BAB I - USU Repository

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Energi Listrik
2.1.1
Arus Listrik
Benda terbentuk dari partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut
molekul yang terdiri dari atom-atom. Inti atom (nucleus) terbentuk dari sub atom
yang disebut proton dan neutron. Mengelilingi inti dan dalam keadaan yang terus
bergerak berputar elektron-elektron. Gaya tarik dan gravitasi yang dihasilkan oleh
proton dan elektron dikenal sebagai Muatan Listrik.
Beberapa jenis bahan ‘mengizinkan’ elektron-elektron untuk mengalir
melewatinya disebut sebagai konduktor (penghantar), sebagian elektron bebas
bergerak secara bebas dan sebarang atau berpindah dari atom ke atom. Jika di
samping gerakan ini
terdapat suatu aliran
atau gerakan elektron yang umum
sepanjang konduktor disebut arus listrik . Jadi arus listrik semata-mata adalah gerakan
elektron atau muatan negatif melalui sebuah konduktor .
Telah disepakati bahwa arah aliran ini dari positif ke negatif walaupun
sekarang ini telah dibuktikan secara aktual bahwa aliran listrik bergerak dari negatif
ke positif. Kecepatan aliran listrik dinyatakan dalam coulomb per sekon (C/s). Dalam
prakteknya istilah coulomb per sekon jarang digunakan, dan sebagai gantinya
digunakan amper (simbol A). Satu amper sama dengan gerakan listrik satu coulomb
melalui titik tertentu dalam satu sekon. Rumus untuk menghitung kuat arus adalah:
….( 2-1)
Universitas Sumatera Utara
ket :
I = Kuat arus (A)
Q = Banyak muatan listrik (Coulumb)
t = waktu dalam satuan detik
Gambar 1. Arus Listrik
2.1.2
Tahanan
Suatu penghantar memberikan suatu perlawanan terhadap aliran arus
listrik disebut tahanan. Dan setiap penghantar mempunyai nilai tahanan kecil atau
mempunyai daya hantar yang besar ini berarti mudah dilalui arus. Besar
daya
kemampuan penghantar arus ini disebut daya hantar arus. sedangkan penyekat atau
isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali atau
mempunyai daya hantar yang kecil ini berarti sukar dilalui arus listrik.
Untuk
menghitung besar tahanan listrik terhadap daya hantar arus adalah :
…(2-2)
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
R = Tahanan kawat dalam satuan ohm (Ω)
ℓ = Panjang kawat dalam satuan meter (m)
q = Penampang kawat dalam satuan mm2
= Tahanan jenis dalam satuan Ω mm2/m
2.1.3 Beda potensial / Tegangan
Perbedaan dalam tekanan listrik disebut beda potensial dan diukur dalam volt.
Satu volt (V) adalah perbedaan potensial yang menyebabkan satu ampere mengalir
melalui tahanan satu ohm. Jika dua buah benda mempunyai jumlah muatan yang
berbeda maka ada perbedaan potensial antara keduanya. Maka perbedaan potensial
semata-mata adalah perbedaan muatan listrik. Jika dua titik yang mempunyai
perbedaan potensial dihubungkan dengan konduktor, arus yang mengalir sepanjang
konduktor berusaha menyamakan perbedaan muatan pada kedua titik tersebut. Bila
kedua muatan disamakan,arus akan terhenti. Oleh sebab itu,jika arus akan
dipertahankan antara kedua titik, perbedaan potensial antara kedua tersebut harus
dipertahankan.
Perbedaan potensial menyebabkan arus mengalir dan gaya gerak listrik
(ggl) mempertahankan perbedaan potensial. Karena keduanya diukur dalam volt,
istilah umumnya tegangan (voltage) dengan rumus sebagai berikut:
V= I x R
…..(2-3)
Universitas Sumatera Utara
2.1.4
Berat dan Massa
Berat suatu benda adalah ukuran tarikan atau gaya tarik pada benda oleh
penggaruh gravitasi (gaya tarik) bumi.berarti berat benda akan berubah bergantung
pada letak dalam alam sesuai dengan gravitasi. Walaupun sebenarnya adalah ukuran
gaya gravitasi,tetapi satuan ukuran yang umumnya diterima adalah pon (USCS) dan
kilo gram ( SI).
Masa suatu benda didefinisikan sebagai kwantitas benda yang
dikandung di dalamnya. Masa biasanya ditentukan dengan membagi berat benda,yang
ditentukan dengan timbangan,dengan konstanta gravitasi g atau:
Massa
Dengan satuan dalam USCS adalah pon (lb) dan dalam SI adalah kilogram (Kg).
2.1.5
Gaya
Definisi gaya adalah sesuatu yang mengubah atau cenderung untuk mengubah
keadan diam atau gerakan benda. Satuan SI untuk gaya disebut newton (N) yang
merupakan sebagai gaya yang dikenakan pada massa satu kilogram (kg) akan
memberikan percepatan satu meter per sekon kuadrat.
Gaya yang kita gunakan untuk memindahkan benda tersebut selain tergantung
pada berat benda,juga tergantung pada besarnya gesekan. Dengan demikian dapat kita
simpulkan bahwa usaha itu berbanding lurus dengan gaya dan jarak. Untuk
menghitung usaha dapat digunakan rumus sebagai berikut:
W=KxS
…(2-4)
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
W = usaha (Kgm)
K = gaya (kg)
S = jarak ( m )
Untuk memindahkan elektron maka diperlukan usaha listrik:
Q=Ixt
…(2-5)
sehingga,
W= E x Q
atau
W=ExIxt
…(2-6)
Menurut Hukum Ohm dikatakan bahwa:
E=IxR
Sehingga
W=ExIxt
=IxRxIxt
= I2 Rt
2.1.6
…(2-7)
Kerja
Kerja
dilakukan
jika
gaya
mengatasi
tahanan/hambatan.
Dari
segi
mekanis,kerja diukur dengan perkalian gaya dan jarak yang ditempuh. Jika gaya 1 pon
bekerja melalui jarak 1 kaki,berarti dilakukan kerja sebesar 1 pon-kaki (foot-pound).
Kerja = gaya x jarak
Universitas Sumatera Utara
Dalam satuan SI ,satuan kerja adalah joule (J), yang didefinisikan sebagai
kerja yang dilakukan jika gaya satu newton dikerahkan melalui jarak satu meter.
Kerja tidak dilakukan jika tidak mengatasi tahanan. Pondasi bangunan mengarahakan
gaya yang besar menahan bangunannya, tetapi karena tidak melibatkan gerak atau
mengatasi tahanan,berarti tidak ada kerja yang dilakukan.
2.1.7
Energi
Energi adalah kemampuan melakukan kerja;energi adalah kerja tersimpan. Air
yang tersimpan dalam bendungan juga mempunyai energi karena ia dapat digunakan
untuk menjalankan generator turbin agar dapat menghasilkan listrik.
Karena energi adalah kerja tersimpan,energi dikeluarkan jika kerja dilakukan.
Kenyataan bahwa dilakukan kerja 10.000 pon- kaki untuk menaikkan benda 1000 pon
setinggi 10 kaki yang berarti energi 10.000 pon- kaki harus dikeluarkan untuk
menaikkan benda. Jadi satuan energi dan kerja adalah sama yaitu Joule.
Sesuai dengan prinsip tentang konversi energi,energi dapat diubah tetapi tidak
dapat diciptakan maupun dimusnahkan sehingga energi dapat berada dalam berbagai
bentuk : mekanis,listrik,kimia,kalor,dan cahaya.
2.1.8
Daya
Satuan daya Listrik adalah watt . Dalam satuan SI ,satu watt disefinisikan
sebagai suatu yang sama dengan kerja yang dilakukan pada laju satu joule setiap
sekon. Watt juga merupakan energi yang dikeluarkan atau kerja yang dilakukan setiap
sekon oleh arus 1 A yang tidak berubah yang mengalir pada tegangan 1 volt, atau
P=VI
…(2-8)
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
P= daya, watt
I= arus,amper
V= tegangan,volt.
Jika arus dan tegangan merupakan fungsi siklus,maka daya rata-rata (P) untuk
suatu periode siklus tersebut dapat ditentukan besarnya dengan rumus
P
…(2-9)
Dengan ;
P = daya rata-rata dalam watt
T= periode dari siklus dalam detik
Tegangan dan arus fungsi sinus dinyatakan sebagai
V(t) = Vm cos ωt
i(t) = Im cos (ωt – φ )
maka persamaan daya menjadi:
p(t) =Vm Im cos ωt cos (ωt – φ )
p(t) = Vm Im
[ cos (ωt – ωt + φ ) + cos (ωt + ωt – φ)
p(t) = Vm Im cos φ + Vm Im cos( 2ωt – φ)
Harga rata-rata dari fungsi sinusoid yang berubah terdapat waktu untuk satu
periode adalah sama dengan nol. Sehingga dari persamaan p(t) hanya terdapat bentuk
Vm Im cos
yang tidak tergantung terhadap waktu. Maka bentuknya menjadi :
Universitas Sumatera Utara
P = Vm Im cos φ
= VI cos φ ….(watt)
Daya nyata ini yang diukur
…(2-10)
Wattmeter dalam konsumsi energi listrik di
pelanggan. Dan dari rumus diatas diperoleh:
…(2-11)
Dimana cos φ ini disebut sebagai faktor daya yang tidak mungkin lebih besar
dari 1 (satu) . Sebagai mana telah diketahui bahwa daya rata-rata pada rangkaian L
murni adalah nol,maka dengan demikian bahwa daya : P= VI Cos φ , ini adalah
merupakan daya yang diserap oleh tahanan R,karena pada tahanan R, arus sephasa
dengan tegangan maka sudut φ = 0 : maka daya : P = VI Cos φ ,diatas dapat dituliskan
dengan bentuk :
P= V I COS φ = V I COS (0) = V I = I R I atau : P =
’ R yang dapat
dilihat dari diagram phasor yang dikenal dengan segitiga daya:

V.I disebut daya semu
V.I.Cos φ disebut daya aktif / nyata 
V.I.sin φ disebut daya reaktif
S

Volt Amper (VA)
P

(Watt)
 Volt Ampere Reaktif ( VAR)
P = I cos φ ( watt)
φ
Q = VI sin φ (VAR)
S= V.A ( VA)
Dari daya rata-rata/nyata, untuk daya dan tegangan yang tetap maka arus
tergantung dari besar / kecilnya faktor daya.
Universitas Sumatera Utara
2.1.9
Kerja Listrik dan Energi
Daya mekanis adalah ukuran kecepatan kerja yang dilakukan atau kecepatan
energi yang dikeluarkan sehingga:
…(2-12)
Setiap peralatan listrik mempunyai keterangan besar daya yang dikonsumsi
dalam watt,tetapi lebih tepatnya satuan energi pada peralatan tersebut adalah joule
karena Watt hanya memberi keterangan berapa Joule energi yang dikonsumsinya per
detik, sedangkan kebanyakan alat rumah tangga menggunakan listrik dengan pola
beban yang berubah-ubah sepanjang hari. Informasi mengenai satu detik tidak cukup
untuk menentukan apakah alat itu efisien energi atau tidak.
Yang lebih penting adalah mengetahui berapa konsumsinya dalam skala
Joule per jam atau per hari, atau bahkan per tahun. Kita asumsikan lemari es 70W
mempunyai kompresor yang menyala 3.000 detik per jam, berarti lemari es itu
mengkonsumsi 70 x 3000 x 24 = 5.040.000 Joule per hari ( = 5 MJ per hari). Bisa saja
lemari es 100W menggunakan sebuah kompresor yang lebih efisien, dimana hanya
menyala selama 1.000 detik per jam, berarti lemari es ini hanya mengkonsumsi 100 x
1000 x 24 = 2.400.000 Joule per hari ( = 2,4 MJ per hari).
Keterangan Watt alat listrik itu tidak memastikan jumlah energi yang
dikonsumsi, dalam contoh tadi lemari es 100W ternyata bisa mengkonsumsi hanya
sekitar setengahnya energi yang dikonsumsi lemari es 70W. Ini berarti pelanggan bisa
Universitas Sumatera Utara
tertipu sebagai konsumen yang mementingkan energi, bila hanya fokus ke angka Watt
yang rendah.
Dan sebaiknya yang tertera di semua peralatan yang mengkonsumsi energi
adalah berapa kJ atau MJ ia mengkonsumsi tiap jam, hari atau tahun, atau satuan skala
hasil lainnya. Lampu dan TV biasanya dipakai dalam basis per jam, jadi perlu dilabel
dalam MJ atau kJ per jam,misalnya 3 MJ/ hari. Lemari es umumnya terus-menerus
dipakai per hari atau per bulan, jadi sebaiknya dilabel berapa MJ dikonsumsinya per
hari atau per bulan.Dan yang perlu kita tahu adalah Energi dan Arus listrik untuk
menentukan apakah instalasi kabel listrik kita dapat menanggung beban arus listrik
yang dibutuhkannya.
Sehingga untuk pengukuran energinya:
KWh = kilo x Watt x hour
Kilo = 1.000
Watt = Joule / detik
Hour = 3.600 detik
Dan pengkuran energi yang kita gunakan adalah:
Daya x waktu = energi
Watt x jam = Wattjam
Wattjam ( watthour) merupakan energi yang dikeluarkan jika 1 watt
digunakan selama 1 jam. Wattjam relatif merupakan satuan yang kecil, kilowattjam
sama dengan 1000 jam. Sehingga:
Energi dalam kWh =
watt x jam
1000
Universitas Sumatera Utara
2.2
Alat ukur Daya Listrik dan Energi.
Energi listrik diukur dengan menggunakan watthour meter. Ini adalah tipe
meter yang dikenal yang digunakan dirumah untuk menentukan rekening listrik
bulanan. Hubungan dari watthourmeter sama dengan wattmeter, elemen arus
dihubungkan secara seri dan elemen potensial yang dihubungkan paralel dengan
rangkaian. Tetapi watthour meter mempunyai elemen pemutar yang kepesatan
berbanding lurus dengan daya yang digunakan dengan besar kopel putar sebagai
berikut:
K = C . E . I cos φ
…( 2-13)
Jika putaran piringan tersebut sudah dalam keadaan setimbang,maka piringan
akan berputar dengan kecepatan yang tetap setiap perdetiknya, jadi jumlah
putaran/detik = E I cos φ × detik .Maka:
E × I × cos φ × detik
Watt × detik = jumlah kerja listrik ( kWh)
Banyaknya energi dalam kilowatt, yang digunakan selama periode tertentu
adalah pembacaan piringan pada akhir periode dikurangi dengan pembacaan piringan
pada awal periode.
Gambar 2. (a) Rangka dalam kWh meter,(b) kWh meter 1 fasa dan (c) kWh meter 3
fasa
Universitas Sumatera Utara
Mengingat kepesatan elemen putar sebanding dengan daya,maka setiap
putaran menyatakan besarnya energi tertentu. Alat pencatat ( register) dihubungkan
dengan elemen putar melalui roda gigi dan pembacaannya menunjukkan energi yang
digunakan selama periode waktu tertentu. Pencatatan di tera langsung dalam
kilowattjam. Hubungan alat ukur wattjam satu fase yaitu kumparan tegangan
dihubungkan secara paralel dan kumparan arus dihubungkan secara seri dengan
rangkaian yang energinya akan diukur.
Gambar 2-c diatas adalah gambar kWh meter 3 fasa yang mengukur jumlah
usaha listrik pada jaringan saluran 4 dengan menggunakan metode watt meter tiga
yang dirangkai tiga gulungan untuk aliran ,tiga gulungan tegangan dan tiga piringan
yang berputar pada satu poros dan satu pasang roda untuk menghitung.
Roda-roda tersebut langsung menunjukan jumlah usaha kerja listrik yang
diukur oleh tiap-tiap piringan.
2.3
Konversi Energi Listrik
Kebutuhan manusia akan energi listrik sangat banyak. Banyaknya
pekerjaan untuk memenuhi kebutuhan memerlukan perubahan energi listrik. Energi
listrik diubah menjadi energi gerak, energi bunyi,energi panas, dan energi cahaya.
1. Konversi energi listrik menjadi energi gerak
Alat yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak pada umumnya
menggunakan motor listrik. Pada motor listrik, arus listrik mengalir melalui
kumparan, untuk menimbulkan medan magnet, sehingga as motor berputar.putaran as
motor inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakan kipas angin, bor listrik, belender,
mobil – mobilan, dan alat lain.
Universitas Sumatera Utara
2. Konversi energi listrik menjadi energi bunyi
Energi listrik diubah menjadi energi bunyi. Misalnya, pada tape recorder,
sirine, televisi, serta amplifier. Pada radio, energi listrik digunakan untuk mengubah
gelombang magnet listrik (electromagnet) yang ditangkap oleh antena radio menjadi
energi bunyi. Energi bunyi yang dihasilkan kemudian diperkuat dan dikerluarkan
melalui speaker.
3. Konversi energi listrik menjadi energi panas
Energi listrik dapat di ubah menjadi energi panas. Alat – alat yang
memanfaatkan energi listrik untuk menghasilkan panas antara lain seterika listrik,
kompor listrik, solder, dan penanak nasi ( rice cooker).
Alat yang mengubah energi listrik menjadi energi panas di lengkapi dengan
elemen pemanas. Listrik yang mengalir melalaui elemen pemanas di ubah menjadi
energi panas.Elemen pemanas terbuat dari bahan yang mempuyai tahanan tinggi,
sehingga listrik yang mengalirmelalui bahan tersebut berubah menjadi panas. Panas
juga di sebut kalor.
4. Konversi energi listrik menjadi cahaya.
Bila suatu tegangan dihubungkan antara ujung-ujung sebuah kawat,arus akan
berbanding terbalik dengan tahanan kawat tersebut. Pengurangan tahanan kawat
berarti bertambahnya arus yang mengalir melaluinya,akan menyebabkan kawat
tersebut menjadi merah pijar dan akhirnya putih panas,mengeluarkan radiasi
menyebar sekeliling spectrum yang dapat dilihat. Sekarang ini kawat dipanasi sampai
pijar dan dinamakan lampu pijar
Universitas Sumatera Utara