arus searah - Mutawafaq Haerunnazillah

Bahan Ajar
ARUS SEARAH (ARUS DC)
Pernahkah Anda melihat remot televisi? Tahukah anda kenapa remot tersebut dapat digunakan untuk
mengganti saluran televisi? Apa yang menyebabkan remot dapat digunakan?
Kemudian apakah Anda memiliki telepon seluler (handphone)? Atau pernahkah Anda melihat
telepon seluler? Apa yang menyebabkan telepon seluler dapat menyala?
Pertanyaan-pertanyaan di atas akan terjawab setelah Anda mempelajari materi ini.
Arus searah adalah arus listrik yang nilainya hanya positif atau hanya negatif saja (tidak berubah dari
positif kenegatif, atau sebaliknya).
1. Arus Listrik dan Kuat Arus Listrik
Arus listrik merupakan gerakan kelompok partikel bermuatan listrik dalam arah tertentu. Arah
arus listrik yang mengalir dalam suatu konduktor adalah dari potensial tinggi ke potensial
rendah (berlawanan arah dengan gerak elektron).
Sehingga dapat didefinisika sebagai aliran muatan listrik melalui sebuah konduktor. Arus ini
bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, dari kutub positif ke kutub negatif, dari anoda
ke katoda. Arah arus listrik ini berlawanan arah dengan arus elektron. Muatan listrik dapat
berpindah apabila terjadi beda potensial. Beda potensial dihasilkan oleh sumber listrik, misalnya
baterai atau akumulator. Setiap sumber listrik selalu mempunyai dua kutub, yaitu jutub positif (+)
dan kutub negatif (-).
Apabila kutub-kutub baterai dihubungkan dengan jalur penghantar yang kontinu kita dapatkan
rangkaian listrik tampak seperti gambar di bawah ini
Diagram rangkaiannya tampak seperti pada gambar di bawah ini
Arus listrik yang mengalir pada kawat tersebut didefinisikan sebagai jumlah total muatan yang
melewatinya per satuan waktu pada suatu titik. Maka arus listrik I dapat dirumuskan:
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
𝑞
𝐼=
∆𝑡
Keterangan:
I
= Kuat arus listrik yang mengalir (A)
q
= Jumlah muatan listrik (C)
∆𝑡
= Selang waktu (s)
Arus listrik diukur dalam coulomb per sekon dan diberi nama khusus yaitu ampere yang diambil
dari nama fisikawan Prancis bernama Andre Marie Ampere (1775-1836). Satu ampere
didefinisikan sebagai satu coulomb per sekon (1 A = 1 C/s). Satuan-satuan terkecil yang sering
digunakan adalah miliampere (1 mA = 10-3 A) atau mikroampere (1μA = 10-6 A). Alat untuk
mengukur kuat arus listrik dinamakan amperemeter (disingkat ammeter).
Besar atau kecilnya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar tiap sekon disebut kuat
arus listrik. Kuat arus listrik dapat diukur dengan menggunakan alat yang dinamakan
amperemeter. Amperemeter disusun secara berurutan (seri) dalam rangkaian listrik, seperti
ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Cara membaca skala pada amperemeter adalah sebagai berikut, setelah ampere meter terpasang
pada rangkaian dan skalar ditutup maka arus listrik mengalir dan jarum amperemeter menunjuk
angka tertentu sesuai dengan besar arus yang terukur.
Arus listrik dianggap sebagai aliran muatan positif, walaupun sebenarnya muatan positif tidak
dapat bergerak. Seperti yang telah di jelaskan sebelumnya bahwa arus listrik bergerak dari
potensial tinggi menuju potensial rendah, atau dari kutub positif (anoda) menuju kutub negatif
(katoda)
Selanjutnya pada penampang konduktor, kuat arus listrik dapat didefinisikan sebagai jumlah
muatan listrik yang menembus penampang konduktor tiap satuan waktu. Secara matematis dapat
ditulis sebagai:
𝐼=
𝑄
=𝑛𝑒𝑣𝐴
𝑡
Keterangan:
I
= Kuat arus listrik
Q
= Muatan listrik
n
= Jumlah elektron/volume
v
= Kecepatan elektron
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
Jika Anda memperhatikan dengan teliti bagian dalam kabel listrik yang berupa serabut (terdiri
atas beberapa kawat kecil), kawat, atau bahkan lilitan kawat besar (digunakan pada tiang-tiang
listrik). Pada prinsipnya, kuat arus hanya dipengaruhi oleh sumber arus, jadi bentuk penampang
kabel akan mempengaruhi rapat arus yang mengalir.
2. Rapat Arus
Rapat arus adalah aliran muatan pada suatu luas penampang tertentu di suatu titik penghantar.
Dalam Sistem Internasonal (SI) rapat arus memiliki satuan Ampere per meter persegi (A/m2).
Atau dengan kata lain rapat arus adalah kuat arus per satuan luas penampang. Secara matematis
ditulis:
𝐽=
𝐼
=𝑛𝑒𝑣
𝐴
Keterangan:
J
= Rapat arus (J) atau (A/m2)
I
= Kuat arus listrik (A)
A
= Luas penampang yang dilalui arus (m2)
e
= Muatan 1 elektron = 1,6 × 10-19
Dalam pengertian lain yang lebih sederhana, rapat arus didefinisikan sebagai kuat arus yang
mengalir pada suatu penghantar tiap satu satuan luas. Secara matematis dapat ditulis:
𝐽=
𝐼
𝐴
3. Sifat Kelistrikan Bahan (konduktor, isolator, dan semikonduktor)
a. Konduktor
Konduktor adalah suatu bahan atau zat yang bisa menghantarkan listrik atau panas (kalor)
dengan baik. Contoh bahan konduktor di dapur adalah wajan dari alumunium dan berbagai
alat dari besi. Contoh konduktor pada alat-alat listrik adalah tembaga. Kabel listrik memakai
tembaga dikarenakan logam tembaga sangat mudah menghantarkan listrik dan mempunyai
hambatan atau sesistensi yang kecil sehingga arus listrik dapat mengalir dengan baik. Bahan
lainnya yang termasuk konduktor adalah baja, besi, tembaga, kuningan, perak, emas.
b. Isolator
Isolator merupakan suatu zat atau bahan yang tidak bisa menghantarkan panas maupun listrik.
Contoh isolator yang dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari adalah gagang pemegang
panci yang dilapisi dengan plastik agar tidak panas pada saat kita memegangnya. Contoh lain
pada listrik adalah kabel dilapisi dengan bahan karet sehingga kita tidak tersengat listrik.
Contoh bahan isolator adalah plastik, karet, dan kayu.
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
Anda perlu hati-hati dengan knalpot motor tanpa pelindung, karena knalpot tersebut terbuat
dari bahan campurang besi dan alumunium. Knalpot dapat panas karena knalpot termasuk
dalam konduktor yang baik.
c. Semikonduktor
Ada beberapa bahan yang berperilaku antara konduktor dan isolator, bahan-bahan ini disebut
semikonduktor. Semikonduktor penting dalam elektronik seperti komputer dan ponsel, karena
konduktivitas mereka dapat dikontrol sehingga memungkinkan untuk arus mengalir hanya
dalam satu arah atau hanya dalam keadaan tertentu. Semikonduktor yang sering digunakan
dalam elektronik saat ini adalah silikon.
Silikon biasa digunakan untuk membuat komponen elektronika seperti transistor dan IC.
Ada beberapa fakta menarik tentang konduktor listrik dan isolator dalam kehidupan sehari-hari,
antara lain:
 Kebanyakan konduktor listrik yang baik juga merupakan konduktor panas yang baik.
 Suhu dapat memainkan peran penting dalam konduktansi material. Secara umum, semakin
tinggi suhu maka semakin rendah konduktivitas, resistensi meningkat seiring dengan
kenaikan suhu.
 Aluminium memiliki konduktivitas dari tembaga, tetapi kadang-kadang digunakan dalam
kabel karena biayanya lebih rendah.
4. Alat Ukur Listrik
a. Voltmeter
Voltmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial listrik. Voltmeter
biasanya disusun secara paralel (sejajar) dengan sumber tegangan atau peralataan listrik. Cara
memasang voltmeter adalah dengan menghubungkan ujung sumber tegangan yang memiliki
potensial lebih tinggi (kutub positif) harus dihubungkan ke terminal positif voltmeter,dan
ujung sumber tegangan yang memiliki potensial lebih rendah (kutub negatif) harus
dihubungkan ke terminal negatif voltmeter. Biasanya voltmeter digunakan untuk mengukur
sumber tegangan seperti baterai, elemen Volta, atau aki. Salah satu contoh voltmeter dan cara
menghubungkannya ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
b. Amperemeter
Amperemeter ialah alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik baik untuk arus DC
maupun AC yang terdapat dalam rangkaian tertutup. Amperemeter biasa dipasang berderet
dengan elemen listrik. Jika Anda akan mengukur arus yang mengalir pada sebuah penghantar
dengan memakai Amperemeter, maka wajib Anda pasang secara seri dengan cara memotong
penghantar agar arus mengalir melalui Amperemeter. Salah satu contoh amperemeter
ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.
c. Multimeter
Multimeter adadalah alat pengukur listrik yang sering dikenal sebagai VOM (volt-Ohm meter)
yang dapat mengukur tegangan (voltmeter), hambatan (Ohm-meter), maupun arus
(amperemeter). Ada dua kategori multimeter, yaitu multimeter digital atau DDM (digital
multi-meter) dan multimeter analog. Multimeter analog lebih sering digunakan dalam
kehidupan sehari-hari, seperti para tukang servis TV atau komputer kebanyakan
menggunakan multimeter analog. Kelebihan dari multimeter analog adalah mudah dalam
pembacaannya dengan tampilan yang lebih simpel. Sedangkan kekurangannya adalah
akurasinya rendah, jadi untuk pengkuran yang memerlukan ketelitian yang tinggi sebaiknya
menggunakan multimeter digital. Multimeter analog dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Selanjutnya multimeter digital memiliki akurasi yang lebih tinggi dan kegunaan yang lebih
banyak jika dibandingkan dengan multimeter analog. Yaitu memiliki tambahan-tambahan
satuan yang lebih teliti dan juga opsi pengukuran yang lebih banyak. Tidak terbatas pada
ampere, volt, dan ohm saja. Mutimeter digital biasanya dipakai pada penelitian atau kerjaMutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
kerja mengukur yang memerlukan kecermatan tinggi, tetapi saat sekarang juga sudah banyak
bangkel-bengkel komputer dan servis center yang memakai multimeter digital. Kekurangan
dari multimeter digital adalah susah untuk memonitor tegangan yang tidak stabil. Jadi bila
melakukan pada tegangan yang bergerak naik-turun, sebaiknya menggunakan multimeter
analog. Multimeter digital dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
5. Hukum OHM
Baterai merupakan sumber tegangan, sedangkan lampu mempunyai hambatan dan menyala
karena adanya arus listrik. Peristiwa di atas membuktikan adanya hubungan kuat arus, tegangan,
dan hambatan. Menurut George Simon Ohm, tegangan pada sebuah hambatan berbanding lurus
dengan kuat arus untuk suhu konstan. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Ohm, secara
matematis dapat ditulis:
𝑉 = 𝐼𝑅
Keterangan:
V
= Tegangan (V)
I
= Kuat Arus (A)
R
= Hambatan (Ohm)
6. Hukum Kirchoff
a. Hukum I Kirchoff
Ilmuwan yang menyelidiki besar arus yang melewati suatu percabangan adalah Gustav Robert
Kirchoff. Perhatiakna gambar di bawah ini.
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
Pada percabangan tersebut, besar 𝐼1 sama dengan besar 𝐼2 ditambah besar 𝐼3 . Ini merupakan
contoh penerapan Hukum I Kirchoff yang menyatakan “Jumlah kuat arus listrik yang masuk
ke suatu simpul (titik percabangan) sama dengan jumlah arus listrik yang keluar dari titik
simpul tersebut”. Hukum I Kirchoff secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:
∑𝐼𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = ∑𝐼𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟
Contoh penerapan Hukum Kirchoff dapat dipelajari melalui gambar di bawah ini.
Kita telah sama-sama mengetahui bahwa pada rangkaian paralel yang terdiri dari beberapa
resistor, besar tegangan di setiap percabangan (simpul) sama besar. Atau dapat dituliskan:
𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝐶𝐷 = 𝑉𝐸𝐹 = 𝑉
Dengan menerapkan hukum Ohm, kita mendapatkan persamaan berikut:
𝐼1 𝑅1 = 𝐼2 𝑅2 = 𝐼3 𝑅3
Atau,
𝐼1 ∶ 𝐼2 ∶ 𝐼3 =
1
1
1
∶
∶
𝑅1 𝑅2 𝑅3
Persamaan ini memberikan pengertian bahwa besarnya arus yang melewati percabangan
bergantung dari besar hambatan yang terdapat pada percabangan tersebut. Semakin besar
hambatan, semakin kecil arus yang mengalir. Sebaliknya semakin kecil hambatan, semakin
besar arus yang mengalir.
b. Hukum II Kirchoff
Dengan menerapkan hukum Ohm dan Hukum I Kirchoff, kita dapat mencari besar arus dan
tegangan pada rangkaian dengan satu sumber tegangan. Namun bagaimanakah kita mencari
arus dan tegangan jika pada rangkaian terdapat lebih dari satu sumber tagangan? Perhatikan
gambar di bawah ini.
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
Kita dapat mencari besar arus dan tegangan pada resistor dengan menggunakan prinsip
Hukum II Kirchoff yang menyatakan “Pada rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak
listrik (E) dengan penurunan tegangan (IR) sama dengan nol”.
Hukum II Kirchoff dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
∑𝐸 + ∑𝐼𝑅 = 0
Keterangan:
E
= Gaya-gerak listrik (volt)
I
= Kuat arus (A)
R
= Hambatan (ohm)
Perhatikan kembali rangkaian pada gambar di atas. Rangkaian tersebut merupakan rangkaian
tertutup dengan loop tunggal (1 loop). Untuk menganalisis rangkaian tersebut, kita dapat
menggunakan Hukum II Kirchoff dengan mengikuti langkah berikut:
a. Memilih arah loop. Agar lebih mudah, arah loop dapat ditentukan searah dengan arah arus
yang berasal dari sumber tegangan yang paling besar dan mengabaikan arus dari sumber
tagangan yang kecil (ingat arah arus bermula dari kutub positif menuju kutub negatif)
b. Setelah arah loop ditentukan, perhatikan arah arus pada percabangan. Jika arah arus sama
dengan arah loop, penurunan tegangan (IR) bertanda positif. Namun, jika arah arus
berlawanan dengan arah loop, IR bertanda negatif.
c. Jika arah loop menjumpai kutub positif pada sumber tegangan lain, maka nilai E positif.
Namun, jika yang dijumpai lebih dulu adalah kutub negatif, maka E bertanda negatif.
Dengan mengikuti langkah di atas, mari kita analisis bersama rangkaian tersebut. Pada
rangkaian tersebut, jika 𝐸2 > 𝐸1 , kita dapat menentukan arah loop seperti gambar di bawah
ini (arah loop dari a-b-c-d-a):
Setelah menentukan arah loop, kita dapat menerapkan Hukum II Kirchoff sebagai berikut.
𝐼𝑅2 − 𝐸1 + 𝐼𝑅1 − 𝐸2 = 0
𝐼(𝑅1 + 𝑅2 ) = 𝐸1 + 𝐸2
Mutawafaq Haerunnazillah
Bahan Ajar
Jadi, kuat arus yang mengalir pada rangkaian tersebut adalah:
𝐼=
𝐸1 + 𝐸2
𝑅1 + 𝑅2
7. Aplikasi/ Contoh Arus Searah/ Arus listrik dalam Kehidupan Sehari-hari
 Lampu senter
 Motor listrik
 Lampu pijar
 Peleburan
Pemanasan kawat tidak hanya dipengaruhi oleh reaksi arus saja tetapi juga oleh luas
penampang kawat.
 Dari yang paling lemah adalah di dalam jaringan tubuh manusia hingga yang paling kuat
seperti yang terjadi pada petir.
Mutawafaq Haerunnazillah