Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9
48Korsleting dan Keselamatan Listrik
Setiap aturan keselamatan yang kamu pelajari berpangkal pada satu penjahat yang ditemui sekilas tahun lalu: korsleting. Bab ini mempelajarinya dengan sungguh-sungguh — bagaimana ia bermula, mengapa ia membakar, bagaimana sepotong kawat kurban yang bersahaja mengalahkannya — lalu mengubah kotak sekring keluarga dari lemari misterius menjadi sekutu yang kamu pahami.
48.1 Cara kerja sang penjahat
Proposisi 48.1 (Arus lebih menyukai jalan tanpa upaya)
Di antara dua jalan yang menghubungkan dua titik yang sama, arus yang berarak berdesak ke jalan yang lebih sedikit melawannya. Alat — lampu, motor, dan bel — semuanya melawan arak-arakannya selagi mereka bekerja; kawat tebal yang polos hampir sama sekali tidak melawannya. Tawarkan jalan pintas berupa kawat telanjang kepada arak-arakannya, dan ia meninggalkan jalan yang bekerja itu hampir seluruhnya demi jalan yang tanpa upaya.
Definisi 48.2 (Korsleting sebuah alat)
Sebuah alat mengalami korsleting bila sebuah jalan penghantar menghubungkan kedua kutubnya secara langsung, dengan melewatinya. Arak-arakannya meninggalkan alatnya — lampu yang terkorsleting menjadi gelap, motor berhenti — sementara sisa lingkarnya berjalan terus, kini dengan satu pekerja lebih sedikit yang melawan arak-arakannya.
Definisi 48.3 (Korsleting baterainya)
Perkara yang paling berat: sebuah jalan penghantar menghubungkan kedua kutub baterainya tanpa alat apa pun padanya. Sama sekali tidak ada yang melawan arak-arakannya, dan ia menjadi lari serempak — serbuan liarnya memanaskan kawatnya dan baterainya sendiri, merusak selnya, melelehkan isolasinya, dan, pada listrik rumah, membakar rumah.
Metode 48.4 (Sang penjahat, diperagakan dengan aman)
Dengan satu baterai dan dua bohlam secara seri (aman: dorongan baterainya mungil):
- nyalakan kedua bohlamnya — sama-sama redup, sebagaimana dijanjikan hukum serinya;
- kini sentuhkan sepotong kawat polos melintang pada kedua kutub bohlam 2, sehingga melewatinya;
- lihatlah: bohlam 2 mati seketika — ditinggalkan — sementara bohlam 1 melonjak lebih terang: dengan satu penentang yang terlewati, arak-arakan seluruh lingkarnya menguat;
- singkirkan kawatnya: arak-arakannya masuk kembali ke bohlam 2, dan keredupan yang sama pun kembali.
Satu percobaan, tiga pelajaran: aturan jalan pintasnya, alat yang ditinggalkan, dan serbuan yang menguat.
Contoh 48.5 (Mengapa kawatnya memanas)
Arus yang berarak selalu menghangatkan jalannya sedikit — nyala lampunya adalah penghangatan itu, yang dipekerjakan dengan sengaja di dalam sehelai benang yang dibangun untuk berpijar putih. Pada lari serempak, penghangatannya berubah menjadi ancaman: serbuan korsletingnya dapat memanaskan kawat tembaga melewati titik lebur selubung plastiknya dalam hitungan sekon. Cuplikan sebesar saku: baterai yang terkorsleting oleh sepotong kawat menjadi hangat di tanganmu — fisika yang sama yang, pada ukuran listrik rumah, menghanguskan dinding. (Bagaimana penghangatannya tumbuh bersama serbuannya diukur dengan jujur dua tahun lagi, pada bab daya listrik.)
48.2 Para pengawal
Definisi 48.6 (Sekring)
Sebuah sekring adalah pengawal yang mati untukmu: sepotong kawat yang sengaja dibuat tipis, terangkai seri dengan rangkaian yang dijaganya, dan dipilih supaya melebur — lalu memutus lingkarnya — ketika arusnya melampaui takarannya. Lari serempak yang akan menghanguskan bermeter-meter pemasangan kabel rumah justru memusnahkan tiga sentimeter kawat kurban di dalam selongsong tahan apinya. Sekring yang putus diganti — sesudah kerusakannya ditemukan — dengan yang baru bertakaran sama.
Contoh 48.7 (Pemutus arus dan sekring, dua pengawal satu tugas)
Pemutus arus zaman sekarang menjalankan tugas sekringnya tanpa mati: sebuah sakelar berpegas yang menjeplak terbuka pada serbuannya lalu dipasang ulang dengan sentilan — sesudah kerusakannya disembuhkan. Sekring atau pemutus arus, pos pengawalnya sama: secara seri, pada cabang yang dilindunginya, supaya lari serempaknya harus melewati pos pemeriksaannya. Pengawal yang terpasang paralel hanya akan menonton serbuannya menggelegar lewat di jalan yang lain — hiasan belaka.
Contoh 48.8 (Kelebihan beban: lari serempak yang sopan)
Tidak setiap serbuan yang berbahaya berupa korsleting. Sebuah stopkontak jamak yang memberi makan pemanas, cerek, dan pemanggang roti sekaligus meminta satu cabangnya membawa tiga arak-arakan penuh bersama — tiap perkakasnya tidak bersalah, tetapi jumlahnya adalah kelebihan beban yang menghangatkan kabel dindingnya seperti pemanggang roti yang lambat. Pemutus arusnya turun karena jumlahnya, dan memang sepatutnya. Aturan rumah: satu perkakas pembuat panas yang rakus tiap stopkontak; stopkontak jamaknya untuk lampu dan pengisi daya, bukan untuk dapur pribadi.
Catatan 48.9 (Perbaikan yang terlarang)
Cerita lamanya benar dan masih membunuh: sekring sebuah rumah tangga putus terus, lalu seseorang “memperbaikinya” dengan sebatang paku atau sekeping koin — penghantar kekar yang tidak akan pernah melebur. Gejalanya dibungkam; penyakitnya mengamuk terus. Lari serempak yang berikutnya tidak bertemu pos pemeriksaan mana pun, dan kawat rumahnya sendiri menjadi sekringnya — di dalam dindingnya. Jangan pernah melewati seorang pengawal: sekring yang putus terus adalah pengawal yang berkata benar terus.
Catatan 48.10 (Aturannya, dalam bentuk akhir)
Kitab hukum listrik keluarganya, dengan alasannya kini lengkap: jangan pernah menjembatani kutub sebuah baterai, dan jauhkan kunci pas dari aki mobil (korsleting baterai di dalam logam adalah busur las); satu perkakas yang rakus panas tiap stopkontak (kelebihan beban); kabel yang rusak dipensiunkan (selubung yang berjumbai adalah korsleting yang sedang berlatih); air dan listrik rumah dipisahkan, tangan selalu kering (tubuhmu tidak boleh menjadi jalan pintasnya); pengawalnya dihormati — hanya sekring yang cocok, kerusakannya ditemukan sebelum dipasang ulang; dan stopkontaknya sendiri, untuk selamanya, bukan untuk jari atau percobaan.
48.3 Latihan
Latihan 48.1 ★
Nyatakan proposisi jalan tanpa upayanya. Mengapa kawat telanjang memenangkan arak-arakannya dari sebuah lampu?
Solusi
Solusi Latihan 48.1.
Di antara dua jalan yang menghubungkan titik yang sama, arusnya berdesak ke jalan yang lebih sedikit melawannya. Lampu yang bekerja melawan arak-arakannya; kawat tebal yang telanjang nyaris tidak — sehingga arak-arakannya meninggalkan lampunya demi kawatnya.
Latihan 48.2 ★
Bedakan korsleting sebuah alat dari korsleting baterainya. Yang mana yang lebih berat, dan mengapa?
Solusi
Solusi Latihan 48.2.
Korsleting alat: sebuah jalan pintas yang melintang pada satu alat — alatnya berhenti bekerja sementara lingkarnya berjalan terus. Korsleting baterai: sebuah jalan telanjang yang menghubungkan kutub milik baterainya sendiri tanpa alat sama sekali — inilah perkara yang lebih berat: tidak ada yang melawan arak-arakannya, dan lari serempaknya memanaskan kawat dan baterainya menuju kerusakan dan kebakaran.
Latihan 48.3 ★
Pada peragaan yang aman itu, mengapa bohlam 2 mati — dan mengapa bohlam 1 menjadi lebih terang pada saat yang sama?
Solusi
Solusi Latihan 48.3.
Jalan pintasnya mencuri seluruh arak-arakan bohlam 2 — karena ditinggalkan, ia menjadi gelap. Dengan satu penentang yang terlewati, seluruh lingkarnya lebih sedikit melawan baterainya, arak-arakannya menguat, dan bohlam 1 — yang kini membawa arus yang lebih kuat sendirian — menjadi lebih terang.
Latihan 48.4 ★
Mengapa korsleting memanaskan kawatnya? Alat sehari-hari apa yang memakai penghangatan yang sama dengan sengaja?
Solusi
Solusi Latihan 48.4.
Arus yang berarak selalu menghangatkan jalannya, dan lari serempak menghangatkannya dengan garang. Lampunya memakai penghangatan itu dengan sengaja: benangnya dibangun untuk berpijar putih lalu bersinar.
Latihan 48.5 ★
Apa itu sekring, dan apa yang dikurbankannya? Mengapa ia harus duduk secara seri dengan apa yang dijaganya?
Solusi
Solusi Latihan 48.5.
Sepotong kawat kurban yang sengaja dibuat tipis dan melebur — sehingga memutus lingkarnya — ketika arusnya melampaui takarannya; ia mengurbankan dirinya sendiri. Terangkai seri, karena lari serempaknya harus dipaksa menembus pos pemeriksaannya: pengawal yang paralel hanya akan menontonnya lewat.
Latihan 48.6 ★
Bagaimana pemutus arus menyempurnakan sekringnya? Apa yang harus terjadi sebelum salah satu pengawalnya dipasang ulang atau diganti?
Solusi
Solusi Latihan 48.6.
Pemutus arusnya menjeplak terbuka alih-alih melebur, lalu dipasang ulang dengan sentilan — tanpa suku cadang. Sebelum pemasangan ulang atau penggantian apa pun, kerusakannya harus ditemukan lalu disembuhkan: pengawalnya turun karena sebuah alasan.
Latihan 48.7 ★
Sebuah pemanas, cerek, dan pemanggang roti berbagi satu stopkontak jamak. Tidak ada kawat yang telanjang, tidak ada alat yang rusak — tetapi pemutus arusnya turun. Sebutkan peristiwanya lalu jelaskan keluhan cabangnya.
Solusi
Solusi Latihan 48.7.
Sebuah kelebihan beban: tiga perkakas yang tidak bersalah meminta satu cabang membawa ketiga arak-arakan penuh mereka sekaligus, dan serbuan yang terjumlah itu menghangatkan pemasangan kabelnya. Pemutus arusnya turun karena jumlahnya — dengan benar.
Latihan 48.8 ★
Mengapa “memperbaiki” sekring dengan sebatang paku termasuk perbuatan yang paling berbahaya di dalam sebuah rumah? Apa yang menjadi sekringnya sesudah itu?
Solusi
Solusi Latihan 48.8.
Sebatang paku tidak pernah melebur: ia membungkam pengawalnya sementara penyakitnya mengamuk. Lari serempak yang berikutnya tidak bertemu pos pemeriksaan, dan kabel dinding rumahnya sendirilah yang menjadi sekringnya — menghangus di tempat yang tidak dapat dilihat siapa pun.
Latihan 48.9 ★★
Kedua kawat dalam sebuah kabel, dengan selubungnya yang berjumbai, saling bersentuhan di dalam kabelnya — di hulu lampu yang diberinya makan. Buatlah diagnosisnya: korsleting jenis yang mana, apa yang terjadi pada lampunya, dan apa yang dilakukan pengawal cabangnya?
Solusi
Solusi Latihan 48.9.
Sebuah korsleting di hulu alatnya — pada dasarnya korsleting yang melintang pada sumbernya sebagaimana terlihat dari kabel itu. Lampunya mati (ditinggalkan), lari serempaknya menyerbu menembus persentuhan yang berjumbai itu lalu memanaskan kabelnya — dan pengawal cabangnya, sekring atau pemutus arus, memutus cabangnya. Pemutusan itu adalah sistemnya yang sedang bekerja.
Latihan 48.10 ★★
Pada peragaan berbohlam dua itu, ramalkan apa yang terjadi kalau kawat pintasnya justru dibaringkan melintang pada kedua bohlamnya sekaligus — dari sebelum bohlam 1 sampai sesudah bohlam 2. Batasan yang mana yang kini berlaku, dan mengapa pelaku percobaannya tidak boleh mencobanya?
Solusi
Solusi Latihan 48.10.
Kalau dibaringkan melintang pada kedua bohlamnya, kawatnya menghubungkan — lewat kawat polos dan kabel baterainya — kedua kutub milik baterainya sendiri tanpa alat apa pun pada jalan pintasnya: itulah korsleting baterainya. Kedua bohlamnya mati dan lari serempaknya memanaskan kawat dan baterainya; bahkan pada ukuran mainan pun ia merusak selnya lalu menghangatkan jari, sehingga ia diperagakan dengan kata-kata, bukan dengan perbuatan.
Latihan 48.11 ★★
Misteri pagi hari raya: untaian lampu peri seri milik nenek mempunyai satu bohlam yang kawat penyangga dalamnya melebur menyatu ketika mati — sehingga mengorsletingkan dirinya sendiri. Berlawanan dengan tragedi yang biasa, sisa untaiannya tetap bersinar, sedikit lebih terang. Jelaskan — lalu katakan apa yang kini sedang perlahan-lahan disiapkan bagi bohlam yang tersisa.
Solusi
Solusi Latihan 48.11.
Kawat penyangga bohlam yang sedang mati itu, yang melebur menyatu, menjadi jalan pintas bawaan: lingkarnya tetap tertutup menembus korsleting bohlam yang mati itu, sehingga untaiannya selamat melewati kehilangannya — satu penentang lebih sedikit, jadi sedikit lebih terang. Tetapi tiap kematian seperti itu menguatkan arak-arakan yang menembus bohlam yang selamat, sehingga menyegerakan kegagalan berikutnya: untaiannya dengan sopan sedang menyiapkan runtuhannya sendiri.
Latihan 48.12 ★★★
Rancanglah rencana perlindungan sebuah bengkel kecil: tiga cabang paralel (lampu; perkakas bertenaga listrik; sebuah pengisi aki), satu sumber. Tempatkan pengawal dan sakelarnya; pilihlah cabang mana yang layak mendapat pengawalnya sendiri dan mengapa; lalu tulislah pengumuman dua baris di atas laci sekringnya yang meringkas Catatan 48.9.
Solusi
Solusi Latihan 48.12.
Satu pengawal utama dan sakelar induk pada jalan bersamanya; lalu tiap cabang — lampu, perkakas, pengisi aki — dengan sakelarnya sendiri dan pengawalnya sendiri yang berukuran sesuai cabangnya (cabang perkakasnya membawa arak-arakan yang terberat lalu berhak atas pemutus arus yang paling kekar; cabang tipis pengisi akinya menghendaki sekring yang paling halus, karena ia akan menghangus pada arus yang diabaikan pengawal utamanya). Pengumuman di atas lacinya, misalnya: “Sekring yang putus sedang berkata benar — carilah kerusakannya. Gantilah yang sama dengan yang sama; kertas timah dan paku tidak menjaga apa pun kecuali jalan bagi apinya.”
48.4 Soal: Laporan Penyelidik Kebakaran
Soal 48.1
Soal akhir pekan — sesudah kebakaran apartemennya; penyelidiknya membaca pengakuan pemasangan kabelnya; tiga kerusakan, satu pelajaran
Tidak ada yang terluka — keluarganya sedang pergi — tetapi dinding dapurnya hangus, dan penyelidiknya harus menyusun ulang malam itu dari buktinya. Kamu membawa buku catatannya.
Bagian I — Membaca puingnya.
- Barang bukti satu: sebuah stopkontak jamak yang memberi makan sebuah pemanas, sebuah cerek, dan sebuah penggoreng dalam, dengan plastiknya separuh meleleh. Tidak ada kawat telanjang di mana pun padanya. Sebutkan kerusakan yang disarankan barang bukti ini, dan mengapa tidak diperlukan “kawat penjahat” apa pun untuknya.
- Barang bukti dua: sebuah kabel di balik lemari, yang digigiti seekor binatang peliharaan, dengan kedua penghantarnya bersentuhan pada bekas gigitannya. Sebutkan kerusakan ini, lalu nyatakan ke mana arak-arakannya pergi sejak saat persentuhannya.
- Barang bukti tiga, yang memberatkan: di dalam kotak sekringnya, selongsong sekring cabang dapurnya memuat — segulung kerat kertas timah dapur. Nyatakan apa yang dilakukan “perbaikan” ini terhadap perlindungan cabangnya.
- Susunlah ketiga barang buktinya menjadi cerita yang masuk akal: kerusakan mana yang datang lebih dahulu, apa yang dilakukan sekring yang sejati terhadapnya (sebelum barang bukti tiga), dan mengapa malam yang terakhir berakhir dengan kebakaran alih-alih dengan dapur yang gelap?
Bagian II — Kesaksian fisikanya.
- Pengadilannya bertanya: mengapa kawat yang terkorsleting atau kelebihan beban memanas? Sebutkan alat sehari-hari yang membuktikan bahwa penghangatan oleh arus dapat dijinakkan — lalu apa yang tidak ada di sini.
- Mengapa sekring sengaja dibuat tipis? Jelaskan ungkapan “pengawal yang mati untukmu”.
- Kerat kertas timahnya menghantar dengan hebat. Justru karena itulah ia gagal sebagai pengawal. Pecahkan paradoks kecil itu untuk juri.
- Pemanasnya sendirian bertakaran aman, cereknya sendirian aman, penggorengnya sendirian aman. Tulislah satu kalimat tentang bagaimana tiga keamanan terjumlah menjadi satu bahaya.
Bagian III — Putusan dan pelajarannya.
- Penyelidiknya harus mengurutkan ketiga kerusakannya menurut bobot moralnya: kelebihan bebannya, kabel yang digigitnya, kertas timahnya. Yang mana yang mengubah kemalangan menjadi malapetaka, dan mengapa?
- Keluarganya bertanya apa yang akan terjadi pada malam kebakarannya seandainya sekring yang sepatutnya terpasang. Tuntunlah mereka melewatinya, menit demi menit.
- Sarankan pemasangan kabel ulangnya: bagaimana seharusnya pemanas, cerek, dan penggorengnya diberi makan sekarang, dan aturan tetap apa yang mengatur masa depan stopkontak jamaknya?
- Tutuplah laporannya dengan ringkasan tiga kalimat milik penyelidiknya: cara kerja sang penjahat, tugas sang pengawal, dan satu perbaikan yang tidak boleh pernah dikarang mendadak.
Solusi
Solusi Soal 48.1.
1. Sebuah kelebihan beban: tiga perkakas yang rakus panas menjumlahkan arak-arakan jujur mereka pada satu cabang — tanpa perlu kawat telanjang; jumlahnya saja menghangatkan kabelnya melewati batas aman. 2. Sebuah korsleting pada bekas gigitannya: sejak saat itu arak-arakannya meninggalkan lampu di seberangnya lalu berlari serempak menembus penghantar yang bersentuhan, sehingga memanaskan kabelnya. 3. Ia menghapuskannya: kertas timah menghantar lari serempak mana pun tanpa melebur — cabangnya berdiri tanpa pengawal. 4. Ceritanya yang masuk akal: kelebihan bebannya datang lebih dahulu, dan sekring yang sejati putus — dengan jujur — mungkin lebih daripada sekali; seseorang “menyembuhkan” gangguannya dengan kertas timah (barang bukti tiga); ketika korsleting kabel yang digigit itu akhirnya menyerang, tidak ada pengawal yang tersisa, dan lari serempaknya memanaskan kabel dindingnya menjadi kebakaran alih-alih mati pada sekring yang putus di dalam gelap. 5. Arus selalu menghangatkan jalannya; makin keras serbuannya, makin garang penghangatannya. Lampunya membuktikan bahwa penghangatan dapat dijinakkan — benangnya dirancang untuk panas putih di dalam bohlam yang aman. Yang tidak ada di sini: tempat yang dirancang bagi panasnya untuk berdiam, dan pengawal mana pun untuk menghentikannya. 6. Sengaja dibuat tipis supaya ia, di antara semua kawat rangkaiannya, meleburnya paling dahulu: pengawalnya menerima penghangatan yang mematikan itu pada tiga sentimeternya sendiri — mati supaya bermeter-meter kawat di dalam dindingnya tidak. 7. Seorang pengawal harus gagal pada saat yang tepat: keutamaannya adalah kelemahan yang dirancang. Keunggulan kertas timahnya sebagai penghantar justru merupakan penyuapan atas pos pemeriksaannya — perjalanan yang sempurna, tanpa perlindungan. 8. Keamanan tidak menjumlah seperti kesopanan: tiga arak-arakan yang sah pada satu jalan terjumlah menjadi satu serbuan yang tidak sah — cabangnya menaati hitungan, bukan niat. 9. Kertas timahnya. Kelebihan beban dan kabel yang digigit adalah kemalangan yang memang dapat dilalui sistemnya — pengawal justru ada untuk itu; membungkam pengawalnya mengubah kerusakan yang dapat dilalui menjadi malapetaka. 10. Dengan sekring yang sejati: korsleting kabelnya menyerang, serbuannya melonjak, sekringnya melebur dalam sekejap — dapurnya menjadi gelap, keluarganya pulang menemukan sekring yang putus dan kabel yang digigit, menggerutu, memperbaiki keduanya, lalu tidak pernah tahu betapa buruk hampir jadinya malam itu. 11. Tiap pembuat panas ke stopkontak dindingnya sendiri pada cabangnya sendiri yang cukup dijaga; stopkontak jamaknya dikembalikan hanya untuk lampu dan pengisi daya, di bawah aturan tetap: satu perkakas yang rakus tiap stopkontak, dan tidak ada stopkontak berderet yang pernah memberi makan pemanas. 12. Misalnya: “Cara kerja sang penjahat adalah jalan tanpa upaya: tawarkan jalan pintas kepada arak-arakannya dan ia akan mengambilnya, sambil memanas selagi menyerbu. Tugas sang pengawal adalah berdiri secara seri lalu gagal paling dahulu, dengan jujur dan dengan murah. Dan tidak ada rumah tangga yang boleh mengarang seorang pengawal mendadak: sekring diganti dengan sekring — yang sama dengan yang sama — atau dindingnya sendiri yang suatu hari akan melakukan peleburannya.”