listrik magnet

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.

Gambar 22.1

Memproduksi Arus Listrik

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.

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.

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?