11 Soal Rangkaian Arus Searah Fisika SMA dan Pembahasan

7. Seutas kawat seragam dibuat dari bahan dengan hambatan jenis $\rho$. Kawat memiliki panjang L dan diameternya d. Ketika arus konstan I mengalir melalui kawat, laju kalor yang dibangkitkan dalam kawat adalah . . .

Jawab

P = $I^2$*R
R = $\rho$ * $\frac{L}{A}$
P =  $I^2$ * $\rho$ * $\frac{L}{\pi d^2/4}$
P = $\frac{4I^2 \rho L}{\pi d^2}$

Jadi, laju kalor yang dibangkitkan dalam kawat adalah $\frac{4I^2 \rho L}{\pi d^2}$

8. Suatu perkampungan terpencil memanfaatkan air terjun yang tingginya 40 m untuk membuat PLTA mikro dengan tegangan keluaran 220 V. Efisiensi pengubahan energy air terjun menjadi energy listrik 50%. Besar debit air terjun tersebut jika dari generator dapat ditarik arus listrik 200 A tanpa menyebabkan tegangan pada generator turun adalah . . .

Jawab

P hasil = $\rho$ *Q*g*h
P keluar = 50% P hasil
P keluar  = 50% * $\rho$ *Q*g*h
V*I = 50% * $\rho$ *Q*g*h
220V * 200 A = 50% * 1000kg/m^3 *Qm^3/s*10 m/s^2*40 m
Q =  0,22 m^3/s
Q = 220 L/s

Jadi, besar debit air terjun tersebut adalah 220 L/s

9. Besar arus listrik yang melalui lampu dan arus A-B  pada rangkaian arus listrik searah seperti pada gambar di samping adalah . . .

Jawab

CARA 1

Untuk soal seperti ini

V total = V e-f = V a-b = V d-c karena paralel

V total = I total * R total

V total = ($\frac{V1}{R1}$ + $\frac{V2}{R2} $ ... + $\frac{Vn}{Rn}$) * R total

V total = ($\frac{3V}{2ohm}$ + $\frac{5V}{5ohm}$ + $\frac{0V}{1ohm}$).  $\frac{10}{17}$ ohm

V total = $\frac{25}{17}$V = 1,47 V

Arus pada lampu
V ab = $\Sigma \epsilon$ + I3*R
1,47 V = 0 + I3*1 ohm

I3 = 1,47 A

tanda arus positif menunjukkan bahwa arah I3 searah dengan perumpamaan pada gambar.

Arus A-B
V ab = $\Sigma \epsilon$ + I1*R
1,47 V = 3V + I1*2 ohm
I1 = -0,76A
tanda arus negatif menunjukkan bahwa arah I1 berlawanan arah dengan perumpamaan pada gambar.

CARA 2

Jawab

$\Sigma$ I masuk = $\Sigma$ I keluar

I3 = I1 + I 2

Loop 1 B-A-E-F-B
-3V + I1*2ohm + I3*1ohm = 0

Loop 2 B-A-D-C-B
-3V + I1*2ohm - I 2*5ohm (negative karena I 2 berlawanan arah loop 2) + 5V = 0

Loop 1 dihasilkan
I3 = $\frac{3V - I* 2 ohm}{1 ohm}$

Loop 2 dihasilkan
I2 = $\frac{2V+I*2 ohm}{5 ohm}$

Substitusi I3 dan I2 ke I3 = I1 + I2


Arus A-B
I1 = 13/17 A = 0,76A
tanda arus positif menunjukkan bahwa arah I1 searah dengan perumpamaan pada gambar.

Arus pada lampu
I3 = 25/17 A = 1,73 A
tanda arus positif menunjukkan bahwa arah I3 searah dengan perumpamaan pada gambar.

Jadi, arus Lampu adalah 1,47 A dan arus A-B adalah 0,76 A




10. Sebuah alat pemanas listrik hambatannya 11 ohm dan khusus digunakkan pada beda potensial 110 volt. Jika alat tersebut digunakkan untuk memanaskan 60 kg air sehingga suhunya naik dari 20$^{\circ}$C menjadi 100$^{\circ}$C, dengan mengambil 1 kalori = 4,2 Joule, waktu yang diperlukan adalah . . .

Jawab

Q = m*c*$\Delta$T
Q = 60Kg*4,2 x 10^3J/Kg$^{\circ}$C *80$^{\circ}$C
Q = 2016*10^4 J

P.t = Q
V*I*t = Q
110V*10A*t = 2016*10^4 J
t = 18327,2727 sekon
t = 305,4545 menit

Jadi, waktu yang diperlukan adalah 305,4545 menit

11. Berapa hambatan total dari titik A ke B?

Jawab

pada soal

a dan b adalah seri (tidak ada percabangan arus)

arus yang melewati a lanjut ke b tanpa cabang

d dan c adalah seri

g dan h adalah parallel (ada percabangan arus)

e dan f adalah parallel

Ubah rangkaian menjadi lebih mudah diselesaikan, tanpa merubah pasangan seri dan parallel yang ada di soal

ab adalah seri dari a dan b (tidak ada percabangan arus) yaitu 2 ohm + 2 ohm = 4 ohm

cd adalah seri dari c dan d (tidak ada percabangan arus) yaitu juga 4 ohm
ab dengan cd adalah gabungan parallel (ada percabangan arus) antara ab dan cd dihasilkan 2 ohm

gh adalah gabungan g dan h parallel (ada percabangan arus) dihasilkan 2ohm

abcd dengan e dengan gh adalah gabungan seri (tidak ada percabangan arus) dari abcd, gh, dan e

yaitu 2 ohm + 2 ohm + 6 ohm = 10 ohm

abcdegh dan f adalah parallel (karena ada percabangan arus) maka menjadi 3,34 ohm

Jadi, hambatan total AB adalah 3,34 ohm


Rangkaian Arus Searah Fisika 1