Bahan ajar Listrik Dinamis

LISTRIK DINAMIS

Burung-burung ini bertengger di atas kawat hantaran udara tegangan tinggi. Mengapa burung ini tidak gosong karena kejutan listrik tegangan tinggi? Misalkan kawat putus dan burung tetap berayun bersama kawat sampai ujung kawat menyentuh tanah, apa yang akan terjadi?

Kemampuan dasar yang akan kamu miliki setelah mempelajari bab ini adalah:

• Menganalisis percobaan listrik dinamis dalam suatu rangkaian serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari

1. Arus dan Beda Potensial Listrik
2. Hukum Ohm
3. Konduktor dan Isolator
4. Hukum I Kirchoff
5. Perhitungan Rangkaian sederhana

Pendahuluan

Dalam bab 1 kamu mempelajari muatan – muatan listrik yang untuk sementara diam pada suatu benda, di sebut listrik statis. Dalam bab ini kamu akan mempelajari muatan – muatan listrik yang bergerak berkeliling melalui kawat konduktor. Studi tentang muatan – muatan listrik bergerak ( di sebut Arus listrik) di namakan Listrik Dinamis.

Setelah mempelajari bab ini kamu anyaan, apa penyebab kejutan listrik, arus atau tegangan? Mengapa kawat konstanta termasuk komponen ohmik , sedangkan bola lampu pijar termasuk komponen non – ohmik? Mengapa menyentuh kawat hidup bertregangan 220 V dengan tangan basah dapat membunuhmu?

1. Arus dan Beda Potensial Listrik

1. Konsep Arus Listrik

Dari pengalaman, kamu mengetahui bola lampu tidak mungkin berpijar jika tidak dihubungkan dengan sumber arus listrik, misalnya baterai. Apakah lampu jika dihubungkan dengan baterai pasti berpijar?

Aliran listrik melalui kabel mirip dengan aliran air melalui pipa. Air selalu mengalir karena perbedaan level, yaitu dari level tinggi ke level rendah. Demikian juga arus listrik mengalir melalui kabel karena adanya perbedaan “level listrik ” di antara kedua titik dalam rangakaian listrik. Kita di sebut “level listrik “ ini dengan Beda Potensial atau Tegangan. Jadi arus listrik mengalir karena adanya beda potensial antara dua titik dalam rangkaian, yaitu dari titik berpotensial tinggi ke ttik berpotensial lebih rendah.

Manakah yang ditetapkan sebagai arus listrik: aliran muatan positif ataukah aliran muatan negatif? Arus listrik ditetapkan oleh para ilmuwan pada abad ke – 19. Pada saat itu elektron belumlah ditemukan oleh J.J Thompson. Secara konvensional, arus listrik di tetapkan sebagai aliran partikel – partikel bermuatan listrik positif dari titik berpotensial tinggi ke titik berpotensial rendah. Arus listrik ini di sebut arus konvensional.

Mengapa kita masih menggunakan arus konvensional? Arah arus konvensional berlawanan dengan arah arus elektron yang sesungguhnya terjadi dalam kabel. Akan tetapi, secara kuantitas, banyak elektron yang mengalir dalam satu arah dalam arah berlawanan. Itulah sebabnya arus listrik masih tetap di definisikan berdasarkan arus konvensional ( aliran partikel – partikel bermuatan positif).

Agar listrik mengalir melalui suatu rangkaiaan:

1. Rangkaian listrik harus tertutup
2. Harus ada beda potensial antara dua titik dalam rangkaian.

Rangkaian listrik tertutup adalah rangkaian dimana jika kamu jalan berkeliling dari satu titik, misalnya A, ke salah satu arah maka kamu akan kembali lagi ke titik berangkat semula, titik A. Apabila kamu jalan berkeliling tapi tidak kembali lagi ke titik berangkat semula, ini pastilah bukan rangkaian tertutup, melainkan rangkaian terbuka. Perhatikan arus listrik tidak dapat mengalir melalui rangkaian terbuka.

2. Kuat Arus Listrik

Apakah besaran untuk arus listrik? Arus Listrik adalah aliran muatan – muatan positif. Makin banyak muatan positif mengalir melalui suatu penampang kawat dalam waktu tertentu, makin besar arus listriknya. Besar arus listrik dinyatakan oleh suatu besaran fisika yang di beri nama Kuat Arus Listrik, yang di beri simbol I. Kuat arus listrik (I) di definisikan sebagai hasil bagi antara muatan listrik positif (Q) yang mengalir melalui suatu penampang kawat penghantar dengan selang waktunya (t). 

 

Dimana Q = muatan listrik (coulomb, C)

t = selang waktu (sekon, s)

Satu coulomb adalah muatan listrik yang melalui titik apa saja dalam rangkaian listrik ketika arus tetap satu ampere mengalir selama satu sekon.

3. Konsep Beda Potensial Listrik

Potensial listrik (tegangan) adalah besaran yang menyatakan dorongan terhadap elektron-elektron agar dapat mengalir. Besar dorongan ini biasanya di acu terhadap Bumi, dimana ditetapkan potensial Bumi sama dengan nol. Beda potensial atau beda tegangan menyatakan beda nilai potensial antara dua titik berbeda dalam suatu rangkaian.

Telah kamu ketahui bahwa arus dapat mengalir antara dua titik dalam rangakaian tertutup jika ada beda potensial. Jadi, kata yang penting adalah Beda potensial bukan potensial. Walaupun kedua titik dalam suatu rangakaian tertutup memiliki potensial (potensialnya tak nol) tetapi jika nilai potensial kedua titik ini sama, sehingga beda potensial diantara keduanya nol, maka arus tidak mengalir. Yang berbahaya bagi kita adalah arus listrik (dihasilkan oleh beda potensial) dan bukan potensial listrik atau tegangan.

4. Alat Ukur Arus dan Tegangan

1. Bagaimana memasang dan membaca ampere meter

Kuat arus yang melalui suatu rangkaian di ukur dengan amperemeter. Ada dua jenis amperemeter: amperemeter analog dan amperemeter digital. Amperemeter harus di hubungkan seri pada komponen yang akan di ukur kuat arusnya. Jika menggunakan amperemeter analog berhati-hatilah. Arus listrik harus mengalir masuk ke terminal positif (diberi tanda “+” atau warna merah) dan meninggalkan amperemeter melalui terminal negatif (diberi tanda “-“ atau warna hitam). Dengan kata lain, titik yang potensialnya lebih rendah di hubungkan keterminal “-“. Jika di hubungkan dengan polaritas yang terbalik, jarum penunjuk akan menyimpang dalam arah berlawanan. Ini dapat menyebabkan jarum penunjuk membentur sisi tanda nol (sisi akan pergerakan jarum penunjuk jika amperemeter tidak di aliri arus) dengan gaya cukup besar hungga dapat merusak amperemeter. Jika mengukur kuat arus menggunakan amperemeter digital, tidak perlu khawatir, Amperemeter digital memiliki polaritas otomatis (autopolarity). Ia akan memberikan bacaan yang benar walaupun menghubungkannya dengan polaritas terbalik, hanya akan muncul displai “tanda negatif” di depan displai angka. Displai tanda negatif menyatakan bahwa hubungan polaritas komponen ke amperemeter adalah terbalik.

Hal yang penting di perhatikan ketika memasang amperemeter seri dengan komponen yang akan di ukur kuat arusnya adalah rangkaian harus di potong. Kemudian hubungkan ujung-ujung potongannya ke terminal-terminal amperemeter dengan polaritas yang benar. Ujung potongan yang potensialnya lebih tinggi harus di hubungkan ke terminal positif, sedangkan ujung potongan yang potensialnya lebih rendah harus di hubungkan ke terminal negatif.

Bagaimana membaca nilai kuat arus yang di tunjukan oleh sebuah amperemeter analog? Misalkan amperemeter memiliki dua batas ukur: 0,6 dan 3 A. Menggunakan batas ukur 0,6 A, dan itu berarti harus membaca skala yang bawah, terbaca kuat arus 0,50 A. Menggunakan batas ukur 3 A, dan itu berarti harus membaca skala yang atas, terbaca 2,50 A.

2. Bagaimana memasang dan membaca volmeter

Beda potensial antara ujung – ujung suatu rangkaian dalam rangkaian listrik di ukur dengan volmeter. Seperti halnya amperemeter, volmeter juga ada dua jenis: analog dan digital.

Volmeter harus di hubungkan paralel dengan komponen yang akan di ukur beda potensialnya. Dalam pemasangan volmeter tidak perlu memotong rangkaian seperti pemasangan pada amperemeter. Cukup memerhatikan mana ujung komponen yang potensialnya lebih besar. Ujung yang potensialnya lebih besar di hubungkan ke terminal positif volmeter ( ditandai “+” atau berwarna merah), sedangkan ujung lainnya di hubungkan ke terminal negatif volmeter ( ditandai “-“ atau berwarna hitam).

2. Hukum Ohm

1. Merumuskan hukum Ohm

Faktor – faktor apa sajakah yang mempengaruhi kuat arus yang melalui suatu rangkaian sederhana:

Hubungan matematis antara arus listrik dan beda potensial

V = RI atau I = V/R

Di mana V = beda potensial atau tegangan (volt)

R = hambatan listrik (ohm)

I = kuat arus (ampere)

Ketika kamu memasang lampu pijar antara P dan Q, dan mengubah – ubah posisi kontak luncur rheostat, apakah suhu lampu pijar tetap? Bagaimanakah hubungan V terhadap I untuk lampu pijar ? Apakah nilai v/I ini tetap ? hasil percobaanmu akan membuktikan bahwa suhu lampu pijar selama percobaan tidak tetap, ini memyebabkan nilai hambatan listrik lampu pijar R = V/I tidak tetap. Komponen seperti lampu pijar, dimana grafik V – I nya tidak berbentuk garis lurus, di sebut komponen non ohmik. Sementara kawat konstanta disebut komponen ohmik.

Ilmuan yang pertama kali melakukan percobaan ini adalh George Simon Ohm (1787 – 1834), guru fisika berkebangsaan Jerman, pada tahun 1826 ia berhasil menemukan hubungan antara beda potensial V dan kuat arus I pada konduktor. Hubungan ini disebut hukum Ohm yang berbunyi:

Kuat arus yang melalui suatu konduktor ohmik adalah sebanding ( berbanding lurus ) dengan beda potensial antara ujung – ujung konduktor asalkan suhu konduktor tetap.

Hambatan Konduktor Ohmik

R = V/I

Dalam SI, satuan hambatan listrik R adalah Ohm, jadi stu Ohm adalah hambatan bagi suatu konduktor di man ketika beda potensial atau volt di berikan pada ujung – ujung konduktor maka kuat arus satu ampere mengalir melalui konduktor tersebut.

2. Penerapan Hukum Ohm

1. Mengapa suatu rangkaian selalu memerlukan beban?

Kamu dapat membuat suatu rangkaian sederhana dengan menghubungkan tiap ujung kabel yang luar dari sebuah lampu kecil ke kutub batu baterai 1,5 V. Lampu akan menyala walaupun tidak begitu terang karena tegangan tersebut terlalu rendah. Batu baterai sebagai sumber arus, kabel sebagai penghantar dan lampu sebagai beban.

Lampu sebagai beban dari rangkaian memiliki hambatan listrik yang akan membatasi arus dalam rangkaian. Rangkaian yang tanpa beban disebut rangkaian yang mengalami hubung singkat (korsleiting). Saat rangkaian mengalami hubung singkat, arus sangat besar akan melalui rangkaian. Arus sangat besar ini akan merusak alat – alat listrik yang terhubung pada rangkaian, bahkan dapat membakar penghantar. Peristiwa kebakaran rumah atau gedung banyak yang di sebabkan peristiwa hubung singkat. Untuk mengamankan alat – alat listrik dari arus lebih karena hubung singkat dipasanglah sekring, ketika hubung singkat sekring akan terbakar putus untuk membuka rangkaian.

2. Hukum Ohm dan kejutan listrik

Apa yang menyebabkan kejutan listrik dalam tubuh manusia arus atau tegangan? Telah diketahui bahwa efek merusak dari kejutan listrik di sebabkan oleh arus listrik yang melalui tubuh manusi. Efek nyata arus listrik pada tubuh manusia tentu berbeda dari satu individu dengan individu lain. Besar arus bergantung pada tegangan dan hambatan tubuh manusia. Hambatan tubuh manusia sebagian besar terdapat pada kondisi kulitnya. Untuk kulit dalam kondisi kering hambatan tubuh adalah 100000 ohm atau lebih besar. Tetapi untuk kondisi kulit basah, terutama oleh keringat yang mengandung garam hambatan tubuh turun drastis sampai hanya beberapa arus ohm.

3. KOnduktor dan Isolator

1. Perbedaan Hambatan Konduktor dan Isolator

Konduktor adalah bahan yang mudah menghantarkan arus listrik. Kebalikannya, isolator adalah bahan yang sukar menghantarkan arus listrik. Sedangkan semikonduktor memiliki kemammpuan menghantarkan arus listrik di antara konduktor dan isolator.

2. Perbedaan Konduktor dan Isolator Berkaitan dengan Elektron Bebas

Pada konduktor elektron – elektron pada kulit terluar tidak di pegang oleh gaya kuat. Dengan demikian, elektron – elektron ini mudah bergerak bebas sehingga mereka mendukung terjadinya arus elektron. Konduktor listrik yang baik mengandung banyak elektron bebas. Contoh konduktor yang baik adalah kawat tembaga, kawat perak, dan kawat alumunium.

Pada bahan Isolator, elektron – elektron pada kulit terluar dipegang oleh gaya sangat kuat. Hanya ada sangat sedikit elektron bebas dalam isolator. Karena elektron tidak dapat mengalir dalam isolator. Bahan – bahan seperti plastik dan karet termasuk isolator.

Semikonduktor adalah bahan dengan sifat diantara konduktor dan isolator. Elektron – elektron pada kulit terluarnya dipegang oleh gaya cukup kuat, tetapi tidak sekuat seperti isolator. Karena itu, pada suhu ruang masih tersedia sedikit elektron bebas untuk menghasilkan arus elektron. Yang termasuk bahan konduktor adalah karbon, silikon, germanium. Karbon di gunakan untuk membuat resistor dan kontak luncur. Tentu saja sebuah resistor adalah komponen yang mendukung aliran elektron lebih dari pada isolator, tetapi tidak sebaik konduktor.

Dapatkah isolator bersifat sebagai konduktor?

Tegangan tinggi memberikan enrgi listrik besar sehingga mampu mengatasi gaya besar yang mengatur pada elektron. Akibatnya, elektron terluar bebas begerak dan mapu mengalirkan arus elektron seperti hanya konduktor. Jadi, pada tegangan tinggi, isolator dapat bersifat konduktor.

4. Hukum I Kirchoff

Hukum I Kirchoff berbicara tentang kuat arus dalam suatu rangkaian listrik. Rangkain listrik boleh bercabang dan boleh tak bercabang. Hukum I Kirchoff berbunyi:

Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik cabang sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik cabang tersebut.

ΣI _masuk = ΣI_keluar

Pernyataan diatas di kemukakan oleh Gustav Kirchoff (1824 – 1887) sehingga di kenal sebagai hukum I Kirchoff.

5. Perhitungan Rangkaian Sederhana

1. Resistor dan Pengukuran Hambatan Listrik

Komponen listrikyang khusus di buat untuk menghasilkan hambatan listrikdi sebut resistor. Resistor di gunakan untuk membatasi kuat arus dan beda potensial pada nilai tertentu besarnya agar komponen – komponen listrik lain dalam rangkaian dapat berfungsi dengan baik.

Berdasarkan nilai hambatan listriknya, ada dua jenis resistor: resistor tetap dan resistor variabel. Resistor tetap memiliki nilai hambatan listrik yang nilainya tetap sedang variabel memiliki niali hambatan listrik yang dapat berubah – ubah.

1. Resistor tetap
   

   

Resistor tebuat dari karbon yang merupakan bahan semi konduktor. Nilai hambatan resistor ditandai pada kulit luarnya dengan kode warna.

2. Rheostat
   

   

Merupakan sebuah resistor variabel yang biasanya di gunakan untuk mengatur besar kuat arus dalam suatu rangkaian. Rheostat yang dibuat dari hambatan kawat yang dililitkan mengitari sebuah tabung berisolasi, mengurangi panjang kawat hambatan dalam rangkaian mengurangi hambatan listrik rangkaian dan memperbolehkan arus untuk meningkat.

3. Mengukur hambatan listrik
   

   

Hamabatan listrik suatu rangakaian dapat di ukur dengan menggunakan sebuah volmeter dan amperemeter, disebut metode volmeter – amperemeter. Hambatan listrik rangakain dapat diukur dengan multimeter atau avometer. Multimeter adalah alat ukur yang sekaligus dapat di gunakan untuk mengukur kuat arus, tegangan, dan hambatan listrik. 
 

2. Penyederhanaan Resistor Seri dan Paralel

Ketika menghubungkan sebuah lampu kemudian dua lampu secara seri, maka rangkain satu lampu menyala lebih terang dari pada rangkaian dua lampu, karen aterang lampu terganmtung pada kuat arus yang melalui lampu. Hambatan total lampu pada susunan seri lebih besar dari pada hambatan masing – masing lampu.

Apabila lampu dirangkai paralel maka hasilnya sama terang karen akuat arus yang melalui rangkaian satu lampu sama dengan kuat arus yang melalui masing – masing lampu. Hambatan total pada sususnan paralel haruslah lebih kecil dari pada hambatan masing – masing lampu.

1. Hambatan pengganti seri

Hambatan pengganti seri sam dengan hmabtan tiap- tiap komponen.

R_s = R₁ + R₂ + R₃ +……

Untuk memperoleh hambatan pengganti paling besar dari pada beasar resistor yang tersedia, resistor – resistor itu harus disussun seri.

2. Hambatan pengganti paralel

Kebalikan hambatan pengganti paralel sama dengan jumlah dari kebalikan hambatan tiap- tiap komponen.

1/ R_p = 1/ R₁ + 1/ R₂ + 1/ R₃ + ……

Untuk memperoleh hambatan pengganti paling kecil dari beberapa resistor yang tersedia, resistor – resistor itu harus di susun paralel.

3. Pemecahan Masalah Rangakaian Listrik Sederhana

Langkah – langkah yang di gunakan adalah:

1. Kuat arus dalam rangkaian utama (rangkaian sederhana yang tidak bercabang) yang tidak sama pada semua titik dalam rangkaian itu (prinsip seri)
2. Kuat arus dalam kawat induk (kawat sebelum bercabang) sama dengan jumlah kuat arus yang melalui cabang – cabang paralel.
3. Beda potensial anatara ujung – ujung resistor yang di rangakai paralel sama, yaitu sama dengan beda potensial antara ujung – ujung resistor penggantinya.
4. Beda potensial total resistor – resistor yang di rangkai seri sama dengan jumlah beda potensial masing – masing resistor.