Simulasi Interaktif Rangkaian Seri dan Paralel pada Listrik untuk SD-SMP-SMA

Baterai dapat disusun secara seri atau paralel, dan kedua susunan itu menghasilkan nyala lampu serta daya tahan yang berbeda meskipun jumlah baterainya sama.

Simulasi ini menampilkan susunan baterai seri dan susunan baterai paralel dalam satu kanvas dengan lampu yang sama, sehingga perbedaan kecerahan lampu, besar arus, dan lama baterai bertahan dapat diamati berdampingan.

Pilih jenjang SD, SMP, atau SMA untuk menyesuaikan kedalaman penjelasan, lalu tambah atau kurangi baterai dan lampu untuk melihat akibatnya secara langsung.

Baterai (1,5 V) 2

Lampu 2

Hambatan dalam per baterai 0 Ω0,2 Ω0,5 Ω1,0 Ω

Lampu bisa putus Animasi arus

Semua lampu pada tiap panel dipasang bercabang (paralel) sehingga tiap lampu mendapat tegangan yang sama. Klik lampu pada kanvas untuk melepas atau memasangnya kembali. Titik oranye menunjukkan arah arus (dari kutub + ke kutub −); makin cepat gerakannya, makin besar arus. Garis tegak pada batang kecerahan menandai nyala normal (100%).

Landasan Teori

Baterai adalah sumber tenaga listrik. Beberapa baterai dapat disusun dengan dua cara.

• Baterai seri (berderet): kutub + satu baterai bertemu kutub − baterai berikutnya. Tenaganya bertambah sehingga lampu menjadi lebih terang. Tenaga yang terlalu besar membuat lampu putus.
• Baterai paralel (berjajar): semua kutub + disatukan dan semua kutub − disatukan. Tenaganya sama seperti satu baterai sehingga lampu tidak bertambah terang, tetapi kerja dibagi ke semua baterai sehingga lebih awet.
• Makin banyak lampu yang menyala, makin berat kerja baterai dan makin cepat baterai habis.

Hukum Ohm: V = I × R. Daya lampu P = V × I = V²/R, dan kecerahan sebanding dengan daya. Lampu acuan: 3,0 V dengan R = 10 Ω, daya normal 0,9 W (kecerahan 100%).

• Baterai seri: tegangan dijumlahkan, V_sumber = n × 1,5 V, dan arus yang sama melewati setiap baterai.
• Baterai paralel: tegangan tetap 1,5 V, sedangkan arus total terbagi sama rata: I_{tiap baterai} = I_total/n.
• Lampu yang dipasang bercabang: 1/R_p = 1/R₁ + 1/R₂ + …, tegangan tiap lampu sama, arus total = jumlah arus tiap lampu.
• Kapasitas tiap baterai dianggap 2000 mAh. Pada susunan paralel, kapasitas total menjadi n kali lipat.

Sumber nyata memiliki GGL ε dan hambatan dalam r. Arus rangkaian I = $\dfrac{\varepsilon}{R_{luar} + r}$ dan tegangan jepit V_jepit = ε − Ir.

• Seri: ε_s = nε₀, r_s = nr₀; kapasitas Q tetap sama dengan satu sel.
• Paralel: ε_p = ε₀, r_p = $\dfrac{r_0}{n}$; kapasitas total nQ, dan arus tiap baterai $\dfrac{I}{n}$ (Hukum I Kirchhoff pada simpul).
• Beban k lampu bercabang: R_luar = $\dfrac{R}{k}$, dan V_lampu = V_jepit.
• Daya sumber P = εI, rugi pada hambatan dalam I²r, efisiensi η = $\dfrac{V_{jepit}}{\varepsilon}$. Lama baterai t = $\dfrac{Q_{total}}{I}$.
• Energi tersimpan sama untuk kedua susunan: nε₀Q. Perbedaannya terletak pada tegangan yang dihasilkan dan laju pengosongan.
• Idealisasi: R lampu tetap 10 Ω (filamen nyata memiliki R yang naik saat memijar), lampu putus bila daya melebihi 3× nominal (V > 5,2 V).

Cara Menggunakan

1. Pilih jenjang SD, SMP, atau SMA pada tombol di bagian atas.
2. Tambah atau kurangi baterai dengan tombol − dan +. Panel atas menyusun baterai secara seri, panel bawah menyusun baterai yang sama secara paralel.
3. Tambah atau kurangi lampu dengan tombol − dan + pada bagian lampu.
4. Bandingkan nyala lampu pada kedua panel, lalu baca batang kecerahan dan tabel di bawah kanvas.
5. Klik lampu pada kanvas untuk melepasnya. Klik lagi untuk memasang atau mengganti lampu yang putus. Tombol “Pasang semua lampu” mengembalikan semuanya.
6. Pilih hambatan dalam baterai untuk melihat penurunan tegangan jepit, rugi daya, dan efisiensi.
7. Nonaktifkan “Lampu bisa putus” bila ingin mengamati nilai ekstrem tanpa lampu rusak.

Interpretasi

Cahaya kuning yang makin terang berarti lampu menerima tenaga lebih banyak. “Normal” berarti lampu bekerja sebagaimana mestinya, sedangkan “Terlalu terang” berarti lampu hampir putus.

• Coba: 2 baterai dan 2 lampu. Lampu pada baterai seri menyala normal, lampu pada baterai paralel redup.
• Coba: tambah baterai sampai 4. Baterai seri membuat lampu putus, baterai paralel tetap aman dan lebih awet.
• Coba: tambah lampu. Kecerahan tiap lampu tetap, tetapi baterai bekerja lebih berat.

• Pada seri, tegangan sumber naik sebanding jumlah baterai sehingga arus dan daya lampu ikut naik. Pada paralel, tegangan tetap 1,5 V sehingga kecerahan tidak berubah saat baterai ditambah.
• Pada paralel, arus tiap baterai makin kecil bila baterai ditambah; inilah sebab baterai paralel lebih awet.
• Kecerahan 100% berarti tegangan lampu 3,0 V. Nilai di atas 100% menandakan lampu kelebihan beban.
• Contoh: 2 baterai, 3 lampu. Seri: V = 3,0 V, I = 0,90 A, tiap lampu 100%. Paralel: V = 1,5 V, I = 0,45 A (0,225 A per baterai), tiap lampu 25%.

• Susunan paralel menurunkan hambatan dalam total ($\dfrac{r_0}{n}$), sehingga tegangan jepit hampir sama dengan GGL, tetapi GGL-nya hanya 1,5 V.
• Susunan seri menaikkan GGL sekaligus r, sehingga efisiensi η = $\dfrac{R_{luar}}{R_{luar}+r}$ turun bila hambatan dalam besar atau lampu banyak.
• Lama baterai paralel sekitar n kali lebih panjang pada arus yang sama, meskipun lampu lebih redup. Energi total yang tersimpan sama.
• Contoh: 2 baterai, r₀ = 0,2 Ω, 3 lampu. Seri: I ≈ 0,80 A, V_jepit ≈ 2,68 V, kecerahan ≈ 80%, bertahan ≈ 2,5 jam. Paralel: I ≈ 0,44 A, V_jepit ≈ 1,46 V, kecerahan ≈ 24%, bertahan ≈ 9,2 jam.