Listrik Dinamis

RANGKAIAN ARUS LISTRIK SEARAH

1. Arus Listrik
 

Pada dasarnya rangkaian listrik dibedakan menjadi dua, yaitu rangkaian listrik terbuka dan rangkaian listrik tertutup. Rangkaian listrik terbuka adalah suatu rangkaian yang belum dihubungkan dengan sumber tegangan, sedangkan rangkaian listrik tertutup adalah suatu rangkaian yang sudah dihubungkan dengan sumber tegangan.

Pada rangkaian listrik tertutup, terjadi aliran muatan-muatan listrik. Aliran muatan listrik positif identik dengan aliran air. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah atau dari kutub (+) ke kutub (-).  Sedangkan muatan electron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi.

Perhatikan gambar di bawah ini !

Dua buah benda bermuatan masing-masing A dan B dihubungkan dengan sebuah penghantar. Bila potensial A lebih tinggi dari pada potensial B, maka arus akan mengalir dari A ke B. Arus ini mengalir dalam waktu yang sangat singkat. Setelah potensial A sama dengan potensial B maka arus berhenti mengalir.

2.Kuat Arus Listrik

Kuat arus listrik ialah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap detik melalui suatu penghantar. Simbol kuat arus adalah I. Satuan kuat arus listrik ialah Ampere yang diambil dari nama seorang ilmuwan Perancis yaitu : Andrey Marie Ampere (1775 � 1836). Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan yang mengalir melalui penampang konduktor tiap sekon.

3.Beda Potensial Listrik

Sumber tegangan listrik yaitu peralatan yang dapat menghasilkan beda potensial listrik secara terus menerus. Beda potensial listrik diukur dalam satuan volt (V).  Alat yang digunakan adalah volmeter. Beda potensial adalah Banyaknya energi listrik yang diperlukan untuk mengalirkan setiap muatan listrik dari ujung-ujung penghantar disebut beda potensial listrik atau tegangan listrik. Hubungan

antara energi listrik, muatan listrik, dan beda potensial listrik secara matematik dirumuskan :

V= W/ Q

V = Beda potensial listrik dalam volt (V)
W = energi listrik dalam joule (J)
Q = muatan listrik dalam coulomb (C).

arus listrik hanya akan terjadi dalam penghantar jika antara ujung-ujung penghantar terdapat beda potensial (tegangan listrik). Alat ukur beda potensial listrik adalah volmeter. Dalam rangkaian voltmeter dipasang paralel dengan hambatan (beban).

4.Hukum Ohm

Gambar George Simon Ohm

Hukum ohm mempelajari tentang hubungan kuat arus dengan beda potensial  ujung-ujung hambatan. George Simon Ohm (1787-1854), melalui eksperimennya menyimpulkan bahwa arus I pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial V yang diberikan ke ujung-ujung kawat penghantar tersebut: 

Besarnya arus yang mengalir pada kawat penghantar tidak hanya bergantung pada tegangan, tetapi juga pada hambatan yang dimiliki kawat terhadap aliran elektron. Kuat arus listrik berbanding terbalik dengan hambatan:

Makin besar hambatan ini, makin kecil arus untuk suatu tegangan V. Dengan demikian, arus I yang mengalir berbanding lurus dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar dan berbanding terbalik dengan hambatannya. Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Ohm, dan dinyatakan dengan

persamaan :

5.Hambatan Penghantar Listrik

Hambatan atau resistor suatu penghantar berguna untuk mengatur besarnya kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik. Dalam radio dan televisi, resistansi berguna untuk menjaga kuat arus dan tegangan pada nilai tertentu dengan tujuan agar komponen-komponen listrik lainnya dapat berfungsi dengan baik. Adapun model-model resistor seperti  tabel di bawah ini :

 Bila panjang kawat penghantar dinyatakan dengan huruf l, luas penampangnya dinyatakan dengan huruf A, maka untuk berbagai jenis penghantar, panjang dan penampang berbeda terdapat hubungan sebagai berikut.  Ternyata hambatan sepotong kawat penghantar adalah :

dengan ;

1. Sebanding dengan panjang kawat penghantar tersebut (l)
2. Berbanding terbalik dengan luas penampang kawat penghantar (A)
3. Bergantung kepada jenis bahan penghantar (r)

Dalam persamaan ini r disebut hambatan jenis kawat penghantar, yang besarnya bergantung kepada jenis bahan yang digunakan membuat kawat itu. dengan satuan;

sehingga satuan :

 Hambatan jenis setiap bahan berbeda-beda. Bahan yang mempunyai hambatan jenis besar memiliki hambatan yang besar pula, sehingga sulit menghantarkan arus listrik. Berdasarkan daya hantar listriknya (konduktivitas listrik), bahan dibedakan menjadi tiga, yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor.

 Konduktor adalah bahan yang mudah menghantarkan arus listrik. Bahan konduktor memiliki hambatan kecil karena hambatan jenisnya kecil. Bahan konduktor memiliki elektron pada kulit atom terluar yang gaya tariknya terhadap inti atom lemah. Dengan demikian, apabila ujung-ujung konduktor dihubungkan dengan tegangan kecil saja elektron akan bergerak bebas sehingga mendukung terjadinya aliran elektron (arus listrik) melalui konduktor. Contohnya: tembaga, perak, dan aluminium.

Isolator merupakan bahan yang sulit menghantarkan arus listrik. Bahan isolator memiliki hambatan besar karena hambatan jenisnya besar. Bahan isolator memiliki elektron-elektron pada kulit atom terluar yang gaya tariknya dengan inti atom sangat kuat. Apabila ujung-ujung isolator dihubungkan dengan  tegangan kecil, elektron terluarnya tidak sanggup melepaskan gaya ikat inti. Oleh karena itu, tidak ada elektron yang mengalir dalam isolator, sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melalui isolator. Contoh isolator antara lain : Plastik, kaca, karet busa termasuk   isolator.

Semikonduktor adalah bahan yang daya hantar listriknya berada di antara konduktor dan isolator. Semikonduktor memiliki elektron-elektron pada kulit terluar terikat kuat oleh gaya inti atom. Namun tidak sekuat seperti pada isolator. Bahan yang termasuk semikonduktor adalah karbon, silikon dan germanium. Karbon digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti resistor. Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen elektronika, seperti diode, transistor, dan IC (integrated circuit).

6.Susunan Seri hambatan listrik 

Pada susunan seri , jika satu komponen gagal atau rusak , maka komponen-komponen lain dalam rangkaian seri operasinya terputus. Manfaat susunan seri adalah sebagai pengaruh terhadap komponen lainnya, misalnya sekring atau pemutus daya yang selalu dipasang seri dengan rangkaian .

Empat prinsip susunan seri hambatan listrik :

1. Susunan seri bertujuan untuk memperbesar hambatan suatu rangkaian
2. Kuat arus yang melalui tiap hambatan sama, yaitu sama dengan kuat arus yang melalui hambatan pengganti serinya .  I₁ = I₂ = I₃ =....= I_seri
3. Tegangan pada ujung-ujung hambatan pengganti seri sama dengan jumlah tegangan pada ujung-ujung tiap hambatan. V_seri = V₁ + V₂ + V₃ +.....+ V_n
4. Susunan seri berfungsi sebagai pembagi tegangan , di mana tegangan pada ujung-ujung tiap hambatan sebanding dengan hambatannya. V₁ : V₂ : V₃ :....: Vseri = R₁ : R₂ : R₃....: R _seri

7.Susunan Paralel Hambatan listrik

Pada susunan parallel , jika salah satu komponen rusak/gagal, komponen-komponen lainnya tetap bekerja.

Empat prinsip susunan parallel hambatan listrik :

1. Susunan parallel bertujuan untuk memperkecil hambatan suatu rangkaian
2. Tegangan pada ujung-ujung tia hambatan sama , yaitu sama dengan tegangan pada ujung-ujung hambatan paralelnya. V₁ = V₂ = V₃.....= V _paralel
3. Kuat arus yang melalui hambatan pengganti parallel sama dengan jumlah kuat arus tiap-tiap hambatan.              I_pararel parallel = I₁ + I₂ + I₃ +......
4. Susunan parallel berfungsi sebagai pembagi arus , di mana kuat arus yang melalui tiap-tiap hambatan sebanding dengan kebalikan hambatannya.

I₁ : I₂ : I₃ :......: Iparalel =  

8.Hukum Ohm untuk Rangkaian tertutup
 

Suatu rangkaian arus yang sederhana, terdiri sebuah sumber tegangan, misalnya  baterai dan sebuah penghantar yang hambatannya R yang menghubungkan kutub-kutub baterai tersebut.

A.Rangkaian Tertutup dengan Satu Sumber Tegangan 

Di luar sumber tegangan, arus mengalir dari P ke  Q melalui hambatan yang besarnya  R ohm. Di dalam sumber tegangan, arus mengalir dari Q ke P melalui hambatan yang besarnya r ohm. Hambatan r ini disebut hambatan dalam. Kutub-kutub sumber tegangan sebelum mengalirkan arus disebut gaya gerak listrik (GGL) atau  emf = electromotiveforce, sedangkan kutub-kutub sumber tegangan selama megalirkan arus disebut beda potensial atau tegangan jepit. Bila arus I mengalir melalui rangkaian di atas, maka hambatan seluruhnya yang dilewati arus listrik adalah  R + r.

Kuat arus I yang mengalir dapat dituliskan sebagai berikut :

Pada setiap baterai, biasanya mengandung suatu hambatan karena kelajuan reaksi kimia yang berlangsung di dalam baterai akan membatasi jumlah arus yang dapat dihasilkan. Jadi jika tidak ada arus yang mengalir, biasanya tidak ada penurunan tegangan, tapi jika ada arus yang mengalir pada elemen tersebut, maka tegangan antara kutub-kutubnya akan berkurang.

Tegangan jepit ialah  beda potensial antara kutub-kutub sumber tegangan pada waktu sumber tegangan tersebut mengalirkan arus. Bisa juga diartikan, Tegangan jepit adalah beda potensial yang dapat ditemukan pada sumber tegangan antara kedua kutub positif dan negatif disaat sumber tegangan tersebut sudah terhubung antara kutub positif dan negatifnya terhadap tahanan dan sudah mengalirkan arus listrik.

Tegangan jepit pada gambar di atas ialah VPQ ,  dimana  

Contoh tegangan jepit

Dapat kita ambil contoh dalam praktek pengukuran tegangan pada batu baterai, dimana batu baterai tersebut sudah terhubung dalam rangkaian tertutup yaitu dihubungkan ke sebuah beban misalnya lampu pijar. Maka beda potensial yang terjadi antara kutub positif dan negatif pada baterai tersebut dapat dikatakan sebagai tegangan jepit. Hal ini dapat dilihat pada saat tegangan di ukur, ternyata besarnya tidak sama dengan saat baterai tidak digunakan untuk menyalakan lampu pijar. Jika sebelumnya baterai tersebut memiliki tegangan 4,5 volt, maka pada saat sudah terhubung dengan rangkaian maka tegangan jepitnya sebesar 4,2 volt.

B.Rangkaian Tertutup dengan Beberapa Sumber Tegangan Disusun Seri 

Beberapa sumber tegangan dapat dihubungkan secara seri, yaitu kutub positif sumber yang pertama dihubungkan dengan kutub negatif sumber yang berikutnya.
Bila ada n buah sumber tegangan yang tiap-tiap ggl nya adalah : volt dihubungkan secara seri, maka ggl seluruhnya adalah  n x   volt. Dan bila hambatan dalam masing-masing sumber adalah r, maka hambatan dalam seluruhnya sama dengan n x r ohm. Kalau n buah sumber tersebut dihubungkan oleh hambatan luar sebesar R, maka kuat arus yang mengalir sama dengan :

C.Rangkaian Tertutup dengan Beberapa Sumber Tegangan Disusun Paralel 

Apabila n buah sumber tegangan tersebut dihubungkan secara paralel, maka ggl susunannya juga volt. (lihat gambar di samping ini dan apabila hambatan dalam tiap sumber = r ohm,

maka hambatan dalam n sumber sama dengan

Sekarang bila kutub-kutub susunan tersebut dihubungkan oleh sebuah hambatan yang besarnya R, maka kuat arus yang mengalir adalah :

Untuk rangkaian parallel berlaku :

Untuk n sumber tegangan identik dengan ggl dan hambatan dalam tiap sumber tegangan adalah r, maka :

D.Rangkaian Tertutup dengan Beberapa Sumber Tegangan Disusun Campuran Seri dan Paralel

Bila beberapa elemen (n buah elemen) yang masing-masing mempunyai GGL e  dan tahanan dalam r disusun secara seri, sedangkan berapa elemen (m buah elemen) yang terjadi karena hubungan seri tadi dihubungkan paralel lagi, maka kuat arus yang timbul adalah :

Contoh Soal

Contoh Soal 1

Terdapat arus listrik sebesar 5 A yang mengalir melalui sebuah kawat penghantar selama 1,5 menit.

Hitunglah berapa banyak muatan listrik yang melewatu kawat tersebut!.

Penyelesaian:

Diketahui:
I = 5 A
t = 1,5 menit = 90 detik

Ditanya Q = …?

Jawaban:

Q= I.t
= (5A) (90 s)
= 450 C
Maka didapat bahwa banyaknya muatan arus listrik melalui sebuah kawat yaitu 450 Coulomb

Contoh Soal 2

Sebuah arus listrik yang melewati sebuah hambatan dalam suatu rangkaian dengan besar arus listrik adalah 4,0 ampere dan dalam kurun waktu 10 sekon,
Berapakah besar muatan listrik nya ?
Penyelesaian
Diketahui
I = 4,0 ampere
t = 10 sekon
Berapakah besar muatan listrik nya ?
Jawab
Rumus nya adalah I = Q/t
4,0 ampere = Q/10 sekon
= 4,0 ampere x 10 sekon
Q = 40 C
Maka, besar muatan nya sebesar 40 C

Contoh Soal 3
Arus listrik 2 Ampere mengalir pada kawat penghantar dengan beda potensial nya yang di kedua ujung nya adalah 12 V.
Berapakah hambatan kawat itu ?
Hambatan pada kawat ?
Jawab
Rumusnya yaitu R = V/I
R = 12 V/2A
R = 6 Ω
Maka, besar hambatan kawat tersebut adalah 6 Ω