Arus Listrik [PDF]

Citation preview

1.ARUS LISTRIK Definisi Arus Listrik | Pengertian Arus Listrik. Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir dari suatu titik yang berpotensial tinggi ke titik yang berpotensial rendah dalam waktu satu detik. Peristiwa mengalirnya arus listrik disebabkan karena adanya elektron yang bergerak. Arus litrik juga dapat diartikan sebagai besarnya tegangan dibagi besarnya resistansi. Simbol dari arus listrik adalah "I", dan terbagi menjadi arus listrik searah (dc) dan arus listrik bolak balik (ac). Definisi arus listrik arus searah secara sederhana dapat kita artikan bahwa arus listrik mengalir secara searah (direct) sehingga pada rangkaian ini ditentukan adanya kutub positif (+) dan kutub negatif (-). Arus akan mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. Sedangkan pada arus listrik bolak balik, arus akan mengalir secara bolak-balik karena disebabkan perubahan polaritas tegangan (ac). Rumus Untuk Menghitung Arus Listrik | Perhitungan Kuat Arus Listrik Rumus arus listrik yang dihitung dengan muatan listrik (Q) maka, I=q/t Keterangan : I : arus listrik (ampere) q : besarnya muatan listrik (coulumb) t : waktu (sekon) Rumus arus listrik yang dihitung dengan tegangan listrik (V) maka, I=V/R Keterangan : I : kuat arus listrik (ampere) V : tegangan listrik (volt) R : resistansi / tahanan listrik (ohm) Rumus arus listrik yang dihitung dengan daya listrik (P) maka, P = I kuadrat dikali R I = Akar dari ( P / R) Keteragan : P : daya listrik (watt) Teori Arus Listrik. Ada beberapa teori yang berhubungan dengan arus listrik yaitu seperti teori hukum ohm dan hukum kirchoff. Pada hukum ohm arus listrik diartikan bahwa besarnya arus yang mengalir adalah hasil bagi antara beda potensial dengan tahanan. Sedangkan pada hukum kirchoff menjelaskan tentang arus listrik yang memasuki suatu titik percabangan. Semua teori



adalah benar dan sudah terbukti secara meyakinkan. Jika anda kurang percaya dengan teori yang sudah baku, maka anda bisa melakukan praktek untuk melakukan beberpaa pengujian dan pengukuran. Caranya buatlah beberapa variasi rangkaian listrik, dan lakukan pengukuran pada setiap variasi, setelah itu cocokkan hasil pengukuran dengan perhitungan secara teori. Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. [1] Arus listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere.[1] Contoh arus listrik dalam kehidupan sehari-hari berkisar dari yang sangat lemah dalam satuan mikroAmpere (\mu A) seperti di dalam jaringan tubuh hingga arus yang sangat kuat 1-200 kiloAmpere (kA) seperti yang terjadi pada petir.[2][3] Dalam kebanyakan sirkuit arus searah dapat diasumsikan resistansi terhadap arus listrik adalah konstan sehingga besar arus yang mengalir dalam sirkuit bergantung pada voltase dan resistansi sesuai dengan hukum Ohm.[1]



Arus listrik merupakan satu dari tujuh satuan pokok dalam satuan internasional.[4] Satuan internasional untuk arus listrik adalah Ampere (A).[4] Secara formal satuan Ampere didefinisikan sebagai arus konstan yang, bila dipertahankan, akan menghasilkan gaya sebesar 2 x 10-7 Newton/meter di antara dua penghantar lurus sejajar, dengan luas penampang yang dapat diabaikan, berjarak 1 meter satu sama lain dalam ruang hampa udara.[4]



Untuk arus yang konstan, besar arus dalam Ampere dapat diperoleh dengan persamaan:



di mana adalah arus listrik,



adalah muatan listrik, dan adalah waktu (time).



Sedangkan secara umum, arus listrik yang mengalir pada suatu waktu tertentu adalah:[6]



Dengan demikian dapat ditentukan jumlah total muatan yang dipindahkan pada rentang waktu 0 hingga melalui integrasi:[5]



Sesuai dengan persamaan di atas, arus listrik adalah besaran skalar karena baik muatan maupun waktu merupakan besaran skalar.[5] Dalam banyak hal sering digambarkan arus listrik dalam suatu sirkuit menggunakan panah,[5] salah satunya seperti pada diagram di atas. Panah tersebut bukanlah vektor dan tidak membutuhkan operasi vektor.[5] Pada diagram di atas ditunjukkan arus mengalir masuk melalui dua percabangan dan mengalir keluar melalui dua percabangan lain. Karena muatan listrik adalah kekal maka total arus listrik yang mengalir keluar haruslah sama dengan arus listrik yang mengalir ke dalam[5] sehingga . Panah arus hanya menunjukkan arah aliran sepanjang penghantar, bukan arah dalam ruang.[5]



ARAH ARUS Pada diagram digambarkan panah arus searah dengan arah pergerakan partikel bermuatan positif (muatan positif) atau disebut dengan istilah arus konvensional.[7] Pembawa muatan positif tersebut akan bergerak dari kutub positif baterai menuju ke kutub negatif.[5] Pada kenyataannya, pembawa muatan dalam sebuah penghantar listrik adalah partikel-partikel elektron bermuatan negatif yang didorong oleh medan listrik mengalir berlawan arah dengan arus konvensional.[5] Sayangnya, dengan alasan sejarah, digunakan konvensi berikut ini:[5] Panah arus digambarkan searah dengan arah pergerakan seharusnya dari pembawa muatan positif, walaupun pada kenyataannya pembawa muatan adalah muatan negatif dan bergerak pada arah berlawanan.[5] Konvensi demikian dapat digunakan pada sebagian besar keadaan karena dapat diasumsikan bahwa pergerakan pembawa muatan positif memiliki efek yang sama dengan pergerakan pembawa muatan negatif.[5]



Rapat arus Rapat arus (bahasa Inggris: current density) adalah aliran muatan pada suatu luas penampang tertentu di suatu titik penghantar.[5] Dalam SI, rapat arus memiliki satuan Ampere per meter persegi (A/m2).[5]



di mana adalah arus pada penghantar, vektor J adalah rapat arus yang memiliki arah sama dengan kecepatan gerak muatan jika muatannya positif dan berlawan arah jika muatannya negatif, dan dA adalah vektor luas elemen yang tegak lurus terhadap elemen.[5] Jika arus listrik seragam sepanjang permukaan dan sejajar dengan dA maka J juga seragam dan sejajar terhadap dA sehingga persamaan menjadi:[5]



maka



di mana



adalah luas penampang total dan



adalah rapat arus dalam satuan A/m2.[5]



Kelajuan hanyutan Saat sebuah penghantar tidak dilalui arus listrik, elektron-elektron di dalamnya bergerak secara acak tanpa perpindahan bersih ke arah mana pun juga.[5] Sedangkan saat arus listrik mengalir melalui penghantar, elektron tetap bergerak secara acak namun mereka cenderung hanyut sepanjang penghantar dengan arah berlawanan dengan medan listrik yang menghasilkan aliran arus.[5] Tingkat kelajuan hanyutan (bahasa Inggris: drift speed) dalam penghantar adalah kecil dibandingkan dengan kelajuan gerak-acak, yaitu antara 10-5 dan 10-4 m/s dibandingkan dengan sekitar 106 m/s pada sebuah penghantar tembaga.



2. HAMBATAN LISTRIK Hambatan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik (misalnya resistor) dengan arus listrik yang melewatinya. Hambatan dinyatakan dalam satuan ohm. Elektron bebas cenderung bergerak melewati konduktor dengan beberapa derajat pergesekan, atau bergerak berlawanan. Gerak berlawanan ini yang biasanya disebut dengan hambatan. Besarnya arus didalam rangkaian adalah jumlah dari energi yang ada untuk mendorong elektron, dan juga jumlah dari hambatan dalam sebuah rangkaian untuk menghambat lajunya arus.



Hambatan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik (misalnya resistor) dengan arus listrik yang melewatinya. Hambatan listrik yang mempunyai satuan Ohm dapat dirumuskan sebagai berikut:



atau di mana V adalah tegangan dan I adalah arus listrik.



3. SUMBER ARUS SEARAH Elemen Elektro Kimia Menurut Neinst, batang logam yang dimasukan dalam larutan asam sulfat akan melepaskan ion-ionpositif ke dalam larutan itu, oleh karena itu, logam tersebut menjadi bermuatan negative. Sedangkanlarutan tersebut menjadi muatan positif. Beda potensial tersebut dinamakan tegangan larutanelektrolit.Tidak semua logam mempunyai kemampuan melepaskan ion-ion electron sama besar. Berdasarkandaftar elemen yang di buat Volta. Kita ketahui bahwa seng (zn) lebih kuat melepaskan ion-ionelectron dari logam (cu) atau tembaga.Daftar volta, logam



yang kuat melepaskan ion-ion electron disebelah kiri makin kekanan adalahlogam yang makin lemah melepaskan ion-ion elektronnya. L Na Ca Mg Ae Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Pt Au G



Untuk mendapatkan beda potensial yang baik dari bahan yang murah dan mudah didapat , dibuatlahsebuah elemen oleh Volta sebagai berikut :



Yang terjadi ialah adanya beda potensial. Batang tembaga menjadi kutub positif dan batang sengmnejadi kutub negative. Beda potensial antara kutub positif dan kutub negative disebut Gaya Gerak Listrik.Kemudian kedua kutub tersebut disambungkan dengan sebuah bola lampu atau alat ukur sehinggaterlihat adanya beda potensial pada kedua kutub tersebut.Pada ujung-ujung kawat penghubung terdapat beda potensial yang disebut tegangan jepit lampuyang dihubungkan dengan elemen basah volta. Berpijar lampu ini tidak berpijar lama dan



segerameredup kemudian padam. Hal ini terjadi sebab plat tembaga tertutup oleh lapisan gelombang gashydrogen. Jika plat-plat dikeluarkan dan gelombang dihilangkan dengan dicuci, kemudian plat-platitu dicelupkan kembali kedalam larutan maka lampu akan berpijar lagi tetapi hanya bertahan dalamwaktu singkat. Elemen Volta termasuk elemen primer Pada elemen primer reaksi kimia yang menyebabkan electron mengalir dari elektroda positif keelektroda negative tidak dapat dibalik arahnya. Ini menyebabkan elemen primer tidak dapat dimuatilagi.Jadi elemen primer ialah elemen yang bila telah habis muatannya tidak dapat diisi lagi. Untuk mengatasi kelemahan elemen primer ini dibuat jenis elemen yang dapat dimuati lagi, jenis elemenini dinamakan elemen sekunder. Elemen sekunder sehari-hari kita kenal dengan sebutanaccumulator. Accumulator Accumulator disebut unsure (sel) sekunder karena sesudah energy habis masih bisa diisi dandigunakan kembali. Ketika diisi terjadi reaksi kimia yang pertama sesudah accumulator penuh dapatmemberi arus pada rangkaian luar, maka terjadi reaksi kimia kedua. Jadi pesawat ini bekerjamengumpulkan dan mengeluarkan arus listrik. Accumulator Timbel Jenis accu yang umum digunakan adalah accu timbel, accu terdiri dari 2 buah kumpulan plat timbelyang dicelupkan kedalam larutan asam sukfat (H2SO4)



Untuk mendapatkan jumlah arus yang lebih besar tetapi dalam kemasan yang kecil maka lapisantimbel tersebut dipasang sedemikian rupa dalam jarak yang berdekatan. Untuk menjaga agar plat-plat tersebut tidak saling bersentuhan maka diantara timbel tersebut dipasang penyekat dari bahanisolator. Untuk mendapatkan tegangan (GGL) yang besar, plat timbel tersebut dihubungkan seri. Accumulator Alkali Sel ini disebut alkali karena menggunakan lindikali (kaliloog) sebagai larutan elektrolitnya. Keungulannya:



1) Tahan terhadap goncangan, getaran 2) Tahan terhadap arus pengisian dan pembuangan yang berlebih 3) Tahan terhadap arus hubungan singkat (short) Kekurangannya: 1. Harganya mahal 2. Tiap pesawat hanya untuk satu sel 3. Memerlukan tempat yang luas 4. Tegangannya rendah dibandingkan dengan accumulator timbel Accumulator alkali dipakai untuk industri berat, kendaraan berat, pertambangan, perusahaan keretaapi, pusat pembangkit tenaga listrik untuk penggerak relai, kapal laut dan kapal udara.Larutan elektrolitnya berupa 20% larutan lindikali yang hidroksida potassium (KOH) dengantambahan sedikit lithium monohidrat dalam air. Bejana untuk accumulator alkali dibuat dari bajadilapisi dengan nikel dan mempunyai lubang untuk ujung-ujung (kutub) accumulator dan lubanguntuk mengisi elektrolitnya.Lubang pengisian elektrolit ditutupkan dengan katup untuk membuang gas dari elektrolit tetapimencegah jangan sampai udara masuk yang dapat menimbulkan asam arang yang dapat mengurangikapasitas accu. Kapasitas Accu Kapasitas accu dinyatakan dengan amperejam(AH). Kapasitas accu bergantung pada luas dan jumlah plat. Bila sebuah accu mempunyai kapasitas 60AH dan arus maksimal yang dikeluarkansebesar 5 ampere maka batterai itu dapat memberi arus 4A selama 15 jam ataupun dapatmemberikan arus 5A selama 12 jam Elemen Kering Elemen kering atau elemen le chance disebut secara umum sebagai batu baterai. Elemen keringtermasuk elemen primer tapi sebagai elemen kering masih mempunyai banyak keunggulan, sepertibentuk fisik yang kecil, mudah dibawa, aman dan praktis. Pada elemen ini, elektroda positif adalahbatang karbon yang ditengah dan pembungkusannya yang terbuat dari seng merupakan elektrodanegative. Elektrolitnya adalah larutan ammonia klorida (NH4Cl) dan depolarisasi yang menahanterbentuknya hydrogen pada elektroda positif terbuat dari mangan dioksida (MnO2) bercampurserbuk karbon.



4. HUKUM OHM Ohm yang dimaksud diatas bukan om om biasa tetapi Ohm yang luar biasa. Ohm diambil dari nama tokoh fisika George Simon Ohm. Dia merupakan ilmuan yang berhasil menentukan hubungan antara beda potensial dengan arus listrik. Selain tiu dia juga menenmukan bahwa perbandingan antara beda potensial di suatu beban listrik dengan arus yang mengalir pada beban



listrik tersebut menghasilkan angka yang konstan. Konstanta ini kemudian di kenal dengan Hambatan listrik (R). Untuk menghargai jasanya maka satuan Hambatan listrik adalah Ohm (Ω). Bunyi hukum Ohm hampir setiap buku berbeda beda, mungkin karena Mbah Ohm udah keduluan meninggal. Tetapi secara garis besar semuanya hampir sama, dari hasil semedi sambil membaca buku fisika penulis dapat merangkum ada 2 bunyi hukum Ohm yaitu : 1. Besarnya arus listrik yang mengalir sebanding dengan besarnya beda potensial (Tegangan). Untuk sementara tegangan dan beda potensial dianggap sama walau sebenarnya kedua secara konsep berbeda. Secara matematika di tuliskan I ∞ V atau V ∞ I, Untuk menghilangkan kesebandingan ini maka perlu ditambahkan sebuah konstanta yang kemudian di kenal dengan Hambatan (R) sehingga persamaannya menjadi V = I.R. Dimana V adalah tegangan (volt), I adalah kuat arus (A) dan R adalah hambatan (Ohm). 2. Perbandingan antara tegangan dengan kuat arus merupakan suatu bilangan konstan yang disebut hambatan listrik. Secara matematika di tuliskan V/I = R atau dituliskan V = I.R. Keduanya menghasilkan persamaan yang sama, tinggal anda menyukai dan menyakini yang mana silakan pilih saja karena keduanya benar dan ada buku literaturnya. Hukum Ohm adalah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan kepadanya. Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya. Walaupun pernyataan ini tidak selalu berlaku untuk semua jenis penghantar, namun istilah "hukum" tetap digunakan dengan alasan sejarah. Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan persamaan:



V, I, dan R sebagai komponen parameter dalam Hukum Ohm. dimana I adalah arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam satuan Ampere, V adalah tegangan listrik yang terdapat pada kedua ujung penghantar dalam satuan volt, dan R adalah nilai hambatan listrik (resistansi) yang terdapat pada suatu penghantar dalam satuan ohm. Hukum ini dicetuskan oleh Georg Simon Ohm, seorang fisikawan dari Jerman pada tahun 1825



dan dipublikasikan pada sebuah paper yang berjudul The Galvanic Circuit Investigated Mathematically pada tahun 1827. HUKUM OHM E=IR I=E/R R=I/E Kesimpulan : • Tegangan dinyatakan dengan nilai volts disimbolkan dengan E atau V. • Arus dinyatakan dengan amps, dan diberi symbol I • Hambatan dinyatakan dengan ohms diberi symbol R • Hukum Ohm: E = IR ; I = E/R ; R = E/I Besarnya daya pada suatu rangkaian dapat di hitung dengan : P = V . I atau P = I2 . R atau P = V2/ R Dimana : P : daya, dalam satuan watt V : tegangan dalam satuan volt I : arus dalam satuan ampere Contoh Soal Latihan: Sebuah bangunan rumah tangga memakai lampu dengan tegangan pada instalansi lampu rumah tangga tersebut adalah 220 Volt, dan arus yang mengalir pada lampu tersebut adalah 10 ampere, berapakah hambatan pada lampu tersebut, hitunglah? JAWAB : dik : V = 220 Volt I = 10 Amper Dit : hambatan…………….? JAWAB R = V/R R = 220/10 = 22 ohm Jadi hambatan yang mengalir adalah 22 ohm



5. HUKUM KIRCHOFF I



1.Hukum kirchoff 1 yang disebut dengan hukum titik cabang dan merupakan hukum kekelan kekuatan listrik yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik yang ada pada sebuah sistem tertutup adalah tetap (tidak berubah). Bunyi dari hukum ini adalah : Jumlah kuat arus yang masuk dalam titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar dari percabangan. Dalam hal ini dijelaskan bahwa titik cabang adalah titik atau tempat bertemunya beberapa konduktor dalam suatu rangkaian listrik



2. Hukum kirchoff 2 yang disebut juga sebagai hukum loop, yang didasari oleh hukum kekekalan energi yang diterapkan pada sebuah rangkaian listrik tertutup. Hukum ini digunakan pada rangkaian tertutup karena adanya rangkaian listrik yang tidak bisa disederhanakan dengan menggunakan kombinasi seri dan pararel. Bunyi dari hukum kirchoff 2 adalah : Dalam sebuah rangkain tertutup (loop), jumlah aljabar dalam gaya gerak listrik dengan penurunan tegangan adalah sama dengan NOL. Hukum Kirchoff merupakan hukum yang paling banyak diterapkan pada rangkaian listrik selain hukum Ohm. Hukum Kirchoff ini menunjukkan hubungan antara arus dan tegangan pada suatu rangkaian tertutup. Hukum Kirchoff ini terbagi dalam 2 hukum, yaitu Hukum Kirchoff 1 yang berhubungan dengan perhitungan arus yang mengalir dalam rangkaian, dan hukum Kirchoff 2 yang berhubungan dengan perhitungan tegangan dalam suatu rangkaian. Hukum Kirchoff 1: Hukum Kirchoff 1 berbunyi "Jumlah arus yang masuk ke dalam suatu titik percabangan, sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan tersebut". Penerapan Hukum Kirchoff 1 dapat dilihat pada gambar berikut:



Secara matematis Hukum Kirchoff 1 dapat dituliskan sebagai berikut:



Jadi dapat dilihat bahwa arus listrik yang mengalir masuk pada suatu titik akan sama dengan arus yang keluar dari titik tersebut sehingga jumlah arus nya tetap. Contoh : Jika arus I1, I2,I3 mengalir memasuki titik cabang T dan arus I4 yang keluar dari titik T 3 Ampere, maka berapa besar arus I5 yang keluar dari titik T jika berturut-turut I1,I2,I3 bernilai 3 Ampere, 6 Ampere, dan 8 Ampere??? Jawab: Arus Masuk total = I1 + I2 + I3 = 3 Ampere + 6 Ampere + 8 Ampere = 17 Ampere Arus Keluar = 3 Ampere + I5 Sesuai Hukum Kirchoff 1 maka: Arus masuk total = Arus Keluar 17 Ampere = 3 Ampere + I5 I5 = 17 Ampere - 3 Ampere I5 = 14 Ampere



6. HUKUM KIRCHOFF II



Hukum Kirchoff secara keseluruhan ada 2, dalam sub ini akan dibahas tentang hukum kirchoff 2. Hukum Kirchoff 2 dipakai untuk menentukan kuat arus yang mengalir pada



rangkaian bercabang dalam keadaan tertutup (saklar dalam keadaan tertutup). Perhatikan gambar berikut! Hukum Kirchoff 2 berbunyi : ” Dalam rangkaian tertutup, Jumlah aljabbar GGL (E) dan jumlah penurunan potensial sama dengan nol”. Maksud dari jumlah penurunan potensial sama dengan nol adalah tidak ada energi listrik yang hilang dalam rangkaian tersebut, atau dalam arti semua energi listrik bisa digunakan atau diserap. Dari gambar diatas kuat arus yang mengalir dapat ditentukan dengan menggunakan beberapa aturan sebagai berikut :  



Tentukan arah putaran arusnya untuk masing-masing loop. Arus yang searah dengan arah perumpamaan dianggap positif.







Arus yang mengalir dari kutub negatif ke kutup positif di dalam elemen dianggap positif.







Pada loop dari satu titik cabang ke titik cabang berikutnya kuat arusnya sama.







Jika hasil perhitungan kuat arus positif maka arah perumpamaannya benar, bila negatif berarti arah arus berlawanan dengan arah pada perumpamaan.



Dari rangkaian sederhana di atas, maka akan berlaku persamaan berikut (anggap arah loop searah arah arus) I . R + I . r - E = 0..............1) E = I (R + r) I = E/(R + r) Persamaan 1 dapat ditulis dalam bentuk lain seperti berikut I.R=E-I.r Di mana I . R adalah beda potensial pada komponen resistor R, yang juga sering disebut dengan tegangan jepit



7. RANGKAIAN ARUS SEARAH