GGL, Tegangan Jepit & Hambatan Dalam — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa membedakan GGL dari tegangan jepit serta menghitung arus dan rugi tegangan akibat hambatan dalam sumber $r$ lewat rumus $V = \varepsilon - I r$ .

Saat menyalakan lampu kepala mobil, tegangan aki yang terbaca di voltmeter bisa turun dari 12,6 V menjadi 11,8 V dalam sekejap. Kemana hilang 0,8 volt itu? Baterai yang nyata bukan sumber ideal — di dalamnya ada hambatan kecil yang “memakan” sebagian tegangan saat arus mengalir. Makin besar arus yang kamu tarik, makin banyak tegangan yang hilang di dalam. Susun rangkaian di bawah dan saksikan tegangan jepit merosot saat bebannya berat.

Geser slider hambatan dalam r dan beban luar R, lalu perhatikan tegangan jepit serta arus berubah seketika.

Sumber ideal vs sumber nyata

Di pelajaran sebelumnya kamu memakai baterai seolah-olah memberi tegangan tetap berapa pun arusnya. Itu model sumber ideal — sebuah penyederhanaan yang memudahkan hitungan. Pada kenyataannya, setiap sumber tegangan (baterai, aki, generator, power supply) memiliki hambatan dalam yang tak bisa dihindari. Hambatan ini muncul dari bahan elektroda, elektrolit, dan sambungan internal.

Hambatan dalam $r$ adalah hambatan tak terpisahkan dari sumber tegangan, terletak di dalam sumber itu sendiri. Saat arus mengalir, sebagian tegangan hilang di dalam sumber (sebesar $I r$ ) sehingga tegangan yang tersedia di terminal luar lebih kecil dari GGL.

Bayangkan baterai sebagai pompa air dengan selang yang sedikit tersumbat di dalamnya. Saat air mengalir pelan (arus kecil), sumbatan itu nyaris tak terasa — air keluar dengan tekanan hampir setara pompa. Tetapi saat air mengalir deras (arus besar), sumbatan menelan banyak tekanan sehingga air yang keluar berkurang. Itulah hambatan dalam: kerugian yang tumbuh bersama arus.

GGL dan tegangan jepit: dua besaran berbeda

Gaya gerak listrik (GGL, $\varepsilon$ ) adalah tegangan total yang dipasok sumber saat tidak ada arus mengalir — tegangan “kosong” yang terbaca saat terminal terbuka. Tegangan jepit ( $V$ ) adalah tegangan yang benar-benar tersedia di terminal luar saat sumber dibebani. Selisih keduanya adalah tegangan yang hilang di hambatan dalam.

$V = \varepsilon - I \, r$

Arti tiap simbol: $V$ = tegangan jepit (volt, V), $\varepsilon$ = GGL sumber (V), $I$ = arus yang mengalir (A), $r$ = hambatan dalam sumber ( $\Omega$ ). Suku $I r$ adalah “rugi tegangan dalam” yang tumbuh seiring arus makin besar.

GGL adalah “janji” baterai — 12 V tertera di labelnya. Tegangan jepit adalah “kenyataan” — yang benar-benar kamu peroleh saat baterai bekerja. Selisihnya adalah biaya yang dibayar untuk mengatasi hambatan dalam. Baterai baik punya $r$ kecil sehingga selisihnya tipis; baterai lemah (kusam, aus) punya $r$ besar sehingga tegangan jepit anjlok walau GGL-nya masih 12 V.

Menurunkan arus: epsilon = I (R + r)

Pada rangkaian sederhana satu beban luar $R$ yang disuplai sumber $\varepsilon$ dengan hambatan dalam $r$ , total hambatan yang dilalui arus adalah $R + r$ (seri). Maka hukum Ohm untuk loop penuh memberi:

$\varepsilon = I (R + r) \quad \Rightarrow \quad I = \frac{\varepsilon}{R + r}$

Arti tiap simbol: $\varepsilon$ = GGL (V), $I$ = arus loop (A), $R$ = beban luar ( $\Omega$ ), $r$ = hambatan dalam ( $\Omega$ ). Arus dibagi rata di seluruh loop seri; hambatan dalam ikut membatasi arus, sama seperti beban luar.

Inilah sebabnya arus maksimum yang dapat diberikan sumber terbatas — yaitu saat terminal dihubung-singkat ( $R = 0$ ): $I_{\text{maks}} = \varepsilon / r$ . Semakin kecil $r$ , semakin besar arus hubung singkat yang berbahaya. Pada widget di bawah, satu resistor beban mewakili beban luar; bandingkan preset “beban ringan” (R besar) dengan “beban berat” (R kecil) dan amati tegangan jepit yang naik-turun.

Kurva tegangan jepit vs beban luar

Hubungan tegangan jepit dengan beban luar $R$ adalah naik-tidak-linier menuju asimtot $\varepsilon$ saat $R$ membesar. Saat $R$ kecil (beban berat), $I$ besar sehingga $V = \varepsilon - I r$ merosot. Saat $R$ besar (beban ringan), $I$ kecil, $V$ mendekati $\varepsilon$ . Kurva di bawah memperlihatkan perilaku ini.

Kasus ekstrem: terminal terbuka dan hubung singkat

Dua situasi ekstrem membantu mengunci intuisi. Saat terminal terbuka (tidak ada beban, $R \to \infty$ ), arus $I = 0$ , sehingga $V = \varepsilon - 0 = \varepsilon$ — tegangan jepit sama dengan GML. Inilah cara mengukur GML dengan voltmeter berhambatan besar. Sebaliknya saat terminal dihubung-singkat ( $R = 0$ ), tegangan jepit menjadi nol dan seluruh GML jatuh di hambatan dalam: $I_{\text{maks}} = \varepsilon / r$ .

Kondisi	Beban $R$	Arus $I$	Tegangan jepit $V$
Terminal terbuka	$\infty$	$0$	$\varepsilon$ (= GML)
Beban normal	$R$ tertentu	$\varepsilon / (R + r)$	$\varepsilon - I r$
Hubung singkat	$0$	$\varepsilon / r$ (maks)	$0$

Grafik di bawah memperlihatkan dua kurva yang saling melengkapi: tegangan jepit yang turun dari $\varepsilon$ menuju nol, dan arus yang naik dari nol menuju $I_{\text{maks}}$ , saat beban $R$ menyempit dari tak hingga ke nol. Keduanya bertemu di tengah saat $R = r$ — titik transfer daya maksimum.

GML dan hambatan dalam termasuk cakupan TKA Fisika, elemen kelistrikan (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tiga tipe lazim: (1) hitung $r$ dari data terminal terbuka (V = epsilon) dan berbeban ( $V = \varepsilon - I r$ ); (2) hitung arus $I = \varepsilon / (R + r)$ dan tegangan jepit; (3) analisis hubung singkat atau daya maksimum. Jebakan terbesar: keliru memakai $V = \varepsilon$ saat sumber dibebani, atau lupa memasukkan $r$ ke total hambatan loop.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah baterai memiliki GML $\varepsilon = 9{,}0$ V. Saat terminalnya dihubungkan ke resistor beban $R = 4{,}0 \, \Omega$ , arus yang mengalir terukur $1{,}8$ A. (a) Berapa hambatan dalam baterai? (b) Berapa tegangan jepitnya? (c) Berapa daya yang hilang di dalam baterai?

Total hambatan loop: $\varepsilon = I (R + r)$ , sehingga $9 = 1{,}8 (4 + r)$ . Bagi kedua ruas: $4 + r = 9 / 1{,}8 = 5$ , sehingga $r = 1 \, \Omega$ . Hambatan dalam baterai $1$ ohm.

$V = \varepsilon - I r = 9 - 1{,}8 \times 1 = 9 - 1{,}8 = 7{,}2$ V. (Bisa dicek: $V = I R = 1{,}8 \times 4 = 7{,}2$ V — sama.) Tegangan jepit 7,2 volt, lebih kecil dari GML 9 volt karena rugi tegangan di r.

Daya yang berubah jadi kalor di hambatan dalam: $P_{r} = I^2 r = (1{,}8)^2 \times 1 = 3{,}24$ W. Inilah sebabnya baterai menghangat saat dipakai menarik arus besar — sebagian energi terbuang di dalam.

Jebakan: menyamakan tegangan jepit dengan GML saat sumber dibebani. Yang benar: tegangan jepit $V = \varepsilon - I r$ selalu lebih kecil dari GML selama ada arus mengalir. Hanya saat terminal terbuka ( $I = 0$ ) keduanya sama. Tip: di soal, bila disebut “baterai 12 V tanpa keterangan arus”, nilai 12 V adalah GML; tegangan jepitnya harus dihitung.

Jebakan: lupa memasukkan hambatan dalam $r$ ke total hambatan loop. Yang benar: dalam loop sederhana sumber-beban, total hambatan yang dilalui arus adalah $R + r$ (seri), bukan hanya $R$ . Lupa menambah $r$ membuat perhitungan arus $I = \varepsilon / (R + r)$ meleset — hasilnya kelebihan.

Jebakan: menganggap hubung singkat menghasilkan tegangan jepit nol karena “tidak ada beban”. Yang benar: justru karena $R = 0$ , seluruh GML jatuh di hambatan dalam sehingga $V_{\text{jepit}} = I \cdot 0 = 0$ dan arus mencapai maksimum $\varepsilon / r$ . Hubung singkat berbahaya bukan karena tegangan tinggi, melainkan karena arus sangat besar yang menimbulkan kalor $I^2 r$ .

GML $\varepsilon$ = tegangan terminal saat terbuka ( $I = 0$ ); tegangan jepit $V = \varepsilon - I r$ saat dibebani.
Arus loop: $I = \varepsilon / (R + r)$ ; $r$ ikut membatasi arus.
Terminal terbuka: $V = \varepsilon$ ; hubung singkat: $V = 0$ , $I_{\text{maks}} = \varepsilon / r$ .
Daya hilang di dalam baterai: $P_r = I^2 r$ — sebab baterai menghangat saat bekerja berat.
Baterai lemah punya $r$ besar; V jepitnya anjlok walau GML-nya masih terbaca normal.