ENERGI & DAYA LISTRIK
ENERGI & DAYA LISTRIK
Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:
Q = 0,24 V i t……kalori
Q = 0,24 i^2 R t…..kalori
Q = 0,24 V^2.t/R….kalori
Pembahasan
Data lampu:
Daya P = 18 watt
Tegangan V = 150 voltt
Waktu t = 12 jam = 12 x 3600 sekon = 43200 s
a) Energi yang digunakan lampu selama pemakaian 12 jam
Dari rumus energi listrik jika telah diketahui dayanya (P) dan waktu (t)
1. Energi Listrik
1. Energi Listrik
Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain, misalnya:
• Energi listrik menjadi energi kalor / panas, contoh: seterika, solder, dan kompor listrik.
• Energi listrik menjadi energi cahaya, contoh: lampu.
• Energi listrik menjadi energi mekanik, contoh: motor listrik.
• Energi listrik menjadi energi kimia, contoh: peristiwa pengisian accu, peristiwa penyepuhan (peristiwa melapisi logam dengan logam lain).
Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain, misalnya:
• Energi listrik menjadi energi kalor / panas, contoh: seterika, solder, dan kompor listrik.
• Energi listrik menjadi energi cahaya, contoh: lampu.
• Energi listrik menjadi energi mekanik, contoh: motor listrik.
• Energi listrik menjadi energi kimia, contoh: peristiwa pengisian accu, peristiwa penyepuhan (peristiwa melapisi logam dengan logam lain).
Tentunya kalian pernah menggunakan seterika listrik bukan?. Seterika listrik yang kita gunakan mengasilkan panas. Panas yang dihasilkan sterika tersebut berasal dari energi listrik. Ketika kita menyalakan senter, maka terjadi perubahan enegi kimia menjadi energi listrik dan cahaya. Untuk mengetahui seberapa besar energi yang dibutuhkan oleh suatu alat listrik, maka dapat dipahami konsep berikut;
Pada rangkaian tertutup sepertigambar di samping, arus listrik I mengalir melalui hambatan R. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial yang lebih rendah. Arus listrik tersebut tidak lain adalah gerakn muatan listrik yang melalui rangkaian tersebut. Besarnya muatan listrik yang mengalir pada rangkaian adalah Q = I . t
Energi listrik adalah energi yang disebabkan oleh mengalirnya muatan listrik dalam suatu rangkaian listrik tertutup. Energi listrik yang diberikan oleh suatu sumber dc bertegangan V (Volt) yang mencatu arus I (ampere) selama selang waktu t (sekon) dinyatakan oleh, :
W = V l t
Karena V = I R
atau
maka energi listrik W dapat juga dinyatakan oleh :
W = I2 R t
Atau
Dengan W adalah energi listrik dalam Joule (J).
Energi listrik W dapat dirubah menjadi energi kalor Q dari sebuah pemanas air listrik. Jika efisiensi alat dianggap 100%, maka berlaku hubungan.
Jika efisiensi elemen pemanas tidak 100% maka berlaku
Percobaan Joule
Besar energi listrik yang berubah menjadi kalor itu telah diselidiki oleh James Prescott Joule (1914-1889). Di dalam percobaannya Joule menggunakan rangkaian alat terdiri atas kalorimeter yang berisi air serta penghantar yang berarus listrik. Jika dalam percobaan arus listrik dialirkan dalam waktu t detik ternyata kalor yang terjadi karena arus listrik berbanding lurus dengan:
a. Beda potensial antara kedua ujung kawat penghantar (V)
b. Kuat arus yang melalui kawat penghantar (i)
c. Waktu selama arus mengalir (t).
Hubungan ini dikenal sebagai hukum Joule. Karena energi listrik 1 joule berubah menjadi panas (kalor) sebesar 0,24 kalori. Jadi kalor yang terjadi pada penghantar karena arus listrik adalah :
Q = 0,24 V i t kalor
Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:
Q = 0,24 V i t……kalori
Q = 0,24 i^2 R t…..kalori
Q = 0,24 V^2.t/R….kalori
Keuntungan menggunakan energi listrik:
a. Mudah diubah menjadi energi bentuk lain.
b. Mudah ditransmisikan.
c. Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.
a. Mudah diubah menjadi energi bentuk lain.
b. Mudah ditransmisikan.
c. Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.
2. Daya Listrik
Daya listrik. Daya listrik baterai V yang mencatu arus I melaluiresistor (hambatan) R dinyatakan oleh :
Atau
Arus listrik I yang mengalir melalui resistor R akan menyebabkan daya yang dikirim baterai hilang dalam bentuk panas ini disebut daya disipasi, dan dirumuskan oleh
Atau
Jika elemen listrik dengan V1 volt, P1 diberi tegangan V2 volt,maka karena hambatan listrik elemen tetap diperoleh besar daya disipasinya adalah:
Untuk mengukur energi listrik yang digunakan dalam pemakaian sehari-hari oleh pelanggan listrik, PLN mengukurnya dengan satuan kWh (kilowatt-hour).
1 kWh = (1 kW) x (1 jam)
= (1000 W) x (3600 s)
1 kWh = 3,6 x 106 J
Jika pada alat listrik (lampu) tertera data (label) yang tertulis pada lampu adalah 60W/220V. Ini berarti daya listrik yang dipakai oleh alat tersebut tepat 100 watt jika tegangan yang diberikan pada alat itu tepat 220 volt. Daya listrik didefinisikan sebagai energi per satuan waktu, yaitu dalam hal ini adalah sebesar 60 Joule per satu detik.
3. Listrik AC dan DC
Listrik AC
§ Tegangan ac: tegangan yang arus listriknya berupa arus ac
§ Arus ac: arus listrik yang arahnya senantiasa berbalik secara teratur (periodik)
§ bentuk grafik tegangan ac pada osiloskop (mengukur tegangan maksimum) berupa sinusoida karena tegangan maksimum ac berubah naik turun secara periodik
§ listrik ac banyak digunakan pada peralatan listrik rumah tangga yang disuplai oleh PLN.
§ listrik ac memberikan lebih banyak keuntungan daripada listrik dc, diantaranya:
1. tegangan ac dapat diperbesar atau diperkecil secara efisien oleh sebuah trafo.
2. motor ac berharga lebih murah dan lebih sederhana konstruksinya daripada motor dc. Switchgear(saklar, pemutus daya) untuk sistem ac lebih sederhana daripada sistem dc.
Listrik DC
§ Tegangan dc: tegangan yang arus listriknya berupa arus dc
§ Arus dc adalah arus listrik yang arahnya selalu mengalir dalam satu arah
§ Listrik dc dapat dihasilkan oleh aki, baterai, dan dynamo dc. Salah satu keuntungan dc atas ac adalah sumber arusnya (aki dan baterai) yang mudah dibawa kemana mana.
§ Banyak digunakan pada motor listrik yang digunakan untuk mengatur kecepatan seperti pada jam weker, kalkulator, dan juga digunakan pada pengisian aki mobil.
Contoh soal
1. Sebuah keluarga menyewa listrik PLN sebesar 450 Watt dengan tegangan 110 Volt. Jika untuk penerangan keluarga itu menggunakan lampu 100 W, 220 Volt, maka jumlah lampu maksimum yang dapat dipasang adalah . . . . .
Penyelesaian:
Tegangan spesifikasi lampu adalah V1 = 220 V, daya P1 = 100 W, tegangan kerja adalah: V2 = 110 V
Daya total: Pt = 450 Watt, Sehingga jumlah maksimum lampu yang dapat dipasang adalah
Soal No.1
Sebuah lampu memiliki spesifikasi 18 watt, 150 Volt. Lampu dipasang pada tegangan 150 volt. Tentukan:
a) Energi yang digunakan lampu selama pemakaian 12 jam
b) Hambatan lampu
c) Kuat arus yang mengalir pada lampu
Sebuah lampu memiliki spesifikasi 18 watt, 150 Volt. Lampu dipasang pada tegangan 150 volt. Tentukan:
a) Energi yang digunakan lampu selama pemakaian 12 jam
b) Hambatan lampu
c) Kuat arus yang mengalir pada lampu
Pembahasan
Data lampu:
Daya P = 18 watt
Tegangan V = 150 voltt
Waktu t = 12 jam = 12 x 3600 sekon = 43200 s
a) Energi yang digunakan lampu selama pemakaian 12 jam
Dari rumus energi listrik jika telah diketahui dayanya (P) dan waktu (t)
W = Pt
W = 18 watt x 432000 s = 777600 joule = 777,6 kilojoule
b) Hambatan lampu
Dari spesifikasi pada lampu dan rumus hambatan hubungannya dengan daya listrik:
Sehingga hambatan lampu adalah
c) Kuat arus yang mengalir pada lampu:
I = V/R
I = 150/1250
I = 0,12 ampere
Soal No.2
Budi memiliki sebuah lampu dengan spesifikasi 27,5 watt, 110 volt. Ia ingin memasang lampu tersebut pada tegangan 210 volt. Agar lampu menyala normal sesuai spesifikasi yang tertera pada lampu, tentukan besar hambatan listrik yang harus ditambahkan pada rangkaian!
Pembahasan
Lampu menyala normal artinya daya lampunya tetap 27,5 watt dan tegangan pada lampu juga tetap 110 volt. Rangkaian harus ditambah dengan sebuah hambatan untuk menyerap kelebihan tegangan yang disediakan.
Hitung dulu kuat arus yang mengalir pada lampu adalah:
Rangkaiannya kira-kira seperti ini
Tegangan yang tadinya 210 volt dari sumber listrik, dipakai oleh hambatan pada lampu yaitu RL sebesar 110 volt, sehingga sisanya adalah (210 − 110) = 100 volt, tegangan ini digunakan oleh hambatan yang ditambahkan yaitu Rs. Sehingga besarnya hambatan Rs adalah
Soal No. 3
Dua buah lampu identik dengan ukuran 2 watt, 1,5 volt dirangkai dengan sebuah baterai 1,5 volt seperti gambar berikut!
a) Daya total kedua lampu
b) Energi yang diserap lampu dalam 1 menit!
Pembahasan
Cara Pertama
Hambatan yang dimiliki masing-masing lampu adalah R = V2/P = 1,52 / 2 = 1,125 Ω. Pada rangkaian di atas lampu dipasang secara paralel, berikut rangkaian ekivalennya
Hambatan total kedua lampu yang disusun paralel
Sehingga hambatan total berikut dayanya:
Energi untuk 1 menit (60 detik)
W = Pt
W = 4(60) = 240 joule
Cara Kedua
Dua daya total dua lampu identik pada tegangan yang sesuai:
Sehingga
P = 2 W + 2 w = 4 W
W = Pt = 4(60) = 240 joule
Rumus Daya total diatas dapatnya dari sini, hambatan masing-masing lampu R1 dan R2
Hasil paralelnya dan dayanya:
Soal No. 4
Dua buah lampu dari 2 watt, 1,5 volt dirangkai dengan sebuah baterai 1,5 volt seperti gambar berikut.
Tentukan daya total dari kedua lampu tersebut!
Pembahasan
Rangkaian ekivalennya seperti gambar berikut.
Daya total pada rangkaian
Dapat rumusnya dari sini
Soal No. 5
Solder listrik digunakan pada tegangan 200 volt mengalirkan arus listrik sebesar 0,25 A. Tentukan energi yang digunakan solder listrik dalam 5 menit!
Pembahasan
W = Vit
W = 200 (0,25) (5×60) = 15 000 joule
Soal No.6
Sebuah alat pemanas air dengan daya P dipasang pada tegangan V memerlukan waktu 10 menit untuk menaikkan suhu air dari 10° menjadi 50°. Jika dua buah pemanas yang sama disusun seri, tentukan waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu air pada jumlah dan selisih suhu yang sama!
Pembahasan
Susunan Seri, daya total seperti contoh di atas akan menjadi 1/2 P, sehingga waktu yang diperlukan menjadi dua kali lebih lama
t = t1 + t2
t = 10 menit + 10 menit = 20 menit
Soal No.7
Sebuah alat pemanas air dengan daya P dipasang pada tegangan V memerlukan waktu 10 menit untuk menaikkan suhu air dari 10°C menjadi 50°C. Jika dua buah pemanas yang sama disusun paralel, tentukan waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu air pada jumlah dan selisih suhu yang sama!
Pembahasan
Susunan Paralel, daya total seperti contoh di atas menjadi dua kali semula atau 2P, sehingga waktu yang diperlukan menjadi setengahnya saja
t = 5 menit
Soal No.8
Pemanas air dari 210 watt, digunakan untuk memanaskan 2 liter air. Jika massa jenis air 1000 kg/m3 dan kalor jenis air 4200 J/kg°C, perkirakan lama waktu yang diperlukan untuk kenaikan suhu air sebesar 36°C!
Pembahasan
Massa air yang dipanaskan
m = ρ V
m = 1000 kg/m3 x (2 x 10−3 m3 )= 2 kg
Waktu yang diperlukan
Pt = mcΔT
(210)t = 2(4200)(36)
t = 1440 sekon = 1440 / 60 = 24 menit
)
b) Hambatan lampu
Dari spesifikasi pada lampu dan rumus hambatan hubungannya dengan daya listrik:
Sehingga hambatan lampu adalah
c) Kuat arus yang mengalir pada lampu:
I = V/R
I = 150/1250
I = 0,12 ampere
Soal No.2
Budi memiliki sebuah lampu dengan spesifikasi 27,5 watt, 110 volt. Ia ingin memasang lampu tersebut pada tegangan 210 volt. Agar lampu menyala normal sesuai spesifikasi yang tertera pada lampu, tentukan besar hambatan listrik yang harus ditambahkan pada rangkaian!
Pembahasan
Lampu menyala normal artinya daya lampunya tetap 27,5 watt dan tegangan pada lampu juga tetap 110 volt. Rangkaian harus ditambah dengan sebuah hambatan untuk menyerap kelebihan tegangan yang disediakan.
Hitung dulu kuat arus yang mengalir pada lampu adalah:
Rangkaiannya kira-kira seperti ini
Tegangan yang tadinya 210 volt dari sumber listrik, dipakai oleh hambatan pada lampu yaitu RL sebesar 110 volt, sehingga sisanya adalah (210 − 110) = 100 volt, tegangan ini digunakan oleh hambatan yang ditambahkan yaitu Rs. Sehingga besarnya hambatan Rs adalah
Soal No. 3
Dua buah lampu identik dengan ukuran 2 watt, 1,5 volt dirangkai dengan sebuah baterai 1,5 volt seperti gambar berikut!
a) Daya total kedua lampu
b) Energi yang diserap lampu dalam 1 menit!
Pembahasan
Cara Pertama
Hambatan yang dimiliki masing-masing lampu adalah R = V2/P = 1,52 / 2 = 1,125 Ω. Pada rangkaian di atas lampu dipasang secara paralel, berikut rangkaian ekivalennya
Hambatan total kedua lampu yang disusun paralel
Sehingga hambatan total berikut dayanya:
Energi untuk 1 menit (60 detik)
W = Pt
W = 4(60) = 240 joule
Cara Kedua
Dua daya total dua lampu identik pada tegangan yang sesuai:
Sehingga
P = 2 W + 2 w = 4 W
W = Pt = 4(60) = 240 joule
Rumus Daya total diatas dapatnya dari sini, hambatan masing-masing lampu R1 dan R2
Hasil paralelnya dan dayanya:
Soal No. 4
Dua buah lampu dari 2 watt, 1,5 volt dirangkai dengan sebuah baterai 1,5 volt seperti gambar berikut.
Tentukan daya total dari kedua lampu tersebut!
Pembahasan
Rangkaian ekivalennya seperti gambar berikut.
Daya total pada rangkaian
Dapat rumusnya dari sini
Soal No. 5
Solder listrik digunakan pada tegangan 200 volt mengalirkan arus listrik sebesar 0,25 A. Tentukan energi yang digunakan solder listrik dalam 5 menit!
Pembahasan
W = Vit
W = 200 (0,25) (5×60) = 15 000 joule
Soal No.6
Sebuah alat pemanas air dengan daya P dipasang pada tegangan V memerlukan waktu 10 menit untuk menaikkan suhu air dari 10° menjadi 50°. Jika dua buah pemanas yang sama disusun seri, tentukan waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu air pada jumlah dan selisih suhu yang sama!
Pembahasan
Susunan Seri, daya total seperti contoh di atas akan menjadi 1/2 P, sehingga waktu yang diperlukan menjadi dua kali lebih lama
t = t1 + t2
t = 10 menit + 10 menit = 20 menit
Soal No.7
Sebuah alat pemanas air dengan daya P dipasang pada tegangan V memerlukan waktu 10 menit untuk menaikkan suhu air dari 10°C menjadi 50°C. Jika dua buah pemanas yang sama disusun paralel, tentukan waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu air pada jumlah dan selisih suhu yang sama!
Pembahasan
Susunan Paralel, daya total seperti contoh di atas menjadi dua kali semula atau 2P, sehingga waktu yang diperlukan menjadi setengahnya saja
t = 5 menit
Soal No.8
Pemanas air dari 210 watt, digunakan untuk memanaskan 2 liter air. Jika massa jenis air 1000 kg/m3 dan kalor jenis air 4200 J/kg°C, perkirakan lama waktu yang diperlukan untuk kenaikan suhu air sebesar 36°C!
Pembahasan
Massa air yang dipanaskan
m = ρ V
m = 1000 kg/m3 x (2 x 10−3 m3 )= 2 kg
Waktu yang diperlukan
Pt = mcΔT
(210)t = 2(4200)(36)
t = 1440 sekon = 1440 / 60 = 24 menit