BAB LISTRIK DINAMIS Arus Listrik. Listrik dinamis adalah pelajaran fisika mengenai listrik dengan memperhitungkan situasi muatan yang bergerak.

Transkripsi

1 BAB LSTK DNAMS Listrik dinamis adalah pelajaran fisika mengenai listrik dengan memperhitungkan situasi muatan yang bergerak.. Arus Listrik Arus listrik adalah gerakan atau aliran muatan listrik. Pergerakan muatan ini terjadi pada konduktor. Adapun pembawa muatan pada setiap jenis konduktor: Logam, pembawa muatannya adalah eletron-eletron. Gas, pembawa muatannya adalah ion positif dan eletron. Larutan, pembawa muatannya adalah ion positif dan ion negative. Dalam hal timbulnya arus listrik dapat kita bayangkan bahwa arus listrik ibarat aliran air yang melalui sebuah pipa. Aliran air ini bisa mengalir karena adanya pompa yang memberikan energi atau tekanan terhadap air. Dengan pengertian yang sama, muatan listrik dapat mengalir dalam suatu rangkain karena ada sumber energi (baterai, aki, dl). Akibatnya muatan listrik akan dikenai suatu gaya, yaitu gaya gerak listrik (ggl) sehingga timbullah arus listrik. Ggl ini disebut juga sumber tegangan yang menimbulkan beda potensial sehingga arus listrik mengalir dalam suatu rangkaian listrik. Arus listrik dapat terjadi karena muatan positif yang bergerak ataupun muatan negative yang bergerak. Arah arus listrik adalah arah aliran muatan positif. Tips perihal arus listrik : Arus listrik adalah aliran muatan listrik Arah arus listrik (arus konvensional) sesuai dengan arah aliran muatan positif,atau berlawanan arah dengan arah aliran muatan negative Arus listrik mengalir dari titik yang berpotensial tinggi ke titik yang berpotensial rendah dalam rangkaian tertutup

2 Kuat arus listrik Dalam suatu selang waktu (t), muatan yang melewati penampang (A) dalam gambar.3 adalah q sehingga kuat arus listrik () yang mengalir dapat dinyatakan sebagai : q t Dengan q adalah banyaknya muatan yang mengalir untuk selang waktu t yang sangat keil. Untuk arus searah, jumlah muatan yang mengalir melalui penampang kawat/ konduktor adalh konstan sehingga dapat dituliskan : q t Satuan arus listrik dalam S adalah oloum per sekon (C/s). yang lebih dikenal Ampere (A). besaran kuat arus termasuk besaran pokok sedangkan muatan q dan waktu t adalah besaran turunan. Bila luas penampang yang dilewati arus sebesar A, maka rapat arus (J) dapat ditulis menjadi : J A apat arus (J)didefinisikan sebagai besarnya kuat arus per satuan luas penampang (ampere/m ).. Hukum Ohm dan Hambatan Listrik.. Hukum Ohm Suatu hasil perobaan pada table 5.. Nilai kuat atus dan tegangan pada suatu hambatan menghasilkan grafik seperti gambar.4

3 Grafik pada gambar.4 menunjukkan bahwa tegangan berbanding lurus terhadap kuat arus. apabila hambatan tetap yang digunakan diganti dengan yang lain, kemiringan (gradient) kurva akan berubah.akhirnya, dapat disimpulkan bahea jika kemiringan grafik disebut hambatan, didapatlah hubungan: Persamaan diatas dikenal sebagai hukum ohm, yang berbunyi : Tegangan pada hambatan yang memenuhi hukum ohm berbanding lurus terhadap kuat arus untuk suhu yang konstan Sebagai penghormatan kepada georg simon ohm, maka satuan hambatan (volt / ampere) dinamakan ohm (). 3 Hukum ohm tidak merupakan pernyataan universal,tapi hanya gambaran bagi sebagian materi tertentu yang mengikuti hukum ohm (komponen ohmik). Nilai hambatan pada komponen ohmik konstan asal suhunya konstan. Materi yang tidak memenuhi hukum ohm disebut komponen non-ohmik. Grafi sebagai fungsi untuk komponen non-ohmik dapat dilihat gambar.5... Hambatan Listrik esistor adalah suatu komponen dengan bahan konduktor yang dibuat sedemikian sehingga mempunyai hambatab tertentu. esistor dibuat dengan hambatan yang sangat beragam nilainya untuk digunakan dalam rangkaian elektronika. Berikut adalah rumus untuk hambatan : hambatan () hambatan jenis (.m) l panjang (m) A luas penampang (m ) l ρ A Selain faktor diatas faktor lain yang mempengaruhi hambatan adalah suhu. Berdasarkan perobaan diketahui bahwa umumnya hambatan berbanding lurus terhadap suhu t. Perhatikan gambar.7

4 4 Perubahan hambatan jenis sebanding dengan besar perubahan suhu ( t) : ρ ρ 0α t Dari persamaan di atas, maka perubahan nilai hambatan akan mengikuti hubungan: 0α t Sehingga : t 0 ( α t ) t 0 t hambatan pada suhu t0c, hambatan mula-mula, koefisie suhu hambatan jenis ( per 0C), perubahan suhu (0C) Koefisien suhu hambatan jenis ( ) tergantung pada jenis bahan, namun pada bahan tertentu hambatan jenis justru akan semakin keil akibat kenaikan suhu. Pengurangan ini dinyatakan dengan nilai yang negative seperti pada grafit dan bahan semikonduktor. Nilai untuk beberapa jenis bahan dapat dilihat pada table dibawah ini.3 angkaian Listrik Arus Searah.3. Hukum Kirhoff Tentang Arus Pada Titik Simpul Dari perobaan pada gambar.8 didapatka bahwa A sama dengan penjumlahan A dengan A3. Hal tersebut dikenal dengan hukum kirhoff yang berbunyi : Jumlah kuat arus listrik yamg masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar dari titik simpul tersebut.

5 Hukum kirhoff tersebut adalah hukum kekekalan muatan listrik seperti tampak di dalam analogi pada gambar.9. Hukum kirhoff seara matematis dituliskan : 5 masuk keluar.3. Hubungan Seri dan Paralel untuk esistor Hubungan Seri Dari gambar.0 pada hubungan seri berlaku hambatan () :... gab n angkaian seri sebagai pembagi tegangan Penerapan hukum ohm (gbr.) dan ( ) Sehingga Tips Hubungan seri : Bertujuan untuk memperbesar tegangan, Berfungsi sebagai pembagi tegangan, : : 3 : : 3 Kuat arus yang melewati setiap hambatan adalah sama.

6 6 Hubungan Paralel Dari gambar. pada hubungan paralel berlaku hambatan () :... gab n Sedangkan jika ada n resistor yang sama besar dihubungkan parallel : gab n Tips hubungan parallel : Bertujuan untuk memperkeil muatan Berfungsi sebagai pembagi arus, : : 3 3 Beda potensial setiap hambatan sama..3.3 Hukum Kirhoff tentang Tegangan pada angkaian Tertutup Untuk menyederhanakan rangkaian yang rumit (gambar.3),dapat digunakan Hukum Kirhoff yang berbunyi : Didalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik () dengan penurunan tegangan () sama dengan nol. Seara matematis dituliskan : () 0

7 Aturan Hukum Kirhoff :. Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah tertentu. Pada dasarnya, pemilihan loop bebas, namun jika memungkinkan usahakan searah dengan arus.. Jika pada suatu abang, arah loop sama dengan arah arus, maka penurunan tegangan () bertanda positif, sedangkan bila berlawana arah, maka penurunan tegangan () bertanda negative. 3. Bila saat mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan lebih dahulu dijumpai adalah kutub positif, maka ggl bertanda positif, sebaliknya bila yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub negative, maka ggl bertanda negative. Beda potensial (tegangan) antara dua titik pada satu abang Tegangan antara dua titik ( AB A B ) pada suatu abang adalah jumlah aljabar gaya gerak listrik () dengan penurunan tegangan ( ). Seara matematis dituliskan : AB A - B () Gaya Gerak Listrik dan Tegangan Jepit Pada gambar.5 jika tidak ada arus yang mengalir ( 0),tidak ada penurunan tegangan pada hambatan dalam r. Dengan demikian, beda potensial antara terminal a dan b sama dengan ggl listrik. Bila pada rangkaian mengalir arus listrik ( 0 ), beda potensial antara titik a dan b disebut tegangan jepit (jepit), dirumuskan : jepit ε r Atau jepit ε r Tips arah arus listrik pada baterai : Jika arus listrik keluar dari kutub positif berarti baterai itu sedang dipakai. Sebaliknya jika arus masuk ke kutub positif suatu baterai berarti baterai itu sedang diisi.

8 8 Gabungan sumber tegangan Untuk n buah sumber tegangan yang dihubungkan seara seri, sebuah sumber tegangan pengganti memiliki ggl seri : ε s ε ε... ε n Dengan hambatan pengganti seri : rs r r... rn Untuk n buah sumber tegangan yang dihubungtkan seara parallel, ggl-nya tidak berubah sehingga : ε p ε ε... ε n Dengan hambatan dalam pengganti parallel :... rp r r rn.4 Pengukuran Kuat Arus, Tegangan, dan Hambatan.4. Amperemeter Amperemeter (ammeter) adalah alat ukur kuat arus listrik. Untuk mengukur kuat arus yang mengalir dalam suatu komponen, amperemeter disisipkan ke dalam rangkaian sehingga berhubungan seri dengan komponen tersebut. dealnya hambatan amperemeter sama dengan nol. Agar amperemeter dapat digunakan untuk mengukur arus listrik yang lebih besar, haruslah dipasang suatu hambatan yang parallel dengan amperemeter sehingga kelebihan arus akan mengalir ke hambatan parallel yang dinamakan hambatan shunt (sh). Gambar..

9 9 Kemampuan mengukur kuat arus pada amperemeter : n n A A n A pelipatan batas ukur maksimum, batas ukur maksimum baru, batas ukur maksimum yang lama. Sedangkan pada hambatan shunt ( sh ) dirumuskan : sh n A ( ) sh A hambatan shunt, hambatan dalam amperemeter..4. oltmeter oltmeter adalah alat pengukur beda potensial (tegangan) antara dua titik. Untuk mengukur,beda potensial antara dua titik pada suatu komponen, voltmeter dihubungkan seara parallel. dealnya hambatan voltmeter besar tak hingga. Batas ukur volt meter dapat diperbesar dengan menambah hambatan yang dipasang seri dengan voltmeter tersebut. Hambatan yang dipasang ini dinamakan hambatan muka ( m ). Gambar.. Kemampuan mengukur tegangan voltmeter : n n v v n pelipatan batas ukur maksimum, batas ukur maksimum baru, batas ukur maksimum lama. Sedangkan rumus hambatan muka adalah m ( n ) v m v hambatan muka, hambatan dalam voltmeter.

10 0.4.3 Pengukur Hambatan ohmmeter dan multimeter Jembatan Wheatstone Pada gambar.3, karena ggl diketahui dan arus diukur oleh ammeter, maka hambatan dapat ditetukan. Meter yang digunakan untuk keperluan ini dapat dikalibrasi untuk menunjukan hasilnya dalam ohm, meskipun besaran yang sesungguhnya diukur adalah arus,alat ini disebut ohmmeter. Fungsi voltmeter, ammeter, dan ohmmeter sering kali dihubungkan menjadi suatu alat yang disebut multimeter. Suatu metode yang sangat teliti untuk mengukur hambatan telah ditemukan pada tahun 843 oleh Charles Wheatstone, pengukuran itu dilakukan dengan menggunakan suatu rangkaian yang dinamakan jembatan Wheatstone. Dalam metode ini (gambar.5) hambatan dan dibuat tetap sedangkan hambatan s dapat dikalibrasi. Hambatan s diatur besarnya sedemikian sehingga galvanometer menunjukkan angka nol (tidak ada arus yang melaluinya), yang disebut keadaan seimbang. Pada keadaan seimbang, titik P dan Q mempunyai potensial sama. Karenanya, beda potensial untuk sama dengan untuk s dan beda potensial untuk sama dengan untuk x. Dari pernyataan tersebut, menghasilkan persamaan : X S Dalam gambar.5, besilangan dengan x, dan bersilangan dengan s, sehingga dapat dikatakan: Pada rangkaian Jembatan Wheatstone yang seimbang (jarum galvanometer menunjukkan angka nol), hasil kali hambatan yang saling bersilang adalah sama besar. Pada rangkaian gambar.6. Kawat AC homogen dengan luas penampang yang serba sama sehingga ~l dan ~l Setelah sakelar S dimasukkan, kontak geser D diatur sedemikian sehingga galvanometer G tidak dilalui arus (rangkaian dalam keadaan seimbang). Sesuai dengan prinsip jembatan Wheatstone, berlaku : l X S l

11 Transvormasi DELTA-Y (-Y) Keadaan seimbang (galvanometer tidak dilalui oleh arus) merupakan kondisi khusus untuk jembatan Wheatstone. Namun, apabila rangkaian tidak dalam keadaan seimbang (galvanometer dilalui arus) perhitungan menjadi lebih kompleks. Soal demikian harus diselesaikan dengan penerapan hukum kirhoff, atau akan menjadi lebih sederhana jika digunakan transformasi -Y. Lihat gambar.8, kasus tersebut dapat diselesaikan dengan menggunakan rumus :.5 Energi dan daya Listrik Pada gambar.9, muatan yang mengalir (q) karena adanya beda potensial () pada konduktpr memberikan energi (W) sebesar : Karena muatan listri q t dan beda potensial,persamaan diatas dapat ditulis : Daya didefinisikan sebagai energi per satuan waktu. Seara matematis, daya listrik (P) dituliskan : Daya listrik (P) dapat juga diperoleh dari hubungan : ; ; b a a b b a a b b a a b b a 3 ; ; q W t W t W t W t W P P

12 Untuk listrik yang konstan, besar daya listrik sebanding dengan kuadrat tegangan ataupun kuadrat arus seperti tampak dalam kurva berikut. Hubungan antara watt, joule, dan kilowatt-hour (kwh) Dalam system satuan S diperoleh bahwa : watt joule per sekon atau joule watt. sekon Untuk pemakaian listrik dalam jumlah besar, biasanya satuan energi listrik dinyatakan dengan kilowatt-hour (kwh). Satu kwh adalah energi yang dihasilkan oleh daya kw selama satu jam sehingga : kwh 3,6 x 0 6 J Alat untuk mengukur energi listri dinamakan kwh-meter, sedangkan alat untuk mengukur daya listrik dinamakan watt meter. Selain itu, dapat pula digunakan gabungan dari voltmeter dengan amperemeter yang penunjukan jarumnya langsung menyatakan ukuran daya listrik, alat ini dinamakan dynamometer. Pengertian data yang tertulis pada peralatan listrik Peralatan listrik didesain sehingga mempunyai spesifikasi tertentu, misalnya 00W, 0. ni berarti : Daya listrik yang dipakai oleh alat tersebut tepat 00 W jika tegangan yang diberikan kepada alat itu tepat 0. Pada umumnya hambatan peralatan listrik dianggap konstan sehingga dayanya sebanding dengan kuadrat tegangan sesuai dengan hubungan : P P P P daya sesungguhnya yang diserap peralatan daya tertulis pada spesifikasi peralatan tegangan sesungguhnya yang diberikan kepada hambatan tegangan tertulis pada spesifikasi peralatan

13 Untuk mendesain spesifikasi peralatan, salah satu parameter yang ditentukan adalah hambatanya. Dengan demikian, didalam rangkaian listrik, peralatan diwakili oleh hambatanya yang dapat ditentukan dari hubungan : 3 P P hambatan pengganti peralatan listrik tegangan tertulis pada spesifikasi peralatan daya tertulis pada spesifikasi peralatan.6 Tegangan AC dan DC Dalam suatu rangkaian listrik, gerak muatan listrik yaitu arus listrik, dibedakan menjadi dua jenis, yaitu arus searah (DC diret urrent) dan arus bolak-balik (AC alternating urrent). Perbedaan antara keduanya adalah pada arus DC, muatan listrik mengalir hanya dala satu arah di setiap abang rangkaian listrik. Besar arusnya bisa berubah, tapi arahnya selalu dalam arah yang sama (tidak bisa berbalik arah). Dalam suatu rangkaian AC, muatan mengalir dalam kabel pada satu arah untuk beberapa saat, kemudian berbalik arah untuk waktu yang lain. Cara yang paling mudah utuk mengamati perbedaan antara arus dan tegangan AC dan DC adalah dengan menggunakan osiloskop, karena osioloskop dapat langsung menampilkan bentuk grafik arus dan tegangan terhadap waktu. (gambar.3) Tampak pada gambar.34 (a) bahwa betuk grafik tegangan DC tidak tergantung pada waktu. ni berarti tegangan DC selalu konstan. Hal ini berbeda pada gambar (b) untuk tegangan AC. Tampak bahwa grafik pada tegangan AC merupakan garafik sinusoida. ni berarti bahwa nilai tegangan AC berubah-ubah terhadap waktu.

14 Jika kita amati betuk grafik tegangan AC (gbr.34b) maka nilai tegangan grafik, yaitu titik punak atas garafik bukan merupakan nilai tegangan efektif tegangan AC tersebut (atau niali arus efektif untuk grafik arus AC). Nilai tegangan dan arus efektif dapat kita ukur lngsung dengan voltmeter AC dan amperemeter AC. Sebagai ontoh, tegangan AC 0 yang biasa dipakai di rumah kita merupakan nilai tegangan efektif. Adapun nilai tegangan efektif efektif adalah : efektif maks 4 maks nilai tegangan punak Kelebihan AC atas DC Kelebihan utama listri AC atas listrik DC adalah kemudahannya untuk ditransmisikan atau dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain. Tegangan AC dapat dengan mudah dinaikkan atau diturunkan nilainya dengan trafo, sehingga lebih mudah disesuaikan dengan keperluan. Beberapa kelebihan lain listrik AC disbanding listrik DC, yaitu : Pembangkit daya listrik AC lebih sederhana, muaran, dan realistis. Listrik AC pada tegangan tinggi dapat dengan mudah dan epat diputuskan (fator keamanan), sedangkan listrik DC lebih susah. Motor AC dan peralatan-peralatan listrik lainnya didesain untuk listrik AC lebih murah, sederhana, dan realistis. Listrik di rumah kita dan sekring Arus listrik masuk ke rumah kiata melalui kwh-meter dan pembatas daya. Untuk pengamanan agar tidak terjadi keelakaan karena sengatan arus listrik ataupun kebakaran digunakan sekring. Sekring terbuat dari kawat pendek dan tipis memiliki titik air rendah (gbr.36) kawat sekring akan air dan putus jika dilalui kuat arus yang melampaui batas tertentu. Dengan demikian, terputuslah aliran listrik didalam rangkaian, dan listrik berhenti mengalir. Peristiwa ini bisa terjadi pada waktu hubungan pendek (korsleting).