Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

55Kuat Arus dan Amperemeter

“Arus kuat, arus lemah” — kita sudah bertahun-tahun berbicara seperti ini, sambil menakar terang dan cengkeraman menurut perasaan. Perasaan dipensiunkan hari ini. Kekuatan arusnya mendapat sebuah nama, sebuah satuan, dan sebuah alat; dan hal pertama yang dibuktikan alatnya adalah sebuah hukum yang sudah lama kamu curigai tetapi tidak pernah sekali pun kamu ukur.

55.1 Kuat arus dan satuannya

Definisi 55.1 (Kuat arus)

Kuat arus $I$ sebuah arus listrik mengukur seberapa kuat arak-arakannya: berapa banyak muatan listrik yang berarak melewati sebuah titik rangkaiannya tiap sekon — laju aliran arusnya, sebagaimana laju sebuah sungai berupa air-tiap-sekon. Satuannya adalah ampere ( $\mathrm{A}$ ), yang menghormati seorang perintis besar hukum kelistrikan; rangkaian sehari-hari sering berbicara dalam miliampere: $1\,\mathrm{mA} = 0.001\,\mathrm{A}$ , seperseribu.

Contoh 55.2 (Ampere yang patut dikenali sekilas)

Sebuah lampu penunjuk kecil menyeruput kira-kira $0.02\,\mathrm{A}$ — $20\,\mathrm{mA}$ ; sebuah bohlam senter, sekitar $0.3\,\mathrm{A}$ ; lampu besar pada lampu depan mobil, $5\,\mathrm{A}$ ; sebuah cerek yang meraung penuh, $10\,\mathrm{A}$ ; mesin mobil yang sedang dinyalakan meneguk $100\,\mathrm{A}$ dari akinya; sebuah sambaran petir, selama semilisekonnya, menghantam puluhan ribu ampere menuruni salurannya. Dan skala bahayanya membuat kita sadar: arus beberapa perseratus ampere yang menyeberangi tubuh manusia sudah dapat mematikan — rasa hormat mulai jauh di bawah satu ampere.

Catatan 55.3 (Orangnya dan satuannya)

Kalau ditulis lengkap, satuannya berhuruf kecil — “arus sebesar dua ampere” — sedangkan kata yang berhuruf besar menamai orangnya, seperti pada setiap satuan yang menghormati seorang ilmuwan. Lambang $\mathrm{A}$ tetap huruf besar. Kamu akan bertemu perjanjian ini lagi sebentar lagi, dua kali.

55.2 Amperemeternya

Definisi 55.4 (Amperemeter)

Sebuah amperemeter mengukur kuat arus. Ia menghitung arak-arakan yang lewat menembus dirinya sendiri — sehingga ia harus disisipkan secara seri, ke dalam lingkar yang diukurnya itu sendiri, seperti gardu tol di sebuah jalan. Karena dibangun untuk seminimal mungkin mengganggu arak-arakannya, ia hampir sama sekali tidak melawan arusnya — dan itu pula sebabnya amperemeter yang salah dihubungkan langsung melintang pada sebuah baterai adalah korsleting berpapan ukur: cara klasik untuk merusak sebuah amperemeter.

Metode 55.5 (Mengukur sebuah kuat arus)

matikan rangkaiannya; putuslah lingkarnya di tempat arusnya hendak dihitung;
sisipkan amperemeternya ke dalam celahnya: arus masuk lewat kutub $\mathrm{A}$ -nya, keluar lewat kutub bersama-nya, supaya arah perjanjiannya memasuki pintu depan alatnya;
pada alat berjangkauan banyak, mulailah pada jangkauan yang terbesar, lalu turunlah setingkat demi setingkat sampai bacaannya duduk dengan nyaman pada papannya — sehingga alatnya terlindung dari kejutan;
tutuplah sakelarnya, bacalah — lalu tulislah satuannya.

Sambungan yang terbalik pada alat berjarum menghantamkan jarumnya ke penahannya; alat digital sekadar menunjukkan tanda minus, sehingga memaafkan para murid tiap hari.

Amperemeternya mengambil tempatnya di dalam lingkarnya: sebuah gardu tol yang terangkai seri, yang menghitung arak-arakan yang menyalakan lampunya.

Kenyataan di meja kerja: satu alat, dua penjolok, dan arus rangkaiannya pun menjadi sebuah bilangan pada layarnya.

55.3 Hukum terukur yang pertama

Proposisi 55.6 (Satu lingkar, satu kuat arus)

Pada rangkaian seri, kuat arusnya sama pada setiap titik lingkarnya. Pindahkan amperemeternya ke mana pun — sebelum lampunya, sesudahnya, di samping baterainya: bacaannya tidak berubah. Apa yang disarankan lima tahun bohlam yang sama terangnya, kini dinyatakan alatnya dalam bilangan: tidak ada yang terpakai habis di tengah jalan; satu jalan, satu arak-arakan, satu $I$ .

Tiga gardu tol pada satu lingkar: sebelum, di antara, dan sesudah lampunya, setiap amperemeter melaporkan 0.30\, A yang sama. — Tiga gardu tol pada satu lingkar: sebelum, di antara, dan sesudah lampunya, setiap amperemeter melaporkan $0.30\,\mathrm{A}$ yang sama.

Contoh 55.7 (Membaca cetakan halus hukumnya)

Hukumnya berkata di sepanjang satu lingkar, bukan apa pun yang kamu lakukan terhadap lingkarnya. Tambahkan lampu kedua secara seri dan arak-arakannya melemah di mana-mana sekaligus — mungkin $0.30\,\mathrm{A}$ turun menjadi $0.17\,\mathrm{A}$ — tetapi ia melemah dengan sama di mana-mana: ketiga gardu tolnya sepakat pula tentang bilangan yang baru. Satu lingkar, satu kuat arus — berapa pun kuat arus itu saat ini.

Contoh 55.8 (Sekilas pandang ke percabangannya)

Pasanglah gardu tol pada sepasang cabang paralel: jalan utamanya $0.50\,\mathrm{A}$ ; cabang satu $0.30\,\mathrm{A}$ ; cabang dua $0.20\,\mathrm{A}$ . Jumlahnya yang mengisyaratkan sesuatu itu bukan kebetulan — arak-arakan yang masuk ke sebuah percabangan dan yang keluar darinya harus seimbang, karena muatan tidak diciptakan dan tidak dimusnahkan pada sebuah cabang jalan. Hukum penuhnya, beserta pasangannya untuk tegangan, bersidang pada bab sesudah yang berikutnya; alat ukurmu sudah bertemu dengannya.

Catatan 55.9 (Multimeternya)

Batu bata kuning milik bengkelnya — multimeter — melipat amperemeter dan beberapa alat lain menjadi satu kotak dengan sebuah papan pemilih. Papannya pada $\mathrm{A}$ atau $\mathrm{mA}$ , kabelnya pada lubang yang bertanda, dan ia pun menjadi amperemetermu, lengkap dengan aturan serinya. Dua bab buku ini sudah berdiam di dalamnya; yang ketiga pindah masuk pada bab berikutnya — dengan, awas, aturan pemasangan kabel yang berlawanan.

55.4 Latihan

Latihan 55.1 ★

Apa yang diukur kuat arus, dalam bahasa sungai? Berikan satuan dan lambangnya, lalu ubahlah $250\,\mathrm{mA}$ menjadi ampere.

Solusi

Solusi Latihan 55.1.

Laju aliran arusnya — muatan yang lewat tiap sekon, sebagaimana sebuah sungai menghitung air tiap sekon. Satuannya: ampere, $\mathrm{A}$ ; $250\,\mathrm{mA} = 0.25\,\mathrm{A}$ .

Latihan 55.2 ★

Pasangkan kuat arusnya dengan adegannya: $0.02\,\mathrm{A}$ ; $0.3\,\mathrm{A}$ ; $10\,\mathrm{A}$ ; $100\,\mathrm{A}$ — cerek, lampu penunjuk, mesin yang sedang dinyalakan, bohlam senter.

Solusi

Solusi Latihan 55.2.

$0.02\,\mathrm{A}$ : lampu penunjuk. $0.3\,\mathrm{A}$ : bohlam senter. $10\,\mathrm{A}$ : cerek. $100\,\mathrm{A}$ : mesin yang sedang dinyalakan.

Latihan 55.3 ★

Mengapa sebuah amperemeter harus disisipkan secara seri? Apa yang dibangun padanya supaya hampir sama sekali tidak dilawannya, dan kecelakaan apa yang dimungkinkan hal itu?

Solusi

Solusi Latihan 55.3.

Ia hanya menghitung arak-arakan yang lewat menembus dirinya sendiri, sehingga ia harus berdiri di tengah jalan — terangkai seri. Ia hampir sama sekali tidak melawan arusnya; kalau dipasang langsung melintang pada sebuah baterai ia karena itu menjadi korsleting berpapan ukur.

Latihan 55.4 ★

Sebutkan keempat langkah pengukuran kuat arus yang sepatutnya. Mengapa mulai pada jangkauan yang terbesar?

Solusi

Solusi Latihan 55.4.

Matikan lalu putuslah lingkarnya; sisipkan alatnya dengan arus yang masuk lewat kutub $\mathrm{A}$ dan keluar lewat kutub bersamanya; mulailah pada jangkauan yang terbesar lalu turunlah; nyalakan, bacalah, tulislah satuannya. Jangkauan terbesar lebih dahulu, supaya arus yang tak terduga kuatnya bertemu setelan yang paling kekar alih-alih merusak yang halus.

Latihan 55.5 ★

Nyatakan hukum satu-lingkar-satu-kuat-arusnya. Pengamatan lama tentang terang yang sama yang mana yang diubahnya menjadi bilangan?

Solusi

Solusi Latihan 55.5.

Pada rangkaian seri kuat arusnya sama pada setiap titik lingkarnya. Ia mengubah menjadi bilangan pengamatan lama bahwa dua bohlam seri yang serupa menyala persis sama terangnya, di mana pun mereka duduk.

Latihan 55.6 ★

Sebuah amperemeter sebelum sebuah motor seri membaca $0.45\,\mathrm{A}$ . Berapa yang akan dibacanya sesudah motornya? Dan di samping baterainya?

Solusi

Solusi Latihan 55.6.

$0.45\,\mathrm{A}$ , dan $0.45\,\mathrm{A}$ : satu lingkar, satu kuat arus.

Latihan 55.7 ★

Sebuah lampu kedua bergabung ke sebuah lingkar seri dan $0.30\,\mathrm{A}$ milik amperemeternya menjadi $0.17\,\mathrm{A}$ . Apakah hukumnya gagal? Jelaskan cetakan halusnya.

Solusi

Solusi Latihan 55.7.

Tidak. Hukumnya menjanjikan satu nilai mengelilingi lingkarnya pada saat tertentu, bukan nilai yang sama sesudah lingkarnya dibangun ulang. Lampu keduanya melemahkan arak-arakannya — sama rata di mana-mana: semua gardu tolnya kini sepakat pada $0.17\,\mathrm{A}$ .

Latihan 55.8 ★

Sebuah amperemeter digital membaca $-0.25$ $\mathrm{A}$ . Apa yang telah dilakukan muridnya, dan seberapa berat itu?

Solusi

Solusi Latihan 55.8.

Memasang alatnya terbalik — arus masuk lewat kutub bersamanya. Pada alat digital, tidak berbahaya: tanda minusnya adalah seluruh hukumannya (alat berjarum akan menghantam penahannya).

Latihan 55.9 ★★

Jalan utamanya $0.60\,\mathrm{A}$ ; cabang satu $0.35\,\mathrm{A}$ . Berapa yang dibawa cabang dua, dan menurut penalaran yang mana? Berapa yang dibaca gardu tol pada percabangan yang kedua?

Solusi

Solusi Latihan 55.9.

$0.60 - 0.35 = 0.25\,\mathrm{A}$ — percabangannya harus seimbang: apa yang mengalir masuk mengalir keluar. Gardu tol pada percabangan yang kedua membaca $0.60\,\mathrm{A}$ yang bersatu kembali.

Latihan 55.10 ★★

Seorang murid memasang amperemeternya secara paralel dengan lampunya “untuk membandingkan keduanya”. Ramalkan kedua akibatnya — bagi lampunya, dan bagi alatnya — lalu sebutkan penjahat yang tanpa sengaja dibangun muridnya.

Solusi

Solusi Latihan 55.10.

Ketika terpasang paralel, alatnya yang hampir tanpa upaya menjadi sebuah jalan pintas: lampunya, karena ditinggalkan, meredup sampai tiada, sementara alatnya membawa arus yang menyerbu yang dibatasi oleh hampir tidak ada — sebuah korsleting menembus alatnya, yang memutuskan sekring di dalamnya kalau nasibnya baik. Muridnya membangun penjahat bab keselamatannya.

Latihan 55.11 ★★

Dua bohlam serupa yang terpasang paralel masing-masing membawa $0.30\,\mathrm{A}$ . Berapa yang dibawa jalan utama baterainya? Sebuah bohlam ketiga yang serupa bergabung secara paralel: ramalkan beban baru jalan utamanya, lalu sebutkan apa yang terkuras lebih cepat.

Solusi

Solusi Latihan 55.11.

Jalan utamanya membawa jumlahnya: $0.60\,\mathrm{A}$ . Cabang ketiga yang serupa membawanya ke $0.90\,\mathrm{A}$ — dan baterainya, yang melayani tiga arak-arakan penuh, terkuras paling cepat di antara semuanya.

Latihan 55.12 ★★★

Rancanglah rencana pengukuran yang lengkap bagi sebuah rangkaian paralel bercabang dua (lampu dan motor): berapa banyak kedudukan amperemeter yang diperlukan untuk mengetahui setiap arus di dalam rangkaiannya; berapa jumlah pengukuran terkecil yang mencukupi (satu di antaranya dapat disimpulkan — menurut keseimbangan yang mana?); dan urutan pengerjaan yang tidak pernah meninggalkan sebuah alat terpasang secara berbahaya.

Solusi

Solusi Latihan 55.12.

Arus yang harus diketahui: $I$ jalan utamanya, dan arus tiap cabangnya ( $I_1$ , $I_2$ ) — tiga seluruhnya (ruas lingkar di luar percabangannya mengulangi ketiganya). Dua pengukuran mencukupi: ukurlah dua yang mana pun, dan keseimbangan percabangan $I = I_1 + I_2$ menyerahkan yang ketiga. Urutan yang aman: rangkaiannya dimatikan; sisipkan alatnya ke jalan yang dipilih; jangkauan terbesar; nyalakan; baca; matikan sebelum memindahkan alatnya — dan alatnya tidak pernah, pada langkah mana pun, menjembatani dua titik pada jalan yang berbeda.

55.5 Soal: Meja Metrologi

Soal 55.1

Soal akhir pekan — hari kelulusan di bengkel elektronika; empat pos, satu amperemeter tiap pos; surat izin sang murid

Untuk memperoleh hak memakai bengkelnya, tiap murid berkeliling empat pos pengukuran. Bawalah babnya.

Bagian I — Pos satu: lingkar yang sederhana. Baterai, sakelar, satu lampu.

Gambarkan, langkah demi langkah, penyisipan amperemeternya untuk mengukur arus lampunya.
Bacaannya: $280\,\mathrm{mA}$ . Nyatakan dalam ampere.
Pengujinya memindahkan alatmu ke sisi baterainya yang lain. Ramalkan bacaannya, sambil menyebut hukumnya.
“Dan kalau aku punya dua amperemeter di dalam lingkar ini sekaligus?” Di mana keduanya boleh duduk, dan apa yang akan ditunjukkannya?

Bagian II — Pos dua: pasangan seri. Dua lampu yang berbeda, A lebih terang daripada B, terangkai seri.

Seorang murid meramalkan: “A yang lebih terang membawa arus lebih banyak daripada B yang redup.” Ujilah ramalannya dengan hukumnya — lalu rukunkan arus yang sama itu dengan terang yang tidak sama (apa yang harus berbeda di antara lampunya?).
Alatnya membaca $150\,\mathrm{mA}$ di antara A dan B. Tuliskan setiap arus lain di dalam lingkarnya.
Lampu B dikorsletingkan oleh sepotong kabel berjepit. Ramalkan bacaan yang baru dan perilaku kedua lampunya.
Pengujinya meminta satu kalimat tentang mengapa bengkelnya melarang kabel berjepit melintang pada baterainya sementara mengizinkan peragaan yang melintang pada B.

Bagian III — Pos tiga: percabangannya. Sebuah cabang lampu dan sebuah cabang motor terpasang paralel.

Jalan utamanya: $0.52\,\mathrm{A}$ ; cabang lampunya: $0.30\,\mathrm{A}$ . Berapa arus cabang motornya, menurut keseimbangannya?
Motornya macet (masih terhubung, tidak berputar) dan cabangnya memanjat ke $0.40\,\mathrm{A}$ . Dengan menganggap cabang lampunya menjaga $0.30\,\mathrm{A}$ -nya, berapa yang dibawa jalan utamanya sekarang — dan pengawal bengkel yang mana yang sedang mendengarkan?
Lampunya dilepas dari fittingnya. Ramalkan ketiga bacaan gardu tolnya.
Mengapa baterainya terkuras paling cepat ketika kedua cabangnya sehat — di mana kemurahan hatinya dibayar?

Bagian IV — Surat izinnya.

Tulislah janji sang murid: tiga baris — di mana sebuah amperemeter berada dan tidak pernah boleh berada; apa yang dijamin satu lingkar; apa yang diseimbangkan sebuah percabangan.

Solusi

Solusi Soal 55.1.

1. Matikan; putuskan lingkarnya di antara lampu dan baterainya; sisipkan amperemeternya, arus masuk lewat $\mathrm{A}$ , keluar lewat kutub bersamanya; jangkauan terbesar, lalu turun; nyalakan; baca; tulis satuannya. 2. $0.28\,\mathrm{A}$ . 3. $280\,\mathrm{mA}$ lagi — satu lingkar, satu kuat arus: gardu tolnya menghitung arak-arakan yang sama di kedua sisinya. 4. Di mana pun pada lingkarnya — keduanya terangkai seri, pada kedudukan mana pun: keduanya menunjukkan $280\,\mathrm{mA}$ . 5. Hukumnya menolak ramalannya: lampu seri membawa arus yang sama persis. Perbedaannya terletak pada lampunya sendiri — bangunan yang tidak sama mengubah arak-arakan yang sama menjadi cahaya yang tidak sama (bab berikutnya menamai apa yang berbeda). 6. Setiap titik lingkarnya: $150\,\mathrm{mA}$ — sebelum A, sesudah B, dan di samping baterainya. 7. B mati (ditinggalkan oleh jalan pintasnya) dan lingkarnya, yang telah kehilangan satu penentang, membawa arak-arakan yang lebih kuat: alatnya memanjat — dan lampu A menjadi lebih terang sesuai dengan itu. 8. “Melintang pada B jalan pintasnya masih meninggalkan lampu A yang menjaga lingkarnya; melintang pada baterainya ia sama sekali tidak meninggalkan apa pun — dan arak-arakan yang tak terjaga adalah bab kebakaran, bukan sebuah peragaan.” 9. $0.52 - 0.30 = 0.22\,\mathrm{A}$ . 10. $0.40 + 0.30 = 0.70\,\mathrm{A}$ — dan sekring cabang (atau pemutus arus) yang menjaga jalur motornya mendengarkan dengan saksama: motor yang macet adalah cara pengawal memperoleh nafkahnya. 11. Cabang lampunya: $0\,\mathrm{A}$ ; cabang motornya: $0.40\,\mathrm{A}$ miliknya sendiri, tidak berubah (kemandirian paralel); jalan utamanya: $0.40\,\mathrm{A}$ . 12. Kemurahan hatinya dibayar di baterainya: dua cabang yang sehat meminum dua arak-arakan penuh, dan arus jalan utama yang terjumlah mengosongkan simpanannya paling cepat. 13. Misalnya: “Sebuah amperemeter berdiri di tengah jalan, tidak pernah melintang padanya. Satu lingkar menjamin satu kuat arus — di mana-mana, selalu. Dan sebuah percabangan menyeimbangkan pembukuannya: arak-arakan masuk sama dengan arak-arakan keluar, sampai ke miliamperenya.”

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 393 istilah di glosarium