Materi tentang Hukum Kirchhoff biasanya diperoleh di mata pelajaran Fisika saat duduk di bangku kelas XII (tiga SMA). Merupakan teori tentang kelistrikan yang ditemukan oleh Gustav Robert Kirchhoff, seorang ahli Fisika asal Jerman, pada tahun 1845.
Hukum ini berfungsi untuk menganalisa arus dan tegangan dalam rangkaian listrik, lebih tepatnya mengenai arus listrik searah. Dalam bahasa Inggris aturan ini disebut sebagai Kirchhoff’s Current Law (KCL), dan Kirchhoff Voltage Law (KVL).
Sebagian akademisi juga menamakan hukum ini sebagai Aturan Kirchhoff. Karena memang dibuat berdasarkan aturan yang sudah ada sebelumnya. Yakni berdasarkan aturan dari teori hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan muatan listrik.
Hukum Kirchhoff
Jika didefinisikan secara bahasa hukum Kirchhoff merupakan dua persamaan yang berkaitan dengan arus dan tegangan listrik (beda potensial). Artinya hukum atau aturan ini terbagi menjadi dua, berikut bunyi hukum Kirchhoff I dan II.
Hukum Kirchhoff I
“Kuat arus I yang masuk dalam suatu titik percabangan A sama dengan arus yang keluar dari titik percabangan B.”
Secara umum rumus aturan Kirchhoff I adalah sebagai berikut:
ΣI masuk = ΣI keluar
Artinya jumlah muatan yang masuk di dalam setiap titik akan sama dengan jumlah muatan yang meninggalkan titik tersebut. Dalam ilmu Fisika Hukum Kirchhoff I juga dikenal sebagai hukum percabangan (junction rule), dimana berkaitan dengan kekekalan muatan listrik.
Hukum ini berlaku pada rangkaian listrik yang multisimpal, yaitu rangkaian yang mengandung titik-titik percabangan disaat arus mulai terbagi. Tidak terjadi akumulasi muatan listrik pada setiap titik di dalam rangkaian disaat keadaan konstan (tunak).
Hukum Kirchhoff II
“Jumlah perubahan potensial yang mengelilingi lintasan/ rangkaian tertutup pada suatu rangkaian harus sama dengan nol.”
Secara umum rumus aturan Kirchhoff II adalah sebagai berikut:
Σ VIR + Σє= 0
Hukum kedua ini disebut juga sebagai hukum tegangan atau hukum simpal (loop rule). Dimana beda potensial antara dua titik percabangan di dalam satu rangkaian adalah konstan. Hukum ini merupakan implementasi dari adanya hukum konservasi energi.
Pada dasarnya hukum ini menjelaskan tentang hubungan sederhana antara rangkaian yang terdiri dari lampu, baterai, dan saklar. Lampu akan menyala disaat saklar dalam keadaan disambungkan dengan arus listrik, sehingga arus akan mengalir dari kutub positif ke kutub negatif pada baterai.
Penerapan Hukum Kirchhoff dalam Keseharian
Untuk lebih memahami tentang aturan Kirchhoff dalam kehidupan sehari-hari, maka kita terlebih dahulu harus paham tentang rangkaian arus listrik. Hukum ini bisa digunakan untuk mengetahui besarnya arus yang mengalir pada rangkaian kombinasi hambatan (resistor) seri dan paralel.
Seperti yang kita ketahui, pemasangan lampu di rumah-rumah dapat dilakukan secara seri maupun paralel. Rangkaian seri adalah rangkaian tak bercabang dimana arus yang mengalir pada tiap hambatan besarnya sama.
Seri berarti sambungan antara ujung komponen satu dengan pangkal komponen lain dipasang secara berurutan. Sedangkan paralel berarti ujung komponen komponen dihubungkan menjadi satu dan pangkal komponen juga menyatu.
Pada umumnya kebanyakan rangkaian listrik di rumah tangga dipasang secara paralel. Aliran muatan pada rangkaian paralel diibaratkan dengan aliran air yang mengalir dari tempat tinggi ke tempat yang lebih rendah. Apabila ada titik percabangan maka aliran air tersebut akan terbagi dengan jumlah energi yang sama.
Pada kenyataannya banyak juga yang menggunakan rangkaian gabungan (seri-paralel). Artinya rangkaian ini menghasilkan banyak hubungan dan banyak percabangan. Sehingga memunculkan banyak titik simpul, yaitu titik pertemuan antara dua cabang atau lebih.
Persoalan dalam masalah rangkaian-rangkaian listrik yang terdapat banyak cabang atau simpul tersebut diselesaikan menggunakan Hukum Kirchhoff I dan II .
Contoh Soal Hukum Kirchhoff
Perhatikan rangkaian di atas, nilai-nilai Resistor yang terdapat di rangkaian adalah sebagai berikut :
R1 = 10Ω R2 = 20Ω R3 = 40Ω V1 = 10V V2 = 20V
Berakah arus yang melewati resistor R3 ?
Penyelesaian :
Di dalam rangkaian tersebut, terdapat 3 percabangan, 2 titik, dan 2 loop bebas (independent).
Gunakan Hukum Kirchhoff I (Hukum Arus Kirchhoff) untuk persamaan pada titik A dan titik B
Titik A : I1 + I2 = I3 Titik B : I3 = I1 + I2
Gunakan Hukum Kirchhoff II (Hukum Tegangan Kirchhoff) untuk Loop 1, Loop 2 dan Loop 3.
Loop 1 : 10 = R1 x I1 + R3 x I3 = 10I1 + 40I3 Loop 2 : 20 = R2 x I2 + R3 x I3 = 20I2 + 40I3 Loop 3 : 10 – 20 = 10I1 – 20I2
Seperti yang dikatakan sebelumnya bahwa I3 adalah hasil dari penjumlahan I1 dan I2, maka persamaannya dapat kita buat seperti dibawah ini :
Persamaan 1 : 10 = 10I1 + 40(I1 + I2) = 50I1 + 40I2 Persamaan 2 : 20 = 20I2 + 40(I1 + I2) = 40I1 + 60I2
Jadi saat ini kita memiliki 2 persamaan, dari persamaan tersebut kita mendapatkan nilai I1 dan I2 sebagai berikut :
I1 = -0.143 Ampere I2 = +0.429 Ampere
Seperti yang diketahui bahwa I3 = I1 + I2 Maka arus listrik yang mengalir pada R3 adalah -0.143 + 0.429 = 0.286 Ampere Sedangkan Tegangan yang melewati R3 adalah 0.286 x 40 = 11.44 Volt
Tanda Negatif (-) pada arus I1 menandakan arah alir arus listrik yang diasumsikan dalam rangkaian diatas adalah salah. Jadi arah alir arus listrik seharusnya menuju ke V1, sehingga V2 (20V) melakukan pengisian arus (charging) terhadap V1.
Demikian penjelasan kami mengenai Hukum Kirchhoff. Semoga bermanfaat.