Arus dan Tegangan Bolak – balik ( Pertemuan 1)

 

Bahan ajar untuk kelas XII MIPA, pertemuan – 1.  

 

Nama Sekolah     : SMA WR SUPRATMAN 2 MEDAN

Tahun Pelajaran   : 2024 / 2025

Semester            : I (Satu)

Kelas                  : XII – MIPA

Materi Ajar          : Arus dan Tegangan Bolak – balik

Hari/tanggal        :

Waktu                 :

Guru                   : Parulian Simorangkir, S.si., S.Pd

 

Arus dan Tegangan Bolak – Balik

 

Daftar Isi

1.  Arti Arus dan Tegangan Bolak – Balik.

2.  Frekuensi dan Nilai Maksimum dari Tegangan/Arus Bolak – Balik.

3.  Arus dan Tegangan Sinusoidal.

4.  Nilai efektif

5.  Osiloskop

 

Arti Arus dan Tegangan Bolak – Balik

Periksalah tegangan yang tersedia pada stop kontak rumah Anda dengan menggunakan Galvanometer dan Osiloskop.

Mula – mula hubungkan kedua lubang stop kontak dengan terminal galvanometer, kemudian amati apakah jarum galvanometer menyimpang ?. ternyata jarum galvanometer tidak menyimpang. Seakan tidak ada tegangan atau arus yang keluar dari stop kontak.

Ulangi percobaan dengan menghubungkan kedua lubang kontak terminal tegangan atau arus osiloskop. Amati gambar gelombang tegangan atau arus yang terlihat di layar osiloskop. Akan terlihat bahwa tegangan berubah secara periodik, seperti ditunjukkan pada gambar 1.

Akan berbeda jika kita mengamati arus tegangan searah yang keluar dari baterai dengan menggunakan galvanometer dan osiloskop. Untuk arus atau tegangan searah, jarum galvanometer menyimpang. Sedangkan osiloskop akan mengamati perubahan tegangan atau arus searah ini hanya dalam satu arah saja seperti diperlihatkan pada gambar 2.

Frekuensi dan Nilai maksimum dari Tegangan/Arus Bolak – Balik

 

Dari gambar 1, terlihat tegangan naik kira – kira 220√2 volt dalam arah positif (+), turun ke nol, dan naik kembali lagi ke 220√2 volt dalam arah berlawanan ( arah - ). Siklus ini terus berulang – ulang. Satu siklus memerlukan waktu 1/50 detik, dan waktu ini disebut waktu periode (T) dari tegangan. Jika satu siklus memerlukan waktu 1/50 detik, maka dalam satu detik dapat terjadi 50 siklus.

 

Banyaknya siklus yang terjadi dalam waktu 1 detik inilah disebut frekuensi dari tegangan. Dengan demikian hubungan antara frekuensi dengan periode.

 

Arus dan Tegangan Sinusoidal

 

Tegangan dan arus bolak – balik dihasilkan oleh generator arus bolak – balik.

Dalam generator, kumparan persegi panjang yang diputar dalam medan magnetik akan membangkitkan gaya gerak listrik (ggl) sebesar :

Dengan demikian bentuk arus dan tegangan bolak – balik dapat dituliskan.

Dengan demikian i_m dan V_m merupakan arus maksimum dan tegangan maksimum.

Gambar 3, merupakan kurva berbentuk sinusoidal. Dan merupakan tegangan bolak – balik.

Nilai Efektif

Bentuk sinusoidal kurva arus/tegangan bolak – balik. Sementara yang ditunjukkan alat ukur disebut nilai efektif.

Daya pada tegangan/arus bolak – balik dinyatakan sebagai :

Karena,

Lalu kedua ruas kiri dan kanan kita kuadratkan.

Karena bentuk kurva berulang setiap θ = ϖ maka periode T = ϖ. Dengan demikian nilai arus efektif :

Karena,

Dengan demikian hubungan antara harga efektif arus dan tegangan bolak – balik dengan harga maksimumnya.

Contoh :

Jala – jala listrik di rumah mempunyai beda tegangan 220V. Sebuah alat listrik dengan hambatan 40 ohm dipasang pada jala – jala listrik. Hitung :

a)   Harga efektif dan maksimum tegangan.

b)   Harga efektif dan maksimum arus.

 

Pembahasan :

 

Dik :

Hambatan, R = 40Ω

Tegangan, V = 220V

 

Dit :

a)  Tegangan, V_ef dan V_m ?.

b) Kuat arus, I_ef dan I_m ?

 

Jawab

Bagian a)

ó V = 220 V

ó V = V_ef = 220V (alat ukur)

ó V_m = V_ef . √2

ó V_m = 220√2 V(osiloskop)

 

Bagian b)

ó untuk kuat arus I_ef :

ó untuk kuat arus I_m = I_ef.√2

ó I_m = 5,5√2 A

 

 

Osiloskop

 

Untuk keperluan praktis maka alat ukur tegangan, arus, dan hambatan dibuat menjadi satu dan disebut dengan AVO – meter atau multimeter.

 

Untuk mengamati langsung bentuk kurva arus/tegangan bolak – balik, yaitu arus / tegangan yang berubah – ubah besarnya terhadap waktu disebut osiloskop.

 

Contoh :

Diagram di bawah ini menunjukkan suatu bentuk gelombang pada layar sebuah osiloskop sinar katode ketika suatu tegangan ac dihubungkan ke terminal Y. Penguatan Y diatur 2V/cm dan waktu dasar pada 5 milidetik/cm. Kotak – kotak memiliki panjang 1 cm.

(a)    Berapa tegangan maksimum dari bentuk gelombang.

(b)   Berapa frekuensi dari tegangan ac.

Pembahasan :

Bagian a)

Tegangan dibaca pada sumbu Y. Dari gambar gelombang terlihat bahwa tegangan maksimum 4 cm dan sumbu Y diatur 2V/cm. Maka kita peroleh tegangan maksimumnya :

Bagian b)

Untuk membaca periode gelombang, kita cukup melihat dan membaca sumbu – x.

Contoh :

Jika sketsa di atas diatur ulang, waktu dasar diubah menjadi 10 milidetik/sekon. Maka tentukan frekuensi tegangan dan gambarkan.

 

Pembahasan :

Untuk menghitung frekuensi tegangan, cukup kita perhatikan sumbu – x saja.

 

SOAL INDUKSI EM – 1

Nama Sekolah     : 

Tahun Pelajaran  : 

Semester           : I(Satu)

Kelas                 : XII – MIPA  

Materi Ajar         : Induksi EM

Jumlah soal        : 25 soal

Hari/tanggal       :

Waktu                : 2 x 45 menit  

 

Pilihan Berganda

 

Soal : 1

Sepotong kawat penghantar dengan panjang 5 cm digerakkan dengan kecepatan 2 cm/s memotong tegak lurus medan magnet homogen yang induksi magnetnya 0,4 T sehingga besar ggl induksi yang terjadi pada kawat penghantar sebesar …

A.   4 x 10 ^{– 4} volt

B.   4 x 10 ^{– 3} volt

C.   4 x 10 ^{– 2} volt

D.  4 x 10 ^{– 1} volt

E.   4 volt

 

Soal : 2

Sepotong kawat memotong tegak lurus garis gaya magnet dari 6 x 10 ^{– 2} wb selama 0,02 sekon. Maka ggl induksi yang terjadi pada kawat sebesar …

A.   6,0 V         

B.   4,5 V         

C.   3,0 V

D. 1,5 V

E. 1,2 V

 

Soal : 3

Kawat AB dengan panjang 1,5 m diletakkan dalam medan magnetik 0,5T dengan arah masuk bidang seperti gambar berikut.

Ternyata diujung – ujung kawat timbul bedapotensial 6V dengan bedapotensial A lebih rendah dari potensial B. Besar dan arah kecepatan kawat AB adalah …

A.   8 m/s ke kanan

B.   8 m/s ke kiri

C.   4 m/s ke kanan

D.  4 m/s ke kiri

E.   2 m/s ke kanan

 

Soal : 4

Sebuah kumparan kawat terdiri atas 100 lilitan diletakkan dalam magnet. Apabila fluks magnetik yang melingkar berubah dari 2 x 10 ^{– 4} wb menjadi 5 x 10 ^{– 4} wb dalam selang waktu 10 s. Gaya gerak listrik induksi yang timbul sebesar …

A.   4 x 10 ^{– 5} V  

B.   4 x 10 ^{– 3} V  

C.   3 x 10 ^{– 3} V

D. 4 x 10 ^{– 2} V

E. 3 x 10 ^{– 2} V

 

Soal : 5

Kawat AB panjang 50 cm digerakkan tegak lurus sepanjang kawat PQ memotong medan magnetik homogen 0,04 T seperti gambar berikut.

Jika hambatan R = 0,02Ω dan kecepatan kawat v = 2 m/s. Besar dan arah induksi pada kawat AB adalah …

A.   20 A dari A ke B

B.   2 A dari A ke B

C.   2 A dari B ke A

D.  1 A dari A ke B

E.   1 A dari B ke A

 

Soal : 6

Perhatikan faktor – faktor berikut.

(1)   Jumlah lilitan kumparan

(2)   Laju perubahan fluks magnetik

(3)   Hambatan luar

 

Faktor – faktor yang mempengaruhi GGL induksi pada kumparan ditunjukkan oleh nomor …

A.   (1) dan (2)

B.   (1) dan (3)

C.   (2) dan (3)

D.  (1) saja

E.   (2) saja

 

Soal : 7

Kawat AB sepanjang 50 cm digerakkan ke kiri dengan kecepatan 10 m/s seperti gambar berikut.

Agar per sekon yang dipakai oleh hambatan R sebesar 2 W, maka besar induksi magnetik yang diperlukan adalah …

A.   0,1 tesla     

B.   0,5 tesla     

C.   1,0 tesla

D. 2,0 tesla

E. 4,0 tesla

Soal : 8

Sebuah kumparan terdiri atas 20 lilitan dengan luas 3 x 10 ^{– 2} m² dan berada dalam medan magnetik yang besarnya 6 x 10 ^{– 4} T. Jika medan magnetik berubah secara tetap hingga nol selama 0,01 s. Maka ggl induksi yang timbul adalah …

A.   3,6 x 10 ^{– 6} volt

B.   1,8 x 10 ^{– 4} volt

C.   1,0 x 10 ^{– 4} volt

D.  1,8 x 10 ^{– 3} volt

E.   3,6 x 10 ^{– 2} volt

Soal : 9

Suatu kawat melingkar dengan hambatan 3Ω diletakkan fluks magnetik yang berubah sebagai fungsi waktu Փ = (t + 3)², dengan t dalam s dan Փ dalam wb. Arus yang mengalir dalam kawat pada saat t = 3 s adalah …

A.   4 amper

B.   6 amper

C.   12 amper

D.  18 amper

E.   36 amper

Soal : 10

Rangkaian kawat ABCD dengan hambatan R terletak dalam medan magnetik yang kuat medannya B dan arahnya masuk bidang kertas seperti gambar berikut.

Jika kawat PQ dengan panjang L digerakkan ke kanan dengan kecepatan v. Maka gaya yang bekerja pada kawat PQ sebesar ….

Soal : 11

Kawat AB dalam medan magnet 0,5T digeser ke kanan dengan kecepatan 4 m/s seperti gambar berikut.

Jika panjang kawat AB adalah 50 cm. Maka besar GGL induksi yang terjadi pada kawat AB adalah …

A.   1,0 volt      

B.   2,0 volt      

C.   3,0 volt

D. 4,0 volt

E. 8,0 volt

Soal : 12

Kawat sepanjang L digerakkan dalam medan magnet homogen B dengan kecepatan v sehingga timbul GGL induksi ℰ. Jika kuat medan magnet dan kecepatan dijadikan dua kali. GGL induksi yang timbul sekarang adalah …

A.   8ℰ             

B.   4ℰ            

C.   2ℰ

D. ℰ

E. ¼ ℰ

Soal : 13

Fluks magnetik pada sebuah kumparan yang terdiri atas 50 lilitan berubah sebesar 6 x 10 ^{– 2} wb selama 0,2 s. Maka besar GGL induksi pada kawat tersebut adalah …

A.   60 volt       

B.   45 volt       

C.   30 volt

D. 15 volt

E. 7,5 volt

Soal : 14

Sebuah kumparan dengan radius 0,10 m dan terdiri atas 200 lilitan ditempatkan tegak lurus pada suatu medan magnetik homogen 0,2T. Jika dalam 0,1 s medan magnetik menjadi dua kali semula. GGL induksi rata – rata dalam kumparan …

A.   2ϖ volt       

B.   4ϖ volt       

C.   2ϖ² volt

D. 4ϖ² volt

E. nol

Soal : 15

Kuat arus sekunder dari transformator step – down …

A.   Selalu lebih kecil dari kuat arus primer.

B.   Selalu lebih besar dari kuat arus primer.

C.   Sama dengan kuat arus primer.

D.  Tidak terhitung pada kuat arus primer.

E.   Mungkin lebih besar atau lebih kecil dari kuat arus primer.

 

Soal : 16

Kumparan primer sebuah transformator mempunyai 5.000 lilitan digunakan untuk menurunkan tegangan 200V menjadi 50V. Banyaknya lilitan kumparan sekunder adalah …

A.   25.000       

B.   20.000      

C.   12.500

D. 10.000

E. 7.500

Soal : 17

Sebuah transformator pada bagian primernya dihubungkan pada tegangan 110V dan kuat arus 1A. Sedangkan bagian sekundernya menghasilkan daya 165W. Efisiensi transformator adalah …

A.   50%          

B.   65%          

C.   75%

D. 85%

E. 90%

Soal : 18

Perhatikan data pengukuran beberapa besaran pada transformator berikut.

Berdasarkan data pada tabel tersebut, nilai P dan Q berturut – turut adalah …

A.   P = 100V dan Q = 4A

B.   P = 100V dan Q = 6A

C.   P = 110V dan Q = 4A

D.  P = 110V dan Q = 2A

E.   P = 220V dan Q = 2A

Soal : 19

Perhatikan gambar berikut

Agar arah arus induksi pada hambatan R dari A ke B, maka magnet batang harus digerakkan …

A.   Mendekati kumparan

B.   Menjauhi kumparan

C.   Arah ke atas

D.  Arah ke bawah

E.   Diputar perlahan – lahan

Soal : 20

Sepotong kawat menembus medan magnet homogen secara tegak lurus dengan laju perubahan fluks magnetik 3 wb/s, maka perbandingan GGL induksi sebelum dan sesudah perubahan fluksnya adalah …

A.   1 : 2          

B.   1 : 4          

C.   2 : 1

D. 3 : 4

E. 4 : 1

Soal : 21

Tabel berikut berisi informasi besaran – besaran pada transformator ideal.

Berdasarkan info pada tabel, besar V_S pada transformator pertama dan I_S pada transformator kedua adalah …

A.   2V dan 1A

B.   2V dan 10A

C.   10V dan 1A

D.  20V dan 1A

E.   20V dan 2A

Soal : 22

Sebuah kumparan dengan N lilitan mengalami laju perubahan fluks magnetik d wb/s sehingga timbul GGL induksi sebesar 9d wb/s perbandingan GGL induksi sebelum dan sesudah diubah adalah …

A.   1 : 3          D. 9 : 1

B.   1 : 9          E. 9 : 2

C.   3 : 1

 

Soal : 23

Sebuah trafo memiliki kumparan primer dan sekunder dengan jumlah lilitan masing – masing 100 dan 300. Jika tegangan yang dihasilkan oleh kumparan sekunder adalah 60V, tegangan primer adalah …

A.   240 volt    

B.   180 volt    

C.   20 volt

D. 10 volt

E. 5 volt

 

Soal : 24

Sebuah transformator dengan efisiensi 80% mengeluarkan arus sebesar 4A pada kumparan. Jika N_P : N_S = 1 : 5. Maka besar arus pada kumparan primer adalah …

A.   30 A         

B.   25 A          

C.   10 A

D. 2 A

E. 1 A

Soal : 25

Arus sebesar 4 A dihasilkan oleh sebuah transformator dengan perbandingan lilitan primer dan sekunder 2 : 5. Besar arus yang diberikan adalah …

A.   10 A          

B.   5 A            

C.   2,5 A

D. 1,6 A

E. 0,8 A