Electric Circuits · ⁨Rangkaian Listrik⁩

Tujuan Pembelajaran 11.1.A: Jelaskan pergerakan muatan listrik melalui suatu medium.

• 11.1.A.1 Arus adalah laju muatan yang melewati luas penampang kawat.
  • Persamaan: $I = \dfrac{\Delta q}{\Delta t}$
  • 11.1.A.1.i Muatan listrik bergerak dalam sirkuit sebagai respons terhadap beda potensial listrik, terkadang disebut sebagai gaya gerak listrik (electromotive force), atau $\mathrm{emf}$ ($\varepsilon$).
  • 11.1.A.1.ii Jika arus bernilai nol pada bagian kawat, maka gerakan bersih pembawa muatan dalam kawat juga nol, meskipun pembawa muatan individu tidak memiliki kecepatan nol.
• 11.1.A.2 Meskipun arus bukanlah besaran vektor, arus memiliki arah. Arah arus dikaitkan dengan apa yang akan terjadi jika muatan positif bergerak, bukan dengan sistem koordinat mana pun di ruang.
  • 11.1.A.2.i Arah arus konvensional dipilih sebagai arah di mana muatan positif akan bergerak.
  • 11.1.A.2.ii Dalam sirkuit umum, arus sebenarnya disebabkan oleh pergerakan elektron (pembawa muatan negatif).

Tujuan Pembelajaran 11.2.A: Jelaskan perilaku sebuah sirkuit.

• 11.2.A.1 Sebuah sirkuit terdiri dari loop listrik, yang dapat mencakup elemen-elemen sirkuit seperti kawat, baterai, resistor, bola lampu, kapasitor, sakelar, ammeter, dan voltmeter.
• 11.2.A.2 Loop listrik tertutup adalah jalur tertutup tempat muatan dapat mengalir.
  • 11.2.A.2.i Sirkuit tertutup adalah sirkuit di mana muatan dapat mengalir.
  • 11.2.A.2.ii Sirkuit terbuka adalah sirkuit di mana muatan tidak dapat mengalir.
  • 11.2.A.2.iii Sirkuit pendek adalah sirkuit di mana muatan dapat mengalir tanpa perubahan beda potensial.
• 11.2.A.3 Satu elemen sirkuit mungkin merupakan bagian dari beberapa loop listrik.
• 11.2.A.4 Skema sirkuit adalah representasi yang digunakan untuk menggambarkan dan menganalisis sirkuit listrik.
  • 11.2.A.4.i Properti dari sebuah sirkuit listrik bergantung pada pengaturan fisik dari elemen-elemen penyusunnya.
  • 11.2.A.4.ii Elemen-elemen sirkuit memiliki simbol-simbol umum yang digunakan untuk membuat diagram skematik. Elemen variabel ditunjukkan dengan panah coret diagonal melintasi simbol standar untuk elemen tersebut. (Simbol standar: Baterai, Bohlam, Sakelar, Kapasitor, Resistor, Ammeter, Voltmeter.)

Pernyataan Batas: Kecuali ditentukan lain, semua diagram skematik sirkuit akan digambar menggunakan arus konvensional.

Tujuan Pembelajaran 11.3.A: Jelaskan resistansi suatu objek menggunakan sifat fisik dari objek tersebut.

• 11.3.A.1 Resistansi adalah ukuran seberapa besar suatu objek menolak pergerakan muatan listrik.
• 11.3.A.2 Resistansi dari sebuah resistor dengan geometri seragam berbanding lurus dengan resistivitas dan panjangnya, serta berbanding terbalik dengan luas penampangnya.
  • Persamaan: $R = \dfrac{\rho \ell}{A}$
  • 11.3.A.2.i Resistivitas adalah sifat fundamental dari suatu material yang bergantung pada struktur atom dan molekulnya, serta mengkuantifikasi seberapa kuat material tersebut menolak pergerakan muatan listrik.
  • 11.3.A.2.ii Resistivitas konduktor biasanya meningkat seiring dengan kenaikan suhu.

Tujuan Pembelajaran 11.3.B: Jelaskan karakteristik listrik dari elemen-elemen sebuah sirkuit.

• 11.3.B.1 Hukum Ohm menghubungkan arus, resistansi, dan beda potensial pada elemen konduktif dalam sebuah sirkuit.
  • Persamaan: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
  • 11.3.B.1.i Material yang mematuhi Hukum Ohm memiliki resistansi tetap untuk semua arus dan disebut material ohmik.
  • 11.3.B.1.ii Resistivitas material ohmik tetap terlepas dari suhu.
  • 11.3.B.1.iii Resistor juga dapat mengubah energi listrik menjadi energi termal, yang dapat mengubah suhu resistor maupun lingkungan sekitarnya.
  • 11.3.B.1.iv Resistansi elemen sirkuit ohmik dapat ditentukan dari kemiringan grafik arus pada elemen tersebut sebagai fungsi dari beda potensial melintasinya.

Tujuan Pembelajaran 11.4.A: Jelaskan transfer energi masuk, keluar, atau di dalam sebuah sirkuit listrik, berdasarkan daya.

• 11.4.A.1 Laju transfer, konversi, atau pelepasan energi oleh elemen sirkuit bergantung pada arus dalam elemen tersebut dan beda potensial listrik melintasinya.
  • Persamaan: $P = I \Delta V$
  • Persamaan (turunan): $P = I^2 R = \dfrac{(\Delta V)^2}{R}$
• 11.4.A.2 Kecerahan bohlam meningkat seiring dengan peningkatan daya, sehingga daya dapat digunakan untuk memprediksi secara kualitatif kecerahan bohlam dalam sebuah sirkuit.

Tujuan Pembelajaran 11.6.A: Deskripsikan sebuah sirkuit atau elemen-elemen sirkuit dengan menerapkan aturan loop Kirchhoff.

• 11.6.A.1 Perubahan energi dalam sirkuit listrik sederhana dapat direpresentasikan dalam istilah muatan yang bergerak melalui beda potensial listrik di dalam elemen-elemen sirkuit.
  • Persamaan: $\Delta U_E = q \Delta V$
• 11.6.A.2 Aturan loop Kirchhoff merupakan konsekuensi dari kekekalan energi.
• 11.6.A.3 Aturan loop Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah beda potensial di seluruh elemen sirkuit dalam satu loop tertutup harus sama dengan nol.
  • Persamaan: $\sum \Delta V = 0$
• 11.6.A.4 Nilai-nilai potensial listrik pada titik-titik dalam sirkuit dapat direpresentasikan oleh grafik potensial listrik sebagai fungsi posisi dalam sebuah loop.

Tujuan Pembelajaran 11.7.A: Deskripsikan sebuah sirkuit atau elemen-elemen sirkuit dengan menerapkan aturan titik simpul Kirchhoff.

• 11.7.A.1 Aturan titik simpul Kirchhoff merupakan konsekuensi dari kekekalan muatan listrik.
• 11.7.A.2 Aturan titik simpul Kirchhoff menyatakan bahwa total jumlah muatan yang masuk ke sebuah titik simpul per satuan waktu harus sama dengan total jumlah muatan yang keluar dari titik simpul tersebut per satuan waktu.
  • Persamaan: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Tujuan Pembelajaran 11.8.A: Deskripsikan kapasitansi ekuivalen dari beberapa kapasitor.

• 11.8.A.1 Kumpulan kapasitor dalam suatu sirkuit dapat dianalisis seolah-olah merupakan sebuah kapasitor tunggal dengan kapasitansi ekuivalen $C_{\text{eq}}$.
  • 11.8.A.1.i Kebalikan dari kapasitansi ekuivalen dari sekumpulan kapasitor yang dirangkai seri sama dengan jumlah dari kebalikan dari kapasitansi-kapasitansi individual.
    • Persamaan: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_i \dfrac{1}{C_i}$
  • 11.8.A.1.ii Kapasitansi ekuivalen dari sekumpulan kapasitor yang dirangkai seri kurang dari kapasitansi kapasitor terkecil.
  • 11.8.A.1.iii Kapasitansi ekuivalen dari sekumpulan kapasitor yang dirangkai paralel adalah jumlah dari kapasitansi-kapasitansi individual.
    • Persamaan: $C_{\text{eq},p} = \sum_i C_i$
• 11.8.A.2 Akibat dari kekekalan muatan, masing-masing kapasitor dalam rangkaian seri harus memiliki besaran muatan yang sama pada setiap pelatnya.

Tujuan Pembelajaran 11.8.B: Deskripsikan perilaku sirkuit yang mengandung kombinasi resistor dan kapasitor.

• 11.8.B.1 Konstanta waktu $\tau$ adalah fitur penting dari sirkuit RC.
  • 11.8.B.1.i Konstanta waktu dari sirkuit RC merupakan ukuran seberapa cepat kapasitor akan mengisi atau mengosongkan muatannya dan didefinisikan sebagai $\tau = R_{\text{eq}} C_{\text{eq}}$.
  • 11.8.B.1.ii Untuk kapasitor yang sedang mengisi, konstanta waktu mewakili waktu yang diperlukan agar muatan kapasitor meningkat dari nol menjadi sekitar 63 persen dari nilai asimtotik akhirnya.
  • 11.8.B.1.iii Untuk kapasitor yang sedang mengosongkan, konstanta waktu mewakili waktu yang diperlukan agar muatan kapasitor menurun dari kondisi terisi penuh menjadi sekitar 37 persen dari nilai awalnya.
• 11.8.B.2 Beda potensial pada kapasitor dan arus dalam cabang rangkaian yang mengandung kapasitor masing-masing berubah seiring berjalannya waktu saat kapasitor mengisi dan mengosongkan, namun keduanya akan mencapai keadaan tunak setelah selang waktu yang lama.
  • 11.8.B.2.i Segera setelah dimasukkan ke dalam rangkaian, kapasitor yang belum bermuatan bertindak seperti kawat, dan muatan dapat mengalir dengan mudah masuk atau keluar dari pelat kapasitor.
  • 11.8.B.2.ii Saat kapasitor mengisi, perubahan beda potensial pada kapasitor memengaruhi muatan pada pelat kapasitor, arus dalam cabang rangkaian tempat kapasitor berada, dan energi potensial listrik yang tersimpan di dalamnya.
  • 11.8.B.2.iii Beda potensial pada kapasitor, arus dalam cabang rangkaian tempat kapasitor berada, dan energi potensial listrik yang tersimpan di dalamnya semuanya berubah terhadap waktu dan secara asimtotik mendekati kondisi keadaan tunak.
  • 11.8.B.2.iv Setelah selang waktu yang lama, kapasitor yang sedang mengisi mendekati keadaan terisi penuh, mencapai beda potensial maksimum di mana tidak ada arus dalam cabang rangkaian tempat kapasitor berada.
  • 11.8.B.2.v Segera setelah kapasitor yang bermuatan mulai mengosongkan, jumlah muatan pada pelat kapasitor dan energi yang tersimpan di dalamnya mulai berkurang.
  • 11.8.B.2.vi Saat kapasitor mengosongkan, jumlah muatan pada kapasitor, beda potensial pada kapasitor, dan arus dalam cabang rangkaian tempat kapasitor berada semuanya berkurang hingga keadaan tunak tercapai.
  • 11.8.B.2.vii Setelah pengisian atau pengosongan selama waktu yang jauh lebih besar daripada konstanta waktu, kapasitor dan cabang rangkaian yang relevan dapat dimodelkan menggunakan kondisi keadaan tunak.

Pernyataan Batas: Deskripsi tentang rangkaian RC pengisian/pengosongan dalam AP Physics 2 dibatasi pada deskripsi kualitatif dan representasi. Meskipun siswa harus mampu mendeskripsikan secara matematis keadaan awal dan akhir rangkaian RC, siswa tidak diharapkan untuk memodelkan perilaku ini secara matematis terhadap waktu.