MAKALAH DASAR – DASAR DASAR INSTRUMENTASI INSTRUMENTASI “JEMBATAN WHEATSTONE”
Dosen Mata Kuliah
: Iwan Wicaksono, M.Pd.
Di Susun Oleh : Kelompok 1 Dinda Maulidhatul Rahma
( 160210102046 160210102046 )
Beni Aris Prasetyo
( 160210102051 160210102051 )
Nyuciati Rizky
( 160210102052 160210102052 )
Rizha Yulinda Salsabila
( 160210102056 160210102056 )
Anita Nadia Aprilina
( 160210102058 160210102058 )
Dewi Sinta Tresnowati
( 160210102062 160210102062 )
Siti Nur Indahsari
( 160210102066 160210102066 )
Nur Fadilah
( 160210102070 160210102070 )
Walidatudz Dzikro
( 160210102073 160210102073 )
PENDIDIKAN FISIKA – PENDIDIKAN PENDIDIKAN MIPA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS JEMBER 2017
KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya lah dapat menyelesaikan makalah "Jembatan Wheatstone” ini dengan sebatas pengetahuan dan kemampuan yang dimiliki. Dan juga kami berterima kasih pada Bapak Iwan Wicaksono, M.Pd., selaku Dosen mata kuliah Dasar-dasar Instrumen yang telah memberikan tugas ini. Penyusun sangat bersyukur karena telah menyelesaikan makalah yang menjadi tugas kelas Dasar-dasar Instrumen dengan judul "Jembatan Wheatstone". Disamping itu kami mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu kami selama pembuatan makalah ini berlangsung sehingga terealisasikanlah makalah ini. Demikian yang dapat kami sampaikan, semoga makalah ini bisa bermanfaat dan kami siap menerima kritik dan saran terhadap makalah ini agar kedepannya bisa diperbaiki.
Jember, 9 Oktober 2017
Penyusun
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ................................................................................. i DAFTAR ISI ................................................................................................. ii BAB 1 PENDAHULUAN ............................................................................ 1 1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah .......................................................................... 1 1.3 Tujuan ............................................................................................ 2
BAB 2 PEMBAHASAN ............................................................................... 3 2.1 Pengertian Jembatan Wheatstone .................................................... 3 2.2 Metode Jembatan Wheatstone ........................................................3 2.3 Hukum-hukum Dasar dalam Jembatan Wheatstone ...................... 5 2.4 Prinsip Kerja Jembatan Wheatstone ............................................... 6 2.5 Aplikasi Jembatan Wheatstone ...................................................... 8 2.6 Kesalahan dalam Jembatan Wheatstone.........................................9
BAB 3 PENUTUP ........................................................................................ 10 3.1 Kesimpulan .................................................................................... 10 3.2 Saran ............................................................................................... 11
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... 12
ii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Dalam kehidupan sehari-hari, kita tidak pernah lepas akan kebutuhan yang berhubungan dengan listrik. Segala bentuk kegiatan manusia membutuhkan listrik untuk menghidupkan alat-alat elektronik yang kita miliki. Dalam rangkaian listrik sederhana selalu terdapat arus, tegangan, dan tahanan. Biasanya ada tahanan yang sudah diketahui nilainya dan ada yang belum diketahui. Tahanan yang belum diketahui nilainya dapat dicari menggunakan metode Jembatan Wheatstone. Pada umumnya, jembatan wheatstone digunakan untuk mencari ketelitian terhadap suatu tahanan yang nilainya relatif kecil sekali. Rangkaian jembatan wheatstone dibentuk oleh empat buah tahanan (R) yang merupakan segiempat A-B-C-D
yang
dihubungkan
dengan
sumber
tegangan
dan
sebuah
galvanometer yang besarnya sama dengan nol (0). Tahanan-tahanan tersebut diatur sedemikian rupa sehingga galvanometer tidak akan mengadakan suatu hubungan antara keempat tahanan tersebut. Kegunaan dari jembatan wheatstone adalah untuk mengukur nilai suatu tahanan dengan cara arus yang mengalir pada galvanometer sama dengan nol yang disebabkan oleh potensial ujung-ujung tahanan sama besar, sehingga dapat dirumuskan dengan perkalian silang antar tahanan. Cara kerjanya adalah sirkuit listrik dalam empat tahanan dan sumber tegangan yang dihubungkan melalui dua titik diagonal dan pada kedua diagonal yang lain.
1.2 Rumusan Masalah
1.2.1
Apakah yang dimaksud dengan jembatan wheatstone?
1.2.2
Bagaimana metode jembatan wheatstone?
1
1.2.3
Apa
saja
hukum
yang
mendasari
rangkaian
listrik
yang
berhubungan dengan jembatan wheatstone? 1.2.4
Bagaimana prinsip kerja jembatan wheatstone?
1.2.5
Bagaimana aplikasi jembatan wheatstone?
1.2.6
Bagaimana kesalahan-kesalahan dalam jembatan wheatstone?
1.3 Tujuan
1.3.1
Mengetahui pengertian dari jembatan wheatstone
1.3.2
Mengetahui metode jembatan wheatstone
1.3.3
Mengetahui hukum dasar rangkaian listrik yang berhubungan dengan jembatan wheatstone
1.3.4
Mengetahui prinsip kerja jembatan wheatstone
1.3.5
Mengetahui aplikasi jembatan wheatstone
1.3.6
Mengetahui kesalahan-kesalahan dalam jembatan wheatstone
2
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Jembatan Wheatstone
Jembatan wheatstone merupakan alat ukur yang ditemukan oleh Samuel Hunter Christie pada tahun 1833, kemudian dipopulerkan oleh Sir Charles Wheatstone pada tahun 1843. Alat ini digunakan untuk mengukur suatu hambatan listrik yang tidak diketahui dengan menyeimbangkan dua kali dari rangkaian jembatan. Alat ukur ini digunakan untuk memperoleh ketelitian dalam melaksanakan pengukuran terhadap suatu tahanan yang memiliki nilai relatif kecil, contohnya suatu kebocoran dari kabel tanah/kartsluiting. Jembatan wheatstone adalah alat yang paling umum digunakan untuk pengukuran tahanan dengan ketelitian 1 sampai 100.000 ohm. Jembatan wheatstone terdiri dari tahanan , , , dimana tahanan tersebut merupakan tahanan yang nilainya diketahui dengan teliti dan dapat diatur. 2.2 Metode Jembatan Wheatstone
Metode disini merupakan susunan komponen-komponen elektronika yang berupa resistor dan catu daya seperti tampak pada gambar dibawah ini:
Hasil kali antara hambatan berhadapan yang satu akan sama dengan hasil kali hambatan-hambatan berhadapan lainnya jika beda potensial antara c dan d bernilai nol dengan persamaan : 3
R 1 . R 3 = R 2 . R 4
Percobaan ini dilakukan dengan mengacu pada hokum Ohm dan hukum Kirchoff I. HUKUM OHM : kuat arus (i) dalam sebatang kawat berbanding lurus dengan tegangan (v) dan berbanding terbalik dengan hambatan ( r ). H U K UM K I R C H OF F I : jumlah
arus yang menuju suatu titik cabang sama
dengan jumlah arus yang meninggalkan-nya. Berikut adalah penerapan hukum Kirchoff dan hukum Ohm untuk memperoleh persamaan R1 . R3 = R2 . R4
Persamaan di loop II I2 . R2 + I3 . R5 - I1 . R4 = 0 Persamaan di loop III I4 . R1 - I5 . R3 - I3 . R5 = 0 Jika tidak ada arus yang mengalir ke R5 (I3 = 0), maka Persamaan loop II I2 . R2 - I1 . R4 = 0 Persamaan loop III I4 . R1 - I5 . R3 = 0 Bagi persamaan di loop II dengan persamaan di loop I, maka akan di peroleh bentuk berikut
4
. − . =0 . −5 . =0
. . 4
2.3 Hukum-hukum Dasar dalam Jembatan Wheatstone
Terdapat beberapa hukum fisika yang mendasari rangkaian listrik yang berhubungan dengan jembatan wheatstone, antara lain: 1. Teori Hukum Ohm Hukum Ohm ditemukan oleh georg Simon Ohm (1825), yaitu seorang fisikawan yang berasal dari Jerman yang mempublikasikan sebuah paper yang berjudul The Galvanic Circuit Investigated Mathematically pada tahun 1827. Hukum ini tentang arus (current law), yang menyatakan bahwa “arus masuk pada satu titik percabangan akan sama dengan arus yang keluar melalui titik yang sama” dan juga “jika suatau arus listrik melalui suatu penghantar, maka kekuatan arus tersebut adalah sebanding dengan tegangan listrik yang terdapat diantara kedua ujung penghantar tadi”. Secara matematis Hukum Ohm dituliskan menjadi V = I.R atau I =
Dimana : V = tegangan listrik yang terdapat pada kedua ujung penghantar (volt) I = arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar (Ampere) R = hambatan listrik yang terdapat pada suatu penghantar (ohm) 2. Teori hukum kirchoff Hukum Kirchoff 1, yang ditemukan oleh Gustav Robert Kirchoff (18241887) yang menemukan cara untuk menentukan arus listrik pada rangkaian bercabang yang kemudian dikenal dengan Hukum Kirchoff berbungi “jumlah kuat arus yang masuk dalam titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan”. Hukum Kirchoff II berbunyi “jumlah tegangan-tengangan didalam satu rangkaian tertutup sama dengan 0 (nol)”. 5
Maksud dari jumlah tegangan sama dengan nol adalah tidak adanya energi listrik yang hilang dalam rangkaian tersebut atau dalam arti semua energi bisa digunakan atau diserap. Sehingga rumus didapatkan pada jembaran wheatstone yaitu:
R x = R v ×
L
Keteranagn: R x = hambatan yang belum diketahui (Ω) R v = hambatan yang diketahui (Ω) L1 = segmen kawat 1 (m) L2 = segmen kawat 2 (m) 3. Teori Hukum Faraday Teori ini berbunyi “konsep gaya gerak listrik pertama kali dikemukakan oleh Michael Faraday, yang melakukan penelitian untuk menentukan faktor yang mempengaruhi besarnya ggl yang diinduksi. Dia menemukan bahwa induksi sangat bergantung pada waktu, yaitu semakin cepat terjadinya perubahan medan magnetik, ggl yang diinduksi semakin besar”. 2.4 Prinsip Kerja Jembatan Wheatstone
Jembatan wheatstone adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur suatu yang tidak diketahui hambatan listriknya dengan menyeimbangkan rangkaian jembatan. Satu kaki yang menjadi komponen pada rangkaian tersebut
diketahui
kerjanya
mirip
dengan
potensiometer.
Jembatan
wheatstone adalah suatu proses menentukan nilai hambatan listrik yang presisi atau tepat dan melakukan perbandingan antara besar hambatan yang telah diketahui dengan besar hambatan yang belum diketahui yang tentunya dalam keadaan seimbang. Prinsip dasar dari jembatan wheatstone adalah keseimbangan. Sifat umum dari arus listrik adalah arus mengalir menuju popularitas yang lebih rendah. Jika terdapat persamaan polaritas antara kedua titik maka arus tidak akan mengalir dari kedua titik tersebut. 6
Dalam aplikasi dasar, tegangan dc (E) diterapkan ke Jembatan Wheatstone,
dan
galvanometer
(G)
untuk
memantau
kondisi
keseimbangannya. Nilai-nilai R1 dan R3 diketahui secara tepat, tetapi tidak harus identik. R2 adalah resistansi variabel dikalibrasi, yang saat ini nilainya dapat dibaca dari skala. Sebuah resistor yang tidak diketahui nilainya yaitu Rx terhubung sebagai sisi keempat sirkuit, dan kekuasaan diterapkan. R2 disesuaikan sampai galvanometer G membaca arus nol, pada titik titik ini Rx=
2 3 . Sirkuit ini paling sensitif ketika keempat resistor memiliki nilai 1
resistansi yang sama. Namun, sirkuit bekerja cukup baik dalam hal apapun. Jika R2 dapat bervariasi pada kisaran resistansi 10:1 dan R1 adalah nilai sama, kita dapat beralih nilai-nilai dekade dari R3 ke dalam dan ke luar dari sirkuit sesuai dengan kisaran nilai yang diharapkan dari Rx. Dengan menggunakan metode ini, dapat secara akurat mengukur nilai Rx dengan memindahkan satu multi-posisi saklar dan menyesuaikan satu potensiometer posisi. Prinsip dasar dari jembatan wheatstone didasarkan pada rangkaian yang ditunjukkan pada gambar
Dimana rangkaian yang terdiri dari : -
Sumber tegangan baterai (E)
-
Empat lengan tahanan, yaitu tahanan R1 dan R2 disebut lengan pembanding, tahanan R3 disebut lengan standar, dan tahanan Rx adalah tahanan yang tidak diketahui besarnya
-
Sebuah galvanometer yang merupakan detektor nol. 7
Besar arus yang melalui galvanometer tergantung pada beda potensial (tegangan) antara titik c dan titik d. Jembatan dikatakan setimbang, jika beda potensial pada galvanometer adalah nol, artinya tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer. Kondisi ini terjadi jika = atau = Jadi, jembatan dikatakan setimbang jika: . = . Pengukuran tahanan Rx tidak bergantung pada karakteristik atau kalibrasi galvanometer defleksi nol, asalkan detektor nol tersebut mempunyai sensitivitas yang cukup. Untuk menghasilkan posisi setimbang jembatan pada tingkat presisi yang diperlukan. Prinsip kerja jembatan wheatstone, yaitu: a. Hubungan antara resitivitas dan hambatan, yang berarti setiap penghantar memiliki besar hambatan tertentu. Dan menentukan hambatan sebagai fungsi dari perubahan suhu b. Hukum Ohm menjelaskan tentang hubungan antara hambatan, tegangan, dan arus listrik. Yang mana besar arus yang mengalir pada galvanometer diakibatkan oleh adanya suatu hambatan c. Hukum 1 dan 2 Kirchoff menjelaskan jembatan dalam keadaan setimbang karena besar arus pada kedua ujung galvanometer sama besar sehingga saling meniadakan 2.5 Aplikasi Jembatan Wheatstone
Salah satu aplikasi yang menerapkan metode jembatan wheatstone adalah dalam percobaan mengukur regangan pada benda uji yang berupa beton atau baja. Dalam percobaan kita gunakan 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. Apabila suatu material ditarik atau ditekan, maka akan terjadi perubahan dimensi dari material tersebut sesuai dengan sifat-sifat elastisitas benda. Perubahan dimensi pada pengahantar akan 8
menyebabkan perubahan hambatan listrik, ingat persamaan R =
.
Perubahan hambatan ini sedemikian kecilnya, sehingga untuk mendapatkan hasil eksaknya harus dimasukkan kedalam rangkaian jembatan wheatstone. Rangkaian listrik beserta jembatan wheatstone sudah ada di dalam strain gauge. Contoh aplikasi yang lain adalah suatu alat dalam bidang perikanan yang dapat menggantikan tugas manusia untuk menghitung jumlah ikan-ikan sehingga dapat mempercepat proses perhitungan ikan, otomatis ini dapat dihitung jumlah ikan dalam jumlah yang banyak dan dalam relatif waktu yang cepat menggunakan kawat mikron sebagai media stabilitas arus listrik (hambatannya konstan). 2.6 Kesalahan-kesalahan dalam Jembatan Wheatstone
Kesalahan-kesalahan yang muncul dalam metode jembatan wheatstone, yaitu:
Sensitivitas detektor nol yang tidak cukup
Perubahan tahanan lengan-lengan jembatan karena efek pemanasan arus melalui tahanan-tahanan tersebut. Efek pemanasan (I²R) dari arus-arus lengan jembatan dapat mengubah tahanan yang diukur. Kenaikan temperatus bukan hanya akan mempengaruhi tahanan selama pengukuran, tetapi arus yang berlebihan dapat mengakibatkan perubahan yang permanen bagi nilai tahanan.
GGL termal dalam rangkaian jembatan atau rangkaian galvanometer dapat pula mengakibatkan masalah ketika mengukur tahanan-tahanan rendah. Untuk mencegah ggl termal, kadang galvanometer yang lebih sensitif dilengkapi dengan sistem kumparan tembaga dari sistem suspensi tembaga yakni untuk mencegah pemilikan logam-logam yang tidak sama yang saling kontak satu sama lain dan untuk mencegah terjadinya ggl termal
Kesalahan karena tahanan kawat sambung dan kontak-kontak luar memegang peranan dalam pengukuran nilai-nilai tahanan yang sangat rendah.
9
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Jembatan wheatstone merupakan alat ukur yang ditemukan oleh Samuel Hunter Christie pada tahun 1833, dan dipopulerkan oleh Sir Charles Wheatstone pada tahun 1843. Jembatan Wheatstone digunakan untuk mengukur
suatu
hambatan
listrik
yang
tidak
diketahui
dengan
menyeimbangkan dua kali dari rangkaian jembatan. Terdapat beberapa hukum fisika yang mendasari rangkaian listrik yang berhubungan dengan jembatan wheatstone, antara lain: teori hukum ohm, teori hukum faraday, dan teori hukum kirchoff. Prinsip dasar dari jembatan wheatstone adalah keseimbangan. Sifat umum dari arus listrik adalah arus mengalir menuju popularitas yang lebih rendah. Dan apabila terdapat persamaan polaritas antara kedua titik maka arus tidak akan mengalir dari kedua titik tersebut. Prinsip kerja jembatan wheatstone, yaitu: a. Hubungan antara resitivitas dan hambatan, yang berarti setiap penghantar memiliki besar hambatan tertentu. Dan menentukan hambatan sebagai fungsi dari perubahan suhu b. Hukum Ohm menjelaskan tentang hubungan antara hambatan, tegangan, dan arus listrik. Yang mana besar arus yang mengalir pada galvanometer diakibatkan oleh adanya suatu hambatan c. Hukum 1 dan 2 Kirchoff menjelaskan jembatan dalam keadaan setimbang karena besar arus pada kedua ujung galvanometer sama besar sehingga saling meniadakan Salah satu aplikasi yang menerapkan metode jembatan wheatstone adalah dalam percobaan mengukur regangan pada benda uji yang berupa beton atau baja. Kesalahan-kesalahan yang muncul dalam metode jembatan wheatstone, yaitu: sensitivitas detektor nol yang tidak cukup, perubahan tahanan lengan10
lengan jembatan karena efek pemanasan arus melalui tahanan-tahanan tersebut, GGL termal dalam rangkaian jembatan dapat pula mengakibatkan masalah ketika tahanan-tahanan rendah, dan juga kesalahan karena tahanan kawat sambung dan kontak-kontak luar. 3.2 Saran
Diharapkan setelah mengerjakan tugas makalah ini, mahasiswa mampu mengetahui apa itu jembatan wheatstone, mengetahui met odenya, mengetahui prinsip
kerjanya,
dan
mengetahui
contoh
pengaplikasian
jembatan
wheatstone. Dalam membuat makalah ini terdapat banyak kekurangan di dalamnya, oleh karena itu diharapkan saran dan masukan dari pembacanya.
11
DAFTAR PUSTAKA
blogmateriperkuliahan.blogspot.co.id/2016/11/makalah-jembatanwheatstone.html?m=1 Bueche, Fredick J., dan Eugene, Hecht. 2006. Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga. Flink, R.J., dan Brink, O.G. 1984. Dasar-dasar Instrumentasi. Jakarta: Binacipta. irpanafandi.blogspot.co.id/2014/05/jembatan-wheatstone.html?m=1 Lister, Eugene C. 1993. Mesin dan Rangkaian Listrik. Jakarta: Erlangga. Sugiyono, Vani. 2009. FISIKA. Surabaya: PT Kawan Pustaka. Suryatmo, F. 1986. Teknik Listrik Pengukuran. Jakarta: Bina Aksara. Van der wol, G. 1985. Rangkaian Elektro Teknik. Jakarta: Erlangga.
12
