Tegangan Jepit (GGL) : Konsep, Soal, dan Pembahasan

Sumber arus listrik atau sumber tegangan listik menghasilkan gaya gerak listrik (GGL) yang menyebabkan muatan listrik bergerak mengitari suatu rangkaian listrik.

Sumber tegangan listrik searah, misalnya elemen kering (baterai) dan aki merupakan peralatan yang kompleks sehingga muatan yang mengalir melaluinya akan mengalami hambatan. Sumber tegangan listrik memiliki hambatan yang disebut hambatan dalam. Hambatan dalam diberi simbol r. Jadi, suatu sumber tegangan dapat digambarkan dalam suatu rangkaian dengan GGL (ε) dan hambatan dalam (r).

Dalam keadaan sakelar terbuka, tidak ada arus yang mengalir pada lampu. Arus listrik hanya mengalir pada voltmeter sehingga voltmeter menunjukkan nilai tegangan tertentu. Ketika sakelar tertutup, lampu akan menyala karena adanya sejumlah arus yang mengalir dari baterai ke lampu. Pada saat itu juga voltmeter menunjukkan nilai tegangan tertentu. Besarnya tegangan ini sama dengan ketika sakelar terbuka. Tegangan yang terukur antara ujung ujung sumber arus listrik ketika mengalirkan arus disebut tegangan jepit.

Bagaimana hubungan antara sumber tegangan jepit dengan GGL? Hubungan tersebut dapat ditulis dalam persamaan:

V_jepit =  ε – I.r

Tegangan jepit dapat pula dihitung dengan menggunakan hambatan luar, R. Persamaan tegangan jepit selanjutnya di nyatakan pada:

V_jepit =  I.R

Bila kedua persamaan diatas di gabung, maka diperoleh:

V_jepit =  ε – I.r

I.R = ε – I.r

ε =  I.R + I.r

Persamaan diatas juga dapat di modifikasi menjadi:

ε =  I (R + r), atau
\[\text I = \frac{\varepsilon }{R+r}\]

dengan : 

Vjepit = tegangan jepit/tegangan yang terpakai (Volt, V)

ε = gaya gerak listrik sumber tegangan (Volt, V)

I = kuat arus (Ampere, A)

R = hambatan luar (Ohm, Ω)

r = hambatan dalam (Ohm, Ω)

Contoh Soal:

1.  Sebuah baterai mempunyai gaya gerak listrik (GGL) sebesar 12 V dan hambatan dalamnya 0,1 Ω. Jika arus yang mengalir dalam rangkaian sebesar 10 A, berapa tegangan jepit pada kedua kutub baterai?

Penyelesaian:

Diketahui:

ε      = 12 V

I       = 10 A

r       = 0,1 Ω

Ditanya: V_jepit = …?

Jawab:

Dengan menggunakan persamaan diperoleh:

V_jepit = ε – I r

= 12 Volt – (10 A x 0,1 Ω)

= 12 Volt – 1 Volt

= 11 Volt

Besarnya tegangan jepit selalu lebih kecil dibandingkan gaya gerak listrik sumbernya.

2. Sebuah akumulator memiliki gaya gerak listrik (GGL) sebesar 6 V dan hambatan dalamnya 0,1 Ω. Tentukan tegangan antara kedua terminalnya pada saat akumulator tersebut diisi dengan arus listrik sebesar 20 A.

Penyelesaian:

Diketahui:

Akumulator dilambangkan:

ε      = 6 V

I       = 20 A

r       = 0,1 Ω

Ditanya: V_jepit = …?

Jawab:

Pada saat aki digunakan, arus listrik mengalir dari B ke A. Pada saat diisi, arus listrik mengalir berlawanan arah dengan arus yang dihasilkan yaitu dari A ke B sehingga harga arus negatif.

I = - 20 A

V_jepit = ε – I r

= 6 Volt – ((-20 A) x 0,1 Ω)

= 6 Volt + 2 Volt 

= 8 Volt

Besarnya tegangan yang diperlukan untuk mengisi aki akan lebih besar dibandingkan GGL aki. Hal ini disebabkan GGL dan hambatan dalam aki dianggap sebagai beban.

3. Sebuah elemen listrik dengan GGL sebesar 12 V memiliki hambatan dalam sebesar 1 Ω. Jika elemen tersebut dihubungkan dengan sebuah lampu 5 Ω, tentukan:

a. arus yang mengalir pada lampu

b. tegangan jepit

Penyelesaian:

Diketahui: ε = 12 V, r = 1 Ω, R = 5 Ω

Ditanya:     a. I              = …?

b. V_jepit       = …?

Jawab:

a.   Besarnya arus yang mengalir

\[\text I = \frac{\varepsilon }{R+r}\]   \[\text I = \frac{12 V}{(6+1)\Omega } = 2A\]

b. Besarnya tegangan jepit

V_jepit      = ε – I r

= 12 V – (2 A x 01 Ω) = 10 Volt