. Arus Bolak-Balik (AC)Rangkaian arus bolak-balik disebut juga alternating current (AC), dihasilkan oleh generator AC. Listrik PLN yang digunakan untuk perumahan merupakan listrik arus bolak-balik. Tegangan yang dihasilkan sebuah generator bolak-balik merupakan tegangan berubah dengan frekuensi tertentu dan dengan tegangan berubah pula. Persamaan tegangan bolak-balik adalah v = Vm sin (6.21)v = Vm sin 2 (6.22)dimana v adalah tegangan sesaat, Vm adalah tegangan puncak, f adalah frekuensi putaran generator, t waktu danadalah kecepatan sudut. Listrik bolak-balik dari PLN memiliki frekuensinya 50Hz. Kuat arus bolak-balik dinyatakan i = Im sin 2 (6.23)dimana i adalah kuat arus sesaat, Im kuat arus puncak.

itIrata0ImGrafik fungsi sinus dari arus adalah

Gambar 6.7 Grafik arus bolak-balikDalam tegangan dan arus bolak-balik didefinisikan adanya arus rata-rata (average) yaituIrata = 0,637 Im dan Vrata = 0, 637 Vm(6.24)Tegangan dan arus bolak-balik yang diukur dengan alat ukur merupakan tegangan efektif (Vef) dan arus efektif (Ief) yang besarnya sama denganVef = (6.24)dan arus efektifnya adalahIef = (6.25)Rangkaian Arus Bolak-BalikSebuah hambatan R dihubungan dengan sebuah sumber AC, sehingga ,mengalir arus i dan tegangan vR. Simbol rangkaian sebuah hambatan R dan grafik arus dan tegangan serta diagram fasornya ditunjukkan pada Gambar 6.8 (a), (b) dan (c).

i

ba

(a)ROImVRi( c)

Gambar 6.8 (a) Sebuah rangkaian R arus bolak-balik, (b) Grafik tegangan dan arus bolak-balik sesaat, (c) diagram fasor arus dan tegangan dalam hambatan R dalam satu fase. Dalam rangakian AC yang terdiri dari sebuah hambatan R, antara arus dan tegangan memiliki fase yang sama yaitu . Dalam rangkaian AC dikenal adanya reaktansi X bersatuan ohm. Sebuah hambatan R dialiri arus bolak-balik memiliki reaktansi XR = R(6.26) Sebuah kapasitor C dihubungan dengan sebuah sumber AC, sehingga mengalir arus i dan tegangan vC. Simbol rangkaian boal-balik dari sebuah kapasitor C dan grafik arus dan tegangan serta diagram fasornya ditunjukkan pada Gambar 6.9 (a), (b) dan (c).

iCab(a)

OImi( c)

VC

(b)i,vt0ImVCivc

Gambar 6.9 (a) Sebuah rangkaian C arus bolak-balik, (b) Grafik tegangan dan arus bolak-balik sesaat, (c) diagram fasor arus dan tegangan dalam kapasitor , tegangan tertinggal terhadap arus sebesar 90o

Dalam rangakian AC yang terdiri dari sebuah kapasitor C, antara arus dan tegangan memiliki beda sebesar 90o. Tegangan tertinggal terhadap arus sebesar 90o. Dalam rangkaian AC yang terdiri dari sebuah kapasitor C memiliki reaktansi kapasitif (XC) yaitu XC = (6.26)di mana adalah kecepatan sudut yang dapat dinyatakan = 2, maka XC = (6.27)Persamaan 5.27 menunjukkan bahwa dalam sebuah kapasitor yang dialiri arus bolak-balik memiliki reaktansi kapasitif yang besarnya tergantung pada frekuensi arusnya dan kapasitas kapasitornya. Makin tinggi frekuensi dari arus yang masuk kapasitor makin kecil reaktansinya dan makin besar kapasitasnya makin kecil reaktansinya. Kegunaan kapasitor misalnya dipakai sebagai filter frekuensi yang masuk sebuah speaker. Jika kita menginginkan frekuensi yang masuk speaker rendah, maka sebuah kapasitor dapat dipasang seperti Gambar 6.10.

C

Gambar 6.10 Kapasitor C sebagai filter frekeunsi tinggi

Frekuensi tinggi yang akan masuk speaker dilewatkan C sehingga hanya frekuensi rendah yang masuk speaker. Sebab untuk frekuensi tinggi reaktansi kapasitor menjadi kecil sehingga arus frekuensi tinggi akan lebih mudah lewat C dari pada lewat speaker. Bagaimana memasang kapasitor C jika kita ingin frekuensi tinggi yang masuk speaker? Jelaskan! Sebuah induktor L dihubungan dengan sebuah sumber AC, sehingga mengalir arus i dan tegangan vC. Simbol rangkaian bolak-balik dari sebuah induktor L dan grafik arus dan tegangan serta diagram fasornya ditunjukkan pada Gambar 5.11 (a), (b) dan (c).

Gambar 6.11 (a) Sebuah rangkaian L arus bolak-balik, (b) Grafik tegangan dan arus bolak-balik sesaat, (c) diagram fasor arus dan tegangan dalam induktor, tegangan mendahului terhadap arus sebesar 90o OImVLi( c)(b)i,vt0ImVLivLLb(a)iaDalam rangakian AC yang terdiri dari sebuah induktor L, antara arus dan tegangan memiliki beda sebesar 90o . Tegangan mendahului terhadap arus sebesar 90o. Dalam rangkaian AC yang terdiri dari sebuah induktor L memiliki reaktansi induktif (XL) yaitu XL =(6.28)di mana adalah kecepatan sudut yang dapat dinyatakan = 2, maka XC =2(6.29)Persamaan 5.29 menunjukkan bahwa dalam sebuah induktor yang dialiri arus bolak-balik memiliki reaktansi induktif (XL) yang besarnya tergantung pada frekuensi arusnya dan induktansi indukornya. Makin tinggi frekuensi arus yang masuk induktor makin besar reaktansinya dan makin besar induktansinya makin besar reaktansinya. Kegunaan induktor misalnya dipakai sebagai filter frekuensi yang masuk sebuah speaker. Jika kita menginginkan frekuensi yang masuk speaker tinggi, maka sebuah induktor dapat dipasang seperti Gambar 6.12.

L

Gambar 6.12 Sebuah induktor L dipakai sebagai filter arus frekuensi rendahFrekuensi rendah yang akan masuk speaker dilewatkan L sehingga hanya frekuensi tinggi yang masuk speaker. Sebab untuk frekuensi rendah reaktansi induktifnya menjadi kecil sehingga arus frekuensi rendah akan lebih mudah lewat L dari pada lewat speaker. Bagaimana memasang induktor L jika kita ingin frekuensi rendah yang masuk speaker? Jelaskan!

I. Penggunaan Alat Ukur Listrik

Alat ukur listrik yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari misalnya voltmeter dan ampermeter. Voltmeter adalah suatu alat yang dapat digunakan untuk mengukur beda potensial listrik. Sebuah voltmeter ditunjukkan dalam Gambar 6.13. Voltmeter dipasang paralel terhadap alat yang diukur tegangannya seperti ditunjukkan Gambar 6.14. Pada rangkaian Gambar 6.14 potensial di titik b lebih tinggi dari pada di titik a, maka kutub positif voltmeter dihubungkan pada titik b dan kutub negatinya pada titik a.

abvoltmeter+ -R

Gambar 6.14 Pemasangan voltmeter paralel terhadap alat yang diukur tegangannya.Gambar 6.13 Voltmeter

Pembacaan skala pada voltmeterDalam memasang voltmeter DC yang perlu diperhatikan hal-hal berikut(1) Batas ukur voltmeter: bila tegangan yang diukur besar, maka batas ukur voltmeter yang dipih haruslah lebih besar lagi, sedangkan untuk tegangan kecil cukup menggunakan batas ukur yang kecil pula. Jika kita tidak mengetahui tegangan yang hendak diukur, maka pilihlah batas ukur sebesar mungkin. Jika dengan batas ukur besar ini jarum menyimpang kecil turunkan batas ukurnya sehingga jarum voltmeter menyimpang cukup. Bila tegangan yang kita ukur jauh lebih besar dari batas ukur tegangan yang di pilih, maka mengakibatkan kerusakan.(2) Pembacaan skala voltmeter: bila batas ukur yang digunakan 10V, sedangkan rentangan skala yang dibaca 0- 50V, bila jarum voltmeter menunjuk angka 5V maka pembacaan voltmeter adalah Ampermeter adalah sebuah alat yang dapat digunakan unuk mengukur kuat arus listrik. Ampermeter harus dipasang seri terhadap alat yang akan diukur kuat arusnya. Gambar 6.15 adalah sebuah ampermeter dipasang seri terhadap alat yang akan diukur arusnya dilukiskan seperti Gambar 6.16. Arus masuk ampermeter melalui kutub positifnya dan arus keluar lewat kutub negatifnya, maka kutub positif ampermeter dihubungkan pada titik a dan kutub negatif pada titik b..

abampermeter+ -R

Gambar 6.16 Pemasangan voltmeter paralel terhadap alat yang diukur tegangannya

Gambar 6.15 Sebuah ampermeter

Pembacaan skala pada ampermeter Dalam memasang ampermeter yang perlu diperhatikan hal-hal berikut(1) Batas ukur ampermeter: bila kuat arus yang diukur besar, maka batas ukur ampermeter yang dipih haruslah lebih besar lagi, sedangkan untuk ampermeter kecil cukup menggunakan batas ukur yang kecil pula. Jika kita tidak mengetahui kuat arus yang hendak diukur, maka pilihlah batas ukur sebesar mungkin. Jika dengan batas ukur besar ini jarum menyimpang kecil turunkan batas ukurnya sehingga jarum ampermeter simpangannya cukup. Bila kuat arus yang diukur jauh lebih besar dari batas ukur ampermeter yang kita pilih maka dapat mengakibatkan kerusakan.(2) Pembacaan skala ampermeter: Bila batas ukur yang digunakan 10A, sedangkan rentangan skala yang dibaca 0- 50A, bila jarum ampermeter menunjuk angka 5A maka pembacaan ampermeter adalah Soal1. Jelaskan mengapa di dalam penghantar logam bila dikenai beda potensial terjadi aliran arus listrik. 2. Jika kawat pemanas (heater) sebuah setrika listrik putus sehingga menjadi lebih pendek dari semula, maka setrika tersebut menjadi lebih panas atau menjadi kurang panas? Mengapa? 3. Agar alat pemanas dari kawat nekelin yang kita buat memiliki daya yang besar, maka kawat nikelin yang dipilih adalah kawat yang ukuran diameternya kecil atau besar? Mengapa? 4. Sebuah alat listrik tertulis 200V/25W dipasang pada tegangan 160Va. Apa yang terjadib. Berapa hambatan listrik alat lisrik tersebut? c. Berapa kuat arus yang mengalir lewat lampu? c. Berapa daya listrik yang terpakai? d. Jika alat menyala selama 1 jam berapa energi yang listrik yang dipakai?

Hitunglah:a. Hambatan pengganti antara a-b, dan antara c dan d. b. Hambatan pengganti antara a-b jika c dan d hubung singkat.c. Hambatan pengganti antara c-d jika a dan b hubung singkat.1ab221 1cd5.

6. Tentukan kuat arus di masing-masing kawat pada rangkian berikut:

Tentukan beda potensial antara titik c dan d.Tentukan daya yang diserap oleh hambatan 1 antara c-d1ab221 1cd6V,04,0

2V,0

7. Sebuah kapasitor C = 1000 dirangkai dengan sumber tegangan bolak-balik dengan frekuensi 50 Hz, hitunglah reaktansi kapasitifnya? 8. Sebuah induktor L = 10 H, dikenai tegangan bolak-balik dengan frekuensi 50 Hz, hitunglah reaktansi induktifnya. 9. Sebuah hambatan R = 10 , sebuah kapasitor C = 4500 dan induktor L = 100 H, dirangkai secara seri, kemudian dikenai tegangan bolak-balik Vef = 100 V, dengan frekuensi 50 Hz. Tentukan reaktansi total rangkaian, dan kuat arus yang mengalir.

iVef 100VR L C

Rangkuman1. Kuat arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir melalui penampang penghantar tersatuan waktu atau I = satuan C/s atau ampere.2. Hambatan sepotong kawat penghantar adalah berbanding lurus dengan panjang kawat dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat. Secara matematis ditulis sebagai berikut. R = 3. Hubungan antara kuat arus (I), hambatan (R) dan tegangan (V) adalah V = I R4. Pada kawat bercabang, jumlah kuat arus sama dengan nol atau atau I I1 + I2 + I3 = 0 5. Hukum Kirchoff untuk tegangan dinyatakan E + IR= 0 6. Hambatan ekuivalen rangkaian seri Rseri= 7. Hambatan ekuivalen rangkaian paralel = 8. Daya listrik (P) pada suatu hambatan adalah perkalian antara beda potensial (V) dengan kuat arus (I) yang masuk hambatan tersebut ditulis P = VI 9. Energi listrik (W) adalah dinyatakan sebagai W = P t 10. Tegangan efektif arus bolak-balik Vef = 11. Kuat efektif arus bolak-balik efektif Ief = 12. Dalam rangakian AC yang terdiri dari sebuah hambatan R, antara arus dan tegangan memiliki fase yang sama yaitu . 13. Dalam rangakian AC yang terdiri dari sebuah kapasitor C, antara arus dan tegangan memiliki beda sebesar 90o. Tegangan tertinggal terhadap arus sebesar 90o.14. Dalam rangakian AC yang terdiri dari sebuah induktor L, antara arus dan tegangan memiliki beda sebesar 90o . Tegangan mendahului terhadap arus sebesar 90o.

Daftar PustakaSutarman, 2000. Fisika Dasar II, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, UM.