LAPORAN RESMI PRAKTEK KERJA LABORATORIUM 1 KODE: L - 4 JUDUL PERCOBAAN : ARUS DAN TEGANGAN PADA LAMPU FILAMEN TUNGSTEN DI SUSUN OLEH: TIFFANY RAHMA NOVESTIANA 24040110110024 LABORATORIUM FISIKA DASAR FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA UNIVERSITAS DIPONEGORO S E M A R A N G 2013
ARUS DAN TEGANGAN PADA LAMPU FILAMEN TUNGSTEN I. TUJUAN PERCOBAAN Tujuan dari percobaan ini adalah sebagai berikut : 1.1. Menyelidiki hubungan antara arus yang melewati lampu filament tungsten dan potensial yang dipakai 1.2. Mencari nilai konduktivitas dan konstanta lampu 1.3. Mencari nilai energi yang terdisipasi. II. LANDASAN TEORI 2.1. Arus listrik Arus listrik merupakan laju aliran muatan listrik yang melalui suatu luasan penampang. Sebuah arus listrik i dihasilkan jika sebuah muatan netto q melewati suatu penampang penghantar selama waktu t, maka secara sistematis arus dapat didefinisikan sebagai: I =...(2.1) dimana i adalah arus listrik (amper), q adalah muatan (coulomb), dan t adalah waktu (detik). Jika banyaknya muatan yang mengalir persatuan waktu tidak konstan, maka arus akan berubah dengan waktu dan diberikan oleh limit diferensial dari persamaan (2.1) atau dapat dituliskan sebagai berikut: I =...(2.2) arus i adalah sama untuk semua penampang penghantar, walaupun luas penampang berbeda ( Halliday, 1978 ). Aliran arus pada sebuah penghantar dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain tegangan sumber dan hambatan yang diberikan oleh penghantar terhadap aliran elektron. Elektron-elektron yang mengalir melalui suatu penghantar
diperlambat karena adanya interaksi dengan atom-atom pada penghantar. Apabila pada suatu penghantar hambatannya semakin tinggi maka arus yang mengalir akan semakin rendah pada tegangan yang sama. Hal ini sesui dengan definisi hambatan suatu penghantar menurut Ohm yaitu hambatan suatu kawat penghantar berbanding lurus dengan tegangan sumber dan berbanding terbalik dengan arus yang mengalir. Secara matematis definisi hambatan dapat ditulis: R =...(2.3) Dengan R adalah hambatan kawat penghantar (Ω), V adalah tegangan sumber (Volt), dan i adalah kuat arus yang mengalir pada penghantar (Ampere). Definisi hambatan ini biasa disebut hukum Ohm. Satuan dari hambatan disebut ohm (Ω) sebagai penghargaan kepada Ohm ( Giancoli, 2001). Hubungan antara arus dan tegangan dapat di plot dalam sebuah grafik. Grafik yang terbentuk akan linier apabila hambat jenis penghantar tersebut konstan dan tidak bergantung pada besar maupun kecilnya arus yang mengalir. I V Gambar 2.1 grafik linieritas tegangan dan arus menunjukan hambatan konstan (Zemansky, 1992). Rapat arus J dan medan listrik E terbentuk dalam sebuah konduktor ketika terdapat suatu beda potensial yang melintasi konduktor tersebut. Pada beberapa bahan, rapat arus sebanding dengan medan listrik dimana dapat dituliskan pada persamaan 2.4 J = σ E...(2.4)
dimana J adalah Rapat arus, E merupakan medan listrik, dan σ merupakan konduktivitas konduktor. Untuk sebagian besar bahan (hampir semua logam), rasio rapat arus terhadap medan listrik adalah suatu konstanta σ yang independen terhadap medan listrik yang menghasilkan arusnya.( Jewet, 2010 ). 2.2.Potensial Listrik Potensial listrik adalah energi potensial elektrostatika per satuan muatan, satuan SI untuk potensial dan beda potensial adalah joule per satuan coulomb volt. 1 V = 1 Karena diukur dengan volt, maka beda potensial disebut voltase atau tegangan ( Tippler, 1991 ). 2.3. Daya Listrik Daya listrik didefinisikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam rangkaian listrik. Satuan SI daya listrik adalah watt. Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian dengan hambatan listrik menimbulkan kerja. Peranti mengkonversikan ke dalam berbagai bentuk yang berguna, seperti panas (seperti pada pemanas listrik), cahaya (seperti pada bola lampu), energi kinetik (motor listrik), dan suara (loudspeaker). Listrik dapat diperoleh dari pembangkit listrik atau penyimpan energi seperti baterai. Daya listrik, seperti daya mekanik, dilambangkan oleh huruf P dalam persamaan listrik. Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan hukum joule, sesuai nama fisikawan Britania James Joule, yang pertama kali menunjukkan bahwa energi listrik dapat merubah menjadi mekanik dan sebaliknya. P = V I...(2.5) dimana, P adalah daya ( watt atau W), I adalah Arus listrik (ampere atau A), dan V adalah beda potensial (volt atau V). Hukum Joule dapat digabungkan dengan hukum Ohm untuk menghasilkan dua persamaan tambahan
P = I 2 R =...(2.6) dimana R adalah hambatan listrik (ohm atau Ω) (Jewet, 2010). 2.4. Lampu Filament Tungsten Lampu filamen tungsten akan menyala bila terdapat beda potensial (baterai). Ketika lampu filamen tungsten dihubungkan dengan beda potensial akan mengalir melalui penghantar (kawat). Muatan tersebut dalah arus listrik yang berfungsi sebagai energi listrik. Karena arus dibawa dalam jumlah yang cukup besar, maka akan banyak tumbukan antara elektron yang bergerak dan atom pada kawat. Pada setiap tumbukan, sebagian energi elektron ditransfer ke atom. Tumbukan tersebut terjadi disekitar ruangan dari filamen tungsten yang dibatasi oleh tabung kaca. Karena terjadi tumbukan terus menerus akibatnya energi kinetik atom bertambah dan suhu filament tungsten bertambah. Energi panas yang bertambah dari kawat tersebut dapat dikonduksi, dan dikonveksi ke udara sebagai kalor dan diradiasikan sebagai cahaya, sehingga lampu dapat menyala ( Sears, 1962). III. METODE PERCOBAAN 3.1. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan adalah sebagai berikut : 3.1.1. Alat Alat ukur yang digunakan adalah Ampermeter digunakan untuk mengetahui arus yang mengalir dalam suatu rangkaian, voltmeter digunakan untuk mengetahui besarnya tegangan, dan Rheostat sebagai pengatur arus dan tegangan pada lampu. 3.1.2. Bahan Bahan yang digunakan adalah Lampu dengan daya 35 Watt sebagai objek percobaan yang diamati, kabel sebagai penghubung antar rangkaian, dan sumber tegangan DC sebesar 220 volt sebagai sumber tegangan yang mengalirkan arus.
3.2. Gambar Rangkaian Gambar 3.1 skema rangkaian percobaan arus dan tegangan pada filamen lampu tungsten Gambar 3.2 Rangkaian Percobaan Arus dan Tegangan Pada Lampu Filamen Tungsten
3.3. Diagram Alir Percobaan Gambar 3.1 Diagram Alir Percobaan Arus dan Tegangan pada Lampu Filamen Tungsten
3.4. Diagram Fisis Arus mengalir dari sumber tegangan Berlawanan dengan arus elektron bergerak dari kutub negatif sumber tegangan. Arus tersebut melewati amperemeter sehingga ada penyimpangan pada amperemeter Pada saat yang sama voltmeter jarumnya menyimpang akibat ada beda potensial yang mengalir Dari arah yang berlawanan elektron melewati filamen pada lampu Pada filament tersebut terjadi lucutan elektron sehingga timbul cahaya Sebagian energi dari arus tersebut dirubah menjadi cahaya dan sebagian dirubah menjadi panas Gambar 3.2. diagram fisis pada Percobaan Arus dan Tegangan pada Lampu Filament Tungsten
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Data hasil percobaan 4.2. Pengolahan data No. filamen 1 filamen 2 V (volt) I (ampere) V (volt) I (ampere) 1 2,5 1,8 2,5 2,0 2 3,0 2,0 3,0 2,1 3 3,5 2,2 3,5 2,2 4 4,0 2,4 4,0 2,3 5 4,5 2,5 4,5 2,5 6 5,0 2,6 5,0 2,6 7 5,5 2,7 5,5 2,7 8 6,0 2,8 6,0 2,8 9 6,5 3,0 6,5 3,0 10 7,0 3,1 7,0 3,2 11 7,5 3,2 7,5 3,3 12 8,0 3,3 8,0 3,4 13 8,5 3,4 8,5 3,5 14 9,0 3,5 9,0 3,6 15 9,5 3,6 9,5 3,7 Gambar 4.1. Data hasil percobaan a. Filamen 1 No. V (volt) I (ampere) ln V ln I 1 2,5 1,8 0,92 0,59 2 3,0 2,0 1,10 0,69 3 3,5 2,2 1,25 0,79 4 4,0 2,4 1,39 0,88 5 4,5 2,5 1,50 0,92 6 5,0 2,6 1,61 0,96 7 5,5 2,7 1,70 0,99 8 6,0 2,8 1,79 1,03 9 6,5 3,0 1,87 1,10 10 7,0 3,1 1,95 1,13 11 7,5 3,2 2,01 1,16 12 8,0 3,3 2,08 1,19 13 8,5 3,4 2,14 1,22 14 9,0 3,5 2,20 1,25 15 9,5 3,6 2,25 1,28
I (ampere) b. Filamen 2 No. V (volt) I (ampere) ln V ln I 1 2,5 2,0 0,92 0,69 2 3,0 2,1 1,10 0,74 3 3,5 2,2 1,25 0,79 4 4,0 2,3 1,39 0,83 5 4,5 2,5 1,50 0,92 6 5,0 2,6 1,61 0,96 7 5,5 2,7 1,70 0,99 8 6,0 2,8 1,79 1,03 9 6,5 3,0 1,87 1,10 10 7,0 3,2 1,95 1,16 11 7,5 3,3 2,01 1,19 12 8,0 3,4 2,08 1,22 13 8,5 3,5 2,14 1,25 14 9,0 3,6 2,20 1,28 15 9,5 3,7 2,25 1,31 4.3. Analisa grafik Grafik hubungan antara V dan I filamen 1 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 V (volt) Grafik 4.1 hubungan V dan I pada filamen 1
ln I I (ampere) filamen 2 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 V (volt) Grafik 4.1 hubungan V dan I pada filamen 2 Grafik hubungan antara ln V dan ln I filamen 1 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 slope terbaik y = 0,50x + 0,14 R² = 0,99 slope maksimum y = 0,64x - 0,10 R² = 0,92 0,40 0,20 0,00 slope minimum y = 0,42x + 0,30 R² = 0,96 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 ln V Grafik 4.3 hubungan ln V dan ln I pada filamen 1
Ln I filamen 2 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 slope terbaik y = 0,49x + 0,19 R² = 0,98 slope minimum y = 0,43x + 0,30 R² = 0,97 slope maksimum y = 0,62x - 0,05 R² = 0,91 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 Ln V Grafik 4.4 hubungan ln V dan ln I pada filamen 2 Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut: I = k V n...(4.1) ln I = ln ( k V n ) ln I = n ln V + ln k...(4.2) Persamaan (4.2) sama dengan bentuk persamaan garis lurus yaitu : y = mx + c Dari grafik diperoleh : a. Filament 1 slope terbaik y = 0,50 x + 0,14 maka,
n = 0,50 k = e -0,14 = 0,87 slope maksimum y = 0,64x - 0,1000 maka, n = 0,64 k = e -0,10 = 0,90 slope minimum y = 0,42x + 0,30 maka, n = 0,42 k = e- 0,30 = 0,74 Jadi, hasil grafik perhitungan diatas didapatkan nilai sebagai berikut : a. nilai konstanta lampu ( n ) n terbaik = 0,50 n maksimum = 0,64 n minimum = 0,42 n = = = 0,11 n = ( n n ) = (0,50 0,11) b. nilai konduktivitas lampu k terbaik = 0,87 k maksimum = 0,90
k mininum = 0,74 k = = = 0,08 k = ( k k ) = (0,87 0,08) c. energi terdisipasi energi terdisipasi = (1 n) = ( 1-0,50 ) = 0,50 = 50% dari energi awalnya b. Filament 2 slope terbaik y = 0,49x + 0,19 maka, n = 0,49 ln k = 0,19 k = e -0,19 = 0,83 slope maksimum y = 0,62x - 0,05 n = 0,62 ln k = 0,05 k = e -0,05 = 0,95 slope minimum y = 0,43x + 0,30 jadi,
n = 0,43 ln k = 0,30 k = e -0,30 = 0,74 Jadi, hasil grafik perhitungan diatas didapatkan nilai sebagai berikut : a. nilai konstanta lampu ( n ) n terbaik = 0,49 n maksimum = 0,62 n minimum = 0,43 n = = = 0,09 n = ( n n ) = (0,49 0,09) b. nilai konduktivitas k terbaik = 0,83 k maksimum = 0,95 k mininum = 0,74 k = = = 0,10 k = ( k k ) = (0,83 0,10) c. energi terdisipasi energi terdisipasi = (1 n) = ( 1-0,49 ) = 0,51 = 51% dari energi awalnya
4.4.Pembahasan Pada percobaan yang berjudul arus dan tegangan pada lampu filamen tungsten bertujuan untuk menyelidiki hubungan antara arus yang melewati lampu filament tungsten dan potensial yang dipakai, mencari nilai konduktivitas lampu dan konstanta lampu, serta mengetahui energi yang terdisipasi. Untuk mengetahui hubungan antara tegangan dan arus pada lampu filament tungsten ada dua besaran yang dicari dalam percobaan ini yaitu nilai konstanta hambatan dalam lampu filament tungsten tersebut serta konstanta lampu tersebut. Pada percobaan ini lampu yang digunakan untuk percobaan hanya 1 lampu yang masing-masing terdiri dari f1 (filament 1) dan f2 (filament 2) yang dihubungkan dengan beda potensial. Adanya beda potensial dalam rangkaian tersebut menghasilkan muatan, kemudian muatan tersebut akan mengalir melalui kawat penghantar. Muatan yang mengalir mengakibatkan tumbukan antara elektron didalam tabung kaca lampu filamen tungsten. Disetiap tumbukan menghasilkan sebagian energi elektron yang nantinya akan ditransfer ke atom yang akan ditumbukinya. Karena terjadi tumbukan secara terus menerus akan menyebabkan energi kinetik atom bertambah dan temperatur filamen akan naik. Seiring bertambahnya voltase listrik yang digunakan maka semakin tinggi intensitas cahaya pada lampu filamen tungsten, sebab naiknya tegangan memacu naiknya aliran listrik. Semakin besar arus dan tegangan maka nyala lampu filamen tungsten semakin terang begitu pula sebaliknya, semakin kecil arus dan tegangan maka nyala lampu filament tungsten akan semakin redup ataupun tidak nyala. Pada percobaan ini hubungan antara arus yang melewati lampu filament tungsten dan potensial yang dipakai menghasilkan grafik analisa yang tidak dimulai dari sumbu XY (0,0), grafik ini menunjukan bahwa terdapat faktor lain yaitu karena adanya faktor konstanta hambatan dalam lampu atau yang disebut konduktivitas. Pada pengolahan data yang menghasilkan hubungan antara arus (sumbu Y) dengan tegangan (sumbu X) yang dipakai pada filament 1 dan filament 2 menghasilkan grafik yang nilai arus dan nilai tegangan menghasilkan bentuk
peningkatan secara eksponensial. Hal ini menunjukan bahwa pada grafik ini tidak berlaku hukum ohm atau berlaku hukum non ohmik. Hukum non ohmik berlaku jika pangkat dari tegangan (n) atau yang disebut dengan konstanta hambatan dalam lampu tidak sama dengan 1 (n 1). Dari grafik ini menunjukan bahwa penghantar pada percobaan ini disebut komponen non-ohmik. Sebuah persamaan berpangkat yang digunakan untuk mencari nilai konduktivitas (k) dan nilai konstanta lampu (n) pada persamaan (4.1) akan mengalami kesulitan, maka persamaan tersebut dapat dicari dengan cara menjadikan persamaan tersebut dalam bentuk persamaan linier seperti pada persamaan (4.2). Nilai-nilai persamaan ln V dan ln I yang diperoleh dari percobaan setelah diplot dalam sebuah grafik maka terbentuklah garis linier. Dari grafik hubungan tersebut dapat diperoleh nilai konduktivitas (k) dan konstanta lampu (n) sebagai berikut: a. Filament 1 Konstanta lampu (n) = (0,50 0,11) Konduktivitas lampu (k) = (0,87 0,08) b. Filament 2 Konstanta lampu (n) = (0,49 0,09) Konduktivitas lampu (k) = (0,83 0,10) Pada dasarnya dalam percobaan ini adalah mengubah energi listrik menjadi energi cahaya dan energi panas. Energi panas ini yang disebut dengan energi terdisipasi. Energi terdisipasi yang dihasilkan pada lampu filament 1 didapat 50% dari energi awalnya, dan lampu filament 2 didapat 51% dari energi awalnya. Hasil ini menunjukan bahwa filament 2 mengubah energi listrik menjadi energi cahaya yang lebih kecil dibandingkan dengan filament 1. Jadi saat tegangan/ arus yang sama lampu 35 watt pada filament 2 lebih terang dari pada filament 1.
V. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan Arus dan tegangan pada lampu filament tungsten (L-4) dapat disimpulkan bahwa: 1. Hubungan antara arus dan tegangan pada lampu filament tungsten tidak memenuhi hukum ohm. 2. Dari hasil percobaan diperoleh nilai n dan k sebagai berikut : Filament 1 Konstanta lampu ( n ) = (0,50 0,11) Konduktivitas lampu (k) = (0,87 0,08) Filament 2 Konstanta lampu ( n ) = (0,49 0,09) Konduktivitas lampu (k) = (0,83 0,10) 3. Energi terdisipasi yang dihasilkan pada lampu filamen 1 didapat 50% dari energi awalnya, dan lampu filamen 2 didapat 51% dari energi awalnya.
DAFTAR PUSTAKA Giancolli. 1998. Fisika Jilid 2. Jakarta:Erlangga Halliday and Resnick. 1985. Fisika Edisi ketiga, jilid 1.Jakarta:Erlangga Jewwet,Serway. 2010. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Salemba Teknika Sears and Zemansky. 1962. Fisika Universitas Magnet dan Listrik. Jakarta:Erlangga Sears and Zemansky. 1992. Fisika untuk Universitas. Jakarta:Erlangga