A. KONSEP LISTRIK DINAMIS
Pada dasarnya, muatan listrik ini dibawa oleh elektron serta proton di dalam suatu atom.
Proton merupakan arus listrik yang memiliki muatan positif, tetapi sebagian besar hanya bergerak di dalam inti atom. Sedangkan elektron memiliki muatan negatif yang tugasnya untuk membawa muatan dari satu tempat menuju tempat lainnya.
Arus listrik juga bisa berlangsung akibat adanya beda potensial atau tegangan terhadap media atau sarana penghantar antara dua titik.
Apabila kedua penghantar mempunyai tegangan yang besar, maka akan semakin besar pula nilai arus listrik yang mengalir.
Satuan arus listrik di dalam internasional adalah A (ampere). Yang mana di dalam penulisan rumus arus listrik dituliskan dengan menggunakan simbol I (current).
Atau bisa disebutkan bahwa arus listrik mengalir dari muatan positif ke arah muatan negatif, atau dapat juga diartikan jika arus listrik mengalir dari potensial tinggi menuju potensial rendah.
Dilihat dari arah alirannya, arus listrik dibagi menjadi 2 macam, yaitu:
- Arus searah (Direct Current / DC): Arus yang mengalir dari titik berpotensial tinggi ke arah titik berpotensial rendah.
- Arus bolak balik (Alternating Current / AC): Arus yang mengalir secara berubah - ubah mengikuti garis waktu.
Aliran Arus Listrik
Di dalam teori aliran arus listrik, ada 2 teori mengenai aliran arus listrik, yakni aliran arus listrik konvensional (conventional current flow) serta aliran elektron (electron flow).
1. Aliran Arus Listrik Konvensional (Conventional Current Flow)
Secara konvensional, kerap kali disebut jika aliran listrik pada sebuah rangkaian elektronika mengalir dari arah positif (+) menuju arah negatif (-). Arah aliran dari arus konvensional adalah aliran arus yang menggunakan prinsip muatan, yang mana arus listrik kerap diartikan sebagai aliran bermuatan listrik positif pada sebuah penghantar dari potensial tinggi menuju potensial yang rendah. Namun, arah aliran arus listrik tersebut berlawanan dengan prinsip aliran elektron dalam sebuah penghantar. Konsep rangkaian pada aliran arus listrik konvensional satu ini digunakan untuk memudahkan pemahaman pada arah aliran muatan listrik yakni dari positif menuju negatif.
2. Aliran Elektron (Electron Flow)
Untuk arah aliran elektron sangat berlawanan dengan arah aliran konvensional. Sebab, pada dasarnya elektron adalah partikel bermuatan negatif serta bergerak bebas yang ditarik menuju terminal positif. Sehingga, arah aliran listrik dalam sebuah rangkaian yakni aliran elektron dari kutub negatif baterai (katoda) serta kembali lagi menuju kutub positif baterai (anoda). Maka dapat disimpulkan, arah aliran elektron yakni berasal dari arah negatif (-) menuju arah positif (+).
1. Arus Listrik
Hambatan listrik merupakan suatu perbandingan diantara tegangan listrik dari sebuah komponen elektronik (seperti resistor) dengan arus listrik yang melewatinya.
Adapun rumus dari hambatan listrik, yaitu:
Keterangan:
- V : tegangan.
- I : arus.
- Satuan SI untuk hambatan ialah Ohm (R).
Rumus Kuat Arus Listrik
Keterangan:
- I: Kuat arus listrik (A).
- q: Muatan listrik yang mengalir (C).
- t : Waktu yang dibutuhkan (s).
Dilihat dari persamaan di atas, maka dapat disimpulkan jika satu coulomb merupakan muatan listrik yang melewati suatu titik di dalam sebuah penghantar dengan arus listrik tetap satu ampere serta mengalir selama satu sekon. Mengingat jika muatan elektron itu sebesar -1,6 × 10-19 C, (tanda negatif (-) menunjukkan jenis muatannya negatif), maka banyaknya elektron (n) yang menghasilkan muatan 1 coulomb bisa dihitung sebagai berikut.
1 C = n × besar muatan elektron
1 C = n × 1,6 × 10-19 C,
n = 1/1,6
Sehingga, bisa dituliskan 1 C = 6,25 × 1018 elektron
Di dalam baterai ada dua buah kutub yang potensialnya berbeda. Jika kedua kutub itu dikaitkan dengan lampu menggunakan kabel, maka akan berlangsung perpindahan elektron dari arah kutub negatif menuju kutub positif atau berlangsungnya arus listrik dari kutub positif menuju kutub negatif, sehingga lampu tersebut bisa menyala. Berikutnya, jika baterai yang digunakan sebanyak dua buah, maka lampu nantinya akan menyala lebih terang. Jika baterai yang digunakan tiga buah, maka lampu akan menyala makin terang.
Kenapa demikian?
Hal tersebut disebabkan beda potensial pada kutub positif dengan kutub negatifnya makin besar, sehingga muatan listrik yang mengalir dalam penghantar akan semakin banyak / arus listriknya akan semakin besar. Besarnya arus listrik (kuat arus listrik) sebanding dengan banyaknya muatan listrik yang mengalir.
Kuat arus listrik merupakan sebuah suatu kecepatan dari aliran muatan listrik.
Dengan begitu, yang dimaksud dengan kuat arus listrik yaitu jumlah muatan listrik yang berhasil melewati penampang sebuah penghantar pada setiap satuan waktu. Apabila jumlah muatan q lewat penampang penghantar di dalam waktu t, maka kuat arus I secara matematis bisa ditulis sebagai berikut.
Rumus hubungan antar Kuat Arus Listrik & Beda Potensial:
I = V/R
Keterangan:
- I : Kuat arus listrik (A).
- R : Hambatan listrik (Ω).
- V : Beda potensial listrik (V).
Secara umum, arus listrik yang mengalir terhadap suatu waktu tertentu ialah:
I = dQ/dt
Dengan begitu, maka dapat ditentukan jumlah dari muatan total yang dipindahkan terhadap rentang waktu 0 - t (waktu) melalui integrasi:
Q = dQ = dt
Contoh Soal
Apabila diketahui kuat arus pada suatu sumber arus listrik sebesar 5 A, hitunglah muatan yang mengalir selama 1 menit!
Jawab:
Diketahui:
- I = 5 A
- t = 1 menit = 60 detik
Ditanya: Q …?
Penyelesaian:
I = Q/t
Q = Ixt
= 5 A x 60 s
= 300 C
Sehingga, banyaknya muatan yang mengalir sebanyak 300 C.
Muatan sebesar 180 coulomb mengalir dalam waktu 30 detik. Berapakah kuat arus listriknya?
Jawab:
Diketahui:
- Q = 180 C
- t = 30 sekon
Ditanya: I …?
Penyelesaian:
I = Q/t
= 180 C/30s = 6 C/s
Sehingga diketahui besarnya arus listrik sebanyak 6 A.
2. Hataran Listrik
Kawat penghantar yang dipakai pada kawat listrik pastik mempunyai hambatan meskipun nilainya kecil. Beberapa hambatan jenis zat seperti pada tabel berikut :
Hambatan listrik suatu kawat penghantar dipengaruhi oleh panjang kawat, hambatan jenis kawat, dan luas penampang kawat. Secara matematis, hambatan pada kawat penghantar di rumuskan sebagai berikut:
Contoh Soal:
Sebuah kawat penghantar sepanjang l, dengan hambatan jenis ρ dan luas penampang A. dialiri arus listrik sehingga menghasilkan hambatan sebesar R. Jika panjang kawat diperkecil menjadi 1/3l , sedangkan luas penampangnya diperbesar menjadi 2A, Besarnya hambatan kawat tersebut menjadi ….
Pembahasan:
Ditanya R2 : ....?
Soal No. 1
Diketahui sebuah kawat penghantar memiliki panjang 100 m, luas penampang 2,5 mm², dan hambatan jenis sebesar 17 x 10-7 Ωm. Tentukan besarnya hambatan kawat tersebut!Pembahasan:
l = 100 m
A = 2,5 mm2 = 25 x 10-7 m2
ρ = 17 x 10-7 Ωm
Ditanyakan: R = ….?
Jawaban:
R = ρ.l/A
R = 17 x 10-7 x 100 /25 x 10-7
R = 68 Ω
R = 50 Ω
Soal No. 2
Diketahui sebuah kawat dengan panjang 250 meter dan luas penampang 1 mm². Kawat tersebut memiliki hambatan listrik sebesar 50 Ω. Hitung berapa hambatan jenis kawat tersebut!
Pembahasan:
l = 250 meter
A = 1 mm² = 1 x 10-6 m2
Ditanyakan: ρ = ….?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 50 . 1 x 10-6 / 250
ρ = 0,2 x 10-6 Ωm
Soal No. 3
Sebuah kawat dengan luas penampang 1 x 10-5 m2 yang mempunyai hambatan jenis kawat sebesar 5 x 10-5 Ωm. Kawat itu dipakai untuk elemen pembakar listrik 1 kW dengan hambatan listrik 10 Ω. Panjang kawat yang dibutuhkan sebesar ….
Pembahasan:
A = 1 x 10-5 m2
Ρ = 5 x 10-5 Ωm
R = 10 Ω
Ditanyakan: l = ….?
Jawaban:
l = R . A/ρ
l = 10 . 1 x 10-5/5 x 10-5
l = 10/5 = 2 m
Soal No. 4
Sebuah kawat tembaga memiliki luas penampang 2 mm2. Jika panjang penghantar 2.000 m dan hambatan jenisnya 0,02 Ωm. Berapa nilai hambatan kawatnya?
Pembahasan:
A = 2 x 10-6 m2
l = 2.000 m
ρ = 0,02 Ωm
Ditanyakan: R = ….?
Jawaban:
R = ρ.l/A
R = 0,02 x 2.000/2 x 10-6
R = 2 x 107 Ω
Soal No. 5
Sebuah kawat memiliki hambatan 2 ohm. Apabila panjang kawat 2 meter dan luas penampang 0,35 mm2. Berapa besar hambatan jenis kawat tersebut?
Pembahasan:
R = 2 Ω
l = 2 m
A = 0,35 x 10-6 m2
Ditanyakan: ρ = …?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 2 . 0,35 x 10-6/2
ρ = 0,35 x 10-6 Ωm
ρ = 35 x 10-8 Ωm
Soal No. 6
Sebuah kawat penghantar memiliki hambatan 4 ohm. Apabila panjang kawat 1 meter dan luas penampang 0,35 mm2, maka hambatan jenis kawat tersebut adalah …. (dalam Ωm)
Pembahasan:
R = 4 ohm
l = 1 m
A = 0,35 mm2 = 35 x 10-8m2
Ditanyakan: ρ = …?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 4 . 35 x 10-8/1
ρ = 140 x 10-8 Ωm = 1,4 x 10-6 Ωm
Soal No. 7
Sebuah kawat penghantar memiliki luas penampang 0,25 mm2. Apabila hambatan dan hambatan jenisnya masing-masing adalah 10 ohm dan 0,5 x 10-6 Ωm, maka panjang kawat tersebut adalah ….
Pembahasan:
A = 0,25 mm2 = 0,25 x 10-6 m2
R = 10 ohm
ρ = 0,5 x 10-6 Ωm
Ditanyakan: l = ….?
Jawaban:
l = R . A/ ρ
l = 10 . 0,25 x 10-6/0,5 x 10-6
l = 5 m
Soal No. 8
Diketahui sebuah kawat dengan panjang 250 meter dan luas penampang 1 mm². Kawat tersebut memiliki hambatan listrik sebesar 50 Ω. Hitung berapa hambatan jenis kawat tersebut!
Pembahasan:
l = 250 meter
A = 1 mm² = 1 x 10-6 m2
R = 50 Ω
Ditanyakan: ρ = ….?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 50 . 1 x 10-6 / 250
ρ = 0,2 x 10-6 Ωm
Soal No. 9
Kawat penghantar memiliki panjang 10 meter dan berjari-jari 0,5 mm. Jika hambatan jenis kawat adalah 0,628 x 10-6 Ωm, maka nilai hambatan kawat adalah ….
Pembahasan:
l = 10 m
r = 0,5 mm = 0,5 x 10-3 m
A = 𝞹 r2
A = 3,14 x (0,5 x 10-3)2
A = 3,14 x 0,25 x 10-6
A = 0,785 x 10-6 m2
ρ = 0,628 x 10-6 Ωm
Ditanyakan: R = ….?
Jawaban:
R = l . ρ/A
R = 10 . 0,628 x 10-6/0,785 x 10-6
R = 8 ohm
Soal No. 10
Sebuah kawat penghantar memiliki panjang 1.000 meter. Apabila hambatan jenis kawat 0,03 x 10-6 ohm-meter dan nilai hambatan kawat 5 ohm, maka berapakah luas penampang kawat?
Pembahasan:
l = 1.000 m
ρ = 0,03 x 10-6 Ωm
R = 5 Ω
Ditanyakan: A = ….?
Jawaban:
A = l . ρ/R
A = 1.000 x 0,03 x 10-6/5
A = 6 x 10-6 m2
3. Rangkaian Listrik
Sebuah kawat penghantar sepanjang l, dengan hambatan jenis ρ dan luas penampang A. dialiri arus listrik sehingga menghasilkan hambatan sebesar R. Jika panjang kawat diperkecil menjadi 1/3l , sedangkan luas penampangnya diperbesar menjadi 2A, Besarnya hambatan kawat tersebut menjadi ….
Ditanya R2 : ....?
Soal No. 1
Pembahasan:
l = 100 m
A = 2,5 mm2 = 25 x 10-7 m2
ρ = 17 x 10-7 Ωm
Ditanyakan: R = ….?
Jawaban:
R = ρ.l/A
R = 17 x 10-7 x 100 /25 x 10-7
R = 68 Ω
R = 50 Ω
Soal No. 2
Diketahui sebuah kawat dengan panjang 250 meter dan luas penampang 1 mm². Kawat tersebut memiliki hambatan listrik sebesar 50 Ω. Hitung berapa hambatan jenis kawat tersebut!
Pembahasan:
l = 250 meter
A = 1 mm² = 1 x 10-6 m2
Ditanyakan: ρ = ….?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 50 . 1 x 10-6 / 250
ρ = 0,2 x 10-6 Ωm
Soal No. 3
Sebuah kawat dengan luas penampang 1 x 10-5 m2 yang mempunyai hambatan jenis kawat sebesar 5 x 10-5 Ωm. Kawat itu dipakai untuk elemen pembakar listrik 1 kW dengan hambatan listrik 10 Ω. Panjang kawat yang dibutuhkan sebesar ….
Pembahasan:
A = 1 x 10-5 m2
Ρ = 5 x 10-5 Ωm
R = 10 Ω
Ditanyakan: l = ….?
Jawaban:
l = R . A/ρ
l = 10 . 1 x 10-5/5 x 10-5
l = 10/5 = 2 m
Soal No. 4
Sebuah kawat tembaga memiliki luas penampang 2 mm2. Jika panjang penghantar 2.000 m dan hambatan jenisnya 0,02 Ωm. Berapa nilai hambatan kawatnya?
Pembahasan:
A = 2 x 10-6 m2
l = 2.000 m
ρ = 0,02 Ωm
Ditanyakan: R = ….?
Jawaban:
R = ρ.l/A
R = 0,02 x 2.000/2 x 10-6
R = 2 x 107 Ω
Soal No. 5
Sebuah kawat memiliki hambatan 2 ohm. Apabila panjang kawat 2 meter dan luas penampang 0,35 mm2. Berapa besar hambatan jenis kawat tersebut?
Pembahasan:
R = 2 Ω
l = 2 m
A = 0,35 x 10-6 m2
Ditanyakan: ρ = …?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 2 . 0,35 x 10-6/2
ρ = 0,35 x 10-6 Ωm
ρ = 35 x 10-8 Ωm
Soal No. 6
Sebuah kawat penghantar memiliki hambatan 4 ohm. Apabila panjang kawat 1 meter dan luas penampang 0,35 mm2, maka hambatan jenis kawat tersebut adalah …. (dalam Ωm)
Pembahasan:
R = 4 ohm
l = 1 m
A = 0,35 mm2 = 35 x 10-8m2
Ditanyakan: ρ = …?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 4 . 35 x 10-8/1
ρ = 140 x 10-8 Ωm = 1,4 x 10-6 Ωm
Soal No. 7
Sebuah kawat penghantar memiliki luas penampang 0,25 mm2. Apabila hambatan dan hambatan jenisnya masing-masing adalah 10 ohm dan 0,5 x 10-6 Ωm, maka panjang kawat tersebut adalah ….
Pembahasan:
A = 0,25 mm2 = 0,25 x 10-6 m2
R = 10 ohm
ρ = 0,5 x 10-6 Ωm
Ditanyakan: l = ….?
Jawaban:
l = R . A/ ρ
l = 10 . 0,25 x 10-6/0,5 x 10-6
l = 5 m
Soal No. 8
Diketahui sebuah kawat dengan panjang 250 meter dan luas penampang 1 mm². Kawat tersebut memiliki hambatan listrik sebesar 50 Ω. Hitung berapa hambatan jenis kawat tersebut!
Pembahasan:
l = 250 meter
A = 1 mm² = 1 x 10-6 m2
R = 50 Ω
Ditanyakan: ρ = ….?
Jawaban:
ρ = R . A/l
ρ = 50 . 1 x 10-6 / 250
ρ = 0,2 x 10-6 Ωm
Soal No. 9
Kawat penghantar memiliki panjang 10 meter dan berjari-jari 0,5 mm. Jika hambatan jenis kawat adalah 0,628 x 10-6 Ωm, maka nilai hambatan kawat adalah ….
Pembahasan:
l = 10 m
r = 0,5 mm = 0,5 x 10-3 m
A = 𝞹 r2
A = 3,14 x (0,5 x 10-3)2
A = 3,14 x 0,25 x 10-6
A = 0,785 x 10-6 m2
ρ = 0,628 x 10-6 Ωm
Ditanyakan: R = ….?
Jawaban:
R = l . ρ/A
R = 10 . 0,628 x 10-6/0,785 x 10-6
R = 8 ohm
Soal No. 10
Sebuah kawat penghantar memiliki panjang 1.000 meter. Apabila hambatan jenis kawat 0,03 x 10-6 ohm-meter dan nilai hambatan kawat 5 ohm, maka berapakah luas penampang kawat?
Pembahasan:
l = 1.000 m
ρ = 0,03 x 10-6 Ωm
R = 5 Ω
Ditanyakan: A = ….?
Jawaban:
A = l . ρ/R
A = 1.000 x 0,03 x 10-6/5
A = 6 x 10-6 m2
3. Rangkaian Listrik
Tegangan Listrik sebanding dengan Arus Listrik sesuai dengan hukum Ohm beriku : Jika arus listrik melalui suatu penghantar pda suhu tetap, kuat arusnya bebanding lurus dengan beda pontensial yang terdapat pada kedua ujung penghantar tersebut".
Menurut hukum Ohm besar hambatan listrik dapat ditentukan dengan persamaan :
Keterangan:
- V = beda potensial (volt)
- I = arus listrik (ampere)
- R = hambatan (ohm)
4. Karakteristik Rangkaian Listrik
a. Hukum Kirchhoff 1
Hukum Kirchoff I berbunyi “jumlah arus yang menuju/masuk dengan arus yang meninggalkan/keluar pada satu titik percabangan adalah sama“.
b. Rangkaian GGL dan Hukum Ohm pada Rangkaian Tertutup
Tegangan dari suatu sumber tegangan sebelum menghasilkan arus disebut gaya gerak listrik (ggl). Suatu sumber tegangan misalnya baterei mempunyai hambatan yang disebut hambatan dalam (r) sehingga ketika baterei mengalirkan arus (pada rangkaian teetutup) tegangannya akan menurun. Tegangan suatu sumber tegangan (baterei) setelah mengalirkan arus disebut tegangan jepit/klem (Vk),
Gambar : Skeme Susunan Elemen dan Hambatan
Keterangan :
I = Kuat arus melalui rangkaian (ampere)
E = ggl elemen (volt)
R = Hambatan luar (ohm)
r = Hambatan dalam elemen (ohm)
Tegangan Jepitnya (Vk) adalah :
oleh karena tegangan jepit < dari ggl, terdapat penurunan tegangan (Δv) sehingga :
Untuk sejumlah n elemen yang disusun seri berlaku hubungan sebagai berikut :
Hukum Kirchoff I berbunyi “jumlah arus yang menuju/masuk dengan arus yang meninggalkan/keluar pada satu titik percabangan adalah sama“.
b. Rangkaian GGL dan Hukum Ohm pada Rangkaian Tertutup
Tegangan dari suatu sumber tegangan sebelum menghasilkan arus disebut gaya gerak listrik (ggl). Suatu sumber tegangan misalnya baterei mempunyai hambatan yang disebut hambatan dalam (r) sehingga ketika baterei mengalirkan arus (pada rangkaian teetutup) tegangannya akan menurun. Tegangan suatu sumber tegangan (baterei) setelah mengalirkan arus disebut tegangan jepit/klem (Vk),
Keterangan :
I = Kuat arus melalui rangkaian (ampere)
E = ggl elemen (volt)
R = Hambatan luar (ohm)
r = Hambatan dalam elemen (ohm)
Tegangan Jepitnya (Vk) adalah :
oleh karena tegangan jepit < dari ggl, terdapat penurunan tegangan (Δv) sehingga :
Gambar : Skema susunan n Elemen seri Hambatan
Untuk sejumlah n elemen yang disusun paralel berlaku hubungan sebagai berikut :
Gambar : Sekema susunan n elemen dan hambatan
Gambar : Rangkaian Seri Sifat-sifat rangkaian seri
a. Nilai Rangkaian Seri (Rs)
Sifat-sifat rangkaian seri
Rs = R1 + R2 + R3
Secara umum nilai Rs untuk n Resistor
Rs = R1 + R2 + ....... + Rn
b. Nilai Arus ditiap tiap hambatan
I = I1 = I2 = I3
Secara umum nilai I untuk setiap R yang berjumlah n :
I = I1 = I2 = ........ = In
c. Tegangan pada tiap-tiap Hambatan
V = V1 + V2 + V3
Secara umum nilai tegangan untuk tiap-tiap hambatan yang berjumlah n :
V = V1 + V2 + ...... + Vn
d. Susunan seri hambatan berfungsi sebagai pembagi tegangan
V1 : V2 : V3 : ........ : Vn = R1 : R2 : R3 : ......... : Rn
2. Susunan Paralel dari HambatanSifat-sifat rangkaian Paralela. Nilai Rangkaian Paralel (Rp)
1/Rp = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Secara umum nilai Rp untuk n Resistor
1/Rp = 1/R1 + 1/R2 +............. + 1/Rn
Gambar : Rangkaian Paralel
b. Nilai Tegangan disetiap Resistor sama besar
V1 = V2 = V3
Secara umum nilai tegangan untuk n Resistor
V1 = V2 = ............... = Vn
c. Jumlah total Kuat arus disetiap hambatan sama dengan kuat arus masukan
I = I1 + I2 + I3
Secara umum untuk n hambatan
I = I1 + I2 + I3 + ........... + In
d. Susunan paralel hambatan berfungsi sebagai pembagi arus
I1 : I2 : I3 : ..... : In = 1/R1 : 1/R2 : 1/R3 : ...... : 1/Rn
Tidak ada komentar:
Posting Komentar
Berikan Komentar