversi ke energi panas dalam 30 s?
c. Unsur
ini digunakan untuk memanaskan ketel berisi 1,20 kg air. Asumsikan bahwa 65
persen dari panas yang diserap oleh air. Berapakah peningkatan suhu air selama
30 s?
27. Sebuah
pemanas air 120 V mengambil 2,2 jam untuk memanaskan volume air pada suhu
tertentu. Berapa lama unit 240 V beroperasi dengan mengambil arus yang sama
untuk menyelesaikan tugas yang sama?
Superkonduktor
superkonduktor adalah bahan dengan resistensi nol.Tidak ada pembatasan arus
dalam superkonduktor, sehingga tidak ada potensi perbedaan, V, di antaranya.
Karena daya yang hilang dalam sebuah konduktor diberikan oleh produk IV,
superkonduktor dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Saat ini,
hampir semua superkonduktor harus dijaga pada suhu di bawah 100 K. Penggunaan
superkonduktor yang praktis meliputi magnet MRI dan sinkroton, yang saat ini digunakan
dan dapat disimpan pada suhu mendekati 0 K.
Transmisi Listrik Energi
Fasilitas
PLTA, seperti di Itaipu tanggul, yang ditunjukkan pada Gambar 22-10, mampu
menghasilkan banyak energi. Energi listrik tenaga air ini sering dikirim
melalui jarak yang jauh untuk mencapai rumah dan industri. Bagaimana mungkin
transmisi terjadi dengan sedikit kerugian energi panas ?
Energi panas
yang dihasilkan pada tingkat yang diwakili oleh P = R.
Pakar listrik menyebutnya tidak diinginkan energi termal joule kehilangan
pemanas, atau kehilangan I2R
. Untuk mengurangi kerugian ini, baik saat ini, I , atau hambatan, R, harus dikurangi.
Semua kabel
memiliki beberapa hambatan, meskipun resistensi kecil . Kabel besar yang
digunakan untuk membawa listrik ke dalam rumah memiliki resistansi 0,20 Ω untuk
1 km. Misalkan rumah pertanian yang terhubung langsung ke pembangkit listrik sejauh 3,5 km. Hambatan dalam
kabel yang dibutuhkan untuk membawa arus dalam rangkaian ke rumah dan kembali ke
pabrik diwakili oleh persamaan berikut: Sebuah
kompor listrik dapat menyebabkan 41 A arus melalui kabel.
Daya yang dihamburkan dalam kabel diwakilioleh
hubungan berikut: Semua kekuatan ini diubah menjadi energi termal dan terbuang. Kerugian
ini dapat diminimalkan dengan mengurangi resistensi. kabel dari konduktivitas
yang tinggi dan diameter besar
(dan oleh karena itu resistansi rendah) tersedia,
namun kabel tersebut
mahal dan berat. Karena kerugian energi juga sebanding dengan kuadrat arus dalam konduktor, itu
bahkan lebih penting untuk
menjaga arus dalam transmisi garis
rendah.
Bagaimana
arus dalam jalur transmisi tetap rendah? listrik energi
per detik (kekuasaan) ditransfer melalui saluran transmisi jarak jauh ditentukan oleh hubungan P = IV Saat ini berkurang tanpa daya yang dikurangi dengan
peningkatan tegangan. Beberapa garis jarak jauh menggunakan tegangan lebih dari 500,000 V. Mengakibatkan arus yang lebih rendah mengurang kerugian
pada jalur dengan menjaga Faktor
rendah.
Jalur transmisi jarak jauh selalu beroperasi pada tegangan jauh lebih tinggi
daripada tegangan rumah tangga
di untuk mengurangi kerugian. tegangan keluaran dari pembangkit
adalah berkurang setelah
tiba di gardu listrik 2400 V, dan lagi untuk
240 V atau
120 V sebelum
digunakan di rumah.
Jam kilowatt
Selagi
perusahaan listrik sering disebut perusahaan
listrik, mereka benar-benar memberikan
energi daripada daya. Daya adalah tingkat di mana energi disampaikan. Ketika
konsumen membayar tagihan listrik
rumah mereka, contoh yang ditunjukkan pada Gambar 22-11, mereka membayar untuk energi listrik, bukan daya.
Jumlah
energi listrik yang digunakan
oleh perangkat adalah
laju energi konsumsi,
dalam joule per detik (W) kali jumlah detik
yang perangkat dioperasikan. Joule per detik kali
detik, (J /
s) s, sama dengan
jumlah total joule energi. Joule, juga didefinisikan sebagai watt-detik
adalah jumlah yang relatif kecil dari energi, terlalu
kecil untuk digunakan penjualan
komersial. Untuk alasan ini, perusahaan listrik mengukur penjualan energi dalam satuan
sejumlah besar. joule
disebut kilowatt-jam,
kWh. Sebuah kilowatt-jam sama dengan 1000 watt
disampaikan terus menerus selama 3600 s (1 jam), atau 3.6 × 106 J. Tidak banyak perangkat
rumah tangga selain pemanas
air panas, kompor, pengering pakaian, oven microwave, pemanas, dan
pengering rambut membutuhkan lebih dari 1000 W daya. Sepuluh
bola lampu 100 W
yang beroperasi sekaligus menggunakan hanya 1 kWh
energi ketika mereka biarkan selama satu jam
penuh.
Masalah
tantangan
Gunakan
gambar yang ada di kanan untuk membantu Anda menjawab pertanyaan-pertanyaan di
bawah ini.
1.
Awalnya,
kapasitor bermuatan. Saklar 1 ditutup, dan saklar 2 tetap terbuka. Berapa
tegangan yang ada di kapasitor?
2.
Saklar
1 sekarang dibuka, dan saklar 2 tetap terbuka. Berapa tenganggan yang ada di kapasitor?
Mengapa?
3.
Selanjutnya,
saklar 2 ditutup, sementara saklar 1 tetap terbuka. Berapa besar tegangan yang
ada di kapasitor dan arus yang melalui resistor setelah saklar 2 ditutup?
4.
Dengan
berjalannya waktu, apa yang terjadi pada tegangan yang ada di kapasitor dan
arus melalui resistor?
Latihan
soal
28.
Sebuah
ruang pemanas listrik menarik 15,0 A dari sumber 120 V. Alat ini dioperasikan
rata-rata selama 5,0 jam setiap hari.
a.
Berapa
besar daya yang digunakan pemanas?
b.
Berapa
banyak energi dalam kWh yang dikonsumsi selama 30 hari?
c.
Pada
Rp.1200,00 per kWh, berapa biaya untuk mengoperasikan pemanas selama 30 hari?
29.
Jam
digital memiliki resistansi sebesar 12.000 Ω dan terhubung ke sumber tengangan 115 V.
a. Berapa banyak arus yang digunakan jam tersebut?
b. Berapa banyak daya yang digunakan jam tersebut?
c. Jika pemilik dari jam membayar Rp. 1200,00 per kWh,
berapa biaya untuk mengoperasikan jam selama 30 hari?
30.
Sebuah
baterai otomotif dapat menghantarkan 55 A pada 12 V untuk 1,0 jam dan
membutuhkan 1,3 kali lebih banyak energi untuk mengisi ulang karena efisiensinya
kurang dari sempurna. Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai
menggunakan arus 7,5 A? Asumsikan bahwa tegangan pengisian adalah sama dengan
tegangan pemakaian.
31.
Kerjakan
kembali soal sebelumnya dengan mengasumsikan bahwa baterai memerlukan aplikasi
14 V ketika pengisian.
Anda telah belajar beberapa cara di mana perusahaan listrik memecahkan masalah yang terlibat dalam transmisi arus listrik jarak jauh. anda juga telah belajar
bagaimana perusahaan listrik menghitung
tagihan listrik dan
bagaimana untuk memprediksi biaya
menjalankan berbagai peralatan di
rumah. Distribusi energi listrik ke seluruh pelosok bumi adalah salah satu prestasi rekayasa
terbesar pada abad kedua puluh.
Bagian ulasan
32. Energi Sebuah mesin mobil menggerakkan generator,
di mana ia memproduksi dan menyimpan muatan listrik dalam baterai mobil. Lampu
depan menggunakan muatan listrik yang disimpan dalam baterai mobil. Sebutkan
bentuk-bentuk energi dalam tiga operasi ini.
33. Resistansi
Pengering rambut
beroperasi dengan sumber tegangan 120 V memiliki dua pengaturan, panas dan
hangat. Di mana pengaturan resistensi yang cenderung lebih kecil? Mengapa?
34. Daya Tentukan perubahan daya di rangkaian
jika tegangan yang diberikan menurun sebesar satu setengah
35. Efisiensi Mengevaluasi dampak dari penelitian
untuk meningkatkan jaringan transmisi listrik pada masyarakat dan lingkungan.
36.
Tegangan Mengapa berbagai listrik dan pemanas air panas
listrik dihubungkan ke sumber tegangan 240 V daripada 120 V?
37. Berpikir
Kritis Ketika permintaan untuk
tenaga listrik yang tinggi, perusahaan listrik kadang-kadang mengurangi
tegangan, sehingga menghasilkan "brown-out." Apa yang sedang
disimpan?