bab listrik dinamis - atophysics

1
BAB
LISTRIK DINAMIS
Listrik dinamis adalah pelajaran fisika mengenai listrik dengan memperhitungkan
situasi muatan yang bergerak.
11.1 Arus Listrik
Arus listrik adalah gerakan atau aliran muatan listrik. Pergerakan muatan ini terjadi
pada konduktor. Adapun pembawa muatan pada setiap jenis konduktor:
•
•
•
Logam , pembawa muatannya adalah electron-electron.
Gas, pembawa muatannya adalah ion positif dan electron.
Larutan, pembawa muatannya adalah ion positif dan ion negative.
Dalam hal timbulnya arus listrik dapat kita bayangkan bahwa arus listrik ibarat aliran
air yang melalui sebuah pipa. Aliran air ini bisa mengalir karena adanya pompa yang
memberikan energi atau tekanan terhadap air. Dengan pengertian yang sama, muatan listrik
dapat mengalir dalam suatu rangkain karena ada sumber energi (baterai, aki, dl). Akibatnya
muatan listrik akan dikenai suatu gaya, yaitu gaya gerak listrik (ggl) sehingga timbullah arus
listrik. Ggl ini disebut juga sumber tegangan yang menimbulkan beda potensial sehingga arus
listrik mengalir dalam suatu rangkaian listrik.
Arus listrik dapat terjadi karena muatan positif yang bergerak
ataupun muatan negative yang bergerak. Arah arus listrik adalah arah
aliran muatan positif.
Tips perihal arus listrik :
• Arus listrik adalah aliran muatan listrik
• Arah arus listrik (arus konvensional) sesuai dengan arah aliran muatan
positif,atau berlawanan arah dengan arah aliran muatan negative
• Arus listrik mengalir dari titik yang berpotensial tinggi ke titik yang
berpotensial rendah dalam rangkaian tertutup
http://atophysics.wordpress.com
2
Kuat arus listrik
Dalam suatu selang waktu ( t), muatan yang melewati penampang (A)
dalam gambar 11.3 adalah q sehingga kuat arus listrik (I) yang mengalir
dapat dinyatakan sebagai :
I=
∆q
∆t
Dengan q adalah banyaknya muatan yang mengalir untuk selang waktu t yang sangat kecil.
Untuk arus searah, jumlah muatan yang mengalir melalui penampang kawat/ konduktor
adalh konstan sehingga dapat dituliskan :
I=
q
t
Satuan arus listrik dalam SI adalah coloum per sekon (C/s). yang lebih dikenal Ampere
(A). besaran kuat arus I termasuk besaran pokok sedangkan muatan q dan waktu t adalah
besaran turunan.
Bila luas penampang yang dilewati arus sebesar A, maka rapat arus (J) dapat ditulis
menjadi :
J=
I
A
Rapat arus (J)didefinisikan sebagai besarnya kuat arus per satuan luas penampang
(ampere/m2).
11.2 Hukum Ohm dan Hambatan Listrik
11.2.1 Hukum Ohm
Suatu hasil percobaan pada table 5.1. Nilai kuat atus I dan tegangan V pada suatu
hambatan menghasilkan grafik seperti gambar 11.4
http://atophysics.wordpress.com
3
Grafik pada gambar 11.4 menunjukkan bahwa tegangan V berbanding lurus terhadap
kuat arus I. apabila hambatan tetap yang digunakan diganti dengan yang lain, kemiringan
(gradient) kurva akan berubah.akhirnya, dapat disimpulkan bahea jika kemiringan grafik disebut
hambatan, didapatlah hubungan:
V = IR → R =
V
I
Persamaan diatas dikenal sebagai hukum ohm, yang berbunyi :
Tegangan V pada hambatan yang memenuhi hukum ohm berbanding lurus terhadap kuat
arus I untuk suhu yang konstan
Sebagai penghormatan kepada georg simon ohm, maka satuan hambatan R (volt / ampere)
dinamakan ohm ( ).
Hukum ohm tidak merupakan pernyataan universal,tapi hanya
gambaran bagi sebagian materi tertentu yang mengikuti hukum ohm
(komponen ohmik). Nilai hambatan R pada komponen ohmik
konstan asal suhunya konstan. Materi yang tidak memenuhi hukum
ohm disebut komponen non-ohmik. Grafi I sebagai fungsi V untuk
komponen non-ohmik dapat dilihat gambar 11.5.
11.2.2 Hambatan Listrik
Resistor adalah suatu komponen dengan bahan konduktor yang dibuat sedemikian
sehingga mempunyai hambatab tertentu. Resistor dibuat dengan hambatan yang sangat beragam
nilainya untuk digunakan dalam rangkaian elektronika.
Berikut adalah rumus untuk hambatan :
R=ρ
•
•
•
•
l
A
R = hambatan ( )
= hambatan jenis ( .m)
l = panjang (m)
A = luas penampang (m2)
Selain faktor diatas faktor lain yang mempengaruhi hambatan adalah suhu.
Berdasarkan percobaan diketahui bahwa umumnya hambatan berbanding
lurus terhadap suhu t. Perhatikan gambar 11.7
http://atophysics.wordpress.com
4
Perubahan hambatan jenis sebanding dengan besar perubahan suhu ( t) :
∆ρ = ρ 0α∆t
Dari persamaan di atas, maka perubahan nilai hambatan akan mengikuti hubungan:
∆R = R0α∆t
Sehingga :
Rt = R0 (1 + α∆t )
Rt
R0
t
= hambatan pada suhu t0C,
= hambatan mula-mula,
= koefisie suhu hambatan jenis ( per 0C),
= perubahan suhu (0C)
Koefisien suhu hambatan jenis ( ) tergantung pada jenis bahan, namun pada bahan
tertentu hambatan jenis justru akan semakin kecil akibat kenaikan suhu. Pengurangan ini
dinyatakan dengan nilai yang negative seperti pada grafit dan bahan semikonduktor. Nilai
untuk beberapa jenis bahan dapat dilihat pada table dibawah ini
11.3 Rangkaian Listrik Arus Searah
11.3.1 Hukum I Kirchoff Tentang Arus Pada Titik Simpul
Dari percobaan pada gambar 11.8 didapatka bahwa A1 sama
dengan penjumlahan A2 dengan A3. Hal tersebut dikenal dengan hukum
I kirchoff yang berbunyi :
Jumlah kuat arus listrik yamg masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat
arus listrik yang keluar dari titik simpul tersebut.
http://atophysics.wordpress.com
5
Hukum I kirchoff tersebut adalah hukum kekekalan muatan listrik seperti tampak di
dalam analogi pada gambar 11.9. Hukum I kirchoff secara matematis dituliskan :
I masuk =
I keluar
11.3.2 Hubungan Seri dan Paralel untuk Resistor
Hubungan Seri
Dari gambar 11.10 pada hubungan seri berlaku hambatan (R) :
R gab = R1 + R2 + ... + Rn
Rangkaian seri sebagai pembagi tegangan
Penerapan hukum ohm (gbr 11.11)
V = I R1
dan
V = I(R1+R2)
Sehingga
V1 =
R1
×V
R1 +R2
Tips Hubungan seri :
• Bertujuan untuk memperbesar tegangan,
• Berfungsi sebagai pembagi tegangan,
V1 : V2 : V3 = R1 : R2 : R3
• Kuat arus yang melewati setiap hambatan adalah sama.
http://atophysics.wordpress.com
6
Hubungan Paralel
Dari gambar 11.12 pada hubungan paralel berlaku hambatan (R) :
1
1
1
1
=
+
+ ... +
R gab R1 R2
Rn
Sedangkan jika ada n resistor yang sama besar dihubungkan parallel :
R gab =
R
n
Tips hubungan parallel :
• Bertujuan untuk memperkecil muatan
• Berfungsi sebagai pembagi arus,
I1 : I 2 : I 3 =
•
1
1
1
+
+
R1 R 2 R3
Beda potensial setiap hambatan sama.
11.3.3 Hukum II Kirchoff tentang Tegangan pada Rangkaian Tertutup
Untuk menyederhanakan rangkaian yang rumit (gambar 11.13),dapat
digunakan Hukum II Kirchoff yang berbunyi :
Didalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik ( ) dengan
penurunan tegangan (IR) sama dengan nol.
Secara matematis dituliskan :
+ (IR) = 0
http://atophysics.wordpress.com
7
Aturan Hukum II Kirchoff :
1. Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah
tertentu. Pada dasarnya, pemilihan loop bebas, namun jika
memungkinkan usahakan searah dengan arus.
2. Jika pada suatu cabang, arah loop sama dengan arah arus, maka
penurunan tegangan (IR) bertanda positif, sedangkan bila berlawana
arah, maka penurunan tegangan (IR) bertanda negative.
3. Bila saat mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan lebih
dahulu dijumpai adalah kutub positif, maka ggl bertanda positif,
sebaliknya bila yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub negative,
maka ggl bertanda negative.
Beda potensial (tegangan) antara dua titik pada satu cabang
Tegangan antara dua titik (VAB = VA – VB) pada suatu cabang adalah jumlah aljabar gaya
gerak listrik ( ) dengan penurunan tegangan (I R). Secara matematis dituliskan :
VAB = VA - VB =
+ (IR)
11.3.4 Gaya Gerak Listrik dan Tegangan Jepit
Pada gambar 11.15 jika tidak ada arus yang mengalir (I =
0),tidak ada penurunan tegangan pada hambatan dalam r. Dengan
demikian, beda potensial antara terminal a dan b sama dengan ggl
listrik . Bila pada rangkaian mengalir arus listrik ( I ≠ 0 ), beda
potensial antara titik a dan b disebut tegangan jepit (Vjepit),
dirumuskan :
V jepit = ε − Ir = IR
Atau
I=
V jepit
R
=
ε
R+r
Tips arah arus listrik pada baterai :
• Jika arus listrik keluar dari kutub positif berarti baterai itu sedang dipakai.
• Sebaliknya jika arus masuk ke kutub positif suatu baterai berarti baterai itu sedang diisi.
http://atophysics.wordpress.com
8
Gabungan sumber tegangan
Untuk n buah sumber tegangan yang dihubungkan secara seri, sebuah sumber tegangan
pengganti memiliki ggl seri :
ε s = ε 1 + ε 2 + ... + ε n
Dengan hambatan pengganti seri :
rs = r1 + r2 + ... + rn
Untuk n buah sumber tegangan yang dihubungtkan secara parallel, ggl-nya tidak
berubah sehingga :
ε p = ε 1 = ε 2 = ... = ε n
Dengan hambatan dalam pengganti parallel :
I
1 1
1
= + + ... +
rp r1 r2
rn
11.4 Pengukuran Kuat Arus, Tegangan, dan Hambatan
11.4.1 Amperemeter
Amperemeter (ammeter) adalah alat ukur kuat arus
listrik. Untuk mengukur kuat arus yang mengalir dalam suatu
komponen, amperemeter disisipkan ke dalam rangkaian
sehingga berhubungan seri dengan komponen tersebut.
Idealnya hambatan amperemeter sama dengan nol.
Agar amperemeter dapat digunakan untuk mengukur
arus listrik yang lebih besar, haruslah dipasang suatu
hambatan yang parallel dengan amperemeter sehingga
kelebihan arus akan mengalir ke hambatan parallel yang
dinamakan hambatan shunt (Rsh). Gambar 11.21.
http://atophysics.wordpress.com
9
Kemampuan mengukur kuat arus pada amperemeter :
I = n× IA → n =
n
I
IA
I
IA
= pelipatan batas ukur maksimum,
= batas ukur maksimum baru,
= batas ukur maksimum yang lama.
Sedangkan pada hambatan shunt (Rsh) dirumuskan :
Rsh =
Rsh
RA
RA
(n − 1)
= hambatan shunt,
= hambatan dalam amperemeter.
11.4.2 Voltmeter
Voltmeter adalah alat pengukur beda potensial (tegangan)
antara dua titik. Untuk mengukur,beda potensial antara dua titik pada
suatu komponen, voltmeter dihubungkan secara parallel. Idealnya
hambatan voltmeter besar tak hingga.
Batas ukur volt meter dapat diperbesar dengan menambah
hambatan yang dipasang seri dengan voltmeter tersebut. Hambatan
yang dipasang ini dinamakan hambatan muka (Rm). Gambar 11.22.
Kemampuan mengukur tegangan voltmeter :
V = n × Vv → n =
n
V
VV
V
Vv
= pelipatan batas ukur maksimum,
= batas ukur maksimum baru,
= batas ukur maksimum lama.
Sedangkan rumus hambatan muka adalah
Rm = (n − 1)Rv
Rm
Rv
= hambatan muka,
= hambatan dalam voltmeter.
http://atophysics.wordpress.com
10
11.4.3 Pengukur Hambatan
ohmmeter dan multimeter
Pada gambar 11.23, karena ggl
diketahui dan arus diukur oleh
ammeter, maka hambatan dapat ditetukan. Meter yang digunakan untuk
keperluan ini dapat dikalibrasi untuk menunjukan hasilnya dalam ohm,
meskipun besaran yang sesungguhnya diukur adalah arus,alat ini disebut
ohmmeter. Fungsi voltmeter, ammeter, dan ohmmeter sering kali
dihubungkan menjadi suatu alat yang disebut multimeter.
Jembatan Wheatstone
Suatu metode yang sangat teliti untuk mengukur hambatan telah
ditemukan pada tahun 1843 oleh Charles Wheatstone, pengukuran itu
dilakukan dengan menggunakan suatu rangkaian yang dinamakan
jembatan Wheatstone.
Dalam metode ini (gambar 11.25) hambatan R1 dan R2 dibuat
tetap sedangkan hambatan Rs dapat dikalibrasi. Hambatan Rs diatur
besarnya sedemikian sehingga galvanometer menunjukkan angka nol
(tidak ada arus yang melaluinya), yang disebut keadaan seimbang. Pada
keadaan seimbang, titik P dan Q mempunyai potensial sama. Karenanya,
beda potensial untuk R1 sama dengan untuk Rs dan beda potensial untuk
R2 sama dengan untuk Rx. Dari pernyataan tersebut, menghasilkan
persamaan :
R1 R X = R2 RS
Dalam gambar 11.25, R1 besilangan dengan Rx, dan R2 bersilangan
dengan Rs, sehingga dapat dikatakan:
Pada rangkaian Jembatan Wheatstone yang seimbang (jarum galvanometer
menunjukkan angka nol), hasil kali hambatan yang saling bersilang adalah sama besar.
Pada rangkaian gambar 11.26. Kawat AC homogen dengan luas penampang yang serba
sama sehingga R1~l1 dan R2~l2 Setelah sakelar S dimasukkan, kontak geser D diatur sedemikian
sehingga galvanometer G tidak dilalui arus (rangkaian dalam keadaan seimbang). Sesuai dengan
prinsip jembatan Wheatstone, berlaku :
RX =
l2
RS
l1
http://atophysics.wordpress.com
11
Transvormasi DELTA-Y ( -Y)
Keadaan seimbang (galvanometer tidak dilalui oleh arus)
merupakan kondisi khusus untuk jembatan Wheatstone. Namun,
apabila rangkaian tidak dalam keadaan seimbang (galvanometer dilalui
arus) perhitungan menjadi lebih kompleks. Soal demikian harus
diselesaikan dengan penerapan hukum II kirchoff, atau akan menjadi
lebih sederhana jika digunakan transformasi -Y. Lihat gambar 11.28,
kasus tersebut dapat diselesaikan dengan menggunakan rumus :
Ra =
R1 =
R1 R3
R2 R3
R1 R2
; Rb =
; Rc =
R1 + R2 + R 3
R1 + R2 + R 3
R1 + R2 + R 3
Ra Rb + Rb Rc + Rc Ra
R R + Rb Rc + Rc Ra
R R + Rb Rc + Rc Ra
; R2 = a b
; R3 = a b
Rc
R
Rc
11.5 Energi dan daya Listrik
Pada gambar 11.29, muatan yang mengalir (q) karena adanya
beda potensial (V) pada konduktpr memberikan energi (W)
sebesar :
W = qV
Karena muatan listri q = It dan beda potensial V = IR ,persamaan diatas dapat ditulis :
W = VIt → W = I 2 Rt → W =
V2
t
R
Daya didefinisikan sebagai energi per satuan waktu. Secara matematis, daya listrik (P)
dituliskan :
P=
W
t
Daya listrik (P) dapat juga diperoleh dari hubungan :
P = VI = I 2 R =
V2
R
http://atophysics.wordpress.com
12
Untuk listrik yang konstan, besar daya listrik sebanding dengan kuadrat tegangan
ataupun kuadrat arus seperti tampak dalam kurva berikut.
Hubungan antara watt, joule, dan kilowatt-hour (kWh)
Dalam system satuan SI diperoleh bahwa :
1 watt = 1 joule per sekon
atau
1 joule = 1 watt . sekon
Untuk pemakaian listrik dalam jumlah besar, biasanya satuan energi listrik dinyatakan
dengan kilowatt-hour (kWh). Satu kWh adalah energi yang dihasilkan oleh daya 1 kW selama
satu jam sehingga :
1 kWh = 3,6 x 106 J
Alat untuk mengukur energi listri dinamakan kWh-meter, sedangkan alat untuk
mengukur daya listrik dinamakan watt meter. Selain itu, dapat pula digunakan gabungan dari
voltmeter dengan amperemeter yang penunjukan jarumnya langsung menyatakan ukuran daya
listrik, alat ini dinamakan dynamometer.
Pengertian data yang tertulis pada peralatan listrik
Peralatan listrik didesain sehingga mempunyai spesifikasi tertentu, misalnya 100W, 220
V. Ini berarti :”Daya listrik yang dipakai oleh alat tersebut tepat 100 W jika tegangan yang
diberikan kepada alat itu tepat 220 V.” Pada umumnya hambatan peralatan listrik dianggap
konstan sehingga dayanya sebanding dengan kuadrat tegangan sesuai dengan hubungan :
V
P2 = 2
V1
P2
P1
V2
V1
2
× P1
= daya sesungguhnya yang diserap peralatan
= daya tertulis pada spesifikasi peralatan
= tegangan sesungguhnya yang diberikan kepada hambatan
= tegangan tertulis pada spesifikasi peralatan
http://atophysics.wordpress.com
13
Untuk mendesain spesifikasi peralatan, salah satu parameter yang ditentukan adalah
hambatanya. Dengan demikian, didalam rangkaian listrik, peralatan diwakili oleh hambatanya
yang dapat ditentukan dari hubungan :
R=
R
V
P
V2
P
= hambatan pengganti peralatan listrik
= tegangan tertulis pada spesifikasi peralatan
= daya tertulis pada spesifikasi peralatan
11.6 Tegangan AC dan DC
Dalam suatu rangkaian listrik, gerak muatan listrik yaitu arus listrik, dibedakan menjadi
dua jenis, yaitu arus searah (DC = direct current) dan arus bolak-balik (AC = alternating
current). Perbedaan antara keduanya adalah pada arus DC, muatan listrik mengalir hanya dala
satu arah di setiap cabang rangkaian listrik. Besar arusnya bisa berubah, tapi arahnya selalu
dalam arah yang sama (tidak bisa berbalik arah). Dalam suatu rangkaian AC, muatan mengalir
dalam kabel pada satu arah untuk beberapa saat, kemudian berbalik arah untuk waktu yang lain.
Cara yang paling mudah utuk mengamati perbedaan antara arus
dan tegangan AC dan DC adalah dengan menggunakan osiloskop,
karena osioloskop dapat langsung menampilkan bentuk grafik arus
dan tegangan terhadap waktu. (gambar 11.32)
Tampak pada gambar 11.34 (a) bahwa betuk grafik tegangan DC tidak tergantung pada
waktu. Ini berarti tegangan DC selalu konstan. Hal ini berbeda pada gambar (b) untuk tegangan
AC. Tampak bahwa grafik pada tegangan AC merupakan garafik sinusoida. Ini berarti bahwa
nilai tegangan AC berubah-ubah terhadap waktu.
http://atophysics.wordpress.com
14
Jika kita amati betuk grafik tegangan AC (gbr 11.34b) maka nilai tegangan grafik, yaitu
titik puncak atas garafik bukan merupakan nilai tegangan efektif tegangan AC tersebut (atau
niali arus efektif untuk grafik arus AC). Nilai tegangan dan arus efektif dapat kita ukur lngsung
dengan voltmeter AC dan amperemeter AC. Sebagai contoh, tegangan AC 220 V yang biasa
dipakai di rumah kita merupakan nilai tegangan efektif. Adapun nilai tegangan efektif Vefektif
adalah :
Vefektif =
Vmaks
Vmaks
2
= nilai tegangan puncak
Kelebihan AC atas DC
Kelebihan utama listri AC atas listrik DC adalah kemudahannya untuk ditransmisikan
atau dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain. Tegangan AC dapat dengan mudah
dinaikkan atau diturunkan nilainya dengan trafo, sehingga lebih mudah disesuaikan dengan
keperluan.
Beberapa kelebihan lain listrik AC disbanding listrik DC, yaitu :
• Pembangkit daya listrik AC lebih sederhana, muaran, dan realistis.
• Listrik AC pada tegangan tinggi dapat dengan mudah dan cepat diputuskan (factor
keamanan), sedangkan listrik DC lebih susah.
• Motor AC dan peralatan-peralatan listrik lainnya didesain untuk listrik AC lebih
murah, sederhana, dan realistis.
Listrik di rumah kita dan sekring
Arus listrik masuk ke rumah kiata melalui kWh-meter dan
pembatas daya. Untuk pengamanan agar tidak terjadi kecelakaan
karena sengatan arus listrik ataupun kebakaran digunakan sekring.
Sekring terbuat dari kawat pendek dan tipis memiliki titik cair rendah
(gbr 11.36) kawat sekring akan cair dan putus jika dilalui kuat arus
yang melampaui batas tertentu. Dengan demikian, terputuslah aliran
listrik didalam rangkaian, dan listrik berhenti mengalir. Peristiwa ini
bisa terjadi pada waktu hubungan pendek (korsleting).
http://atophysics.wordpress.com