BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Energi Listrik 2.1.1 Arus Listrik Benda terbentuk dari partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut molekul yang terdiri dari atom-atom. Inti atom (nucleus) terbentuk dari sub atom yang disebut proton dan neutron. Mengelilingi inti dan dalam keadaan yang terus bergerak berputar elektron-elektron. Gaya tarik dan gravitasi yang dihasilkan oleh proton dan elektron dikenal sebagai Muatan Listrik. Beberapa jenis bahan mengizinkan elektron-elektron untuk mengalir melewatinya disebut sebagai konduktor (penghantar), sebagian elektron bebas bergerak secara bebas dan sebarang atau berpindah dari atom ke atom. Jika di samping gerakan ini terdapat suatu aliran atau gerakan elektron yang umum sepanjang konduktor disebut arus listrik. Jadi arus listrik semata-mata adalah gerakan elektron atau muatan negatif melalui sebuah konduktor. Telah disepakati bahwa arah aliran ini dari positif ke negatif walaupun sekarang ini telah dibuktikan secara aktual bahwa aliran listrik bergerak dari negatif ke positif. Kecepatan aliran listrik dinyatakan dalam coulomb per sekon (C/s). Dalam prakteknya istilah coulomb per sekon jarang digunakan, dan sebagai gantinya digunakan amper (simbol A). Satu amper sama dengan gerakan listrik satu coulomb melalui titik tertentu dalam satu sekon. Rumus untuk menghitung kuat arus adalah:.( 2-1)
ket : I = Kuat arus (A) Q = Banyak muatan listrik (Coulumb) t = waktu dalam satuan detik Gambar 1. Arus Listrik 2.1.2 Tahanan Suatu penghantar memberikan suatu perlawanan terhadap aliran arus listrik disebut tahanan. Dan setiap penghantar mempunyai nilai tahanan kecil atau mempunyai daya hantar yang besar ini berarti mudah dilalui arus. Besar daya kemampuan penghantar arus ini disebut daya hantar arus. sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali atau mempunyai daya hantar yang kecil ini berarti sukar dilalui arus listrik. Untuk menghitung besar tahanan listrik terhadap daya hantar arus adalah : (2-2)
Dimana : R = Tahanan kawat dalam satuan ohm (Ω) l = Panjang kawat dalam satuan meter (m) q = Penampang kawat dalam satuan mm 2 = Tahanan jenis dalam satuan Ω mm 2 /m 2.1.3 Beda potensial / Tegangan Perbedaan dalam tekanan listrik disebut beda potensial dan diukur dalam volt. Satu volt (V) adalah perbedaan potensial yang menyebabkan satu ampere mengalir melalui tahanan satu ohm. Jika dua buah benda mempunyai jumlah muatan yang berbeda maka ada perbedaan potensial antara keduanya. Maka perbedaan potensial semata-mata adalah perbedaan muatan listrik. Jika dua titik yang mempunyai perbedaan potensial dihubungkan dengan konduktor, arus yang mengalir sepanjang konduktor berusaha menyamakan perbedaan muatan pada kedua titik tersebut. Bila kedua muatan disamakan,arus akan terhenti. Oleh sebab itu,jika arus akan dipertahankan antara kedua titik, perbedaan potensial antara kedua tersebut harus dipertahankan. Perbedaan potensial menyebabkan arus mengalir dan gaya gerak listrik (ggl) mempertahankan perbedaan potensial. Karena keduanya diukur dalam volt, istilah umumnya tegangan (voltage) dengan rumus sebagai berikut: V= I x R..(2-3)
2.1.4 Berat dan Massa Berat suatu benda adalah ukuran tarikan atau gaya tarik pada benda oleh penggaruh gravitasi (gaya tarik) bumi.berarti berat benda akan berubah bergantung pada letak dalam alam sesuai dengan gravitasi. Walaupun sebenarnya adalah ukuran gaya gravitasi,tetapi satuan ukuran yang umumnya diterima adalah pon (USCS) dan kilo gram ( SI). Masa suatu benda didefinisikan sebagai kwantitas benda yang dikandung di dalamnya. Masa biasanya ditentukan dengan membagi berat benda,yang ditentukan dengan timbangan,dengan konstanta gravitasi g atau: Massa Dengan satuan dalam USCS adalah pon (lb) dan dalam SI adalah kilogram (Kg). 2.1.5 Gaya Definisi gaya adalah sesuatu yang mengubah atau cenderung untuk mengubah keadan diam atau gerakan benda. Satuan SI untuk gaya disebut newton (N) yang merupakan sebagai gaya yang dikenakan pada massa satu kilogram (kg) akan memberikan percepatan satu meter per sekon kuadrat. Gaya yang kita gunakan untuk memindahkan benda tersebut selain tergantung pada berat benda,juga tergantung pada besarnya gesekan. Dengan demikian dapat kita simpulkan bahwa usaha itu berbanding lurus dengan gaya dan jarak. Untuk menghitung usaha dapat digunakan rumus sebagai berikut: W = K x S (2-4)
Dimana : W = usaha (Kgm) K = gaya (kg) S = jarak ( m ) Untuk memindahkan elektron maka diperlukan usaha listrik: Q = I x t (2-5) sehingga, W= E x Q atau W = E x I x t (2-6) Menurut Hukum Ohm dikatakan bahwa: E = I x R Sehingga W = E x I x t = I x R x I x t = I 2 Rt (2-7) 2.1.6 Kerja Kerja dilakukan jika gaya mengatasi tahanan/hambatan. Dari segi mekanis,kerja diukur dengan perkalian gaya dan jarak yang ditempuh. Jika gaya 1 pon bekerja melalui jarak 1 kaki,berarti dilakukan kerja sebesar 1 pon-kaki (foot-pound). Kerja = gaya x jarak
Dalam satuan SI,satuan kerja adalah joule (J), yang didefinisikan sebagai kerja yang dilakukan jika gaya satu newton dikerahkan melalui jarak satu meter. Kerja tidak dilakukan jika tidak mengatasi tahanan. Pondasi bangunan mengarahakan gaya yang besar menahan bangunannya, tetapi karena tidak melibatkan gerak atau mengatasi tahanan,berarti tidak ada kerja yang dilakukan. 2.1.7 Energi Energi adalah kemampuan melakukan kerja;energi adalah kerja tersimpan. Air yang tersimpan dalam bendungan juga mempunyai energi karena ia dapat digunakan untuk menjalankan generator turbin agar dapat menghasilkan listrik. Karena energi adalah kerja tersimpan,energi dikeluarkan jika kerja dilakukan. Kenyataan bahwa dilakukan kerja 10.000 pon- kaki untuk menaikkan benda 1000 pon setinggi 10 kaki yang berarti energi 10.000 pon- kaki harus dikeluarkan untuk menaikkan benda. Jadi satuan energi dan kerja adalah sama yaitu Joule. Sesuai dengan prinsip tentang konversi energi,energi dapat diubah tetapi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan sehingga energi dapat berada dalam berbagai bentuk : mekanis,listrik,kimia,kalor,dan cahaya. 2.1.8 Daya Satuan daya Listrik adalah watt. Dalam satuan SI,satu watt disefinisikan sebagai suatu yang sama dengan kerja yang dilakukan pada laju satu joule setiap sekon. Watt juga merupakan energi yang dikeluarkan atau kerja yang dilakukan setiap sekon oleh arus 1 A yang tidak berubah yang mengalir pada tegangan 1 volt, atau P = V I (2-8)
Dimana: P= daya, watt I= arus,amper V= tegangan,volt. Jika arus dan tegangan merupakan fungsi siklus,maka daya rata-rata (P) untuk suatu periode siklus tersebut dapat ditentukan besarnya dengan rumus P (2-9) Dengan ; P = daya rata-rata dalam watt T= periode dari siklus dalam detik Tegangan dan arus fungsi sinus dinyatakan sebagai V(t) = Vm cos ωt i(t) = Im cos (ωt φ ) maka persamaan daya menjadi: p(t) =Vm Im cos ωt cos (ωt φ ) p(t) = Vm Im [ cos (ωt ωt + φ ) + cos (ωt + ωt φ) p(t) = Vm Im cos φ + Vm Im cos( 2ωt φ) Harga rata-rata dari fungsi sinusoid yang berubah terdapat waktu untuk satu periode adalah sama dengan nol. Sehingga dari persamaan p(t) hanya terdapat bentuk Vm Im cos yang tidak tergantung terhadap waktu. Maka bentuknya menjadi :
P = Vm Im cos φ = VI cos φ.(watt) (2-10) Daya nyata ini yang diukur Wattmeter dalam konsumsi energi listrik di pelanggan. Dan dari rumus diatas diperoleh: (2-11) Dimana cos φ ini disebut sebagai faktor daya yang tidak mungkin lebih besar dari 1 (satu). Sebagai mana telah diketahui bahwa daya rata-rata pada rangkaian L murni adalah nol,maka dengan demikian bahwa daya : P= VI Cos φ, ini adalah merupakan daya yang diserap oleh tahanan R,karena pada tahanan R, arus sephasa dengan tegangan maka sudut φ = 0 : maka daya : P = VI Cos φ,diatas dapat dituliskan dengan bentuk : P= V I COS φ = V I COS (0) = V I = I R I atau : P = R yang dapat dilihat dari diagram phasor yang dikenal dengan segitiga daya: V.I disebut daya semu S Volt Amper (VA) V.I.Cos φ disebut daya aktif / nyata P (Watt) V.I.sin φ disebut daya reaktif Volt Ampere Reaktif ( VAR) P = I cos φ ( watt) φ Q = VI sin φ (VAR) S= V.A ( VA) Dari daya rata-rata/nyata, untuk daya dan tegangan yang tetap maka arus tergantung dari besar / kecilnya faktor daya.
2.1.9 Kerja Listrik dan Energi Daya mekanis adalah ukuran kecepatan kerja yang dilakukan atau kecepatan energi yang dikeluarkan sehingga: (2-12) Setiap peralatan listrik mempunyai keterangan besar daya yang dikonsumsi dalam watt,tetapi lebih tepatnya satuan energi pada peralatan tersebut adalah joule karena Watt hanya memberi keterangan berapa Joule energi yang dikonsumsinya per detik, sedangkan kebanyakan alat rumah tangga menggunakan listrik dengan pola beban yang berubah-ubah sepanjang hari. Informasi mengenai satu detik tidak cukup untuk menentukan apakah alat itu efisien energi atau tidak. Yang lebih penting adalah mengetahui berapa konsumsinya dalam skala Joule per jam atau per hari, atau bahkan per tahun. Kita asumsikan lemari es 70W mempunyai kompresor yang menyala 3.000 detik per jam, berarti lemari es itu mengkonsumsi 70 x 3000 x 24 = 5.040.000 Joule per hari ( = 5 MJ per hari). Bisa saja lemari es 100W menggunakan sebuah kompresor yang lebih efisien, dimana hanya menyala selama 1.000 detik per jam, berarti lemari es ini hanya mengkonsumsi 100 x 1000 x 24 = 2.400.000 Joule per hari ( = 2,4 MJ per hari). Keterangan Watt alat listrik itu tidak memastikan jumlah energi yang dikonsumsi, dalam contoh tadi lemari es 100W ternyata bisa mengkonsumsi hanya sekitar setengahnya energi yang dikonsumsi lemari es 70W. Ini berarti pelanggan bisa
tertipu sebagai konsumen yang mementingkan energi, bila hanya fokus ke angka Watt yang rendah. Dan sebaiknya yang tertera di semua peralatan yang mengkonsumsi energi adalah berapa kj atau MJ ia mengkonsumsi tiap jam, hari atau tahun, atau satuan skala hasil lainnya. Lampu dan TV biasanya dipakai dalam basis per jam, jadi perlu dilabel dalam MJ atau kj per jam,misalnya 3 MJ/ hari. Lemari es umumnya terus-menerus dipakai per hari atau per bulan, jadi sebaiknya dilabel berapa MJ dikonsumsinya per hari atau per bulan.dan yang perlu kita tahu adalah Energi dan Arus listrik untuk menentukan apakah instalasi kabel listrik kita dapat menanggung beban arus listrik yang dibutuhkannya. Sehingga untuk pengukuran energinya: KWh = kilo x Watt x hour Kilo = 1.000 Watt = Joule / detik Hour = 3.600 detik Dan pengkuran energi yang kita gunakan adalah: Daya x waktu = energi Watt x jam = Wattjam Wattjam ( watthour) merupakan energi yang dikeluarkan jika 1 watt digunakan selama 1 jam. Wattjam relatif merupakan satuan yang kecil, kilowattjam sama dengan 1000 jam. Sehingga: Energi dalam kwh = watt x jam 1000
2.2 Alat ukur Daya Listrik dan Energi. Energi listrik diukur dengan menggunakan watthour meter. Ini adalah tipe meter yang dikenal yang digunakan dirumah untuk menentukan rekening listrik bulanan. Hubungan dari watthourmeter sama dengan wattmeter, elemen arus dihubungkan secara seri dan elemen potensial yang dihubungkan paralel dengan rangkaian. Tetapi watthour meter mempunyai elemen pemutar yang kepesatan berbanding lurus dengan daya yang digunakan dengan besar kopel putar sebagai berikut: K = C. E. I cos φ ( 2-13) Jika putaran piringan tersebut sudah dalam keadaan setimbang,maka piringan akan berputar dengan kecepatan yang tetap setiap perdetiknya, jadi jumlah putaran/detik = E I cos φ detik.maka: E I cos φ detik Watt detik = jumlah kerja listrik ( kwh) Banyaknya energi dalam kilowatt, yang digunakan selama periode tertentu adalah pembacaan piringan pada akhir periode dikurangi dengan pembacaan piringan pada awal periode. Gambar 2. (a) Rangka dalam kwh meter,(b) kwh meter 1 fasa dan (c) kwh meter 3 fasa
Mengingat kepesatan elemen putar sebanding dengan daya,maka setiap putaran menyatakan besarnya energi tertentu. Alat pencatat ( register) dihubungkan dengan elemen putar melalui roda gigi dan pembacaannya menunjukkan energi yang digunakan selama periode waktu tertentu. Pencatatan di tera langsung dalam kilowattjam. Hubungan alat ukur wattjam satu fase yaitu kumparan tegangan dihubungkan secara paralel dan kumparan arus dihubungkan secara seri dengan rangkaian yang energinya akan diukur. Gambar 2-c diatas adalah gambar kwh meter 3 fasa yang mengukur jumlah usaha listrik pada jaringan saluran 4 dengan menggunakan metode watt meter tiga yang dirangkai tiga gulungan untuk aliran,tiga gulungan tegangan dan tiga piringan yang berputar pada satu poros dan satu pasang roda untuk menghitung. Roda-roda tersebut langsung menunjukan jumlah usaha kerja listrik yang diukur oleh tiap-tiap piringan. 2.3 Konversi Energi Listrik Kebutuhan manusia akan energi listrik sangat banyak. Banyaknya pekerjaan untuk memenuhi kebutuhan memerlukan perubahan energi listrik. Energi listrik diubah menjadi energi gerak, energi bunyi,energi panas, dan energi cahaya. 1. Konversi energi listrik menjadi energi gerak Alat yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak pada umumnya menggunakan motor listrik. Pada motor listrik, arus listrik mengalir melalui kumparan, untuk menimbulkan medan magnet, sehingga as motor berputar.putaran as motor inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakan kipas angin, bor listrik, belender, mobil mobilan, dan alat lain.
2. Konversi energi listrik menjadi energi bunyi Energi listrik diubah menjadi energi bunyi. Misalnya, pada tape recorder, sirine, televisi, serta amplifier. Pada radio, energi listrik digunakan untuk mengubah gelombang magnet listrik (electromagnet) yang ditangkap oleh antena radio menjadi energi bunyi. Energi bunyi yang dihasilkan kemudian diperkuat dan dikerluarkan melalui speaker. 3. Konversi energi listrik menjadi energi panas Energi listrik dapat di ubah menjadi energi panas. Alat alat yang memanfaatkan energi listrik untuk menghasilkan panas antara lain seterika listrik, kompor listrik, solder, dan penanak nasi ( rice cooker). Alat yang mengubah energi listrik menjadi energi panas di lengkapi dengan elemen pemanas. Listrik yang mengalir melalaui elemen pemanas di ubah menjadi energi panas.elemen pemanas terbuat dari bahan yang mempuyai tahanan tinggi, sehingga listrik yang mengalirmelalui bahan tersebut berubah menjadi panas. Panas juga di sebut kalor. 4. Konversi energi listrik menjadi cahaya. Bila suatu tegangan dihubungkan antara ujung-ujung sebuah kawat,arus akan berbanding terbalik dengan tahanan kawat tersebut. Pengurangan tahanan kawat berarti bertambahnya arus yang mengalir melaluinya,akan menyebabkan kawat tersebut menjadi merah pijar dan akhirnya putih panas,mengeluarkan radiasi menyebar sekeliling spectrum yang dapat dilihat. Sekarang ini kawat dipanasi sampai pijar dan dinamakan lampu pijar