Hukum Ohm, Daya, dan Energi pada Resistor

Tujuan dan prasyarat

Kamu akan menghitung arus resistor ohmik, daya yang diterimanya, dan energi dalam interval waktu. Prasyaratnya adalah aljabar, satuan waktu, serta pengertian energi dan laju energi. Contoh menggunakan satu resistor ideal, sumber tegangan DC ideal, kabel tanpa hambatan, dan suhu resistor dianggap tetap sehingga hambatannya konstan. Pengamatan praktis memakai sumber tegangan rendah yang sesuai; hitungan bukan petunjuk bekerja dengan listrik rumah.

Empat besaran yang perlu dibedakan

Arus listrik adalah laju aliran muatan: $I=\Delta q/\Delta t$. I bersatuan ampere, A; q bersatuan coulomb, C. Satu ampere berarti satu coulomb per sekon. Tegangan adalah perbedaan potensial yang menyatakan perubahan energi potensial per muatan. Satuan volt, V, sama dengan J/C. Tegangan tidak “mengalir”; arus mengukur aliran muatan melalui bagian rangkaian.

Hambatan R mempunyai satuan ohm, $\Omega$. Untuk resistor ohmik pada kondisi tetap, hukum Ohm adalah $V=IR$. Di sini huruf V menyatakan tegangan, berbeda dari huruf V untuk volume pada bab massa jenis. Maka $I=V/R$: pada tegangan tetap, hambatan lebih besar memberi arus lebih kecil. Hubungan ini tidak berlaku dengan hambatan konstan untuk semua komponen, misalnya dioda atau lampu pijar yang suhunya berubah banyak.

Rangkaian tertutup diperlukan untuk mempertahankan arus melalui jalur. Pada satu resistor dengan sumber ideal, arus masuk dan keluar resistor sama dalam keadaan tunak; muatan tidak habis dimakan resistor. Resistor menerima energi listrik yang dapat berubah menjadi energi internal dan kemudian berpindah sebagai kalor ke lingkungan.

Daya berbeda dari energi

Daya $P=VI$ menyatakan laju pemindahan energi dan bersatuan watt, W. Satu watt adalah satu joule per sekon. Untuk resistor ohmik, substitusi hukum Ohm memberi $P=I^2R=V^2/R$. Jika daya tetap selama waktu t, energi $E=Pt$. Energi dalam joule memerlukan t dalam sekon. Watt bukan jumlah energi, dan jam harus dikonversi saat memakai satuan SI.

Contoh 1: arus dan daya

Resistor 6 Ω terhubung ke sumber 12 V. Langkah pertama, arus $I=12/6=2$ A. Langkah kedua, daya $P=12(2)=24$ W. Langkah ketiga, periksa dengan rumus lain: $I^2R=2^2(6)=24$ W, atau $V^2/R=144/6=24$ W. Pemeriksaan ini juga mendeteksi lupa mengkuadratkan arus. Hasil berarti resistor menerima energi 24 J setiap sekon dalam model tetap ini.

Contoh 2: energi selama lima menit

Resistor 10 Ω diberi tegangan tetap 5 V selama 5 menit. Arus $I=5/10=0{,}5$ A dan daya $P=5(0{,}5)=2{,}5$ W. Ubah waktu: $t=5(60)=300$ s. Energi $E=2{,}5(300)=750$ J. Cek melalui muatan $q=It=0{,}5(300)=150$ C. Energi per muatan adalah 5 J/C, sehingga $E=Vq=5(150)=750$ J. Kedua cara konsisten. Muatan 150 C melewati penampang selama interval tersebut, bukan berarti resistor menyimpan muatan sebesar itu.

Membaca perubahan dengan syarat yang tetap

Jika tegangan dilipatgandakan pada resistor dengan R tetap, arus menjadi dua kali dan daya menjadi empat kali. Jika arus yang dipertahankan tetap sementara hambatan berubah, hubungan daya berbeda: gunakan $P=I^2R$. Karena itu, kata “tetap” dalam soal menentukan rumus perbandingan yang sah. Jangan mengambil dua perbandingan dengan syarat berbeda lalu mencampurnya.

Kekeliruan dan cek mandiri

Resistor tidak menghabiskan arus; energi yang dipindahkan berubah bentuk. Nilai hambatan tidak dapat diganti satuan ampere. Ringkasnya, hitung I, lalu P, lalu E dengan waktu yang tepat. Coba sumber 9 V dan resistor 3 Ω selama 10 s: hasilnya 3 A, 27 W, dan 270 J. Periksa menggunakan dua bentuk rumus daya.

Sumber belajar

• OpenStax College Physics 2e — Ohm’s Law: Resistance and Simple Circuits
• OpenStax College Physics 2e — Electric Power and Energy

Penjelasan dan contoh disusun ulang untuk materi ini; sumber dapat dibuka untuk belajar lebih lanjut.