Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

68Daya dan Energi Listrik

Tagihan listriknya tidak menagih volt, dan tidak pula ampere — ia menagih sesuatu yang telah diam-diam dikalikan bersama oleh perkakas keluargamu sepanjang bulan. Bab ini menikahkan kedua besaran listriknya menjadi yang ketiga, memberi nama yang sepatutnya kepada pembelanjaan yang cepat dan yang lambat, lalu berakhir di meteran di dekat pintu depan: fisika yang dapat kamu periksa terhadap uang yang sungguhan.

68.1 Daya: laju pengantaran

Definisi 68.1 (Daya dan watt)

Daya $P$ sebuah alat adalah laju ia mengubah energi — joule tiap sekon. Satuannya adalah watt ( $\mathrm{W}$ ): satu joule tiap sekon, yang menghormati insinyur zaman uap; kilowatt ( $1\,\mathrm{kW}$ $=$ $1000\,\mathrm{W}$ ) melayani para pemberat dapurnya. Daya bukanlah jumlah energi melainkan sebuah langkah pembelanjaan — aliran sebuah keran, bukan isi sebuah ember.

Proposisi 68.2 (Daya listrik)

Sebuah alat yang diberi tegangan $U$ dan menarik arus $I$ menerima daya listrik

P = U \times I ,

watt dari volt kali ampere. Rumusnya menghitung ke ketiga arahnya, dan resep keduanya menjalankan kotak sekringnya: $I = P/U$ memberitahu arus apa yang akan ditarik daya tertakar sebuah perkakas dari listrik rumahnya.

Contoh 68.3 (Tangga rumah tangganya)

Bacalah pelat pada mesin keluarganya: sebuah lampu penunjuk, $1\,\mathrm{W}$ ; sebuah lampu zaman sekarang, $5\,\mathrm{W}$ (leluhurnya yang berpijar membelanjakan enam puluh untuk cahaya yang sama — selisihnya berupa panas); sebuah komputer jinjing, $50\,\mathrm{W}$ ; sebuah televisi, $100\,\mathrm{W}$ ; sebuah mesin cuci yang memanaskan airnya, $2000\,\mathrm{W}$ ; cereknya, $2300\,\mathrm{W}$ ; sebuah pemanas air seketika, sampai $9000\,\mathrm{W}$ . Pola tangganya: apa pun yang tugasnya memanaskan memanjat ke kilowatt — kehangatan adalah bentuk energi yang paling mahal untuk dipasok.

Contoh 68.4 (Hitungan kotak sekringnya)

Cereknya pada listrik rumah $230\,\mathrm{V}$ : $I = 2300 \div 230 = 10\,\mathrm{A}$ — perkakas sepuluh ampere pada bab yang lama, kini diturunkan. Pemanas air $9000\,\mathrm{W}$ : hampir $40\,\mathrm{A}$ , yang menuntut cabang dan pemutus arusnya sendiri yang kekar. Dan stopkontak jamak yang kelebihan beban pada penyelidikan kebakarannya: cerek, pemanas, dan penggorengnya menjumlahkan arus $P/U$ mereka melewati takaran cabangnya — tiga yang tidak bersalah, satu kejahatan hitungan, tepat sebagaimana didakwakan.

68.2 Energi: jumlah yang diantarkan

Proposisi 68.5 (Energi dari daya dan waktu)

Sebuah alat berdaya $P$ yang berjalan selama waktu $t$ mengubah energi sebesar

E = P \times t ,

joule dari watt kali sekon. Keran yang cepat atau rembesan yang panjang, embernya terisi menurut hasil kalinya: tiga menit sebuah cerek $2300\,\mathrm{W}$ ( $2300 \times 180 \approx 4.1 \times 10^{5}\,\mathrm{J}$ ) membelanjakan lebih banyak daripada sehari penuh sebuah lampu $5\,\mathrm{W}$ ( $5 \times 86400 = 4.3 \times 10^{5}\,\mathrm{J}$ ) — sebenarnya hampir tepat seri: satu pendidihan setara dengan sehari cahaya yang baik.

Definisi 68.6 (Kilowatt-jam)

Energi rumah tangga menghasilkan hitungan joule yang janggal, sehingga meterannya berbicara kilowatt-jam ( $\mathrm{kWh}$ ): energi satu kilowatt yang dipertahankan selama satu jam,

1\,\mathrm{kWh} = 1000 \times 3600 = 3.6 \times 10^{6}\,\mathrm{J}

— tiga koma enam juta joule tiap satuan pada tagihannya. Dengan $P$ dalam kilowatt dan $t$ dalam jam, $E = P \times t$ menyerahkan kilowatt-jam secara langsung: itulah rumus yang menjadi hidup meterannya.

Metode 68.7 (Memeriksa sebuah perkakas)

Untuk mesin dan bulan mana pun:

bacalah dayanya $P$ pada pelatnya (atau hitunglah $U \times I$ );
taksirlah dengan jujur waktu jalannya $t$ — tiap hari, lalu tiap bulan;
$E = P \times t$ dalam kilowatt-jam ( $P$ dalam $\mathrm{kW}$ , $t$ dalam jam);
kalikan dengan tarifnya (ambillah kira-kira $0.25$ satuan mata uang tiap $\mathrm{kWh}$ ) untuk memperoleh biaya bulannya.

Cereknya, enam menit tiap hari: $2.3 \times 0.1 \times 30 = 6.9\,\mathrm{kWh}$ tiap bulan. Televisinya, tiga jam tiap hari: $0.1 \times 3 \times 30 = 9\,\mathrm{kWh}$ . Daya yang kecil dengan jam yang panjang menyaingi daya yang besar dengan jam yang pendek — itulah pelajaran pemeriksaannya yang berulang.

Energi sebagai luas: daya kali waktu. Serpih tinggi milik cereknya dan jalur panjang milik sore televisinya dapat melingkupi luas yang sebanding — kilowatt-jam yang sebanding.

68.3 Meteran dan tagihannya

Contoh 68.8 (Membaca tagihannya)

Meteran di dekat pintu depan menghitung setiap kilowatt-jam yang masuk ke rumahnya; tagihannya adalah selisih sebulannya dikali tarifnya. Angka $250$ satuan bulanan sebuah keluarga yang khas terurai menurut pemeriksaannya: pemanasan air dan pemanas ruangannya lebih dahulu (klub kilowattnya), lalu perkakas dinginnya — wattnya sederhana, tetapi berjalan selalu — lalu memasak, mencuci, cahaya, dan elektronikanya. Kekuatan pemeriksaannya: ia menemukan tuas yang sesungguhnya. Mengganti sepuluh bohlam tua $60\,\mathrm{W}$ dengan yang $5\,\mathrm{W}$ menghemat lebih banyak daripada mencabut setiap pengisi daya di rumahnya seribu kali lipat.

Contoh 68.9 (Vampir siaganya)

Cetakan kecil, jam yang panjang: lampu siaga sebuah televisi menyeruput $0.5\,\mathrm{W}$ — tetapi selama seluruh $720$ jam bulannya: $0.0005 \times 720 = 0.36\,\mathrm{kWh}$ . Satu vampir tidak berbahaya; sebuah rumah dengan dua puluh penyeruput sewatt masing-masing membayar $0.02 \times 720 \approx 14\,\mathrm{kWh}$ tiap bulan untuk tidak apa-apa. Daya kali waktu tidak memaafkan suku mana pun: faktor keduanya menggigit ketika yang pertama bersembunyi.

Catatan 68.10 (Daya di dunia yang lebih luas)

Watt, yang lahir sebagai satuan listrik di sini, mengukur setiap langkah energi. Tubuhmu yang beristirahat menganggur dekat $100\,\mathrm{W}$ — sebuah bohlam-leluhur kehangatan yang berpijar (ingatlah pengapnya ruang kelas yang penuh sesak: tiga puluh murid, tiga kilowatt biologi). Seorang pengendara sepeda bertahan pada $200\,\mathrm{W}$ ; mesin sebuah mobil melepaskan puluhan kilowatt; pembangkit listrik kotanya, ratusan juta watt; cahaya matahari yang jatuh pada kotanya, dengan nyaman lebih banyak lagi — itulah langit-langit yang di bawahnya semua langkah yang lain bekerja. Bab berikutnya mengikuti watt jaringannya sampai ke sumbernya yang berputar.

68.4 Latihan

Latihan 68.1 ★

Batasilah daya dan satuannya — keran atau ember? Tuliskan kedua rumus babnya.

Solusi

Solusi Latihan 68.1.

Daya adalah langkah pengubahan energi — joule tiap sekon, dalam watt: aliran kerannya, bukan embernya. $P = U \times I$ dan $E = P \times t$ .

Latihan 68.2 ★

Hitunglah dayanya: sebuah lampu pada $230\,\mathrm{V}$ yang menarik $0.022\,\mathrm{A}$ ; sebuah motor penyala pada $12\,\mathrm{V}$ yang menarik $100\,\mathrm{A}$ .

Solusi

Solusi Latihan 68.2.

Lampunya: $230 \times 0.022 \approx 5\,\mathrm{W}$ . Motor penyalanya: $12 \times 100 = 1200\,\mathrm{W}$ .

Latihan 68.3 ★

Resep kotak sekringnya: arus berapa yang ditarik cerek $2300\,\mathrm{W}$ dan oven gelombang mikro $700\,\mathrm{W}$ pada $230\,\mathrm{V}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 68.3.

Cereknya: $2300 \div 230 = 10\,\mathrm{A}$ ; oven gelombang mikronya: $700 \div 230 \approx 3\,\mathrm{A}$ .

Latihan 68.4 ★

Mengapa perkakas pemanas berdesak di puncak tangga daya rumah tangganya?

Solusi

Solusi Latihan 68.4.

Karena kehangatan adalah bentuk energi yang paling mahal untuk dipasok: menaikkan suhu air atau suhu sebuah ruangan melahap joule pada langkah yang tidak pernah didekati lampu dan elektronika — sehingga pelat setiap pemanas terbaca dalam kilowatt.

Latihan 68.5 ★

Ubahlah: $1\,\mathrm{kWh}$ menjadi joule (tunjukkan kedua faktornya). Mengapa pembuat meterannya meninggalkan joule?

Solusi

Solusi Latihan 68.5.

$1\,\mathrm{kWh} = 1000 \, \text{W} \times 3600 \, \text{s} = 3.6 \times 10^{6}\,\mathrm{J}$ . Sebulan joule berjalan sampai sepuluh angka; pembuat meterannya memilih satuan yang menjaga bulan rumah tangganya pada ratusan yang nyaman.

Latihan 68.6 ★

Pemeriksaan energi: yang mana yang membelanjakan lebih banyak, sebuah pemanas $2\,\mathrm{kW}$ selama setengah jam atau sebuah televisi $100\,\mathrm{W}$ selama sesore penuh lima jam?

Solusi

Solusi Latihan 68.6.

Pemanasnya: $2 \times 0.5 = 1\,\mathrm{kWh}$ . Televisinya: $0.1 \times 5 = 0.5\,\mathrm{kWh}$ . Pemanas setengah jamnya melampaui belanja sesore penuh televisinya, dua kali lipat.

Latihan 68.7 ★

Periksalah satu mesin: sebuah komputer jinjing $50\,\mathrm{W}$ yang dipakai empat jam tiap hari, selama sebulan tiga puluh hari, pada $0.25$ tiap $\mathrm{kWh}$ . Berapa energinya dan berapa biayanya?

Solusi

Solusi Latihan 68.7.

$E = 0.05 \times 4 \times 30 = 6\,\mathrm{kWh}$ ; biayanya $6 \times 0.25 = 1.5$ satuan mata uang — sebulan pekerjaan rumah seharga sepotong kue.

Latihan 68.8 ★

Apa yang dihitung meteran di pintu depannya, dan bagaimana tagihannya mengubah hitungannya menjadi uang?

Solusi

Solusi Latihan 68.8.

Setiap kilowatt-jam yang masuk ke rumahnya. Tagihannya mengurangkan bacaan bulan lalu dari bacaan bulan ini lalu mengalikan selisihnya dengan tarifnya.

Latihan 68.9 ★★

Pertukaran bohlamnya: sepuluh leluhur $60\,\mathrm{W}$ lawan sepuluh yang sezaman $5\,\mathrm{W}$ , empat jam tiap malam, tiga puluh malam. Hitunglah kedua energi bulanannya dan penghematannya — dalam kilowatt-jam dan pada $0.25$ masing-masing.

Solusi

Solusi Latihan 68.9.

Leluhurnya: $0.6 \times 4 \times 30 = 72\,\mathrm{kWh}$ . Yang sezaman: $0.05 \times 4 \times 30 = 6\,\mathrm{kWh}$ . Penghematannya: $66\,\mathrm{kWh}$ — $16.5$ satuan mata uang tiap bulan, dari sesore di atas sebuah tangga lipat.

Latihan 68.10 ★★

Pelat sebuah pengering rambut terbaca “230 V, 2000 W”. Berapa arusnya? Bolehkah ia berbagi sebuah cabang $16\,\mathrm{A}$ dengan cerek $2300\,\mathrm{W}$ , dengan keduanya berjalan? Tunjukkan jumlahnya.

Solusi

Solusi Latihan 68.10.

Pengeringnya: $2000 \div 230 \approx 8.7\,\mathrm{A}$ . Bersama $10\,\mathrm{A}$ milik cereknya: $18.7$ — melewati takaran cabang $16\,\mathrm{A}$ -nya: pemutus arusnya akan (dengan benar) mengakhiri percobaannya.

Latihan 68.11 ★★

Baterai sebuah mobil listrik menyimpan $60\,\mathrm{kWh}$ . Berapa lama itu dapat menjalankan cerek $2.3\,\mathrm{kW}$ ? Lampu $5\,\mathrm{W}$ ? Dan apa yang diajarkan pasangan jawabannya tentang besarnya selera energi pengangkutan?

Solusi

Solusi Latihan 68.11.

Cereknya: $60 \div 2.3 \approx 26$ jam. Lampunya: $60 \div 0.005 = 12000$ jam — setahun empat bulan. Namun simpanan yang sama menggerakkan mobilnya hanya beberapa ratus kilometer: menggerakkan seton mesin melahap energi pada skala yang di sampingnya penerangan rumah tangga hanyalah kesalahan pembulatan.

Latihan 68.12 ★★★

Uji cereknya, dari awal sampai akhir: $1.5\,\mathrm{L}$ air dari $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ sampai mendidih memerlukan kira-kira $5.0 \times 10^{5}\,\mathrm{J}$ kalor. Catatlah waktu cerek keluarganya ( $2300\,\mathrm{W}$ ): ramalkan waktu didihnya dari $E = P t$ , lalu jelaskan mengapa cerek yang sesungguhnya memakan waktu sedikit lebih lama — ke mana joule yang hilang pergi, menurut hukum tertua pada bab energinya?

Solusi

Solusi Latihan 68.12.

Ramalannya: $t = E/P = 5.0 \times 10^{5} \div 2300 \approx 217\,\mathrm{s}$ — kira-kira tiga setengah menit. Cerek yang sesungguhnya berjalan lebih lama: sebagian joulenya bocor melewati airnya — menghangatkan badan cereknya sendiri, udaranya, lalu lolos sebagai uap yang awal. Energi tidak pernah dimusnahkan, tetapi tidak pula seluruhnya diantarkan ke tempat yang dituju: kebocoran rantainya, yang akhirnya dicatat waktunya di dapurmu sendiri.

68.5 Soal: Pemeriksaan Energi Rumah

Soal 68.1

Soal akhir pekan — pemeriksaan energi keluarganya; pelat, meteran, dan tagihan bulannya; menemukan tuas yang sesungguhnya

Berbekal kedua rumusnya dan tarifnya ( $0.25$ tiap $\mathrm{kWh}$ ), keluarganya memeriksa sebulan (30 hari). Daftarnya: cerek $2300\,\mathrm{W}$ , $6$ menit tiap hari; televisi $100\,\mathrm{W}$ , $4$ jam tiap hari; lemari es — perkara khusus di bawah; sepuluh lampu $5\,\mathrm{W}$ masing-masing, $5$ jam tiap hari; mesin cuci $2\,\mathrm{kW}$ , satu daur panas $1$ jam tiap dua hari; pemanas air $2.5\,\mathrm{kW}$ , $2$ jam tiap hari; penyeruput siaga yang berjumlah $10\,\mathrm{W}$ , selalu menyala.

Bagian I — Mesin demi mesin.

Berapa sebulan cereknya, dalam $\mathrm{kWh}$ .
Berapa sebulan televisinya dan sepuluh lampunya.
Berapa sebulan mesin cucinya ( $15$ daur) dan pemanas airnya.
Berapa sebulan penyeruput siaganya — faktor kedua yang sedang bekerja.

Bagian II — Lemari es dan jumlahnya. Kompresor lemari esnya berjalan pada $120\,\mathrm{W}$ , tetapi hanya sepertiga waktunya, berdaur siang dan malam.

Berapa daya rata-rata efektifnya, dan berapa sebulannya dalam $\mathrm{kWh}$ .
Jumlahkan ketujuh baris pemeriksaannya. Ketiga baris yang mana yang menguasainya?
Berapa tagihan bulannya pada tarifnya — dan berapa bagian pemanas airnya di dalamnya dalam mata uang.
Meterannya membaca $2150$ satuan pada awal bulannya. Ramalkan bacaannya pada akhir bulannya.

Bagian III — Tuasnya.

Usul satu: mandi yang lebih singkat — pemanasnya turun menjadi $1.5\,\mathrm{h}$ tiap hari. Berapa penghematan bulanannya, dalam energi dan dalam uang?
Usul dua: sebuah kampanye umum mendesak orang mencabut pengisi daya telepon ( $0.2\,\mathrm{W}$ masing-masing ketika menganggur). Periksalah sebulan menganggurnya satu pengisi daya lalu bandingkan dengan usul satu; apa yang diajarkan perbandingannya tentang pemeriksaan lawan semboyan?
Usul tiga: neneknya menyarankan kebiasaan lama mengisi cereknya hanya seperlunya — separuh airnya, separuh energinya. Berapa baris cereknya yang baru, dan berapa penghematan bulannya?
Tulislah kesimpulan pemeriksaannya: tiga kalimat — di mana kilowatt-jamnya sungguh berdiam, faktor rumus yang mana yang diajarkan perkara siaganya, dan satu perubahan rumah tangga yang mana yang paling menguntungkan.

Solusi

Solusi Soal 68.1.

1. $2.3 \times 0.1 \times 30 = 6.9\,\mathrm{kWh}$ . 2. Televisinya: $0.1 \times 4 \times 30 = 12\,\mathrm{kWh}$ ; lampunya: $0.05 \times 5 \times 30 = 7.5\,\mathrm{kWh}$ . 3. Mesin cucinya: $2 \times 1 \times 15 = 30\,\mathrm{kWh}$ ; pemanasnya: $2.5 \times 2 \times 30 = 150\,\mathrm{kWh}$ . 4. $0.010 \times 720 = 7.2\,\mathrm{kWh}$ — sepuluh watt yang tersembunyi, sebulan penuh milik sebuah cerek. 5. Rata-ratanya $120 \div 3 = 40\,\mathrm{W}$ ; sebulannya: $0.04 \times 720 = 28.8\,\mathrm{kWh}$ . 6. Totalnya $\approx 242\,\mathrm{kWh}$ . Yang menguasai: pemanas airnya ( $150\,$ ), mesin cucinya ( $30\,$ ), dan lemari esnya ( $28.8\,\mathrm{kWh}$ ) — yang memanaskan dan yang selalu menyala. 7. $242 \times 0.25 \approx 60.6$ satuan; bagian pemanasnya: $150 \times 0.25 = 37.5$ — jauh lebih dari separuh tagihannya. 8. $2150 + 242 = 2392$ satuan. 9. Baris pemanas yang baru: $2.5 \times 1.5 \times 30 = 112.5\,\mathrm{kWh}$ : penghematannya $37.5\,\mathrm{kWh}$ , kira-kira $9.4$ satuan mata uang tiap bulan. 10. Satu pengisi daya yang menganggur: $0.0002 \times 720 = 0.14\,\mathrm{kWh}$ — kira-kira empat perseratus satuan mata uang: usul satu mengalahkan penghematannya dua ratus kali lipat tiap pengisi dayanya. Pemeriksaan menemukan tuas; semboyan menemukan pengisi daya. 11. Baris cereknya memaruh menjadi $3.45\,\mathrm{kWh}$ : penghematannya $3.45\,\mathrm{kWh}$ , kurang dari satu satuan mata uang — kebiasaan neneknya benar, dan sederhana. 12. Misalnya: “Kilowatt-jamnya berdiam di tempat airnya menjadi panas dan di tempat mesinnya tidak pernah tidur. Baris siaganya mengajarkan faktor waktunya: daya yang mungil menumbuhkan tagihan ketika $t$ -nya selalu. Dan perubahan yang paling menguntungkan adalah mandi yang lebih singkat — pemanasnya memiliki tagihannya, sehingga jamnya memiliki penghematannya.”

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 393 istilah di glosarium