Jembatan Wheatstone [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM ALAT-ALAT UKUR LISTRIK



1



JEMBATAN WHEATSTONE (P4) Agus Jarod Widodo, Fitri Andriyani Puspitasari, Iin Istiawati, Jauzah Hidayati, Rivca Anissa, Rosi Milita, Tuti Nurlatifah, dan Bastomi Saputra Program Studi Pendidikan Fisika, Jurusan Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Lambung Mangkurat Banjarmasin Jalan Brigjen H. Hasan Basry, Banjarmasin 70123 Indonesia e-mail: [email protected] Abstrak— Percobaan ini bertujuan mengetahui prinsip kerja dari jembatan wheatstone dan menentukan nilai hambatan sebuah resistor dengan sistem jembatan wheatstone. Metode dengan mengukur panjang AD dan DC kemudian menghitung besar hambatan R2 dengan menggunakan persamaan: R2 = R1 , diperoleh nilai R2 pada percobaan pertama sebesar sebesar {(59,83 0,15) Ω, (60,63 0,15) Ω, (61,17±0,29) Ω}, percobaan kedua sebesar {(54,73 0,12) Ω, (61,87 0,14) Ω, (60,31 0,13) Ω}, pada percobaan ketiga sebesar {(58,50 0,12) Ω, (56,24 0,12) Ω, (55,58 0,12) Ω}. Prinsip kerja jembatan wheatstone yaitu menyeimbangkan tegangan yang melalui rangkaian. Ketidaktepatan hasil yang diperoleh dengan teori disebabkan karena ada beberapa kendala yaitu kabel yang digunakan longgar sehingga pembacaan skala pada multimeter berubah-ubah.



sistem sambungan jembatan wheatstone. Pada umumnya sambungan jembatan wheatstone ini terdiri dari empat buah tahanan yang masing-masing R1, R2, RX dan Rn, sebuah galvanometer dan sebuah sumber tegangan. Sumber tegangan E akan mengalirkan sejumlah kuat arus I yang akan mengalir ke tahanan-tahanan tadi. Asas utama pengukuran menggunakan jembatan Wheatstone adalah “ mengatur R1, R2, RX dan Rn sedemikian rupa sehingga sambungan jembatan tadi berada dalam keadaan setimbang (balance), dimana pada kawat cabang CD tidak akan dialiri arus listrik. Jadi, pada keadaan seimbang galvanometer G akan menunjukkan angka nol (0).



Kata Kunci— Jembatan wheatstone, Resistor, Tegangan. I. PENDAHULUAN



J



embatan wheatstone merupakan susunan rangkaian listrik untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harga atau besarnya. Kegunaan dari jembatan wheatstone adalah untuk mengukur nilai suatu hambatan dengan cara mengalirkan arus pada galvanometer agar skala pada galvanometer sama dengan nol, karena potensial ujungujungnya sama dengan besar sehingga dapat dirumuskan dengan perkalian silang. Jembatan wheatstone merupakan alat ukur yang dikemukakan oleh Samuel Hunter Christie pada tahun 1833 kemudian dipopulerkan oleh Sir Charles wheatstone pada tahun 1843. Jembatan wheatstone digunakan untuk mengukur suatu yang tidak diketahui nilai atau besar hambatan listrik yaitu dengan menyeimbangkan dua kali dari rangkaian jembatan. Satu kali yang mencakup komponen yang diketahui kerjanya mirip dengan aslinya potensiometer. Berdasarkan latar belakang diatas dapat dibuat suatu rumusan masalah yaitu “ Bagaimana prinsip kerja dari jembatan wheatstone dan berapa nilai hambatan sebuah resistor dengan sistem jembatan wheatstone?”. Adapun tujuan dari percobaan ini adalah agar mengetahui prinsip kerja dari jembatan wheatstone dan menentukan nilai hambatan sebuah resistor dengan sistem jembatan wheatstone.



Gambar 1. Sirkuit jembatan wheatstone Jika saklar ditutup dan tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer G ( jembatan), maka dikatakan jembatan itu telah seimbang. Dalam keadaan demikian, maka: I1.R1 = I3. R3 (1) I2.R2 = I4. R4 (2) Jika persamaan (1) dibagi dengan (2) diperoleh: R1/ R2 = R3/ R4 (3) jika R4 dan R3 diganti dengan kawat yang homogen maka rangkaian menjadi:



Gambar 2. Galvanometer menunjukkan titik nol II. KAJIAN TEORI Untuk mengetahui besarnya nilai resistansi dari suatu jembatan dapat ditentukan (diukur) dengan menggunakan



Dalam keadaan galvanometer menunjukkan nol maka letak D adalah titik kesetimbangan, disini berlaku: R1/ R2 = AD/DC (4)



LAPORAN PRAKTIKUM ALAT-ALAT UKUR LISTRIK



2



Jika R2 adalah hambatan yang akan ditentukan maka: R2 = R1 DC/AD [1] (5) Rangkaian jembatan wheatstone mempunyai empat lengan resitif beserta sebuah sumber ggl (baterai) dan sebuah detektor nol yang biasanya adalah galvanometer atau alat ukur sensitif lainnya.



Gambar 4. Arus pada galvanometer detektor nol.[2]



Gambar 3. Jembatan wheatstone dengan empat lengan Arus yang melalui galvanometer bergantung pada beda potensial antara titik C dan D. Jembatan disebut seimbang jika beda potensial pada galvanometer adalah nol volt, artinya tidak ada arus yang melalui galvanometer. Hal ini jika V CA = VDA atau jika VDC = VDB. Jadi; VCA = VDA I1.R1 = I2. R2 (6) Jadi arus galvanometer adalah nol, kondisi berikut juga dipenuhi: I1 = I 3 = (7) I1 = I 4 =



Didalam teori pengukuran listrik yang dimaksudkan dengan pengukuran galvanometer yaitu suatu instrumen yang dipergunakan untuk memperlihatkan arus yang lemah. Untuk menyatakan dengan jelas kadang dipisahkan untuk instrumeninstrumen yang peka (sensitif), yang banyak dipakai di laboratorium dan terutama sistem jembatan yang banyak kita jumpai. [3] Jembatan wheatstone adalah alat yang paling umum digunakan untuk pengukuran tahanan yang teliti dalam daerah 1 sampai 100.000 ohm. Jembatan wheatstone terdiri dari tahanan R1, R2, R3, dimana tahanan jembatan merupakan tahanan yang diketahui nilainya dengan teliti dan dapat diatur. Jika konduktor-konduktor yang cenderung menggerakkan konduktor itu dalam arah tegak lurus medan. Prinsip itu digunakan dalam instrumen pendeteksi arus.[4]



(8)



Dengan menggabungkan persamaan (7) dan (8), maka diperoleh: = (9) atau: R1.R4 = R2.R3 (10) Persamaan diatas merupakan suatu bentuk kesetimbangan jembatan wheatstone. Berarti jika hambatan R4 adalah hambatan yang tidak diketahui ( sebagai Rx), maka: Rx= R3 (11) Dengan: R3 = lengan standar R2 dan R1 = lengan pembanding (ratio arms) Detektor nol yang digunakan pada jembatan wheatstone harus memiliki spesifikasi yang cukup untuk menghasilkan posisi setimbang jembatan pada tingkat presisi yang diperlukan. Sumber kesalahan yang lain bisa mencakup antara lain yaitu sensitivitas detektor nol yang tidak cukup, perubahan tahanan lengan-lengan jembatan karena efek pemanasan, kesalahan karena tahanan kawat sambung dan kontak-kontak luar. Dengan menganggap bahwa tahanan dalam baterai adalah nol maka tahanan Thevenin pengganti diperoleh: RTH = R1// R3 + R2// R4 (12) RTH = (13) Bila detektor nol dihubungkan ke terminal keluaran rangkaian pengganti Thevenin, arus galvanometer menjadi:



III. METODE PERCOBAAN Pada percobaan jembatan wheatstone ini diperlukan peralatan seperti dua buah baterai, sebuah galvanometer, dua buah stand baterai, dua buah resistor keramik (27 Ω, 39 Ω, dan 47 Ω), satu set jembatan dengan kotak geser, sebuah meteran, sepuluh buah kabel penghubung, sebuah resistor gelang, dan sebuah multimeter.



Adapun rumusan hipotesis dalam percobaan ini yaitu jika R1 (hambatan sumbar) yang digunakan dalam percobaan diperbesar, maka panjang AD (pengganti R3 ) yang dihasilkan juga semakin besar, tetapi panjang DC (pengganti R4) semakin kecil, R2 nya tetap. Identifikasi variabel terbagi menjadi tiga yaitu variabel manipulasi, variabel respon dan variabel kontrol. Pada



LAPORAN PRAKTIKUM ALAT-ALAT UKUR LISTRIK percobaan ini telah ditentukan identifikasi dan definisi operasional variabel, dimana pada percobaan jembatan wheatstone variabel yang dimanipulasi adalah R1 (hambatan sumbar) yaitu hambatan atau tahanan merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk menahan atau menghambat arus yang melewati rangkaian agar arus yang masuk sesuai dengan kebutuhan, dimana hambatan tersebut dinyatakan dalam satuan ohm. Pada percobaan ini dengan mengubahubah besar tahanan sebanyak tiga kali yaitu sebesar 27Ω, 39Ω, dan 47Ω dengan menggunakan resistor keramik. Variabel responnya adalah panjang AD dan DC yaitu panjang AD dan DC merupakan jarak yang diukur dari titik A ke titik D dan dari titik D ke titik C yang diukur dengan menggunakan meteran yang dinyatakan dalam satuan meter. Dan variabel kontrolnya adalah tegangan sumber (Vs) didefinisikan sebagai beda potensial yang digunakan untuk mengalirkan arus dalam rangkaian, dinyatakan dalam satuan volt yang mana pada percobaan menggunakan sumber tegangan berupa baterai sebesar 3 volt, jenis jembatan, galvanometer, resistor gelang dengan resistansi 1,5±5 Ω, R2 dan kabel penghubung sebanyak 10 buah. Adapun prosedur kerja dalam percobaan ini yaitu menyusun rangkaian seperti pada gambar 5, yaitu AC adalah jembatan dengan kotak geser D, R adalah hambatan, R1 adalah hambatan sumbat dan R2 adalah hambatan yang tidak diketahui nilainya. Menentukan hambatan R1 dengan mencabut salah satu hambatan sumbar, menghubungkan saklar dan menggeser kotak geser sepanjang kawat homogen AC sehingga galvanometer menunjukkan nilai nol. Mengukur panjang AD dan DC, memutuskan saklar dan mengubah besar R1 kemudian menutup saklar dan menggeser kotak geser sehingga galvanometer kembali menunjukkan nol. Mengulangi langkah perobaan tersebut dengan R1 yang berbeda-beda yaitu sebesar 27Ω, 39Ω, dan 47Ω, mencatat hasilnya pada tabel pengamatan, menghitung R2 untuk setiap percobaan.



Gambar 5. Rangkaian percobaan jembatan wheatstone Teknik Analisis Teknik analisis yang digunakan dalam percobaan ini adalah sebagai berikut:  Untuk menentukan nilai hambatan R2 digunakan persamaaan berikut: Ω (14)



3 



Untuk menentukan nilai ketidakpastian hambatan R2 digunakan persamaaan berikut: ∆







Ω Untuk menentukan nilai kesalahan relatif persamaaan berikut:



KR = 



(15) digunakan (16)



Untuk menentukan nilai derajat digunakan persamaaan berikut:



ketidakpastian



DK = 100 -KR PF = ( )Ω



(17) (18)



IV. HASIL DAN PEMBAHASAN NST Multimeter : 0,01 volt NST Meteran : 0,1 cm ; ∆l : 0,05 cm Nilai teori R2 : (56,30 0,01) Ω Tabel 1. Hasi pengamatan percobaan jembatan wheatstone (lAD 0,05) (lDC 0,05) Percobaan (R1 0,01)Ω .10-2 m .10-2m 34,00 68,50 Pertama 29,70 33,70 68,80 33,50 69,00 42,00 60,50 Kedua 38,00 39,00 63,50 39.50 62,70 45,50 57,00 Ketiga 46,70 46,50 56,00 46,80 55,70 Tabel 2. Hasil perhitungan percobaan jembatan wheatstone Percobaan PF (Ω) KR ( ) DK ( ) 0,254 99,746 (59,83 0,15) Pertama 0,254 99,746 (60,63 0,15) 0,475 99,525 (61,17 0,29) 0,228 99,772 (54,73 0,12) Kedua 0,323 99,768 (61,87 0,14) 0,231 99,169 (60,31 0,13) 0,217 99,783 (58,50 0,12) Ketiga 0,217 99,783 (56,24 0,12) 0,217 99,783 (55,58 0,12) Pada percobaan jembatan wheatstone variabel yang dimanipulasi adalah R1 (hambatan sumbar) yaitu sebanyak 3 kali sebesar 27 Ω, 39 Ω, dan 47 Ω, jika diukur dengan menggunakan multimeter sebesar (29,70±0,01)Ω, (38,00±0,01)Ω dan (46,70±0,01)Ω. Pada percobaan pertama diambil data pengamatan sebanyak 3 kali, begitu juga dengan percobaan kedua dan ketiga seperti yang terlihat pada tabel 1. Nilai hambatan R2 pada percobaan pertama dengan R1 27 Ω dan dihitung dengan menggunakan persamaan (R2 = R1 ) diperoleh berturut-turut sebesar (59,83 0,15)Ω, (60,63 0,15)Ω, (61,17±0,29)Ω, dengan kesalahan relatif (KR)



LAPORAN PRAKTIKUM ALAT-ALAT UKUR LISTRIK berturut-turut sebesar 0,254 , 0,254 , 0,475 , pada percobaan kedua dengan R1 39Ω diperoleh nilai hambatan R2 sebesar (54,73 0,12)Ω, (61,87 0,14)Ω, (60,31 0,13)Ω dengan kesalahan relatif (KR) berturut-turut sebesar 0,228 , 0,232 , dan 0,231 , sedangkan pada percobaan ketiga dengan R1 47Ω diperoleh nilai hambatan R2 sebesar (58,50 0,12)Ω, (56,24 0,12)Ω, dan (55,58 0,12)Ω dengan kesalahan relatif berturut-turut sebesar 0,217 , 0,217 , 0,217 . Pada percobaan pertama nilai hambatan R2 yang paling mendekati dengan nilai teoritis (56,30 0,01)Ω adalah sebesar (60,63 0,15)Ω dengan memakai hambatan R1 sebesar 27Ω dengan kesalahan relatif (KR) sebesar 0,254 , pada percobaan kedua nilai hambatan R2 yang paling mendekati adalah sebesar (54,73 0,12)Ω dengan memakai hambatan R1 sebesar 39Ω dengan kesalahan relatif (KR) sebesar 0,228 , sedangkan pada percobaan ketiga nilai hambatan R2 yang paling mendekati adalah sebesar (56,24 0,12)Ω dengan memakai hambatan R1 sebesar 47Ω dengan kesalahan relatif (KR) sebesar 0,217 . Jika hasil percobaan yang diperoleh kita bandingkan dengan hipotesis yang telah dibuat sebelumnya yaitu “Jika R1 (hambatan sumbar) yang digunakan pada percobaan diperbesar maka panjang AD (pengganti R1 ) yang dihasilkan juga semakin besar akan tetapi panjang DC ( pengganti R4 ) akan semakin kecil, R2 nya akan tetap”, maka akan sedikit berbeda, perbedaannya adalah pada nilai R2 yang dihasilkannya. Pada percobaan nilainya selalu berubah sesuai dengan nilai R1 yang digunakan pada percobaan, panjang AD dan panjang DC nya. Nilai R2 pada masing-masing percobaan dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 3. Nilai hambatan R2 jembatan wheatstone Perc. 1 (Ω) Perc. 2 (Ω) Perc. 3 (Ω) (59,83 0,15) (54,73 0,12) (58,50 0,12) (60,63 0,15) (61,87 0,14) (56,24 0,12) (61,17 0,29) (60,31 0,13) (55,58 0,12) Ketidaktepatan hasil yang diperoleh disebabkan karena ketidakmahiran praktikan dalam menggunakan alat. Kabel penghubung yang longgar juga menyebabkan hasil pembacaan pada multimeter berubah ketika terjadi getaran dan kurang telitinya praktikan dalam membaca skala alat ukur.



V. SIMPULAN Adapun tujuan dari percobaan ini adalah agar mengetahui prinsip kerja dari jembatan wheatstone dan menentukan nilai hambatan sebuah resistor dengan sistem jembatan wheatstone. Prinsip kerja dari jembatan wheatstone yaitu hubungan antara resitivitas dan hambatan yang berarti setiap penghantar memiliki besar hambatan tertentu dan menentukan hambatan sebagai fungsi dari perubahan suhu, hukum ohm yang menjelaskan tentang hubungan antara hambatan, hukum kirchoff 1 dan 2, yang mana sesuai dari hukum ini menjelaskan jembatan dalam keadaan seimbang karena besar arus pada kedua ujung galvanometer sama besar sehingga saling meniadakan.



4 Hambatan R2 pada percobaan pertama yang dihitung dengan menggunakan persamaan (R2 = R1 ) diperoleh berturutturut sebesar (59,83 0,15) Ω, (60,63 0,15) Ω, (61,17±0,29) Ω, pada percobaan kedua sebesar (54,73 0,12) Ω, (61,87 0,14) Ω, dan (60,31 0,13) Ω sedangkan pada percobaan ketiga sebesar (58,50 0,12) Ω, (56,24 0,12) Ω, dan (55,58 0,12) Ω. Hal ini tidak sesuai dengan teori bahwa nilai hambatan R2 selalu tetap yaitu sebesar (56,30 0,01) Ω. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis A.J.W. mengucapkan rasa syukur kepada Allah SWT karena berkat rahmat-Nya laporan ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya dan penulis ucapkan terima kasih kepada asisten praktikum Percobaan Jembatan Wheatstone (P4) yaitu Bastomi Saputra yang telah memberikan panduan serta bimbingan saat melakukan percobaan dan juga penulis ucapkan terima kasih kepada rekan-rekan praktikum satu kelompok yaitu kelompok 3 yang telah bekerjasama dalam menyelesaikan percobaan ini. Tak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada Bapak Abdul Salam M., M.Pd selaku dosen pembimbing yang telah memberikan pengarahan serta bimbingannya sehingga percobaan ini dapat berjalan dengan lancar. DAFTAR PUSTAKA [1]



Lister, Eugene Jakarta:Erlangga.



C.1993.Mesin



dan



Rangkaian



Listrik.



[2]



Suryatmo,F.1974.Teknik untuk Pengukran.Jakarta:Bina Aksara.



[3]



Tim Dosen Alat-alat Ukur Listrik.2015.Penuntun Praktikum Alat-alat Ukur Listrik.Banjarmasin:FKIP UNLAM.