Pengertian dan Contoh Soal Arus listrik, tegangan dan Daya pada rangkaian arus searah (DC)

Pengertian Arus Listrik

Arus listrik terjadi karena adanya aliran elektron dimana setiap elektron mempunyai muatan yang besarnya sama. Jika kita mempunyai benda bermuatan negatif berarti benda tersebut mempunyai kelebihan elektron. Derajat termuatnya benda tersebut diukur dengan jumlah kelebihan elektron yang ada. Muatan sebuah elektron, sering dinyatakan dengan simbul q atau e, dinyatakan dengan satuan coulomb, yaitu sebesar

Misalkan kita mempunyai sepotong kawat tembaga yang biasanya digunakan sebagai penghantar listrik dengan alasan harganya relatif murah, kuat dan tahan terhadap korosi. Besarnya hantaran pada kawat tersebut hanya tergantung pada adanya elektron bebas (dari elektron valensi), karena muatan inti dan elektron pada lintasan dalam terikat erat pada struktur kristal. Pada dasarnya dalam kawat penghantar terdapat aliran elektron dalam jumlah yang sangat besar, jika jumlah elektron yang bergerak ke kanan dan ke kiri sama besar maka seolah-olah tidak terjadi apa-apa. Namun jika ujung sebelah kanan kawat menarik elektron sedangkan ujung sebelah kiri melepaskannya maka akan terjadi aliran
elektron ke kanan (tapi ingat, dalam hal ini disepakati bahwa arah arus ke kiri). Aliran elektron inilah yang selanjutnya disebut Arus listrik.
Besarnya arus listrik diukur dengan satuan banyaknya elektron per detik, namun demikian ini bukan satuan yang praktis karena harganya terlalu kecil. Satuan yang dipakai adalah ampere, dimana

i= dq/dt
1 ampere = 1coulomb/det.

Contoh di bawah ini menggambarkan besarnya arus listrik untuk beberapa
peralatan:
Stasiun pembangkit ………………. 1000 A
Starter mobil ………………………..…. 100 A
Bola larnpu …………………………………. 1 A
Radio kecil ……………………………….. 10 mA
Jam tangan ………………………………… 1 mA

Kita dapat mengingat bahwa: Apa yang kita sebut ‘listrik’ sebenarnya adalah ‘aliran elektron’ pada logam penghantar listrik ataupun media penghantar lainnya. Sedangkan pemahaman dari ‘energi listrik’ dapat dianalogikan seperti halnya ‘energi yang dihasilkan dari pergerakan molekul air’ untuk memutar kincir air.

Oleh karenanya, kita mengenal istilah untuk mendefinisikan pergerakan air, yang kita sebut sebagai ‘Arus air’. Sementara, pergerakan elektron pada logam penghantar, kita definisikan sebagai ‘Arus listrik’ yang satuannya adalah ‘jumlah elektron yang mengalir’ dalam ‘satuan waktu tertentu’ (coulomb / detik = Ampere).

Pengertian Tegangan

Akan mudah menganalogikan aliran listrik dengan aliran air. Misalkan kita
mempunyai 2 tabung yang dihubungkan dengan pipa seperti pada gambar berikut di bawah. kedua tabung ditaruh di atas meja maka permukaan air pada kedua tabung akan sama dan dalam hal ini tidak ada aliran air dalam pipa. Jika salah satu tabung diangkat maka dengan sendirinya air akan mengalir dari tabung tersebut ke tabung yang lebih rendah.
Makin tinggi tabung diangkat makin deras aliran air yang melalui pipa.

Terjadinya aliran tersebut dapat dipahami dengan konsep energi potensial.
Tingginya tabung menunjukkan besarnya energi potensial yang dimiliki. Yang paling penting dalam hal ini adalah perbedaan tinggi kedua tabung yang sekaligus menentukan besarnya perbedaan potensial. Jadi semakin besar perbedaan potensialnya semakin deras aliran air dalam pipa.

Konsep yang sama akan berlaku untuk aliran elektron pada suatu penghantar. Yang menentukan seberapa besar arus yang mengalir adalah besarnya beda potensial (dinyatakan dengan satuan volt). Jadi untuk sebuah konduktor semakin besar beda potensial akan semakin besar pula arus yang mengalir.

Perlu dicatat bahwa beda potensial diukur antara ujung-ujung suatu konduktor. Namun kadang-kadang kita berbicara tentang potensial pada suatu titik tertentu. Dalam hal ini kita sebenarnya mengukur beda potensial pada titik tersebut terhadap suatu titik acuan tertentu. Sebagai standar titik acuan biasanya dipilih titik tanah (ground).

Lebih lanjut kita dapat menganalogikan sebuah baterai atau accu sebagai tabung air yang diangkat. Baterai ini mempunyai energi kimia yang siap diubah menjadi energi listrik. Jika baterai tidak digunakan, maka tidak ada energi yang dilepas, tapi perlu diingat bahwa potensial dari baterai tersebut ada di sana. Hampir semua baterai memberikan potensial (tepatnya electromotive force – e.m.f) yang hampir sama walaupun arus dialirkan dari baterai tersebut.

Kita juga menyebut Usaha (Energi Potensial) yang dikeluarkan adalah sebagai sebuah Energi Listrik, yaitu besarnya usaha (W) untuk memindahkan sejumlah muatan (Q) pada / dengan beda potensial (tegangan) tertentu (V). Pemahaman ini dituliskan dalam persamaan:

W = V x Q  (joule)

6 Volt

Gambar di atas menunjukkan bahwa baterai sebesar 6 volt dipersiapkan untuk memberikan energi sebesar 6 joule pada setiap coulomb yang bergerak dari satu kutub ke kutub lainnya.

Tegangan didefinisikan sebagai suatu beda potensial energi yang dihitung berdasarkan energi yang diperlukan / dikeluarkan dalam setiap jumlah muatan elektron yang / untuk mengalir.

Selanjutnya, apa yang menyebabkan elektron pada logam penghantar itu bergerak?

  • Kita dapat membayangkan bahwa molekul air dapat bergerak karena beberapa hal, salah satunya yaitu karena adanya ‘perbedaan tekanan’ pada ‘dua titik yang berbeda’.
  • Untuk mengetahui berapa besar perbedaan tekanan antara dua titik tersebut, maka dapat dilihat dari gejalanya, yaitu berdasarkan besar energi dari arus air yang mengalir (semakin besar arus air yang mengalir sehingga energi yang dihasilkan juga semakin besar, maka semakin besar pula perbedaan tekanan diantara dua titik yang diobservasi tersebut).
  • Perbedaan tekanan pada dua titik yang diobservasi tersebut, dapat kita pahami sebagai ‘beda potensial’ yang menyebabkan molekul air bergerak.
  • Demikian juga dengan pergerakan elektron, dapat kita pahami bahwa elektron akan bergerak jika ada ‘beda potensial’ antara ‘dua titik’ pada batang penghantar. Yaitu jika pada suatu titik memiliki elektron yang berlebih, sementara di titik yang lain justru kekurangan elektron dalam molekul atomnya.
  • Besar ‘beda potensial’ pada sebuah sumber tegangan (baterai) juga dilihat berdasarkan gejalanya. Yaitu jika pada elektron yang bergerak, digunakan untuk menghidupkan sebuah beban yang menggunakan energi sangat besar, maka dapat dipahami ‘beda potensial’ antara dua titik tersebut juga adalah harus sangat besar.

Sehingga kita dapat memahami bahwa: ‘Tegangan Listrik’ didefinisikan sebagai suatu beda potensial energi yang dihitung berdasarkan energi yang diperlukan / dikeluarkan dalam setiap jumlah muatan elektron yang / untuk mengalir.

Hukum OHM

Pada sebagian besar konduktor logam, hubungan arus yang mengalir dengan potensial diatur oleh Hukum Ohm. Ohm menggunakan rangkaian percobaan sederhana seperti pada gambar di bawah ini.

Dia menggunakan rangkaian sumber potensial secara seri, mengukur besarnya arus yang mengalir dan menemukan hubungan linier sederhana, dituliskan sebagai

V = IR

dimana R = V/I disebut hambatan dari beban. Nama ini sangat cocok karena R menjadi ukuran seberapa besar konduktor tersebut menahan laju aliran elektron. Perlu diperhatikan bahwa berlakunya hukum ohm sangat terbatas pada kondisi-kondisi tertentu, bahkan hukum ini tidak berlaku jika suhu konduktor tersebut berubah. Untuk material – material atau piranti elektronika tertentu seperti diode dan transistor, hubungan I dan V
tidak linier.

Agar konsep hubungan antara tegangan dan arus listrik ini benar-benar melekat di benak kita, tampaknya kita perlu memahami sebelumnya, analogi cara kerja dari rangkaian listrik. Dianalogikan Aliran listrik dengan aliran air yang mengalir melalui saluran pipa PAM sbb.

George OHM (1789-1854), menyimpulkan hubungan arus dengan tegangan dalam HUKUM OHM. Yaitu untuk memperbesar arus atau muatan, diperlukan tekanan atau tegangan yang lebih besar.

Hambatan diukur dengan satuan OHM. Besar hambatan bergantung pada bahan, panjang, dan luas tempatarus mengalir.

Pengertian dan Rumus Daya ( Power )

Misalkan suatu potential v dikenakan ke suatu beban dan mengalirlah arus i seperti diskemakan pada gambar di bawah ini.

Energi yang diberikan ke masing-masing elektron yang menghasilkan arus listrik sebanding dengan v (beda potensial). Dengan demikian total energi yang diberikan ke sejumlah elektron yang menghasilkan total muatan sebesar dq adalah sebanding dengan v x dq. Energi yang diberikan pada elektron tiap satuan waktu didefinisikan sebagai daya (power) p sebesar:

p= v dq/dt

Daya atau Power didefinisikan sebagai Energi pe satuan waktu. daya mengukur seberapa cepat Energi dikonsumsi atau diproduksi. Daya juga dipakai dalam sistem mekanik seperti pada mobil bertenaga besar yang bisa dipercepat dengan segera atau bola lampu bertenaga tinggi yang menghasilkan banyak cahaya per detiknya.

Per definisi 1 Watt adalah 1 Joule per detik, sehingga kita dapat menghubungkan watt dengan volt dan ampere. Daya merupakan hasil kali Arus dengan Tegangan.

P = V x i

dengan satuan watt
dimana 1 watt = 1 volt x 1 ampere

Daya pada Hambatan (Resistor)

Jika sebuah tegangan V dikenakan pada sebuah hambatan R maka besarnya arus yang mengalir adalah

I = V / R (hukum Ohm)

dan daya yang diberikan sebesar:

Untuk kasus tertentu persoalannya menjadi lain jika potensial yang diberikan tidak konstan, misalnya berbentuk fungsi sinus terhadap waktu (seperti pada arus bolak balik)

p selalu berharga positif sehingga daya akan selalu hilang pada setiap saat, berubah menjadi panas pada hambatan. Daya tersebut selalu berubah setiap saat, berharga nol saat sin wt = 0, dan maksimum sebesar V2/ R saat sin w t = 1.
Untuk menentukan efek pemanasan dari isyarat di atas, persamaan daya di atas dapat dituliskan sebagai

cos 2wt akan berharga positif atau negatif sama seringnya, sehingga rata-ratanya adalah nol. Dengan demikian daya rata-rata yang hilang sebesar

Tahanan Jenis

Besar arus listrik ( i ) di dalam suatu penghantar tertentu, adalah tergantung dari intensitas medan listrik ( E ) yang diberikan pada penghantar. [ E = Beda potensial dari dua titik batang di suatu penghantar ( Va – Vb ) yang dipisahkan oleh jarak ( L )].

Kita dapatkan definisi dari suatu sifat penghantar yang disebut tahanan jenis ( r ), sebagai perbandingan medan listrik ( E ) dengan arus listrik ( i ) per-satuan luas penampang ( A ).

Pemahaman ini dituliskan sebagai :

Dimana:

  • E = Intensitas medan listrik (Volt/m)
  • i   = Arus listrik (Ampere =Coloumb/detik)
  • A = Luas penampang dari penghantar ( m2 )
  • r  = Tahanan jenis bahan penghantar ( W.m )

Sebagaimana telah dipahami, bahwa intensitas medan listrik (E) dalam suatu penghantar, didefinisikan sebagai besar beda potensial dari dua titik batang di suatu penghantar ( Va – Vb ) yang dipisahkan oleh jarak ( L ), dan pemahaman ini dituliskan :

Jadi dapat kita peroleh bahwa:

Dan didapatkan:

Dan berdasarkan hukum OHM, maka dapat dipahami bahwa definisi dari tahanan yang dimaksudkan dari logika George OHM adalah, besarnya tahanan jenis dari bahan suatu penghantar, dalam panjang tertentu per-satuan luas dari penghantar tersebut. Yaitu :

Dengan memahami bahwa, panjang suatu batang penghantar akan memberikan pengaruh bahwa hambatan total dari penghantar tersebut juga akan semakin besar, dan juga pemahaman dari hukum OHM sebelumnya, maka dapat dimengerti bahwa tegangan yang sangat tinggi adalah sangat diperlukan untuk dapat mengalirkan dan mendistribusikan arus listrik pada jarak yang sangat jauh.

PENGUKURAN ARUS DAN TEGANGAN LISTRIK

Kembali ke rangkaian sederhana kita: Bola lampu kecil yang dihubungkan dengan kabel tembaga ke baterai bertegangan 6 volt.

Apabila filamen lampu itu memiliki hambatan 6 ohm, maka dengan bantuan Hukum Ohm, besarnya arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut adalah:

Pertanyaannya, bagaimana kamu mengukur besar hambatan suatu rangkaian?

Untuk mengukur tegangan, hubungkan kedua kutub multimeter pada kabel di sisi kanan dan sisi kiri dari baterai atau beban (lampu).

Jika kamu menghubungkan ujung multimeter pada kabel di sisi yang sama dari lampu, maka jarum penunjuk akan mendekati nol. Tetapi pengukuran di sisi kanan dan kiri baterai menunjukan kenaikan tegangan, yaitu energi per satuan muatan yang dipompa baterai ke dalam rangkaian.

Untuk mengukur ARUS, kamu harus memutuskan hubungan (dari rangkaian), lalu menyisipkan amperemeter di dalamnya

Arus yang sama mengalir ke segala arah dalam rangkaian sederhana ini, sehingga kita harus mengatur agar arus mengalir melalui amperemeter untuk diukur.

Bagaimana untuk mengukur Hambatan?..Kamu dapat mengukur hambatan filamen lampu secara langsung dengan melepas lampu dari rangkaian dan mengukur dengan ohmmeter pada multi meter. Atau dengan Hukum Ohm, ( R= V / I ) kamu dapat mencari hambatan dari tergangan dan arus yang sudah diketahui. Hasil kedua pengukuran ini agak berbeda. Ketika masih terhubung dalam rangkaian, filamen lampu dalam kondisi panas (sehingga hambatannya membesar), sementara ketika diukur dengan ohmmeter, filamen dalam keadaan dingin.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *