Teori Dasar Teknik Listrik

TEORI DASAR TEKNIK LISTRIK
(RT223 dan PP222)
I. Pendahuluan
a. Muatan Listrik
Pada tubuh manusia mempunyai atom yang saling mengikat satu sama lain dan
tidak terpisahkan. Partikel atom tersebut dapat bergerak dengan sangat cepat. Untuk
mengkaji hal tersebut, harus menggunakan cabang ilmu fisika yang disebut
elektromagnetik yang membahas mengenai interaksi listrik dan interaksi magnet.
Interaksi tersebut melibatkan partikel yang mempunyai sifat yang disebut muatan
listrik.
Kita tidak dapat mengatakan apa itu muatan listrik, kita hanya bisa menjelaskan
sifat-sifatnya dan perilakunya. Kata listrik berasal dari bahasa Yunani yaitu electron
yang berarti amber. Bila kita menggosokan sepatu pada permadani nilon, maka kita
akan menjadi bermuatan listrik. Sisir yang digosokan pada rambut juga akan bermuatan
listrik.
Apabila dua batang plastik digosokan pada selembar bulu (asli atau palsu), maka
kedua batang plastik tersebut akan saling menolak. Gelas digosokan pada sutra, gelas
akan bermuatan listrik dan saling menolak. Tetapi bila batang plastik bermuatan akan
menarik gelas yang bermuatan. Sedangkan batang plastik dengan bulu akan tarik
menarik dan gelas dengan sutra akan saling tarik.
Eksperimen tersebut menunjukkan bahwa ada dua jenis muatan listrik, yaitu
muatan pada batang plastik yang digosokan pada bulu dan gelas yang digosokan pada
sutra. Benjamin Franklin (1706-1790) menamakan kedua jenis muatan tersebut muatan
negatif dan muatan positif. Batang plastik dan sutra mempunyai muatan negatif,
sedangkan gelas dan bulu mempunyai muatan positif. Akhirnya kita dapat
menyimpulkan bawa dua muatan positif atau dua muatan negatif akan saling tolak, dan
sebuah muatan positif dan sebuah muatan negatif akan saling menarik. Atau dapat pula
dikatakan, muatan yang sejenis tolak menolak dan muatan yang berlawanan akan
saling menarik.
Muatan listrik, seperti massa adalah satu sifat dasar partikel yang membentuk
materi. Interaksi yang menentukan struktur dan sifat-sifat atom dan molekul terutama
adalah iinteraksi listrik diantara partikel-partikel bermuatan listrik. Hal yang sama juga
berlaku untuk struktur dan sifat-sifat materi biasa yang dibentuk oleh atom dan molekul.
Teori Dasar Teknik Listrik
1
Struktur atom dapat dideskrisikan sebagai gabungan dari tiga pertikel, yaitu: elektron
yang bermuatan negatif, proton yang bermuatan positif dan neutron yang tidak
bermuatan. Proton dan neutron dalam sebuah atom membentuk sebuah teras kecil yang
sangat padat dinamakan inti (nucleus).
b. Arus Listrik
Arus
listrik
adalah
mengalirnya
elektron
secara terus
menerus
dan
berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa
lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. Satuan arus listrik adalah Ampere. Arus
listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal negatif (-), sedangkan aliran listrik
dalam kawat logam terdiri dari aliran elektron yang bergerak dari terminal negatif (-) ke
terminal positif(+), arah arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerakan elektron.
“1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 624x10^16 (6,24151 × 10^18)
atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor”.
Formula arus listrik adalah:
I = Q/t (ampere)
Keterangan:
I = besarnya arus listrik yang mengalir (ampere)
Q = Besarnya muatan listrik (coulomb)
t = waktu (detik)
Gambar 1. Arah arus listrik dan arah gerakan electron
Teori Dasar Teknik Listrik
2
c. Arus (Current)
Arus adalah sembarang gerak muatan dari satu daerah ke daerah lainnya. Pada
logam sejumlah elektron bebas bergerak secara acak dalam semua arah, namun tidak
bisa melepaskan dari material konduksinya karena elektron itu ditarik ke ion positif
material itu. Gerak elektron itu acak, sehingga tidak aliran muatan neto dalam
sembarang arah sehingga tidak arus.
Dalam sebuah kawat yang mengangkut arus, arus itu selalu berada sipanjang
kawat itu, tidak perduli apakah itu lupus atau Bangkok. Tidak ada vektor tunggal yang
dapat menjelaskan gerak sepanjang sebuah lintasan lengkung. Itulah sebabnya mengapa
arus bukan sebuah vektor. Muatan positif yang bergerak dalam arah medan listrik (E)
menghasilkan arus yang sama seperti muatan negatif dengan jumlah yang sama
bergerak dengan laju yang sama dalam arah yang berlawanan dengan medan tersebut.
Pada satuan SI, arus dinyatakan dalam ampere (A), satu ampere didefinisikan
sebagai satu coulomb per detik (1A = 1 C/s). Satuan arus tersebut diberikan untuk
menghormati ilmuwan Perancis Andre Marie Ampere (1775-1836). Bila sebuah senter
biasa (usuran sel D) dinyalakan, arus dalam senter itu kira-kira 0,5 sampai 1 A. Arus
dalam kawat sebuah kunci kontak motor yang digunakan untuk menghidupkan mobil
adalah sekitar 200 A. Arus dalam rangkaian radio atau rangkaian televisi biasanya
dinyatakan dalam miliampere (1 mA = 10-3 A), atau mokroamprere (1 A = 10-6 A),
dan arus dalam rangkaian komputer dinyatakan dalam nanoampere (1 nA = 10-9 A).
d. Kuat Arus
Kuat arus adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas
yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu. Ampere adalah
satuan kuat arus listrik yang dapat memisahkan 1,118 milligram perak dari nitrat perak
murni dalam satu detik.Rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus
dan waktu.
Q=Ixt
I = Q/t
t = Q/I
Keterangan:
Q = Banyaknya muatan listrik (coulomb)
I = Kuat arus (Amper)
t = waktu (detik)
Teori Dasar Teknik Listrik
3
Kuat arus listrik biasa juga disebut dengan arus listrik. Muatan listrik memiliki
muatan positip dan muatan negatif. Muatan positip dibawa oleh proton, dan muatan
negatif dibawa oleh elektro. Satuan muatan coulomb (C), muatan proton +1,6 x 10^19C, sedangkan muatan elektron -1,6x 10^-19C. Muatan yang bertanda sama saling
tolak menolak, muatan bertanda berbeda saling tarik menarik.
Contoh soal mengenai Kuat arus listrik.
Sebuah batere memberikan arus 0,5 A kepada sebuah lampu selama 2 menit. Berapakah
banyaknya muatan listrik yang dipindahkan?
Jawab:
Diketahui: I = 0,5 ampere, t = 2 menit.
Ditanyakan: Q (muatan listrik).
Penyelesaian: t = 2 menit = 2 x 60 = 120 detik
Q=Ixt
= 0,5 x 120 = 60 coulomb.
e. Konduktor dan Isolator
Beberapa bahan memungkinkan muatan listrik bergerak dengan mudah dari satu
daerah bahan itu ke daerah lainnya, sedangkan bahan lainnya tidak memungkinkan
gerak seperti itu. Konduktor adalah bahan dimana muatan listrik dapat berpindah atau
mengalir di dalamnya. Sedangkan Isolator yaitu bahan dimana muatan listrik tidak
dapat mengalir di dalamnya. Contoh bahan konduktor yaitu logam dan contoh bahan
isolator yaitu bahan non logam, seperti plastik, keramik, permadani, dan masih banyak
lagi.
Sebagian besar logam adalah konduktor yang baik, sedaangkan besar bahan
yang bukan logam adalah isolator. Di dalam logam padat seperti: tembaga, satu atau
lebih elektron sebelah luar dalam setiap atom menjadi tidak terikat dan bergerak secara
bebas ke seluruh bahan itu. Gerak elektron yang bermutan positif ini mengangkut
muatan melalui logam tersebut. Elektron lainnya tetap terikat pada inti yang bermuatan
positif. Pada isolator tidak ada atau sangat sedikit elektron bebas dan muatan listrik
tidak dapat bergerak secara bebas melalui bahan tersebut. Beberapa bahan yang
dinamakan semikonduktor mempunyai sifat-sifat diantara sifat konduktor yang baik
dan sifat isolator yang baik.
Teori Dasar Teknik Listrik
4
f. Bahan Penghantar Listrik
Suatu bahan dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu juga
bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan berdasarkan wujud
tersebut dalam teknik listrik bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut.
1. Bahan Penghantar (konduktor)
2. Bahan Penyekat (isolator/insulator)
3. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor)
4. Bahan Magnetis.
5. Bahan Super Konduktor.
6. Bahan Nuklir.
7. Bahan Khusus (bahan untuk pembuatan kontak-kontak, untuk sekering, dan
sebagainya)
Bahan Penghantar (konduktor) adalah bahan yang menghantarkan listrik
dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity) yang
besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar listrik
berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel, kumparan/lilitan
pada alat listrik yang anda jumpai. Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik
listrik, bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium.
Bahan Penyekat (Insulator/isolator) adalah bahan yang befungsi untuk
menyekat (misalnya antara 2 penghantar); agar tidak terjadi aliran listrik/kebocoran
arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus
mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang tinggi. Bahan penyekat yang
sering ditemui dalam teknik listrik adalah: plastik, karet, dan sebagainya.
Bahan Setengah Penghantar (Semi Konduktor) adalah bahan yang
mempunyai daya hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor, tetapi lebih besar
dibanding bahan isolator. Dalam teknik elektronika banyak dipakai semi konduktor
dari bahan germanium (Ge) dan silicon (Si). Dalam keadaan aslinya, Ge dan Si adalah
bahan pelikan dan merupakan isolator. Di Pabrik bahan-bahan tersebut diberi kotoran.
Jika bahan tersebut dikotori dengan alumunium maka diperoleh bahan semikonduktor
type P (bahan yang kekurangan elektron/mempunyai sifat positif). Jika dikotori dengan
fosfor maka yang dipeoleh adalah semikonduktor jenis N (bahan yang kelebihan
electron, sehingga bersifat negative). Ge mempunyai daya hantar lebih tinggi
dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas dibanding Ge.
Teori Dasar Teknik Listrik
5
Bahan Magnetik (Magnetic Materials) dikelompokkan menjadi 3 kelompok,
yaitu ferro magnetic, para-magnetic dan dia-magnetic. Bahan ferro-magnetic adalah
bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi dan mudah sekali dialiri garis-garis gaya
magnet. Contoh bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi adalah besi, besi pasir,
stalloy, dan sebagainya. Selain itu sering dijumpai magnet yang merupakan magnet
permanen, misalnya alnico, cobalt, baja arang, dan sebagainya. Baja untuk magnet
sering dijumpai pada pelat-pelat motor/generator, pelat-pelat transformator, dan
sebagainya. Dalam bidang elektronika, digunakan bahan magnet misalnya pada
speaker, alat-alat ukur elektronika, dan sebagainya.
Bahan Super Konduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur
perubahan tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair.
Dia menemukan bahwa tahanan listrik tiba-tiba hilang pada suhu 4,153°K. Sampai saat
ini telah ditemukan sekitar 24 unsur hantaran super dan lebih banyak lagi paduan dan
senyawa yang menunjukkan sifat-sifat hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar
antara 1 samapai 19° Kelvin. Bahan-bahan lead (timah), tin (timah patri), alumunium,
dan mercury, pada sushu mendekati 0°K mempunyai resistivitas nol.
Bahan Nuklir. Bahan nuklir sering dipakai sebagai bahan baker reaktor nuklir.
Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan-bahan nuklir yang dapat
membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat berjalan
dalam keadaan dan kondisi terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat
dipergunakan sebagai bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat mengadakan fisi
(pembelahan atom). Dalam reaktor nuklir digunakan bahan bakar uranium 235,
plutonium-239, uranium-233. Dalam pemilihan jenis bahan listrik, selain sifat listrik,
perlu dipertimbangkan beberapa sifat lain dari bahan, yaitu:
a. Sifat Mekanis, yaitu perubahan bentuk dari suatu benda padat akibat adanya gayagaya dari luar yang bekerja pada benda tersebut. Jadi adanya perubahan itu
tergantung kepada besar kecilnya gaya, bentuk benda, dan dari bahan apa benda
tersebut
dibuat.
Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada tiga kemungkinan yang akan
terjadi pada suatu benda:
o Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda mempunyai
sifat kenyal (elastis).
o Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini hanya
sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar gaya yang
Teori Dasar Teknik Listrik
6
bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan menjadi
berkurang.
o Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar gaya yang
bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan sama sekali
hilang.
b. Sifat Fisis, Benda padat mempunyai bentuk yang tetap (bentuk sendiri), dimana
pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula. Isi akan
bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya benda akan
menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap , maka kepadatan benda
akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut:
o Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan berkurang.
o Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akan bertambah
o Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan panas
c. Sifat Kimia, berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat
dari logam. Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri dengan
sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan. Biasanya reaksi kimia
dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi. Sedangkan reaksi
kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman.
Pengujian sifat mekanis bahan perlu dilakukan untuk mendapatkan informasi
spesifikasi bahan. Melalui pengujian tarik akan diperoleh besaran-besaran kekuatan
tarik, kekuatan mulur, perpanjangan, reduksi penampang, modulus elastis, resilien,
keuletan logam, dan lain-lain. Selain sifat-sifat tersebut dengan tidak secara terlalu
teknis, perlu diperhatikan kekerasan (hardness) dan kemampuan menahan goresan
(abrasion). Contoh sifat fisis yang sering diperlukan adalah berat jenis, titik lebur, titik
didih, titik beku, kalor lebur, dan sebagainya. Juga sifat perubahan volume, wujud, dan
panjang terhadap perubahan suhu. Perkaratan adalah contoh sifat bahan akibat reaksi
kimia; reaksi antara logam dengan oksigen yang ada di udara. Sifat kimia juga
termasuk sifat bahan yang beracun, kemungkinan mengadakan reaksi dengan garam,
asam, dan basa.
Selain bahan penyekat atau isolator di atas, ada bahan lain yang juga banyak
digunakan dalam teknik ketenagalistrikan yaitu bahan penghantar atau sering
dinamakan dengan istilah konduktor. Suatu bahan listrik yang akan dijadikan
Teori Dasar Teknik Listrik
7
penghantar, juga harus mempunyai si fat-sifat dasar penghantar itu sendiri seperti:
koefisien suhu tahanan, daya hantar panas, kekuatan tegangan tarik dan lain-lain.
Disamping itu juga penghantar kebanyakan menggunakan bentuk padat seperti
tembaga, aluminium, baja, seng, timah, dan lain-lain. Untuk keperluan komunikasi
sekarang banyak digunakan bahan penghantar untuk media transmisi telekomunikasi
yaitu menggunakan serat optik. Erat kaitannya dengan keperluan pembangkitan energi
listrik, yaitu suatu bahan magnetik yang akan dijadikan sebagai medium untuk konversi
energi, baik dari energi listrik ke energi mekanik, energi mekanik ke energi listrik,
energi listrik menjadi energi panas atau cahaya, maupun dari energi listrik menjadi
energi listrik kembali. Bahan magnetik ini tentunya harus memenuhi sifat-sifat
kemagnetan, dan parameter-parameter untuk dijadikan sebagai bahan magnet yang
baik. Dalam pemilihan bahan magnetik ini dapat dikelompokkan menjadi tiga macam,
yaitu ferromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik. Suatu bahan yang sekarang lagi
ngetren dan paling banyak sedang dilakukan riset-riset di dunia ilmu pengetahuan dan
teknologi yaitu bahan semi konduktor. Berkembangnya dunia elektronika dan
komputer saat ini adalah merupakan salah satu peranan dari teknologi semi konduktor.
Bahan ini sangat besar peranannya pada saat ini pada berbagai bidang disipilin ilmu
terutama di bidang teknik elektro seperti teknologi informasi, komputer, elektronika,
telekomunikasi, dan lain -lain. Berkaitan dengan bahan semi konduktor, pada saat ini
dapat dikelompokkan menjadi dua macam yaitu semi konduktor dan super konduktor.
Seperti telah kita ketahui, bahwa untuk pelaksanaan penyaluran energi listrik
dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu berupa saluran udara dan kabel tanah. Pada
saluran Udara, terutama hantaran udara telanjang biasanya banyak menggunakan kawat
penghantar yang terdiri atas: kawat tembaga telanjang (BCC, singkatan dari Bare
Cooper Cable), Aluminium telanjang (AAC, singkatan dari All Aluminium Cable),
Campuran yang berbasis aluminium (Al-Mg-Si), Aluminium berinti baja (ACSR,
singkatan dari Aluminium Cable Steel Reinforced dan Kawat baja yang berisi lapisan
tembaga (Cooper Weld).
Sedangkan pada saluran kabel tanah, biasanya banyak menggunakan kabel
dengan penghantar jenis tembaga dan aluminium, perkembangan yang sangat dominan
pada saluran kabel tanah adalah dari sisi bahan isolasinya, dimana pada saat awal
banyak menggunakan isolasi berbahan kertas dengan perlindungan mekanikal berupa
timah hitam, kemudian menggunakan minyak ( jenis kabel ini dinamakan GPLK atau
Gewapend Papier Lood Kabel yang merupakan standar belanda dan NKBA atau
Teori Dasar Teknik Listrik
8
Normal Kabel mit Bleimantel Aussenumheullung yang merupakan standar jerman, dan
jenis bahan isolasi yang terkini adalah isolasi buatan berupa PVC (Polyvinyl Chloride)
dan XLPE (Cross-Linked Polyethylene). Jenis bahan isolasi PVC dan XLPE pada saat
ini telah berkembang pesat dan merupakan bahan isolasi yang andal.
Di waktu yang lalu, bahan yang banyak digunakan untuk saluran listrik adalah
jenis tembaga (Cu). Namun karena harga tembaga yang tinggi dan tidak stabil bahkan
cenderung naik, aluminium mulai dilirik dan dimanfaatkan sebagai bahan kawat saluran
listrik, baik saluran udara maupun saluran kabel tanah. Lagipula, kawat tembaga sering
dicuri karena bahannya dapat dimanfaatkan untuk pembuatan berbagai produk lain.
Suatu ikhtisar akan disampaikan dibawah ini mengenai berbagai jenis logam atau
campurannya yang dipakai untuk kawat saluran listrik, yaitu:

Tembaga elektrolitik, yang harus memenuhi beberapa syarat normalisasi, baik
mengenai daya hantar listrik maupun mengenai sifat-sifat mekanikal.

Brons, yang memiliki kekuatan mekanikal yang lebih besar, namun memiliki daya
hantar listrik yang rendah. Sering dipakai untuk kawat pentanahan.

Aluminium, yang memiliki kelebihan karena materialnya ringan sekali.
Kekurangannya adalah daya hantar listrik agak rendah dan kawatnya sedikit kaku.
Harganya sangat kompetitif. Karenanya merupakan saingan berat bagi tembaga,
dan dapat dikatakan bahwa secara praktis kini mulai lebih banyak digunakan untuk
instalasi listrik arus kuat yang baru dari pada menggunakan tembaga.

Aluminium berinti baja, yang biasanya dikenal sebagai ACSR (Aluminium Cable
Steel Reinforced), suatu kabel penghantar aluminium yang dilengkapi dengan unit
kawat baja pada inti kabelnya. Kawat baja itu diperlukan guna meningkatkan
kekuatan tarik kabel. ACSR ini banyak digunakan untuk kawat saluran hantar
udara.

Aldrey, jenis kawat campuran antara aluminium dengan silicium (konsentrasinya
sekitar 0,4 % – 0,7 %), Magnesium (konsentrasinya antara 0,3 % - 0,35 %) dan
ferum (konsentrasinya antara 0,2 % - 0,3 %). Kawat ini memiliki kekuatan
mekanikal yang sangat besar, namun daya hantar listriknya agak rendah.

Cooper-weld, suatu kawat baja yang disekelilingnya diberi lapisan tembaga.

Baja, bahan yang paling banyak digunakan sebagai kawat petir dan juga sebagai
kawat pentanahan.
Teori Dasar Teknik Listrik
9
Berdasarkan ikhtisar diatas, dapat dikatakan bahwa bahan yang terpenting untuk
saluran penghantar listrik adalah tembaga dan aluminium, sehingga kedua bahan
tersebut banyak digunakan sebagai kawat pengantar listrik, baik saluran hantar udara
maupun kabel tanah.
g. Hukum Coulomb
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) mengkaji interaksi partikel-partikel
bermuatan secara rinci pada tahun 1748. Untuk muatan-muatan titik, yaitu benda
bermuatan yang sangat kecil dibandingkan dengan jarak r diantara muatan-muatan itu.
Coulomb mendapati bahwa gaya listrik itu sebanding dengan 1/r2. Dimana, bila jarak r
menjadi dua kali lipat, maka gaya itu berkurang menjadi 1/4 dari nilai semula; bila jarak
itu menjadi setengahnya, maka gaya listrik itu bertambah menjadi empat kali lipat.
Dengan demikian, Coulomb memperkenalkan apa yang sekarang disebut Hukum
Coulomb:
Besarnya gaya listrik di antara dua muatan titik berbanding lurus dengan hasil
kali muatan-muatan itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di
antara muatan-muatan itu.
Hukum Coulomb hanya menggambarkan interaksi dari dua muatan titik.
Percobaan memperlihatkan bahwa, bila dua muatan mengerahkan haya secara serempak
pada sebuah muatan ke tiga, maka gaya total yang beraksi pada muatan itu adalah
jumlah vector dari gaya-gaya yang dikerahkan oleh kedua muatan itu secara individu.
Hukum Coulomb seharusnya digunakan hanya untuk muatan-muatan titik dalam ruang
hampa.
h. Hambatan/Tahanan (Resistance)
Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik, tembaga dan
aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan terdiri dari kumpulan atom,
setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran arus listrik merupakan aliran elektron.
Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya.
Akibatnya terjadi gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas.
Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan.
Tahanan difinisikan, yaitu 1 (satu Ohm / Ω) adalah tahanan satu kolom air raksa
yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0º C. Daya
hantar adalah kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat
Teori Dasar Teknik Listrik
10
atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga
tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri
arus listrik. Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar
arus.
Untuk sebuah konduktor dengan hambatan jenis (), kerapatan arus (J) di sebuah
titik dimana medan listrik adalah E, dapat ditulis:
E=J
Bila hukum Ohm dipatuhi,  adalah konstan dan tidak tergantung dari besarnya medan
listrik, sehingg E berbanding langsung dengan J. Misalnya konduktor adalah sebuah
kawat dengan luas penampang homogenA dan panjang L. V selisih potensial antara
ujugn yang potensial tinggi dan ujung yang potensial rendah, sehingga V positif.Arah
arus selalu dari ujung potensial lebih tinggi ke ujung potensial lebih rendah. Hal ini
karena arus mengalir dalam sebuah konduktor dalam E, tidak perduli bagaimanapun
tanda muatan yang bergerak itu dan karena E menunjuk ke arah dalam potensial listrik
yang semakin berkurang. Sewaktu arus mengalir melalui selisih potensial itu, energi
potensial listrik akan hilang, energi dipindahkan ke ion-ion material konduksi itu selama
tumbukan.
Kita juga dapat mengaitkan nilai arus I terhadap selisih potensial diantara ujungujung konduktor itu. Jika besarnya kerapatan arus J dan medan listrik E itu homogen di
seluruh konduktor, maka arus total I itu diberikan oleh I = JA, dan selisih potensial V
diantara ujung-ujung itu adalah V = EL. Bila kita selesaikan persamaan itu, akan
didapatkan:
I
V
=
L
atau
V=
I
(1)
L
A
A
Ini memperlihatkan bahwa nilai  adalah konstan, arus total I itu sebanding dengan
selisih potensial V. Rasio V terhadap I untuk sebuah konduktor disebut hambatan
(resistansi, resistance) R:
V
R =
(2)
I
Dengan membandingkan definsi R in terhadap persamaan (2), bahwa hambatan  dari
sebuah konduktor tertentu dikaitkan dengan resistivitas tertentu dari material itu oleh:
L
R =
hubungan antara hambatan dengan resistivitas
(3)
A
Teori Dasar Teknik Listrik
11
Keterangan:
R = tahanan kawat [ Ω/ohm]
L = panjang kawat [meter/m]
ρ = tahanan jenis kawat [Ω mm²/meter]
A = penampang kawat [mm²]
Jika  adalah konstan, maka R adalah konstan:
V = IR
hubungan antara tegangan, arus dan hambatan
(4)
Seringkali rumus di atas dinamakan hukum Ohm, tetapi penting untuk dipahami
bahwa isi sebenarnya hukum Ohm adalah kesebandingan langsung dari V terhadap I
atau dari J terhadap E. Persamaan (2) dan (4) mendefinisikan hambatan R untuk
sembarang konduktor, apakah konduktor itu mematuhi hukum Ohm atau tidak, tetapi
hanya jika R konstan, kita dapat menamakan hubungan ini hukum sebagai hukum Ohm.
Persamaan (3) memperlihatkan bahawa hambatan sebuah kawat atau konduktor
lain yang penampangnya homogen berbanding langsung dengan panjangnya dan
berbanding terbalik dengan luas penampangnya. Hambatan juga sebanding dengan
resistivitas material dari konduktor yang dbuat itu.
Satuan SI dari hambatan adalah ohm, yang sama dengan satu volt per ampere
(1 = 1 V/A), sering juga digunakan kiloohm (1 k = 10.000 W) dan megaohm (1 M
= 1.000.000 W). Sebuah kawat tembaga ukuran 12 dengan panjang 100 m, yaitu ukuran
yang biasanya digunakan dalam kawat rumah tangga, mempunyai hambatan pada suhu
kamar sebesar kira-kira 0,5 . Sebuah bola lampu 100 W, 120 V mempunyai hambatan
(pada suhu operasional) sebesar 140 . Jika arus I yang mengalir dalam dua kawat
tembaga dan bola lampu, maka selisih potensial V = IR, jauh lebih besar yang melewati
bola lampu itu, dan lebih banyak lagi energi potencial yang hilang permuatan dalam
bola lampu itu. Energi yang hilang itu dikonversikan oleh serabut bola lampu itu
menjadi cahaya dan kalor.
Karena resistivitas sebuah material berubah dengan suhu, maka hambatan
sebuah konduktor spesifik juga berubah dengan suhu. Untuk jangkauan suhu yang tidak
terlalu besar perubahan ini secara rata-rata adalah sebuah hubungan linear.
Sebuah komponen rangkaian yang dibuat mempunyai nilai hambatan spesifik
diantara ujung-ujung disebut resistor. Resistor mempunyai besaran berkisar antara 0,01
sampai 107 , dan dapat dibeli di pasaran. Resistor individu yang digunakan dalam
rangkaian elektrinik seringkali berbentuk silinder, yang diamater dan panjangnya
Teori Dasar Teknik Listrik
12
beberapa milimeter dengan kawat-kawat pada kedua ujungnya. Resistor dapat ditandai
dengan kode estándar yang menggunakan warna pada ujung satu ke ujung lain. Ada tiga
atau empat warna yang biasanya diberikan, yaitu warna pertama dan kedua
menunjukkan angka (angka ke-1 dan angka ke-2), warna ketiga yaitu pengali dalam
pangkat kelipatan 10 dan warna terakhir hádala toleransi biasanya warna emas (5%),
perak (10%) dan tidak ada warna (20%). Dibawah ini beberapa harga dan warna yang
digunakan dalam pengkodean resistor.
Tabel 1. Kode Warna Untuk Resistor
WARNA
Hitam
Cokelat
Merah
Jingga (Orange)
Kuning
Hijau
Biru
Ungu/Violet
Abu-Abu
Putih
Emas
Perak
Tidak Ada Warna
Nilai Sebagai Angka
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5%
10%
20%
Nilai Sebagai Pengali
1
10
102
103
104
105
106
107
108
109
-
Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai resistance, karena tahanan suatu jenis material
sangat tergantung pada:
• panjang tahanan
• luas penampang konduktor.
• jenis konduktor
• temperatur
i. Hambatan Jenis (Resistivity, ρ)
Hambatan jenis didefinisikan ρ sebuah material sebagai perbandingan dari
besarnya medan listrik dan kerapatan arus.
E
ρ =
J
Semakin besar hambatan jenis, semakin besar pula medan magnet yang
diperlukan untuk menyebabkan sebuah kerapatan arus yang diberikan, atau semakin
Teori Dasar Teknik Listrik
13
kecil kerapatan arus yang disebabkan oleh sebuah medan magnet. Satuan hambatan
jenis ρ adalah (V/m) atau (A/m2) = V.m/A. Untuk satuan SI ρ adalah Ω.m (ohm.meter).
Sebuah konduktor sempurna mempunyai nilai hambatan jenis nol, dan sebuah isolator
mempunyai hambatan jenis tidak terhingga. Logam dan campuran logam mempunyai
hambatan jenis paling kecil dan merupakan konduktor terbaik.
Kebalikan hambatan jenis yaitu konduktivitas, dimana satuannya (Ω.m)-1.
Konduktor listrik yang baik mem;punyai konduktivitas yang lebih besar dari pada
isolator. Semikonduktor mempunyai hambatan jenis pertengahan diantara hambatan
jenis logam dan isolator. Material semikonduktor hambatan jenisnya dipengaruhi oleh
suhu dan oleh sejumlah kecil ketidakmurnian. Tabel di bawah ini menunjukkan
beberapa hambatan jenis logam pada suhu kamar 20oC.
Tabel 2. Hambatan Jenis pada Suhu Kamar 20oC
Konduktor
Logam
Campuran
Semikonduktor
Isolator
ZAT
ρ (Ω.m)
Perak
Tembaga
Emas
Aluminium
Tungsten
Baja
Timah
Air Raksa
Manganin (Cu 84%, Mn 12%, Ni 4%)
Constantan (Cu 60%, Ni 4%)
Nikrom
Karbon murni (Grafit)
Germanium murni
Silikon murni
Kuningan
Kaca
Lucite
Mika
Kuarsa (lebur)
Belerang
Teflon
Kayu
1,47 x 10-8
1,72 x 10-8
2,44 x 10-8
2,75 x 10-8
5,25 x 10-8
20 x 10-8
22 x 10-8
95 x 10-8
44 x 10-8
49 x 10-8
100 x 10-8
3,5 x 10-5
0,60
2300
5 x 1014
1010 - 1014
> 1013
1011 - 1015
75 x 1016
1015
> 1013
108 - 1011
j. Simbol untuk Diagram Rangkaian
Bagian yang penting dalam suatu rangkaian listrik adalah penggambaran sebuah
diagram rangkaian skema. Kita biasanya menganggap bahwa kawat-kawat yang
menghubungkan berbagai elemen rangkaian itu mempunyai hambatan yang dapat
Teori Dasar Teknik Listrik
14
diabaikan. Rumus V=IR, selisih diantara ujung-ujung dari sebuah kawat seperti itu nol.
Alat ukur yang ideal untuk mengukur sifat-sifat rangkaian tidak mengganggu didalam
sambungan. Sebuah voltmeter, digunakan untuk mengukur selisih potensial diantara
terminal-terminalnya tanpa mempunyai arus yang dialihkan melalui voltmeter dan
mempunyai hambatan besar sampai tak terhingga. Sebuah ammeter mengukur arus
yang lewat melalui ammeter. Idealnya mempunyai hambatan nol dan tidak mempunyai
selisih potensial diantara terminal-terminal karena alat ukur tersebut bertindak sebagai
bagian dari rangkaian tersebut.
Tabel 3. Simbol untuk Diagram Rangkaian
Konduktor dengan hambatan yangdapat diabaikan
R
Resistor
+
ε
Sumber (Garis vertikal yang lebih panjang selalu
menyatakan terminal positif, biasanya terminal pada
potensial yang lebih tinggi)
+
ε
r
Sumber dengan hambatan dalam r (r dapat ditempatkan
pada atau sisi manapun)
r
+
ε
V
A
Voltmeter (mengukur selisih potensial diantara terminal)
Ammeter (mengukur arus melalui ammeter)
k. Rangkaian Seri dan Paralel
Untuk memahami kedua rangkaian tersebut, kita ahrus memahami lebih dahulu
kaidah-kaidah Kirchhoff. Kaidah pertama yaitu didasarkan pada kekekalan muatan yang
diterapkan pada persambungan (junction). Kaidah titik pertemuan Kirchhoff (Kirchhoff
juction rule) yaitu jumlah aljabar dari arus ke dalam setiap titik pertemuan adalah nol.
Teori Dasar Teknik Listrik
15
Yiatu: ΣI = 0 (berlaku di tiap titik pertemuan). Kaidah titik pertemuan didasarkan pada
kekekalan muatan listrik. Tidak ada muatan yang dapat terakumulasi di sebuah titik
pertemuan, sehingga muatan total yang masuk ke titik pertemuan per satuan waktu
harus sama dengan muatan total yang meninggalkan titik pertemuan itu persatuan
waktu. Muatan persatuan waktu adalah arus, sehingga arus yang masuk itu positif dan
arus yang keluar itu negatif.
Kaidah kedua diturunkan dari kekekalan energi untuk sebuah muatan yang
bergerak mengitari sebuah simple tertutup (closed loop). Kaidah simpal Kirchhoff
(Kirchhoff loop rule) yaitu jumlah aljabar dari selisih potensial dalam tiap simpal,
termasuk selisih potensial yang diasosiasikan dengan tge dan elemen hambatan, harus
sama dengan nol, Yakni: ΣV = 0 (berlaku untuk setiap simpal tertutup). Kaidah simpal
adalah sebuah pernyataan bahwa gaya elektronik adalah gaya konservatif. Pada waktu
arus masuk ke tiap titik simpal dan menghitung setiap titik tersebut, maka setelah keluar
dari titik simpal itu harus nol.
Untuk menguji kaidah-kaidah Kirchhoff kita akan menyambungkan resistor
dalam dua jenis sambungan yaitu Resistor dalam Sambungan Seri dan Paralel. Resistor
dalam semua rangkaian berfungsi dapat berfungsi untuk membatasi arus, membagi arus,
mereduksi tegangan atau membagi tegangan. Beberapa rangkaian sering menggunakan
gabungan beberapa resistor. Apabila resistor disambungkan berderet dalam satu barisan
dengan hanya sebuah lintasan arus tunggal diantara titik-titik itu disebut rangkaian
seri. Rangkaian seri ditunjukkan pada gambar 1.
R1
R2
R3
I
Gambar 2. Rangkaian Seri
Jika resistor dipasang secara seri, arus I harus sama dalam setiap resistor, arus
itu tidak “dihabiskan” pada waktu melalui sebuah rangkaian. Dengan rumus V = IR,
selisih potensial yang melalui setiap resistor tidak perlu sama. Selisih potensial V yang
melalui keseluruhan gabungan resistor adalah jumlah selisih-selisih potensial individu:
Rt = R1 + R2 + R3 + …………..Rn
Hambatan total dari sejumlah resistor seri sama dengan jumlah hambatan-hambatan
individunya. Hambatan total lebih besar dari hambatan individunya.
Teori Dasar Teknik Listrik
16
Resistor dapat dipasang secara parallel dimana ada titik percabangan dan ada titik
pertemuan (titik a dan titi b). Elemen yang dipasang secara parallel selisih potensialnya
akan sama setiap elemen. Jika resistor dipasang secara parallel seperti pada Gambar 2,
arus yang melalui setiap resistor tak perlu sama. Tetapi selisih potensial diantara
terminal-terminal setiap resistor harus sama dan sebanding dengan V. Dari persamaan I
= V/R, didapatkan persamaan resistor parallel, yaitu:
1
1
=
1
+
Rt
R1
1
+ ………..
+
R2
1
R3
Rn
Umumnya arus yang melalui setiap resistor berbeda, karena muatan tidak
terakumulasi atau terkuras ke luar titik a, maka arus total I harus sama dengan jumlah
ketiga arus dalam resistor itu. Untuk sejumlah resistor yang dipasang secara parallel,
kebalikan hambatan total sama dengan jumlah kebalikan-kebalikan dari habatanhambatan individunya. Hambatan total pada rangkaian parallel selalu lebih kecil dari
hambatan individunya.
R1
a
R2
b
(A)
R3
R1
a
(B)
I
R2
b
R3
R1
(C)
I
R2
a
b
R3
I
Gambar 3. Hubungan Paralel
Teori Dasar Teknik Listrik
17
Pada Gambar 2b, R2 dan R3 adalah parallel dan gabungan itu adalah seri dengan
R1. Pada Gambar 2c, R1 dan R2 adalah seri dan gabungan itu adalah paralel dengan R3.
Khusus untuk dua resistor parallel, yaitu:
R1 R2
I1
Rt =
atau
R1 + R2
R2
=
I2
R1
Hal ini menunjukkan bahwa arus yang diangkut oleh dua resistor parallel berbanding
terbalik dengan hambatannya. Lebih banyak arus yang melalui lintasan yang
hambatannya paling kecil.
l. Arus Searah (DC)
Sebenarnya arus searah merupakan arus negatif atau elektron yang mengalir dari
kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron yang mengalir menyebabkan terjadinya
lubang-lubang bermuatan positif (Proton) yang seolah-olah terlihat mengalir dari kutub
positif ke negatif. Sumber dari arus searah ini biasanya dari batu baterai, accumulator,
atau hasil proses dari Photovoltaic/tenaga surya. Listrik arus searah atau DC (Direct
Current) ialah aliran arus yang keluarannya tetap/konstan terhadap waktu. Dengan kata
lain, pada waktu kapanpun dicek keluaran arus dari listrik DC akan selalu sama. Pada
suatu rangkaian akan mengalir arus (Gambar 1), apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai
berikut:
1. Adanya sumber tegangan
2. Adanya alat penghubung
3. Adanya beban
Gambar 4. Rangkaian arus searah
Teori Dasar Teknik Listrik
18
Pada kondisi sakelar S terbuka maka arus tidak akan mengalir melalui beban. Apabila
sakelar S ditutup maka akan mengalir arus ke beban R dan Ampere meter akan
menunjuk. Dengan kata lain syarat mengalir arus pada suatu rangkaian harus tertutup.
m. Arus Bolak Balik (AC)
Arus bolak balik (Alternating Current, AC) ditemukan oleh George
Westinghouse yang mengemukakan arus dan tegangan berubah secara sinusoida. Salah
satu alasan bahwa transformator dapat digunakan untuk menaikan dan menurunkan
tegangan AC, tetapi tidak bisa digunakan untuk DC. Berkat jasanya sampai sekarang
kebanyakan industri dan rumah tangga menggunakan arus bolak-balik.
Untuk menyediakan arus bolak-balik pada sebuah rangkaian diperlukan sebuah
Tegangan Gerak Elektrik (tge) atau electromotive force (emf) atau sering disebut juga
dengan Gaya Gerak Listrik (ggl), atau voltase bolak-balik. Sebuah tegangan sinusoida
dapat dijelaskan oleh sebuah fungsi seperti:
ν = V cos ωt
dimana ν adalah selisih potensial sesaat, V adalah selisih potensial maksimum, ω adalah
frekuensi sudut yang sama dengan 2π kali frekuensi f (50 hz).
Gambar 5a. Bentuk arus bolak balik 1 phasa
Teori Dasar Teknik Listrik
19
Gambar 5b. Bentuk arus bolak balik 3 phasa
Gambar 6. Prinsip membangkitkan arus bolak balik
n. Instrumen Pengukur Listrik
Untuk mengetahui seberapa besar arus yang mengalir, tegangan dan hambatan
kita harus mengukur dengan alat yang tepat dan akurat. Ada beberapa alat yang sering
digunakan antara lain: galvanometer d’Arsonval, Ammeter, Voltmeter dan Gabungan
antara Ammeter dan Voltmeter (sering disebut AVO meter atau multitester).
Galvanometer merupakan sebuah kumparan berporos dari kawat halus
ditempatkan dalam medan magnet sebuah magnet permanen. Pegas diikatkan pada
kumparan tersebut yang serupa dengan pegas rambut pada roda neraca sebuah jam.
Dalam posisi kesetimbangan dengan tidak ada arus dalam kumparan itu, penunjuk akan
berada di nol. Bila ada arus dalam kumparan, medan magnet itu menggerakan sebuah
torka pada kumparan sebanding dengan arus tersebut. Jadi penyimpangan sudut
Teori Dasar Teknik Listrik
20
kumparan dan penunjuk berbanding langsung dengan arus kumparan dan alat itu dapat
dikalibrasi untuk mengukur arus.
Ammeter merupakan salah satu instrumen untuk mengukur arus yang
bergantung pada jangkauan pengukuran. Sebuah Ammeter selalu mengukur arus yang
melaluinya dan idealnya mempunyai habatan nol. Ammeter yang digunakan sebenarnya
selalu mempunyai hambatan yang berhingga, tetapi diusahakan untuk memiliki
hambatan sekecil mungkin.
Voltmeter adalah suatu alat untuk mengukur selisih potensial atau tegangan
(voltage). Sebuah voltmeter selalu mengukur selisih potensial di antara dua titik, dan
terminal-terminalnya harus disambungkan ke titik ini. Sebuah voltmeter ideal
mempunyai hambatan tak berhingga, sehingga menyambungkannya di antara dua titik
dalam sebuah rangkaian tidak akan mengubah arus. Voltmeter yang ada dipasaran selalu
memiliki hambatan yang berhingga, tetapi seharusnya mempunyai hambatan yang
cukup besar sehingga penyambungan dalam sebuah rangkaian tidak mengubah arus
lain.
Ammeter dan Voltmeter dapat digabungkan bersama-sama untuk menguur
hambatan dan daya. Hambatan R dari sebuah resistor sama dengan selisih potensial V di
antara terminal-terminalnya dibagi dengan arus I, yatu R = V/I. Daya masuk P ke
sembarang elemen rangkaian adalah hasil selisih potensial yang melalui elemen itu dan
arus yang melaluinya, yaitu: P = V.I. Pada prinsipnya, cara yang paling langsung untuk
mengukur R atau P adalah mengukur V dan I secara serempak.
Daftar Pustaka
Fitzgeral, Charles Kingsley. (1990). Mesin-Mesin Listrik. Jakarta: Binacipta.
Lytel, Allan. (1976). ABC’s of Electric Motors and Generators. Bombay: D.B.
Taroporevala Sons & Co.
Malvino, Barmawi. (1985). Prinsip-prinsip Elektronika. Jakarta: Erlangga.
Siskind. (1975). Electrical Machines.
Soelaiman T.S., Mabuchi Magarisawa. (1984). Mesin Tak Serempak dalam Praktek.
Jakarta: Pranindya Paramita.
Sumanto. (1996). Mesin Sinkron.. Yogyakarta: Andi Offset.
Teori Dasar Teknik Listrik
21
Van Harten. (1981). Instalasi Listrik Arus Kuat. Jilid 1, 2 dan 3 (Terjemahan). Jakarta:
Binacipta.
William H. (1992). Rangkaian Listrik jilid 1. Jakarta: Erlangga.
Yon Rijono. (1997). Dasar teknik tenaga listrik. Yogyakarta: Andi Offset.
Zuhal. (2000). Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia.
Teori Dasar Teknik Listrik
22