Web viewSTANDAR KOMPETENSI (SK) 2 : ... ( SKEMA PEMBELAJARAN.docx ... LKS fisika Hal. 26 (Ayo berlatih) LKS Fisika Hal. 31 No. 8

1

STANDAR KOMPETENSI (SK) 2 :

Menerapkan konsep listrik arus bolak balik

KOMPETENSI DASAR (KD) :

1. Menguasai hukum kelistrikan arus bolak-balik2. Menguasai hubungan antara tegangan, impedansi, dan

arus listrik bolak-balik3. Menghitung daya dan energi listrik arus bolak-balik

Skema pembelajaran SKEMA PEMBELAJARAN.docx

KD 1 : Menguasai hukum kelistrikan arus bolak-balik

Materi yang dipelajari :1. Gejala peralihan pada induktor2. Gejala transien pada kapasitor3. Sumber tegangan bolak-balik4. Resistor sumber tegangan bolak-balik5. Induktor pada arus bolak-balik

PEMBAHASAN

Pernahkan kamu melihat gardu listrik???Biasanya merupakan transmisi tegangan tinggi. Secara umum listrik bolak balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN) ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Arus bolak balik (AC = Alternating current) adalah arus listrik dimana besar dan arah arus berubah-ubah secara bolak balik. Berbeda dengan arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Generator arus bolak balik adalah alat untuk mengubah energi kinetik menjadi energi listrik dan menghasilkan tenaga induksi bolak balik.

A. TEGANGAN DAN ARUS BOLAK BALIK

2

Arus bolak balik (AC = Alternating current) adalah arus yang besar dan arahnya selalu berubah-ubah secara periodik.

Tegangan bolak balik adalah tegangan yang besar dan arahnya selalu berubah ubah secara periodik.

Besarnya arus dan tegangan bolak balik diukur dengan ampermeter dan voltmeter AC

Arus dan tegangan yang ditunjukkan merupakan harga efektifnya bukan harga maksimummya.

1. Bentuk tegangan dan arus bolak balik

Listrik bolak balik dihasilkan oleh generator listrik bolak balik / generator AC

Generator adalah alat untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik

Prinsip dasar generator arus bolak balik adalah sebuah kumparan berputar dengan kecepatan sudut yang berada di dalam medan magnet.

Generator AC

http://serbafisika.blogspot.com/2011/06/generator-ac-free-animasi-flash_29.html

Generator menghasilkan tegangan dan arus listrik induksi yang berbentuk sinusoidal.

Generator pembangkit tegangan bolak balik disebut alternator

3

Perbedaan generator AC dan generator DC terletak pada cincin gesernya. Pada generator AC, cincin gesernya tetap (ada 2 cincin) sehingga bersinggungan dengan rotor secara bergantian dan menghasilkan GGL induksi ke segala arah, Pada generator DC , cincin gesernya dibelah menjadi 2 sehingga yang bersinggungan dengan rotor tidak mengalami perubahan dan menghasilkan GGL induksi ke satu arah.

Grafik tegangan berbentuk sinusoidal maka secara matematis dirumuskan :

Keterangan ;v : tegangan sesaat (volt)vm : tegangan maksimum (volt)

: 2 f = frekuensi sudut tegangan bolak balik (rad/s)

t : waktu (sekon): sudut fase ketika t = 0, biasanya diambil

sama dengan 0

Grafik arus berbentuk sinusoidal, maka secara matematis arus bolak balik dirumuskan :

Keterangan : I : Arus sesaat (ampere)Im : Arus maksimum (ampere)

: …………………….t : …………………………

: ………………………….

Contoh soal :

4

1. Hitung arus sesaat ketika sudut fase = 30o

dan 200o dari suatu arus AC pada gambar berikut!

a. = 60 sin 30o

= 60 . ½ = 30 mA = 30 x 10-3 A

2. Kuat arus dan tegangan pada fasor

Hubungan amplitudo tegangan / arus bolak balik dengan sudut fase dapat dinyatakan secara grafik dalam diagram fasor.

Diagram fasor/diagram vektor adalah cara menggambarkan gelombang sinusoidal secara vektor.

Fasor digunakan untuk melukiskan tegangan / arus listrik bolak balik

Panjang/besar fasor menyatakan tegangan/arus maksimum

Arah fasor menyatakan sudut fase ke gelombang pada saat itu.

Contoh soal :1. Misalkan ada dua tegangan listrik bolak balik A

dan B yang berbeda fase 90o, seperti gambar dibawah ini. Gambarlah fasornya!

b. Kerjakan

5

Pembahasan : Fasor B sebagai acuan.

Fasor B ketinggalan 90o dari fasor A. Panjang kedua fasor diambil dari perbandingan nilai maksimum kedua tegangan. Gambar diagram fasor

Fasor A sebagai acuan .Fasor A digambarkan mendatar.Fasor B vertikal, karena ketinggalan dari A maka arah fasor B digambarkan ke bawah.

A

3. Nilai rata-rata dan nilai efektif

Untuk menentukan nilai rata-rata dan nilai efektif suatu arus dan tegangan bolak balik, kalian harus mengetahui dulu pengertian tegangan maksimum dan arus maksimum.

Tegangan maksimum (Vm) adalah nilai terbesar tegangan listrik bolak balik

Kuat arus maksimum (Im) adalah nilai maksimum dari arus bolak balik.

6

a. Nilai rata-rata arus bolak balik

Adalah kuat arus bolak balik yang nilainya setara dengan kuat arus searah untuk memindahkan sejumlah muatan llistrik yang sama dalam waktu yang sama.

RUMUS :

Keterangan :Ir : Kuat arus rata-rata (A)Im : Kuat arus maksimum (A)

b.Tegangan rata-rata arus bolak balkik (Vr)

RUMUS :

Keterangan :Vr : Tegangan rata-rata (volt)Vm : Tegangan maksimum (volt)

c. Nilai efektif arus bolak balik

Adalah arus bolak balik yang setara dengan arus searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu resistor dalam waktu yang sama.

RUMUS :

Keterangan :Ief : arus efektif (A)Im : arus maksimum (A)

7

d. Nilai efektif tegangan bolak balik

Adalah tegangan bolak balik yng setara dengan arus searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama.

RUMUS :

Keterangan :Vef : tegangan efektif (volt)Vm : tegangan maksimum(volt)

Contoh Soal :1. Sebuah voltmeter dipergunakan untuk mengukur

beda potensial listrik pada rangkaian arus bolak balik. Jika angka yang ditunjukkan oleh alat ukur tersebut adalah 200 V, berapakah besar beda potensial listrik maksimum dan rata-rata?

Diketahui :

Ditanya :

Jawab :a.

KERJAKAN

b.

PERLU DIINGAT!!!!!!!!!Vef Voltmeter

Vm osiloskop

8

KERJAKAN

Latihan soal :1. LKS fisika Hal. 26 (Ayo berlatih)2. LKS Fisika Hal. 31 No. 83. LKS fisika Hal. 34 No. 7 dan 134. LKS Fisika Hal. 35 No. 2

e. Alat ukur arus dan tegangan bolak balik Voltmeter AC dan ampermeter AC dapat

digunakan untuk mengukur tegangan efektif dan arus efektif khusus untuk arus bolak balik.

Pemasangan voltmeter AC secara paralel terhadap yang diukur.

(voltmeter AC)

Pemasangan amperemeter AC secara seri terhadap yang diukur

9

(amperemeter AC)

Avometer/multimeter/multitester adalah alat ukur yang merupakan gabungan dari pengukur beberapa besaran yaitu kuat arus, tegangan dan hambatan.

Selengkapnya bisa kunjungi http://yuliusekajuhana.wordpress.com/2011/0

10

8/28/alat-ukur-kelistrikan-dan-penggunaannya/

Untuk mengukur nilai sesaat dan nilai maksimum dapat digunakan osiloskop.

Osiloskop merupakan alat yang langsung menampilkan bentuk arus tegangan terhadap waktu.

(osiloskop)

Simulasi osiloskop :1. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\

01Osiloskop.swf2. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\

02Osiloskop2.swf3. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\

03Osiloskop3.swf4. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\

04Osiloskop4.swf5. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\

05Osiloskop5.swf

Contoh soal :1. LKS Fisika hal 33 No. 42. Lks fisika hal. 26 (Contoh soal)

Latihan soal :1. LKS fisika Hal. 32 No. 9

11

2. LKS Fisika Hal. 34 No. 143. LKS fisika Hal. 35 No. 3

KD 2 : Menguasai hubungan antara tegangan, impedansi, dan arus listrik bolak-balik

Materi yang dipelajari :1. Perumusan impedansi RLC seri2. Perumusan impedansi RLC paralel3. Keadaan resonansi rangkaian RLC

PEMBAHASAN

B. Hubungan Antara Arus, Tegangan Dan Hambatan Pada Rangkaian Arus Bolak Balik

1. Resistor pada rangkaian arus bolak balik

Rangkaian arus bolak balik yang terdiri dari sebuah resistor dan generator AC

12

Jenis-jenis resistor LISTRIK ARUS BOALK BALIK\HALAMAN INTERNET\macam-macam-jenis-jenis-resistor.html

RUMUS :

Beda tegangan antara ujung-ujungnya bersifat sinusoidal.

Keterangan :Vsumber: tegangan sumber (volt)Vm : tegangan maksimum (volt)

: kecepatan sudut (radian) = 2 ft : waktu (sekon)

Nilai arus sesaat yang mengalir pada resistor

RUMUS :

Sesuai perumusan Vr dan Ir, maka grafik tegangan dan arus pada resistor berbentuk sinusoidal

Jika tahanan murni R dilewati arus bolak balik, ternyata arus dan tegangan yang diderita tahanan tersebut adalah sefase.

13

Resistor sefase = berhimpit

Contoh soal :1. LKS Fisika hal 34 No. 4

2. Hambatan 100 ohm pada catu daya listrik AC. Persamaannya V = 200 sin (100 t + 45o)Bagaimana persamaan arusnya?Diketahui :R = 100 V = 200 sin (100 t + 45o)

V = 200 sin (100 t + 45o)Jadi, Vm = 200

Ditanya : Persamaan I

Jawab :

200 = Im . 100 Im = = 2 A

Karena I dan V sefase, maka persamaan

14

I = 2 sin (100 t + 45o)

Latihan soal :- LKS Hal. 33 No. 6

2. Induktor Pada Rangkaian Arus Bolak Balik

a. Induktor

Adalah kumparan kawat yang dililitkan pada inti besi

Induktor

Suatu induktor idealnya memiliki hambatan kawat nol.

Hambatan induktor muncul jika induktor dialiri arus bolak balik.

Saat induktor dialiri listrik bolak balik, terjadi perubahan fluk magnetik dalam kumparannya.

Menurut Lenz, perubahan fluk magnetik menimbulkan GGL induksi yang melawan arus semula. Arus inilah yang menghambat arus yang datang, sehingga muncul hambatan pada induktor.

(macam-macam induktor) -->LISTRIK ARUS BOALK BALIK\macam induktor.html

Sebuah kumparan dengan induktansi diri L dialiri arus bolak balik, maka arus yang melewati induktor mempunyai fase ketinggalan 90o terhadap tegangannya (tegangan mendahului arus)

RUMUS :

L =Induktansi diri

15

Keterangan :Tanda (-) menunjukkan bahwa GGL induksi melawan perubahan kenaikan arus.

b. Induktor dalam rangkaian AC

Rangkaian Arus bolak balik yang terdiri dari sebuah induktor dan sumber listrik bolak balik

Grafik sinusoidal

Grafik fasor

16

RUMUS :

VI = Vm . sin t

IL = Im sin ( t – 90o)

Hubungan antara arus maksimum Im dan tegangan induksi maksimum Vm adalah

Im =

XL = L

Keterangan:: kecepatan sudut (rad)

L : Induktansi diri kumparan: Reaktansi induktif ( )

Berbeda dengan resistor, reaktansi induktif besarnya tergantung pada frekuensi

RUMUS :

Ief =

Contoh soal:1. Suatu kumparan dengan induktansi diri 0,5 H

pada catu daya listrik AC, V= 200 sin (100t + 120o). Bagaimana persamaan arusnya?

Diketahui : L = 0, 5 HV = Vm sin tV = 200 sin (100t + 120o)

17

Vm = 200= 100

Ditanya: persamaan I

Jawab := XL = L

= 100 . 0,5 = 50

Im =

= = 4 A

I = Im sin ( t – 90o) = 4 sin (100t + 120o – 90o) = 4 sin (100t + 30o)

Latihan soal :1. LKS Fisika Hal. 31 No. 32. LKS Fisika Hal. 32 N0. 23. LKS Fisika hal 34 No. 15 dan 16

3. Kapasitor pada rangkaian arus bolak balik

18

Rangkaian listrik bolak balik dengan sebuah kapasitor

(macam-macam kapasitor) :1. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\macam macam

kapasitor.htm2. LISTRIK ARUS BOALK BALIK\macam-macam-

dan-bentuk-kondensator.html

Apabila kapasitor C dilewati arus bolak balik, ternyata arus yang melewati kapasitor mempunyai fase mendahului 90o terhadap tegangannya.

Grafik sinusoidal

Grafik Fasor

RUMUS :

Q =C. V

Q = C . Vm Sin t

Keterangan :Q : muatan kapasitor (Coulomb)C : kapasitas kapasitor (Farad)

Kuat arus yang mengalir melalui kapasitor

RUMUS :

19

IC = Im sin ( t + )

Xc = =

XC = = Reaktansi kapasitif ( )f = frekuensi (Hz)

Im = .C. Vm =

Ief =

Contoh soal :1. Sebuah kapasitor mempunyai kapasitas 1mF

pada catu daya dengan listrik AC, V= 200 sin (200t – 90o). Bagaimana arus sesaatnya?

Diket : C = 1 mF = 10-3 FV = Vm sin tV = 200 sin (200t – 90o)

Vm = 200 = 200

Dit : Persamaan I

Jawab :

Xc = = =

= x 102x 10-3

= 5

Im = = = 40 A

I = Im sin t = 40 sin (200t – 90o+90o) = 40 sin (200t)

20

Latihan soal :1. LKS Fisika Hal. 32 No. 3