Laporan Praktikum Jembatan Wheatstone

Daftar isi

Latar belakang
Tujuan Percobaan
Dasar Teori
Metodologi Percobaan
Data dan Analisa
Kesimpulan
Daftar Pustaka
Bagian Pengesahan
Lampiran

JEMBATAN WHEATSTONE

I. Latar belakang

Dalam kehidupan sehari-hari kita selalu dihadapkan dengan hal-hal yang berkaitan dengan arus listrik. Contohnya adalah kipas angin, televisi, mesin cuci, lemari es (kulkas), pendingin ruangan / AC (Air Conditioning), handphone, laptop, senter listrik, kalkulator, dan lain-lain. Jenis arus listrik terbagi menjadi dua yaitu arus listrik bolak-balik / AC (Alternating Current) dan arus listrik searah / DC (Direct Current). Arus searah (DC) mengalir secara searah dari titik yang memiliki potensial tinggi ke titik yang memiliki potensial lebih rendah dan arus listrik ini nilainya hanya positif atau hanya negatif saja (tidak berubah dari positif ke negatif atau sebaliknya), sedangkan arus bolak balik (AC) memiliki aliran arus yang berubah-ubah arahnya.

Ada beberapa hal yang mempengaruhi kinerja dari arus listrik, yaitu seperti tahanan, arus, tegangan dan lain lain. Dalam rangkaian listrik terdapat banyak sekali konfigurasi rangkaian komponen-komponen elektronika, bukan sekadar rangkaian sederhana yang hanya terdiri dari sumber tegangan dan beban, tetapi lebih dari itu. Seperti pada praktikum kali ini kami melakukan praktikum tentang rangkaian hambatan jembatan wheatstone.

Prinsip jembatan wheatstone ini digunakan pada bidang perikanan yaitu digunakan untuk menciptakan suatu alat yang dapat menggantikan tugas manusia ketika menghitung jumlah ikan saat peternakan ikan tersebut panen dan massa jualnya dalam jumlah lebih banyak dan dengan waktu yang efisien. Alat penghitung ikan itu terdiri dari mikrokontroler dalam stara (Petra, 2010).

Praktikum ini menggunakan arus searah (DC) dimana rangkaian listriknya memiliki empat hambatan. Untuk lebih jelas agar kita dapat memahami konsep maupun teori serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari maka dilakukanlah praktikum tentang rangkaian hambatan jembatan wheatstone ini.

II. Tujuan Percobaan

Memahami prinsip kerja Jembatan Wheatstone
Menyusun sendiri rangkaian Jembatan Wheatstone
Menentukan besarnya hambatan yang belum diketahui dengan Jembatan Wheatstone

III. Dasar Teori

Jembatan Wheatstone adalah alat ukur yang ditemukan oleh Samuel Hunter Christie pada 1833 dan meningkat kemudian dipopulerkan oleh Sir Charles Wheatstone pada tahun 1843. Ini digunakan untuk mengukur suatu yang tidak diketahui hambatan listrik dengan menyeimbangkan dua kali dari rangkaian jembatan, satu kaki yang mencakup komponen diketahui kerjanya mirip dengan aslinya potensiometer. Jembatan Wheatstone adalah suatu alat pengukur, alat ini dipergunakan untuk memperoleh ketelitian dalam melaksanakan pengukuran terhadap suatu tahanan yang nilainya relatif kecil sekali umpamanya saja suatu kebocoran dari kabel tanah / kortsluiting dan sebagainya (Dedy, 2012).

Jembatan DC bertipe NOL dikenal dengan nama Jembatan Wheatstone, dengan empat lengan yang terdiri dari sebuah hambatan yang belum diketahui nilainya (R_x), dua hambatan yang bernilai sama (R₂ dan R₃) serta hambatan variabel (R_V). Tegangan DC ditempatkan diantara titik AC serta hambatan variabel diatur sedemikian rupa sehingga tegangan yang terukur pada titik BD sama dengan nol. Titik nol ini biasanya diukur dengan galvanometer yang mempunyai sensitivitas tinggi (Pramono, 2014).

Jembatan Wheatstone adalah alat yang paling umum digunakan untuk pengukuran tahanan yang teliti dalam daerah 1 sampai 100.000 Ω. Jembatan Wheatstone terdiri dari tahanan R₁, R₂, R₃, dimana tahanan tersebut merupakan tahanan yang diketahui nilainya dengan teliti dan dapat diatur jika konduktor pengalir arus ditempatkan dalam medan magnet dihasilkan gaya pada konduktor yang cenderung menggerakkan konduktor itu dalam arah tegak lurus medan. Prinsip ini digunakan dalam instrumen pendeteksi arus. instrumen pendeteksi arus yang peka disebut galvanometer (Lister, 1993).

Jembatan Wheatstone merupakan suatu susunan rangkaian listrik untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harganya (besarnya). Kegunaan dari Jembatan Wheatstone adalah untuk mengukur pada suatu hambatan dengan cara arus yang mengalir pada galvanometer sama dengan nol (karena potensial ujungnya sama besar). Sehingga dapat dirumuskan dengan perkalian silang. Cara kerja dari Jembatan Wheatstone adalah sirkuit listrik empat tahanan dan sumber tegangan yang dihubungkan melalui dua titik diagonal dan pada kedua titik diagonal yang lain dimana galvanometer ditempatkan seperti yang diperlihatkan pada Jembatan Wheatstone (Pratama, 2009).

Jembatan Wheatstone merupakan sebuah metode yang digunakan untuk mengukur hambatan yang belum diketahui. Selain itu, jembatan wheatstone digunakan untuk mengoreksi kesalahan yang dapat terjadi dalam pengukuran hambatan menggunakan Hukum Ohm. Susunan rangkaian jembatan wheatstone ditunjukkan pada gambar:

jika jarum galvanometer G menunjukkan angka nol (setimbang), berarti pada galvanometer tidak ada arus listrik yang mengalir. Akibatnya, pada keadaan ini tegangan di R₁ (V_PQ) sama dengan tegangan di R₄ (V_PS) dan tegangan di R₂ (V_QR) sama dengan di R₃ (V_SR) sehingga jika G = nol, berlaku:

\begin{equation} R_1 \times R_3 = R_2 \times R_4 \tag{1} \end{equation}

persamaan di atas dikenal dengan prinsip Jembatan Wheatstone (Dudi,, 2007).

Rangkaian Jembatan Wheatstone merupakan suatu rangkaian yang terdiri dari 4 buah hambatan, sebuah meter nol (galvanometer) yang sensitif dan dihubungkan pada suatu sumber DC, seperti tampak pada gambar:

R₁, R₂, R₃, merupakan hambatan tertentu (akurat), dimana R₃ adalah hambatan variabel dan terkalibrasi untuk nilai maksimum hambatannya (hambatan standar). R₄ merupakan hambatan yang tidak diketahui nilai hambatannya yang besarnya diukur selama pengukuran, R₃ diatur sampai tidak ada arus yang melalui rangkaian galvanometer. Dimana pada kondisi ini, jembatan dikatakan dalam keadaan setimbang atau 'kesetimbangan nol' (Hikam, 2005).

Salah satunya adalah dalam percobaan mengukur regangan pada benda uji berupa beton atau baja. Dalam percobaan digunakan strain gauge, yaitu semacam pita yang terdiri dari rangkaian listrik untuk mengukur dilatasi benda uji berdasarkan perubahan hambatan penghantar di dalam strain gauge. Strain gauge ini direkatkan kuat pada benda uji sehingga deformasi pada benda uji akan sama dengan deformasi pada strain gauge. Jika suatu material ditarik atau ditekan, maka terjadi perubahan dimensi dari material tersebut sesuai dengan sifat-sifat elastisitas benda. Perubahan dimensi pada penghantar akan menyebabkan perubahan hambatan listrik, ingat persamaan:

\begin{equation} R=\rho \frac{l}{A} \tag{2} \end{equation}

perubahan hambatan ini sedemikian kecilnya, sehingga untuk mendapatkan hasil eksaknya harus dimasukkan kedalam rangkaian jembatan Wheatstone. Rangkaian listrik beserta jembatan Wheatstone-nya sudah ada di dalam strain gauge (Hugh, 2003).

Hukum ohm menyatakan 'Jika suatu arus listrik melalui suatu penghantar, maka kekuatan arus tersebut adalah sebanding-lurus dengan tegangan listrik yang terdapat di antara kedua ujung penghantar tadi'. Di pertengahan abad 19, Gustav Robert Kirchoff (1824-1887) menemukan cara untuk menentukan arus listrik pada rangkaian bercabang yang kemudian dikenal dengan hukum Kirchoff. Hukum Kirchoff berbunyi 'Jumlah kuat arus yang masuk dalam titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan'. Kemudian Hukum Kirchoff II berbunyi, 'Dalam rangkaian tertutup, jumlah aljabar GGL (E) dan jumlah penurunan potensial sama dengan nol'. Maksud dari jumlah penurunan potensial sama dengan nol adalah tidak adanya energi listrik yang hilang dalam rangkaian tersebut atau dalam arti semua energi bisa digunakan atau diserap (Damari, 2007).

Hasil eksperimen Hukum Ohm, menyatakan 'Arus dalam suatu segmen kawat sebanding dengan beda potensial yang melintasi segmen'. Kesebandingannya ditulis 1/R, dimana R disebut resistansi:

\begin{equation} I=\frac{1}{R}\cdot V \tag{3} \end{equation}

atau

\begin{equation} R=\frac{V}{I} \tag{4} \end{equation}

persamaan di atas memberikan definisi umum dari resistansi antara dua titik. Satuan SI untuk resistansi adalah volt per ampere, disebut ohm (Ω). Resistansi suatu material bergantung pada panjang, luas penampang lintang, tipe material, dan temperatur (Tipler, 2001).

Bila arus mengalir melalui kawat tembaga, arus tadi akan mendapatkan tahanan. Ilmuwan fisika ohm telah menemukan bahwa pada suhu konstan maka besarnya arus bertambah sehingga terdapat tegangan yang disampai dengan rumus:

\begin{equation} \frac{V}{I} = konstan \tag{5} \end{equation}

perbandingan yang konstan ini menurut ohm disebut tahanan dari penghantar dengan simbol R, jadi

\begin{equation} \frac{V}{I}=R \tag{6} \end{equation}

satuan tahanan adalah ohm (ω), ini merupakan tahanan untuk artus sebesar 1 Ampere melalui tahanan dengan tegangan 1 Volt. Hukum ohm ditulis dengan V = besar tegangan dan I = arus (Vander, 1985).

Hubungan R = V/I tetap sebagai definisi umum dari hambatan sebuah penghantar, tak peduli apakah hambatan itu mengikuti hukum ohm atau tidak. Ekivalen mikroskopik dari hubungan V = IR adalah E = τρ. Sebuah penghantar dikatakan memenuhi hukum ohm jika garis E terhadap j. Hukum ohm adalah sebuah sifat spesifik dari bahan-bahan tertentu dan bukan merupakan sebuah hukum umum mengenai keelektromagnetan (Halliday, 1996).

Galvanometer adalah suatu alat yang dapat mengukur arus yang sangat kecil. Galvanometer dalam proses pengerjaannya menggunakan arus gulungan putar yang terdiri dari sebuah magnet yang tidak bergerak dan sebuah potongan kawat yang merupakan satu bagian yang mudah bergerak dan dilalui arus yang hendak diukur. Pada kapal motor dilengkapi dengan lapis-lapis kutub. Lapis-lapis kutub ini ditempatkan pada sebuah inti dengan lilitan kawat yang dapat diputar dengan bebas melalui sebuah poros. Jika gulungan ini dialiri arus listrik maka akan timbul suatu kekuatan yang berakibat akan memutar gulungan itu sehingga akan membentuk sudut 90° terhadap arah kawat. Kuat arus yang berbeda dalam penghantar itu mempunyai arah mendekati dan menjadi positif. Dengan menggunakan peraturan daya jadi dapat kita ketahui bahwa gulungan tadi berputar menurut arah panah, sehingga jarum penunjuk akan menyimpang ke kanan dari angka nol (Suryanto, 1999).

Galvanometer merupakan instrumen sangat peka dan dapat mengukur arus yang sangat lemah. Galvanometer terdiri atas sebuah komponen kecil berlilitan banyak yang ditempatkan dalam sebuah medan magnet begitu rupa sehingga garis-garis medan akan menimbulkan kopel pada kumparan apabila melalui kumparan ini ada arus (Flink, 1984).

IV. Metodologi Percobaan

4.1 Alat dan Bahan

Power supply (1 buah).
Galvanometer (1 buah).
Hambatan yang diukur (1 buah).
Hambatan pembanding (5 buah).

4.2 Gambar Alat dan Bahan

—

4.3 Langkah Kerja

Susun rangkaian seperti gambar 3. Setelah rangkaian yang anda susun di setujui asisten, hubungkan catu daya ke jaringan PLN
Tempatkan probe Galvanometer di tengah-tengah kawat penghantar
ON kan posisi saklar catu daya
Letakkan probe Galvanometer diujung kiri kawat penghantar
Sentuhan probe pada kawat penghantar sambil digeser pelan-pelan ke arah kanan dan selalu memperhatikan Galvanometer
Geser probe sehingga arus yang melalui Galvanometer menjadi Nol
Catat harga L₁ dan L₂ (disertakan ketidakpastiannya)
Ulangi langkah d-e sehingga didapat pasangan L₁ dan L₂ lainnya (5-10 data)
Plot menjadi persamaan linier dan tentukan nilai hambatan yang belum diketahui secara grafik
Ulangi langkah a-I untuk harga R_a yang lain
Ulangi langkah a-I untuk harga R_a yang dihubungkan seri (gunakan hambatan di atas)
Ulangi langkah a-I untuk harga R_a yang dihubungkan paralel (gunakan hambatan di atas)

4.4 Metode Grafik

V. Data dan Analisa

5.1 Data percobaan

5.2 Analisa Data

Prinsip kerja dari percobaan ini dengan memanfaatkan Hukum Kirchoff 1 tentang arus masuk sama dengan arus keluar, sehingga dapat diketahui nilai R_x (hambatan yang belum diketahui) karena ini sama saja bahwa arus pada kedua ujung kumparan itu sama besar dan seimbang, sehingga mengakibatkan nilai nol pada alat tersebut. Prinsip ini dapat dilakukan dengan cara menggeserkan kontak logam pada kawat. Hukum Kirchoff 2, hukum ini menjelaskan jembatan dalam keadaan seimbang karena besar arus pada ke 2 ujung galvanometer sama besar sehingga saling meniadakan.

Rekomendasi Laporan lain:

Cara kerja dari percobaan ini yaitu dengan merangkai rangkaian sesuai dengan rangkaian jembatan wheatstone pada gambar 3. Kemudian nilai R_x (hambatan yang mau ditentukan) dipasang pada rangkaian bersama dengan nilai R_a yang akan divariasikan sehingga menjadi variabel bebas pada percobaan ini. Catu daya dihubungkan pada rangkaian kemudian dinyalakan. Galvanometer dipasang atau dicolokkan pada rangkaian dan probe pada galvanometer dilakukan kontak dengan kawat penghantar kemudian dihitung nilai L₁ dan L₂ (jarak kawat penghantar pada rangkaian) selanjutnya nilai hambatan R_x ditentukan melalui metode grafik, dengan variabel bebasnya adalah 1/R_a, variabel terikatnya adalah rasio antara L₂/L₁ dengan gradien (m) nya adalah R_x. Grafik pada percobaan ini linier sesuai dengan persamaan garis y = mx.

Hubungan antara L₁, L₂, R_a, dan R_x pada percobaan ini yaitu dengan melakukan perkalian silang antara R_xL₁ = R_aL₂. Pada rangkaian ini, 2 titik cabang pertemuan dalam rangkaian tidak memiliki beda potensial antara 2 titik cabang tersebut, hal ini dapat dilakukan dengan mengatur besarnya R_a dan R_b juga hambatan geser R_s maka akan dapat dicapai Galvanometer tak teraliri arus, sehingga persamaan tersebut dapat digunakan.

Berikut ini adalah gambar grafik penentuan nilai R_x yang tertera bernilai sebesar 470 Ω:

pada gambar grafik 1 diatas didapatkan gradien sebesar m = 0,4536, sehingga nilai R_x didapatkan sebesar 415,56 Ω. Hal ini berbeda sedikit dari nilai yang tertera (470 Ω) karena kesalahan-kesalahan dalam percobaan, yaitu kesalahan dalam perhitungan, adanya hambatan dalam di galvanometer, kesalahan paralaks, suhu ruangan yang mengakibatkan penambahan massa jenis, dan lain-lain.

Tabel 1 sampai dengan tabel 7 dapat diamati bahwa besar resistor mempengaruhi nilai dari L₁ dan L₂. Semakin tinggi nilai dari resistor maka L₂ akan semakin mengecil dan L₁ semakin membesar hal ini sesuai dengan persamaan pada percobaan ini:

\begin{equation} \frac{L_2}{L_1}=R_x\cdot \frac{1}{R_a} \tag{7} \end{equation}

Pada tabel 3 hambatan 1 kΩ dan 220 Ω dipasang secara paralel dan pada tabel 7 dipasang secara seri. Pada perhitungan manual didapatkan nilai R_a = 180 Ω pada tabel 3 dan R_a = 1220 Ω pada tabel 7. Saat diukur menggunakan multimeter hambatan 1 kΩ dan 220 Ω hasil pengukuran ini sesuai dengan hasil perhitungan.

VI. Kesimpulan

Prinsip dasar Jembatan Wheatstone adalah dengan memanfaatkan Hukum Kirchoff 1 tentang arus masuk sama dengan arus keluar, sehingga dapat diketahui nilai R_x (hambatan yang belum diketahui) karena ini sama saja bahwa arus pada kedua ujung kumparan itu sama besar dan seimbang, sehingga mengakibatkan nilai nol pada alat tersebut. Prinsip ini dapat dilakukan dengan cara menggeserkan kontak logam pada kawat. Hukum Kirchoff 2, hukum ini menjelaskan jembatan dalam keadaan seimbang karena besar arus pada ke 2 ujung galvanometer sama besar sehingga saling meniadakan.

Jembatan Wheatstone yang disederhanakan dapat disusun dengan cara:

Besarnya hambatan yang belum diketahui (R_x):

nilai hambatan dengan metode grafik ⟶ 416 Ω
nilai hambatan yang tertera ⟶ 470 Ω

VII. Daftar Pustaka

Damari, A., 2007. Panduan Lengkap Eksperimen Fisika. Jakarta: Wahyu Media.
Dedy, D., 2012. Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.
Flink, R.J. dan O.G. Brink., 1984. Dasar-dasar Ilmu Instrumen. Jakarta: Binacipta.
Halliday, D., 1996. Fisika Jilid 2. Jakarta: Erlangga.
Hikam, M., 2005. Eksperimen Fisika Dasar untuk Perguruan Tinggi. Jakarta: Kencana.
Hugh, D.Y., 2003. Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.
Dudi, I., 2007. Mudah dan Aktif Belajar Fisika. Bandung: PT Setia Purna.
Lister, E.C., 1993. Mesin dan Rangkaian Listrik. Jakarta: Erlangga.
Pramono, H., 2014. Panduan Praktikum Semester 2. Cirebon: Pusat Laboratorium IAIN.
Pratama, Z., 2009. Jembatan Wheatstone. http://sebuahnamauntukcinta.blogspot.com/2009/12/jembatan-wheatstone.html diakses pada 25 November 2016 pukul 17:00.
Petra, P., 2010. Jembatan Wheatstone. http://christiano23.blogspot.com/ diakses tanggal 25 November 2016, pukul 16.54.
Suryanto, S., 1999. Pengetahuan Alat Ukur dan Elektronik. Jakarta: Erlangga.
Tipler, P.A., 2001. Fisika jilid 2. Jakarta: Erlangga.
Vander, G., 1985. Rangkaian Elektro Teknik. Jakarta: Erlangga.

VIII. Bagian pengesahan

—

Hipolisis