2 · Electricity

Energi yang tidak terlihat

Tekan sakelar dan sebuah ruangan menyala. Antara pembangkit listrik dan lampu terdapat semua hal dalam bagian ini: bagaimana kabel rumah tangga menjaga Anda tetap aman, bagaimana tegangan mendorong arus melalui rangkaian, dan — (P) — bagaimana elektron yang tergeser dari satu permukaan ke permukaan lain menghasilkan muatan yang tarik-menarik, tolak-menolak, dan terkadang memunculkan percikan.

Edexcel International GCSE Fisika 4PH1, Bagian 2 (pernyataan 2.1–2.28P). Satuan: ampere (A), coulomb (C), joule (J), ohm (Ω), volt (V), watt (W). Pernyataan berawalan P adalah ekstensi khusus Fisika, dinilai pada Kertas 2P.

Listrik arus utama

Listrik arus utama adalah arus bolak-balik (a.c.) — arah berbalik berkali-kali setiap detik; sel memberikan arus searah (d.c.) — hanya satu arah saja.

Keamanan: isolasi pada kawat; isolasi ganda (cangkang plastik, tidak memerlukan pembumian); pembumian (jalur resistansi rendah agar arus gangguan dapat melebur sekering); sekering dan pemutus sirkuit (meleleh atau tersenggol saat kelebihan arus, melindungi kabel dan orang). Arus dalam resistor mentransfer energi listrik menjadi energi termal — tujuan ketel dan pemanas, serta alasan mengapa rating sekering penting:

Cek worked (pilihan sekering). Pemanas bertegangan 230 V dan daya 1.15 kW menarik arus $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — pasanglah sekering 13 A (rating standar berikutnya di atas arus tersebut); sekering 3 A akan melebur dalam penggunaan normal.

Sirkuit

Seri cocok untuk rangkaian seri (sakelar, ammeter, lampu Natal) — arus yang sama di mana-mana, tegangan menjumlah, dan satu kegagalan merusak semuanya. Paralel cocok untuk pencahayaan rumah tangga — setiap lampu mendapatkan tegangan sumber penuh, bekerja secara independen, dan arus menjumlah pada titik sambungan (muatan kekal pada titik sambungan).

Arus adalah aliran elektron bermuatan negatif dalam logam. Tegangan adalah energi yang ditransfer per satuan muatan (1 V = 1 J/C). Dua resistor dalam seri: $R = R_1 + R_2$; dalam paralel, hambatan gabungan kurang dari masing-masing sendiri.

Contoh terpecahkan (muatan dan energi). Pengisi daya ponsel memberikan arus 2.0 A pada tegangan 5.0 V selama 30 menit. Waktu dalam detik: $t = 30 \times 60 = 1800$ s. Muatan: $Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C. Energi: $E = QV = 3600 \times 5.0 = 18\,000$ J. Jawaban yang sama juga dapat diperoleh dari $E = IVt = 2.0 \times 5.0 \times 1800$.

Karakteristik I–V: kawat ohmik pada suhu konstan menghasilkan garis lurus melalui titik asal (resistansi tetap); lampu pijar melengkung karena pemanasan menaikkan resistansinya; dioda menghantarkan arus hanya dalam satu arah. LDRs: resistansi turun saat cahaya meningkat. Termistor: resistansi turun saat suhu meningkat (atau naik saat dingin — digunakan dalam sensor suhu). Lampu dan LED menunjukkan arus.

Contoh terpecahkan (sensor suhu). Termistor dan resistor tetap 4.0 kΩ dirangkai seri di atas catu daya 12 V. Voltmeter membaca tegangan di atas termistor.

• Ruangan hangat, termistor 2.0 kΩ: total $R = 6.0$ kΩ, sehingga arus $I = 12 \div 6000 = 0.0020$ A. Tegangan di atas termistor $= IR = 0.0020 \times 2000 = 4.0$ V.
• Ruang dingin, termistor 8.0 kΩ: total $R = 12$ kΩ, sehingga $I = 0.0010$ A. Tegangan di atas termistor $= 0.0010 \times 8000 = 8.0$ V.

Suhu lebih dingin berarti hambatan termistor lebih tinggi, sehingga ia mengambil bagian yang lebih besar dari tegangan 12 V. Pembacaan voltmeter dapat menghidupkan pemanas ketika naik melebihi nilai tertentu. Cek: dalam setiap kasus, kedua tegangan tersebut berjumlah 12 V ($4.0 + 8.0$ dan $8.0 + 4.0$).

Cek terpecahkan. Dua resistor, 4 Ω dan 6 Ω, seri pada 10 V: total 10 Ω, $I = 10/10 = 1$ A; tegangan 4 V dan 6 V. Paralel pada 10 V: setiap cabang menarik 10/4 = 2.5 A dan 10/6 ≈ 1.67 A — total ≈ 4.17 A, hambatan ekuivalen ≈ 2.4 Ω (kurang dari masing-masing).

Muatan listrik (P)

Konduktor (logam) membiarkan aliran muatan; isolator (plastik) tidak.

Menggosok isolator memindahkan elektron: yang kehilangan menjadi positif, yang mendapatkan negatif — proton tidak pernah berpindah. Muatan berbeda tarik-menarik; muatan sama tolak-menolak. Batang bermuatan menarik kertas kecil tak bermuatan karena ia menginduksi pemisahan muatan. Bahaya: percikan saat pengisian bahan bakar pesawat dan tangki — ikatan pembumian mengalirkan muatan dengan aman. Kegunaan: fotokopier dan printer inkjet mengarahkan toner atau tetesan bermuatan.

Kesalahan umum

• Biarkan waktu dalam menit atau jam dalam $Q = It$ atau $E = IVt$. Gunakan satuan detik.
• Menyatakan bahwa arus digunakan habis oleh lampu. Dalam rangkaian seri, arus sama di semua titik; yang berpindah adalah energi.
• Menambahkan resistansi secara paralel. Resistansi gabungan dari pasangan paralel lebih kecil daripada yang terkecil.
• Memilih rating sekering sama dengan atau sedikit di bawah arus kerja. Sekering harus di atas arus kerja, atau akan meleleh saat penggunaan normal.
• Menyatakan bahwa resistansi LDR meningkat dalam cahaya terang, atau resistansi termistor meningkat saat panas. Keduanya menurun: lebih terang atau lebih panas berarti resistansi lebih rendah.
• (P) Menyatakan bahwa muatan positif bergerak ketika isolator digosok. Hanya elektron yang berpindah.

Periksa diri Anda

1. Jelaskan perbedaan arus bolak-balik dan arus searah, serta sebutkan satu sumber untuk masing-masing.
2. Jelaskan bagaimana pembumian dan sekering bekerja bersama untuk melindungi pengguna.
3. Ketel air 230 V memiliki rating 2.0 kW. Hitung arus dan sekering terbaik.
4. Sebutkan dua alasan pencahayaan rumah dialiri secara paralel.
5. Sebutkan bentuk grafik I–V untuk kawat, lampu pijar, dan dioda.
6. Apa yang terjadi pada hambatan LDR dalam cahaya terang?
7. Definisikan tegangan berdasarkan energi dan muatan.
8. Hitung muatan yang mengalir ketika 2 A mengalir selama 30 s.
9. (P) Jelaskan bagaimana menggosok batang polietilen dengan kain membuatnya negatif.
10. (P) Berikan satu bahaya dan satu kegunaan dari muatan elektrostatik.

Jawaban: 1 a.c. berbalik arah berulang kali — dari jaringan listrik; d.c. mengalir satu arah — sel atau baterai; 2 kabel pembumian memberikan jalur hambatan rendah, sehingga arus gangguan besar mengalir ke bumi dan melelehkan sekering, memutus pasokan sebelum pengguna menyentuh casing hidup; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — sekering 13 A; 4 setiap lampu menerima tegangan jaringan penuh; jika satu lampu mati, lampu lain tetap menyala (dan sakelar mengendalikan lampu secara independen); 5 garis lurus melalui titik asal; kurva S (gradien turun saat memanas); nol hingga ambang maju kemudian curam (satu arah); 6 turun; 7 tegangan adalah energi yang dipindahkan per satuan muatan (1 volt = 1 joule per coulomb); 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C; 9 (P) gesekan memindahkan elektron dari kain ke batang — batang mendapat elektron dan menjadi negatif, kain positif; 10 (P) bahaya — percikan saat pengisian bahan bakar pesawat/tangki; kegunaan — fotokopier atau printer inkjet.