MATERI ENERGI DAN DAYA LISTRIK TINGKAT UNIVERSITAS Dian Puspita Sari (F03109029) A. Energi Listrik ( Electric Energy ) Energi listrik tidak dapat dilihat. Namun dapat diamati gejala-gejala yang ditimbulkannya. Misalnya, lampu listrik dapat menerangi ruangan dalam rumah di malam hari. Hal tersebut dapat terjadi karena adanya energi listrik. Energi listrik sangat berguna karena dapat dengan mudah diubah menjadi energi bentuk lain. Pada alat-alat seperti pemanas listrik, kompor, pemanggang, lampu listrik, energi listrik diubah menjadi energi panas atau cahaya karena arus biasanya agak besar, dan ada banyak tumbukan antara electron dan atom yang bergerak pada kawat. Pada setiap tumbukan,sebagian energi elektron ditransfer ke atom yang ditumbuknya. Sebagai akibatnya, energi kinetik atom dan temperatur elemen kawat bertambah ( Giancoli, 2001: 74). Jadi, energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain (energi kalor / panas, cahaya, mekanik, kimia). Untuk mengetahui seberapa besar energi yang dibutuhkan oleh suatu alat listrik, maka dapat dipahami konsep berikut: Gambar 1. Rangkaian tertutup arus listrik ( Anonim, 2011 ). Pada rangkaian tertutup seperti Gambar 1 di atas, 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: = muatan listrik ( C ) = kuat arus listrik ( A ) = waktu ( s ).. ( 1 ) ( Anonim, 2011 ). Karena energi adalah suatu kemampuan untuk melakukan usaha. Terkait dengan listrik, untuk memindahkan sejumlah muatan potensial yang satu ke potensial lainnya, di mana kedua potensial memiliki nailai berbeda, maka dibutuhkan energi. Perhatikanlah gambar 2 berikut: Gambar 2. Rangakaian listrik dengan lampu berhambatan R ( Anonim, 2011 ). Pada Gambar 2 terlihat sebuah lampu berhambatan R dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan listrik (AKI) sehingga menimbulkan tegangan Vab antar ujung-ujung lampu atau dengan kata lain beda tegangan antara ujung-ujung lampu berhambatan R menjadi V dengan kuat arus sebesar I mengalir selama selang waktu Δt. Besarnya energi listrik yang yang diberikan oleh sumber tegangan untuk memindahkan muatan pada filamen lampu yang hambatannya R tersebut dinyatakan dengan persamaan: = energi listrik ( J ) = tegangan ( V ) = muatan listrik ( C).. ( 2) ( Bueche, 2006: 191 ).
Jika disubstitusikan persamaan ( 1 ) dan ( 2 ), maka: = energi listrik ( J ) = tegangan ( V ) I = kuat arus yang mengalir ( A ) Δt = selang waktu ( s ).. ( 3 ) ( Freedman, 2000: 239 ). Dengan menerapkan hukum Ohm pada suatau rangkaian listrik, maka persamaan untuk energi listrik dapat dituliskan dalam bentuk lain dengan disubstitusikan ( ), sebagai berikut: W = (I. R ). I. Δt. ( 4 ) Dengan mengsubstitusikan ( ) dengan persamaan ( 3 ), maka diperoleh:. ( 5 ) R = hambatan listrik ( Ω ) Energi listrik W dapat dirubah menjadi energi kalor Q dari sebuah pemanas air listrik. Jika efisiensi alat dianggap 100%, maka berlaku hubungan:. ( 6 ) Jika efisiensi elemen pemanas tidak 100% maka berlaku hubungan:. ( 7 ) ( Anonim, 2011 ). Jadi, energi listrik dapat didefinisikan sebagai kemampuan listrik ( energi ) yang disebabkan oleh adanya aliran muatan listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian listrik tertutup.
B. Daya Listrik ( Electric Power ) Pada alat-alat listrik, biasanya tertulis besar daya listrik dan tegangan yang harus digunakan. Misalnya, pada sebuah lampu tertulis 220 V/25 W. Artinya, lampu tersebut mempunyai daya 25W. Jika dipasang pada tegangan 220V. jika dipasang pada tegangan kurang dari 220 V, lampu tersebut akan menyala redup: jika dipasang pada tegangan lebih dari 220 V, lampu tersebut akan menyala lebih terang. Namun, filamennya akan lebih cepat putus. Daya dan tegangan pada suatu alat listrik dapat bervariasi nilainya. tetapi besae hambatan yang terdapat dalam alat tersebut tetap ( Anonim, 2011 ). Untuk mencari daya yang diubah oleh peralatan listrik mengingatkan bahwa energi yang diubah bila muatan bergerak melintasi beda potensial sebesar V adalah. Maka daya P, yang merupakan kecepatan perubahan energi adalah:. ( 8 ) = daya listrik ( W ) = muatan listrik ( C ) = tegangan listrik ( V ) waktu ( s ) Muatan yang mengalir per sekon ( ), merupakan arus listrik I. Dengan demikian diperoleh:. ( 9 ) ( Giancoli, 2001: 74). Kecepatan perubahan energi pada hambatan R dapat dituliskan, dengan menggunakan hukum Ohm ( V = I. R ), sehingga persamaan ( 9 ) menjadi:. ( 10 ) dengan substitusikan ( ) ke dalam persamaan ( 10 ), maka menjadi:. ( 11 ) ( Freedman, 2000: 240 ).
Jadi, daya listrik dapat didefinisikan sebagai laju usaha / energi persatuan waktu. Sehingga persamaan-persamaan ( 8 ), ( 9 ), ( 10 ), dan ( 11 ) secara umum berlaku: Daya listrik bergantung pada besar arus yang melintasi rangkaian listrik. Energi listrik yang melewati suatu elemen pada alat-alat listrik dapat dicari dengan persamaan: = energi listrik ( J ) = daya listrik ( W ) waktu ( s ). ( 12 ) Dan untuk mengetahui berapa besar biaya yang akan dikeluarkan dapat dilihat dengan besar spesifikasi suatu elemen alat-alat listrik dengan menghitung besarnya energi yang digunakan tiap jam nya dan dikalikan dengan tarif beban per kwh nya. Contoh soal: 1. Hitunglah energi yang dibutuhkan untuk mengalirkan muatan dalam satu jam melewati kenaikan potensial. Penyelesaian: Diketahui:. Ditanaya: W? Jawab:
2. I 12 V Pada rangkaian di atas, tentukanlah: a. Energi listrik yang diberikan baterai, dan b. Energi kalor yang muncul pada resistor dan, selama 2 menit. Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: a. W? Jawab: b. W pada R 1 dan R 2 selama 2 menit? a. b. 3. Sebuah pemanas listrik menarik 15 A pada jalur 120 V. Berapa daya yang digunakannya dan berapa biaya perbulan ( 30 hari ) jika pemanas tersebut beroperasi 3 jam setiap hari dan perusahaan listrik menghargai Rp 300,00 per kwh? (untuk mudahnya, anggap arus mengalir tetap pada satu arah ). Penyelesaian:
Diketahui: I = 15 A V = 120 V 3 jam 1 bulan = 30 hari Tarif = Rp300,00 / kwh Ditanya: P dan biaya ( beban tagihan listrik yang di keluarkan)? Jawab: Jadi untuk mengoperasikannya selama 3 jam / hari ( 30 hari ) = 90 jam yang akan memakan biaya = (1,8 kw)( 90 jam )( Rp300,00) = Rp48.600,00 4. Sebuah setrika listrik memiliki spesifikasi 250 W, 220 V. Jika listrik di sebuah rumah tegangannya turun hingga 176 V dan biaya rekening listrik Rp200,00 per kwh, maka tentukan: a. resistansi dalam setrika b. daya yang digunakan setrika c. energi listrik yang digunakan setrika selama 1 jam d. biaya listrik yang harus dibayar untuk pemakaian setrika tersebut. Penyelesaian: Diketahui: P 1 = 250 W V 1 = 220 V V 2 = 176 V Biaya = Rp200,00 per kwh Ditanya: a. R? b. P 2? c. W? d. Biaya? Jawab: a.
b. ( ) c. ( ) d. Biaya = ( 0,16 kwh )( Rp200,00/ kwh) = Rp32,00 Referensi: Bueche, Frederick J. 2006. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh. Jakarta: Erlangga. Freedman, Roger A. 2000. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Edisi Kelima Jilid 2. Jakarta: Erlangga. http://www.elektronikabersama.web.id/2011/04/daya-listrik.html (diakses tanggal 10 April 2012). http://maribelajarfisika.blogspot.com/2011/04/energi-dan-daya-listrik.html (diakses tanggal 10 April 2012).