RANGKAIAN SERI DAN PARALEL
Muhammad Rizal Fahlepy*), Mardianti Rukmana, Wahyuni
Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan eksperimen tentang Rangkaian Seri dan Paralel dengan tujuan agar 1) mahasiswa terampil merangkai resistor menjadi susunan seri dan paralel, 2) mahasiswa dapat menempatkan dan menggunakan basicmeter dengan benar, 3) mahasiswa dapat memahami prinsip-prinsip hukum Kirchhoff, dan 4) mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian seri dan rangkaian paralel resistor. Eksperimen ini terdiri atas dua kegiatan, yaitu merangkai resistor secara seri dan merangkai resistor secara paralel. Pada kedua kegiatan ini digunakan tegangan sumber yang nilainya berbeda-beda kemudian mengukur tegangan pada masing-masing resistor, serta mengukur kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian. Hasil analisis data menunjukkan bahwa pada rangkaian seri, nilai kuat arusnya sama pada setiap resistor dan nilai tegangan sumbernya sama dengan jumlah tegangan pada masing-masing resistor. Sedangkan pada rangkaian paralel, nilai tegangan pada masing-masing resistor sama besar dan nilai kuat arus total sama dengan jumlah kuat arus pada masing-masing resistor. Hal ini sesuai dengan teori tentang rangkaian hambatan. Selain itu, dari eksperimen ini kami juga menyimpulkan bahwa pada rangkaian paralel berlaku hukum Kirchhoff di mana jumlah arus yang masuk melalui titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang pada rangkaian.
Kata kunci: Hukum Kirchhoff, rangkaian paralel, rangkaian seri
A. RUMUSAN MASALAH
- Bagaimana cara merangkai resistor menjadi susunan seri dan paralel?
- Bagaimana cara menempatkan dan menggunakan basicmeter dengan benar?
- Bagaimana keberlakuan prinsip hukum Kirchhoff dalam suatu rangkaian?
- Bagaimana karakteristik rangkaian seri dan rangkaian paralel resistor?
B. TUJUAN
- Mahasiswa terampil dalam merangkai resistor menjadi susunan seri dan paralel.
- Mahasiswa dapat menempatkan dan menggunakan basicmeter dengan benar.
- Mahasiswa dapat memahami prinsip hukum-hukum Kirchhoff.
- Mahasiwa dapat memahami karakteristik rangkaian seri dan rangkaian paralel resistor.
C. TEORI SINGKAT
Resistor pada Rangkaian Seri
Menurut Serway (2010), ketika dua resistor atau lebih dihubungkan satu sama lain sebagaimana tertera pada Gambar 1, rangkaiannya diesbut sebagai rangkaian seri. Pada rangkaian seri, jika sejumlah muatan Q keluar dari hambatan r1, muatan Q juga pasti masuk ke resistor kedua R¬2. Jika tidak, muatan akan berakumulasi pada kabel di antara kedua resistor tersebut. Jadi, muatan dengan jumlah yang sama melewati kedua resistor pada selang waktu tertentu. Oleh karena itu, untuk sebuah rangkaian seri yang terdiri atas dua resistor arusnya sama besar pada kedua resistor tersebut karena jumlah muatan yang melewati R1 pasti juga melewati R2 dalam selang waktu yang sama.
Gambar 1.1 Rangkaian seri
Beda potensial yang berlaku pada rangkaian resistor seri akan bercabang di antara resistor-resistor yang ada. Penurunan tegangan dari a ke b = IR1 dan penurunan tegangan dari b ke c = IR2 maka penurunan tegangan dari a ke c adalah:
V = IR1 + IR2 = I (R1 + R2) (1.1)
Beda potensial pada baterai juga berlaku pada resistor berlaku pada resistor ekuivalen, Rekuivalen, pada ∆V = IRekuivalen Dimana kita telah menunjukkan bahwa resistor ekuivalennya memliki pengaruh yang sama pada rangkaian karena menghasilkan arus yang sama dalam baterai seperti pada rangkaian resistor. Jika persamaan-persamaan ini digabungkan, kita lihat bahwa mengganti dua resistor dalam rangkaian seri tersebut dengan sebuah resistor ekuivalen yang nilainya sama dengan penjumlahan dari masing masing resistor.
∆V = IRekuivalen = I (R1+R2) (1.2)
Rekuivalen = R1+R2 (1.3)
Hambatan Rekuivalen adalah ekuivalen dengan gabungan seri dari R1 + R2, dengan syarat arus rangkaian tidak berubah ketika Rekuivalen menggantikan R1 +R2.
Hambatan yang ekuivalen dari tiga resistor atau lebih dalam rangkaian seri adalah
Rekuivalen = R1 + R2 + R3 + ... (1.4)
Resistor pada Rangkaian Paralel
Gambar 1.2. Rangkaian paralel
Menurut Serway (2010), sekarang kita lihat dua resistor yang dihubungkan secara paralel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Ketika muatan mencapai titik a, yang disebut sebagai sebuah percabangan, muatan tersebut terpecah menjadi tiga bagian, ada yang melewati R1, R2, dan sisanya melewati R3. Sebuah percabangan adalah suatu titik dalam sebuah rangkaian di mana arus dapat terpecah. Perpecahan ini menghasilkan arus pada masing-masing resistor yang lebih kecil daripada arus yang keluar dari baterai. Oleh karena jumlah muatan listrik itu kekal, maka arus I yang masuk titik a harus sama dengan total arus yang keluar dari arus itu:
I = I1 + I2 + I3 (1.5)
di mana I1 adalah arus dalam R1, I2 adalah arus dalam R2, dan I3 adalah arus dalam R3.
Oleh karena itu beda potensial pada resistor adalah sama, maka persamaan ∆V= IR memberikan
I = I1 + I2 = ∆V/R1+∆V/R2 = ∆V (1/R1+1/R2) = ∆V/Rekuivalen (1.6)
Dimana R ekuivalen adalah hambatan tunggal yang ekuivalen dan akan berpengaruh sama pada rangkan ketika dua resistor dihubungkan secara paralel; artinya, hambatan ini akan dialiri arus yang sama besarnya dari baterai.
Hasil pengukuran beda potensial pada resistor R1 dan R2 (nilainya berbeda) yang disusun secara seri menunjukkan hasil yang berbeda, namun jika diukur arus yang melewati kedua resistor maka diperoleh pengukuran yang sama. Berbeda halnya jika resistor disusun secara parallel, diperoleh hasil pengukuran yang berbeda. Arus yang melalui setiap resistor berbeda, namun pengukuran tegangan pada setiap resistor sama. Fakta ini menunjukkan bahwa jenis susunan resistor menentukan besar nilai arallel tegangan dan kuat arus listrik dalam rangkaian. Pada susunan seri, resistor berfungsi sebagai pembagi tegangan, yang berarti jika tegangan pada setiap resistor dijumlahkan maka jumlahnya sama dengan besarnya tegangan sumber. Sedangkan jika resistor disusun arallel, maka resistor berfungsi sebagai pembagi arus, yang berarti jika kuat arus listrik yang melewati setiap resistor diukur, maka akan memiliki nilai yang sama dengan arus total sebelum titik percabangan (Herman & Asisten LFD: 2015).
Dalam rangkaian seri , arus yang melewati setiap hambatan sama dengan yang melewati hambatan yg lainnya. Penurunan potensial pada rangkaian setara dengan jumlah penurunan potensial pada rangkaian setara dengan jumlah penurunan potensial masing-masing. Hambatan ekuivalen dalam rangkaian seri selalu lebih besar daripada hambatan-hambatan individu terbesar.
Hambatan ekuivalen dalam rangkaian arallel selalu lebih kecil daripada hambatan-hambatan individu terkecil. Penambahan hambatan dalam rangkaian arallel mengurangi Rek rangkaian tersebut. Penurunan potensial V pada satu resistor dalam rangkaian arallel adalah sama dengan penurunan potensial dari setiap resistor lainnya. Arus yang melewati resistor ke n adalah In = V/Rn dan jumlah arus yang memasuki rangkaian tersebut sama dengan jumlah arus pada setiap cabang (Bueche: 2006).
Hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff tentang arus listrik
Pada titik cabang suatu rangkaian listrik berlaku baha jumlah arus listrik sama dengan nol.Σ I = 0 (1.8)
Perjanjian penggunaan rumus: Arus listrik yang arahnya menuju titik cabang diberi tanda positif dan yang meninggalkan titik cabang diberi tanda negatif (Supramono: 2003).
Hukum Kirchhoff tentang tegangan listrik
Dari persamaan sebelumnya pernah kita peroleh bahwa Vab = Σ I. R – Σ ε. Dikatakan rangkaian itu adalah rangkaian tertutup atau loop, jika titik a dan b bertemu, sehingga antara titik a dan titik b tidak berbeda potensial atau Va = Vb, atau Vab = 0. Dengan kata lain, Σ I.R = Σε (Supramono: 2003).D. METODE EKSPERIMEN
Alat dan Bahan
- Power Supply AC/DC 0-12 V 1 buah
- Resistor dengan nilai berbeda 2 buah
- Basicmeter 90 2 buah
- Beberapa kawat penghubung
Identifikasi Variabel
Kegiatan 1. Rangkaian SeriVariabel manipulasi : Tegangan sumber
Variabel kontrol : Hambatan (resistor)
Variabel respon : Kuat arus dan tegangan
Kegiatan 2. Rangkaian Paralel
Variabel manipulasi : Tegangan sumber
Variabel kontrol : Hambatan (resistor)
Variabel respon : Kuat arus dan tegangan
Definisi Operasional Variabel
Kegiatan 1. Rangkaian seri
Variabel manipulasi: Tegangan sumber adalah tegangan yang diatur pada power supply yang diukur menggunakan voltmeter dengan satuan volt (V).
Variabel kontrol: Resistor adalah alat yang dipasang pada rangkaian sebagai hambatan yang memiliki dua nilai yang berbeda yaitu 150 Ω dan 100 Ω.
Variabel Respon: Kuat arus listrik adalah besarnya arus yang mengalir pada rangkaian yang dihitung menggunakan amperemeter pada basicmeter dan dalam satuan ampere (A). Tegangan adalah besarnya beda potensial pada kedua ujung resistor yang diukur menggunakan voltmeter pada basicmeter menggunakan satuan volt (V).
Kegiatan 2. Rangkaian paralel
Variabel manipulasi: Tegangan sumber adalah tegangan yang diatur pada power supply yang diukur menggunakan voltmeter dengan satuan volt (V).
Variabel kontrol: Resistor adalah alat yang dipasang pada rangkaian sebagai hambatan yang memiliki dua nilai yang berbeda yaitu 150 Ω dan 100 Ω.
Variabel Respon: Kuat arus listrik adalah besarnya arus yang mengalir pada rangkaian yang dihitung menggunakan amperemeter pada basicmeter dan dalam satuan ampere (A). Tegangan adalah besarnya beda potensial pada kedua ujung resistor yang diukur menggunakan voltmeter pada basicmeter menggunakan satuan volt (V).
Prosedur Kerja
Kegiatan 1. Rangkaian seriMemastikan semua perangkat percobaan telah tersedia, dan berfungsi dengan baik. Merangkaikan perangkat percobaan (susunan seri 2 resistor) kemudian melakukan pengukuran tegangan pada sumber tegangan dan masing-masing resistor. Mengukur arus yang melewati masing-masing resistor, kemudian mencatat hasil pengukuran. Setelah itu melanjutkan pengukuran untuk nilai tegangan sumber yang berbeda.
Kegiatan 2. Rangkaian paralel
Memastikan semua perangkat percobaan telah tersedia, dan berfungsi dengan baik. Merangkaikan perangkat percobaan (susunan paralel 2 resistor), melakukan pengukuran tegangan pada sumber tegangan dan masing-masing resistor kemudian mencatat hasilnya. Mengukur arus yang menuju titik cabang dan yang menuju ke masing-masing resistor, kemudian melanjutkan pengukuran untuk nilai tegangan sumber yang berbeda.
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA
Untuk dapat melihat hasil praktikum dan analisis data silahkan klik link berikut (Hasil dan Analisis Data Rangkaian Seri dan Paralel)PEMBAHASAN
Pada kegiatan pertama, yaitu rangkaian seri, kami telah membuktikan bahwa besarnya kuat arus listrik yang mengalir pada setiap resistor adalah sama, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel hasil pengamatan. Selain itu, telah dibuktikan pula bahwa jumlah tegangan pada R1 dan R2 pada rangkaian seri sama dengan nilai tegangan sumbernya. Hal ini sesuai dengan teori tentang rangkaian seri.Berdasarkan hasil teori yang kami peroleh mengenai arus listrik pada rangkaian seri dapat dikatakan sama dengan hasil praktikum yang telah kami lakukan, dengan persentasi perbedaan terbesar adalah 43%. Sebagaimana sifat kuat arus listrik pada rangkaian seri adalah sama, baik yang sebelum melalui R1, diantara R1 & R2, dan setelah R2 adalah sama. Berdasarkan analisis perhitungan yang telah dilakukan, nilai kuat arus yang didapatkan antara lain |0,010± 0,003| A, |0,020±0,003| A, |0,034±0,003| A, dan |0,046±0,003| A. Hasil perhitungan ini berbeda dengan nilai kuat arus yang didapatkan dari hasil praktikum yaitu |0,015±0,001| A, |0,031±0,001| A, |0,047±0,001| A, dan |0,062±0,001| A.
Pada susunan seri, resistor berfungsi sebagai pembagi tegangan, yang berarti jika tegangan pada setiap resistor dijumlahkan maka jumlahnya sama dengan besarnya tegangan sumber. Pada data yang diperoleh dari percobaan yang dilakukan, jika tegangan pada R1 dan R2 dijumlahkan maka hampir sama dengan jumlah tegangan sumbernya. Kami juga telah menganalisis nilai tegangan pada setiap resistor dan membandingkannya dengan nilai yang didapatkan dari hasil praktikum. Berdasarkan hasil analisis, dapat dikatakan bahwa nilai tegangan hasil praktikum dan nilai tegangan hasil teori hampir mendekati sama. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 4.
Kemudian pada rangkaian paralel kami mengamati hubungan antara sumber tegangan dengan tegangan pada masing-masing resistor. Hasilnya adalah tegangan pada R1 dan R2 adalah sama. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa pada rangkaian paralel, tegangan masing-masing resistor sama dengan tegangan sumbernya. Adapun hasil analisis perhitungan mengenai perbandingan hasil praktikum dan teori terhadap kuat arus listrik (I) pada rangkaian paralel telah disajikan pada tabel 5.
Dari hasil tersebut, dapat kita lihat hubungan antara nilai kuat arus listrik pada masing-masing resistor dengan kuat arus total. Total kuat arus listrik sama nilainya dengan jumlah kuat arus listrik pada rangkaian. Ini berarti pada rangkaian paralel, resistor bertindak sebagai pembagi arus, di mana ketika arus telah mencapai titik percabangan, arus akan mengalami perpecahan dan terbagi sesuai dengan jumlah resistor.
Selain itu juga terlihat bahwa kuat arus listrik yang mengalir sebelum titik percabangan akan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar dari titik percabangan. Hal ini sesuai dengan pernyataan Hukum Kirchhoff tentang arus listrik.
Berdasarkan uraian di atas dapat dikatakan bahwa percobaan yang kami lakukan telah mencapai tujuannya dan hasilnya sama dengan teori yang berlaku, baik itu tentang rangkaian resistor ataupun hukum Kirchhoff. Adapun perbedaan-perbedaan kecil yang terjadi mungkin disebabkan karena kesalahan pengamat pada saat pengambilan data atau karena kondisi alat yang tidak stabil.
KESIMPULAN
Dari eksperimen tersebut kami dapat menyimpulkan beberapa hal, yaitu:
1. Terdapat dua macam rangkaian resistor, yaitu rangkaian resistor seri dan rangkaian resistor paralel. Pada rangkaian seri, resistor bertindak sebagai pembagi tegangan, artinya jumlah tegangan pada setiap resistor sama dengan tegangan sumbernya. Adapun pada rangkaian paralel, resistor bertindak sebagai pembagi arus, artinya jumlah kuat arus yang mengalir pada setiap resistor sama dengan kuat arus totalnya.
2. Pada rangkaian seri, nilai hambatan pengganti/hambatan totalnya selalu lebih besar daripada nilai hambatannya. Hal ini karena jumlah total hambatan pada rangkaian seri sama dengan jumlah nilai masing-masing hambatan. Sedangkan pada rangkaian paralel, hambatan totalnya selalu lebih kecil daripada nilai hambatannya sebab seper hambatan totalnya sama dengan jumlah seper hambatan-hambatannya.
3. Pada rangkaian paralel berlaku hukum Kirchhoff yang menyatakan bahwa jumlah arus yang masuk pada titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang pada rangkaian.
DAFTAR RUJUKAN
Bueche J Frederick. 2006. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh. Jakarta: Erlangga.Herman & Asisten LFD. 2015. Penuntun Fisika Dasar 2. Laboratorium Fisika Unit Praktikum Fisika Dasar: Makassar.
Serway, Raymond A. dan John W. Jewett. 2010. Fisika—untuk Sains dan Teknik Buku 2 Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika.
Supramono, Eddy, dkk. 2003. Fisika Dasar II. Malang: JICA.