Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

56Tegangan dan Voltmeter

Sejak baterai yang pertama menyalakan bohlam yang pertama, satu kata telah menjalankan tugas yang berat dan kabur di dalam buku ini: “dorongan”. Baterai mendorong dengan lemah, listrik rumah mendorong sampai mematikan, dua baterai kepala-ke-ekor mendorong bersama. Dorongannya kini menjadi besaran terukur dengan satuan yang termasyhur — dan alatnya, tidak seperti alat bab yang lalu, menolak berdiri di tengah jalan.

56.1 Tegangan

Definisi 56.1 (Tegangan)

Tegangan $U$ di antara dua titik sebuah rangkaian mengukur dorongan listrik yang tersedia di antara keduanya — seberapa keras arusnya digerakkan dari titik yang satu ke titik yang lain, sebagaimana tinggi sebuah air terjun mengukur seberapa keras ia menggerakkan roda kincirnya. Tegangan selalu berupa di antara: di antara kedua kutub sebuah baterai, di antara kedua sisi sebuah lampu — tidak pernah pada satu titik sendirian. Satuannya adalah volt ( $\mathrm{V}$ ), yang menghormati penemu baterai yang pertama.

Contoh 56.2 (Album keluarga volt)

Sebuah sel bulat tunggal: $1.5\,\mathrm{V}$ . Baterai saku yang pipih: $4.5\,\mathrm{V}$ — tiga sel kepala-ke-ekor di dalam satu bungkus. Baterai sembilan volt yang berbentuk balok dengan kedua kutubnya di atas: $9\,\mathrm{V}$ , enam sel yang tersembunyi. Aki mobil: $12\,\mathrm{V}$ . Stopkontak dinding: $230\,\mathrm{V}$ — dorongan yang lebih besar daripada seratus lima puluh sel kecil, dan itulah seluruh isi kuantitatif “stopkontak, jangan pernah”. Petir di antara awan dan tanah: ratusan juta volt, sejenak.

Proposisi 56.3 (Tegangan tanpa arus)

Tegangan dan arus adalah besaran yang berbeda, dan tegangan datang lebih dahulu. Sebuah baterai yang sendirian di dalam laci, yang terhubung kabel ke apa pun, sama sekali tidak menggerakkan arus — namun di antara kutubnya $1.5\,\mathrm{V}$ yang penuh berdiri siap, dapat diukur, seperti tinggi sebuah air terjun pada hari kincirnya tutup. Dorongan dapat ada tanpa arak-arakan; arak-arakannya tidak pernah ada tanpa dorongan.

Definisi 56.4 (Voltmeter)

Sebuah voltmeter mengukur tegangan di antara dua titik — sehingga ia dihubungkan melintang padanya: secara paralel dengan komponen yang diminati, satu kabel pada tiap sisinya, seperti juru ukur yang memegang alat datar di antara dua ketinggian. Karena dibangun berlawanan dengan amperemeternya dalam segala hal, ia melawan arus hampir sepenuhnya: kalau dihubungkan melintang pada apa pun, ia menarik hampir tidak ada — sehingga menjepitkannya tidak mengganggu apa pun, dan tidak ada lingkar yang perlu diputus.

Voltmeternya mengambil sikap sang juru ukur: melintang pada lampunya, satu kabel tiap sisi, mengukur dorongan di antaranya — dan tidak pernah berdiri di tengah jalan.

Metode 56.5 (Mengukur sebuah tegangan)

biarkan rangkaiannya utuh — tidak ada yang diputus untuk sebuah voltmeter;
jepitkan satu kabel pada tiap sisi komponennya: kabel $\mathrm{V}$ di tempat arus perjanjiannya masuk, kabel bersamanya di tempat arusnya keluar;
jangkauan terbesar lebih dahulu, lalu turunlah sampai nyaman;
bacalah, lalu tulislah satuannya.

Tata cara kedua alatnya, bersebelahan: amperemeter — putuskan jalannya, berdirilah di dalamnya, jangan lawan apa pun; voltmeter — jangan putuskan apa pun, berdirilah di samping, lawanlah segalanya. Mengacaukan kedua tata caranya adalah kebiasaan yang paling mahal di bengkelnya.

56.2 Tegangan bertakaran

Definisi 56.6 (Tegangan nominal)

Setiap lampu, motor, dan perkakas membawa sebuah tegangan nominal — dorongan yang menjadi rancangan pembuatannya, yang dicap pada alas atau pelatnya: bohlam senter “3,5 V”, lampu depan mobil “12 V”, cerek “230 V”. Kalau diberi tegangan nominalnya, alatnya bekerja sebagaimana dirancang; kalau diberi jauh lebih sedikit, ia merajuk — lampu yang redup, motor yang malas; kalau diberi jauh lebih banyak, ia terbakar putus — dengan gemilang, sekali saja.

Contoh 56.7 (Memadankan lampu dengan baterai)

Bohlam “3.5 V” pada baterai pipih $4.5\,\mathrm{V}$ : sedikit kelebihan dorongan — terang, dan berumur pendek. Pada satu sel $1.5\,\mathrm{V}$ : nyala jingga yang mengantuk. Pada baterai $9\,\mathrm{V}$ : satu saat yang menyilaukan, lalu benang tipisnya pun putus — itulah berita duka filamennya. Labelnya adalah sebuah perjanjian: hormatilah, dan lampunya menjalani umur yang diiklankannya.

Catatan 56.8 (Mengapa 230 V membunuh)

Kini aturan mutlak yang lama mendapat bilangannya. Jalan penghantar tubuh yang lembap, kalau ditawari $4.5\,\mathrm{V}$ , melewatkan arus yang terlalu kecil untuk dirasakan. Jalan yang sama pada $230\,\mathrm{V}$ — lima puluh kali dorongannya — melewatkan lima puluh kali arusnya, jauh melampaui beberapa perseratus ampere yang menghentikan jantung. Stopkontaknya bukan “agak” lebih kuat daripada meja baterai kalian: ia dua orde besaran di luarnya, dan kerasnya kitab aturannya adalah hitungan biasa.

56.3 Bacaan tegangan yang pertama

Contoh 56.9 (Berkeliling sebuah lingkar yang sederhana)

Satu baterai, satu lampu, alat ukur di tangan. Melintang pada baterainya: $4.5\,\mathrm{V}$ . Melintang pada lampunya: $4.5\,\mathrm{V}$ — lampunya menerima apa yang ditawarkan baterainya. Melintang pada sebentang kawat penghubung: $0\,\mathrm{V}$ , atau sedekat yang dapat dikatakan alatnya — kawat yang baik adalah jalan yang datar, yang sama sekali tidak membelanjakan dorongannya. Dorongannya berdiam melintang pada pekerjanya, bukan di sepanjang jalannya: sebuah bacaan yang patut diingat ketika hukum bab berikutnya meresmikannya.

Contoh 56.10 (Pengakuan sakelar yang terbuka)

Lampu gelap, sakelar terbuka — ke mana dorongannya pergi? Ukurlah: melintang pada lampu yang gelap, $0\,\mathrm{V}$ ; melintang pada sakelar yang terbuka, $4.5\,\mathrm{V}$ yang penuh. Dorongan baterainya berdiri seluruhnya melintang pada celahnya, menanti — satu-satunya tempat di dalam lingkarnya tempat dua titik sungguh “berjauhan” secara listrik. Tutuplah sakelarnya dan bacaannya pun bertukar tempat. Sakelar yang terbuka adalah tempat tegangannya menanti.

56.4 Latihan

Latihan 56.1 ★

Apa yang diukur tegangan, dan mengapa ia selalu berupa “di antara”? Berikan satuannya dan gambaran air terjunnya.

Solusi

Solusi Latihan 56.1.

Dorongan listrik yang tersedia di antara dua titik — seperti tinggi sebuah air terjun di antara puncak dan dasarnya yang menggerakkan roda kincirnya. Karena berupa selisih, ia memerlukan dua titik; satuannya adalah volt, $\mathrm{V}$ .

Latihan 56.2 ★

Dari ingatan: tegangan sebuah sel bulat, baterai pipihnya, baterai baloknya, sebuah aki mobil, dan listrik rumahnya.

Solusi

Solusi Latihan 56.2.

$1.5\,\mathrm{V}$ ; $4.5\,\mathrm{V}$ ; $9\,\mathrm{V}$ ; $12\,\mathrm{V}$ ; $230\,\mathrm{V}$ .

Latihan 56.3 ★

Sebuah baterai tergeletak tanpa terhubung kabel ke apa pun. Arus apa yang mengalir? Berapa yang dibaca voltmeter yang melintang padanya? Proposisi yang mana yang berbicara?

Solusi

Solusi Latihan 56.3.

Sama sekali tidak ada arus — tidak ada lingkarnya. Voltmeternya membaca $1.5\,\mathrm{V}$ yang penuh: tegangan tanpa arus — dorongan dapat menunggu; arak-arakannya tidak dapat mulai tanpanya.

Latihan 56.4 ★

Bandingkan tata cara kedua alatnya: sambungannya, pemutusan jalannya, perlawanannya terhadap arus. Kekeliruan yang mana yang membangun korsleting berpapan ukur?

Solusi

Solusi Latihan 56.4.

Amperemeter: terangkai seri, jalannya diputus untuknya, dan hampir tidak melawan apa pun. Voltmeter: terpasang paralel, tidak ada yang diputus, dan melawan hampir segalanya. Kekeliruan yang mahal: sebuah amperemeter yang dipasang melintang — secara paralel — menjadi korsleting berpapan ukur.

Latihan 56.5 ★

Apa itu tegangan nominal? Ramalkan perilaku lampu “6 V” pada $1.5\,\mathrm{V}$ ; pada $6\,\mathrm{V}$ ; pada $12\,\mathrm{V}$ .

Solusi

Solusi Latihan 56.5.

Dorongan yang menjadi rancangan pembuatan sebuah alat. Pada $1.5\,\mathrm{V}$ : kerlip yang mengantuk. Pada $6\,\mathrm{V}$ : terang dan umur yang dirancang. Pada $12\,\mathrm{V}$ : satu saat yang gemilang, lalu filamennya pun putus.

Latihan 56.6 ★

Pada lingkar yang sederhana itu, berapa yang dibaca voltmeternya melintang pada baterainya, pada lampunya, dan pada sebentang kawat? Di mana dorongannya berdiam?

Solusi

Solusi Latihan 56.6.

Baterai: $4.5\,\mathrm{V}$ ; lampu: $4.5\,\mathrm{V}$ ; kawat: kira-kira $0\,\mathrm{V}$ . Dorongannya berdiam melintang pada pekerjanya — kawatnya adalah jalan yang datar.

Latihan 56.7 ★

Sakelar terbuka: apa yang berdiri melintang pada lampu yang gelap, dan melintang pada sakelar yang terbuka? Apa yang terjadi pada kedua bacaannya ketika terdengar bunyi klik?

Solusi

Solusi Latihan 56.7.

Lampu yang gelap: $0\,\mathrm{V}$ ; sakelar yang terbuka: $4.5\,\mathrm{V}$ yang penuh, menanti melintang pada celahnya. Pada bunyi kliknya keduanya bertukar tempat: sakelar yang tertutup turun ke sekitar nol, lampu yang menyala mengambil $4.5\,\mathrm{V}$ -nya.

Latihan 56.8 ★

Mengapa menjepitkan voltmeter melintang pada lampu yang bekerja hampir sama sekali tidak mengganggu rangkaiannya? Apa yang ditolak alatnya untuk dilakukan?

Solusi

Solusi Latihan 56.8.

Ia menolak membawa arus: karena melawan hampir sepenuhnya, ia menyeruput hampir tidak ada menembus dirinya, sehingga arak-arakan dan nyala lampunya berjalan terus seakan-akan tidak diamati.

Latihan 56.9 ★★

Baterai pipih $4.5\,\mathrm{V}$ menyembunyikan tiga sel. Gambarlah (atau gambarkan) susunannya, lalu hitunglah tegangannya seandainya satu selnya tanpa sengaja terbalik — bab senter bertahun-tahun yang lalu, kini dengan bilangan. (Dorongan yang berlawanan saling mengurangi.)

Solusi

Solusi Latihan 56.9.

Tiga sel kepala-ke-ekor: $1.5 + 1.5 + 1.5 = 4.5\,\mathrm{V}$ . Satu yang terbalik melawan kedua yang lain: $1.5 + 1.5 - 1.5 = 1.5\,\mathrm{V}$ — misteri senter bertahun-tahun yang lalu, kini dalam volt.

Latihan 56.10 ★★

Lampu seorang pekemah bertakaran $12\,\mathrm{V}$ ; aki kendaraannya membaca $12.6\,\mathrm{V}$ ketika baru dan $11.2\,\mathrm{V}$ sesudah sesore yang panjang. Gambarkan sore lampunya, dan mengapa tidak ada yang terbakar putus.

Solusi

Solusi Latihan 56.10.

Aki yang baru: sedikit di atas nominalnya — terang yang penuh dan riang. Selagi sorenya menguras akinya menuju $11.2\,\mathrm{V}$ , lampunya meredup lembut di bawah nyala rancangannya. Tidak ada yang terbakar putus: tegangannya hanya pernah melorot di bawah nominalnya; perjanjiannya menghukum kelebihan, bukan kekurangan.

Latihan 56.11 ★★

Sebuah voltmeter yang keliru dipasang secara seri dengan lampunya (lingkarnya terputus, alatnya di dalam celahnya): ramalkan perilaku lampunya dan bacaan alatnya — ingatlah apa yang dilawan sebuah voltmeter. (Kesunyian lampunya dan bilangan alatnya sama-sama mengajarkan sesuatu.)

Solusi

Solusi Latihan 56.11.

Voltmeter di tengah jalan melawan hampir segalanya: arak-arakannya boleh dikatakan berhenti, dan lampunya berdiri gelap. Alatnya, yang membawa satu-satunya dorongan lingkarnya melintang pada dirinya, membaca hampir seluruh tegangan baterainya — sebuah bilangan yang benar bagi rangkaian yang salah dibangun: mengajarkan sesuatu, dan tanpa kebakaran.

Latihan 56.12 ★★★

Dua lampu serupa yang terangkai seri pada $4.5\,\mathrm{V}$ : sebuah voltmeter menemukan kira-kira $2.25\,\mathrm{V}$ melintang pada masing-masing. Lampu yang sama secara paralel pada baterai yang sama: ramalkan tegangan tiap lampunya, lalu rukunkan kedua temuannya dengan aturan terang yang sudah kamu kenal bertahun-tahun (pasangan seri redup, pasangan paralel bersinar penuh). Bab yang akan datang yang mana yang akan menjadikan ramalanmu hukum?

Solusi

Solusi Latihan 56.12.

Ketika terpasang paralel tiap lampu membentang langsung pada baterainya: $4.5\,\mathrm{V}$ masing-masing — dorongan nominal penuh, terang penuh, sebagaimana dijanjikan aturan paralel yang lama. Ketika terangkai seri kedua lampunya berbagi $4.5\,\mathrm{V}$ -nya — kira-kira $2.25\,\mathrm{V}$ masing-masing, sepasang yang kurang makan lalu menyala redup, sebagaimana diamati aturan seri yang lama. Bab sesudah yang berikutnya menjadikan pembagiannya sebuah hukum tegangan.

56.5 Soal: Pemeriksaan Laci Baterai

Soal 56.1

Soal akhir pekan — pemeriksaan besar laci baterainya; sebuah voltmeter, sekardus sepatu berisi sel, dan rak perkakas keluarganya

Setiap rumah mempunyai lacinya: sel yang berserakan, baterai misterius, perkakas yang “perlu yang baru”. Hari pemeriksaan — voltmeter di tangan.

Bagian I — Memilah selnya.

Gambarkan sambungan voltmeter yang benar untuk memeriksa sebuah sel $1.5\,\mathrm{V}$ yang berserakan — dan mengapa tidak ada rangkaian yang perlu dibangun lebih dahulu.
Bacaan pemeriksaannya, langsung dari lacinya: $1.58\,\mathrm{V}$ , $1.32\,\mathrm{V}$ , $0.9\,\mathrm{V}$ , $0.1\,\mathrm{V}$ . Pilahlah: baru, masih terpakai, lelah, mati.
Sebuah baterai sembilan volt membaca $8.9\,\mathrm{V}$ . Kasarnya berapa yang disumbangkan masing-masing keenam sel di dalamnya?
Mengapa sel yang hampir mati masih menunjukkan sedikit tegangan padahal ia tidak dapat lagi menyalakan apa pun? (Dorongannya selamat dengan lemah; ia kehilangan kekuatan untuk menggerakkan apa?)

Bagian II — Rak perkakasnya.

Kameranya menghendaki dua sel kepala-ke-ekor. Tegangan berapa yang diharapkannya, dan berapa yang akan diantarkan pasangan $1.32\,\mathrm{V}$ yang selamat dari pertanyaan 2?
Radio tuanya memakai empat sel kepala-ke-ekor lalu merajuk di bawah $5\,\mathrm{V}$ . Sel laci yang mana, kalau ada, yang dapat mengawakinya?
Adik lelakinya menjejalkan tiga sel ke dalam senter berisi dua sel “supaya lebih terang”, dengan mengganjal sel ketiganya melintang pada pegasnya. Bohlamnya bertakaran $3\,\mathrm{V}$ . Ramalkan pertunjukannya, dalam bahasa tegangan nominal.
Pelat trafo bel pintunya membaca “ $8\,\mathrm{V}$ ”. Seseorang mengusulkan memasang bel pintunya langsung ke sebuah baterai sembilan volt “karena delapan itu hampir sembilan”. Nilailah: padanan yang adil atau pembunuhan yang lambat?

Bagian III — Hukum pemeriksaannya.

Pada senternya (bohlam dan selnya terangkai seri, sakelarnya terbuka), pemeriksanya mengukur: melintang pada sakelar yang terbuka, $3.1\,\mathrm{V}$ ; melintang pada bohlamnya, $0\,\mathrm{V}$ . Jelaskan keduanya, lalu ramalkan keduanya sesudah bunyi kliknya.
Melintang pada tiap bentang kabel senternya alatnya berkata $0\,\mathrm{V}$ , entah menyala entah gelap. Apa yang dinyatakan hal ini tentang kawat yang baik, dalam bahasa dorongan?
Stopkontak listrik rumahnya tidak diperiksa, menurut hukum keluarga yang tetap. Nyatakan ulang hukumnya dengan bilangan bab ini, dan kalimat hitungan di baliknya.
Arsipkan laporan pemeriksaannya: tiga kalimat — sebuah voltmeter itu apa dan tidak pernah apa; apa yang dijanjikan dan diancamkan tegangan nominal pada sebuah label; dan di mana, di dalam rangkaian yang menganggur mana pun, tegangannya menanti.

Solusi

Solusi Soal 56.1.

1. Jepitkan kedua kabel voltmeternya pada kedua kutub selnya — melintang, secara paralel; sebuah voltmeter tidak memutus apa pun dan tidak memerlukan rangkaian: ia mengukur dorongan yang menanti. 2. $1.58\,\mathrm{V}$ : baru. $1.32\,\mathrm{V}$ : masih terpakai. $0.9\,\mathrm{V}$ : lelah. $0.1\,\mathrm{V}$ : mati — dari laci ke tong sampah. 3. Kira-kira $8.9 \div 6 \approx 1.48\,\mathrm{V}$ masing-masing — enam sel yang sehat. 4. Kimianya masih menaikkan dorongan yang lemah, tetapi tidak dapat lagi menggerakkan arak-arakan yang berguna: tegangannya selamat sebagai sebuah janji yang tidak cukup kuat ditepati selnya di bawah beban. 5. Dua kepala-ke-ekor: ia mengharapkan $2 \times 1.5 = 3\,\mathrm{V}$ ; yang selamat mengantarkan $2 \times 1.32 = 2.64\,\mathrm{V}$ — kameranya mungkin bekerja, sambil menggerutu. 6. Empat sel harus berjumlah $5\,\mathrm{V}$ atau lebih: empat sel $1.58$ yang baru memberi $6.3\,\mathrm{V}$ — baik; kalau yang $1.32$ ikut dicampur, awak mana pun yang berjumlah sedikitnya $5\,\mathrm{V}$ sudah melayani (misalnya dua yang baru dan dua yang masih terpakai: $1.58 \times 2 + 1.32 \times 2 = 5.8\,\mathrm{V}$ ). Yang lelah dan yang mati tidak perlu melamar. 7. Tiga sel: $4.5\,\mathrm{V}$ pada bohlam $3\,\mathrm{V}$ — setengah kali lipat di atas nominalnya: paling baik satu sore yang gemilang dan kelewat terang, dan paling mungkin terbakar putus dengan segera. Perjanjiannya menghukum kelebihan. 8. Pembunuhan yang lambat, lembut tetapi nyata: $9\,\mathrm{V}$ pada alat $8\,\mathrm{V}$ adalah kelebihan dorongan yang mantap — ia akan berjalan, menghangat, lalu menua dengan cepat. Nominal berarti nominal; “hampir” adalah cara filamen mati muda. 9. Dorongan baterainya menanti, seluruhnya, melintang pada satu-satunya celah yang sejati — sakelar yang terbuka; bohlam yang menganggur, yang tidak membawa arus, tidak menunjukkan apa pun. Sesudah bunyi kliknya: sakelarnya dekat $0\,\mathrm{V}$ , bohlamnya dekat $3.1\,\mathrm{V}$ — dorongannya berpindah dari celahnya ke pekerjanya. 10. Bahwa kawat yang baik adalah jalan yang datar: ia mengantarkan arak-arakannya tanpa membelanjakan dorongan — seluruh tegangannya disimpan bagi pekerjanya. 11. “Stopkontaknya $230\,\mathrm{V}$ — lima puluh kali baterai terkuat di dalam laci ini; lima puluh kali dorongannya menggerakkan lima puluh kali arusnya menembus tangan lembap yang sama, dan jantungnya berhenti pada perseratusan ampere. Pemeriksaan berakhir di lacinya.” 12. Misalnya: “Sebuah voltmeter berdiri melintang, tidak pernah di tengah jalan. Tegangan nominal pada sebuah label menjanjikan unjuk kerja yang dirancang dan mengancam terbakar putus di luarnya. Dan di dalam rangkaian yang menganggur mana pun, tegangannya menanti di celahnya — melintang pada sakelar yang terbuka, siap sedia.”

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 393 istilah di glosarium