Arus bolak-balik (AC) adalah salah satu konsep fundamental dalam fisika listrik yang sangat relevan dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari sistem kelistrikan rumah hingga teknologi modern. Memahami materi arus bolak-balik meliputi berbagai aspek penting seperti nilai efektif dan puncak, fase tegangan dan arus, reaktansi induktif dan kapasitif, impedansi, hingga fenomena resonansi pada rangkaian RLC. Materi ini seringkali menjadi tantangan bagi siswa karena melibatkan konsep-konsep abstrak dan perhitungan yang memerlukan ketelitian. Untuk membantu Anda menguasai topik ini, kami telah menyusun serangkaian latihan soal fisika materi arus bolak-balik yang komprehensif. Latihan soal ini mencakup berbagai jenis, mulai dari pilihan ganda untuk menguji pemahaman konsep dasar, isian singkat untuk melatih ingatan terhadap definisi dan rumus, soal uraian untuk mengasah kemampuan analisis dan pemecahan masalah, hingga soal menjodohkan untuk memperkuat hubungan antar konsep. Dengan berlatih secara rutin menggunakan soal-soal ini, diharapkan Anda dapat meningkatkan pemahaman, kepercayaan diri, dan kesiapan Anda dalam menghadapi ujian atau aplikasi praktis terkait arus bolak-balik. Mari mulai jelajahi dan kuasai materi penting ini!
Contoh Soal soal fisika materi arus bolak-balik
A. Pilihan Ganda
1. Bentuk gelombang tegangan atau arus bolak-balik yang paling umum adalah…
- A. Persegi
- B. Segitiga
- C. Sinusoidal
- D. Gigi gergaji
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Tegangan dan arus bolak-balik umumnya memiliki bentuk gelombang sinusoidal.
2. Hubungan antara nilai efektif (Vef) dan nilai puncak (Vp) tegangan bolak-balik adalah…
- A. Vef = Vp × √2
- B. Vef = Vp / √2
- C. Vef = Vp × 2
- D. Vef = Vp / 2
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Nilai efektif adalah nilai puncak dibagi akar 2 (√2).
3. Sebuah tegangan AC dinyatakan dengan V = 100 sin(100πt) volt. Nilai tegangan maksimumnya adalah…
- A. 100 volt
- B. 100√2 volt
- C. 50 volt
- D. 50√2 volt
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Dalam persamaan V = Vp sin(ωt), Vp adalah nilai tegangan maksimum.
4. Dari persamaan V = 100 sin(100πt) volt, frekuensi sudut (ω) adalah…
- A. 100 rad/s
- B. 100π rad/s
- C. 50 rad/s
- D. 50π rad/s
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Dalam V = Vp sin(ωt), ω adalah frekuensi sudut.
5. Dari persamaan V = 100 sin(100πt) volt, frekuensi (f) tegangan tersebut adalah…
- A. 50 Hz
- B. 100 Hz
- C. 100π Hz
- D. 50π Hz
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: ω = 2πf, jadi 100π = 2πf → f = 50 Hz.
6. Pada rangkaian AC yang hanya mengandung resistor murni, hubungan antara tegangan dan arus adalah…
- A. Arus mendahului tegangan 90°
- B. Tegangan mendahului arus 90°
- C. Tegangan dan arus sefase
- D. Tegangan dan arus berlawanan fase
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Pada resistor murni, tegangan dan arus selalu sefase.
7. Pada rangkaian AC yang hanya mengandung induktor murni, hubungan antara tegangan dan arus adalah…
- A. Arus mendahului tegangan 90°
- B. Tegangan mendahului arus 90°
- C. Tegangan dan arus sefase
- D. Tegangan dan arus berlawanan fase
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Pada induktor murni, tegangan mendahului arus sebesar 90°.
8. Pada rangkaian AC yang hanya mengandung kapasitor murni, hubungan antara tegangan dan arus adalah…
- A. Arus mendahului tegangan 90°
- B. Tegangan mendahului arus 90°
- C. Tegangan dan arus sefase
- D. Tegangan dan arus berlawanan fase
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Pada kapasitor murni, arus mendahului tegangan sebesar 90°.
9. Reaktansi induktif (XL) sebuah induktor berbanding lurus dengan…
- A. Frekuensi dan induktansi
- B. Frekuensi dan kebalikan induktansi
- C. Kebalikan frekuensi dan induktansi
- D. Kebalikan frekuensi dan kebalikan induktansi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: XL = ωL = 2πfL. Jadi, berbanding lurus dengan frekuensi (f) dan induktansi (L).
10. Reaktansi kapasitif (XC) sebuah kapasitor berbanding terbalik dengan…
- A. Frekuensi dan kapasitansi
- B. Frekuensi dan kebalikan kapasitansi
- C. Kebalikan frekuensi dan kapasitansi
- D. Kebalikan frekuensi dan kebalikan kapasitansi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: XC = 1/(ωC) = 1/(2πfC). Jadi, berbanding terbalik dengan frekuensi (f) dan kapasitansi (C).
11. Rumus impedansi (Z) untuk rangkaian seri RLC adalah…
- A. Z = √(R² + (XL + XC)²)
- B. Z = √(R² + (XL – XC)²)
- C. Z = R + XL + XC
- D. Z = R + |XL – XC|
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Impedansi total pada rangkaian RLC seri adalah Z = √(R² + (XL – XC)²).
12. Kondisi resonansi pada rangkaian RLC seri terjadi ketika…
- A. R = 0
- B. XL = 0
- C. XC = 0
- D. XL = XC
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Resonansi terjadi saat reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif (XL = XC).
13. Rumus frekuensi resonansi (fr) pada rangkaian RLC seri adalah…
- A. fr = 1/(2π√(LC))
- B. fr = 2π√(LC)
- C. fr = 1/(LC)
- D. fr = √(LC)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Pada resonansi, XL = XC → ωL = 1/(ωC) → ω² = 1/(LC) → ω = 1/√(LC) → 2πfr = 1/√(LC) → fr = 1/(2π√(LC)).
14. Komponen dalam rangkaian AC yang mendisipasikan daya (mengubah energi listrik menjadi panas) adalah…
- A. Induktor
- B. Kapasitor
- C. Resistor
- D. Induktor dan Kapasitor
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Hanya resistor yang mendisipasikan daya dalam bentuk panas. Induktor dan kapasitor menyimpan dan melepaskan energi.
15. Faktor daya pada rangkaian AC didefinisikan sebagai…
- A. sin φ
- B. cos φ
- C. tan φ
- D. cot φ
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Faktor daya adalah cosinus dari sudut fase (φ) antara tegangan dan arus.
16. Daya rata-rata yang diserap oleh rangkaian AC adalah…
- A. Vef × Ief
- B. Vef × Ief × sin φ
- C. Vef × Ief × cos φ
- D. Vp × Ip
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Daya rata-rata (daya nyata) = Vef × Ief × cos φ.
17. Sebuah rangkaian seri RL dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Jika R = 30 Ω dan XL = 40 Ω, maka impedansi rangkaian adalah…
- A. 10 Ω
- B. 50 Ω
- C. 70 Ω
- D. 1200 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Z = √(R² + XL²) = √(30² + 40²) = √(900 + 1600) = √(2500) = 50 Ω.
18. Sebuah rangkaian seri RC memiliki R = 60 Ω dan XC = 80 Ω. Impedansi rangkaian tersebut adalah…
- A. 20 Ω
- B. 100 Ω
- C. 140 Ω
- D. 4800 Ω
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Z = √(R² + XC²) = √(60² + 80²) = √(3600 + 6400) = √(10000) = 100 Ω.
19. Jika tegangan efektif sebuah sumber AC adalah 220 V, maka tegangan puncaknya kira-kira adalah…
- A. 110 V
- B. 220 V
- C. 311 V
- D. 440 V
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Vp = Vef × √2 = 220 × 1.414 ≈ 311.08 V.
20. Pada rangkaian RLC seri, jika XL > XC, maka rangkaian bersifat…
- A. Induktif
- B. Kapasitif
- C. Resistif
- D. Resonansi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Jika XL > XC, rangkaian bersifat induktif, dan tegangan mendahului arus.
B. Isian Singkat
1. Arus bolak-balik adalah arus listrik yang arah dan besar arusnya berubah secara __________ dan __________ terhadap waktu.
Jawaban: Periodik, sinusoidal
2. Satuan internasional untuk impedansi adalah __________.
Jawaban: Ohm
3. Hasil kali antara tegangan efektif dan arus efektif pada rangkaian AC disebut daya __________.
Jawaban: Semu
4. Pada frekuensi tinggi, induktor murni akan memiliki nilai reaktansi induktif yang __________ sehingga cenderung menghambat arus.
Jawaban: Besar
5. Pada frekuensi rendah, kapasitor murni akan memiliki nilai reaktansi kapasitif yang __________ sehingga cenderung menghambat arus.
Jawaban: Besar
C. Menjodohkan
1. Jodohkan komponen rangkaian AC berikut dengan karakteristik fasenya!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Resistor murni | Tegangan dan arus sefase |
| Induktor murni | Tegangan mendahului arus 90° |
| Kapasitor murni | Arus mendahului tegangan 90° |
2. Jodohkan besaran fisika pada arus bolak-balik dengan satuan yang benar!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Impedansi | Ohm (Ω) |
| Induktansi | Henry (H) |
| Kapasitansi | Farad (F) |
| Frekuensi sudut | Radian per detik (rad/s) |
D. Uraian
1. Jelaskan perbedaan mendasar antara arus bolak-balik (AC) dan arus searah (DC) beserta contoh aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari!
Arus searah (DC) adalah arus listrik yang mengalir dalam satu arah saja dengan besar yang konstan (atau relatif konstan). Contoh: baterai, adaptor charger handphone. Arus bolak-balik (AC) adalah arus listrik yang arah dan besar arusnya berubah secara periodik, umumnya sinusoidal. Contoh: listrik PLN di rumah, generator pembangkit listrik. Perbedaan utamanya adalah arah aliran dan kemampuannya untuk ditransformasikan. AC lebih mudah ditransmisikan jarak jauh dan diubah tegangannya.
2. Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 40 Ω, L = 0.1 H, dan C = 100 µF. Jika rangkaian dihubungkan dengan sumber tegangan AC, hitunglah frekuensi resonansi rangkaian tersebut! (Gunakan π = 3.14)
Diketahui: R = 40 Ω, L = 0.1 H, C = 100 µF = 100 × 10⁻⁶ F = 10⁻⁴ F. Rumus frekuensi resonansi: fr = 1/(2π√(LC)). fr = 1/(2 × 3.14 × √(0.1 × 10⁻⁴)) = 1/(6.28 × √(10⁻⁵)) = 1/(6.28 × 0.00316) ≈ 1/(0.01985) ≈ 50.38 Hz. Jadi, frekuensi resonansi rangkaian adalah sekitar 50.38 Hz.
3. Sebuah resistor 80 Ω dan sebuah induktor 0.6 H dihubungkan seri pada sumber tegangan AC 200 V dengan frekuensi 50 Hz. Hitunglah impedansi total rangkaian dan arus efektif yang mengalir!
Diketahui: R = 80 Ω, L = 0.6 H, Vef = 200 V, f = 50 Hz. 1. Hitung reaktansi induktif (XL): XL = 2πfL = 2 × 3.14 × 50 × 0.6 = 188.4 Ω. 2. Hitung impedansi total (Z): Z = √(R² + XL²) = √(80² + 188.4²) = √(6400 + 35494.56) = √(41894.56) ≈ 204.68 Ω. 3. Hitung arus efektif (Ief): Ief = Vef / Z = 200 / 204.68 ≈ 0.977 A. Jadi, impedansi total rangkaian adalah sekitar 204.68 Ω dan arus efektifnya sekitar 0.977 A.
4. Sebuah rangkaian AC memiliki tegangan efektif 120 V dan arus efektif 2 A. Jika sudut fase antara tegangan dan arus adalah 60°, hitunglah faktor daya dan daya nyata (daya rata-rata) yang diserap rangkaian!
Diketahui: Vef = 120 V, Ief = 2 A, φ = 60°. 1. Faktor daya = cos φ = cos 60° = 0.5. 2. Daya nyata (P) = Vef × Ief × cos φ = 120 V × 2 A × 0.5 = 120 W. Jadi, faktor daya rangkaian adalah 0.5 dan daya nyata yang diserap adalah 120 W.
5. Jelaskan bagaimana perubahan frekuensi sumber AC mempengaruhi reaktansi induktif (XL) dan reaktansi kapasitif (XC)! Apa implikasinya pada rangkaian RLC?
Reaktansi Induktif (XL): XL = 2πfL. XL berbanding lurus dengan frekuensi (f). Jika frekuensi meningkat, XL juga meningkat, sehingga induktor semakin menghambat aliran arus AC. Reaktansi Kapasitif (XC): XC = 1/(2πfC). XC berbanding terbalik dengan frekuensi (f). Jika frekuensi meningkat, XC menurun, sehingga kapasitor semakin sedikit menghambat aliran arus AC. Implikasi pada Rangkaian RLC: Perubahan frekuensi akan mengubah nilai XL dan XC, yang pada gilirannya akan mengubah impedansi total (Z) dan sudut fase rangkaian. Pada frekuensi tertentu (frekuensi resonansi), XL akan sama dengan XC, menyebabkan impedansi mencapai nilai minimum (sama dengan R) dan arus menjadi maksimum. Di bawah frekuensi resonansi, rangkaian cenderung bersifat kapasitif (XC > XL). Di atas frekuensi resonansi, rangkaian cenderung bersifat induktif (XL > XC).