| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.1.A |
|
Rangkaian Listrik
AP Fisika C: Listrik dan Magnetisme · Topik 11
8:44
Rangkaian Listrik
Anda menghidupkan sakelar, dan lampu menyala seketika. Jadi elektron harus berlari turun di kawat — benar? Tidak sama sekali. Di dalam kawat tembaga itu, pembawa muatan merayap…
Narasi bahasa Inggris · Subtitle bahasa Inggris + 中文 disematkan langsung
11.1
Arus Listrik
Silabus
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Arus listrik adalah laju muatan yang melewati penampang kawat, $I=\dfrac{dq}{dt}$, diukur dalam amperes. Arus konvensional menunjuk arah positif muatan akan bergerak. Secara mikroskopis, arus adalah aliran lambat banyak pembawa:
dengan $n$ jumlah pembawa per volume, $q$ muatan yang dibawanya, $v_d$ kecepatan hanyut, dan $A$ luas penampang.

Contoh terpecahkan. Kawat tembaga dengan $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ dan $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ membawa $1.7\ \text{A}$. Maka $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – pembawa bergerak lebih lambat dari siput, meskipun sinyal berjalan mendekati kecepatan cahaya.
Kepadatan arus adalah aliran muatan per satuan area, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, terkait dengan medan yang menggerakkannya melalui $\vec{E}=\rho\vec{J}$. Secara umum $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; jika $J(r)$ bervariasi di seluruh kawat, integralkan di atas penampang untuk mendapatkan arus total. Satu catatan: arus memiliki arah sepanjang kawatnya, tetapi ia adalah skalar – arus tidak dijumlahkan sebagai vektor, dan tidak ada "komponen arus".

| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ | Arus listrik |
| amperes/ˈæmpeəz/ | ampere |
| drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ | kecepatan rambat |
| cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ | luas penampang |
| Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ | Kepadatan arus |
| scalar/ˈskeɪlə/ | skalar |
| circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ | Diagram rangkaian |
| series/ˈsɪəriːz/ | seri |
11.2
Sirkuit Listrik
Silabus
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.2.A |
Boundary statement: Unless otherwise specified, all circuit schematic diagrams will be drawn using conventional current. |
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Sebuah sirkuit adalah sekumpulan loop tertutup yang dibangun dari kawat, baterai, resistor, bohlam, kapasitor, induktor, sakelar, dan meter; muatan hanya dapat mengalir mengelilingi jalur tertutup. Satu elemen dapat menjadi bagian dari beberapa loop sekaligus – itulah yang membuat masalah multi-loop menarik. Setiap analisis dimulai dengan membaca diagram sirkuit: telusuri setiap loop dan identifikasi elemen mana yang memiliki arus yang sama (seri) dan mana yang memiliki beda potensial yang sama (paralel).
Bangun rangkaian seri dan paralel
Dalam seri, arus yang sama mengalir melalui setiap bola lampu dan tegangan terbagi; dalam paralel, setiap cabang mendapat tegangan penuh. Ubah mode untuk melihat perubahan kecerahan bola lampu.
11.3
Resistansi, Resistivitas, dan Hukum Ohm
Silabus
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.3.A |
|
11.3.B |
|
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Resistansi mengukur seberapa kuat suatu objek melawan aliran muatan. Resistansi meningkat seiring dengan resistivitas material dan panjang konduktor, serta menurun seiring dengan luas permukaannya:
Hukum Ohm menghubungkan arus melalui suatu elemen dengan beda potensial di atasnya:

Contoh terpecahkan. Regangkan kawat hingga gandakan panjangnya: volumenya tetap, sehingga luasnya berkurang separuh, dan $R=\rho\ell/A$ menjadi $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – empat kali resistansi. Suatu elemen disebut ohmik jika $R$ tetap konstan (garis lurus melalui titik asal pada grafik $I$–$\Delta V$); filamen bohlam, yang memanas, tidak.
Terapkan Hukum Ohm
Hukum Ohm $V=IR$: untuk hambatan tetap, arus berbanding lurus dengan tegangan. Naikkan hambatan dan tegangan yang sama mendorong arus lebih sedikit.
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ | resistivitas |
| Ohm's law/əʊmz lɔː/ | Hukum Ohm |
| ohmic/ˈəʊmɪk/ | Ohmik |
| equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ | resistansi ekuivalen |
| ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ | Baterai ideal |
| internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ | resistansi dalam |
| terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ | Tegangan terminal |
11.4
Daya Listrik
Silabus
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: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
- 11.4.A.2 Kehebatan mentol meningkat dengan kuasa, maka kuasa boleh digunakan untuk meramal kehebatan mentol dalam litar secara kualitatif.
Pernyataan sempadan: AP Physics C: Elektrik & Magnetisme hanya mengharapkan pelajar menganalisis pemindahan tenaga mekanikal dan elektrik, walaupun pelajar harus menyedari bahawa tenaga elektrik juga boleh terlarap dalam bentuk tenaga haba.
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Muatan $q$ yang jatuh melewati beda potensial $\Delta V$ melepaskan energi $q\Delta V$, sehingga laju transfer energi dalam suatu elemen adalah
Dalam resistor semuanya berubah menjadi panas. Gunakan bentuk yang besaran-besarannya Anda ketahui sebenarnya – dan gunakan daya untuk peringkat kecerahan bohlam: lebih terang = lebih banyak daya, tidak selalu resistansi lebih besar. Dalam seri, resistansi yang lebih besar lebih terang ($P=I^2R$, arus $I$ sama); dalam paralel, yang lebih kecil yang lebih terang ($P=\Delta V^2/R$, beda potensial $\Delta V$ sama).
Baca karakteristik I-V
Daya adalah $P=IV$. Garis I-V resistor lurus, tetapi lampu melengkung saat memanas dan hambatannya naik. Area di bawah I-V berkaitan dengan energi yang disalurkan.
11.5
Sirkuit Arus Langsung Majemuk
Silabus
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.5.A |
|
11.5.B |
|
11.5.C |
Boundary statement: Unless otherwise stated, all batteries, wires, and meters are assumed to be ideal. Circuits with batteries of different potential differences connected in parallel will not be assessed. |
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Sederhanakan jaringan resistor menjadi resistansi ekuivalen: resistansi seri ditambahkan ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), sementara resistansi paralel ditambahkan sebagai resiprokal ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – selalu kurang dari cabang terkecil). Runtuhkan jaringan langkah demi langkah untuk menemukan arus baterai, lalu kembangkan kembali untuk menemukan arus dan tegangan setiap elemen.
Contoh terpecahkan. Sebuah baterai $12\ \text{V}$ mendorong arus melalui resistor $4.0\ \Omega$ dan $2.0\ \Omega$ secara seri: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, tegangan terbagi menjadi $8.0\ \text{V}$ dan $4.0\ \text{V}$, dan resistor $4.0\ \Omega$ mendissipasi $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Baterai nyata tidak ideal. Modelkan baterai sebagai baterai ideal dengan GGL $\varepsilon$ yang dirangkai seri dengan resistansi internal sendiri $r$. Ketika arus mengalir, sebagian GGL habis di dalam, sehingga tegangan terminal – apa yang dibaca voltmeter melintasi baterai sebenarnya – turun:
Contoh terpecahkan. Sebuah baterai dengan $\varepsilon=12\ \text{V}$ dan $r=0.50\ \Omega$ menyediakan $2.0\ \text{A}$: terminal-nya berada pada $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. Tanpa arus, voltmeter menunjukkan $12\ \text{V}$ penuh.
Meteran: ammeter dipasang seri pada titik di mana arusnya ingin Anda ukur (ammeter ideal: nol resistansi); voltmeter dipasang paralel melintasi elemen (voltmeter ideal: resistansi tak terhingga). Meteran non-ideal mengganggu sirkuit yang diukurnya – ammeter nyata menambah resistansi seri, voltmeter nyata mengambil arus.
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| parallel/ˈpærəlel/ | paralel |
| Resistance/rɪˈzɪstəns/ | Penolakan |
| ammeter/ˈæmiːtə/ | amperemeter |
| voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ | voltmeter |
| Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ | Aturan loop Kirchhoff |
| Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ | Aturan titik simpul Kirchhoff |
| junction/ˈdʒʌŋkʃn/ | sambungan |
| equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ | Kapasitansi ekuivalen |
| RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ | sirkuit RC |
| time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ | konstanta waktu |
| steady state/ˈstedi steɪt/ | keadaan tunak |
11.6
Aturan Loop Kirchhoff
Silabus
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.6.A |
|
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Muatan yang bergerak melalui beda potensial bertukar energi ($\Delta U_E=q\Delta V$), dan energi harus seimbang di sekitar jalur tertutup apa pun. Itu adalah aturan loop Kirchhoff:
Disiplin tanda memenangkan masalah ini: menyeberangi baterai dari $-$ ke $+$ adalah $+\varepsilon$; menyeberangi resistor searah dengan arus yang diasumsikan adalah $-IR$ (melawannya, $+IR$). Tulis satu persamaan per loop independen.
11.7
Aturan Simpul Kirchhoff
Silabus
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: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Aturan simpul Kirchhoff adalah konservasi muatan di simpul:

Bersama-sama kedua aturan tersebut menyelesaikan sirkuit multi-loop apa pun: tentukan arus untuk setiap cabang, tulis persamaan simpul, lalu persamaan loop, dan selesaikan. Jawaban negatif hanya berarti arus mengalir berlawanan dengan arah asumsi Anda.

Contoh terpecahkan. Pada sirkuit di atas, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ dengan $R_1=1.0\ \Omega$ di sebelah kiri, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ dengan $R_2=1.0\ \Omega$ di sebelah kanan, dan resistor tengah bersama $R_3=2.0\ \Omega$ yang membawa $I_3=I_1+I_2$ (aturan simpul). Dua persamaan loop adalah
Menyelesaikan: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, sehingga $I_3=4.2\ \text{A}$ melalui bagian tengah. Periksa dengan loop kedua: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.
11.8
Sirkuit Resistor-Kapasitor (RC)
Silabus
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
11.8.A |
|
11.8.B |
|
Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP
Jaringan kapasitor disederhanakan seperti resistor tetapi dengan aturan yang ditukar: kapasitansi paralel ditambahkan ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), seri ditambahkan sebagai resiprokal – dan kapasitor dalam seri harus membawa muatan yang sama di setiap pelat, oleh karena konservasi muatan. Gunakan kapasitansi ekuivalen untuk menganalisis jaringan, kemudian kembangkan kembali.
Dalam sirkuit RC RC, aturan loop Kirchhoff memberikan persamaan diferensial
yang solusinya adalah eksponensial dengan konstanta waktu $\tau=RC$:
Arus terbesar pada saat pertama dan meluruh – ia tidak pernah "menunggu" kapasitor. Pelajari dua batas: pada $t=0$ kapasitor tanpa muatan bertindak seperti kawat biasa (arus maksimum); setelah waktu lama ia terisi penuh, tidak ada arus mengalir di cabangnya, dan ia bertindak seperti pemutusan. Dalam keadaan stabil apa pun, tutup cabang kapasitor dengan jari Anda, selesaikan sirkuit resistor, lalu baca tegangan kapasitor dari elemen yang dilintasi olehnya.

Contoh terpecahkan. Dengan $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, dan baterai $10\ \text{V}$: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; arus awal $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; setelah satu konstanta waktu muatannya adalah $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, sekitar $63\%$ dari muatan penuh, dan arus telah turun ke $37\%$ dari nilainya awal.

11.8
Tips ujian
- Hubungkan arus dengan aliran muatan $I=\tfrac{dQ}{dt}$ dan gunakan $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ untuk hambatan.
- Terapkan hukum Kirchhoff (simpul: muatan; loop: energi) dengan konvensi tanda yang konsisten.
- Analisis sirkuit RC dengan kalkulus: pengisian/pengosongan menghasilkan eksponensial dengan konstanta waktu $\tau=RC$.
- Gabungkan resistor (seri tambahkan, paralel resiprokal) dan lacak daya $P=IV=I^2R$.
- Pada $t=0$ kapasitor bertindak seperti kawat; setelah waktu lama ($t\to\infty$) ia bertindak seperti cabang terbuka.
Pelajaran interaktif untuk topik ini
Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.