Dasar-Dasar Ilmu Kelistrikan [PDF]

Citation preview

1



DASAR-DASAR ILMU KELISTRIKAN SANATANG, S.Pd. M.T.



MK DASAR-DASAR KELISTRIKAN PTIK JPTE FT UNM, 2014



Satuan-satuan Dasar dan Turunan  Mengukur Sudut  Satuan dan Simbol-simbol Listrik  Tegangan dan Resistansi  Hukum Ohm  Resistansi dan Resistivitas  Energi dan Daya 



SATUAN-SATUAN DASAR DAN TURUNAN



International System of Units (SI) adalah sistem satuan yang telah dibakukan untuk mendeskripsikan berbagai variabel seperti panjang, massa, dan waktu  SI ini didasarkan pada tujuh satuan dasar dan Satuan-satuan turunannya 



TABEL 1. SATUAN DASAR SI No 1 2 3 4 5 6 7 



Kuantitas Arus listrik Panjang Intensitas cahaya Massa Suhu Waktu Kerapatan zat



Singkat Satuan an ampere A meter m candela cd kilogram Kelvin detik mol



kg K s mol



0 K setara dengan -273°C dan interval sebesar 1K sama dengan interval sebesar 1°C



TABEL 2. SATUAN TURUNAN SI Satuan Turunan Kapasitansi farad Muatan coulomb Energi joule Gaya newton Frekuensi herz Iluminasi lux Induktansi henry Fluks Cahaya lumen Fluks Magnetik weber Potensial volt Daya watt Resistansi ohm Kuantitas



Singkat an F C J N Hz Lx H Lm Wb V W Ω



Kesetaraan (dalam satuan-satuan dasar) A s V-1 As Nm kg m s-1 s-1 lm m-2 V s A-1 cd sr Vs W A-1 J s-1 V A-1



CONTOH-CONTOH 1.



2.



3.



Satuan kerapatan-fIuks didefinisikan sebagai jumlah fIuks magnetik per satuan luas. Nyatakan ini dalam satuan-satuan dasar. Satuan potensial listrik, volt (V), didefinisikan sebagai beda potensial antara dua titik di dalam suatu penghantar yang ketika mengalirkan arus sebesar 1 ampere (A), menyebabkan disipasi  daya sebesar 1 watt (W). Nyatakan volt (V) dalam joule (J) dan coulomb (C). BIT, BYTE adalah satuan apa?



PENYELESAIAN Satuan SI untuk fIuks adalah weber (Wb). Luas adalah panjang kali lebar dan dalam satuan SI dasar dinyatakan sebagai meter persegi (m2), sehingga diperoleh Wb/m2 atau Wb m-2.  Untuk potensial listrik: 



MENGUKUR SUDUT Pada rangkaian analog dan rangkaian a.c., sinyal-sinyal merupakan gelombang-gelombang yang berulang (seringkali berbentuk sinusoidal)  Acuan di sembarang titik dengan cara peninjauan berdasarkan waktu tempuh sejak awal siklus atau dari sudutnya (sebuah siklus dimulai pada 0° dan berakhir pada 360°. 







Pengukuran lain adalah radian, yaitu sudut yang terbentuk di pusat sebuah lingkaran oleh sebuah busur lingkaran yang panjangnya sama dengan jari-jari lingkaran tersebut







Satu revolusi sirkular penuh setara dengan satu rotasi sebesar 360° atau 2pi radian (1pi ≈3,142). Jadi, satu radian setara dengan 360/2p derajat (±57,3°).



Perubahan dari derajat ke radian, bagi dengan 57,3. Perubahan dari radian ke derajat, kalikan dengan 57,3.



CONTOH-CONTOH 1. 2. 3.



Nyatakan seperempat sebuah revolusi siklus dalam derajat dan radian Nyatakan sebuah sudut sebesar 215° dalam radian Nyatakan sebuah sudut sebesar 2,5 radian dalam derajat



PENYELESAIAN Terdapat 360o dalam satu siklus penuh, sehingga terdapat 360/4 atau 90° dalam seperempat lingkaran.  Terdapat 2pi radian dalam satu lingkaran penuh, sehingga terdapat 2pi/4 radian atau pi/2 radian dalam seperempat lingkaran  Konversi derajat ke radian, bagi dengan 57,3, sehingga 215° = 215/57,3 = 3,75 radian  Konversi radian ke derajat, kalikan 57,3, sehingga 2,5 radian = 2,5 x 57,3 =143,25°. 



SATUAN DAN SIMBOL-SIMBOL LISTRIK Satuan Amper



Coulom b Farad



Singkat Simbo Catatan an l A I Satuan arus-listrik (suatu arus sebesar 1 A mengalir di dalam sebuah konduktor ketika sebuah muatan sebesar 1 C dipindahkan dalam interval waktu sebesar 1 detik) C Q Satuan muatan-listrik atau kuantitas kelistrikan F



C



Henry



H



L



Hertz



Hz



f



Joule Ohm Detik Siemen Tesla



J Ω s S T



E R t G B



Volt Watt



V W



V P



Satuan kapasitansi (sebuah kapasitor memiliki kapasitansi sebesar 1 F ketika muatan sebesar 1 C menghasilkan beda potensial 1 V pada kedua pelatnya) Satuan induktansi (sebuah induktor memiliki induktansi sebesar 1 H ketika arus yang berubah-ubah secara konstan sebesar 1 A/s menghasilkan beda potensial 1 V pada kedua termitalnya) Satuan frekuensi (suatu sinyai memiliki frekuensi sebesar 1 Hz jika satu siklus penuh terjadi dalam interval waktu 1 detik) Satuan energi Satuan resistansi Satuan waktu Satuan konduktansi (kebalikan dari resistansi) Satuan kerapatan fiuks magnetik (suatu kerapatan fluks sebesar 1 T dihasilkan ketika suatu fiuks sebesar 1 Wb ada pada permukaan seluas 1 meter persegi) Satuan potensial-listrik (ggl atau beda potensial) Satuan daya (setara dengan energi 1 J yang digunakan dalam



PERKALIAN DAN SUB-PERKALIAN Awalan tera



Singkatan



Pengali (eksponen) (= 1 000 000 000 000)



T



1012



giga



G



109 (= 1 000 000 000)



mega



M



106 (= 1 000 000)



kilo



k



103 (= 1 000)



(tidak ada)



(tidak ada)



100 (= 1)



centi



c



10-2 (= 0.01)



milli



m



10-3 (= 0.001)



micro



µ



10-6 (= 0.000 001)



nano



n



10-9 (= 0.000 000 001)



pico



p



10-12



(= 0.000 000 000 001)



CONTOH-CONTOH SOAL DAN PENYELESAIAN Soal 











Sebuah lampu tanda membutuhkan arus listrik sebesar 0,075 A. Nyatakan arus ini dalam mA. Sebuah pemancar radio gelombang-menengah beroperasi pada frekuensi 1495 kHz. Nyatakan frekuensi dari pemancar tersebut dalam MHz. Sebuah kapasitor bernilai 27.000 pF. Nyatakan ini dalam µF



Penyelesaian 



0,075 A = 75 mA







1495 kHz = 1,495 MHz.







27.000 pF = 0,027 µF



TEGANGAN DAN RESISTANSI Gaya gerak listrik (ggl) adalah kemampuan suatu sumber energi (misal: baterai) untuk menghasilkan arus dalam sebuah konduktor  Arus konvensial suatu rangkaian mengalir dari titik yang potensialnya lebih positif ke titik potensial negatif terbesar (elektron bergerak ke arah yang berlawanan).  Arus yang mengalir berbanding lurus dengan ggl yang diterapkan.  Arus yang mengalir juga ditentukan oleh dimensi-dimensi fisik (panjang dan luas penampang) dan material pembentuk konduktor tersebut.  Jumlah arus yang akan mengalir pada suatu konduktor ketika suatu ggl diberikan berbanding terbalik dengan resistansi konduktor tersebut. Oleh karena itu, resistansi berfungsi sebagai pelawan aliran arus, makin tinggi resistansi, makin kecil arus yang mengalir (dengan asumsi ggl yang diberikan konstan). 



HUKUM OHM Arus yang mengalir pada sebuah penghantar adalah rasio beda potensial pada ujung-ujung konduktor terhadap hambatan penghantar tersebut pada suhu konstan. Hubungan ini dikenal sebagai hukum Ohm, yaitu: I = V/R I adalah arus [ampere (A)], V adalah beda potensial [volt (V)], dan R adalah resistansi [ohm (Ω)]. Rumus ini dapat disusun dalam bentuk segitiga



CONTOH-CONTOH SOAL Sebuah resistor 12Ω dihubungkan ke sebuah baterai 6 V. Berapakah arus yang akan mengalir melalui resistor ini?  Arus sebesar 100 mA mengalir melalui sebuah resistor 56 Ω. Berapakah jatuh tegangan yang akan muncul pada resistor tersebut?  Jatuh tegangan sebesar 15 V muncul pada sebuah resistor yang dilalui oleh aliran arus sebesar 1 mA. Berapakah nilai resistansinya? 



PENYELESAIAN Diketahui: V = 6 V dan R = 12 Ω  I = V/R = 6 V/12 Ω = 0,5 A (atau 500 mA)  Jadi, akan ada arus sebesar 500 mA yang mengalir melalui resistor tersebut. 



Diketahui: I = 100 mA = 0.1 A dan R = 56 Ω.  V = I x R = 0,1 A x 56 Ω = 5,6 V  Jadi, akan ada beda potensial sebesar 5,6 V yang timbul pada resistor tersebut. 



Diketahui: V = 15 V dan I = 1 mA = 0,001 A  R = V/I = 15 V/0,001 A = 15.000 Ω = 15 kΩ 



RESISTANSI DAN RESISTIVITAS Resistansi suatu konduktor logam berbanding lurus dengan panjang konduktor tersebut dan berbanding terbalik dengan luas penampang konduktor.  Resistansi berbanding lurus dengan resistivitas (resistansi jenis).  Resistivitas didefinisikan sebagai resistansi yang terukur antara muka-muka yang berlawanan dari sebuah kubus yang memiliki rusuk-rusuk sepanjang 1 cm.  Resistansi suatu konduktor adalah: R = ρ x l/A R adalah resistansi konduktor (Ω), ρ adalah resistivitas (Ωm), l adalah panjang (m), dan A adalah luas penampang (m2). 



SIFAT-SIFAT LISTRIK BERBAGAI JENIS LOGAM. Logam Perak



Resistivitas (Ωm) 20oC 1.626 x 10-8



Konduktivitas Koefisien Relatif (Cu = 1) suhu R/ oC 1.06 0.0041



Tembaga 1.724 x 10-8 (digulung) Tembaga 1.777 x 10-8 (dibentang) Aluminium 2.803 x 10-8



1.00



0.0039



0.97



0.0039



0.61



0.0040



Baja Lunak 1.380 x 10-7



0.12



0.0045



Timah



0.08



0.0040



2.140 x 10-7



CONTOH-CONTOH Soal 







Sebuah kumparan dari gulungan kawat tembaga sepanjang 8 m berpenampang 1 mm2. Tentukanlah resistansi kumparan tersebut Tentukan jatuh tegangan antara ujung-ujung sebuah kawat dengan resistivitas 1,6 x 10-8 Ωm, panjang 20 m, berpenampang 1 mm 2 membawa arus sebesar 5 A.



Penyelesaian 



Nilai ρ untuk tembaga adalah 1,724 x 10-8 Ωm. Panjang kawat (l) 8 m dan luasnya (A) adalah 1 mm2 atau 1 x 10-6 m2. Jadi, resistansi kumparan adalah: Atau R = 13,792 x 10-2 = 0,13792 Ω







Pertama-tama, harus diketahui resistansi kawatnya (seperti pada Contoh 1.17):







Jatuh tegangan ini dapat dihitung dengan mempergunakan hukum Ohm: V = I x R = 5 A x 0,32 Ω = 1,6 V



sehingga akan timbul jatuh tegangan sebesar 1,6 V antara ujung-ujung kawat tersebut



ENERGI DAN DAYA Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja sementara daya adalah kecepatan dilakukannya kerja.  Pada rangkaian listrik, energi diberikan oleh baterai atau generator.  Energi dapat juga tersimpan di dalam komponen-komponen seperti kapasitor dan induktor.  Energi listrik dikonversi menjadi bentuk-bentuk energi yang lain oleh komponen-komponen seperti : a) Resistor dalam bentuk panas, b) Kapasitor menyimpan muatan listrik, c) Induktor dalam bentuk medan magnet, d) Pengeras suara (menghasilkan energi bunyi), e) Dioda pemancar cahaya (light emitting diodelLED) menghasilkan cahaya. ) Satuan energi adalah joule (J) dan daya dalam watt (W). Suatu daya sebesar 1W adalah hasil energi yang digunakan dengan kecepatan 1 J per detik. P = E/t Keterangan: P adalah daya [watt (W)], E adalah energi [joule (J)], dan t adalah waktu [detik (s)]. Daya di dalam suatu rangkaian listrik setara dengan hasil perkalian antara tegangan dan arus. Jadi, P=I x V 



LANGKAH-LANGKAH Hubungan P = I x V dapat digabungkan dengan hubungan yang diperoleh dari hukum Ohm (V = I x R) untuk menghasilkan dua hubungan berikutnya.  Pertama, substitusi terhadap V akan menghasilkan: P = I x (I x R) = I2R  Kedua, substitusi terhadap I akan menghasilkan: P = (V/R) x V = V2/R 



CONTOH-CONTOH DAN PENYELESAIAN 1. Arus sebesar I = 1,5 A diperoleh dari sebuah baterai V = 3 V. Berapakah daya yang diberikan?   Penyelesaian P = I x V = 1,5 A x 3 V = 4,5 W Jadi, daya yang diberikan adalah sebesar 4,5 W.   2. Jatuh tegangan sebesar 4 V timbul pada sebuah resistor 100 Ω. Berapakah daya yang terdisipasi di dalam resistor tersebut?   Penyelesaian P = V2/R (di mana V = 4 V dan R = 100 Ω): P = V2/R = (4 V x 4 V)/100 Ω = 0,16 W Jadi, resistor tersebut mendisipasikan daya sebesar 0,16 W (atau 160 mW).  



3. Berapakah daya yang terdisipasi di dalam resistor bila arus sebesar 20 mA mengalir melalui resistor 1 kΩ. tersebut?   Penyelesaian P = I2 x R = (20 mA x 20 mA) x 1 kΩ = 400 mW Jadi, daya yang terdisipasi di dalam resistor tersebut adalah sebesar 400 mW.