LISTRIK DINAMIS

Cabang ilmu fisika tentang listrik mempelajari muatan listrik yang bergerak.

A. ARUS LISTRIK

Arus Listrik di definisikan sebagai gerakan muatan-muatan listrik dalm suatu rangkaian listrik. Sedangkan penyebab adanya arus listrik karena perbedaan potensial listrik atau sering disebut tegangan listrik.

Arus listrik adalah muatan-muatan positif, yang apabila makin banyak muatan positif yang mengalir melalui suatu penampang dalam selang waktu t, makin besar arus listrik.

Ada 2 jenis arus listrik:

1) Arus listrik bolak balik (alteranting current = ac) adalah muatan listrik yang mengalir dalam dua arah (bolak – balik) melalui konduktor-konduktor (peralatan listrik yang bekerja dengan arus listrik bolak-balik).

2) Arus listrik searah (direct current = dc). Adalah muatan listrik yang mengalir melalui konduktor dalam satu arah (tanpa balik).

Ada 4 hal tentang arus listrik, yakni:

1. Arus listrik adalah aliran partikel-partikel yang bermuatan positif.
2. Arah arus listrik (arah arus konvensional) berlawanan dengan arah arus elektron.
3. Arus listrik mengalir dari titik potensial tinggi ke titik berpotensial rendah.
4. Arus listrik hanya mengalir pada suatu rangkaian tertutup, yakni rangkaian yang tidak berpangkal dan tidak berujung.

B. KUAT ARUS LISTRIK

Kuat arus listrik (I) didefinisikan sebagai banyaknya muatan positif ( Q) yang mengalir melalui ujung penampang seutas kawat penghantar persatuan waktu ( t).

Rumus : І = ∆Q/∆t

Untuk arus searah, banyak muatan listrik yang mengalir melalui penampang, kawat adalah konstan terhadap waktu, sehingga kuat arus listrik dapat ditulis menjadi:

Dengan : I = kuat arus listrik (C/s atau A = ampere)

Q = muatan listrik (C = coulomb)

T = selang waktu (s = second)

1 Ampere (A) = 1 Coulomb/second (C/s)

1 Coulomb (C) = 1 Ampere second (A.s)

A. HUBUNGAN HAMBATAN KAWAT DENGAN PANJANG DAN LUAS PENAMPANGNYA DAN TEGANGAN LISTRIK

Hubungan hambatan kawat (R) dengan panjang kawat (l ) dan luas penampang (A) dapat disimpulkan bahwa:

) Hambatan kawat sebanding dengan panjang kawat. R ~ l

2) Hambatan kawat berbanding terbalik dengan luas penampang kawat. R ~ l 1/A

3) Kuat Arus listrik sebanding dengan besar tegangan listrik. І ~ V

Dari kesimpulan 1 dan 2 diperoleh persamaan:

R = ρ . l / A

Dengan : R = hambatan kawat (ohm atau Ω )

L = panjang kawat (m)

A = luas penampang kawat (m² )

ρ = konstanta

Konstanta r menyatakan sifat khas bahan kawat yang disebut hambatan jenis.

Hambatan jenis suatu bahan didefinisikan sebagai hambatan dari suatu bahan yang panjangnya 1 m dan luas penampangnya 1 m². Satuan SI (Standar International) untuk hambatan jenis adalah Ohm.m² / m atau Ohm.m (Ω m).

Konduktor (misal tembaga dan alumunium) mudah dilalui oleh arus listrik, hal ini karena hambatan jenis ( r ) kosnduktor rendah.

Pengaruh suhu pada hambatan kawat adalah:

a) hambatan jenis bahan berubah bila suhu berubah.

b) Hambatan kawat berubah bila suhu naik.

c) Walaupun hambatan jenis sebagian besar logam bertambah terhadap kenaikan suu, hal yang berlawanan terjadi pada grafit dan sebagian semi konduktor.

C. HUKUM OHM

Hukum Ohm berbunyi :

” Tegangan V pada komponen yang memenuhi hukum Ohm adalah sebanding dengan kuat arus listrik I yang melalui komponen terebut, asalkan suhu dijaga tetap.

R = V/I R = Hambatan (volt/ampere = V/A atau Ohm = Ω )

V = tegangan (Volt)

I = kuat arus (ampere = A)

Jadi 1 Ohm (Ω ) = 1 volt/ampere (V/A)

D. HUKUM KIRCHOFF

Ada 2 hukum Kirchoff;

Hukum Kirchoff I berbunyi:

”Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik cabang tersebut”

Hukum Kirchoff II berbunyi:

” Di dalam rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik dengan penurunan tegangan sama dengan nol”

Tegangan antara dua titik pada satu cabang :

V = Σ I x R - Σ E

Pada rumus di atas harus diperhatikan arah arus dan arah kutub sumber tegangan.

I₃ = I₂ + I₁

Loop I ; Σ = 0

- E₁ – E₃ = I₁ (R₁ + r₁ ) + I₃ (R₃ + r₃ ) = 0

E₁ + E₃ + I₁ (R₁ + r₁ ) + I₃ (R₃ + r₃ )

Loop II : Σ = 0

- E2₁ – E₃ + I₂ (R₂ + r₂ ) + I₃ (R₃ + r₃ ) = 0

E₂ + E₃ = I₂ (R₂ + r₂ ) + I₃ (R₃ + r₃ )

E. SUSUNAN HAMBATAN (R) LISTRIK

1) Susunan Seri

Susunan seri hambatan listrik adalah hambatan-hambatan yang dihubungkan sedemikian rupa sehingga kuat arus melalui setiap hambatan sama besar, mekipun besar hambatan masing-masing tidak sama.

Tegangan pada ujung-ujung R₁ dan R₂ adalah:

V_ab = I.R₁ dan V_bc = I.R₂

Tegangan antara a dan c adalah :

V = V_ab + V_bc

V = I.R₁ + I.R₂ V = I (R₁ + R₂)

Kedua hambatan seri dapat diganti dengan sebuah hambatan pengganti R _s , maka tegangan antara a dan c adalah:

V = I.R_s

Oleh karena : V = I (R₁ + R₂), maka diperoleh :

R_s = R₁ + R₂

Jadi, hambatan pengganti seri sama dengan jumlah hambatan tiap-tiap komponen.

R_s = R₁ + R₂ + R₃ + .....

Ada tiga prinsip susunan seri :

1. Kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen sama, dan sama dengan kuat arus yang melalui.

I₁ = I₂ = I₃ = ..... = I

2. Tegangan pada hambatan pengganti seri (V) sama dengan jumlah tegangan pada tiap-tiap komponen.

V= V₁ + V₂ + V₃ + ....

3. Susunan seri berlaku sebagai pembagi tegangan. Tegangan pada setiap komponen sebanding dengan hambatannya.

V₁ : V₂ : V_{3 :} .... = R₁ : R₂ : R₃ : ........

2) Susunan Pararel

Susunan pararel hambatan listrik adalah hambatan tersebut dihubungkan sedemikian rupa sehingga tegangan pada tiap-tiap hambatan sama besar, meskipun besar hambatan masing-masing tidak sama.

Kuat arus yang melalui R₁ adalah I₁ dan

Kuat arus yang melalui R₂ adalah I₂, sedangkan

Kuat arus yang keluar dari beterai adalah I.

I= I₁ + I₂

Tegangan pada tiap-tiap komponen adalah sama, maka:

I =

Susunan pararel dapat diganti dengan sebuah hambatan oengganti pararel R_p, maka :

I = atau I = V....

Sehingga diperoleh :

.....

Jadi, hambatan pengganti pararel R_p adalah :

..........

Ada tiga prinsip susunan pararel:

1. Tegangan pada tiap-tiap komponen sama dan sama dengan tegangan pada hambatan pengganti pararel R_p.

V₁ = V₂ = V_{3 =} .... = V

2. Kuat arus yang melalui hambatan pengganti pararel (I) sama dengan jumlah kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen.

I = I₁ + I₂ + I₃ + ....

3. Susunan pararel berlaku sebagai pembagi kuat arus. Kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen sebanding dengan kebalikan hambatannya.

I₁ : I₂ : I₃ : ..... = 1...........

F. PENGUKURAN KUAT ARUS, TEGANGAN, DAN HAMBATAN

Kuat arus diukur dengan amperemeter dan tegangan diukur dengan voltmeter. Keduanya dapat diukur dengan menggunakan satu alat yang dinamakan dengan avometer.

Amperemeter dan voltmeter memiliki 2 jenis, yakni:

1. alat yang menggunakan elektronik digital,dan
2. alat yang nondigital atau analog.

1. Amperemeter

Amperemeter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus yang melalui sebuah rangkaian. Amperemeter disusun oleh sbuah galvanometer dan satua ataulebih resitor yang disebut Resistor Shunt. Supaya amperemeter dapat mengukur kuat arus yang besar, maka Resistor Shunt (R_sh) dipasang pararel dengan galvanometer, sehingga kelebihan arus akan mengalir ke resistor shunt.

Resistor Shunt (R_sh) dipasang pararel dengan hambatan kawat kumparan galvanometer (R_g), maka berlaku :

I_g = I_sh = I................tersin

Jumlah kuat arus adalah :

I_g + I_sh = I

Diperoleh persamaan :

R_g = (n – 1) R_sh atau R_sh = R_{g………tersn}

Dengan : R_sh = hambatan resistor shunt

R_g = Hampatan kumparan galvanometer

n = I/I_g = kuat arus skala penuh amperemeter/kuat arus skala penuh

galvanometer

Hambatan pengganti untuk kawat kumparan R_g yang disusun pararel dengan resistor shunt R_sh disebut hambatan dalam amperemeter (R_A), maka :

.......... atau R_A =

2. Voltmeter

Voltmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur tegangan diantara dua titik pada rangkaian. Voltmeter disusun oleh sebuah galvanometer dan satu ataulebih resistor seri. Supaya voltmeter dapat digunakan untuk mengukur tegangan yang besar, maka dipasang sebuah resistor seri (R_s) secara seri dengan galvanometer, sehingga kelebihan tegangan akan disalurkan melalui resistor seri.

Resistor seri dipasang dengan hambatan galvanometer, maka berlaku perbandingan :

V_s : V_g = R_s : R_g

Jumlah tegangan : V_s + V_g = V maka diperoleh persamaan R_s = ( n – 1) R_g

Dengan R_s = hambatan seri resistor

R_g = hambatan galvanometer

n = V/V_g = tegangan skala penuh voltmeter/tegangan penuh galvanometer

Hambatan pengganti untuk hambatan galvanometer yang disusun seri dengan hambatan resistor disebut hambatan dalam voltmeter.

R_v = R_s + R_g

Untuk mengukur suatu tegangan, voltmeter dipasang pararel dengan rangkaian yang akan diukur tegangannya. Hal ini mengakibatkan pengurangan tegangan pada rangkaian.

Olehkarena itu, sebuah voltmeter ideal seharusnya memliki hambatan dalam R_v tak berhingga, agar arus yang ditarik voltmeter tidak terlalu mengurangi tegangan rangkaian yang diukur.

3. Jembatan Wheatstone

Jembatan Wheatstone adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur hambatan kawat-kawat telegraf.

Pada kedudukan seimbang, galvanometer tidak dilalui arus , sehingga jarum menunjukan angka nol. Pada kedudukan seimbang :

V_AB = V_AD dan V_BC = V_DC

I_{1 .} R₁ = I₂ . R₃ I_{1 .} R₂ = I₂ . R₄

.....TRSN

Pada rangkaian jembatan Wheatstone yang seimbang hasil kali dua pasangan hambatan yang saling berhadapan sama besar.

G. SUSUNAN SERI DAN PARAREL SUMBER TEGANGAN

Untuk menimbulkan arus listrik pada suatu rangkaian diperlukan beda potensial. Beda potensial ini berasal dari sumber tegangan atau gaya gerak listrik (ggl).

Beberapa contoh sumber tegangan, yaitu; dinamo, generator, listrik, elemen termo, elemen kimia, dll.

Pada sebuah baterai, gaya gerak listrik dibangkitkan oelh reaksi kimia dalam baterai. Dalam diagram rakaian, baterai ditampilkan sebagai suatu sumber tegangan dengan gaya geraklistrik (ggl) ε dan hambatan dalam r.

Ketika kuat arus listrik ( I ) mengalir dari baterai, maka ada beda tegangan V = I x r pada hambatan dalam (r).

Tegangan jepit V_ab dapat dihitung dari hambatan

dalam r.

Yakni :

V_ab = ε – I x r

Lampu pijar

Tegangan jepit V_ab juga dapat dihitung dari hambatan luar R (lampu), yakni :

V_ab = I x R

Gaya gerak listrik (ggl) ε adalah :

V₁ = ε – I₁ x r 12 = ε – 6A (2Ω)

Ε = 12V + 12V = 24V

I. Susunan Seri

Tegangan total = 3 ε, tegangan total = ε,

Hambatan total = 3r + R, hambatan total = r_s + R

Jika atau lebih sumber tegangan disusun seri, maka kuat arus yang melaluinya sama besar.

Tegangan total

Kuat arus : I = _____________

Hambatan Total

I = ......

Jadi, jika n buah sumber tegangan yang disusun seri, maka diganti dengan sebuah sumber tegangan yang memiliki:

(1) gaya gerak listrik (ggl) pengganti ε_s

ε_s = n . ε

(2) hambatan dalam penggati r_s

r_s = n . r

dengan : ε = ggl sumber tegangan

ε_s = ggl pengganti seri

r = hambatan dalam sumber tegangan

r_s= hambatan dalam pengganti seri

2) Susunan Pararel

Jika dua atau lebih sumber tegangan identik disusun pararel, maka tegangan jepit tiap baterai sama besar.

Hukum Kirchoff I pada titik cabang a :

I = I₁ + I₂

I₁ = I₂ I₁ = ½ atau I₂ = ½

Untuk rangkaian sumber tegangan yang disusun paparel tegangan jepit V_ab adalah :

V_ab = ε – ½ r

Untuk rangkaian penggantinya, tegangan jepit V_ab adalah :

V_ab = ε_p – I r_p

Dua sumber tegangan yang disusun paparel dapat diganti dengan sebuah sumber tegangan pengganti ggl ε_p = ε dan hambatan r_p = r/2 . Jadi, jika n sumber tegangan yang disusun pararel dapatdiganti dengan sebuahsumber tegangan yang memiliki :

(1) gaya gerak listrik (ggl) pengganti:

ε_p = ε

(2) hambatan dalam pengganti:

r_p = r/n

H. ENERGI DAN DAYA LISTRIK

a. Energi Listrik

Ketika sebuah baterai mengirim arus melalui resistor, maka baterai memberikan energi listrik kepada resistor. Untuk menggerakanmuatan q, baterai harus melakukan usaha yang samadengan kenaikan energi potensial listrik.

W = q . V dan Muatan Listrik : q = I . t

Jadi, energi W (joule) yang diberikan oleh suatu sumber tegangan V (volt0 yang menyuplai arusI (ampere) selang selama waktu t (sekon) adalah :

W = V . I . t

Energi listrik yang hilang ketika kuat arus ( I ) melalui sebuah resistor R adalah :

W = V . I . t = I² . R . t = V²/R . t

b. Daya Listrik

Energi listrik yang diberikan baterai adalah W = V . I . t, sehingga daya listrik (P) yang diberikan oleh baterai adalah....

P = W / t = V . I . t / t

P = V . I

Daya pada bateraiadalah :

P = V . I

Ketika muatan listrik bergerak melalui resistor r, maka daya tersebut hilang dalam bentuk panas pada resistor R, yang disebut daya disipasi (P_d).

Daya disipasidalam resistor R adalah :

P_d = V . I . t = I² . R = V² / R

c. Hubungan antara Watt, Joule dan KWh

Dalam satuan internasional (SI),satuan daya P adalah watt (W), satuan energi listrik W adlah joule (J), dan satuan untuk waktu ( t ) adalah sekon (s).

Dengan demikian hubungan antara stuan watt, joule adalah :

P = W / t 1 watt = 1 joule / 1 sekon

Satu kWh adalah energi yang dihasilkan oleh satu kilowatt (kW) selama 1 jam.

kWh = (1kW). (1 jam)

= (1000 W) . (3.600 s)

= 3.600.000 J = 3,6 x 10⁶ J.

d. Daya elemen listrik

Lampu pijar, setrika, ketellistrik, dan pengering listrik, disebut elemen listrik. Karena, memiliki elemen terbuat darikumparan kawat logam tipis.

Kumparan kawat berfungsi sebgai hambatan listrik ketika dilalui oleh arus listrik, sehingga kumparan kawatakan mendisipasi (membuang) energi dalambentuk panas/kalor ketika dilalui oleh arus listrik.

Contoh pada sebuah lampu pijar tercantum data 240 V dan 60 V. Hal ini berarti, tegangan V = 240 dan daya P = 60 W, sehingga dapat dihitung hambatan elemen listrik (R), yaitu :

P = V² / R atau R = V² / P

Jadi, R = (240)³ / 60 = 960 ohm.