Arus Listrik Arus listrik adalah arus elektron dari satu atom ke atom di sebelahnya. Arus listrik sebesar 1 amper adalah perpindahan elektron sebanyak 6.24 x 10 18 yang melewati satu titik pada setiap detiknya. Simbol jumlah arus listrik adalah I. Simbol satuan arus listrik adalah A. Gambar 2 menunjukkan perpindahan elektron melalui konduktor karena pengaruh gaya luar yang ditimbulkan oleh baterai. Gambar 2 Arus elektron melalui konduktor Arah Arus Pada rangkaian listrik, elektron mengalir dari negatif ke positif seperti tampak pada Gambar 2. Pada saat-saat awal dilakukan percobaan-percobaan listrik, orang berasumsi bahwa arus listrik mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. Pendapat yang salah inipun masih sering kita dapati sampai sekarang. Arus listrik dapat saja dianggap benar untuk kedua pendapat di atas, tetapi kita membutuhkan sebutan sendiri-sendiri untuk membedakan satu sama lain. Kita akan menyebutnya sebagai Electron Current Flow (Aliran Arus Elektron) dan Conventional Current Flow (Aliran Arus Konvensional).
Aliran Arus Konvensional Aliran arus konvensional menyatakan bahwa arus listrik mengalir dari potensial positif (+Ve) menuju ke potensial negatif (-Ve). Apabila tidak secara khusus diterangkan lain, pendapat mengenai jenis arus inilah yang dipakai di seluruh mata pelajaran listrik (Electrical). Jenis-jenis Arus Ada dua jenis utama aliran arus listrik: 1. Arus Searah (Direct Current/DC) 2. Arus Bolak-balik (Alternating Current/AC). Arus searah (DC) adalah perpindahan elektron dalam satu arah saja. Arus bolak-balik (AC) adalah perpindahan elektron dengan arah tertentu, kemudian kembali ke arah sebaliknya. Arus bolak balik (AC) akan kita bahas secara lebih terperinci pada Level 3. DC adalah jenis arus listrik yang diperoleh dari baterai dan dapat pula dihasilkan dengan cara lain. (Lihat Cara Membangkitkan Tegangan pada Pelajaran 3). Efek Arus Listrik Setiap kali terdapat aliran arus listrik pasti timbul panas dan medan magnet. Selain itu kadangkadang juga timbul dua efek lain, yaitu efek kimia dan efek fisiologis. Efek Panas: Kegunaan praktis: Efek Magnet: Kegunaan praktis: arus listrik menimbulkan panas. radiator listrik, ketel, pelindung rangkaian. sebagaimana panas, efek magnet juga selalu timbul setiap kali ada arus listrik. motor listrik, generator, transformator dan elektro-magnet Arus dan Rapat Arus Sebuah arus listrik i dihasilkan jika sebuah muatan netto q melewati suatu penampang penghantar selama waktu t, maka arus (yang dianggap konstan) adalah: =
Dimana: Satuan arus adalah Ampere (A), Coloumb untuk muatan q dan detik untuk satuan waktu (t). Jika banyaknya muatan yang mengalir per satuan waktu tidak konstan, maka arus akan berubah dengan waktu dan diberikan oleh limit diferensial dari persamaan di atas, atau: = Besarnya rapat arus didefinisikan sebagai: A= Luas Penampang = Hukum Ohm; Hambatan, Resistivitas dan Konduktivitas. Hambatan : Sebuah kawat atau benda lain adalah ukuran beda potensial (V) yang harus terpasang antara benda tersebut sehingga arus sebesar 1 Ampere dapat mengalir melewatinya: Simbol kuantitas untuk tahanan adalah R. Simbol satuannya adalah Ω (Omega Yunani) digunakan 1Ω = 1 V/A Hukum Ohm Hukum Ohm mendefinisikan tentang hubungan antara arus, tahanan dan beda tegangan pada rangkaian listrik.
Hukum Ohm dapat dinyatakan secara matematis: Tegangan Arus = Tahanan I = R V Persamaan pada Hukum Ohm akan mudah diingat-ingat dan diterapkan secara efektif jika anda mengetahui lingkaran hukum Ohm. Untuk mencari V, I atau R jika dua nilai komponennya sudah diketahui, tutupi komponen ketiga yang belum diketahui pada lingkaran di bawah ini. V I R R = I V I = R V V=IR Gambar 2 Lingkaran Hukum Ohm
Perhatikan contoh berikut ini: Contoh 1 Sebuah rangkaian memiliki tahanan sebesar 10Ω dan disambungkan dengan sumber tegangan (baterai) 10V DC. Tentukan besarnya arus yang mengalir pada rangkaian tersebut. 10V 10Ω Jawab V 10 Ι= = = 1A R 10 Contoh 2 Dengan rangkaian serupa, namun sumber tegangan (baterai) dinaikkan dari 10V menjadi 20V. 20V 10Ω Tentukan arus listriknya. Jawab V 20 Ι = = = 2A R 10
Pada rangkaian ini aliran arus listrik yang mengalir adalah 2A. Contoh 3 Sekali lagi, dengan rangkaian serupa, jika tegangan sumber tegangan (baterai) dikurangi dari 10 Volt menjadi setengahnya, hitunglah arus listrik yang mengalir. 5V 10Ω Jawab V 5 1 Ι= = = or0.5a R 10 2 Arus yang mengalir pada rangkaian tersebut adalah 0.5A. Kesimpulan untuk Contoh 1, 2, dan 3. Untuk nilai tahanan tetap, jika tegangan dinaikkan maka arusnya juga akan naik dan Untuk nilai tahanan tetap, jika tegangan diturunkan maka arusnya juga akan turun. Dengan kata lain, dapat disimpulkan bahwa: Arus listrik berbanding lurus dengan tegangan.
Sekarang tegangannya tetap sama tetapi nilai tahanannya berubah. Pada Contoh 4 tegangannya tetap konstan pada 10V sementara nilai tahanannya diubah dari 10Ω (Contoh 1) menjadi 5Ω (Contoh 4). Contoh 4 10V 5Ω Jawab V 10 Ι= = = 2 A R 5 Arus yang mengalir pada rangkaian ini adalah 2A. Kesimpulan untuk Contoh 4. Untuk nilai tegangan tetap, pengurangan nilai tahanan akan menambah nilai arus listriknya dan Untuk nilai tegangan tetap, penambahan nilai tahanan akan mengurangi nilai arus listriknya. Dengan kata lain, kita dapat menarik kesimpulan: Arus listrik berbanding terbalik dengan nilai tahanan.
Contoh Soal: Dengan menggunakan nilai yang terdapat pada Gambar 3, hitunglah: (a) daya yang terpakai oleh tiap-tiap komponen. (b) total daya yang hilang pada rangkaian. Jawab (a) Gambar 3 Daya individual (i) P R1 =V x I (ii) P R2 = V x I (iii) P R3 = V x I =10 x 3 = 4 x 3 =6 x 3 =30 W = 12 W =18 W (b) (i) Total daya (ii) P T Cara Lain P T = P 1 + P 2 + P 3 P T = V T x I T = 30 + 12 + 18 = 20 x 3 = 60 W = 60 W
Resistivitas bahan ( ) didefinisikan dari: = Satuan SI dari adalah Ω.m Dimana: E = Kuat Medan J = rapat Arus Konduktivitas bahan ( ) Adalah Kebalikan dari resistivitas, diberikan oleh: = 1 Satuan SI dari adalah (Ω.m) -1. Dimana: = h Dari Hubungan = =
Maka Kita dapat menuliskan resistivitas bahan sebagai: = = =. =. Dan V/I adalah hambatan R yang dapat dinyatakan sebagai:. Daya Listrik. Usaha Listrik (dalam Joule) yang dibutuhkan untuk mengalirkan suatu muatan q (dalam coloumb) melewati potensial V (dalam volt) ditentukan oleh: =. Jika q dan V diberi tanda yang sesuai (sebagai contoh, potensioal naik sebagai posisif dan potensial turun sebagai negative), usaha akan memiliki tanda yang tepat. Jadi untuk mengalirkan muatan positif melewati kenaikan potensial, sejumlah usaha positif harus dilakukan terhadap muatan tersebut. Daya listrik (P), Energi yang diubah bila muatan q bergerak melintasi beda potensial sebesar V adalah qv, maka daya P diberikan oleh: = = h = Karena q/t = I, persamaan ini dapat ditulis kembali sebagai: =.
Satuan SI daya listrik adalah Watt (1 W = 1 J/det) Dengan menggunakan hukum Ohm (V = I.R), akan didapatkan: =. =.. = =. = Contoh: Lampu-lampu pada sebuah mobil tanpa sengaja tetap menyala. Lampu-lampu tersebut menyebarkan daya 95 W. Kira-kira berapa lama sebuah baterai mobil bertegangan 12V yang telah terisi penuh akan kosong jika laju pengosongan baterai tersebut adalah 150Amp per Jam (A/h)? Diketahui: Laju 150 A/h = 150 A / 3600 detik V = 12 Volt Ditanya: Dalam berapa lama (t) untuk V=0.
Jawab: Energi output total = (daya) (waktu) = (VI) (t) = (120Vx150A) (3600) = 6.48 x 10 6 J Energi yang dibutuhkan oleh lampu-lampu dalam waktu t adalah: Energi tersebar = (95 W) (t) Maka: t = 6.48 x 10 6 / 95 = 6.82 x 10 4 = 18.9 jam