RANGKAIAN LISTRIK BAYU SAPTA HARI

Transkripsi

1 RANGKAIAN LISTRIK BAYU SAPTA HARI

2 DAFTAR ISI 1. Gejala Listrik Statis 2. Arus Listrik 3. Sumber Arus Listrik 4. Rangkaian Listrik 5. Daya dan Energi Listrik 6. Arus Listrik Bolak-Balik Glosarium Daftar Pustaka 2 Rangkaian Listrik

3 1. Gejala Listrik Statis Gejala kelistrikan diawali dengan diamatinya benda-benda yang secara tidak terduga mampu saling tarik-menarik. Batang plastik yang sudah digosok-gosokkan ke kain yang halus teramati mampu menarik potongan-potongan kecil kertas. Di alam telah berlangsung gejala kelistrikan yang dahsyat pada saat terjadi petir di angkasa. Petir merupakan gejala kelistrikan yang mengandung energi yang sangat besar dan dapat membahayakan bagi yang dikenainya. Gejala kelistrikan yang diamati pada petir dan pada potongan kertas yang dapat ditarik oleh batang plastik merupakan contoh dari gejala listrik statis. Pengetahuan tentang listrik statis berguna dalam memahami gejala kelistrikan yang lebih luas yang meliputi listrik dinamis dan rangkaian listrik. Benda Bermuatan Listrik Setiap benda tersusun oleh partikel-partikel yang lebih kecil. Partikel zat yang ukurannya paling kecil dan tidak dapat dibagibagi lagi disebut atom. Namun, atom ternyata terdiri atas bagianbagian yang lebih kecil. Tiap atom tersusun dari inti atom dan elektron. Inti atom (nukleus) terdiri atas proton dan neutron. Adapun, elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasannya dan mendapat gaya tarik inti atom. Partikel yang bermuatan negatif disebut elektron. Partikel yang bermuatan positif disebut proton. Massa proton dan elektron lebih besar dibandingkan dengan massa elektron. Rangkaian Listrik 3

4 Gambar 1.1 Atom yang terdiri dari inti dan elektron Gaya ikat inti terhadap elektron antara bahan satu dengan bahan yang lain berbeda. Karena sesuatu hal, elektron dapat lepas dari lintasannya dan berpindah ke atom lain. Perpindahan elektron tersebut menyebabkan perubahan muatan suatu atom. Berdasarkan hal itu atom dapat berada dalam satu dari tiga keadaan, yaitu bermuatan negatif, bermuatan positif, atau netral. Atom dikatakan bermuatan negatif jika kelebihan elektron, sedangkan atom dikatakan bermuatan positif, jika kekurangan elektron. Adapun, yang dikatakan atom netral jika jumlah proton dan elektronnya sama. Di sini elektron menjadi acuan karena elektronlah yang mudah lepas atau berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Muatan listrik tidak dapat dilihat oleh mata tetapi efeknya dapat dirasakan dan diamati gejalanya. Besar muatan listrik proton dan elektron adalah sama, tetapi jenisnya yang berbeda. Muatan positif (proton) ditandai dengan tanda plus + sedangkan muatan negatif (elektron) ditandai tanda minus. Tiga buah benda di bawah ini memiliki jumlah muatan yang berbeda. Benda pertama memiliki masing-masing 5 muatan positif dan muatan negatif. Karena jumlah proton (+) sama dengan jumlah elektron ( ), maka benda tersebut termasuk benda netral. Benda kedua memiliki 6 muatan positif dan 4 muatan negatif. Benda ini dikatakan bermuatan positif karena jumlah proton (+) lebih banyak 4 Rangkaian Listrik

5 daripada jumlah elektron ( ) atau benda kekurangan elektron. Benda ketiga memiliki 4 muatan positif dan 6 muatan negatif. Benda ini dikatakan bermuatan negatif. Ini karena jumlah proton (+) lebih sedikit daripada jumlah elektron ( ) atau benda kelebihan elektron. (a) (b) (c) Gambar 1.2 (a) benda bermuatan negatif (b) benda netral (c) benda bermuatan positif Gejala Listrik Statis Mungkinkah kita menarik suatu benda tanpa perlu menyentuhnya? Jika kamu dapat melakukan hal ini tentu saja kamu akan merasa senang dan bangga. Secara fisika dengan berdasarkan pada prinsip listrik statis hal ini mungkin untuk dilakukan. Ya, dengan listrik statis kamu akan dapat menarik benda tanpa perlu menyentuh atau meraihnya. Menarik bukan? Coba kamu siapkan sebuah penggaris mika atau plastik dan potongan atau sobekan kertas yang kecil-kecil. Coba kamu gosokgosokkan penggaris tersebut pada rambut. Setelah itu dekatkan penggaris itu pada sobekan-sobekan kecil kertas. Apa yang terjadi? Sobekan kertas itu akan tertarik ke penggaris dan menempel pada penggaris. Menarik bukan? Bagaimana potongan-potongan kecil kertas dapat menempel di penggaris mika. Pada saat kamu menggosok penggaris ke rambutmu yang kering, ada perpindahan muatan listrik dari rambut ke penggaris. Pada mulanya rambut dan penggaris bersifat netral. Pada saat kamu menggosokkan penggaris pada rambutmu, sejumlah atom di dalam rambutmu terganggu, sejumlah elektron di dalam rambutmu terlepas dan berpindah ke penggarismu. Akibatnya, penggarismu memperoleh tambahan elektron, dan penggarismu itu tidak lagi netral, tetapi memiliki muatan negatif. Rangkaian Listrik 5

6 Rambutmu kehilangan elektron, sehingga rambutmu itu bermuatan positif. Ini merupakan salah satu contoh dari suatu gejala listrik statis yang diperoleh dengan cara menggosok. Listrik statis adalah berkumpulnya muatan listrik pada suatu benda. Sekarang coba kamu pikirkan contoh-contoh lain tentang listrik statis. Saling Pengaruh antara Benda-benda Bermuatan Listrik Apakah yang menyebabkan benda-benda bermuatan listrik positif atau negatif? Mari kita tinjau kembali gejala penggaris yang dapat menarik sobekan kertas yang sudah dibahas sebelumnya. Sebelum kamu menggosok penggaris dengan rambut, muatan listrik penggaris itu netral. Atom-atom penggaris tersebut memiliki jumlah proton dan elektron yang sama. Pada saat kamu menggosok penggaris tersebut dengan rambut, gosokan itu menyebabkan elektron-elektron pindah dari rambut ke penggaris. Dengan membuat lebih banyak elektron terkumpul pada penggaris, kamu memberikan muatan listrik negatif pada penggaris tersebut. Penggaris itu bermuatan negatif, dan rambut tersebut bermuatan positif. Benda-benda seperti penggaris tersebut mendapatkan tambahan elektron, sedangkan rambut kehilangan elektron. Kita mengatakan kedua benda itu dimuati secara listrik statis. dari sini bisa dikatakan bahwa listrik statis adalah terkumpulnya muatanmuatan listrik pada suatu benda. Jadi, benda-benda memperoleh muatan listrik statis akibat kontak atau persentuhan satu sama lain, seperti pada saat kamu menggosok penggaris dengan kain atau rambut. Benda-benda yang bermuatan listrik dapat saling berinteraksi. Interaksi ini dapat berupa tarikan atau tolakan. Sebagaimana potongan kertas kecil yang dapat tertarik dan menempel pada penggaris yang telah bermuatan listrik. Benda-benda bermuatan sejenis akan tolak menolak, sedangkan benda-benda yang bermuatan tidak sejenis akan tarik menarik. Ini juga berarti bahwa ada gaya yang bekerja antara dua atau lebih benda yang bermuatan. 6 Rangkaian Listrik

7 Gambar 1.3 Benda dengan muatan berbeda akan tarik menarik, sedangkan benda dengan muatan sama akan saling tolak menolak Hukum Coulomb tentang Muatan Listrik Kamu telah melihat bahwa terdapat interaksi atau gaya di antara benda-benda yang bermuatan. Gaya itu berupa tarik menarik antara dua muatan berbeda jenis atau tolak menolak antara dua muatan yang sejenis. Berdasarkan penelitian diperoleh bahwa besar gaya ini bergantung pada besar muatan dan jarak antara kedua muatan tersebut. Pada tahun 1785 seorang ahli fisika bangsa Perancis yang bernama Charles Coulomb ( ) telah menyelidiki hubungan antara besaranbesaran tersebut di atas. Jenis peralatan yang digunakan oleh Coulomb tampak pada Gambar. Batang yang diisolasi dengan bola-bola konduktor kecil A dan A, digantungkan melalui kawat tipis. Bola yang sama yaitu B, ditempatkan di dekat bola A. Ketika bola A dan bola B bersama-sama disentuh dengan benda yang bermuatan, maka muatan menyebar ke kedua bola (bola A dan B) secara merata. Karena kedua bola A dan B memiliki ukuran yang sama, maka kedua bola Gambar 1.4 Diagram percobaan Coulomb Rangkaian Listrik 7

8 tersebut menerima muatan dengan jumlah yang sama. Notasi untuk muatan adalah q. Oleh karena itu, besarnya muatan pada bolabola A dan B dapat dituliskan dengan notasi q A dan q B. Coulomb menemukan bagaimana gaya antara kedua bola yang bermuatan, A dan B tergantung pada jarak tertentu. Pertama ia dengan hatihati mengukur besarnya gaya yang diperlukan untuk memutar kawat yang digantung melalui sudut yang diberikan. Dia kemudian menempatkan muatan Gambar 1.5 charles coulomb yang sama pada bola A dan B serta mengubah jarak antara keduanya r. Gaya menggerakkan A dari posisi diamnya, memutar kawat yang digantung. Dengan mengukur pembelokan A, Coulomb dapat menghitung gaya tolakan. Colomb menunjukkan bahwa gaya F berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara kedua pusat bola. Secara matematis, hal ini dinyatakan sebagai 1 2 F ~ r Untuk menyelidiki bagaimana gaya bergantung pada besarnya muatan, Coulomb harus mengubah muatan bola. Pertama-tama Coulomb memberi muatan A dan B sama seperti sebelumnya. Kemudian Coulomb menambahkan bola lain yang tidak bermuatan, dengan ukuran yang sama dengan B. Ketika bola tersebut disentuhkan ke bola B, maka kedua bola membagi muatan yang telah ada dengan bola B. Karena keduanya memiliki ukuran yang sama, maka bola B sekarang hanya memiliki separuh muatan semula. Oleh karena itu, muatan pada bola B hanya separuh muatan bola A. Setelah bola lain yang disentuhkan ke bola B tersebut dijauhkan dari bola B, maka Coulomb menemukan bahwa gaya antara A dan B menjadi separuh dari gaya antara A dan B semula (gaya antara A dan B sebelum adanya bola yang tidak bermuatan). Ia menyimpulkan bahwa gaya F, berbanding lurus 8 Rangkaian Listrik

9 dengan muatan-muatannya. Secara matematis, hal ini dapat ditulis sebagai F ~ q A q B Kesimpulan dari penelitian yang dilakukan oleh Coulomb dapat dinyatakan dengan pernyataan berikut ini. pernyataan ini yang sekarang dikenal sebagai hukum Coulomb. Besarnya gaya antara muatan q A dan muatan q B, yang dipisahkan oleh jarak r, adalah berbanding lurus dengan besarnya kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan-muatan tersebut. Medan Listrik Sebelumnya telah dibahas bahwa setiap benda bermuatan listrik. Jika benda A yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruang yang di dalamnya sudah ada benda B. Jika benda B bermuatan listrik, benda A akan mengalami gaya listrik juga. Ruang di sekitar A maupun B disebut medan listrik. Jadi, yang dimaksud dengan medan listrik (E) adalah ruangan di sekitar benda bermuatan listrik yang mengalami gaya listrik. Gambar 1.6 Medan listrik dari suatu muatan listrik Rangkaian Listrik 9

10 Jika suatu benda yang bermuatan listrik diletakkan di suatu ruangan, maka dalam ruangan tersebut terdapat medan listrik. Jika benda lain yang bermuatan listrik diletakkan di ruang tersebut, maka kedua benda akan mengalami gaya. Jika muatan kedua benda sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tolak-menolak dan jika kedua benda mempunyai muatan yang tidak sejenis, maka gaya yang terjadi adalah gaya tarik-menarik. Medan listrik dilukiskan dengan garis-garis gaya listrik yang arahnya dari kutub positif ke kutub negatif. Kuat medan listrik bergantung pada kerapatan garis-garis gaya listrik. Besar kuat medan listrik dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut. Elektroskop Elektroskop adalah alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi muatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 1.7, di dalam sebuah peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadang-kadang yang dapat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari emas. Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda yang bermuatan Gambar 1.7 elektroskop positif didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan terjadi melalui induksi, elektron-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga kedua daun elektroskop bermuatan positif dan saling menolak. Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Adapun, jika bola dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun elektroskop memperoleh muatan positif karena ditinggalkan elektron-elektron yang bergerak menuju benda bermuatan positif tersebut, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar pemisahan daun-daun elektroskop. 10 Rangkaian Listrik

11 Perlu dicatat bahwa dengan cara ini, kamu tidak dapat menentukan tanda muatan. Ini karena dalam setiap kasus, kedua daun elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu elektroskop dapat digunakan untuk menentukan tanda muatan jika pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya elektroskop bermuatan negatif, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar. Jika benda bermuatan negatif didekatkan, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar. Sebaliknya, jika muatan positif didekatkan, maka elektron-elektron akan diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatif dan jarak pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit). Gambar 1.8 Elektroskop konduksi Pengosongan Muatan Listrik Pada saat hujan turun, terkadang kamu akan melihat petir? Petir menimbulkan kilatan cahaya yang diikuti dengan suara dahsyat di udara. Apabila seseorang tersambar petir, maka tubuh orang tersebut akan terbakar. Akibat berbahayanya petir, maka gedunggedung bertingkat yang cukup tinggi dilengkapi dengan penangkal petir. Apa yang menyebabkan terjadinya petir? Mengapa tubuh orang yang tersambar petir terbakar? Mengapa gedung-gedung bertingkat yang tinggi dilengkapi dengan penangkal petir? Rangkaian Listrik 11

12 Gambar 1.9 Petir yang terlihat di angkasa Petir merupakan gejala alam yang timbul karena berkumpulnya sejumlah besar elektron yang disebut listrik statis. Kita akan mempelajari dan mendiskusikan bagaimana cara memperoleh listrik statis secara sederhana dan cara pengosongannya sebagaimana petir dan manfaat penangkal petir. Loncatan muatan listrik terjadi pada saat muatan listrik bergerak secara bersama-sama. Kejadian ini disebut pengosongan listrik statis. Petir merupakan salah satu contoh proses pengosongan. Pengosongan itu ditunjukkan oleh sambaran petir. Pengosongan terjadi apabila tersedia suatu jalan bagi elektronelektron untuk mengalir dari suatu benda bermuatan ke benda lain. Perpindahan muatan listrik statis dari satu benda ke benda lain disebut penetralan atau pengosongan muatan statis. Pengosongan itu lazim juga disebut pentanahan, karena muatan itu sering 12 Rangkaian Listrik

13 dikosongkan dengan cara menyalurkan ke tanah. Pengosongan muatan statis di udara dapat terjadi sangat besar sehingga menimbulkan suara dahsyat yang kita sebut petir. Proses terjadinya petir dijelaskan dalam Gambar 1.9. Gambar 1.10 Proses terjadinya petir Pengosongan tanpa Menimbulkan Kerusakan Batang logam penangkal petir sering dipasang di atas atap rumah bertingkat atau di atas bangunan tinggi, dan dihubungkan ke dalam tanah melalui kabel logam. Penangkal petir, melindungi rumah dan bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang besar di dalam petir. Penangkal petir ini menyediakan suatu jalan aman, melalui pentanahan, agar arus listrik petir mengalir masuk ke dalam tanah, bukan melewati rumah atau bangunan lain. Pernahkah kamu melihat bangunan tinggi yang dilengkapi dengan penangkal petir seperti Gambar Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan listrik statis yang tidak menimbulkan kerusakan. Gambar 1.11 Gedung yang dilengkapi penangkal petir Rangkaian Listrik 13

14 Generator Van de Graff Generator Van de Graff adalah mesin pembangkit listrik yang biasa dipakai untuk penelitian di laboratorium. Salah satu contoh generator Van de Graff yang ada di Indonesia terdapat di Pusat Peragaan Iptek di Taman Mini Indonesia Indah. Meskipun jarang ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, kamu dapat mengetahui perihal generator tersebut melalui uraian berikut. Generator Van de Graff terdiri atas: a. dua ujung runcing yang terdapat di bagian atas dan bawah, b. sebuah silinder logam yang terdapat di bagian bawah, c. sebuah silinder polietilen yang terdapat di bagian atas, d. sabuk karet yang menghubungkan kedua silinder, e. konduktor berongga berbentuk bola (kubah). Gambar 1.12 Generator van de Graff Generator Van de Graff prinsip kerjanya sama dengan menghasilkan muatan listrik dengan cara menggosok (metode gesekan). Gesekan antara sabuk karet dengan silinder logam bagian bawah menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet. Gesekan antara sabuk karet dengan silinder politilen bagian atas menimbulkan muatan listrik positif pada sabuk karet. Gerakan sabuk karet ke atas membawa muatan negatif mengalir ke kubah 14 Rangkaian Listrik

15 melalui ujung runcing di bagian atas. Elektron akan tersebar menempati seluruh permukaan kubah. Pada kubah bagian dalam tidak terdapat elektron. Adapun, gerakan sabuk karet ke bawah membawa muatan positif. Muatan positif sabuk karet ini mengalir melalui ujung runcing bawah ke tanah untuk dinetralkan. Silinder logam bawah dijalankan dengan motor listrik, sehingga sabuk karet terus-menerus bergerak, menghasilkan muatan negatif mengalir ke kubah, sehingga terbentuk muatan listrik yang besar pada kubah generator Van de Graff. Mesin Fotokopi Pasti kamu sering pergi ke kios fotokopi, bukan? Kamu seringkali perlu memfotokopi dokumen seperti kartu pelajar, akta kelahiran, atau buku. Kamu tentu sudah merasakan pentingnya mesin fotokopi dalam kehidupan kita. Dengan mesin fotokopi kita dapat dengan mudah memperbanyak sebuah dokumen. Tahukah kamu bahwa mesin fotokopi bekerja berdasarkan prinsip listrik statis? Gambar 1.13 Mesin fotokopi dapat dijumpai di kantor-kantor. Mesin fotokopi digunakan untuk memperbanyak dokumen Rangkaian Listrik 15

16 Mesin fotokopi adalah peralatan kantor yang membuat salinan ke atas kertas dari dokumen, buku, dan sumber lain. Mesin fotokopi zaman sekarang menggunakan xerografi, sebuah proses kering yang bekerja dengan bantuan listrik dan panas. Mesin fotokopi lainnya dapat menggunakan tinta. Gambar 1.14 Mesin fotokopi modern sekarang juga dapat digunakan untuk mencetak dokumen dari komputer, menscan gambar, dan mengirim faksimili. Secara ringkas proses yang terjadi di dalam mesin fotokopi adalah sebagai berikut. Lampu expose menghasilkan cahaya yang sangat terang untuk menyinari dokumen yang sudah diletakkan di atas kaca dengan posisi terbalik ke bawah pada kaca. Gambar pada dokumen kemudian akan dipantulkan melalui lensa, kemudian lensa akan mengarahkan gambar tersebut ke arah tabung drum. Tabung drum adalah silinder dari bahan aluminium yang dilapisi selenium yang sangat sensitif terhadap cahaya. 16 Rangkaian Listrik

17 Gambar yang lebih terang pada permukaan drum akan mengakibatkan elektron-elektron muncul dan menetralkan ion-ion positif yang dihasilkan oleh kawat pijar (corona wire) sebelah atas drum (kawat 1), sehingga pada permukaan yang terang tidak ada elektron yang yang bermuatan, sedangkan pada cahaya yang yang lebih gelap akan menghasilkan tidak terjadi perubahan muatan, tetap bermuatan positif. Serbuk berwarna hitam (toner) bermuatan positif yang berada pada developer, akan tertarik oleh ion positif pada permukaan drum. Tegangan tinggi DC yang diberikan pada kawat pijar (corona wire) membuat drum bermuatan positif, kawat pijar (corona wire) terdapat dua buah, satu terdapat diatas drum (kawat 1), dan di bawah drum (kawat 2). Selembar kertas yang dilewatkan di bawah drum ketika drum berputar, sebelum kertas mencapai drum terlebih dahulu kertas dijadikan bermuatan positif oleh kawat 2, sehingga toner yang menempel pada kertas akan tertarik dengan sangat kuat ke kertas, karena gaya tarik muatan positif pada kertas lebih kuat dari pada muatan positif pada drum ditambah lagi dengan gaya gravitasi Berikutnya kertas akan di lewatkan melalui dua buah rol panas yang bertekanan, panas dari kedua rol tersebut akan melelahkan toner yang kemudian akan menempel erat ke kertas.peristiwa ini akan menghasilkan copian atau salinan gambar yang sama persis dengan aslinya. Setelah toner turun ke kertas drum akan terus berputar sampai melewati blade (cleaning blade) pembersih drum kemudian melalui kawat 1 (primary corona wire), sehingga drum kembali bermuatan positif dan siap kembali disinari terus berulang-ulang. Rangkaian Listrik 17

18 2. Arus Listrik Listrik mempengaruhi kehidupan sehari-hari manusia di seluruh dunia. Sebagian besar dari kita bergantung pada peralatan listrik untuk membuat hidup kita lebih aman, lebih sehat, lebih mudah, dan lebih nyaman. Lampu lalu lintas, penerangan listrik, radio, dan mobil mainan merupakan sebagian kecil peralatan tersebut. Peralatan listrik tersebut di atas dapat bekerja karena adanya arus listrik yang disebabkan oleh aliran elektron dalam sistem rangkaian listrik dalam peralatan listrik. Dapatkah kamu menyebutkan peralatan listrik lain yang membutuhkan listrik? Gambar 2.1 Peralatan-peralatan di atas bekerja karena aliran listrik yang dihasilkan baterai 18 Rangkaian Listrik

19 Sebelumnya telah dibahas bahwa elektron-elektron dapat bergerak atau pindah dari rambut ke sisir, sehingga sisir itu bermuatan negatif. Dapatkah kamu menyalakan sebuah lampupijar dengan menempelkan sisir itu pada lampu pijar tersebut? Tentunya tidak dapat, karena lampu itu memerlukan aliran elektron secara terus-menerus agar tetap menyala. Elektron membutuhkan jalan yang tidak putus untuk mengalir dari satu tempat ke tempat lain. Pernahkah kamu melihat bagian dalam sebuah ponsel atau pemutar musik digital pada saat perangkat-perangkat itu dibongkar? Jika pernah, kamu kemungkinan pernah melihat komponen-komponen listrik kecil dari pemutar musik digital itu yang terhubung satu sama lain. Gambar 2.2 menunjukkan bagian dalam dari sebuah pemutar musik digital dan jam digital. Cara kerja peralatan ini rumit. Para ilmuwan, insinyur, dan teknisi menghabiskan bertahun-tahun untuk mengembangkan peralatan tersebut. Namun aliran listrik di dalam seluruh peralatan tersebut dikendalikan oleh hukum-hukum sederhana yang akan kamu pelajari dalam bab ini. Banyak peralatan di sekitarmu yang menggunakan listrik untuk menghasilkan cahaya, panas, atau gerak. Gambar 2.2 Komponen-komponen elektronik dari sebuah ponsel Rangkaian Listrik 19

20 Arus Listrik dan Beda Potensial Pada bab sebelumnya kamu sudah mempelajari muatan listrik pada suatu benda. Dua benda atau dua tempat yang memiliki besar muatan listrik berbeda dapat menimbulkan arus listrik. Benda atau tempat yang muatan listrik positifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih tinggi. Adapun, benda atau tempat yang muatan listrik negatifnya lebih banyak dikatakan mempunyai potensial lebih rendah. Dua tempat yang mempunyai beda potensial dapat menyebabkan terjadinya arus listrik. Syaratnya, kedua tempat itu dihubungkan dengan suatu penghantar. Dalam kehidupan seharihari, beda potensial sering dinyatakan sebagai tegangan. Selanjutnya perhatikan Gambar. Gambar 2.3 Dua benda yang memiliki perbedaan potensial Pada Gambar di atas, titik A dikatakan lebih positif atau berpotensial lebih tinggi daripada titik B. Arus listrik yang terjadi berasal dari A menuju B. Arus listrik terjadi karena adanya usaha penyeimbangan potensial antara A dan B. Dengan demikian dapat dikatakan, arus listrik seakan-akan berupa arus muatan positif. Arah arus listrik berasal dari tempat berpotensial tinggi ke tempat yang berpotensial lebih rendah. Pada kenyataannya muatan listrik yang dapat berpindah bukan muatan positif, melainkan muatan negatif atau elektron. Karena itu, yang terjadi sebenarnya adalah terjadinya aliran elektron dari tempat berpotensial lebih rendah ke tempat yang berpotensial lebih tinggi. Jadi berdasarkan uraian di atas, arus listrik terjadi jika ada perpindahan elektron. Kedua benda bermuatan tersebut, jika dihubungkan melalui kabel akan menghasilkan arus listrik. 20 Rangkaian Listrik

21 Arus listrik merupakan aliran muatan dari potensial tinggi ke potensial rendah. Besar kuat arus listrik adalah besar muatan listrik per satuan waktu. Secara matematis besar kuat arus listrik dapat ditulis dalam rumus I = Q t Dimana I adalah besar kuat arus, Q adalah besar muatan listrik, dan t adalah waktu tempuh. Kamu sudah mengetahui bahwa perbedaan potensial akan mengakibatkan perpindahan elektron. Banyaknya energi listrik yang diperlukan untuk mengalirkan setiap muatan listrik dari ujung-ujung penghantar disebut beda potensial listrik atau tegangan listrik. Ini berarti tegangan adalah energi listrik dibagi muatan listrik. Secara matematik dapat dinyatakan sebagai W V Q Dimana V adalah beda potensial listrik, W adalah energi listrik, dan Q adalah muatan listrik. Dengan demikian, beda potensial adalah besarnya energi listrik yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik. Daya Hantar Listrik Kamu sudah mengetahui bahwa dua ujung penghantar yang mempunyai beda potensial dapat mengalirkan arus listrik. Menurutmu, apakah arus yang mengalir dalam penghantar tersebut tidak mengalami hambatan apapun? Untuk mengetahui jawabannya, ikutilah uraian berikut. Di dalam kawat penghantar, arus listrik dihasilkan oleh aliran elektron. Muatan positif tidak bergerak karena terikat kuat di dalam inti atom. Ketika ujung-ujung kawat penghantar mendapat beda potensial, elektron akan mengalir melalui ruang di antara sela-sela muatan positif yang diam. Tumbukan elektron dengan muatan positif sering terjadi sehingga menghambat aliran elektron dan mengurangi arus listrik yang dihasilkan. Makin panjang kawat penghantar makin banyak tumbukan elektron yang dialami, sehingga makin besar pula hambatan yang dialami elektron. Rangkaian Listrik 21

22 Gambar 2.4 Aliran elektron di antara muatan positif Oleh karena itu, hambatan kawat penghantar dipengaruhi oleh panjang kawat. Selain itu, hambatan kawat juga dipengaruhi oleh luas penampang kawat dan jenis kawat. Penyelidikan lebih lanjut menunjukkan bahwa hambatan kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat. Kawat yang panjang hambatannya besar sehingga menyebabkan kuat arus kecil. Besar hambatan kawat penghantar bergantung pada jenis kawat. Kawat yang jenisnya berbeda, hambatannya juga berbeda. Hal itu dikarenakan kawat yang hambatan jenisnya besar akan menyebabkan hambatan kawat penghantar juga besar. Hambatan jenis beberapa jenis bahan disajikan pada Tabel. Tabel 2.1 Hambatan jenis beberapa bahan Jenis bahan Hambatan Jenis (Ωm) Jenis bahan Perak 5, Wolfram Tembaga 1, Germanium Aluminium 2, Silikon Platina 10, Kayu Baja 4, Karet Mangan 4, Kaca Nikrom 1, Mika Karbon 3, Kuarsa Hambatan Jenis (Ωm) 5, , , , , , Rangkaian Listrik

23 Untuk dua kawat sejenis dengan panjang yang sama, tetapi luas penampangnya berbeda maka dihasilkan hambatan yang berbeda pula. Hambatan makin kecil, apabila luas penampang kawat besar. Ini berarti hambatan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat. Hubungan antara hambatan kawat penghantar, panjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis kawat secara matematis dirumuskan. l R = A Dengan R adalah hambatan kawat, ρ adalah hambatan jenis kawat, l adalah panjang kawat, dan A adalah luas penampang kawat. Apakah pengaruh penggunaan kawat penghantar yang panjang pada jaringan listrik PLN? Penggunaan kawat penghantar yang panjang menyebabkan turunnya tegangan listrik. Tegangan listrik yang diberikan pada kawat yang panjang tidak dapat mengubah besar hambatan, tetapi hanya mengubah besar arus listrik yang mengalir melalui kawat itu. Jika kawat penghantar itu panjang, kuat arus listrik yang mengalir kecil seiring turunnya tegangan listrik. Gambar 2.5 Menara transmisi listrik tegangan tinggi Rangkaian Listrik 23

24 Oleh karena itu diperlukan tegangan yang tinggi untuk mengalirkan arus listrik. Hal ini diterapkan pada jaringan kabel listrik yang panjangnya mencapai ratusan kilometer. Agar listrik dapat dinikmati konsumen diperlukan tegangan listrik yang tinggi sampai ribuan megavolt. Hambatan jenis setiap bahan berbeda-beda. Bahan yang mempunyai hambatan jenis besar memiliki hambatan yang besar pula, sehingga sulit menghantarkan arus listrik. Berdasarkan daya hantar listriknya (konduktivitas listrik), bahan dibedakan menjadi tiga, yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor. Konduktor Konduktor adalah suatu bahan yang memungkinkan elektronelektron bergerak dengan mudah melalui bahan tersebut. Logam seperti tembaga dan perak terbuat dari atom-atom yang tidak memegang secara kuat elektron-elektronnya, sehingga elektronelektron bergerak dengan mudah melalui bahan yang terbuat dari jenis bahan ini. Oleh karena alasan tersebut, kawat listrik yang pada umumnya terbuat dari tembaga merupakan konduktor yang baik. Perak juga menghantarkan listrik amat baik, namun perak jauh lebih mahal daripada tembaga. Gambar 2.6 Plastik dan karet untuk stop kontak karena plastik dan karet merupakan isolator Isolator Apakah yang membungkus kawat yang menghubungkan radio dengan stop-kontak di dinding? Kawat itu biasanya dibungkus dengan bahan sejenis plastik, yaitu suatu bahan isolasi. Isolator adalah bahan yang tidak memungkinkan elektron-elektron mengalir dengan mudah melalui bahan tersebut. Selain plastik, kayu, karet, dan kaca merupakan isolator yang baik. 24 Rangkaian Listrik

25 Semikonduktor Semikonduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya berada di antara konduktor dan isolator. Semikonduktor memiliki elektronelektron pada kulit terluar terikat kuat oleh gaya inti atom. Namun tidak sekuat seperti pada isolator. Bahan yang termasuk jenis semikonduktor adalah karbon, silikon dan germanium. Karbon digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti resistor. Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti diode, transistor, dan IC (integrated circuit). Gambar 2.7 IC dan komponen elektronika terbuat dari bahan semikonduktor Arus Listrik dalam Rangkaian Sederhana Listrik hanya dapat mengalir di dalam suatu rangkaian tertutup. Satu rangkaian tertutup terdiri dari baterai sebagai sumber tegangan yang dihubungkan kedua kutubnya dengan kawat penghantar. Susunan rangkaian semacam ini terdapat di setiap alat yang kita gunakan sehari-hari seperti ponsel, pemutar musik digital, atau lampu senter. Apa yang kita butuhkan untuk menghasilkan listrik yang dapat menyalakan lampu atau menyalakan pemutar musik digital? Pertama, kita membutuhkan kawat penghantar. Kedua, kita membutuhkan baterai sebagai sumber gaya gerak listrik untuk membuat elektron di dalam kawat bergerak. Ketiga, kamu harus menyediakan suatu jalan tidakputus, berupa rangkaian tertutup untuk elektron-elektron. Sebagai contoh, Gambar 2.8 adalah sebuah rangkaian tertutup. Listrik yang kamu gunakan itu disebut listrik dinamis. Sekarang perhatikan Gambar. Lampu itu tidak menyala karena salah satu kawat tidak terhubung dengan lampu. Suatu rangkaian dengan celah merupakan rangkaian terputus atau terbuka. Pada sebuah rangkaian terbuka tidak ada jalan untuk elektron mengalir, dan elektron-elektron itu tidak dapat mengalir untuk menyalakan lampu atau mennyalakan ponsel. Rangkaian Listrik 25

26 Gambar 2.8 Rangkaian tertutup sederhana berupa baterai, kawat penghantar, dan lampu Pikirkan kembali tentang kegiatan dengan sisir rambut pembahasan tentang listrik statis. Kamu membuat elektronelektron mengumpul pada sisir tersebut pada saat kamu menggosok sisir tersebut dengan kain wol. Kumpulan elektron pada sisir tersebut merupakan listrik statis, yaitu listrik yang tinggal di satu tempat. Sekarang perhatikan pembahasan dari gambar. Kamu membuat elektron-elektron mengalir mengelilingi suatu rangkaian. Bagaimana arah elektron-elektron mengalir mengelilingi rangkaian tersebut? Elektron mengalir dari suatu tempat yang memiliki lebih banyak elektron, yaitu kutub negatif baterai ke suatu tempat yang memiliki lebih sedikit elektron, yaitu kutub positif baterai. Gambar 2.9 menunjukkan arus elektron mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. 26 Rangkaian Listrik

27 Gambar 2.9 aliran elektron dan arah arus dalam rangkaian tertutup Gambar 2.10 Georg simon ohm Akibat aliran elektron yang mengelilingi suatu rangkaian, maka timbullah arus listrik. Jadi, arus listrik adalah elektronelektron yang mengalir. Para ilmuwan berpikir arus listrik mengalir dari kutub positif baterai ke kutub negatif baterai. Arah arus listrik seperti ini menjadi kesepakatan. Jadi, arah arus elektron berlawanan dengan arah arus listrik. Tampak pula bahwa arah arus listrik tersebut. Hukum Ohm Arus listrik dapat mengalir pada rangkaian listrik apabila dalam rangkaian itu terdapat beda potensial dan rangkaiannya tertutup. Hubungan antara kuat arus listrik dengan beda potensial listrik pertama kali diteliti oleh ahli Fisika dari Jerman bernama Georg Simon Ohm ( ). Hasil penelitiannya dikenal dengan nama Hukum Ohm. Hukum Ohm menjelaskan bagaimana beda potensial atau tegangan dari sebuah sumber arus, kuat arus listrik, dan resistansi suatu rangkaian saling terkait. Hukum Ohm menyatakan jika tegangan pada suatu rangkaian dinaikkan, arus dalam rangkaian akan naik; dan jika tegangan diturunkan, arus akan turun. Contoh, jika tegangan ditambah dua kali, arus akan bertambah dua kali. Ini artinya kuat arus sebanding dengan tegangan. Rangkaian Listrik 27

28 Hukum Ohm juga memperlihatkan bahwa jika tegangan dijaga konstan, resistansi penghantar yang lebih kecil akan menghasilkan arus yang lebih besar dan resistansi rangkaian yang lebih besar akan menghasilkan arus yang lebih kecil. Contoh, jika resistansi dinaikkan dua kali dari 10 Ω menjadi 20 Ω, maka arusnya menjadi setengahnya. Ini berarti kuat arus berbanding terbalik dengan hambatan listrik. Rumus untuk Kuat Arus Listrik Menggunakan hukum Ohm, kuat arus listrik dalam suatu rangkaian dapat ditentukan dengan persamaan: I V R dimana I menyatakan kuat arus, V menyatakan tegangan, dan R menyatakan resistansi atau hambatan. Untuk resistansi yang tetap, jika tegangan yang diberikan ke rangkaian dinaikkan, arus akan naik; dan jika tegangan diturunkan arus akan turun. Adapun, untuk tegangan yang tetap, jika hambatan yang dipasang pada rangkaian dinaikkan, arus akan naik; dan jika hambatan diturunkan arus akan turun. 28 Rangkaian Listrik

29 3. Sumber Arus Listrik Kamu tentunya mempunyai banyak pengalaman dalam memanfaatkan listrik. Setiap waktu kamu menghidupkan lampu, ponsel, pemutar listrik digital, televisi, kendaraan bermotor, atau menyalakan lampu senter, ini semua memanfaatkan listrik. Bagaimana listrik dapat mengalir? Apa yang membuat listrik dapat mengalir dan menyalakan lampu serta semua alat listrik lainnya? Bagaimana jika baterai dari ponsel atau alat pemutar musik digital milikmu dilepas? Apakah alat-alat tersebut dapat menyala dan digunakan? Tentu saja alat-alat listrik tidak dapat digunakan tanpa adanya baterai. Dalam hal ini baterai merupakan sebuah sumber arus listrik. Secara umum, setiap rangkaian memerlukan sumber arus listrik agar arus dapat mengalir di dalam rangkaian tersebut. Pembahasan berikut ini akan menjelaskan tentang sumber arus listrik. Mari kita perhatikan pembahasannya secara saksama. Rangkaian Listrik 29

30 Setiap Peralatan Memerlukan Baterai Pernahkah kamu memperhatikan bahwa putaran sebuah jam dinding melambat setelah beberapa waktu? Kamu kemungkinan juga pernah memperhatikan lampu senter yang cahayanya redup setelah digunakan lama. Kamu tentu segera sadar bahwa bateraibaterainya habis dan harus diganti. Beberapa peralatan listrik dapat dihubungkan ke stop-kontak listrik di dinding atau dapat menggunakan baterai untuk energi yang dibutuhkan untuk menjalankannya. Ponsel dan pemutar musik digital juga menggunakan baterai sebagai sumber listriknya dimana baterai ini dapat diisi kembali. Baterai hanyalah salah satu contoh dari sumber arus listrik. (a) (b) Gambar 3.1 Berbagai macam baterai (a) baterai biasa (b) baterai ponsel Gambar 3.2 Generator, salah satu sumber arus listrik AC Sumber Arus Listrik Kamu sudah mengetahui bagaimana terjadinya arus listrik. Selain itu kamu juga sudah mengenal komponen yang dapat membantu gerakan elektron dalam suatu rangkaian. Suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk mengubah satu jenis energi, misalnya energi kimia dan energi gerak, menjadi energi listrik disebut sumber arus listrik. Contohnya baterai, akumulator, dan generator. 30 Rangkaian Listrik

31 Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua, yaitu sumber arus listrik bolak-balik (AC) dan sumber arus listrik searah (DC). Sumber arus listrik AC dihasilkan oleh dinamo arus AC dan generator. Ada beberapa macam sumber arus searah, di antaranya adalah sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus searah. Elemen volta, batu baterai, dan akumulator merupakan sumber arus searah yang dihasilkan oleh reaksi kimia. Oleh karena itu, elemen volta, batu baterai, dan akumulator sering disebut elektrokimia. Hal ini karena alat tersebut mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Gambar 3.3 Akumulator (Aki) Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi kembali. Contohnya elemen volta dan baterai. Elemen sekunder adalah elemen yang setelah habis muatannya dapat diisi kembali. Contohnya Gambar 3.4 Baterai akumulator (aki). Pada elemen volta, baterai, dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu a. anode, elektrode positif yang memiliki potensial tinggi, b. katode, elektrode negatif yang memiliki potensial rendah, c. larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik. Untuk lebih memahami prinsip kerja beberapa contoh elektrokimia, ikutilah uraian berikut. Elemen Volta Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh ahli fisika Italia bernama Allesandro Volta ( ) dengan menggunakan sebuah bejana yang diisi larutan asam sulfat (H 2 SO 4 ) dan dua logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Elemen Volta terdiri atas a. kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu), b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn), c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H 2 SO 4 ). Rangkaian Listrik 31

32 Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah Gambar 3.5 Elemen volta sebagai sumber arus elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H 2 ). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa Tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen Volta karena dapat membasahi peralatan lainnya. Baterai Sel Kering Baterai yang paling kamu kenal dan banyak digunakan adalah baterai sel kering. Baterai disebut juga elemen kering. Elemen kering pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama baterai sel kering adalah a. kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C), b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn), c. larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH 4 Cl), d. dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO 2 ). 32 Rangkaian Listrik

33 Perhatikan sel kering yang ditunjukkan pada Gambar 3.6. Wadah atau kemasan seng dari sel kering tersebut membungkus pasta bahan kimia lembab dengan sebuah batang karbon padat dipasang di tengah. Batang karbon bekerja sebagai kutub positif dan wadah seng sebagai kutub negatif. Sel kering dapat bekerja sebagai sebuah pompa elektron karena sel tersebut mempunyai beda potensial antara terminal positif dan negatif. Apakah yang menyebabkan beda potensial ini? Gambar 3.6 Diagram bagian dalam sebuah baterai Gambar 3.7 Sebuah contoh elemen kering yang bisa menghasilkan listrik untuk menyalakan lampu kecil Apabila dua kutub sebuah sel kering dihubungkan dalam suatu rangkaian, seperti dalam sebuah lampu senter, maka terjadi reaksi kimia yang melibatkan batang karbon, seng, dan beberapa bahan kimia di dalam pasta tersebut. Sebagai hasilnya, batang karbon tersebut kekurangan elektron dan menjadi bermuatan positif (+), sehingga membentuk kutub positif (+) sel kering tersebut. Elektron-elektron yang mengumpul pada seng, membuat seng kelebihan elektron dan menjadi kutub negatif ( ) sel kering tersebut. Perbedaan potensial antara dua terminal tersebut menyebabkan arus mengalir melalui suatu rangkaian tertutup. Rangkaian Listrik 33

34 Setiap baterai menghasilkan tegangan 1,5 volt. Elemen kering (baterai) banyak dijual di toko karena memiliki keunggulan antara lain (awet), praktis karena bentuk sesuai kebutuhan, dan tidak membasahi peralatan karena elektrolitnya berupa pasta (kering). Kamu dapat menghubungkan secara seri dua sel atau lebih menjadi satu untuk menghasilkan tegangan lebih tinggi. Dapatkah kamu menyebutkan sebuah alat listrik di rumah atau di sekolahmu yang memerlukan lebih dari satu sel kering untuk menjalankannya. Baterai Sel Basah Baterai dapat juga berupa hubungan seri sel basah. Sel basah, seperti ditunjukkan pada Gambar, berisi dua plat yang terbuat dari logam yang berbeda yang dicelupkan di dalam suatu larutan asam sulfat. Bagian utama sel basah, yaitu a. kutup positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO 2 ), b. kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb), c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H 2 SO 4 ) dengan kepekatan 30%. Pernahkah kamu memperhatikan sel basah atau yang lazim juga disebut aki di bawah tutup mesin sebuah mobil? Kebanyakan aki mobil, terdiri dari rangkaian seri enam sel basah terbuat dari plat timah hitam dan dioksida timah hitam yang tercelup dalam larutan asam sulfat. Reaksi kimia dalam tiap-tiap sel menghasilkan suatu beda potensial sekitar 2 V. Apabila di dalam sebuah aki terdapat 6 sel basah, maka secara keseluruhan aki tersebut memberikan potensial total sebesar 12 V. Pada saat mobil berjalan, dinamo mobil membantu mengisi ulang aki sehingga beda potensial aki tersebut menjadi tidak habis. Gambar 3.8 Aki sebagai sel basah 34 Rangkaian Listrik

35 Proses Pengosongan Akumulator Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada anode terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO 2 ) menjadi timbal sulfat (PbSO 4 ). Perubahan yang terjadi pada katode adalah timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO 4 ). Adapun pada larutan elektrolit terjadi perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan akumulator terbentuk air (H 2 O). Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga menghasilkan elektron dan air. Pada saat akumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO 4 ). Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis). Proses Pengisian Akumulator Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO 4 ) berubah menjadi timbal dioksida (PbO 2 ). Perubahan pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO 4 ) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat akan berubah dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum terjadi penguapan air. Gambar 3.9 Aki mobil dapat diisi kembali. Prosesnya disebut penyetruman Aki Rangkaian Listrik 35

36 Akumulator dapat diisi kembali yang dinamakan proses penyetruman aki. Bagaimanakah cara menyetrum akumulator? Untuk menyetrum akumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang memiliki beda potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya lebih dari 6 volt. Kutub-kutub akumulator dihubungkan dengan kutub sumber tegangan. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator. Adapun, kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator. Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC berlawanan dengan arah aliran elektron akumulator. Elektron-elektron pada akumulator dipaksa kembali ke elektrode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman akumulator lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus listrik diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali. Gambar 3.10 Gaya gerak listrik Gaya Gerak Listrik Pernahkah kamu memperhatikan tulisan 1,5 V pada baterai, atau 6 V dan 12 V pada akumulator? Besaran 1,5 V, 6 V atau 12 V yang tertulis pada badan baterai atau akumulator menunjukkan gaya gerak listrik (GGL) dari baterai. Gaya gerak listrik merupakan beda potensial listrik dari baterai yang dipasang pada rangkaian. Untuk membantumu memahami pengertian gaya gerak listrik, perhatikan Gambar 3.10 dan perhatikan pula penjelasannya. 36 Rangkaian Listrik

37 Jika sakelar (sk) ditutup, elektron di kutub negatif baterai akan bergerak melalui penghantar menuju kutub positif. Selama dalam perjalanannya, elektron mendapat tambahan energi dari gaya tarik kutub positif. Namun, energi itu akan habis karena adanya tumbukan antarelektron; di dalam lampu tumbukan itu mengakibatkan filamen berpijar dan mengeluarkan cahaya. Sesampainya di kutub positif, elektron tetap cenderung bergerak menuju ke kutub negatif kembali. Namun, hal itu sulit jika tidak ada bantuan energi luar. Energi luar tersebut berupa energi dari baterai berupa energi kimia. Energi yang diperlukan untuk memindah elektron di dalam sumber arus itulah yang disebut gaya gerak listrik (GGL). Pada Gambar 3.11, tegangan terukur pada titik AB (misalnya menggunakan voltmeter) ketika sakelar terbuka merupakan GGL baterai. Adapun tegangan terukur ketika sakelar tertutup merupakan tegangan jepit. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil daripada gaya gerak listrik. Tahukah kamu mengapa demikian? Mengukur Kuat Arus Kuat arus dalam suatu cabang atau suatu bagian dalam suatu rangkaian dapat diukur menggunakan sebuah ampermeter. Apabila Anda ingin mengukur kuat arus yang melalui hambatan, Anda harus menempatkan amperemeter secara seri dengan hambatan. Karena itu arus dalam rangkaian akan turun jika hambatan ampermeter dinaikkan, maka hambatan sebuah ampermeter sebaiknya sangat kecil. Gambar 3.11 Mengukur arus listrik dengan ampermeter Rangkaian Listrik 37

38 Gambar berikut menunjukkan sebuah ampermeter ideal, hambatan nol pada meter ditempatkan secara paralel dengan hambatan 0,01 Ω. Hambatan amperemeter jauh lebih kecil daripada nilai hambatan luar. Arus akan menurun dari 1,0 A menjadi 0,9995 A. Pembacaan Nilai Arus Listrik pada Ampermeter Langkah pembacaan harga arus listrik yang terukur pada ampermeter adalah (1) membaca skala yang ditunjuk oleh jarum penunjuk, (2) membagi harga yang ditunjuk oleh skala tersebut dengan harga skala maksimum, (3) mengalikan hasil bagi pada langkah (2) tersebut dengan harga batas ukur yang dipilih. Sebagai contoh, apabila batas ukur yang dipilih 10 A, berarti harga maksimum adalah 10 A maka harga arus listrik yang terukur oleh amperemeter adalah: (4/5) x 10 A = 8 A atau (0,8/1) x 10 A = 8 A Mengukur Tegangan Listrik Alat lainnya dikenal sebagai voltmeter, yang digunakan untuk mengukur tegangan yang melewati beberapa bagian dalam suatu rangkaian. Untuk menentukan tegangan yang melewati sebuah hambatan, hubungkan voltmeter secara paralel dengan hambatan. Terminal negatif meter harus dihubungkan ke sisi negatif dari rangkaian dan terminal positif meter harus dihubungkan ke sisi positif rangkaian. Hambatan suatu voltmeter sebaiknya sangat besar, sehingga memungkinkan perubahan arus dan tegangan dalam rangkaian kecil. Gambar 3.12 Mengukur tegangan dengan voltmeter 38 Rangkaian Listrik

39 Perhatikan rangkaian seperti diperlihatkan pada Gambar Sebuah ciri khusus voltmeter yang ideal terdiri atas hambatan nol pada meter yang disusun seri dengan hambatan 10 kw. Ketika hambatan ini dihubungkan paralel dengan R B, hambatan pengganti gabungannya jauh lebih kecil daripada R B saja. Jadi, hambatan total rangkaian menurun, sehingga menaikkan arus. R A tidak berubah, tetapi arus tetap naik, sehingga menaikkan tegangan yang melewati R A. Karena voltmeter dihubungkan dengan ujung-ujung hambatan R B, maka tegangan antara ujung-ujung hambatan R B tersebut menjadi lebih menurun. Hambatan yang besar pada voltmeter memperkecil tegangan. Menggunakan voltmeter dengan hambatan ohm mengubah tegangan antara ujung-ujung RB dari 10 V menjadi 9,9995 V. Multimeter elektronik modern hambatannya sangat besar yakni 10 7 Ω dan menghasilkan perubahan tegangan yang sangat kecil. Gambar 3.13 Voltmeter digital untuk mengukur tegangan pada suatu rangkaian Rangkaian Listrik 39

40 Pembacaan Nilai Tegangan Listrik pada Voltmeter Pembacaan nilai tegangan listrik yang terukur pada voltmeter dilakukan dengan cara membagi nilai yang ditunjuk oleh jarum penunjuk dengan skala maksimum yang sesuai pada voltmeter dan mengalikannya dengan batas ukur yang dipilih. Sebagai contoh, apabila batas ukur yang di pilih 15 V, maka nilai tegangan listrik yang terukur oleh voltmeter adalah (12/15) x 15 V = 12 V atau (4/5) x 15 V = 12 V 40 Rangkaian Listrik

41 4. Rangkaian Listrik Amati berbagai peralatan listrik di sekitarmu. Lampu, pendingin, komputer, dan setrika listrik, dihubungkan dengan sumber tegangan listrik dan membentuk rangkaian listrik. Rangkaian tersebut dibentuk sesuai dengan tujuannya dan bergantung pada bagaimana bagian-bagian rangkaian (sumber tegangan, kawat penghubung, dan hambatan-hambatan) disusun. Gambar 4.1 Sebuah rangkaian listrik sederhana berupa sumber tegangan (baterai), kawat penghantar, sakelar sebagai pemutus rangkaian, dan sebuah lampu. Rangkaian Listrik 41

42 Hukum Ohm dalam Rangkaian Tertutup Sekarang perhatikan rangkaian sebuah hambatan dengan baterai 1,5 V seperti Gambar 4.2. Kamu dapat memperbesar kuat arus pada hambatan (R), dengan cara memperkecil hambatan. Namun jika hambatan (R) kecil, ternyata kuat arus tidak dapat membesar lagi secara beraturan jika R diperkecil. Hal ini terjadi karena di dalam baterai terdapat hambatan. Hambatan yang terdapat di dalam sumber tegangan disebut hambatan dalam. Adapun hambatan (R) yang kamu pasang di luar sumber tegangan disebut hambatan luar. Jika hambatan dalam ditulis dalam rangkaian, maka penggambaran rangkaian menjadi seperti Gambar 4.2. Gambar 4.2 Rangkaian dengan hambatan dalam Arus dalam rangkaian di atas akan melewati hambatan luar (R) dan hambatan dalam (r). Oleh karena itu, hambatan totalnya merupakan gabungan hambatan luar (R) dan hambatan dalam (r), yaitu R + r. Sesuai dengan hukum Ohm maka kuat arus dalam rangkaian tersebut menjadi tegangan baterai dibagi gabungan hambatan. Akibat adanya hambatan dalam, maka tegangan baterai setelah dipasang pada rangkaian lebih kecil daripada gaya gerak listriknya. Beda potensial antara kutub-kutub baterai setelah dipasang hambatan luar disebut tegangan jepit. 42 Rangkaian Listrik

43 Rangkaian Hambatan Listrik Secara umum rangkaian hambatan dikelompokkan menjadi rangkaian hambatan seri, hambatan paralel, ataupun gabungan keduanya. Untuk membuat rangkaian hambatan seri ataupun paralel minimal diperlukan dua hambatan. Adapun, untuk membuat rangkaian hambatan kombinasi seri-paralel minimal diperlukan tiga hambatan. Jenis-jenis rangkaian hambatan tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Oleh karena itu, jenis rangkaian hambatan yang dipilih bergantung pada tujuannya. Rangkaian Seri Rangkaian lampu seperti gambar disebut rangkaian seri. Ini disebut rangkaian seri karena lampu dipasang secara berantai atau berseri. Karena bagian-bagian dari suatu rangkaian seri disambung satu setelah yang lain, besarnya arus yang mengalir sama untuk seluruh bagian rangkaian. Apabila kamu menghubungkan dua amperemeter ke dalam rangkaian, kedua amperemeter itu akan menunjukkan harga yang sama. Gambar 4.3 Rangkaian seri dua buah lampu Rangkaian Listrik 43

44 Apa yang terjadi jika salah satu bagian rangkaian seri terputus? Dalam rangkaian seri arus listrik hanya mempunyai satu jalan yang dapat dilewati. karena itu apabila ada bagian yang terputus, berarti rangkaian dalam keadaan terbuka dan arus pasti tidak mengalir. Bagaimana Cara Kerja Lampu Senter? Banyak lampu senter menggunakan dua sel kering yang dihubungkan seri seperti ditunjukkan pada Gambar 4.4, bagianbagian yang membentuk rangkaian lampu senter adalah baterai, konduktor, lampu pijar, dan sakelar. Pertama, saat mendorong sakelar ke belakang ini artinya menciptakan suatu rangkaian terbuka. Tidak ada arus mengalir. Senter itu mati. Kedua, saat mendorong sakelar ke depan ini berarti menciptakan suatu rangkaian tertutup. Arus mengalir dari salah satu ujung baterai ke lampu. Filamen di dalam lampu menjadi sangat panas dan memijar. Lampu senter menyala. Arus mengelilingi rangkaian dengan mengalir melalui kawat menuju ujung lain baterai itu. Mendorong sakelar itu kembali ke kedudukan terbuka akan membuka rangkaian dan mematikan lampu tersebut. Berapakah Besar Tegangan dan Kuat Arus dalam Rangkaian Seri? Dalam rangkaian seri seperti Gambar 4.4, besar tegangan sumber, Vsumber, adalah sama dengan jumlah tegangan pada lampu A dan B, Vsumber = VA + VB Gambar 4.4 Rangkaian lampu senter 44 Rangkaian Listrik

45 Karena arus I yang melalui lampu-lampu tersebut sama besar, maka VA = IRA dan VB = IRB. Oleh karena itu, Vsumber = IRA + IRB atau Vsumber = I(RA + RB). Arus yang mengalir melalui rangkaian tersebut dapat dihitung dengan rumus berikut ini. Vsumber I R R A B Persamaan ini berlaku untuk setiap jumlah hambatan seri, tidak hanya dua. Arus yang sama akan tetap mengalir bila satu resistor tunggal, R, mempunyai hambatan yang sama dengan jumlah hambatan dua lampu tersebut. Hambatan seperti itu disebut hambatan ekuivalen rangkaian atau sirkuit tersebut. Untuk hambatan seri, hambatan ekuivalen sama dengan jumlah seluruh hambatan yang dihubungkan seri. untuk dua hambatan yang dihubungkan seri R = RA + RB untuk tiga hambatan yang dihubungkan seri R = RA + RB + RC dan seterusnya. Perhatikan bahwa hambatan ekuivalen selalu lebih besar daripada setiap hambatan tunggal yang dihubungkan seri tersebut. Oleh karena itu, jika tegangan baterai tidak berubah, penambahan lebih banyak alat secara seri selalu menurunkan arus tersebut. Untuk menghitung arus, I, yang mengalir dalam suatu rangkaian seri, pertama-tama hitunglah hambatan ekuivalen, R S, dan kemudian gunakan persamaan berikut ini untuk menghitung I. Vsumber I R S Rangkaian Paralel Jika dua buah lampu disusun secara sejajar, lampu-lampu tersebut disusun secara paralel. Perhatikan rangkaian pada Gambar 4.6. Pada rangkaian tersebut, arus listrik dari baterai dapat melalui setiap lampu. Suatu rangkaian, dimana ada beberapa jalan berbeda yang dapat dialiri arus disebut rangkaian paralel. Rangkaian Listrik 45

46 Gambar 4.5 Rangkaian paralel lampu-lampu Pada Gambar 4.5, dua buah resistor disusun secara paralel dan ujung-ujung ketiga resistor dihubungkan secara bersamasama ke sumber tegangan. Di sini arus memiliki dua jalan yang berbeda untuk melewati tiap-tiap resistor. Berapakah arus yang melalui tiap-tiap resistor? Ini bergantung pada hambatan setiap resistor. Sebagai contoh, perhatikan gambar 4.6. Terdapat tiga buah resistor dengan hambatan 12 Ω, 24 Ω, dan 48 Ω. Beda potensial setiap resistor adalah 12 V. Arus yang melalui sebuah resistor diberikan oleh I = V/R, sehingga kita dapat menghitung arus yang melalui resistor 48 Ω adalah I = (12 V)/(48 Ω ) = 0,25 A. Kuat arus yang melalui dua resistor yang lain, dapat dihitung dengan cara yang sama. Gambar 4.6 tiga buah resistor disusun paralel 46 Rangkaian Listrik

47 Apakah yang akan terjadi jika hambatan 12 Ω diambil dari rangkaian? Apakah arus yang melewati hambatan 48 Ω berubah? Apakah arus hanya bergantung pada beda potensial dan hambatannya? Apakah kasus ini juga sama jika dilakukan pada hambatan 24 Ω. Cabang sebuah rangkaian paralel tidak bergantung satu dengan yang lain. Lampu yang lain tetap menyala, meskipun salah satu lampu dilepas. Kuat arus total pada rangkaian paralel merupakan jumlah dari kuat arus masing-masing jalur. Kuat arus total pada rangkaian adalah (0,25 A + 0,5 A + 1 A) = 1,75 A. Hambatan pengganti pada rangkaian dapat ditentukan dengan persamaan : R R R R P Perlu dicatat bahwa hambatan ekuivalen (R P ) ini adalah lebih kecil daripada hambatan tiap-tiap resistor dari ketiga resistor yang dihubungkan secara paralel dalam rangkaian tersebut. Penempatan dua atau lebih resistor dalam rangkaian paralel, selalu mengurangi besar hambatan pengganti pada rangkaian tersebut. Hambatan tersebut menurun karena setiap resistor baru menambah jalur arus baru, dan meningkatkan arus total karena beda potensial tidak berubah. Untuk menghitung hambatan pengganti pada rangkaian paralel, pertama-tama kita harus tahu bahwa arus total adalah jumlah arus yang melalui cabang. Jika IA, IB, dan IC adalah arus yang melalui cabang dan I adalah arus total, maka I = IA + IB + IC Beda potensial di antara ujung-ujung tiap-tiap resistor adalah sama, sehingga arus yang melalui tiap-tiap resistor, misalnya R A dapat ditentukan dari IA = V/RA Rangkaian Listrik 47

48 5. Daya dan Energi Listrik Bila kamu memiliki ponsel atau pemutar musik digital, maka kamu harus selalu mengisi ulang (recharge) peralatan tersebut. Ini karena energi listrik yang dihasilkan baterai yang digunakan oleh ponsel lama-kelamaan akan semakin habis. Kamu pun tidak akan pernah bosan mengisi ulang baterai ponselmu itu agar selalu dapat digunakan. Berapa sebenarnya daya listrik yang dibutuhkan ponsel atau pemutar musik digitalmu itu? Gambar 5.1 Ponsel harus selalu diisi ulang agar selalu dapat digunakan 48 Rangkaian Listrik

49 Daya Listrik Apa yang kamu pikirkan pada saat mendengar kata daya? Daya memiliki banyak arti yang berbeda. Saat kamu mempelajari tentang Energi dan Usaha, kamu telah paham bahwa daya adalah kemampuan melakukan usaha. Listrik dapat melakukan usaha untuk kita. Energi listrik dengan mudah diubah menjadi jenis energi lain. Sebagai contoh, daun-daun sebuah kipas angin dapat berputar dan mendinginkan kamu pada saat energi listrik diubah menjadi energi mekanik. Setrika listrik mengubah energi listrik menjadi energi panas. Daya listrik adalah jumlah energi listrik yang digunakan tiap detik. Gambar 5.2 kipas angin menghasilkan energi putaran dari energi listrik Tiap alat listrik yang berbeda menggunakan energi yang berbeda. Alat-alat listrik sering diiklankan dengan menunjukkan pemakaian dayanya, yang bergantung pada jumlah energi yang dibutuhkan tiap-tiap alat tersebut untuk menjalankannya. Elemen pemanas listrik dalam setrika listrik dan pemasak air listrik memiliki daya listrik besar. Namun, alat-alat tersebut tidak dihidupkan terusmenerus. Alat-alat yang dihidupkan lama bahkan sering terusmenerus, seperti lemari es, umumnya menggunakan lebih banyak energi. Tabel 5.1 menunjukkan kebutuhan daya dari beberapa alat listrik, dan Gambar 5.3 menunjukkan sebuah label dengan informasi daya. Rangkaian Listrik 49

50 Tabel 5.1 Energi yang Digunakan oleh Alat-alat Listrik Rumah Tangga Alat Listrik Lampu-pijar 100-watt Stereo lemari es/freezer Lampu neon 40-watt Televisi (berwarna) Pengering rambut Oven microwave Lama Pemakaian (Jam/hari) 6 2,5 10,00 1 3,25 0,25 0,50 Penggunaan Daya (watt) Energi (kwh/hari) 0,60 0,27 6,15 0,04 0,65 0,25 0,35 Gambar 5.3 Label daya pada alat listrik Penghitungan Daya Daya listrik dinyatakan dalam satuan watt (W) atau kilowatt (kw). Jumlah daya yang digunakan oleh sebuah alat listrik berbanding lurus dengan beda potensial dan kuat arus listriknya, dan dapat dihitung dengan cara mengalikan beda potensial dengan arus. P = V I dimana P adalah daya (watt), V adalah tegangan (volt), dan I adalah arus listrik (ampere) 50 Rangkaian Listrik

51 Satu watt daya dihasilkan apabila arus satu ampere mengalir melalui suatu rangkaian dengan beda potensial satu volt. Perhatikan lagi Tabel 5.1. Alat listrik manakah yang memerlukan daya listrik paling besar untuk menjalankannya? Kamu dapat menjawab pertanyaan tersebut dengan memperhatikan jumlah watt yang tertulis untuk alat tersebut pada kolom penggunaan daya. Daya Listrik pada Suatu Alat Listrik Alat listrik yang dijual di toko biasanya sudah tercantum daya dan tegangan yang dibutuhkan alat itu. Misalnya, lampu bertuliskan 60 W/220 V, setrika bertuliskan 300 W/220 V, dan pompa air bertuliskan 125 W/220 V. Lampu bertuliskan 60 W/220 V artinya lampu akan menyala dengan baik, jika dipasang pada tegangan 220 volt dan selama 1 detik banyaknya energi listrik yang diubah menjadi energi cahaya 60 joule. Jika lampu dipasang pada tegangan lebih besar dari 220 V maka lampu akan rusak. Sebaliknya, jika dipasang pada tegangan kurang dari 220 V, lampu menyala kurang terang. Gambar 5.4 Setrika listrik memerlukan daya sekitar 300 W Rangkaian Listrik 51

52 Ada kalanya alat-alat listrik tidak mencantumkan daya listriknya, tetapi tertulis tegangan dan kuat arus. Misalnya, motor listrik bertuliskan 220 V - 0,5 A. Artinya motor akan bekerja dengan baik jika dipasang pada tegangan 220 volt dan akan mengalir arus listrik. Energi Listrik Energi listrik dapat berubah menjadi bentuk energi lain. Untuk mengubah energi listrik menjadi energi lain diperlukan alat listrik. Setrika merupakan alat listrik yang memiliki hambatan, jika digunakan memerlukan tegangan, arus listrik, dan waktu penggunaan. Hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu itulah yang memengaruhi besar energi listrik. Gambar 5.5 Dapatkah kamu menyebutkan energi apa saja yang digunakan oleh orang dalam gambar di atas? Bagaimanakah merumuskan hubungan energi listrik dengan hambatan, tegangan, kuat arus, dan waktu? dapat dikatakan bahwa besar energi listrik bergantung oleh tegangan listrik, kuat arus listrik, dan waktu listrik mengalir. Energi listrik akan makin besar, jika tegangan dan kuat arus makin besar serta selang waktu makin lama. 52 Rangkaian Listrik

53 Mengapa hemat energi merupakan sikap hidup yang perlu ditumbuhkan? Hampir semua energi listrik dihasilkan dari sumber daya alam, yang terbatas jumlahnya. Energi listrik tidak gratis, kamu harus membayar untuk mendapatkan energi listrik. Seluruh listrik yang digunakan di rumahmu diukur dengan alat yang disebut meter listrik. Kamu mungkin pernah memperhatikan bahwa meter listrik di rumahmu memiliki piringan yang berputar cepat pada saat kamu banyak menggunakan listrik dan berhenti pada saat tidak ada pemakaian listrik. Jumlah energi listrik yang kamu pergunakan bergantung pada daya yang dibutuhkan oleh alat-alat listrik di rumahmu dan berapa lama alat listrik itu digunakan. Sebagai contoh, kamu dapat menghitung jumlah energi yang digunakan sebuah lemari es dalam satu hari dengan mengalikan daya yang dibutuhkan dengan jumlah waktu lemari es itu menggunakan daya listrik. Gambar 5.6 meter listrik Satuan energi listrik adalah joule (J) kilowatt-jam (kwh). Satu joule sama dengan satu watt (W) daya yang digunakan selama satu detik. Satu kilowatt-jam sama dengan 1000 watt daya yang digunakan selama satu jam. Perusahaan listrik memberikan rekening tagihan kepadamu setiap bulan untuk tiap kilowatt-jam daya yang kamu gunakan. Kamu dapat menghitung besar tagihan itu dengan mengalikan jumlah energi yang dipakai dengan harga tiap kilowatt-jam. Tabel 5.2 menunjukkan beberapa contoh biaya menjalankan alat-alat listrik. Rangkaian Listrik 53

54 Tabel 5.2 Contoh biaya menjalankan alat-alat listrik di rumah Rata-rata daya dalam watt (watt) Jam penggunaan tiap hari (jam) Jam penggunaan tiap bulan (jam) Watt-jam tiap bulan (watt-jam) Penggunaan kwh tiap bulan (kwh) Tarif per kwh (Rp) Rekening per bulan (Rp) Lemari es (freezer) , Televisi (berwarna) 200 3,25 97, , Lampupijar 100-watt Perubahan Energi Listrik Manusia menggunakan sumber-sumber energi yang disediakan alam sejak dulu. Dari sekian banyak bentuk energi yang kita ketahui, energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang paling mudah diubah ke dalam bentuk energi yang lain. Oleh karena itu, setiap ditemukan bentuk energi baru, orang cenderung mengubahnya menjadi berbentuk energi listrik sebelum dimanfaatkan. Satu bentuk energi dapat berubah ke bentuk energi yang lain. Untuk mengubah bentuk energi listrik diperlukan alat listrik. Energi listrik dapat diubah ke berbagai bentuk energi antara lain energi cahaya, energi kalor, energi bunyi, energi kinetik, dan energi kimia. Perubahan bentuk energi listrik selalu memenuhi hukum kekekalan energi. Hukum tersebut berbunyi energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah dari bentuk energi satu ke bentuk energi yang lain. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Cahaya Ambillah sebuah lampu pijar, dan coba perhatikan. Ternyata, pada lampu tertulis 20 W/220 V. Kemudian hubungkan dengan stop kontak listrik PLN. Apa yang terjadi? Ternyata, lampu menyala. Perubahan bentuk energi apakah yang terjadi pada lampu pijar? 54 Rangkaian Listrik

55 Lampu pijar dan lampu neon merupakan alat listrik yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi cahaya dan energi kalor. Di dalam ruang kaca lampu pijar, terdapat filamen yang mudah terbakar yang terbuat dari kawat wolfram halus yang dibuat spiral. Di dalam bola kaca diisi gas argon dan nitrogen bertekanan rendah yang berguna untuk menyerap energi kalor dari filamen yang berpijar, sehingga filamen tidak cepat putus. Ketika arus listrik mengalir, filamen berpijar sampai suhu OC menghasilkan cahaya dan kalor. Lampu ini apabila digunakan terasa panas karena banyak energi listrik yang berubah menjadi energi kalor, sehingga lampu tidak hemat listrik. Gambar 5.7 Lampu adalah contoh alat yang mengubah energi listrik menjadi energi cahaya Lampu tabung (TL) sering disebut lampu neon. Lampu ini terbuat dari tabung kaca yang bentuknya bermacam-macam. Di dalam tabung kaca diisi gas raksa dan pada kedua ujungnya terdapat elektrode. Jika kedua elektrode dihubungkan dengan tegangan tinggi menyebabkan terjadinya loncatan elektron yang menimbulkan api listrik. Loncatan elektron ini dapat menyebabkan gas raksa memancarkan sinar ultraviolet yang tidak tampak oleh mata. Agar sinar yang dihasilkan dapat dilihat, dinding tabung kaca bagian dalam dilapisi zat fluoresensi. Dinding kaca berlapis zat itu akan memendarkan cahaya ketika terkena sinar ultraviolet. Cahaya yang dipancarkan berupa cahaya putih dan tidak panas. Rangkaian Listrik 55

56 Dibandingkan lampu pijar, lampu TL memiliki kelebihan. Pada lampu TL lebih banyak energi listrik yang berubah menjadi energi cahaya. Lampu ini hemat listrik karena kalor yang ditimbulkan kecil dan tidak terlalu panas ruang di sekitarnya. Sekarang ini, lampu jenis TL dibuat dalam berbagai bentuk dan memiliki keunggulan hemat energi. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Kalor Ambillah sebuah setrika listrik atau solder dan hubungkan dengan stop kontak listrik PLN dan tunggu beberapa saat. Mengapa dasar setrika terasa panas? Dari manakah asalnya panas? Perubahan bentuk energi apakah yang terjadi pada setrika? Setrika listrik dan solder merupakan alat yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi kalor (panas). Bagian dalam setrika listrik terdapat elemen pemanas yang terbuat dari bahan konduktor yang hambatan jenisnya besar. Elemen pemanas diletakkan di antara alas berupa besi dengan penutup setrika yang dipisahkan bahan isolator. Ketika dialiri arus listrik, elemen tersebut akan menghasilkan energi kalor dan suhunya naik. Energi kalor yang dihasilkan dihantarkan ke lapisan besi, sehingga lapisan besi ikut panas. (a) (b) Gambar 5.8 (a) Setrika dan (b) heater adalah alat-alat yang mengubah listrik menjadi panas 56 Rangkaian Listrik

57 Solder listrik merupakan alat untuk memasang komponen elektronika pada papan rangkai. Bagian dalam solder listrik berisi elemen pemanas yang terbuat dari bahan konduktor yang hambatan jenisnya besar. Elemen pemanas diletakkan di dalam selubung solder. Ketika dialiri arus listrik, elemen tersebut akan menghasilkan energi kalor dan suhunya naik. Energi kalor yang dihasilkan dihantarkan ke mata solder. Logam mata solder memiliki titik lebur yang lebih tinggi daripada titik lebur timah solder. Suhu solder yang terlalu tinggi akan merusak komponen solder. Gambar 5.9 solder menghasilkan panas dari listrik Menggunakan Listrik Secara Efektif Sumber energi ada yang dapat diperbarui dan ada pula yang tidak dapat diperbarui. Sebagian besar sumber energi yang kita gunakan di rumah dan untuk angkutan merupakan sumber energi yang tidak dapat diperbarui. Para ahli menunjukkan bahwa minyak bumi dan batu bara di dunia ini akan habis dalam kurun waktu tertentu. Akibatnya pada suatu saat akan terjadi krisis energi. Karena jumlah permintaan energi selalu bertambah, satu saat permintaan ini melebihi batas energi yang tersedia di bumi. Rangkaian Listrik 57

58 Salah satu alternatif adalah dengan menggunakan energi alternatif selain minyak bumi. Tenaga angin dan ombak atau gelombang laut adalah dua di antara alternatif yang ada. Angin dan ombak merupakan sumber energi yang dapat diperbarui karena tersedia di alam. Listrik dapat dihasilkan dari dua sumber energi alternatif ini. (a) (b) Gambar 5.10 (a) listrik tenaga angin dan (b) listrik tenaga ombak Walaupun energi listrik yang disediakan PLN cukup besar namun belum mencukupi kebutuhan listrik secara nasional. Karena masih terdapat daerah di tanah air ini yang belum mendapat suplai listrik. Pemerintah terus mengembangkan penyediaan energi listrik guna pemerataan penggunaan listrik untuk meningkatkan perkembangan industri di seluruh tanah air. Sumber energi yang terbatas dan banyaknya permintaan listrik di tanah air mendorong kita untuk menghemat energi di antaranya penghematan energi listrik. Pemanfaatan energi listrik secara efektif perlu digalakkan kepada seluruh pengguna energi listrik. 58 Rangkaian Listrik

59 Gambar 5.11 Salah satu cara menghemat listrik adalah dengan merancang ruang dengan ventilasi yang cukup Jatah daya listrik yang diberikan PLN perlu dimanfaatkan sebaik-baiknya. Berikut ini beberapa usaha penghematan energi listrik. Mematikan saklar alat listrik yang tidak digunakan. Menyalakan lampu setelah gelap. Menggganti lampu pijar dengan lampu TL. Memilih alat-alat listrik yang berdaya rendah. Membuat ruangan berjendela. Mencari sumber-sumber energi alternatif yang dapat diperbarui. Menemukan alat-alat baru yang menggunakan tenaga surya. (a) Gambar 5.12 menggunakan (a) lampu hemat energi dan (b) panel surya sebagai usaha untuk menghemat listrik (b) Rangkaian Listrik 59

60 6. Arus Bolak-Balik Sumber listrik AC di rumahmu berasal dari tempat yang jauh. Arus listrik tersebut mengalir melalui kawat bertegangan listrik sangat tinggi untuk memperkecil energi listrik yang terbuang sia-sia. Sebelum memasuki rumahmu, tegangan listrik tersebut diturunkan hingga sebesar 220 Volt. Untuk maksud tersebut, arus listrik dilewatkan pada alat yang bernama transformator. Agar arus listrik dapat dinaikkan atau diturunkan tegangannya, listrik dialirkan dalam bentuk arus bolak-balik. Gambar 6.1 Gardu listrik terdiri dari transformator besar untuk mengubah besar arus listrik sebelum disalurkan ke rumah-rumah 60 Rangkaian Listrik

61 Arus Bolak-balik Arus dan tegangan yang kita bicarakan sejauh ini dapat digolongkan sebagai arus searah. Arus dan tegangan ini dihasilkan dari sumber tegangan berupa baterai atau akumulator (aki). Arus dan tegangan searah mempunyai nilai yang kecil. Tentu saja tegangan yang kecil tidak memadai untuk memenuhi kebutuhan listrik sehari-hari. Dalam hal ini listrik yang digunakan berupa arus bolak-balik. Listrik yang kita gunakan sehari-hari disediakan oleh PLN. Sumber listriknya berupa pembangkit listrik yang besar yang mampu menghasilkan listrik dengan daya sampai jutaan watt atau dalam kisaran megawatt. Pembangkit listriknya dapat berupa PLTA yang menggunakan tenaga air, PLTU yang menggunakan tenaga uap, atau PLTG yang menggunakan tenaga gas. Letak pembangkit listrik ini biasanya di tempat yang jauh sehingga memerlukan suatu jalur pengiriman listrik. Jalur pengiriman listrik ini disebut jalur transmisi daya listrik. Gambar 6.2 Jalur transmisi daya listrik Rangkaian Listrik 61

62 Di sinilah kita memerlukan suatu arus bolak-balik. Berbeda dengan arus searah yang nilainya selalu tetap, arus bolak-balik memiliki nilai yang berubah-ubah. Ini menguntungkan karena dalam perjalanannya dari pembangkit ke pengguna, listrik akan selalu diubah-ubah besarnya sesuai dengan kebutuhan di setiap tempat. Dari sini, kamu telah mengetahui bahwa arus dan tegangan dapat berada dalam dua keadaan, yaitu arus searah dan arus bolak-balik. Arus searah memiliki besar arus atau tegangan yang selalu tetap, sedangkan arus bolak-balik memiliki besar arus atau tegangan yang berubah-ubah. Generator Bagaimana listrik untuk rumahmu dihasilkan? Sebagian besar energi listrik yang kita gunakan sehari-hari dihasilkan oleh generator. Generator memanfaatkan induksi elektromagnetik untuk menghasilkan listrik. Gambar 6.3 Sebuah alat sederhana yang memanfaatkan gejala induksi untuk menghasilkan listrik Perhatikan Gambar 6.3 di atas. Alat pada gambar itu menunjukkan perangkat generator sederhana yang dapat menghasilkan listrik melalui gerak putar kumparan di dalam medan magnet. Listrik akan dihasilkan bila kumparan diputar di dalam medan magnet. Gejala ini disebut induksi elektromagnetik. 62 Rangkaian Listrik

63 Gambar di bawah menunjukkan diagram dari sebuah generator. Pada saat kumparan berputar, kumparan memotong garis gaya magnet. Seperti telah kamu temukan, jika kumparan memotong garis gaya magnet, arus induksi akan timbul pada kumparan tersebut. Setelah kumparan berputar 1/2 putaran, sisisisi kumparan melintas di dekat kutub magnet yang berlawanan dengan semula, menyebabkan arah arus induksi berubah. Sebagai hasilnya arah arus yang dihasilkan kumparan tersebut berubahubah. Arus yang dihasilkan generator disebut arus bolak-balik atau arus AC (Alternating Current). Gambar 6.4 Generator arus bolak-balik Apa yang dapat digunakan untuk memutar kumparan generator? Pada generator kecil, misalnya generator untuk lampu sepedamu, energi untuk memutarnya berasal dari putaran roda sepedamu. Namun pada pembangkit listrik, orang memanfaatkan turbin. Turbin memanfaatkan energi kinetik air terjun, angin, atau uap untuk memutar kumparan generator. Transformator Transformator adalah alat yang dipergunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan arus bolak balik. Transformator dapat berfungsi berdasarkan prinsip arus bolak balik pada suatu kumparan dan menghasilkan arus induksi pada kumparan kedua. Rangkaian Listrik 63

64 Transformator sangat penting untuk penyaluran listrik. Pembangkit listrik biasanya letaknya sangat jauh dari rumah penduduk. Listrik disalurkan pada jarak yang jauh, sehingga terdapat kehilangan energi. Pada tegangan yang tinggi dan arus yang rendah, listrik dapat disalurkan dengan kehilangan energi yang lebih kecil. Tetapi jika pembangkit listrik membangkitkan tegangan rendah, bagaimana memperoleh listrik tegangan tinggi? Listrik tegangan tinggi diperoleh dengan menaikkan tegangan menggunakan transformator step-up. Setelah dinaikkan, tegangan tersebut disalurkan ke pelanggan. Tegangan tersebut kemudian diturunkan lagi dengan menggunakan transformator step-down untuk disalurkan ke rumah penduduk. Transformator ini biasanya terdapat di gardu listrik milik PLN yang berfungsi membagi listrik ke rumah-rumah. Gambar 6.5 Trafo yang ada di gardu listrik Transformator step-up digunakan juga pada pesawat televisi untuk menaikkan tegangan 220 volt menjadi tegangan volt. Transformator step-down digunakan pada radio, tape recorder, dan komputer. 64 Rangkaian Listrik

65 Penggunaan Transformator Banyak peralatan listrik di rumah yang menggunakan transformator step down. Trafo tersebut berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik PLN yang besarnya 220 V menjadi tegangan lebih rendah sesuai dengan kebutuhan. Sebelum masuk rangkaian elektronik pada alat, tegangan 220 V dari PLN dihubungkan dengan trafo step down terlebih dahulu untuk diturunkan. Misalnya kebutuhan peralatan listrik 25 V. Jika alat itu langsung dihubungkan dengan PLN, alat itu akan rusak atau terbakar. Namun, apabila alat itu dipasang trafo step down yang mampu mengubah tegangan 220 V menjadi 25 V, alat itu akan terhindar dari kerusakan. Ada beberapa alat yang menggunakan transformator antara lain power supply (catu daya), adaptor, dan transmisi daya listrik jarak jauh. Transformator sebagai Power Supply Tahukah kamu bahwa komputer (PC) yang kamu pakai setiap hari memiliki satu komponen penting yang disebut power supply? Apa fungsi power supply? Komponen ini yang akan membagi listrik ke setiap bagian dari komputer. Bagian dalam komputer memerlukan tegangan listrik yang kecil sehingga tidak boleh langsung disambungkan dengan listrik dari PLN. Power supply ini yang akan menurunkan tegangan dari listrik PLN sampai ke nilai yang sesuai dengan komponen-komponen di dalam komputer. Gambar 6.6 Trafo dapat kita temukan di dalam alat listrik seperti TV Gambar 6.7 Trafo sebagai bagian dari power supply Rangkaian Listrik 65

66 Catu daya atau power supply merupakan alat yang digunakan untuk menghasilkan tegangan AC yang rendah. Catu daya menggunakan trafo step down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan 220 V menjadi nilai tegangan AC yang besarnya antara 2 V sampai 12 V. Transformator sebagai Adaptor Tahukah kamu charger yang digunakan untuk mengisi ulang listrik dari batere di dalam ponsel? Kamu tentu sangat mengerti begitu pentingnya charger ini buat kita. Jika charger digunakan untuk ponsel, adaptor adalah alat dengan fungsi serupa dengan charger bagi laptop. Baik charger maupun adaptor berfungsi menghubungkan komponen listrik dengan listrik PLN. Trafo digunakan dalam charger dan adaptor. Adaptor terdiri atas trafo step down dan rangkaian penyearah arus listrik yang berupa diode. Adaptor merupakan catu daya yang ditambah dengan penyearah arus. Fungsi penyearah arus adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Gambar 6.8 Charger atau adaptor untuk isi ulang baterai laptop juga menggunakan transformator 66 Rangkaian Listrik

67 Transmisi Daya Listrik Jarak Jauh Pembangkit listrik biasanya dibangun jauh dari permukiman penduduk. Proses pengiriman daya listrik kepada pelanggan listrik (konsumen) yang jaraknya jauh disebut transmisi daya listrik jarak jauh. Untuk menyalurkan energi listrik ke konsumen yang jauh, tegangan yang dihasilkan generator pembangkit listrik perlu dinaikkan mencapai ratusan ribu volt. Untuk itu, diperlukan trafo step up. Tegangan tinggi ditransmisikan melalui kabel jaringan listrik yang panjang menuju konsumen. Sebelum masuk ke rumahrumah penduduk tegangan diturunkan menggunakan trafo step down hingga menghasilkan 220 V. Gambar 6.9 Transmisi listrik dari pembangkit ke perumahan Transmisi daya listrik jarak jauh dapat dilakukan dengan menggunakan tegangan besar dan arus yang kecil. Dengan cara itu akan diperoleh beberapa keuntungan, yaitu energi yang hilang dalam perjalanan dapat dikurangi dan kawat penghantar yang diperlukan dapat lebih kecil serta harganya lebih murah. Rangkaian Listrik 67

68 Gambar 6.10 Bendungan yang digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air Listrik di Rumahmu Apakah kamu mempunyai generator di rumahmu yang memberikan semua kebutuhan listrik yang kamu perlukan? Mungkin tidak. Kamu memperoleh listrik dari pembangkit listrik, seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Generator ini jauh lebih rumit daripada generator yang dibahas di atas. Di bawah ini diberikan contoh generator yang terdapat di dalam pembangkit listrik tenaga air. Gambar 6.11 Diagram dari generator 68 Rangkaian Listrik

69 Diperlukan sumber energi mekanis untuk memutar kumparan. Kumparan biasanya dihubungkan ke turbin. Turbin adalah roda besar yang diputar oleh dorongan air, angin ataupun uap. Generator mengubah energi mekanis ini menjadi energi listrik yang disalurkan ke rumahmu. Gambar 6.12 Turbin dari sebuah Generator Rangkaian Listrik 69