1. Atom dan elektron
Kita potong-potong suatu benda padat, misalnya tembaga, kedalam bagian-bagian yang selalu lebih kecil, dengan demikian maka pada akhirnya kita dapatkan suatu atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani dan berarti “tidak dapat dibagi”.
Dalam beberapa waktu kemudian barulah dapat ditemukan buktinya melalui percobaan, bahwa benda padat tersusun atas atom. Dari banyak hasil percobaan ahli fisika seperti Rutherford dan Bohr menarik kesimpulan, bahwa suatu atom harus tersusun mirip seperti sistim tata surya kita (gambar 1.1).
Gambar 1.1 Model sistim tata surya
Dari gambaran model ini atom terdiri atas matahari sebagai inti atom dan disekitar inti pada lintasan berbentuk lingkaran atau ellips beredar planet sebagai elektron-elektron. Lintasannya mengelilingi inti dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kulit elektron (gambar 1.2).
Gambar 1.2 Model atom
Elektron-elektron pada kulit terluar disebut elektron valensi, mereka terletak paling jauh dari inti dan oleh karena itu paling baik untuk dipengaruhi dari luar.
2. Muatan listrik - Pembawa muatan
Elektron mengelilingi inti atom dengan kecepatan yang sangat tinggi (kira-kira 2200 km/det.). Pada gerakan melingkar, meski berat elektron tidak seberapa, maka disini harus bertindak suatu gaya sentrifugal yang relatip besar, yang bekerja dan berusaha untuk melepaskan elektron keluar dari lintasannya. Sekarang tenaga apakah yang menahan elektron tetap pada lintasannya mengitari inti ?
Tenaga yang menahan bumi tetap pada lintasannya adalah grafitasi. Grafitasi antara elektron-elektron dan inti atom belum mencukupi, sebagaimana terbukti secara perhitungan, dan tidak dapat menahan elektron-elektron yang terjauh untuk tetap pada lintasannya. Oleh karena itu disini harus bertindak suatu tenaga lain, yaitu tenaga listrik.
Diantara inti atom dan elektron terdapat tenaga listrik.
Tenaga listrik semacam ini sederhana membuktikannya. Kita gosokkan penggaris mika (bahan sintetis/plastik) dengan suatu kain wol, maka pada bahan ini bekerja suatu gaya tarik terhadap kertas, yang pada prinsipnya lebih besar daripada tenaga grafitasi.
Yang bertanggung jawab terhadap tenaga listrik kita sebut muatan listrik.
Terhadap inti atom, elektron bersifat menjalankan suatu tenaga listrik. Jadi elektron memiliki muatan listrik. Kita katakan elektron sebagai suatu pembawa muatan.
Oleh karena inti atom juga mempunyai sifat menjalankan tenaga listrik, maka inti atom juga mempunyai muatan listrik.
Hal ini terbukti bahwa elektron-elektron tidak saling tarik-menarik, melainkan tolak-menolak. Demikian pula tingkah laku inti atom (gambar 1.3).
Gambar 1.3 Efek dinamis antara: a) inti atom dan elektron
b) elektron-elektron
c) inti-inti atom
Oleh karena elektron-elektron saling tolak-menolak, inti atom dan elektron saling tarik-menarik, maka inti atom harus berbeda muatan dengan elektron, artinya membawa suatu jenis muatan yang berbeda dengan muatan elektron.
Muatan inti atom dinamakan muatan positip dan muatan elektron dinamakan muatan negatip. Dengan demikian untuk muatan listrik berlaku :
Muatan-muatan yang sama saling tolak-menolak, muatan-muatan yang berbeda saling tarik-menarik.
Gambar 1.4 Efek dinamis muatan-muatan listrik
2.1. Atom netral - Susunan atom
Atom hidrogen memperlihatkan susunan yang paling sederhana. Terdiri atas sebuah elektron dan sebuah proton (biasa disebut inti atom).
Elektron sebagai pembawa muatan listrik terkecil dinamakan muatan elementer.
Elektron adalah pembawa muatan elementer negatip, proton merupakan pembawa muatan elementer positip.
Gambar 1.5 Gambar skema atom:
a) atom hidrogen
b) atom karbon
Muatan elementer negatip elektron sama besarnya dengan muatan elementer positip proton. Oleh karenanya muatan-muatan atom memiliki pengaruh yang persis sama. Atom secara listrik bersifat netral.
Atom netral terdiri atas muatan positip yang sama banyaknya dengan muatan negatip.
Atom karbon misalnya memiliki 6 elektron dan juga 6 proton. Selain proton inti atom juga mengandung bagian yang secara listrik bersifat netral, yang biasa disebut dengan netron. Proton dan netron menentukan berat atom yang sebenarnya .
Atom yang lain semuanya berjumlah 103 buah dengan susunan yang hampir sama. Pembagian elektron pada lintasan elektron berdasarkan pada aturan tertentu. Namun jumlah elektron tetap selalu sama dengan jumlah proton.
2.2. Ion
Atom kehilangan sebuah elektron, dengan demikian maka atom tersebut memiliki lebih banyak muatan positipnya daripada muatan negatip. Atom yang secara utuh bermuatan positip, melaksanakan suatu reaksi listrik, yaitu menarik muatan negatip.
Atom yang ditambah/diberi sebuah elektron, maka secara utuh dia bermuatan negatip dan menarik muatan positip.
Atom yang bermuatan seperti ini sebaliknya dapat juga menarik muatan yang berbeda, berarti atom tersebut bergerak. Atas dasar inilah maka atom seperti ini dinamakan ion (ion = berjalan, bhs. Yunani).
Atom bermuatan positip maupun negatip atau kumpulan atom disebut ion.
Gambar 1.6
Skema pembentukan ion
Dapat disimpulkan bahwa :
Kelebihan elektron menghasilkan muatan negatip, kekurangan elektron menghasilkan muatan positip.
3. Arus listrik
Arus listrik pada dasarnya merupakan gerakan muatan secara langsung.
Pembawa muatan dapat berupa elektron-elektron maupun ion-ion.
Arus listrik hanya dapat mengalir pada bahan yang didalamnya tersedia pembawa muatan dengan jumlah yang cukup dan bebas bergerak.
3.1. Penghantar, bukan penghantar, semi penghantar
3.1.1. Penghantar - Mekanisme penghantar
Bahan yang memiliki banyak pembawa muatan yang bebas bergerak dinamakan penghantar.
Kita bedakan antara :
Penghantar elektron
Yang termasuk didalamnya yaitu logam seperti misalnya tembaga, alumunium, perak, emas, besi dan juga arang.
Atom logam membentuk sesuatu yang disebut struktur logam. Dimana setiap atom logam memberikan semua elektron valensinya (elektron-elektron pada lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positip.
Gambar 1.7
Kisi-kisi ruang suatu logam dengan awan elektron
Ion-ion menempati ruang dengan jarak tertentu serta sama antara satu dengan yang lain dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kisi-kisi ruang atau pola geometris atom-atom (gambar 1.7).
Elektron-elektron bergerak seperti suatu awan atau gas diantara ion-ion yang diam dan oleh karenanya bergerak relatip ringan didalam kisi-kisi ruang.
Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Awan elektron bermuatan negatip praktis termasuk juga didalamnya ion-ion atom yang bermuatan positip.
Sepotong tembaga dengan panjang sisinya 1 cm memiliki kira-kira 1023 (yaitu satu dengan 23 nol) elektron bebas. Melalui tekanan listrik dengan arah tertentu, yang dalam teknik listrik dikenal sebagai tegangan, elektron-elektron bebas dalam penghantar digiring melalui kisi-kisi (gb. 1.8). Dengan demikian elektron-elektron penghantar mentransfer muatan negatipnya dengan arah tertentu. Biasa disebut sebagai arus listrik.
Dapat disimpulkan bahwa :
Arus listrik (arus elektron) dalam suatu penghantar logam adalah merupakan gerakan elektron bebas pada bahan penghantar dengan arah tertentu. Gerakan muatan tidak mengakibatkan terjadinya perubahan karakteristik bahan.
Gambar 1.8
Mekanisme penghantar logam
Kecepatan arus tergantung pada rapat arus (lihat bagian 3.6). Penghantar logam dengan beban biasa maka kecepatan elektronnya hanya sebesar 3 mm/detik, tetapi gerakan elektron tersebut menyebarkan impuls tumbukan mendekati dengan kecepatan cahaya c=300.000 km/detik. Oleh karenanya dibedakan disini antara kecepatan impuls dan kecepatan elektron.
Contoh :
a) Berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh elektron pada suatu penghantar kawat untuk kembali ke tempatnya semula ? Panjang kawat =1200 m dengan kecepatan sedang =3 mm/s
b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan impuls untuk jarak yang sama ?
Jawaban : a) Kecepatan: ; Waktu:
b)
Penghantar ion
Termasuk disini yaitu elektrolit (zat cair yang menghantarkan arus), peleburan (misal peleburan alumunium) dan ionisasi gas. Sebagai pembawa muatan dalam hal ini adalah ion positip dan ion negatip. Biasa disebut sebagai arus ion.
Arus listrik (arus ion) didalam suatu elektrolit, peleburan atau ionisasi gas adalah merupakan gerakan terarah ion-ion bahan/zat cair. Dalam hal ini termasuk juga sebagai transfer bahan/zat.
3.1.2. Bukan penghantar
Bahan yang hanya memiliki sedikit pembawa muatan dan terikat dalam molekul tersendiri, dinamakan bahan bukan penghantar.
Termasuk dalam hal ini yaitu bahan padat, seperti bahan sintetis, karet, kaca, porselen, lak, kertas, sutera, asbes, dan zat cair, seperti air murni, oli, fet, dan juga ruang hampa termasuk disini gas (juga udara) dengan aturan tertentu. Bahan-bahan tersebut sebagian juga dikenal sebagai bahan isolasi, dengan demikian maka dapat mengisolasi bahan yang berarus listrik.
3.1.3. Semi penghantar
Semi penghantar adalah bahan yang setelah mendapat pengaruh dari luar maka elektron valensinya lepas dan dengan demikian mampu menghantarkan listrik.
Termasuk disini yaitu silisium, selenium, germanium dan karbon oksida.
Pada temperatur rendah, elektron valensi bahan tersebut terikat sedemikian rupa sehingga tidak ada elektron bebas didalam kisi-kisi. Jadi dalam hal ini dia bukan sebagai bahan penghantar.
Melalui pemanasan, sebagian elektron terlepas dari lintasannya, dan menjadi elektron yang bergerak dengan bebas. Dengan demikian maka menjadi suatu penghantar. Juga melalui pengaruh yang lainnya, seperti misalnya cahaya dan medan magnit mengakibatkan perubahan sifat kelistrikan bahan semi penghantar.
Gambar 1.9
Model suatu rangkaian arus
3.2. Rangkaian listrik
Peralatan listrik secara umum disebut sebagai beban/pemakai, terhubung dengan sumber tegangan melalui suatu penghantar, yang terdiri atas dua buah penghantar, yaitu penghantar masuk dan penghantar keluar (gambar 1.9). Penanggung jawab adanya arus yaitu elektron-elektron bebas, bergerak dari pembangkit tegangan kembali ke tempatnya semula melalui jalan yang tertutup, yang biasa disebut sebagai rangkaian arus.
Rangkaian arus listrik sederhana terdiri atas pembangkit tegangan, beban termasuk disini kabel penghubung (penghantar masuk dan penghantar keluar).
Untuk diketahui bahwa :
Arus listrik hanya dapat mengalir dalam suatu rangkaian penghantar tertutup.
Dengan memasang sebuah saklar pada rangkaian, arus listrik dapat dihubung atau diputus sesuai keinginan.
Gambar secara nyata suatu rangkaian arus sebagaimana ditunjukkan diatas terlihat sangat rumit, dalam praktiknya digunakanlah skema dengan normalisasi simbol yang sederhana, yang biasa dikenal sebagai diagram rangkaian. Skema menjelaskan hubungan antara komponen-komponen yang ada pada suatu rangkaian.
Gambar 1.10
Skema rangkaian arus sederhana
3.3. Arah arus
3.3.1. Arah arus elektron
Kita buat suatu rangkaian arus listrik tertutup, dengan demikian didapatkan suatu proses sebagai berikut :
Pada kutub negatip pembangkit tegangan (kelebihan elektron), elektron bebas pada ujung penghantar didorong menuju beban. Pada kutub positip (kekurangan elektron) elektron bebas pada ujung penghantar yang lain tertarik. Dengan demikian secara umum terjadi arus elektron dengan arah tertentu.
Gambar 1.11 Arah arus elektron
Arus elektron mengalir dari kutub negatip pembangkit tegangan melalui beban menuju kutub positip.
3.3.2. Arah arus secara teknik
Pengetahuan teori elektron zaman dulu menduga bahwa sebagai penanggung jawab terhadap mekanisme penghantaran didalam logam adalah pembawa muatan positip dan oleh karenanya arus mengalir dari kutub positip melalui beban menuju kutub negatip. Jadi berlawanan dengan arus elektron yang sebenarnya sebagaimana diutarakan dimuka. Meskipun pada saat ini telah dibuktikan adanya kekeliruan anggapan pada mulanya, namun didalam teknik listrik untuk praktisnya anggapan arah arus tersebut tetap dipertahankan. Sehingga ditemui adanya perbedaan antara arah arus elektron terhadap arah arus secara teknik atau secara umum juga disebut arah arus.
Arus listrik mengalir dari kutub positip pembangkit tegangan melalui beban menuju kutub negatip.
Gambar 1.12 Arah arus elektron dan
Arah arus secara teknik
3.4. Kuat arus
Semakin banyak elektron-elektron yang mengalir melalui suatu penghantar dalam tiap detiknya, maka semakin besar pula kekuatan arus listriknya, biasa disebut kuat arus.
Arus sebanyak 6,24 triliun elektron (6,24 • 1018) tiap detik pada luas penampang penghantar, maka hal ini dikenal sebagai kuat arus 1 Ampere.
Dengan demikian dapat dikatakan :
Ampere adalah satuan dasar yang sah untuk kuat arus listrik
Sudah menjadi kebiasaan dalam keteknikan, supaya lebih sederhana maka besaran-besaran teknik seperti misalnya kuat arus diganti dengan simbol formula dan demikian pula untuk simbol nama satuan (simbol satuan).
Simbol formula untuk kuat arus adalah I
Simbol satuan untuk Ampere adalah A
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 kA = 1 Kiloampere = 1000 A = 103 A
1 mA = 1 Milliampere = 1/1000 A = 10-3 A
1 A = 1 Mikroampere = 1/1000000 A = 10-6 A
Pada “undang-undang tentang besaran dalam hal pengukuran” sejak 2 Juli 1969 kuat arus listrik ditetapkan sebagai besaran dasar dan untuk satuan dasar 1 Ampere didefinisikan dengan bantuan reaksi tenaga arus tersebut
Kuat arus dalam teknik listrik berkisar pada jarak yang sangat luas :
Lampu pijar : 100 s.d. 1000 mA
Motor listrik : 1 sampai 1000 A
Peleburan : 10 s.d. 100 kA
Pesawat telepon : beberapa A
3.5. Muatan listrik
Jumlah muatan elementer (biasanya pada peristiwa kelistrikan turut serta bermilyar-milyar elektron dan dengan demikian berarti muatan elementer) menghasilkan suatu muatan listrik tertentu (simbol formula ).
Satuan muatan listrik ditetapkan 1 Coulomb (simbol C). Dalam hal ini berlaku :
1 C = 6,24 . 1018 muatan elementer
Sebelumnya telah dijelaskan bahwa
berarti : Kuat arus
Kita uraikan persamaan tersebut kedalam , sehingga menjadi = I . t
Dengan demikian faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya muatan listrik ditentukan oleh arus I dan waktu t.
Dalam pada itu kita pasang arus I dalam A dan waktu t dalam s, sehingga diperoleh satuan muatan listrik adalah 1 As, yang berarti sama dengan 1 C.
1 Coulomb = 1 Ampere sekon
1 C = 1 As
Contoh :
Sebuah aki mobil diisi dengan 2,5 A.
Berapa besarnya muatan listrik aki tersebut setelah waktu pengisian berlangsung selama 10 jam ?
Jawaban :
= I . t
= 2,5 A . 10 h = 25 Ah = 25 A . 3600 s = 90.000 As = 90.000 C
3.6 Rapat arus didalam penghantar
Percobaan :
Kawat konstantan diameter 0,2 mm dan kawat konstantan lain diameter 0,4 mm salah satu ujungnya dikopel, kedua ujung yang lain dihubungkan ke auto trafo. Arus dinaikkan sedikit demi sedikit hingga kawat mulai membara.
Gambar 1.13 Arus pada penghantar dengan luas penampang berbeda
Kawat dengan luas penampang kecil telah membara, sementara itu kawat yang luas penampangnya besar masih belum memperlihatkan reaksi panas.
Meskipun pada kedua kawat mengalir arus yang sama, penghantar dengan luas penampang kecil panasnya lebih kuat. Jadi untuk pemanasan kawat tidak hanya dipengaruhi oleh arus saja tetapi juga oleh luas penampang kawat. Semakin rapat dorongan arus didalam penghantar, semakin keras pula tumbukan yang terjadi antara elektron dengan ion-ion atom, maka pemanasannya menjadi lebih kuat. Pemanasan penghantar praktis tergantung pada kerapatan arus. Dari sinilah digunakan istilah rapat arus (simbol S).
Rapat arus
I Arus dalam A
A Luas penampang dalam mm2
S Rapat arus dalam A/mm2
Satuan rapat arus oleh karenanya adalah A/mm2
Pada penentuan penghantar logam, kumparan dan komponen-komponen lain yang berhubungan dengan pemanasan yang diijinkan pada komponen tersebut maka rapat arus merupakan suatu besaran konstruksi yang penting.
Contoh :
Sebuah penghantar tembaga dengan luas penampang 2,5 mm2 sesuai PUIL boleh dibebani dengan 16 A.
Berapa besarnya rapat arus pada penghantar tersebut ?
Jawaban : A/mm2
Gambar 1.14 Grafik arus searah
3.7. Macam-macam arus
Secara prinsip dibedakan antara arus searah, arus bolak-balik dan arus bergelombang (undulatory current).
Arus searah
Tegangan yang bekerja pada rangkaian arus tertutup selalu dengan arah yang sama, maka arus yang mengalir arahnya juga sama. Biasa disebut dengan arus searah (simbol normalisasi : ).
Arus searah adalah arus listrik yang mengalir dengan arah dan besar yang tetap/konstan.
Berarti bahwa pembawa muatannya bergerak dengan arah tertentu.
Grafik arus fungsi waktu (grafik garis)
Besarnya arus pada saat yang berbeda diperlihatkan pada suatu grafik (grafik arus fungsi waktu). Untuk maksud ini sumbu horisontal sebagai waktu (misal 1s, 2s, 3s dst.) dan sumbu vertikal sebagai arusnya (misal 1A, 2A, 3A dst.)
Besarnya arus yang sekarang ditetapkan pada 1, 2 atau 3 sekon, untuk masing-masing waktu yang berlaku ditarik garis lurus keatas atau kebawah (lihat gambar 1.14). Kita hubungkan titik yang sesuai dengan suatu garis, dengan demikian maka didapatkan suatu grafik arus fungsi waktu (grafik garis). Gambar grafik seperti ini dapat dibuat secara jelas dengan suatu oscilloscope.
Arus bolak-balik
Tegangan pada suatu rangkaian arus, arahnya berubah-ubah dengan suatu irama/ritme tertentu, dengan demikian maka arah dan besarnya arus selalu berubah-ubah pula. Biasa disebut arus bolak-balik (simbol normalisasi : ).
Arus bolak-balik adalah arus yang secara periodik berubah-ubah baik arah maupun besarnya.
Berarti bahwa elektron bebasnya bergerak maju dan mundur.
Gambar 1.15
Grafik arus bolak-balik
Disini pada arus bolak-balik, sebagaimana digunakan didalam praktik, arahnya selalu berubah-ubah (misalnya 50 kali tiap sekon), elektron-elektron didalam penghantar kawat hanya sedikit berayun/bergerak maju dan mundur.
Arus bergelombang
Suatu arus yang besarnya selalu berubah, tetapi arah arus tersebut tetap konstan, maka dalam hal ini berhubungan dengan suatu arus yang terdiri atas sebagian arus searah dan sebagian yang lain berupa arus bolak-balik. Biasa disebut sebagai arus bergelombang (undulatory current).
Arus bergelombang adalah suatu arus yang terdiri atas sebagian arus searah dan sebagian arus bolak-balik.
Salah satu bentuk lain dari arus bergelombang yang sering ditemukan dalam praktik yaitu berupa pulsa arus searah (lihat gambar 1.16a)
3.8. Reaksi arus listrik
Arus hanya dapat diketahui dan ditetapkan melalui reaksi atau efek yang ditimbulkannya.
Reaksi panas
Arus listrik selalu memanasi penghantarnya.
Didalam kawat logam misalnya, elektron-elektron saling bertumbukan dengan ion-ion atom, bersamaan dengan itu elektron tersebut memberikan sebagian energi geraknya kepada ion-ion atom dan memperkuat asutan panas ion-ion atom, yang berhubungan dengan kenaikan temperatur.
Penggunaan reaksi panas arus listrik ini misalnya pada open pemanas, solder, kompor, seterika dan sekering lebur.
Reaksi cahaya
Pada lampu pijar reaksi panas arus listrik mengakibatkan kawat membara dan dengan demikian menjadi bersinar, artinya sebagai efek samping dari cahaya.
Gas seperti neon, argon atau uap mercury dipicu/diprakarsai oleh arus listrik sehingga menjadi bersinar.
Reaksi cahaya secara langsung ini ditemukan pada penggunaan tabung cahaya, lampu mercury, lampu neon dan lampu indikator (negative glow lamp).
Reaksi kemagnitan
Percobaan :
Suatu magnit jarum diletakkan dekat dengan penghantar yang berarus.
Gambar 1.17
Reaksi kemagnitan arus listrik
Perhatikan : Jarum magnit disimpangkan !
Arus listrik selalu membangkitkan medan magnit.
Medan magnit melaksanakan suatu tenaga tarik terhadap besi. Medan magnit saling berpengaruh satu sama lain dan saling tolak-menolak atau tarik-menarik.
Penggunaan reaksi kemagnitan seperti ini misalnya pada motor listrik, speaker, alat ukur, pengangkat/kerekan magnit, bel, relay dan kontaktor.
Reaksi kimia arus listrik
Percobaan :
Dua buah kawat dihubungkan ke sumber tegangan arus searah (misalnya akkumulator) dan ujung-ujung yang bersih dimasukkan kedalam bejana berisi air, yang sedikit mengandung asam (misalnya ditambah asam belerang)
Gambar 1.18
Reaksi kimia arus listrik
Pada kedua kawat terbentuk gas-gas yang naik keatas. Hal tersebut berhubungan dengan hidrogen dan oksigen. Hidrogen dan oksigen merupakan unsur-unsur kimia dari air. Jadi air terurai dengan perantaraan arus listrik.
Arus listrik menguraikan zat cair yang bersifat penghantar.
Penggunaan reaksi kimia arus listrik yaitu dapat ditemukan pada elektrolisa, pada galvanisasi, pada pengisian akkumulator.
Reaksi pada makhluk hidup
Dengan persyaratan tertentu, misalkan seseorang menyentuh dua buah penghantar listrik tanpa isolasi, maka arus dapat mengalir melalui tubuh manusia. Arus listrik tersebut membangkitkan atau bahkan menimbulkan “sentakan/sengatan listrik”
Pada penyembuhan secara listrik, arus digunakan untuk memberikan kejutan listrik (electro shock).
4. Tegangan listrik
Elektron-elektron untuk bergeraknya memerlukan suatu mesin penggerak, yang mirip dengan sebuah pompa, dimana pada salah satu sisi rangkaian listrik elektron-elektronnya “didorong kedalam”, bersamaan dengan itu pada sisi yang lain “menarik” elektron-elektron. Mesin ini selanjutnya disebut sebagai pembangkit tegangan atau sumber tegangan.
Dengan demikian pada salah satu klem dari sumber tegangan kelebihan elektron (kutub ), klem yang lainnya kekurangan elektron (kutub ). Maka antara kedua klem terdapat suatu perbedaan penempatan elektron. Keadaan seperti ini dikenal sebagai tegangan (lihat gambar 1.19).
Tegangan listrik U adalah merupakan perbedaan penempatan elektron-elektron antara dua buah titik.
Gambar 1.19 Sumber tegangan
Satuan SI yang ditetapkan untuk tegangan adalah Volt
Simbol formula untuk tegangan adalah U
Simbol satuan untuk Volt adalah V
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 MV = 1 Megavolt = 1000000 V = 106 V
1 kV = 1 Kilovolt = 1000 V = 103 V
1 mV = 1 Millivolt = 1/1000 V = 10-3 V
1 V = 1 Mikrovolt = 1/1000000 V = 10-6 V
Ketetapan satuan SI untuk 1V didefinisikan dengan bantuan daya listrik.
Pada rangkaian listrik dibedakan beberapa macam tegangan, yaitu tegangan sumber dan tegangan jatuh (lihat gambar 1.20).
Gambar 1.20 Tegangan sumber dan tegangan jatuh pada suatu rangkaian
Tegangan sumber (simbol Us) adalah tegangan yang dibangkitkan didalam sumber tegangan.
Dan dengan demikian maka tegangan sumber merupakan penyebab atas terjadinya aliran arus.
Tegangan sumber didistribusikan ke seluruh rangkaian listrik dan digunakan pada masing-masing beban. Serta disebut juga sebagai : "Tegangan jatuh pada beban."
Dari gambar 1.20, antara dua titik yang manapun pada rangkaian arus, misal antara titik 1 dan 2 atau antara titik 2 dan 3, maka hanya merupakan sebagian tegangan sumber yang efektip. Bagian tegangan ini disebut tegangan jatuh atau tegangan saja.
Tegangan jatuh atau secara umum tegangan (simbol U) adalah tegangan yang digunakan pada beban.
4.1. Potensial
Kita tempatkan elektron-elektron pada bola logam berlawanan dengan bumi, maka antara bola dan bumi terdapat perbedaan penempatan elektron-elektron, yang berarti suatu tegangan.
Tegangan antara benda padat yang bermuatan dengan bumi atau titik apa saja yang direkomendasi disebut potensial (simbol : ).
Satuan potensial adalah juga Volt. Tetapi sebagai simbol formula untuk potensial digunakan huruf Yunani (baca : phi).
Bumi mempunyai potensial = 0 V.
Gambar 1.21 Potensial
Potensial bola menjadi positip terhadap bumi, jika elektron-elektron bola diambil (misal 1 = +10 V, lihat gambar 1.21).
Potensial bola menjadi negatip terhadap bumi, jika ditambahkan elektron-elektron pada bola (misal 2 = 3 V).
Potensial selalu mempunyai tanda.
Jika suatu bola 1 = +10 V dan yang lain 2 = 3 V (gambar 1.21), maka antara dua buah bola tersebut terdapat suatu perbedaan penempatan elektron-elektron dan dengan demikian maka besarnya tegangan dapat ditentukan dengan aturan sebagai berikut :
U = 1 2 = +10 V (3 V) = +10 V + 3 V = 13 V
Dalam hal ini bola bermuatan positip dibuat dengan tanda kutub plus dan bola bermuatan negatip dengan kutub minus.
Gambar 1.22 Potensial dan tegangan
Suatu tegangan antara dua buah titik dinyatakan sebagai perbedaan potensial titik-titik tersebut.
Tegangan = perbedaan potensial (potensial difference)
Contoh :
Dua buah titik pada suatu rangkaian arus terdapat potensial 1 = +10 V dan 2 = +5 V.
Berapa besarnya tegangan antara kedua titik tersebut ?
Jawaban : U = 1 2 = 10 V 5 V = 5 V
4.2. Arah tegangan
Tegangan selalu mempunyai arah reaksi tertentu, yang dapat digambarkan melalui suatu anak panah tegangan. Normalisasi anak panah tegangan untuk arah tegangan positip ditunjukkan dari potensial tinggi (misalnya kutub plus) menuju ke potensial rendah (misal kutub minus), dalam hal ini memperlihatkan potensial tingginya adalah positip dan potensial rendahnya adalah negatip.
Contoh :
Pada gambar 1.23 diberikan bermacam-macam potensial. Bagaimana arah masing-masing tegangan ?
Gambar 1.23 Anak panah tegangan pada potensial yang diberikan
Untuk menentukan rangkaian arus sangatlah tepat menggunakan normalisasi ketetapan arah tersebut.
Pada pelaksanaan praktiknya hal ini berarti :
Anak panah tegangan untuk sumber tegangan adalah mengarah dari kutub plus menuju ke kutub minus.
Anak panah tegangan untuk tegangan jatuh adalah searah dengan arah arus secara teknik, disini arus selalu mengalir dari potensial tinggi menuju ke potensial rendah (gambar 1.24).
5. Tahanan listrik (Resistor)
Gerakan pembawa muatan dengan arah tertentu di bagian dalam suatu penghantar terhambat oleh terjadinya tumbukan dengan atom-atom (ion-ion atom) dari bahan penghantar tersebut. "Perlawanan" penghantar terhadap pelepasan arus inilah disebut sebagai tahanan (gambar 1.25).
Gambar 1.25 Gerakan elektron didalam penghantar logam
Satuan SI yang ditetapkan untuk tahanan listrik adalah Ohm.
Simbol formula untuk tahanan listrik adalah R
Simbol satuan untuk Ohm yaitu (baca: Ohm). adalah huruf Yunani Omega.
Satuan SI yang ditetapkan 1 didefinisikan dengan aturan sbb. :
1 Ohm adalah sama dengan tahanan yang dengan perantaraan tegangan 1 V mengalir kuat arus sebesar 1 A.
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 M = 1 Megaohm = 1000000 = 106
1 k = 1 Kiloohm = 1000 = 103
1 m = 1 Milliohm = 1/1000 = 10-3
5.1. Tahanan jenis (spesifikasi tahanan)
Percobaan :
Penghantar bermacam-macam bahan (tembaga, alumunium, besi baja) dengan panjang dan luas penampang sama berturut-turut dihubung ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan.
Percobaan memperlihatkan bahwa besarnya arus listrik masing-masing bahan berlawanan dengan tahanannya. Tahanan ini tergantung pada susunan bagian dalam bahan yang bersangkutan (kerapatan atom dan jumlah elektron bebas) dan disebut sebagai tahanan jenis (spesifikasi tahanan).
Gambar 1.26
Perbandingan tahanan suatu penghantar:
a) Tembaga
b) Alumunium
c) Besi baja
Simbol formula untuk tahanan jenis adalah (baca: rho). adalah huruf abjad Yunani.
Untuk dapat membandingkan bermacam-macam bahan, perlu bertitik tolak pada kawat dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm2, dalam hal ini tahanan diukur pada suhu 20 OC.
Tahanan jenis suatu bahan penghantar menunjukkan bahwa angka yang tertera adalah sesuai dengan nilai tahanannya untuk panjang 1 m, luas penampang 1 mm2 dan pada temperatur 20 OC
Satuan tahanan jenis adalah
Sebagai contoh, besarnya tahanan jenis untuk :
tembaga = 0,0178 .mm2/m
alumunium = 0,0278 .mm2/m
perak = 0,016 .mm2/m
Untuk nilai yang lain dapat dilihat pada tabel (lihat lampiran 1)
5.2. Tahanan listrik suatu penghantar
Percobaan :
Bermacam-macam penghantar berturut-turut dihubungkan ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan.
a) Panjang penghantar berbeda
Gambar 1.27 Rangkaian arus dengan panjang penghantar berbeda
b) Luas penampang berbeda
Gambar 1.28 Rangkaian arus dengan luas penampang penghantar berbeda
c) Bahan penghantar berbeda
Gambar 1.29 Rangkaian arus dengan bahan penghantar berbeda
Dari percobaan diatas terlihat bahwa :
Tahanan listrik suatu penghantar R semakin besar,
a) jika penghantar l semakin panjang
b) jika luas penampang A semakin kecil
c) jika tahanan jenis semakin besar.
Ketergantungan tahanan terhadap panjang penghantar dapat dijelaskan disini, bahwa gerakan elektron didalam penghantar yang lebih panjang mendapat rintangan lebih kuat dibanding pada penghantar yang lebih pendek.
Dalam hal jumlah elektron-elektron yang bergerak dengan jumlah sama, maka pada penghantar dengan luas penampang lebih kecil terjadi tumbukan yang lebih banyak, berarti tahanannya bertambah.
Bahan dengan tahanan jenis lebih besar, maka jarak atomnya lebih kecil dan jumlah elektron-elektron bebasnya lebih sedikit, sehingga menghasilkan tahanan listrik yang lebih besar.
Ketergantungan tahanan listrik tersebut dapat diringkas dalam bentuk rumus sebagai berikut :
Ditulis dengan simbol formula :
Tahanan penghantar
R tahanan penghantar dalam
tahanan jenis dalam .mm2/m
l panjang penghantar dalam m
A luas penampang dalam mm2
Persamaan diatas dapat ditransfer kedalam bermacam-macam besaran.
Dengan demikian secara perhitungan dimungkinkan juga untuk menentukan panjang penghantar, tahanan jenis dan luas penampang.
Panjang penghantar
Tahanan jenis
Luas penampang
Melalui penempatan satuan kedalam persamaan tahanan jenis, maka diperoleh satuan tahanan jenis.
Kita potong-potong suatu benda padat, misalnya tembaga, kedalam bagian-bagian yang selalu lebih kecil, dengan demikian maka pada akhirnya kita dapatkan suatu atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani dan berarti “tidak dapat dibagi”.
Dalam beberapa waktu kemudian barulah dapat ditemukan buktinya melalui percobaan, bahwa benda padat tersusun atas atom. Dari banyak hasil percobaan ahli fisika seperti Rutherford dan Bohr menarik kesimpulan, bahwa suatu atom harus tersusun mirip seperti sistim tata surya kita (gambar 1.1).
Gambar 1.1 Model sistim tata surya
Dari gambaran model ini atom terdiri atas matahari sebagai inti atom dan disekitar inti pada lintasan berbentuk lingkaran atau ellips beredar planet sebagai elektron-elektron. Lintasannya mengelilingi inti dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kulit elektron (gambar 1.2).
Gambar 1.2 Model atom
Elektron-elektron pada kulit terluar disebut elektron valensi, mereka terletak paling jauh dari inti dan oleh karena itu paling baik untuk dipengaruhi dari luar.
2. Muatan listrik - Pembawa muatan
Elektron mengelilingi inti atom dengan kecepatan yang sangat tinggi (kira-kira 2200 km/det.). Pada gerakan melingkar, meski berat elektron tidak seberapa, maka disini harus bertindak suatu gaya sentrifugal yang relatip besar, yang bekerja dan berusaha untuk melepaskan elektron keluar dari lintasannya. Sekarang tenaga apakah yang menahan elektron tetap pada lintasannya mengitari inti ?
Tenaga yang menahan bumi tetap pada lintasannya adalah grafitasi. Grafitasi antara elektron-elektron dan inti atom belum mencukupi, sebagaimana terbukti secara perhitungan, dan tidak dapat menahan elektron-elektron yang terjauh untuk tetap pada lintasannya. Oleh karena itu disini harus bertindak suatu tenaga lain, yaitu tenaga listrik.
Diantara inti atom dan elektron terdapat tenaga listrik.
Tenaga listrik semacam ini sederhana membuktikannya. Kita gosokkan penggaris mika (bahan sintetis/plastik) dengan suatu kain wol, maka pada bahan ini bekerja suatu gaya tarik terhadap kertas, yang pada prinsipnya lebih besar daripada tenaga grafitasi.
Yang bertanggung jawab terhadap tenaga listrik kita sebut muatan listrik.
Terhadap inti atom, elektron bersifat menjalankan suatu tenaga listrik. Jadi elektron memiliki muatan listrik. Kita katakan elektron sebagai suatu pembawa muatan.
Oleh karena inti atom juga mempunyai sifat menjalankan tenaga listrik, maka inti atom juga mempunyai muatan listrik.
Hal ini terbukti bahwa elektron-elektron tidak saling tarik-menarik, melainkan tolak-menolak. Demikian pula tingkah laku inti atom (gambar 1.3).
Gambar 1.3 Efek dinamis antara: a) inti atom dan elektron
b) elektron-elektron
c) inti-inti atom
Oleh karena elektron-elektron saling tolak-menolak, inti atom dan elektron saling tarik-menarik, maka inti atom harus berbeda muatan dengan elektron, artinya membawa suatu jenis muatan yang berbeda dengan muatan elektron.
Muatan inti atom dinamakan muatan positip dan muatan elektron dinamakan muatan negatip. Dengan demikian untuk muatan listrik berlaku :
Muatan-muatan yang sama saling tolak-menolak, muatan-muatan yang berbeda saling tarik-menarik.
Gambar 1.4 Efek dinamis muatan-muatan listrik
2.1. Atom netral - Susunan atom
Atom hidrogen memperlihatkan susunan yang paling sederhana. Terdiri atas sebuah elektron dan sebuah proton (biasa disebut inti atom).
Elektron sebagai pembawa muatan listrik terkecil dinamakan muatan elementer.
Elektron adalah pembawa muatan elementer negatip, proton merupakan pembawa muatan elementer positip.
Gambar 1.5 Gambar skema atom:
a) atom hidrogen
b) atom karbon
Muatan elementer negatip elektron sama besarnya dengan muatan elementer positip proton. Oleh karenanya muatan-muatan atom memiliki pengaruh yang persis sama. Atom secara listrik bersifat netral.
Atom netral terdiri atas muatan positip yang sama banyaknya dengan muatan negatip.
Atom karbon misalnya memiliki 6 elektron dan juga 6 proton. Selain proton inti atom juga mengandung bagian yang secara listrik bersifat netral, yang biasa disebut dengan netron. Proton dan netron menentukan berat atom yang sebenarnya .
Atom yang lain semuanya berjumlah 103 buah dengan susunan yang hampir sama. Pembagian elektron pada lintasan elektron berdasarkan pada aturan tertentu. Namun jumlah elektron tetap selalu sama dengan jumlah proton.
2.2. Ion
Atom kehilangan sebuah elektron, dengan demikian maka atom tersebut memiliki lebih banyak muatan positipnya daripada muatan negatip. Atom yang secara utuh bermuatan positip, melaksanakan suatu reaksi listrik, yaitu menarik muatan negatip.
Atom yang ditambah/diberi sebuah elektron, maka secara utuh dia bermuatan negatip dan menarik muatan positip.
Atom yang bermuatan seperti ini sebaliknya dapat juga menarik muatan yang berbeda, berarti atom tersebut bergerak. Atas dasar inilah maka atom seperti ini dinamakan ion (ion = berjalan, bhs. Yunani).
Atom bermuatan positip maupun negatip atau kumpulan atom disebut ion.
Gambar 1.6
Skema pembentukan ion
Dapat disimpulkan bahwa :
Kelebihan elektron menghasilkan muatan negatip, kekurangan elektron menghasilkan muatan positip.
3. Arus listrik
Arus listrik pada dasarnya merupakan gerakan muatan secara langsung.
Pembawa muatan dapat berupa elektron-elektron maupun ion-ion.
Arus listrik hanya dapat mengalir pada bahan yang didalamnya tersedia pembawa muatan dengan jumlah yang cukup dan bebas bergerak.
3.1. Penghantar, bukan penghantar, semi penghantar
3.1.1. Penghantar - Mekanisme penghantar
Bahan yang memiliki banyak pembawa muatan yang bebas bergerak dinamakan penghantar.
Kita bedakan antara :
Penghantar elektron
Yang termasuk didalamnya yaitu logam seperti misalnya tembaga, alumunium, perak, emas, besi dan juga arang.
Atom logam membentuk sesuatu yang disebut struktur logam. Dimana setiap atom logam memberikan semua elektron valensinya (elektron-elektron pada lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positip.
Gambar 1.7
Kisi-kisi ruang suatu logam dengan awan elektron
Ion-ion menempati ruang dengan jarak tertentu serta sama antara satu dengan yang lain dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kisi-kisi ruang atau pola geometris atom-atom (gambar 1.7).
Elektron-elektron bergerak seperti suatu awan atau gas diantara ion-ion yang diam dan oleh karenanya bergerak relatip ringan didalam kisi-kisi ruang.
Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Awan elektron bermuatan negatip praktis termasuk juga didalamnya ion-ion atom yang bermuatan positip.
Sepotong tembaga dengan panjang sisinya 1 cm memiliki kira-kira 1023 (yaitu satu dengan 23 nol) elektron bebas. Melalui tekanan listrik dengan arah tertentu, yang dalam teknik listrik dikenal sebagai tegangan, elektron-elektron bebas dalam penghantar digiring melalui kisi-kisi (gb. 1.8). Dengan demikian elektron-elektron penghantar mentransfer muatan negatipnya dengan arah tertentu. Biasa disebut sebagai arus listrik.
Dapat disimpulkan bahwa :
Arus listrik (arus elektron) dalam suatu penghantar logam adalah merupakan gerakan elektron bebas pada bahan penghantar dengan arah tertentu. Gerakan muatan tidak mengakibatkan terjadinya perubahan karakteristik bahan.
Gambar 1.8
Mekanisme penghantar logam
Kecepatan arus tergantung pada rapat arus (lihat bagian 3.6). Penghantar logam dengan beban biasa maka kecepatan elektronnya hanya sebesar 3 mm/detik, tetapi gerakan elektron tersebut menyebarkan impuls tumbukan mendekati dengan kecepatan cahaya c=300.000 km/detik. Oleh karenanya dibedakan disini antara kecepatan impuls dan kecepatan elektron.
Contoh :
a) Berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh elektron pada suatu penghantar kawat untuk kembali ke tempatnya semula ? Panjang kawat =1200 m dengan kecepatan sedang =3 mm/s
b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan impuls untuk jarak yang sama ?
Jawaban : a) Kecepatan: ; Waktu:
b)
Penghantar ion
Termasuk disini yaitu elektrolit (zat cair yang menghantarkan arus), peleburan (misal peleburan alumunium) dan ionisasi gas. Sebagai pembawa muatan dalam hal ini adalah ion positip dan ion negatip. Biasa disebut sebagai arus ion.
Arus listrik (arus ion) didalam suatu elektrolit, peleburan atau ionisasi gas adalah merupakan gerakan terarah ion-ion bahan/zat cair. Dalam hal ini termasuk juga sebagai transfer bahan/zat.
3.1.2. Bukan penghantar
Bahan yang hanya memiliki sedikit pembawa muatan dan terikat dalam molekul tersendiri, dinamakan bahan bukan penghantar.
Termasuk dalam hal ini yaitu bahan padat, seperti bahan sintetis, karet, kaca, porselen, lak, kertas, sutera, asbes, dan zat cair, seperti air murni, oli, fet, dan juga ruang hampa termasuk disini gas (juga udara) dengan aturan tertentu. Bahan-bahan tersebut sebagian juga dikenal sebagai bahan isolasi, dengan demikian maka dapat mengisolasi bahan yang berarus listrik.
3.1.3. Semi penghantar
Semi penghantar adalah bahan yang setelah mendapat pengaruh dari luar maka elektron valensinya lepas dan dengan demikian mampu menghantarkan listrik.
Termasuk disini yaitu silisium, selenium, germanium dan karbon oksida.
Pada temperatur rendah, elektron valensi bahan tersebut terikat sedemikian rupa sehingga tidak ada elektron bebas didalam kisi-kisi. Jadi dalam hal ini dia bukan sebagai bahan penghantar.
Melalui pemanasan, sebagian elektron terlepas dari lintasannya, dan menjadi elektron yang bergerak dengan bebas. Dengan demikian maka menjadi suatu penghantar. Juga melalui pengaruh yang lainnya, seperti misalnya cahaya dan medan magnit mengakibatkan perubahan sifat kelistrikan bahan semi penghantar.
Gambar 1.9
Model suatu rangkaian arus
3.2. Rangkaian listrik
Peralatan listrik secara umum disebut sebagai beban/pemakai, terhubung dengan sumber tegangan melalui suatu penghantar, yang terdiri atas dua buah penghantar, yaitu penghantar masuk dan penghantar keluar (gambar 1.9). Penanggung jawab adanya arus yaitu elektron-elektron bebas, bergerak dari pembangkit tegangan kembali ke tempatnya semula melalui jalan yang tertutup, yang biasa disebut sebagai rangkaian arus.
Rangkaian arus listrik sederhana terdiri atas pembangkit tegangan, beban termasuk disini kabel penghubung (penghantar masuk dan penghantar keluar).
Untuk diketahui bahwa :
Arus listrik hanya dapat mengalir dalam suatu rangkaian penghantar tertutup.
Dengan memasang sebuah saklar pada rangkaian, arus listrik dapat dihubung atau diputus sesuai keinginan.
Gambar secara nyata suatu rangkaian arus sebagaimana ditunjukkan diatas terlihat sangat rumit, dalam praktiknya digunakanlah skema dengan normalisasi simbol yang sederhana, yang biasa dikenal sebagai diagram rangkaian. Skema menjelaskan hubungan antara komponen-komponen yang ada pada suatu rangkaian.
Gambar 1.10
Skema rangkaian arus sederhana
3.3. Arah arus
3.3.1. Arah arus elektron
Kita buat suatu rangkaian arus listrik tertutup, dengan demikian didapatkan suatu proses sebagai berikut :
Pada kutub negatip pembangkit tegangan (kelebihan elektron), elektron bebas pada ujung penghantar didorong menuju beban. Pada kutub positip (kekurangan elektron) elektron bebas pada ujung penghantar yang lain tertarik. Dengan demikian secara umum terjadi arus elektron dengan arah tertentu.
Gambar 1.11 Arah arus elektron
Arus elektron mengalir dari kutub negatip pembangkit tegangan melalui beban menuju kutub positip.
3.3.2. Arah arus secara teknik
Pengetahuan teori elektron zaman dulu menduga bahwa sebagai penanggung jawab terhadap mekanisme penghantaran didalam logam adalah pembawa muatan positip dan oleh karenanya arus mengalir dari kutub positip melalui beban menuju kutub negatip. Jadi berlawanan dengan arus elektron yang sebenarnya sebagaimana diutarakan dimuka. Meskipun pada saat ini telah dibuktikan adanya kekeliruan anggapan pada mulanya, namun didalam teknik listrik untuk praktisnya anggapan arah arus tersebut tetap dipertahankan. Sehingga ditemui adanya perbedaan antara arah arus elektron terhadap arah arus secara teknik atau secara umum juga disebut arah arus.
Arus listrik mengalir dari kutub positip pembangkit tegangan melalui beban menuju kutub negatip.
Gambar 1.12 Arah arus elektron dan
Arah arus secara teknik
3.4. Kuat arus
Semakin banyak elektron-elektron yang mengalir melalui suatu penghantar dalam tiap detiknya, maka semakin besar pula kekuatan arus listriknya, biasa disebut kuat arus.
Arus sebanyak 6,24 triliun elektron (6,24 • 1018) tiap detik pada luas penampang penghantar, maka hal ini dikenal sebagai kuat arus 1 Ampere.
Dengan demikian dapat dikatakan :
Ampere adalah satuan dasar yang sah untuk kuat arus listrik
Sudah menjadi kebiasaan dalam keteknikan, supaya lebih sederhana maka besaran-besaran teknik seperti misalnya kuat arus diganti dengan simbol formula dan demikian pula untuk simbol nama satuan (simbol satuan).
Simbol formula untuk kuat arus adalah I
Simbol satuan untuk Ampere adalah A
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 kA = 1 Kiloampere = 1000 A = 103 A
1 mA = 1 Milliampere = 1/1000 A = 10-3 A
1 A = 1 Mikroampere = 1/1000000 A = 10-6 A
Pada “undang-undang tentang besaran dalam hal pengukuran” sejak 2 Juli 1969 kuat arus listrik ditetapkan sebagai besaran dasar dan untuk satuan dasar 1 Ampere didefinisikan dengan bantuan reaksi tenaga arus tersebut
Kuat arus dalam teknik listrik berkisar pada jarak yang sangat luas :
Lampu pijar : 100 s.d. 1000 mA
Motor listrik : 1 sampai 1000 A
Peleburan : 10 s.d. 100 kA
Pesawat telepon : beberapa A
3.5. Muatan listrik
Jumlah muatan elementer (biasanya pada peristiwa kelistrikan turut serta bermilyar-milyar elektron dan dengan demikian berarti muatan elementer) menghasilkan suatu muatan listrik tertentu (simbol formula ).
Satuan muatan listrik ditetapkan 1 Coulomb (simbol C). Dalam hal ini berlaku :
1 C = 6,24 . 1018 muatan elementer
Sebelumnya telah dijelaskan bahwa
berarti : Kuat arus
Kita uraikan persamaan tersebut kedalam , sehingga menjadi = I . t
Dengan demikian faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya muatan listrik ditentukan oleh arus I dan waktu t.
Dalam pada itu kita pasang arus I dalam A dan waktu t dalam s, sehingga diperoleh satuan muatan listrik adalah 1 As, yang berarti sama dengan 1 C.
1 Coulomb = 1 Ampere sekon
1 C = 1 As
Contoh :
Sebuah aki mobil diisi dengan 2,5 A.
Berapa besarnya muatan listrik aki tersebut setelah waktu pengisian berlangsung selama 10 jam ?
Jawaban :
= I . t
= 2,5 A . 10 h = 25 Ah = 25 A . 3600 s = 90.000 As = 90.000 C
3.6 Rapat arus didalam penghantar
Percobaan :
Kawat konstantan diameter 0,2 mm dan kawat konstantan lain diameter 0,4 mm salah satu ujungnya dikopel, kedua ujung yang lain dihubungkan ke auto trafo. Arus dinaikkan sedikit demi sedikit hingga kawat mulai membara.
Gambar 1.13 Arus pada penghantar dengan luas penampang berbeda
Kawat dengan luas penampang kecil telah membara, sementara itu kawat yang luas penampangnya besar masih belum memperlihatkan reaksi panas.
Meskipun pada kedua kawat mengalir arus yang sama, penghantar dengan luas penampang kecil panasnya lebih kuat. Jadi untuk pemanasan kawat tidak hanya dipengaruhi oleh arus saja tetapi juga oleh luas penampang kawat. Semakin rapat dorongan arus didalam penghantar, semakin keras pula tumbukan yang terjadi antara elektron dengan ion-ion atom, maka pemanasannya menjadi lebih kuat. Pemanasan penghantar praktis tergantung pada kerapatan arus. Dari sinilah digunakan istilah rapat arus (simbol S).
Rapat arus
I Arus dalam A
A Luas penampang dalam mm2
S Rapat arus dalam A/mm2
Satuan rapat arus oleh karenanya adalah A/mm2
Pada penentuan penghantar logam, kumparan dan komponen-komponen lain yang berhubungan dengan pemanasan yang diijinkan pada komponen tersebut maka rapat arus merupakan suatu besaran konstruksi yang penting.
Contoh :
Sebuah penghantar tembaga dengan luas penampang 2,5 mm2 sesuai PUIL boleh dibebani dengan 16 A.
Berapa besarnya rapat arus pada penghantar tersebut ?
Jawaban : A/mm2
Gambar 1.14 Grafik arus searah
3.7. Macam-macam arus
Secara prinsip dibedakan antara arus searah, arus bolak-balik dan arus bergelombang (undulatory current).
Arus searah
Tegangan yang bekerja pada rangkaian arus tertutup selalu dengan arah yang sama, maka arus yang mengalir arahnya juga sama. Biasa disebut dengan arus searah (simbol normalisasi : ).
Arus searah adalah arus listrik yang mengalir dengan arah dan besar yang tetap/konstan.
Berarti bahwa pembawa muatannya bergerak dengan arah tertentu.
Grafik arus fungsi waktu (grafik garis)
Besarnya arus pada saat yang berbeda diperlihatkan pada suatu grafik (grafik arus fungsi waktu). Untuk maksud ini sumbu horisontal sebagai waktu (misal 1s, 2s, 3s dst.) dan sumbu vertikal sebagai arusnya (misal 1A, 2A, 3A dst.)
Besarnya arus yang sekarang ditetapkan pada 1, 2 atau 3 sekon, untuk masing-masing waktu yang berlaku ditarik garis lurus keatas atau kebawah (lihat gambar 1.14). Kita hubungkan titik yang sesuai dengan suatu garis, dengan demikian maka didapatkan suatu grafik arus fungsi waktu (grafik garis). Gambar grafik seperti ini dapat dibuat secara jelas dengan suatu oscilloscope.
Arus bolak-balik
Tegangan pada suatu rangkaian arus, arahnya berubah-ubah dengan suatu irama/ritme tertentu, dengan demikian maka arah dan besarnya arus selalu berubah-ubah pula. Biasa disebut arus bolak-balik (simbol normalisasi : ).
Arus bolak-balik adalah arus yang secara periodik berubah-ubah baik arah maupun besarnya.
Berarti bahwa elektron bebasnya bergerak maju dan mundur.
Gambar 1.15
Grafik arus bolak-balik
Disini pada arus bolak-balik, sebagaimana digunakan didalam praktik, arahnya selalu berubah-ubah (misalnya 50 kali tiap sekon), elektron-elektron didalam penghantar kawat hanya sedikit berayun/bergerak maju dan mundur.
Arus bergelombang
Suatu arus yang besarnya selalu berubah, tetapi arah arus tersebut tetap konstan, maka dalam hal ini berhubungan dengan suatu arus yang terdiri atas sebagian arus searah dan sebagian yang lain berupa arus bolak-balik. Biasa disebut sebagai arus bergelombang (undulatory current).
Arus bergelombang adalah suatu arus yang terdiri atas sebagian arus searah dan sebagian arus bolak-balik.
Salah satu bentuk lain dari arus bergelombang yang sering ditemukan dalam praktik yaitu berupa pulsa arus searah (lihat gambar 1.16a)
3.8. Reaksi arus listrik
Arus hanya dapat diketahui dan ditetapkan melalui reaksi atau efek yang ditimbulkannya.
Reaksi panas
Arus listrik selalu memanasi penghantarnya.
Didalam kawat logam misalnya, elektron-elektron saling bertumbukan dengan ion-ion atom, bersamaan dengan itu elektron tersebut memberikan sebagian energi geraknya kepada ion-ion atom dan memperkuat asutan panas ion-ion atom, yang berhubungan dengan kenaikan temperatur.
Penggunaan reaksi panas arus listrik ini misalnya pada open pemanas, solder, kompor, seterika dan sekering lebur.
Reaksi cahaya
Pada lampu pijar reaksi panas arus listrik mengakibatkan kawat membara dan dengan demikian menjadi bersinar, artinya sebagai efek samping dari cahaya.
Gas seperti neon, argon atau uap mercury dipicu/diprakarsai oleh arus listrik sehingga menjadi bersinar.
Reaksi cahaya secara langsung ini ditemukan pada penggunaan tabung cahaya, lampu mercury, lampu neon dan lampu indikator (negative glow lamp).
Reaksi kemagnitan
Percobaan :
Suatu magnit jarum diletakkan dekat dengan penghantar yang berarus.
Gambar 1.17
Reaksi kemagnitan arus listrik
Perhatikan : Jarum magnit disimpangkan !
Arus listrik selalu membangkitkan medan magnit.
Medan magnit melaksanakan suatu tenaga tarik terhadap besi. Medan magnit saling berpengaruh satu sama lain dan saling tolak-menolak atau tarik-menarik.
Penggunaan reaksi kemagnitan seperti ini misalnya pada motor listrik, speaker, alat ukur, pengangkat/kerekan magnit, bel, relay dan kontaktor.
Reaksi kimia arus listrik
Percobaan :
Dua buah kawat dihubungkan ke sumber tegangan arus searah (misalnya akkumulator) dan ujung-ujung yang bersih dimasukkan kedalam bejana berisi air, yang sedikit mengandung asam (misalnya ditambah asam belerang)
Gambar 1.18
Reaksi kimia arus listrik
Pada kedua kawat terbentuk gas-gas yang naik keatas. Hal tersebut berhubungan dengan hidrogen dan oksigen. Hidrogen dan oksigen merupakan unsur-unsur kimia dari air. Jadi air terurai dengan perantaraan arus listrik.
Arus listrik menguraikan zat cair yang bersifat penghantar.
Penggunaan reaksi kimia arus listrik yaitu dapat ditemukan pada elektrolisa, pada galvanisasi, pada pengisian akkumulator.
Reaksi pada makhluk hidup
Dengan persyaratan tertentu, misalkan seseorang menyentuh dua buah penghantar listrik tanpa isolasi, maka arus dapat mengalir melalui tubuh manusia. Arus listrik tersebut membangkitkan atau bahkan menimbulkan “sentakan/sengatan listrik”
Pada penyembuhan secara listrik, arus digunakan untuk memberikan kejutan listrik (electro shock).
4. Tegangan listrik
Elektron-elektron untuk bergeraknya memerlukan suatu mesin penggerak, yang mirip dengan sebuah pompa, dimana pada salah satu sisi rangkaian listrik elektron-elektronnya “didorong kedalam”, bersamaan dengan itu pada sisi yang lain “menarik” elektron-elektron. Mesin ini selanjutnya disebut sebagai pembangkit tegangan atau sumber tegangan.
Dengan demikian pada salah satu klem dari sumber tegangan kelebihan elektron (kutub ), klem yang lainnya kekurangan elektron (kutub ). Maka antara kedua klem terdapat suatu perbedaan penempatan elektron. Keadaan seperti ini dikenal sebagai tegangan (lihat gambar 1.19).
Tegangan listrik U adalah merupakan perbedaan penempatan elektron-elektron antara dua buah titik.
Gambar 1.19 Sumber tegangan
Satuan SI yang ditetapkan untuk tegangan adalah Volt
Simbol formula untuk tegangan adalah U
Simbol satuan untuk Volt adalah V
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 MV = 1 Megavolt = 1000000 V = 106 V
1 kV = 1 Kilovolt = 1000 V = 103 V
1 mV = 1 Millivolt = 1/1000 V = 10-3 V
1 V = 1 Mikrovolt = 1/1000000 V = 10-6 V
Ketetapan satuan SI untuk 1V didefinisikan dengan bantuan daya listrik.
Pada rangkaian listrik dibedakan beberapa macam tegangan, yaitu tegangan sumber dan tegangan jatuh (lihat gambar 1.20).
Gambar 1.20 Tegangan sumber dan tegangan jatuh pada suatu rangkaian
Tegangan sumber (simbol Us) adalah tegangan yang dibangkitkan didalam sumber tegangan.
Dan dengan demikian maka tegangan sumber merupakan penyebab atas terjadinya aliran arus.
Tegangan sumber didistribusikan ke seluruh rangkaian listrik dan digunakan pada masing-masing beban. Serta disebut juga sebagai : "Tegangan jatuh pada beban."
Dari gambar 1.20, antara dua titik yang manapun pada rangkaian arus, misal antara titik 1 dan 2 atau antara titik 2 dan 3, maka hanya merupakan sebagian tegangan sumber yang efektip. Bagian tegangan ini disebut tegangan jatuh atau tegangan saja.
Tegangan jatuh atau secara umum tegangan (simbol U) adalah tegangan yang digunakan pada beban.
4.1. Potensial
Kita tempatkan elektron-elektron pada bola logam berlawanan dengan bumi, maka antara bola dan bumi terdapat perbedaan penempatan elektron-elektron, yang berarti suatu tegangan.
Tegangan antara benda padat yang bermuatan dengan bumi atau titik apa saja yang direkomendasi disebut potensial (simbol : ).
Satuan potensial adalah juga Volt. Tetapi sebagai simbol formula untuk potensial digunakan huruf Yunani (baca : phi).
Bumi mempunyai potensial = 0 V.
Gambar 1.21 Potensial
Potensial bola menjadi positip terhadap bumi, jika elektron-elektron bola diambil (misal 1 = +10 V, lihat gambar 1.21).
Potensial bola menjadi negatip terhadap bumi, jika ditambahkan elektron-elektron pada bola (misal 2 = 3 V).
Potensial selalu mempunyai tanda.
Jika suatu bola 1 = +10 V dan yang lain 2 = 3 V (gambar 1.21), maka antara dua buah bola tersebut terdapat suatu perbedaan penempatan elektron-elektron dan dengan demikian maka besarnya tegangan dapat ditentukan dengan aturan sebagai berikut :
U = 1 2 = +10 V (3 V) = +10 V + 3 V = 13 V
Dalam hal ini bola bermuatan positip dibuat dengan tanda kutub plus dan bola bermuatan negatip dengan kutub minus.
Gambar 1.22 Potensial dan tegangan
Suatu tegangan antara dua buah titik dinyatakan sebagai perbedaan potensial titik-titik tersebut.
Tegangan = perbedaan potensial (potensial difference)
Contoh :
Dua buah titik pada suatu rangkaian arus terdapat potensial 1 = +10 V dan 2 = +5 V.
Berapa besarnya tegangan antara kedua titik tersebut ?
Jawaban : U = 1 2 = 10 V 5 V = 5 V
4.2. Arah tegangan
Tegangan selalu mempunyai arah reaksi tertentu, yang dapat digambarkan melalui suatu anak panah tegangan. Normalisasi anak panah tegangan untuk arah tegangan positip ditunjukkan dari potensial tinggi (misalnya kutub plus) menuju ke potensial rendah (misal kutub minus), dalam hal ini memperlihatkan potensial tingginya adalah positip dan potensial rendahnya adalah negatip.
Contoh :
Pada gambar 1.23 diberikan bermacam-macam potensial. Bagaimana arah masing-masing tegangan ?
Gambar 1.23 Anak panah tegangan pada potensial yang diberikan
Untuk menentukan rangkaian arus sangatlah tepat menggunakan normalisasi ketetapan arah tersebut.
Pada pelaksanaan praktiknya hal ini berarti :
Anak panah tegangan untuk sumber tegangan adalah mengarah dari kutub plus menuju ke kutub minus.
Anak panah tegangan untuk tegangan jatuh adalah searah dengan arah arus secara teknik, disini arus selalu mengalir dari potensial tinggi menuju ke potensial rendah (gambar 1.24).
5. Tahanan listrik (Resistor)
Gerakan pembawa muatan dengan arah tertentu di bagian dalam suatu penghantar terhambat oleh terjadinya tumbukan dengan atom-atom (ion-ion atom) dari bahan penghantar tersebut. "Perlawanan" penghantar terhadap pelepasan arus inilah disebut sebagai tahanan (gambar 1.25).
Gambar 1.25 Gerakan elektron didalam penghantar logam
Satuan SI yang ditetapkan untuk tahanan listrik adalah Ohm.
Simbol formula untuk tahanan listrik adalah R
Simbol satuan untuk Ohm yaitu (baca: Ohm). adalah huruf Yunani Omega.
Satuan SI yang ditetapkan 1 didefinisikan dengan aturan sbb. :
1 Ohm adalah sama dengan tahanan yang dengan perantaraan tegangan 1 V mengalir kuat arus sebesar 1 A.
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 M = 1 Megaohm = 1000000 = 106
1 k = 1 Kiloohm = 1000 = 103
1 m = 1 Milliohm = 1/1000 = 10-3
5.1. Tahanan jenis (spesifikasi tahanan)
Percobaan :
Penghantar bermacam-macam bahan (tembaga, alumunium, besi baja) dengan panjang dan luas penampang sama berturut-turut dihubung ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan.
Percobaan memperlihatkan bahwa besarnya arus listrik masing-masing bahan berlawanan dengan tahanannya. Tahanan ini tergantung pada susunan bagian dalam bahan yang bersangkutan (kerapatan atom dan jumlah elektron bebas) dan disebut sebagai tahanan jenis (spesifikasi tahanan).
Gambar 1.26
Perbandingan tahanan suatu penghantar:
a) Tembaga
b) Alumunium
c) Besi baja
Simbol formula untuk tahanan jenis adalah (baca: rho). adalah huruf abjad Yunani.
Untuk dapat membandingkan bermacam-macam bahan, perlu bertitik tolak pada kawat dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm2, dalam hal ini tahanan diukur pada suhu 20 OC.
Tahanan jenis suatu bahan penghantar menunjukkan bahwa angka yang tertera adalah sesuai dengan nilai tahanannya untuk panjang 1 m, luas penampang 1 mm2 dan pada temperatur 20 OC
Satuan tahanan jenis adalah
Sebagai contoh, besarnya tahanan jenis untuk :
tembaga = 0,0178 .mm2/m
alumunium = 0,0278 .mm2/m
perak = 0,016 .mm2/m
Untuk nilai yang lain dapat dilihat pada tabel (lihat lampiran 1)
5.2. Tahanan listrik suatu penghantar
Percobaan :
Bermacam-macam penghantar berturut-turut dihubungkan ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan.
a) Panjang penghantar berbeda
Gambar 1.27 Rangkaian arus dengan panjang penghantar berbeda
b) Luas penampang berbeda
Gambar 1.28 Rangkaian arus dengan luas penampang penghantar berbeda
c) Bahan penghantar berbeda
Gambar 1.29 Rangkaian arus dengan bahan penghantar berbeda
Dari percobaan diatas terlihat bahwa :
Tahanan listrik suatu penghantar R semakin besar,
a) jika penghantar l semakin panjang
b) jika luas penampang A semakin kecil
c) jika tahanan jenis semakin besar.
Ketergantungan tahanan terhadap panjang penghantar dapat dijelaskan disini, bahwa gerakan elektron didalam penghantar yang lebih panjang mendapat rintangan lebih kuat dibanding pada penghantar yang lebih pendek.
Dalam hal jumlah elektron-elektron yang bergerak dengan jumlah sama, maka pada penghantar dengan luas penampang lebih kecil terjadi tumbukan yang lebih banyak, berarti tahanannya bertambah.
Bahan dengan tahanan jenis lebih besar, maka jarak atomnya lebih kecil dan jumlah elektron-elektron bebasnya lebih sedikit, sehingga menghasilkan tahanan listrik yang lebih besar.
Ketergantungan tahanan listrik tersebut dapat diringkas dalam bentuk rumus sebagai berikut :
Ditulis dengan simbol formula :
Tahanan penghantar
R tahanan penghantar dalam
tahanan jenis dalam .mm2/m
l panjang penghantar dalam m
A luas penampang dalam mm2
Persamaan diatas dapat ditransfer kedalam bermacam-macam besaran.
Dengan demikian secara perhitungan dimungkinkan juga untuk menentukan panjang penghantar, tahanan jenis dan luas penampang.
Panjang penghantar
Tahanan jenis
Luas penampang
Melalui penempatan satuan kedalam persamaan tahanan jenis, maka diperoleh satuan tahanan jenis.
Bersambung...
Sejarah Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
- Penerangan rumah: 10 lampu CFL @ 15 watt x 4 jam sehari = 600 watt hour.
- Televisi 21″: @ 100 watt x 5 jam sehari = 500 watt hour
- Kulkas 360 liter : @ 135 watt x 24 jam x 1/3 (karena compressor kulkas tidak selalu hidup, umumnya mereka bekerja lebih sering apabila kulkas lebih sering dibuka pintu) = 1080 watt hour
- Komputer : @ 150 Watt x 6 jam = 900 watt hour
- Perangkat lainnya = 400 watt hour
- Total kebutuhan daya = 3480 watt hour
Perhitungan Jumlah Panel Surya- Jumlah solar cells panel yang dibutuhkan, satu panel kita hitung 100 watt (perhitungan adalah 5 jam maksimum tenaga surya):
- Kebutuhan solar cells panel : (3480 / 100 / 5) = 7 panel surya.
Perhitungan Jumlah BateraiKeuntungan dan Kerugian Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
- Pembangkit listrik tenaga surya merupakan pembangkit listrik yang bersih dan ramah lingkungan. Pembangkit ini hanya membutuhkan cahaya matahari sebagai komponen utama penghasil energi listriknya. Selain itu, tidak ada limbah keluaran dari hasil proses pembangkitannya. Oleh karena itu, pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) dapat menggantikan pembangkit listrik lain untuk mengurangi jumlah limbah keluaran yang memiliki dampak negatif bagi lingkungan, seperti nuklir dan batubara.
- Umur pemakaian dari komponen penyusunnya, seperti sel surya, relatif panjang. Sehingga dapat dikatakan bahwa membangun pembangkit listrik tenaga surya merupakan suatu investasi jangka panjang.
- Karena bentuknya yang sederhana dan ringkas, maka pembangkit listrik tenaga surya mudah dalam pemasangan dan juga mudah dalam perawatannya.
- Jika dipasang secara individual (satu rumah satu sistem). Rumah yang berjauhan sekalipun tidak memerlukan jaringan kabel distribusi. Selin itu, gangguan pada satu sistem tidak mengganggu sistem lainnya.
Kerugian pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) :