ARUS SEARAH (ARUS DC)

Transkripsi

1 ARUS SEARAH (ARUS DC) Bahan Ajar Pernahkah Anda melihat remot televisi? Tahukah anda kenapa remot tersebut dapat digunakan untuk mengganti saluran televisi? Apa yang menyebabkan remot dapat digunakan? Kemudian apakah Anda memiliki telepon seluler (handphone)? Atau pernahkah Anda melihat telepon seluler? Apa yang menyebabkan telepon seluler dapat menyala? Pertanyaan-pertanyaan di atas akan terjawab setelah Anda mempelajari materi ini. Arus searah adalah arus listrik yang nilainya hanya positif atau hanya negatif saja (tidak berubah dari positif kenegatif, atau sebaliknya). 1. Arus Listrik dan Kuat Arus Listrik Arus listrik merupakan gerakan kelompok partikel bermuatan listrik dalam arah tertentu. Arah arus listrik yang mengalir dalam suatu konduktor adalah dari potensial tinggi ke potensial rendah (berlawanan arah dengan gerak elektron). Sehingga dapat didefinisika sebagai aliran muatan listrik melalui sebuah konduktor. Arus ini bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, dari kutub positif ke kutub negatif, dari anoda ke katoda. Arah arus listrik ini berlawanan arah dengan arus elektron. Muatan listrik dapat berpindah apabila terjadi beda potensial. Beda potensial dihasilkan oleh sumber listrik, misalnya baterai atau akumulator. Setiap sumber listrik selalu mempunyai dua kutub, yaitu jutub positif (+) dan kutub negatif (-). Apabila kutub-kutub baterai dihubungkan dengan jalur penghantar yang kontinu kita dapatkan rangkaian listrik tampak seperti gambar di bawah ini Diagram rangkaiannya tampak seperti pada gambar di bawah ini Arus listrik yang mengalir pada kawat tersebut didefinisikan sebagai jumlah total muatan yang melewatinya per satuan waktu pada suatu titik. Maka arus listrik I dapat dirumuskan:

2 I = q t I = Kuat arus listrik yang mengalir (A) q = Jumlah muatan listrik (C) t = Selang waktu (s) Arus listrik diukur dalam coulomb per sekon dan diberi nama khusus yaitu ampere yang diambil dari nama fisikawan Prancis bernama Andre Marie Ampere ( ). Satu ampere didefinisikan sebagai satu coulomb per sekon (1 A = 1 C/s). Satuan-satuan terkecil yang sering digunakan adalah miliampere (1 ma = 10-3 A) atau mikroampere (1μA = 10-6 A). Alat untuk mengukur kuat arus listrik dinamakan amperemeter (disingkat ammeter). Besar atau kecilnya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar tiap sekon disebut kuat arus listrik. Kuat arus listrik dapat diukur dengan menggunakan alat yang dinamakan amperemeter. Amperemeter disusun secara berurutan (seri) dalam rangkaian listrik, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Cara membaca skala pada amperemeter adalah sebagai berikut, setelah ampere meter terpasang pada rangkaian dan skalar ditutup maka arus listrik mengalir dan jarum amperemeter menunjuk angka tertentu sesuai dengan besar arus yang terukur. Arus listrik dianggap sebagai aliran muatan positif, walaupun sebenarnya muatan positif tidak dapat bergerak. Seperti yang telah di jelaskan sebelumnya bahwa arus listrik bergerak dari potensial tinggi menuju potensial rendah, atau dari kutub positif (anoda) menuju kutub negatif (katoda) Selanjutnya pada penampang konduktor, kuat arus listrik dapat didefinisikan sebagai jumlah muatan listrik yang menembus penampang konduktor tiap satuan waktu. Secara matematis dapat ditulis sebagai: I = Q t = n e v A I = Kuat arus listrik Q = Muatan listrik n = Jumlah elektron/volume v = Kecepatan elektron

3 Jika Anda memperhatikan dengan teliti bagian dalam kabel listrik yang berupa serabut (terdiri atas beberapa kawat kecil), kawat, atau bahkan lilitan kawat besar (digunakan pada tiang-tiang listrik). Pada prinsipnya, kuat arus hanya dipengaruhi oleh sumber arus, jadi bentuk penampang kabel akan mempengaruhi rapat arus yang mengalir. 2. Rapat Arus Rapat arus adalah aliran muatan pada suatu luas penampang tertentu di suatu titik penghantar. Dalam Sistem Internasonal (SI) rapat arus memiliki satuan Ampere per meter persegi (A/m 2 ). Atau dengan kata lain rapat arus adalah kuat arus per satuan luas penampang. Secara matematis ditulis: J = I = n e v A J = Rapat arus (J) atau (A/m 2 ) I = Kuat arus listrik (A) A = Luas penampang yang dilalui arus (m 2 ) e = Muatan 1 elektron = 1, Dalam pengertian lain yang lebih sederhana, rapat arus didefinisikan sebagai kuat arus yang mengalir pada suatu penghantar tiap satu satuan luas. Secara matematis dapat ditulis: J = I A 3. Sifat Kelistrikan Bahan (konduktor, isolator, dan semikonduktor) a. Konduktor Konduktor adalah suatu bahan atau zat yang bisa menghantarkan listrik atau panas (kalor) dengan baik. Contoh bahan konduktor di dapur adalah wajan dari alumunium dan berbagai alat dari besi. Contoh konduktor pada alat-alat listrik adalah tembaga. Kabel listrik memakai tembaga dikarenakan logam tembaga sangat mudah menghantarkan listrik dan mempunyai hambatan atau sesistensi yang kecil sehingga arus listrik dapat mengalir dengan baik. Bahan lainnya yang termasuk konduktor adalah baja, besi, tembaga, kuningan, perak, emas. b. Isolator Isolator merupakan suatu zat atau bahan yang tidak bisa menghantarkan panas maupun listrik. Contoh isolator yang dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari adalah gagang pemegang panci yang dilapisi dengan plastik agar tidak panas pada saat kita memegangnya. Contoh lain pada listrik adalah kabel dilapisi dengan bahan karet sehingga kita tidak tersengat listrik. Contoh bahan isolator adalah plastik, karet, dan kayu.

4 Anda perlu hati-hati dengan knalpot motor tanpa pelindung, karena knalpot tersebut terbuat dari bahan campurang besi dan alumunium. Knalpot dapat panas karena knalpot termasuk dalam konduktor yang baik. c. Semikonduktor Ada beberapa bahan yang berperilaku antara konduktor dan isolator, bahan-bahan ini disebut semikonduktor. Semikonduktor penting dalam elektronik seperti komputer dan ponsel, karena konduktivitas mereka dapat dikontrol sehingga memungkinkan untuk arus mengalir hanya dalam satu arah atau hanya dalam keadaan tertentu. Semikonduktor yang sering digunakan dalam elektronik saat ini adalah silikon. Silikon biasa digunakan untuk membuat komponen elektronika seperti transistor dan IC. Ada beberapa fakta menarik tentang konduktor listrik dan isolator dalam kehidupan sehari-hari, antara lain: Kebanyakan konduktor listrik yang baik juga merupakan konduktor panas yang baik. Suhu dapat memainkan peran penting dalam konduktansi material. Secara umum, semakin tinggi suhu maka semakin rendah konduktivitas, resistensi meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Aluminium memiliki konduktivitas dari tembaga, tetapi kadang-kadang digunakan dalam kabel karena biayanya lebih rendah. 4. Alat Ukur Listrik a. Voltmeter Voltmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik. Voltmeter biasanya disusun secara paralel (sejajar) dengan sumber tegangan atau peralataan listrik. Cara memasang voltmeter adalah dengan menghubungkan ujung sumber tegangan yang memiliki potensial lebih tinggi (kutub positif) harus dihubungkan ke terminal positif voltmeter,dan ujung sumber tegangan yang memiliki potensial lebih rendah (kutub negatif) harus dihubungkan ke terminal negatif voltmeter. Biasanya voltmeter digunakan untuk mengukur sumber tegangan seperti baterai, elemen Volta, atau aki. Salah satu contoh voltmeter dan cara menghubungkannya ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.

5 b. Amperemeter Amperemeter ialah alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik baik untuk arus DC maupun AC yang terdapat dalam rangkaian tertutup. Amperemeter biasa dipasang berderet dengan elemen listrik. Jika Anda akan mengukur arus yang mengalir pada sebuah penghantar dengan memakai Amperemeter, maka wajib Anda pasang secara seri dengan cara memotong penghantar agar arus mengalir melalui Amperemeter. Salah satu contoh amperemeter ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. c. Multimeter Multimeter adadalah alat pengukur listrik yang sering dikenal sebagai VOM (volt-ohm meter) yang dapat mengukur tegangan (voltmeter), hambatan (Ohm-meter), maupun arus (amperemeter). Ada dua kategori multimeter, yaitu multimeter digital atau DDM (digital multi-meter) dan multimeter analog. Multimeter analog lebih sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari, seperti para tukang servis TV atau komputer kebanyakan menggunakan multimeter analog. Kelebihan dari multimeter analog adalah mudah dalam pembacaannya dengan tampilan yang lebih simpel. Sedangkan kekurangannya adalah akurasinya rendah, jadi untuk pengkuran yang memerlukan ketelitian yang tinggi sebaiknya menggunakan multimeter digital. Multimeter analog dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Selanjutnya multimeter digital memiliki akurasi yang lebih tinggi dan kegunaan yang lebih banyak jika dibandingkan dengan multimeter analog. Yaitu memiliki tambahan-tambahan satuan yang lebih teliti dan juga opsi pengukuran yang lebih banyak. Tidak terbatas pada ampere, volt, dan ohm saja. Mutimeter digital biasanya dipakai pada penelitian atau kerja-

6 kerja mengukur yang memerlukan kecermatan tinggi, tetapi saat sekarang juga sudah banyak bangkel-bengkel komputer dan servis center yang memakai multimeter digital. Kekurangan dari multimeter digital adalah susah untuk memonitor tegangan yang tidak stabil. Jadi bila melakukan pada tegangan yang bergerak naik-turun, sebaiknya menggunakan multimeter analog. Multimeter digital dapat dilihat pada gambar di bawah ini. 5. Hukum OHM Baterai merupakan sumber tegangan, sedangkan lampu mempunyai hambatan dan menyala karena adanya arus listrik. Peristiwa di atas membuktikan adanya hubungan kuat arus, tegangan, dan hambatan. Menurut George Simon Ohm, tegangan pada sebuah hambatan berbanding lurus dengan kuat arus untuk suhu konstan. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Ohm, secara matematis dapat ditulis: V = IR V = Tegangan (V) I = Kuat Arus (A) R = Hambatan (Ohm) 6. Hukum Kirchoff a. Hukum I Kirchoff Ilmuwan yang menyelidiki besar arus yang melewati suatu percabangan adalah Gustav Robert Kirchoff. Perhatiakna gambar di bawah ini.

7 Pada percabangan tersebut, besar I 1 sama dengan besar I 2 ditambah besar I 3. Ini merupakan contoh penerapan Hukum I Kirchoff yang menyatakan Jumlah kuat arus listrik yang masuk ke suatu simpul (titik percabangan) sama dengan jumlah arus listrik yang keluar dari titik simpul tersebut. Hukum I Kirchoff secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: I masuk = I keluar Contoh penerapan Hukum Kirchoff dapat dipelajari melalui gambar di bawah ini. Kita telah sama-sama mengetahui bahwa pada rangkaian paralel yang terdiri dari beberapa resistor, besar tegangan di setiap percabangan (simpul) sama besar. Atau dapat dituliskan: V AB = V CD = V EF = V Dengan menerapkan hukum Ohm, kita mendapatkan persamaan berikut: Atau, I 1 R 1 = I 2 R 2 = I 3 R 3 I 1 I 2 I 3 = R 1 R 2 R 3 Persamaan ini memberikan pengertian bahwa besarnya arus yang melewati percabangan bergantung dari besar hambatan yang terdapat pada percabangan tersebut. Semakin besar hambatan, semakin kecil arus yang mengalir. Sebaliknya semakin kecil hambatan, semakin besar arus yang mengalir. b. Hukum II Kirchoff Dengan menerapkan hukum Ohm dan Hukum I Kirchoff, kita dapat mencari besar arus dan tegangan pada rangkaian dengan satu sumber tegangan. Namun bagaimanakah kita mencari arus dan tegangan jika pada rangkaian terdapat lebih dari satu sumber tagangan? Perhatikan gambar di bawah ini.

8 Kita dapat mencari besar arus dan tegangan pada resistor dengan menggunakan prinsip Hukum II Kirchoff yang menyatakan Pada rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (E) dengan penurunan tegangan (IR) sama dengan nol. Hukum II Kirchoff dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut: E + IR = 0 E = Gaya-gerak listrik (volt) I = Kuat arus (A) R = Hambatan (ohm) Perhatikan kembali rangkaian pada gambar di atas. Rangkaian tersebut merupakan rangkaian tertutup dengan loop tunggal (1 loop). Untuk menganalisis rangkaian tersebut, kita dapat menggunakan Hukum II Kirchoff dengan mengikuti langkah berikut: a. Memilih arah loop. Agar lebih mudah, arah loop dapat ditentukan searah dengan arah arus yang berasal dari sumber tegangan yang paling besar dan mengabaikan arus dari sumber tagangan yang kecil (ingat arah arus bermula dari kutub positif menuju kutub negatif) b. Setelah arah loop ditentukan, perhatikan arah arus pada percabangan. Jika arah arus sama dengan arah loop, penurunan tegangan (IR) bertanda positif. Namun, jika arah arus berlawanan dengan arah loop, IR bertanda negatif. c. Jika arah loop menjumpai kutub positif pada sumber tegangan lain, maka nilai E positif. Namun, jika yang dijumpai lebih dulu adalah kutub negatif, maka E bertanda negatif. Dengan mengikuti langkah di atas, mari kita analisis bersama rangkaian tersebut. Pada rangkaian tersebut, jika E 2 > E 1, kita dapat menentukan arah loop seperti gambar di bawah ini (arah loop dari a-b-c-d-a): Setelah menentukan arah loop, kita dapat menerapkan Hukum II Kirchoff sebagai berikut. IR 2 E 1 + IR 1 E 2 = 0 I(R 1 + R 2 ) = E 1 + E 2

9 Jadi, kuat arus yang mengalir pada rangkaian tersebut adalah: Bahan Ajar I = E 1 + E 2 R 1 + R 2 7. Aplikasi/ Contoh Arus Searah/ Arus listrik dalam Kehidupan Sehari-hari Lampu senter Motor listrik Lampu pijar Peleburan Pemanasan kawat tidak hanya dipengaruhi oleh reaksi arus saja tetapi juga oleh luas penampang kawat. Dari yang paling lemah adalah di dalam jaringan tubuh manusia hingga yang paling kuat seperti yang terjadi pada petir.