Lap. Fisika Dasar II - Kawat Pijar Lampu Listrik

LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA DASAR II

KAWAT PIJAR LAMPU LISTRIK

Disusun oleh :

Nama / NIM : Alutsyah Luthfian (11/312776/PA/13577)

Prodi : Geofisika

No Urut Praktikum : 23B

Nama Partner I : Ekrar Winata (11/311642/PA/13550)

Nama Partner II : Indriani Savitri (11/312781/PA/13579)

Nama Partner III : Daniek Kurniawati (11/312832/PA/13591)

Hari Tanggal Praktikum : Kamis, 10 Mei 2012

Asisten : Muflihatun

LABORATORIUM FISIKA DASAR

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2012

L.3 KAWAT PIJAR LAMPU LISTRIK

I. LATAR BELAKANG

A. Latar Belakang

Semua bahan yang temperaturnya berada di atas 0 K pasti mampu menyerap

dan memancarkan radiasi. Hubungan antara daya radiasi benda (P) dan temperatur

benda (T) tersebut ditemukan oleh Josef Stefan secara empiris pada tahun 1879,

dan kemudian dirumuskan secara matematis oleh Ludwig Boltzmann sehingga

muncullah persamaan berikut.

Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzmann. Pada formula di

atas, e merupakan emisivitas bahan, dan A merupakan luasan bahan. Lambang σ

sendiri didefinisikan sebagai konstanta Stefan-Boltzmann yaitu sebesar 5,6703

×10-8

W∙(m-2

T-4

).

Di dalam setiap lampu pijar, terdapat filamen wolfram. Filamen wolfram dalam

lampu tersebut memiliki nilai hambatan tertentu (R), sehingga ketika filamen

tersebut dialiri arus listrik sebesar I maka energi panas akan terkumpul padanya.

Representasi dari energi panas tersebut adalah radiasi cahaya tampak sebesar P

yang dipancarkan filamen wolfram. Jika besar radiasi P ini mendekati atau sesuai

dengan hukum Stefan-Boltzmann, maka filamen wolfram pada lampu pijar dapat

menjadi salah satu contoh penerapan hukum yang baik dan mudah didapat.

B. Tujuan

Menyelidiki karakteristik filamen wolfram pada lampu pijar.

II. DASAR TEORI

Hukum Stefan-Boltzmann merupakan sebuah hukum yang mampu

menyatakan hubungan antara daya radiasi yang dipancarkan benda dengan

emisivitas tertentu dan temperatur benda tersebut. Jika dinyatakan ke dalam bahasa

matematika, hukum Stefan-Boltzmann adalah sebagai berikut.

Filamen wolfram pada lampu pijar merupakan salah satu benda yang

memancarkan radiasi jika dipanaskan. Berdasarkan hal tersebut, Edmonds

melakukan percobaan menyelidiki hukum Stefan-Boltzmann dengan menggunakan

lampu pijar dengan watt rendah dan jembatan wheatstone. Dari percobaan tersebut,

Edmonds mendapatkan bahwa penyerapan energi radiasi filamen oleh arus

konveksi dalam bola lampu bisa diabaikan. Wray pada tahun 1975 melakukan

percobaan sebagaimana Edmonds, namun dengan skema rangkaian yang lebih

simpel dan ia juga menguji hukum Stefan-Boltzmann pada lampu-lampu dengan

watt yang lebih tinggi (60 W, 240 V). Skema rangkaian pada percobaan Wray

memakai autotransformator, amperemeter, dan voltmeter. Dari pembacaan arus dan

tegangan, Wray mampu mengetahui energi disipasi dan menyusun grafik R-T yang

linear. Wray juga menyatakan bahwa kehilangan energi radiasi akibat proses

konveksi di dalam bola lampu tidak dapat diabaikan dalam kondisi percobaan

apapun.

Menurut buku Handbook of Chemistry and Physics, emisivitas dari kawat

wolfram sangat bergantung pada temperaturnya. Maka dari itu, perumusan dari

hukum Stefan-Boltzmann perlu disesuaikan untuk percobaan “kawat pijar lampu

listrik” ini. Walaupun hasil percobaan Wray mengungkapkan bahwa radiasi yang

dipancarkan bola lampu sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann, namun Wray

sendiri mengakui asumsinya tentang emisivitas kawat wolfram yang dipakainya

salah. Percobaan yang dilaksanakan Prasad dan Mascarenhas (1976) memenuhi

hipotesis bahwa P pada kawat wolfram lampu pijar proporsional dengan T5

dikarenakan karakteristik emisivitias kawat wolfram yang unik.

Hubungan antara hambatan (R) dan suhu (T) filamen wolfram, sebagaimana

tertera dalam buku Electron and Nuclear Physics, adalah sebagai berikut.

∙ (

)

Dengan R273 adalah hambatan kawat wolfram pada suhu 0oC. Hal ini sejalan

dengan percobaan yang dilakukan oleh Prasad dan Mascarenhas dan data-data

yang disediakan oleh Dow (1952) yang menyatakan bahwa R∝T1,2

.

III. METODE EKSPERIMEN

A. Metode yang Digunakan

Metode percobaan yang kami gunakan adalah seperti metode percobaan yang

telah dilaksanakan oleh Wray, yakni mengetahui karakteristik filamen wolfram

pada lampu pijar dengan menggunakan rangkaian voltmeter, Lampu, dan

amperemeter (dalam percobaan kami miliamperemeter). Autotransformator pada

percobaan Wray kami ganti dengan Variac. Pada percobaan kami, data yang

dijadikan variabel bebas adalah tegangan dan data yang menjadi variabel terikat

adalah arus listrik. Kemudian data-data tersebut kami logaritmakan dengan basis e,

sehingga bisa di plot secara linear pada grafik dan ralatnya dapat diketahui dengan

regresi linear. Dari hasil plot pada grafik dan regresi linear dapat diketahui apakah

hasil percobaan kami mendekati hukum Stefan-Boltzmann ataukah mengikuti

asumsi dari Prasad dan Mascarenhas.

B. Alat dan Bahan

1. Sumber listrik PLN

2. Variac

3. Miliamperemeter

4. Voltmeter

5. Lampu pijar “DOP” 60 W dan 40 W

6. Fitting lampu

7. Kabel

C. Skema Percobaan

Gambar 1 Skema percobaan untuk rangkaian 1.

Variac

Gambar 2 Skema percobaan untuk rangkaian 2.

D. Tata Laksana Percobaan

1. Variac, miliamperemeter, voltmeter, bola lampu 40 W dan 60 W disiapkan.

2. Variac dihubungkan ke listrik PLN dan saklar digeser ke posisi “ON”.

3. Variac ditunggu sebentar agar siap digunakan, dan pengatur voltase

diposisikan pada 0 V.

4. Variac, miliamperemeter, voltmeter, dan fitting lampu disusun dan dihubung-

hubungkan sesuai gambar 1.

5. Bola lampu pijar “DOP” 60 W dipasangkan ke fitting.

6. Variac diputar hingga Voltmeter menunjuk ke angka 10 V.

7. Data tegangan dari voltmeter dan data arus dari miliamperemeter dicatat.

8. Langkah 6 dan 7 diulangi hingga terkumpul 10 data. Untuk setiap pemutaran

variac, tegangan rangkaian naik 10 V dari sebelumnya.

9. Pengatur tegangan pada variac diatur kembali ke 0 V.

10. Bola lampu pada fitting diganti “DOP” 40 W.

11. Langkah 6, 7, 8 diulangi kembali.

12. Pengatur tegangan variac diatur kembali ke 0 V lalu dimatikan.

13. Kabel yang terhubung pada miliamperemeter dipindah sehingga cocok dengan

rangkaian pada gambar 2.


15. Variac dinyalakan kembali dan ditunggu sebentar.

Variac

16. Langkah 6, 7 ,8 diulangi lagi.

17. Pengatur tegangan pada variac diatur kembali ke 0 V.


19. Langkah 6, 7, 8 diulangi kembali.

20. Pengatur tegangan variac diatur kembali ke 0 V lalu dimatikan.

21. Kabel-kabel dan peralatan eksperimen dirapikan.

E. Analisa Data

Pada percobaan “kawat pijar lampu listrik” kali ini, kita akan mencari

kesesuaian antara daya radiasi yang dipancarkan filamen wolfram lampu listrik

dengan hukum Stefan-Boltzmann. Diketahui bahwa perumusan matematis hukum

Stefan-Boltzmann adalah , dan percobaan kali ini mencoba mengetahui

apakah filamen wolfram pada lampu pijar benar-benar mengikuti persamaan

tersebut. Mengasumsikan , dan N adalah variabel yang ingin

kita bandingkan dengan 4 pada persamaan Stefan-Boltzmann, maka persamaan

Stefan-Boltzmann kita rombak menjadi persamaan 1.

∙ (1)

Hubungan antara hambatan (R) dan suhu (T) filamen wolfram yang tertera

dalam buku Electron and Nuclear Physics adalah ∙ (

)

. Karena

maka perumusan R di atas dapat dibentuk menjadi

persamaan 2.

∙ (2)

Jika kita ingin mengetahui bagaimana besar T terhadap hambatan R, maka

persamaan 2 dapat kita rombak kembali.

(3)

Menggunakan persamaan ∙ , maka persamaan 1 dapat kita turunkan

lebih jauh.

∙ (4)

∙ (

)

⁄

(5)

Karena dan konstan, maka besaran berikut,

⁄

dapat dianggap konstan. Dengan ini, persamaan 5 menjadi seperti berikut.

∙

⁄ (6)

∙ (

)

(7)

Karena

, maka persamaan 7 menjadi seperti berikut.

∙ (

) (8)

∙ (

)(

)

(9)

(

) ∙

(

)

(10)

Persamaan 10 dikenakan operasi logaritma natural sehingga dihasilkan

persamaan yang linear.

(

) (

) (11)

Persamaan no. 12 didapat dengan cara membagi persamaan 11 dengan

(

).

(

)

(

)

(

) (12)

Persamaan 12 memiliki bentuk yang sama seperti persamaan y = mx + b

dengan , (

)

(

)

⁄ , , dan

(

)

⁄ .

Dengan gradien grafik (

)

(

)

⁄ , maka didapat N

sebagaimana di bawah.

∙ (13)

Pencarian m dilakukan dengan persamaan berikut.

∑ ∑ ∑

∑ ∑ (14)

Pada persamaan di atas, juga persamaan-persamaan di bawahnya,

, , dan N = jumlah pengukuran = 10.

Pencarian ralat ∆N dan ∆m menggunakan metode regresi linear. Hal

pertama yang dilakukan dalam analisis regresi linear adalah mencari nilai

deviasi standar Sy.

√

[(∑ )

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ] (15)

Penentuan ∆m:

∆ ∙ √

∑ ∑ (16)

Penentuan ∆N:

∆

∙ ∙ ∆ (17)

IV. DATA DAN PERHITUNGAN

A. Data

TABEL 1. DATA TEGANGAN DAN ARUS

PADA RANGKAIAN 1 DENGAN DAYA LAMPU 60 W

Tegangan (Volt) Arus (mA)

10 70

20 90

30 100

40 115

50 125

60 135

70 145

80 155

90 170

100 180




10 45

20 55

30 65

40 70

50 80

60 90

70 95

80 105

90 110

100 120




10 70

20 85

30 100

40 115

50 125

60 135

70 140

80 155

90 165

100 170




10 50

20 60

30 65

40 70

50 80

60 90

70 95

80 100

90 110

100 120

B. Grafik

C. Perhitungan

1. Data dari Rangkaian I dengan Lampu 60 W

Tegangan

(Volt)

Arus

(A)

Ln(tegangan)

(x)

Ln(arus)

(y) xy x

2 y

2

10 0,070 2,303 -2,659 -6,123 5,302 7,072

20 0,090 2,996 -2,408 -7,214 8,974 5,798

30 0,100 3,401 -2,303 -7,832 11,568 5,302

40 0,115 3,689 -2,163 -7,978 13,608 4,678

50 0,125 3,912 -2,079 -8,135 15,304 4,324

60 0,135 4,094 -2,002 -8,199 16,764 4,010

70 0,145 4,248 -1,931 -8,204 18,050 3,729

80 0,155 4,382 -1,864 -8,170 19,202 3,476

90 0,170 4,500 -1,772 -7,973 20,248 3,140

100 0,180 4,605 -1,715 -7,897 21,208 2,941

Jumlah 38,13 -20,896 -77,725 150,228 44,47

Dari data-data di atas, dapat dihitung gradien grafik m seperti berikut.

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∙ ∙

∙ ∙

Besar N adalah sebagai berikut.

∙

∙

Deviasi standar Sy adalah sebagai berikut.

√

[(∑ )

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ]

√

[

∙ ∙ ∙ ∙ ∙

∙ ∙ ]

Penentuan ralat gradien ∆ .

∆ ∙ √

∑ ∑ ∙ √

∙ ∙

∆

Penentuan ralat ∆ .

∆

∙ ∙ ∆

∙ ∙

2. Data dari Rangkaian I dengan Lampu 40 W

Tegangan

(Volt)

Arus

(A)

Ln(tegangan)

(x)

Ln(arus)

(y) xy x

2 y

2

10 0,045 2,303 -3,101 -7,141 5,302 9,617

20 0,055 2,996 -2,900 -8,689 8,974 8,412

30 0,065 3,401 -2,733 -9,297 11,568 7,471

40 0,070 3,689 -2,659 -9,810 13,608 7,072

50 0,080 3,912 -2,526 -9,881 15,304 6,379

60 0,090 4,094 -2,408 -9,859 16,764 5,798

70 0,095 4,248 -2,354 -10,000 18,050 5,541

80 0,105 4,382 -2,254 -9,876 19,202 5,080

90 0,110 4,500 -2,207 -9,932 20,248 4,872

100 0,120 4,605 -2,120 -9,764 21,208 4,496

Jumlah 38,13 -25,262 -94,249 150,228 64,738

Dari data-data pada tabel di atas, dapat dihitung gradien grafik m seperti

berikut.

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∙ ∙

∙ ∙


∙

∙


√

[(∑ )

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ]

√

[

∙ ∙ ∙ ∙ ∙

∙ ∙ ]


∆ ∙ √

∑ ∑ ∙ √

∙ ∙

∆


∆

∙ ∙ ∆

∙ ∙

3. Data dari Rangkaian II dengan Lampu 60 W

Tegangan

(Volt)

Arus

(A)

Ln(tegangan)

(x)

Ln(arus)

(y) xy x

2 y

2

10 0,070 2,303 -2,659 -6,123 5,302 7,072

20 0,085 2,996 -2,465 -7,385 8,974 6,077

30 0,100 3,401 -2,303 -7,832 11,568 5,302

40 0,115 3,689 -2,163 -7,978 13,608 4,678

50 0,125 3,912 -2,079 -8,135 15,304 4,324

60 0,135 4,094 -2,002 -8,199 16,764 4,010

70 0,140 4,248 -1,966 -8,353 18,050 3,866

80 0,155 4,382 -1,864 -8,170 19,202 3,476

90 0,165 4,500 -1,802 -8,108 20,248 3,247

100 0,170 4,605 -1,772 -8,160 21,208 3,140

Jumlah 38,13 -21,075 -78,443 150,228 45,192

Dari data-data di tabel ke-3 di atas, dapat dihitung gradien grafik m seperti

berikut.

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∙ ∙

∙ ∙


∙

∙


√

[(∑ )

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ]

√

[

∙ ∙ ∙ ∙ ∙

∙ ∙ ]


∆ ∙ √

∑ ∑ ∙ √

∙ ∙

∆


∆

∙ ∙ ∆

∙ ∙

4. Data dari Rangkaian II dengan Lampu 40 W

Tegangan

(Volt)

Arus

(mA)

Ln(tegangan)

(x)

Ln(arus)

(y) xy x

2 y

2

10 0,050 2,303 -2,996 -6,898 5,302 8,974

20 0,060 2,996 -2,813 -8,428 8,974 7,915

30 0,065 3,401 -2,733 -9,297 11,568 7,471

40 0,070 3,689 -2,659 -9,810 13,608 7,072

50 0,080 3,912 -2,526 -9,881 15,304 6,379

60 0,090 4,094 -2,408 -9,859 16,764 5,798

70 0,095 4,248 -2,354 -10,000 18,050 5,541

80 0,100 4,382 -2,303 -10,090 19,202 5,302

90 0,110 4,500 -2,207 -9,932 20,248 4,872

100 0,120 4,605 -2,120 -9,764 21,208 4,496

Jumlah 38,13 -25,119 -93,959 150,228 63,82

Dari data pada tabel ke-4 dapat dihitung gradien grafik m seperti berikut.

∑ ∑ ∑

∑ ∑

∙ ∙

∙ ∙


∙

∙


√

[(∑ )

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ]

√

[

∙ ∙ ∙ ∙ ∙

∙ ∙ ]


∆ ∙ √

∑ ∑ ∙ √

∙ ∙

∆


∆

∙ ∙ ∆

∙ ∙

V. PEMBAHASAN

Percobaan “kawat pijar lampu listrik” kali ini merupakan percobaan yang

sederhana dan menarik. Dilihat dari tujuannya, percobaan ini merupakan suatu

pendekatan yang cukup baik untuk mengetahui sifat-sifat kawat yang sedang berpijar,

terutama karakteristik energi radiasi kawat wolfram dalam hubungannya dengan arus

dan tegangan rangkaian yang menyuplai energinya. Kelemahan dari percobaan ini

adalah hasil yang kurang akurat disebabkan hambatan yang besar pada fitting dan

elektroda lampu serta arus konveksi udara dalam bola lampu pijar. Arus konveksi ini

mendinginkan kawat yang memanas, dan akibatnya secara langsung adalah perubahan

nilai energi radiasi dan hambatan kawat wolfram. Selain itu, kita tidak bisa menjamin

kemurnian kawat wolfram dalam bola lampu pijar komersial. Agar kita mampu

mengetahui karakteristik kawat wolfram lampu pijar secara lebih baik, perlu

digunakan sebuah bola vakum yang berisi filamen wolfram dari bola lampu pijar

tersebut, dengan elektroda didesain agar memiliki hambatan sekecil mungkin.

Dari percobaan “kawat pijar lampu listrik”, kami mendapatkan 40 data yang

berasal dari dua jenis rangkaian dan setiap rangkaian diujikan 2 macam jenis lampu

dengan spesifikasi watt yang berbeda. Dari percobaan yang telah kami lakukan,

diketahui bahwa nilai N pada lampu “DOP” 60 W adalah 2,829 ± 0,114 pada

rangkaian 1 dan 2,781 ± 0,091 pada rangkaian 2, sedangkan pada lampu “DOP” 40 W

nilai N adalah 3,011 ± 0,172 pada rangkaian 1 dan 2,651 ± 0,187 pada rangkaian 2.

Nilai deviasi standar untuk lampu “DOP” 60 W adalah 0,037 untuk rangkaian 1 dan

0,030 untuk rangkaian 2. Nilai deviasi standar untuk lampu “DOP” 40 W adalah

0,051 untuk rangkaian 1 dan 0,066 untuk rangkaian 2. Kemiringan grafik untuk lampu

“DOP” 60 W adalah 0,404 ± 0,017 untuk rangkaian 1 dan 0,397 ± 0,014 untuk

rangkaian 2, sedangkan untuk lampu “DOP” 40 W adalah 0,430 ± 0,023 untuk

rangkaian 1 dan 0,377 ± 0,030 untuk rangkaian 2.

Data-data yang kami dapat berbeda cukup jauh dengan data-data pada referensi.

Nilai N yang didapat kurang dari 4 (hukum Stefan-Boltzmann) dan 5 (percobaan

Prasad dan Mascarenhas). Hal ini bisa jadi diakibatkan hambatan pada fitting

mengurangi energi yang masuk ke kawat filamen lampu pijar, kawat wolfram yang

kurang murni, arus konveksi pada lampu pijar, atau kesalahan pembacaan. Namun

dari hasil analisa dengan regresi linear, didapatkan bahwa ralat akibat salah

pembacaan berkontribusi cukup kecil dalam penyimpangan data hasil eksperimen.

Hal tersebut dapat dilihat dari nilai deviasi standar yang kecil. Nilai deviasi standar

kemungkinan lebih banyak disumbang oleh pergerakan arus-arus konveksi pada bola

lampu, yang pengaruhnya sangat terlihat ketika temperatur filamen cukup rendah. Hal

ini dapat terdeteksi pada nilai deviasi standar bola lampu 40 W yang lebih tinggi

daripada nilai deviasi standar bola lampu 60 W. Menyimpangnya data percobaan dari

teori kemungkinan besar disumbang oleh ralat sistematik, misalnya hambatan pada

fitting dan ketidakmurnian pada kawat filamen wolfram.

VI. KESIMPULAN

1. Dari hasil percobaan kami, didapatkan nilai N pada lampu pijar 60 W sebesar

2,829 ± 0,114 pada rangkaian 1 dan 2,781 ± 0,091 pada rangkaian 2, serta

nilai N pada lampu pijar 40 W sebesar 3,011 ± 0,172 pada rangkaian 1 dan

2,651 ± 0,187 pada rangkaian 2.

2. Nilai N yang kurang dari 4 maupun 5 menunjukkan bahwa penentuan

karakteristik wolfram pada lampu pijar, dengan menggunakan lampu pijar

komersial, merupakan metode percobaan yang perlu diperbaiki.

3. Pada percobaan “kawat pijar lampu listrik” kali ini, ralat rambang tidak terlalu

berperan dalam melencengkan data hasil eksperimen.

4. Ralat sistematik lebih berperan dalam penyimpangan data eksperimen “kawat

pijar lampu listrik”.

VII. DAFTAR PUSTAKA

Karyono, dkk. Buku Panduan Praktikum Fisika Dasar. ed. ke-5 Vol. 2. Yogyakarta:

Laboratorium Fisika Dasar FMIPA UGM, 2011.

Prasad, B.S.N, and Rita Mascarenhas. "A Laboratory Experiment on the Application

of Stefan's Law to Tungsten Filament Electric Lamps." American Journal of

Physics 46.4 (1978): 420-23.

Tipler, Paul Allen, and Gene Mosca. Physics for Scientists and Engineers. New York:

W.H. Freeman, 2008.

VIII. LEMBAR PENGESAHAN

Yogyakarta, 23 Mei 2012

Mengetahui Praktikan

Muflihatun Alutsyah Luthfian

Lap. Fisika Dasar II - Kawat Pijar Lampu Listrik

Documents