Finoo.id – Pengertian Hukum Kirchhoff, Bunyi, Rumus & Contoh Soal. Mungkin kalian pernah melihat rangkaian listrik di dalam rumah yang terlihat cukup rumit, bukan? Hal ini dikarenakan ada banyak sekali kabel yang digunakan untuk instalasinya. Rangkaian listrik yang terpasang di dalam rumah tentu memiliki banyak titik percabangan.
Hukum Kirchhoff digunakan untuk menentukan besarnya kuat arus listrik pada setiap titik percabangan ini. Pada artikel ini, kita akan membahas pengertian hukum Kirchhoff. Simak pembahasannya di bawah ini.
Penemu Hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff adalah sebuah hukum yang pertama kali ditemukan oleh seorang ilmuwan fisika asal Jerman bernama Gustav Robert Kirchhoff. Penelitiannya sebenarnya tidak hanya berfokus pada sistem kelistrikan, tetapi juga mencakup spektroskopi dan termodinamika.
Ilmuwan ini, yang lulus dari Universitas Albertus Konigsberg pada tahun 1845, berhasil merumuskan hukum rangkaian listrik. Hingga saat ini, hukum Kirchhoff telah banyak digunakan dalam rekayasa kelistrikan.
Karya Kirchhoff
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, Kirchhoff telah memberikan kontribusi melalui tiga karya penting dalam perkembangan ilmu fisika, antara lain:
1. Hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff ditemukan oleh Gustav Robert Kirchhoff saat ia masih menjadi mahasiswa di Universitas Albertus Konigsberg pada tahun 1845.
2. Caesium dan Rubidium
Caesium adalah unsur kimia dengan simbol ‘Cs’ dalam tabel periodik dan memiliki nomor atom 55. Unsur kimia ini berbentuk logam alkali berwarna putih keemasan dan memiliki kekerasan yang rendah.
Rubidium adalah unsur kimia dengan simbol ‘Rb’ dalam tabel periodik dan memiliki nomor atom 37. Unsur kimia ini mirip dengan caesium dan termasuk dalam logam alkali (logam lunak) dengan warna perak keputihan.
3. Hukum Kirchhoff dalam Spektroskopi
Hukum Kirchhoff dalam spektroskopi terkenal dengan tiga pernyataan Kirchhoff berikut:
- Jika suatu benda gas atau cair dengan tekanan tinggi dipanaskan, maka akan menghasilkan cahaya dengan spektrum kontinu.
- Jika suatu benda gas dengan tekanan rendah dipanaskan, maka akan menghasilkan cahaya dengan spektrum emisi yang terdiri dari garis-garis terang pada panjang gelombang yang diskret, bergantung pada tingkat energi atom-atom yang ada dalam gas tersebut.
- Jika cahaya dengan spektrum kontinu melewati benda gas dingin dengan tekanan rendah, maka akan terjadi penyerapan cahaya dengan spektrum serapan yang terdiri dari garis-garis gelap pada panjang gelombang yang diskret, bergantung pada tingkat energi atom-atom yang ada dalam gas dingin tersebut.
Pengertian Hukum Kirchhoff
Pengertian hukum Kirchhoff adalah salah satu hukum dalam ilmu elektronika yang berfungsi untuk menganalisis arus dan tegangan dalam suatu rangkaian.
Terdapat banyak rangkaian listrik sederhana yang tidak dapat dianalisis hanya dengan menggantikan resistor-risitor dalam rangkaian seri atau paralel untuk menyederhanakan rangkaian yang memiliki banyak resistor.
Tegangan yang jatuh pada R1 dan R2 tentu berbeda, karena adanya sumber tegangan E2. Oleh karena itu, rangkaian kedua resistor tersebut bukanlah rangkaian seri maupun rangkaian paralel.
Karena arus yang mengalir pada kedua resistor tersebut tidak sama, terdapat dua hukum yang berlaku dalam rangkaian yang memiliki arus tetap atau konstan. Hukum-hukum tersebut adalah hukum Kirchhoff I dan Kirchhoff II.
Hukum Kirchhoff I
Hukum Kirchhoff I, juga dikenal sebagai hukum arus Kirchhoff atau Kirchhoff’s Current Law (KCL), dikenal karena memenuhi prinsip kekekalan muatan.
Hukum ini sering digunakan dalam rangkaian kompleks yang memiliki banyak titik percabangan di mana arus terbagi.
Ketika rangkaian berada dalam keadaan tetap atau tunak, tidak ada akumulasi muatan di setiap titik dalam rangkaian.
Oleh karena itu, jumlah muatan yang memasuki setiap titik akan langsung meninggalkan titik tersebut dengan jumlah yang sama.
Rumus Hukum Kirchhoff 1
Rumus hukum Kirchhoff I menyatakan bahwa jumlah arus yang memasuki suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut ((Σ Imasuk = Σ Ikeluar). Dalam notasi matematika, hal ini dapat dituliskan sebagai I1 + I3 + I4 = I2 + I5.
Dalam rangkaian listrik, kuat arus adalah jumlah muatan yang mengalir melalui penghantar listrik dalam periode waktu tertentu, yang berarti muatan listrik ini bersifat tidak berubah.
Dari pernyataan di atas, muatan listrik yang masuk dan keluar dari titik percabangan selalu memiliki nilai yang sama. Oleh karena itu, rumus Kirchhoff I juga dapat dituliskan sebagai Q1 + Q3 + Q4 = Q2 + Q3.
Secara umum, istilah “node” dalam rangkaian listrik merujuk pada koneksi atau persimpangan dua atau lebih jalur atau elemen penghantar arus seperti kabel dan komponen.
Untuk memastikan arus mengalir masuk atau keluar dari simpul, jalur rangkaian tertutup harus ada. Dalam analisis rangkaian paralel, rumus Kirchhoff I di atas dapat digunakan.
Bunyi Hukum Kirchhoff
“Jumlah arus listrik yang masuk melalui sebuah titik percabangan dalam rangkaian listrik akan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan tersebut.”
Gambar di atas merupakan ilustrasi dari hukum Kirchhoff tentang titik percabangan. Arus I1 yang mengalir ke titik percabangan A akan sama dengan I2 + I3 yang keluar dari titik percabangan tersebut.
Contoh Soal Hukum Kirchhoff 1
Perhatikan rangkaian sederhana di atas.
Diketahui:
I1 = 5A; I2 = 5A; I3 = 5A.
Ditanya: Berapakah I4 (arus yang mengalir pada AB)?
Jawaban:
Rangkaian sederhana di atas belum memberikan informasi apakah I4 merupakan arus keluar atau arus masuk. Oleh karena itu, kita perlu membuat prediksi awal. Misalnya, kita memprediksi bahwa I4 adalah arus keluar.
Arus yang masuk:
I2 + I3 = 5A + 5A = 10A
Arus yang keluar:
I1 + I4 = 5A + I4
Dari pernyataan hukum Kirchhoff bahwa jumlah arus masuk sama dengan jumlah arus keluar, kita dapat menyusun persamaan sebagai berikut:
10A = 5A + I4
Mengurangi kedua sisi persamaan dengan 5A, kita dapatkan:
I4 = 10A – 5A
I4 = 5A
Dari perhitungan di atas, didapatkan hasil positif untuk arus keluar. Ini sesuai dengan prediksi awal kita bahwa I4 adalah arus keluar. Jadi, I4 memiliki nilai 5A.
Hukum Kirchhoff II
Hukum Kirchhoff II, juga dikenal sebagai hukum tegangan Kirchhoff atau Kirchhoff’s Voltage Law (KVL), menyatakan bahwa beda potensial antara dua titik percabangan dalam sebuah rangkaian dalam keadaan tetap adalah konstan. Hukum ini dapat digunakan sebagai bukti bahwa hukum konservasi energi adalah benar.
Misalnya, jika terdapat muatan Q pada suatu titik dengan potensial V, maka energi yang dimiliki oleh muatan tersebut adalah QV.
Ketika muatan mulai bergerak melalui rangkaian, muatan yang kalian miliki dapat memperoleh tambahan energi atau kehilangan sebagian energinya saat melewati resistor, baterai, atau komponen lainnya. Namun, jika kembali ke titik awal, energi akan kembali seperti semula, yaitu QV.
Rumus Hukum Kirchhoff II
Rumus hukum Kirchhoff II adalah ∑V + ∑(I⋅R) = 0. Dalam gambaran ini, jika terdapat muatan (Q) pada titik dengan beda potensial (V), maka energi yang dimiliki oleh muatan tersebut adalah QV.
Ketika muatan berpindah (bergerak), muatan akan mendapatkan tambahan energi atau kehilangan sebagian energi saat melalui resistor, baterai, atau elemen rangkaian lainnya.
Namun, saat muatan kembali ke titik awal, energi akan kembali menjadi QV. Dalam satu rangkaian listrik, terdapat lebih dari satu rangkaian tertutup.
Dalam penerapannya pada rangkaian tertutup, terdapat aturan yang perlu diperhatikan, antara lain:
Tentukan loop (lingkaran) pada masing-masing rangkaian dengan arah tertentu.
Jika arah loop sejalan, penurunan tegangan diberi tkalian positif (+), dan jika arahnya berlawanan dengan loop, penurunan tegangan diberi tkalian negatif (-).
Jika saat mengikuti arah loop, pada sumber tegangan ditemui kutub positif lebih dulu, maka gaya gerak listrik (GGL) akan memiliki tkalian positif. Begitu pula sebaliknya, jika yang ditemui lebih dulu adalah kutub negatif, maka GGL akan memiliki tkalian negatif (-).
Saat menganalisis rangkaian listrik AC atau rangkaian DC menggunakan hukum rangkaian Kirchhoff II, penting untuk memahami dengan jelas semua istilah dan definisi yang menggambarkan komponen dalam sirkuit seperti jalur, simpul, jerat, dan loop.
Bunyi Hukum Kirchhoff
“Pada masing-masing rangkaian tertutup, jumlah beda potensial atau tegangan harus sama dengan nol (0)”.
Contoh Soal Hukum Kirchhoff II
Perhatikan gambar rangkaian listrik di bawah ini. Temukan arus yang mengalir pada resistor 40Ω, R3!
Pertama: Rangkaian ini memiliki 3 cabang, 2 simpul (A dan B), dan 2 loop independen. Dengan demikian, kita dapat merumuskan persamaan-persamaan berikut:
Simpul A: I1 + I2 = I3
Simpul B: I3 = I1 + I2
Kedua: Dengan menggunakan hukum tegangan Kirchhoff, kita dapat merumuskan persamaan KVL sebagai berikut:
Loop 1: 10 = R1 I1 + R3 I3 = 10I1 + 40I3
Loop 2: 20 = R2 I2 + R3 I3 = 20I2 + 40I3
Loop 3: 10 – 20 = 10I1 – 20I2
Ketiga: Karena I3 adalah jumlah dari I1 + I2, kita dapat memperoleh persamaan-persamaan berikut:
Persamaan 1: 10 = 10I1 + 40(I1 + I2) = 50I1 + 40I2
Persamaan 2: 20 = 20I2 + 40(I1 + I2) = 40I1 + 60I2
Keempat: Dari dua persamaan di atas, kita dapat menyelesaikan sistem persamaan simultan berikut:
Menggantikan nilai I1 ke Persamaan 2, diperoleh I2 = -0,143 Ampere
Menggantikan nilai I2 ke Persamaan 1, diperoleh I1 = +0,429 Ampere
Kelima: Karena I3 = I1 + I2, maka:
Arus yang mengalir pada resistor R3 adalah -0,143 + 0,429 = 0,286 Ampere
Tegangan yang melintasi resistor R3 adalah 0,286 x 40 = 11,44 volt
Penerapan Hukum Kirchhoff
Sama seperti hukum-hukum fisika lainnya, hukum Kirchhoff juga memiliki penerapan dalam kehidupan sehari-hari.
Namun, contoh penerapannya mungkin sulit untuk dilihat secara langsung karena berbentuk rumus, bukan komponen fisik.
Setelah memahami isi hukum Kirchhoff seperti yang dijelaskan sebelumnya, berikut ini adalah beberapa penerapannya:
- Beri label pada setiap cabang dengan arus cabang (I1, I2, I3, dst.).
- Asumsikan semua tegangan dan resistansi diberikan (V1, V2,… R1, R2, dst.).
- Temukan persamaan hukum Kirchhoff I (hukum pertama) untuk setiap simpul dalam rangkaian.
- Tetapkan arus listrik yang mengalir pada setiap cabang (searah jarum jam atau berlawanan arah).
- Temukan persamaan hukum Kirchhoff II (hukum kedua) untuk setiap loop independen dalam rangkaian.
- Dalam penerapan hukum Kirchhoff dalam kehidupan sehari-hari, kita dapat menggunakan persamaan linier simultan yang diperlukan untuk menemukan arus listrik yang tidak diketahui.
Salah satu contoh penerapannya yang jelas terlihat adalah pada rangkaian listrik, baik itu rangkaian seri maupun rangkaian paralel.
Sebagai contoh, ketika rangkaian listrik disusun secara seri, lampu yang dipasang paling dekat dengan sumber listrik akan memiliki kecerahan yang lebih tinggi.
Sementara itu, ketika rangkaian listrik disusun secara paralel, semua lampu yang dipasang akan memiliki kecerahan yang hampir sama, meskipun jaraknya dengan sumber listrik berbeda.
- Pengertian Fiber Optik, Fungsi, Jenis dan Prinsip Kerjanya
- Pengertian Tegangan Listrik, Jenis & Cara Mengukurnya
- Pengertian Relay, Fungsi, dan Cara Kerjanya Secara Lengkap
- Pengertian CMOS, Fungsi, Cara Kerja & Karakteristik Yang Tepat
Penutup
Demikianlah pembahasan finoo.id mengenai pengertian Hukum Kirchhoff. Melalui artikel ini, kita telah mendalami bahwa Hukum Kirchhoff merupakan salah satu konsep fundamental dalam dunia fisika, khususnya dalam studi rangkaian listrik.
Dua hukum Kirchhoff, yakni Hukum Kirchhoff untuk arus dan Hukum Kirchhoff untuk tegangan, memainkan peran penting dalam analisis dan desain rangkaian listrik. Pengaplikasian hukum-hukum ini memungkinkan kita untuk memahami bagaimana energi dan arus bergerak melalui rangkaian, dan membantu kita merancang dan menganalisis rangkaian listrik dengan lebih efisien.
Namun, penting untuk diingat bahwa pemahaman mendalam tentang Hukum Kirchhoff tidak hanya didapat dari pembacaan teori saja. Praktek langsung dan eksperimen merupakan bagian yang tidak terpisahkan dalam memperdalam pengetahuan ini. Oleh karena itu, selalu berusahalah untuk menerapkan apa yang telah kalian pelajari di dalam kelas ke dalam situasi nyata, dan teruslah belajar serta mencoba.
Semoga dengan penjelasan ini, pemahaman kalian tentang Hukum Kirchhoff menjadi lebih mendalam. Ingatlah bahwa dalam setiap belajar, konsistensi dan praktik adalah kunci. Selamat belajar dan teruslah berkembang. Sampai jumpa di artikel berikutnya.
