Konsistensi Hambatan Kawat Kumparan Terhadap Hukum Ohm pada Berbagai Medium

Transkripsi

1 8 Prosiding Pertemuan Imiah XX HFI Jateng & DIY Konsistensi Hambatan Kawat Kumparan Terhadap Hukum Ohm pada Berbagai Medium Sandi Somantri, Moh. Toifur, Sumaji Program Magister Pendidikan Fisika, Universitas Ahmad Dahan Yogyakarta Kampus II, J.Pramuka Sidikan Yogyakarta 556, te. (07) 5655 e-mai: Abstrak - Hukum Ohm mengungkapkan hubungan inear antara beda potensia dan kuat arus istrik yang mengair daam suatu konduktor berhambatan. Di Indonesia pada tingkat SLTP dan SLTA hukum Ohm jarang sekai dipeajari dengan eksperimen, tapi ebih banyak ditinjau dari segi teori yang terdapat pada buku referensi sehingga siswa kurang mendapatkan gambaran nyata. Di perguruan tinggi hukum Ohm pembeajarannya disertai dengan percobaan yang menggunakan berbagai jenis bahan, saah satunya adaah kawat kumparan. Peneitian tentang konsistensi kawat kumparan terhadap hukum ohm penting diakukan karena banyak peraatan eektronik yang memanfaatkan kawat kumparan. Terkait ha itu teah diakukan percobaan hukum Ohm menggunakan kumparan tembaga berdiameter 0,5 mm sepanjang 0 meter dan ditempatkan pada beberapa medium (udara, kumparan kawat diberi angin, air, dan minyak tanah). Kumparan diberi tegangan () yang bervariasi dari,8 9 vot, kemudian kuat arus istrik (I) pada rangkaian diukur. Dari set data ( i, I i ) kemudian difitting menurut mode yang sesuai, seanjutnya dari penyimpangan kurva terhadap garis urus dianaisis tingkat konsistensinya terhadap hukum Ohm. Berdasarkan hasi anaisis data diperoeh bahwa pada tegangan,8 vot kumparan konsisten terhadap hukum Ohm pada semua medium, namun pada tegangan 9 vot kumparan tidak konsisten terhadap hukum Ohm. Urut-urutan medium dari yang kurang konsisten sampai dengan yang paing tidak konsisten terhadap hukum Ohm adaah minyak tanah, air, kumparan kawat diberi angin, dan udara. Dengan keadaan ini maka jika kumparan tersebut akan digunakan sebagai komponen eektronik yang ikut memberikan andi pada timbunya hambatan arus istrik, maka pada pasokan tegangan ebih besar dari vot peru dipertimbangkan penggunaan medium untuk mengurangi terjadinya simpangan terhadap hukum Ohm. Kata Kunci: hukum Ohm, kawat kumparan, udara, air, minyak tanah I. PENDAHULUAN Kehidupan manusia tidak terepas dari kebutuhan energi terutama yang berasa dari istrik. Aat-aat yang membantu kehidupan manusia pada zaman modern sekarang ini sebagian besar difungsikan dengan energi istrik seperti ampu, T, radio, teepon seuar, internet, komputer, aptop, notebook, dan sebagainya. Aat-aat tersebut dapat berfungsi ketika terhubung dengan sumber istrik. Sumber istrik mengairkan arus istrik yang meaui aat-aat tersebut sehingga dapat berfungsi. Setiap bahan yang diewati arus istrik memiiki besaran yang dapat menghambat aju arus istrik dan dinamakan hambatan (resistor). Fenomena adanya hambatan (resistor) pada suatu bahan teah diteiti fisikawan Jerman yang bernama Georg Simon Ohm pada tahun 85. Hasi peneitiannya menghasikan suatu hukum yang dipubikasikan pada sebuah paper berjudu The Gavanic Circuit Investigated Mathematicay pada tahun 87. Untuk mengenang jasanya maka hukum tersebut dinamakan hukum Ohm. Hukum Ohm didefinisikan sebagai tegangan pada hambatan berbanding urus dengan kuat arus I untuk suhu yang konstan []. Berdasarkan hubungan antara beda potensia dengan kuat arus istrik didapatkan niai hambatan dari bahan tersebut. Beda potensia daam suatu bahan berhambatan akan mempunyai hubungan yang inear terhadap kuat arus istrik asakan suhu konstan. Praktikum hukum Ohm biasanya menggunakan komponen eektronik yang bentuk dan niai hambatannya teah diatur sedemikian rupa sehingga hasi yang didapatkan sesuai dengan yang diharapkan. Saah satunya adaah kawat kumparan yang merupakan bahan yang banyak dipakai daam kehidupan sehari-hari. Namun percobaan tersebut jarang diakukan karena tergoong rumit dan hasinya kurang sesuai dengan yang diharapkan. Ha tersebut terjadi karena suhu kawat berubah ketika diberi perakuan yang berbeda. Perubahan suhu kawat mengakibatkan ketidakkonsistenan hukum Ohm. Pada tingkat SLTP dan SLTA hukum Ohm jarang sekai dipeajari dengan percobaan. Hukum Ohm ebih banyak ditinjau dari segi teori yang terdapat pada buku referensi sehingga siswa tidak mendapatkan gambaran yang nyata. Pada tingkat perguruan tinggi hukum Ohm dipeajari dengan percobaan yang menggunakan hambatan cincin, dan dioda. Jarang ditemukan referensi percobaan hukum Ohm yang menggunakan kawat kumparan. M. J. Madsen (009) meneiti hukum Ohm menggunakan tiga utas kawat tembaga (emai) yang masing-masing panjangnya m dengan diameter 0, mm. Dua utas kawat dibentuk kumparan terbuka dan satu kumparan tertutup yang masing-masing ditempatkan di ruangan kering dan daam rendaman air. Percobaanya menunjukan bahwa karakteristik niai hambatan kawat yang berada daam rendaman air hasinya ebih sesuai dengan persamaan hukum Ohm dibandingkan dengan kawat yang berada di ruangan kering. Berdasarkan pemaparan di atas teah diakukan percobaan hukum Ohm dengan menggunakan hambatan kawat kumparan. Peneitian tersebut dimaksudkan untuk penemuan uang hukum Ohm meaui praktikum menggunakan kawat kumparan panjang yang diatur secara sederhana dan mudah dikerjakan. Hasi percobaan digunakan untuk memverifikasi perbandingan antara beda potensia dengan kuat arus istrik sesuai dengan persamaan hukum Ohm. II. LANDASAN TEOI A. Hukum Ohm Setiap bahan tersusun atas atom-atom yang terdiri dari inti dan eektron. Eektron bergerak mengeiingi inti (proton dan neutron) pada orbitnya. Semakin jauh eektron dari inti maka semakin emah gaya tarik menarik antara eektron dengan inti. Jika eektron atom penyusun ogam

2 Prosiding Pertemuan Imiah XX HFI Jateng & DIY 85 (konduktor) dikenai medan istrik maka, eektron tersebut akan terepas dari atom penyusun ogam dan bergerak bebas mengaami percepatan oeh gaya qe,dengan q adaah muatan eektron dan E adaah kuat medan istrik. Hukum II Newton tentang gerak menyatakan bahwa gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding urus dengan percepatannya. Hukum tersebut beraku pua pada eektron bebas yang bergerak daam suatu konduktor. Mengacu hukum II Newton tersebut seharusnya kecepatan eektron bebas berubah beraturan semakin besar. Bertambahnya kecepatan eektron bebas mengakibatkan kuat arus bertambah pua. Tapi kenyataanya jika suatu konduktor diukur kuat arusnya daam rentang waktu menunjukan bahwa kuat arus daam konduktor reatif tetap. Ha ini disebabkan bukan hanya gaya qe saja yang bekerja ketika eektron bebas bergerak namun ada gaya gesek yang berasa dari tumbukan antara eektron bebas dengan atom konduktor. Gaya gesek menghambat percepatan eektron bebas sehingga kecepatannya menjadi tetap. Eektron bebas daam sebuah ogam seperti moeku daam gas, bergerak daam arah rambang dan terus menerus bertumbukan []. Airan eektron dapat digambarkan sebagai rentetan percepatan oeh medan eektrik diikuti dengan perambatan oeh tumbukan yang hasi netonya adaah kecepatan hanyut v [5]. Kecepatan hanyut tersebut sebanding dengan kuat medan istrik yang mengakibatkan rapat arus tetap dan sebanding dengan kuat medan istrik E secara matematis dituis j = σe () dengan j = rapat arus istrik, σ = tetapan konduktivitas istrik, E = intensitas medan istrik. Bia medan istrik daam konduktor dapat dianggap serba sama, maka kuat medan istrik memenuhi persamaan [8] sehingga E = () j σ i = ja dan dengan memisakan A / = / =. () Mengingat σ, maka persamaan () menjadi = i. () Secara garis besar hukum Ohm menyatakan bahwa besar kuat arus istrik yang mengair pada suatu konduktor pada suhu tetap sebanding dengan beda potensia antara kedua ujung-ujung konduktor. Untuk konduktor yang memiiki uas penampang A serba sama beraku = ( / σ ) / A, dengan = panjang konduktor, A = uas penampang konduktor, dan / σ merupakan tetapan dari niai hambat jenis istrik bahan (ρ) sehingga [7] ρ A =. (5) Adanya tumbukan antara eektron-bebas dengan atom konduktor mengakibatkan naiknya suhu konduktor. Pada bahan konduktor kenaikan suhu menyebabkan ampitudo getaran atom-atom (moeku-moeku) di sekitar kedudukan setimbang akan bertambah. Pertambahan ampitudo mengkakibatkan intensitas benturan antara atom konduktor dengan eektron-bebas semakin sering. Akibatnya airan eektron-bebas menjadi terhambat yang menjadikan niai kuat arus istrik menjadi keci dan niai hambatan konduktor menjadi besar. Berdasarkan eksperimen-eksperimen hukum Ohm yang teah diakukan didapatkan hasi seperti yang ditunjukan grafik pada Gambar []. Pada garis ohmik niai seau konstan asakan suhu bahan bersifat konstan, sedangkan garis non-ohmik, niai berubah tergantung pada tegangan. I Non-ohmik ( berkurang ketika bertambah) ohmik gradien = Gambar. Grafik hukum Ohm pada bahan konduktor bersifat Ohmik dan non-ohmik. B. Konduktor Setiap zat tersusun atas atom-atom yang masingmasing terdiri dari inti atom (proton dan neutron) bermuatan positif yang dikeiingi eektron-eektron bermuatan negatif. Atom akan bersifat netra ketika jumah muatan sama dengan no (jumah muatan inti = jumah muatan semua eektron). Antara inti dengan eektron terdapat gaya interaksi (gaya Couomb) yang menyebabkan eektron terikat (tidak bebas) dan bergerak mengeiingi intinya. Eektron bergerak daam orbit-orbit tertentu mengeiingi inti, semakin dekat eektron dengan inti, maka semakin kuat gaya interaksinya, begitupua sebaiknya semakin jauh eektron dari inti, maka semakin emah gaya interaksinya. Eektron-eektron yang emah gaya interaksinya dengan inti atom akan mudah dibebaskan jika mendapat gangguan medan istrik. Eektron-eektron yang terepas dari inti akan bergerak daam medan istrik sebagai arus istrik hantaran. Bahan yang atom-atom penyusunnya memiiki sifat seperti ini dinamakan penghantar (konduktor). Bahan penghantar (konduktor) merupakan bahan yang menghantarkan istrik dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar istrik (eectrica conductivity) yang besar dan hambatan istrik (eectrica resistance) keci. Konduktor tidak hanya terbuat dari zat padat tetapi dapat juga berupa zat cair, dan gas. Pada zat cair (eektroit) arus istrik terjadi disebabkan ion yang bergerak dibawah pengaruh istrik. Dan pada gas menyaa (misanya ampu advertensi) arus istrik terjadi karena gas daam keadaan terionisasi sehingga gas bersifat sebagai konduktor. Saah satu bahan konduktor yang sering dijumpai adaah tembaga, tembaga mempunyai daya hantar istrik yang tinggi. Seain mempunyai daya hantar istrik yang tinggi daya hantar panasnya juga tinggi dan tahan karat. Oeh karena itu tembaga juga dipakai untuk keengkapan bahan radiator, kete, dan aat keengkapan pemanasan. Tembaga mempunyai sifat dapat diro, ditarik, ditekan, dan dapat ditempa (meeabe). Hambat jenisnya,7 0-8 ohm.m, temperatur koefisien resistivitasnya Non-Ohmik Ohmik Non-Ohmik Non-ohmik ( bertambah ketika bertambah)

3 86 Prosiding Pertemuan Imiah XX HFI Jateng & DIY / C, keajuan rata-rata eektron bebas daam tembaga,6 0 8 cm/s [], konduktivitas termanya 00 W/m.K, dan kaor jenisnya 86 J/kg C [9]. C. Air dan Minyak Tanah Air termasuk bahan yang dapat menghantarkan arus istrik meksipun daya hantarnya tidak sebaik kawat tembaga. Air memiiki massa jenis sebesar 000 kg/m dan memiiki konduktivitas terma sebesar 0,6 W/m.K [] sehingga termasuk penghantar kaor yang baik. Air merupakan pendingin yang paing banyak digunakan untuk meredam panas agar suhu tetap stabi. Air memiiki kaor jenis yang besar yaitu sekitar,8 0 J/kg C [9] sehingga suhunya tidak dapat berubah drastis daam waktu yang singkat. Daam proses penguapan dan pengembunan prosesnya memerukan rentang waktu. Minyak tanah memiiki kaor jenis sebesar, 0 J/kg C [] sehingga masih ebih baik air jika dijadikan sebagai zat peredam panas, seain itu minyak tanah tidak digunakan sebagai pendingin mesin dikarenakan tidak ekonomis. Minyak tanah memiiki karakteristik yang unik dibandingkan air, minyak tanah dapat menguraikan zat-zat yang berasa dari poimer. Minyak tanah memiiki massa jenis sebesar 800 kg/m. D. POSEDU EKSPEIMEN A. Aat dan bahan Aat-aat yang digunakan adaah side reguator dengan variasi tegangan input sebesar,88; ; ; ; ampermeter anaog merek Sunwa tipe 0D, votmeter digita merek Sunwa tipe YX-80B, termokope digita merek Protek tipe DM-, kipas angin, kabe penghubung, wadah (tandon) berisi udara, air tawar (air minera merek Aqua), bensin, kumparan kawat tembaga emai berdiameter 0, mm dengan panjang kawat 0 m. ampermeter otmeter kawat kumparan tandon B. Prosedur Pengambian Data Eksperimen diaksanakan mengikuti prosedur sebagai berikut: a. Merangkai aat seperti pada Gambar. b. Kawat kumparan ditempatkan di udara. c. Memasang tegangan input sebesar,98 ; mengukur tegangan output, dan kuat arus istrik diakukan sebanyak 0 kai. d. Menguangi butir c untuk tegangan input sebesar.55 ; 6,98 ; 9,. + side reguator Gambar. Skema rangkaian aat eksperimen. e. Menguangi butir a, c dan d untuk kawat kumparan yang ditempatkan di udara berangin, air minera, dan minyak tanah. C. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasi pengukuran tegangan output dan kuat arus istrik untuk kawat kumparan yang ditempatkan di berbagai medium terdapat pada Tabe, Tabe, Tabe, dan Tabe. TABEL. MEDIUM UDAA,88 0,0 0, 0, TABEL. MEDIUM UDAA BEANGIN,88 0,0 0, 0,8 0,0006 0,0006 0, ,00079 TABEL. MEDIUM AI,88 0,0 0, 0,8 0,0000 0,0007 0, ,00077 TABEL. MEDIUM MINYAK TANAH,88 0,0 0,08 0, 0,8 0, , ,0086 0,0005 Ada beberapa data (udara berangin, air, dan minyak tanah) diduga tersebar inear dan sebagian agi (udara) diduga cenderung engkung (tidak inear). Untuk memastikan inear atau tidak dan mengetahui keeokan fitting data diakukan fitting kai dengan cara yang berbeda, yaitu :. Semua data difitting secara inear dan didapatkan persamaan fitting data sebagaimana ditampikan pada Tabe. Berdasarkan persamaan fitting data didapatkan bahwa hasinya dapat diterima dengan masing-masing niai r seperti yang ditunjukan pada Tabe 5. Niai r yang paing mendekati terdapat pada medium minyak tanah (r = 0,999) sedangkan niai r yang paing tidak mendekati terdapat pada medium udara (r = 0,988). Koefisien menunjukkan tingkat keinearan sebaran data dengan tingkat keinearan terbesar terdapat pada air ( = 0,00) dan keinearan terkeci terdapat pada udara ( = 0,08). Jika ditampikan daam bentuk grafik maka hasinya sebagaimana pada Gambar. TABEL 5. PESAMAAN FITTING DATA I TEHADAP (DENGAN CAA LINEA). BAHAN PESAMAAN I TEHADAP r Udara I = 0,08 + 0,00 0,988 Udara + Kipas I = + 0,007 0,995 Air I =0,00 + 0,00 0,997 Minyak Tanah I = + 0,00 0,999

4 Prosiding Pertemuan Imiah XX HFI Jateng & DIY 87 Gambar. Grafik Kuat arus I sebagai fungsi dari beda potensia yang bersifat inear pada hambatan kawat kumparan berbagai medium.. Semua data difitting dengan menggunakan persamaan poinomia orde dan didapatkan persamaan fitting data sebagaimana ditampikan pada Tabe 6. TABEL 6. PESAMAAN FITTING DATA I TEHADAP (DENGAN CAA POLYNOMIAL ODE DUA). BAHAN PESAMAAN I terhadap r Udara I = -0, ,08-0,056 0,9997 Udara + Kipas I = -0, ,058-0,0066 Air I = -0,000 +0,05-0,008 Minyak Tanah I = -0,000+0,0-0, Hasi fitting data dengan persamaan poinomia ternyata ebih baik dibandingkan dengan cara inear, ha ini terihat dari niai r seperti yang terdapat pada Tabe. Medium udara berangin dan air memiiki niai r =, udara memiiki niai r = 0,999. Tetapi minyak tanah memiiki niai r yang sama dengan cara inear (r = 0,999) sehingga kedua cara memiiki keeokan fitting data yang sama. Pada persamaan fitting data poinomia terdapat koefisien - yang menunjukkan besarnya ketidakinearan sebaran data. Semakin besar niainya maka ketidakinearannya pun semakin besar. Dari tabe didapatkan bahwa koefisien - yang terbesar adaah udara ( 0,0009) dan yang paing keci adaah minyak tanah ( 0,000). Medium minyak tanah sebaran datanya memiiki ketidakinearan paing keci atau cenderung bersifat inear jika dibandingkan dengan medium yang ainnya, sedangkan sebaran data yang ketidakinear-annya paing besar terdapat pada udara. Jika ditampikan daam bentuk grafik maka hasinya sebagaimana pada Gambar. Gambar. Grafik Kuat arus I sebagai fungsi dari beda potensia yang bersifat poinom pada berbagai medium. Berdasarkan anaisis data diperoeh bahwa perbandingan antara beda potensia dengan kuat arus I kumparan pada tegangan output,8 vot konsisten terhadap hukum Ohm pada semua medium, namun pada tegangan output 9 vot tidak konsisten terhadap hukum Ohm. Urut-urutan medium dari yang kurang konsisten sampai dengan yang paing tidak konsisten terhadap hukum Ohm adaah minyak tanah, air, udara berangin, dan udara. Berdasarkan dua cara fitting data tersebut ternyata minyak tanah merupakan medium yang dapat meredam

5 88 Prosiding Pertemuan Imiah XX HFI Jateng & DIY panas sehingga perbandingan antara beda potensia dengan kuat arus istrik mendekati hukum Ohm, sedangkan air dan udara berangin hasinya sedikit mendekati hukum Ohm. Medium udara tidak dapat meredam panas dengan baik sehingga hasinya menjauhi hukum Ohm jika dibandingkan dengan medium-medium yang ainnya.. KESIMPULAN Dari hasi peneitian ini dapat disimpukan bahwa konsistensi hukum Ohm beraku pada tegangan,8 vot namun pada tegangan 9 vot kumparan tidak konsisten terhadap hukum Ohm. Hukum Ohm akan beraku jika suhu bahan dan ingkungan sekitar bersifat konstan. Urut-urutan medium dari yang kurang konsisten sampai dengan yang paing tidak konsisten terhadap hukum Ohm adaah minyak tanah, air, udara berangin, dan udara. UCAPAN TEIMAKASIH Penuis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang teah membantu penyusunan makaah ini terutama kepada PPs Magister Pendidikan Fisika UAD tempat diakukan peneitian. PUSTAKA [] Beiser, A.. Konsep Fisika Modern Edisi Empat. Jakarta : Penerbit Erangga. 987 [] Foster, B.. Fisika Keas 0. Jakarta : Penerbit Erangga. 00 [] Haiday dan esnick.. Fisika Jiid (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erangga. 988 [] Humizar dan Sarem.. Dunia Fisika untuk SMP Keas III. Jakarta : Esis. 005 [5] Krane, K.. Fisika Modern, Jakarta : UI-Press, 008 [6] Madsen, M.J. Ohm s Law For a Wire in Contact with a Therma eservoir, American Journa of Physics, oume 77, No. 6 June 009. [7] Musim dan Zahara.. Listrik Dinamik Magnet Statik Sumber dan Medium. Yogyakarta : Jurusan Fisika FMIPA UGM. 00 [8] Sutrisno dan Gie.. Seri Fisika Dasar Listrik, Magnet, dan Termofisika. Bandung : Penerbit ITB Bandung. 98 [9] Tiper.. Fisika Untuk Sains dan Teknik (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erangga, 99 TANYA JAWAB Sugito, M.Si? Konsistensi Hukum Ohm hanya beraku pada tegangan ot, Mengapa? Sandi Karena probabiitas tumbukan antara eektron dengan atice ke kisi ebih sering sehingga suhunya tidak konstan.