panduan praktekfile.upi.edu/direktori/fptk/jur._pend._teknik_mesin... · web viewcontoh soal...

TEORI DASAR TEKNIK LISTRIK(RT223 dan PP222)

I. Pendahuluana. Muatan Listrik

Pada tubuh manusia mempunyai atom yang saling mengikat satu sama lain dan

tidak terpisahkan. Partikel atom tersebut dapat bergerak dengan sangat cepat. Untuk

mengkaji hal tersebut, harus menggunakan cabang ilmu fisika yang disebut

elektromagnetik yang membahas mengenai interaksi listrik dan interaksi magnet.

Interaksi tersebut melibatkan partikel yang mempunyai sifat yang disebut muatan

listrik.

Kita tidak dapat mengatakan apa itu muatan listrik, kita hanya bisa menjelaskan

sifat-sifatnya dan perilakunya. Kata listrik berasal dari bahasa Yunani yaitu electron

yang berarti amber. Bila kita menggosokan sepatu pada permadani nilon, maka kita

akan menjadi bermuatan listrik. Sisir yang digosokan pada rambut juga akan bermuatan

listrik.

Apabila dua batang plastik digosokan pada selembar bulu (asli atau palsu), maka

kedua batang plastik tersebut akan saling menolak. Gelas digosokan pada sutra, gelas

akan bermuatan listrik dan saling menolak. Tetapi bila batang plastik bermuatan akan

menarik gelas yang bermuatan. Sedangkan batang plastik dengan bulu akan tarik

menarik dan gelas dengan sutra akan saling tarik.

Eksperimen tersebut menunjukkan bahwa ada dua jenis muatan listrik, yaitu

muatan pada batang plastik yang digosokan pada bulu dan gelas yang digosokan pada

sutra. Benjamin Franklin (1706-1790) menamakan kedua jenis muatan tersebut muatan

negatif dan muatan positif. Batang plastik dan sutra mempunyai muatan negatif,

sedangkan gelas dan bulu mempunyai muatan positif. Akhirnya kita dapat

menyimpulkan bawa dua muatan positif atau dua muatan negatif akan saling tolak, dan

sebuah muatan positif dan sebuah muatan negatif akan saling menarik. Atau dapat pula

dikatakan, muatan yang sejenis tolak menolak dan muatan yang berlawanan akan

saling menarik.

Muatan listrik, seperti massa adalah satu sifat dasar partikel yang membentuk

materi. Interaksi yang menentukan struktur dan sifat-sifat atom dan molekul terutama

adalah iinteraksi listrik diantara partikel-partikel bermuatan listrik. Hal yang sama juga

berlaku untuk struktur dan sifat-sifat materi biasa yang dibentuk oleh atom dan molekul.

Teori Dasar Teknik Listrik 1

Struktur atom dapat dideskrisikan sebagai gabungan dari tiga pertikel, yaitu: elektron

yang bermuatan negatif, proton yang bermuatan positif dan neutron yang tidak

bermuatan. Proton dan neutron dalam sebuah atom membentuk sebuah teras kecil yang

sangat padat dinamakan inti (nucleus).

b. Arus Listrik

Arus listrik adalah mengalirnya elektron secara terus menerus dan

berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa

lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. Satuan arus listrik adalah Ampere. Arus

listrik bergerak dari terminal positif (+) ke terminal negatif (-), sedangkan aliran listrik

dalam kawat logam terdiri dari aliran elektron yang bergerak dari terminal negatif (-) ke

terminal positif(+), arah arus listrik dianggap berlawanan dengan arah gerakan elektron.

“1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 624x10^16 (6,24151 × 10^18)

atau sama dengan 1 Coulumb per detik melewati suatu penampang konduktor”.

Formula arus listrik adalah:

I = Q/t (ampere)

Keterangan:

I = besarnya arus listrik yang mengalir (ampere)

Q = Besarnya muatan listrik (coulomb)

t = waktu (detik)

Gambar 1. Arah arus listrik dan arah gerakan electron


http://3.bp.blogspot.com/_jqFxKzwEbD8/SX7Itop8-OI/AAAAAAAAAqs/giIb0PleDaU/s1600-h/Arah+arus+listrik+dan+arah+elektron.jpg

c. Arus (Current)

Arus adalah sembarang gerak muatan dari satu daerah ke daerah lainnya. Pada

logam sejumlah elektron bebas bergerak secara acak dalam semua arah, namun tidak

bisa melepaskan dari material konduksinya karena elektron itu ditarik ke ion positif

material itu. Gerak elektron itu acak, sehingga tidak aliran muatan neto dalam

sembarang arah sehingga tidak arus.

Dalam sebuah kawat yang mengangkut arus, arus itu selalu berada sipanjang

kawat itu, tidak perduli apakah itu lupus atau Bangkok. Tidak ada vektor tunggal yang

dapat menjelaskan gerak sepanjang sebuah lintasan lengkung. Itulah sebabnya mengapa

arus bukan sebuah vektor. Muatan positif yang bergerak dalam arah medan listrik (E)

menghasilkan arus yang sama seperti muatan negatif dengan jumlah yang sama

bergerak dengan laju yang sama dalam arah yang berlawanan dengan medan tersebut.

Pada satuan SI, arus dinyatakan dalam ampere (A), satu ampere didefinisikan

sebagai satu coulomb per detik (1A = 1 C/s). Satuan arus tersebut diberikan untuk

menghormati ilmuwan Perancis Andre Marie Ampere (1775-1836). Bila sebuah senter

biasa (usuran sel D) dinyalakan, arus dalam senter itu kira-kira 0,5 sampai 1 A. Arus

dalam kawat sebuah kunci kontak motor yang digunakan untuk menghidupkan mobil

adalah sekitar 200 A. Arus dalam rangkaian radio atau rangkaian televisi biasanya

dinyatakan dalam miliampere (1 mA = 10-3 A), atau mokroamprere (1 A = 10-6 A), dan

arus dalam rangkaian komputer dinyatakan dalam nanoampere (1 nA = 10-9 A).

d. Kuat Arus

Kuat arus adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas

yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu. Ampere adalah

satuan kuat arus listrik yang dapat memisahkan 1,118 milligram perak dari nitrat perak

murni dalam satu detik.Rumus untuk menghitung banyaknya muatan listrik, kuat arus

dan waktu.

Q = I x t

I = Q/t

t = Q/I

Keterangan:

Q = Banyaknya muatan listrik (coulomb)

I = Kuat arus (Amper)

t = waktu (detik)


Kuat arus listrik biasa juga disebut dengan arus listrik. Muatan listrik memiliki

muatan positip dan muatan negatif. Muatan positip dibawa oleh proton, dan muatan

negatif dibawa oleh elektro. Satuan muatan coulomb (C), muatan proton +1,6 x 10^-

19C, sedangkan muatan elektron -1,6x 10^-19C. Muatan yang bertanda sama saling

tolak menolak, muatan bertanda berbeda saling tarik menarik.

Contoh soal mengenai Kuat arus listrik.

Sebuah batere memberikan arus 0,5 A kepada sebuah lampu selama 2 menit. Berapakah

banyaknya muatan listrik yang dipindahkan?

Jawab:

Diketahui: I = 0,5 ampere, t = 2 menit.

Ditanyakan: Q (muatan listrik).

Penyelesaian: t = 2 menit = 2 x 60 = 120 detik

Q = I x t

= 0,5 x 120 = 60 coulomb.

e. Konduktor dan Isolator

Beberapa bahan memungkinkan muatan listrik bergerak dengan mudah dari satu

daerah bahan itu ke daerah lainnya, sedangkan bahan lainnya tidak memungkinkan

gerak seperti itu. Konduktor adalah bahan dimana muatan listrik dapat berpindah atau

mengalir di dalamnya. Sedangkan Isolator yaitu bahan dimana muatan listrik tidak

dapat mengalir di dalamnya. Contoh bahan konduktor yaitu logam dan contoh bahan

isolator yaitu bahan non logam, seperti plastik, keramik, permadani, dan masih banyak

lagi.

Sebagian besar logam adalah konduktor yang baik, sedaangkan besar bahan

yang bukan logam adalah isolator. Di dalam logam padat seperti: tembaga, satu atau

lebih elektron sebelah luar dalam setiap atom menjadi tidak terikat dan bergerak secara

bebas ke seluruh bahan itu. Gerak elektron yang bermutan positif ini mengangkut

muatan melalui logam tersebut. Elektron lainnya tetap terikat pada inti yang bermuatan

positif. Pada isolator tidak ada atau sangat sedikit elektron bebas dan muatan listrik

tidak dapat bergerak secara bebas melalui bahan tersebut. Beberapa bahan yang

dinamakan semikonduktor mempunyai sifat-sifat diantara sifat konduktor yang baik

dan sifat isolator yang baik.


f. Bahan Penghantar Listrik

Suatu bahan dapat berbentuk padat, cair, atau gas. Wujud bahan tertentu juga

bisa berubah karena pengaruh suhu. Selain pengelompokkan berdasarkan wujud

tersebut dalam teknik listrik bahan-bahan juga dapat dikelompokkan sebagai berikut.

1. Bahan Penghantar (konduktor)

2. Bahan Penyekat (isolator/insulator)

3. Bahan Setengah Penghantar (semi konduktor)

4. Bahan Magnetis.

5. Bahan Super Konduktor.

6. Bahan Nuklir.

7. Bahan Khusus (bahan untuk pembuatan kontak-kontak, untuk sekering, dan

sebagainya)

Bahan Penghantar (konduktor) adalah bahan yang menghantarkan listrik

dengan mudah. Bahan ini mempunyai daya hantar listrik (Electrical Conductivity) yang

besar dan tahanan listrik (Electrical Resistance) kecil. Bahan penghantar listrik

berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Perhatikan fungsi kabel, kumparan/lilitan

pada alat listrik yang anda jumpai. Juga pada saluran transmisi/distribusi. Dalam teknik

listrik, bahan penghantar yang sering dijumpai adalah tembaga dan alumunium.

Bahan Penyekat (Insulator/isolator) adalah bahan yang befungsi untuk

menyekat (misalnya antara 2 penghantar); agar tidak terjadi aliran listrik/kebocoran

arus apabila kedua penghantar tersebut bertegangan. Jadi bahan penyekat harus

mempunyai tahanan jenis besar dan tegangan tembus yang tinggi. Bahan penyekat yang

sering ditemui dalam teknik listrik adalah: plastik, karet, dan sebagainya.

Bahan Setengah Penghantar (Semi Konduktor) adalah bahan yang

mempunyai daya hantar lebih kecil dibanding bahan konduktor, tetapi lebih besar

dibanding bahan isolator. Dalam teknik elektronika banyak dipakai semi konduktor

dari bahan germanium (Ge) dan silicon (Si). Dalam keadaan aslinya, Ge dan Si adalah

bahan pelikan dan merupakan isolator. Di Pabrik bahan-bahan tersebut diberi kotoran.

Jika bahan tersebut dikotori dengan alumunium maka diperoleh bahan semikonduktor

type P (bahan yang kekurangan elektron/mempunyai sifat positif). Jika dikotori dengan

fosfor maka yang dipeoleh adalah semikonduktor jenis N (bahan yang kelebihan

electron, sehingga bersifat negative). Ge mempunyai daya hantar lebih tinggi

dibandingkan Si, sedangkan Si lebih tahan panas dibanding Ge.


Bahan Magnetik (Magnetic Materials) dikelompokkan menjadi 3 kelompok,

yaitu ferro magnetic, para-magnetic dan dia-magnetic. Bahan ferro-magnetic adalah

bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi dan mudah sekali dialiri garis-garis gaya

magnet. Contoh bahan yang mempunyai permeabilitas tinggi adalah besi, besi pasir,

stalloy, dan sebagainya. Selain itu sering dijumpai magnet yang merupakan magnet

permanen, misalnya alnico, cobalt, baja arang, dan sebagainya. Baja untuk magnet

sering dijumpai pada pelat-pelat motor/generator, pelat-pelat transformator, dan

sebagainya. Dalam bidang elektronika, digunakan bahan magnet misalnya pada

speaker, alat-alat ukur elektronika, dan sebagainya.

Bahan Super Konduktor. Pada tahun 1911, Kamerligh Onnes mengukur

perubahan tahanan listrik yang disebabkan oleh perubahan suhu Hg dalam helium cair.

Dia menemukan bahwa tahanan listrik tiba-tiba hilang pada suhu 4,153°K. Sampai saat

ini telah ditemukan sekitar 24 unsur hantaran super dan lebih banyak lagi paduan dan

senyawa yang menunjukkan sifat-sifat hantaran super. Temperatur kritisnya berkisar

antara 1 samapai 19° Kelvin. Bahan-bahan lead (timah), tin (timah patri), alumunium,

dan mercury, pada sushu mendekati 0°K mempunyai resistivitas nol.

Bahan Nuklir. Bahan nuklir sering dipakai sebagai bahan baker reaktor nuklir.

Reaktor nuklir adalah pesawat yang mengandung bahan-bahan nuklir yang dapat

membelah, yang disusun sedemikian sehingga suatu reaksi berantai dapat berjalan

dalam keadaan dan kondisi terkendali. Dengan sendirinya syarat agar suatu bahan dapat

dipergunakan sebagai bahan bakar nuklir adalah bahan yang dapat mengadakan fisi

(pembelahan atom). Dalam reaktor nuklir digunakan bahan bakar uranium 235,

plutonium-239, uranium-233. Dalam pemilihan jenis bahan listrik, selain sifat listrik,

perlu dipertimbangkan beberapa sifat lain dari bahan, yaitu:

a. Sifat Mekanis, yaitu perubahan bentuk dari suatu benda padat akibat adanya gaya-

gaya dari luar yang bekerja pada benda tersebut. Jadi adanya perubahan itu

tergantung kepada besar kecilnya gaya, bentuk benda, dan dari bahan apa benda

tersebut dibuat.

Jika tidak ada gaya dari luar yang bekerja, maka ada tiga kemungkinan yang akan

terjadi pada suatu benda:

o Bentuk benda akan kembali ke bentuk semula, hal ini karena benda mempunyai

sifat kenyal (elastis).

o Bentuk benda sebagian saja akan kembali ke bentuk semula, hal ini hanya

sebagian saja yang dapat kembali ke bentuk semula karena besar gaya yang


bekerja melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan menjadi

berkurang.

o Bentuk benda berubah sama sekali, hal ini dapat terjadi karena besar gaya yang

bekerja jauh melampaui batas kekenyalan sehingga sifat kekenyalan sama sekali

hilang.

b. Sifat Fisis, Benda padat mempunyai bentuk yang tetap (bentuk sendiri), dimana

pada suhu yang tetap benda padat mempunyai isi yang tetap pula. Isi akan

bertambah atau memuai jika mengalami kenaikkan suhu dan sebaliknya benda akan

menyusut jika suhunya menurun. Karena berat benda tetap , maka kepadatan benda

akan bertambah, sehingga dapat disimpulkan sebagai berikut:

o Jika isi (volume) bertambah (memuai), maka kepadatannya akan berkurang.

o Jika isinya berkurang (menyusut), maka kepadatan akan bertambah

o Jadi benda lebih padat dalam keadaan dingin daripada dalam keadaan panas

c. Sifat Kimia, berkarat adalah termasuk sifat kimia dari suatu bahan yang terbuat

dari logam. Hal ini terjadi karena reaksi kimia dari bahan itu sendiri dengan

sekitarnya atau bahan itu sendiri dengan bahan cairan. Biasanya reaksi kimia

dengan bahan cairan itulah yang disebut berkarat atau korosi. Sedangkan reaksi

kimia dengan sekitarnya disebut pemburaman.

Pengujian sifat mekanis bahan perlu dilakukan untuk mendapatkan informasi

spesifikasi bahan. Melalui pengujian tarik akan diperoleh besaran-besaran kekuatan

tarik, kekuatan mulur, perpanjangan, reduksi penampang, modulus elastis, resilien,

keuletan logam, dan lain-lain. Selain sifat-sifat tersebut dengan tidak secara terlalu

teknis, perlu diperhatikan kekerasan (hardness) dan kemampuan menahan goresan

(abrasion). Contoh sifat fisis yang sering diperlukan adalah berat jenis, titik lebur, titik

didih, titik beku, kalor lebur, dan sebagainya. Juga sifat perubahan volume, wujud, dan

panjang terhadap perubahan suhu. Perkaratan adalah contoh sifat bahan akibat reaksi

kimia; reaksi antara logam dengan oksigen yang ada di udara. Sifat kimia juga

termasuk sifat bahan yang beracun, kemungkinan mengadakan reaksi dengan garam,

asam, dan basa.

Selain bahan penyekat atau isolator di atas, ada bahan lain yang juga banyak

digunakan dalam teknik ketenagalistrikan yaitu bahan penghantar atau sering

dinamakan dengan istilah konduktor. Suatu bahan listrik yang akan dijadikan


penghantar, juga harus mempunyai si fat-sifat dasar penghantar itu sendiri seperti:

koefisien suhu tahanan, daya hantar panas, kekuatan tegangan tarik dan lain-lain.

Disamping itu juga penghantar kebanyakan menggunakan bentuk padat seperti

tembaga, aluminium, baja, seng, timah, dan lain-lain. Untuk keperluan komunikasi

sekarang banyak digunakan bahan penghantar untuk media transmisi telekomunikasi

yaitu menggunakan serat optik. Erat kaitannya dengan keperluan pembangkitan energi

listrik, yaitu suatu bahan magnetik yang akan dijadikan sebagai medium untuk konversi

energi, baik dari energi listrik ke energi mekanik, energi mekanik ke energi listrik,

energi listrik menjadi energi panas atau cahaya, maupun dari energi listrik menjadi

energi listrik kembali. Bahan magnetik ini tentunya harus memenuhi sifat-sifat

kemagnetan, dan parameter-parameter untuk dijadikan sebagai bahan magnet yang

baik. Dalam pemilihan bahan magnetik ini dapat dikelompokkan menjadi tiga macam,

yaitu ferromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik. Suatu bahan yang sekarang lagi

ngetren dan paling banyak sedang dilakukan riset-riset di dunia ilmu pengetahuan dan

teknologi yaitu bahan semi konduktor. Berkembangnya dunia elektronika dan

komputer saat ini adalah merupakan salah satu peranan dari teknologi semi konduktor.

Bahan ini sangat besar peranannya pada saat ini pada berbagai bidang disipilin ilmu

terutama di bidang teknik elektro seperti teknologi informasi, komputer, elektronika,

telekomunikasi, dan lain -lain. Berkaitan dengan bahan semi konduktor, pada saat ini

dapat dikelompokkan menjadi dua macam yaitu semi konduktor dan super konduktor.

Seperti telah kita ketahui, bahwa untuk pelaksanaan penyaluran energi listrik

dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu berupa saluran udara dan kabel tanah. Pada

saluran Udara, terutama hantaran udara telanjang biasanya banyak menggunakan kawat

penghantar yang terdiri atas: kawat tembaga telanjang (BCC, singkatan dari Bare

Cooper Cable), Aluminium telanjang (AAC, singkatan dari All Aluminium Cable),

Campuran yang berbasis aluminium (Al-Mg-Si), Aluminium berinti baja (ACSR,

singkatan dari Aluminium Cable Steel Reinforced dan Kawat baja yang berisi lapisan

tembaga (Cooper Weld).

Sedangkan pada saluran kabel tanah, biasanya banyak menggunakan kabel

dengan penghantar jenis tembaga dan aluminium, perkembangan yang sangat dominan

pada saluran kabel tanah adalah dari sisi bahan isolasinya, dimana pada saat awal

banyak menggunakan isolasi berbahan kertas dengan perlindungan mekanikal berupa

timah hitam, kemudian menggunakan minyak ( jenis kabel ini dinamakan GPLK atau

Gewapend Papier Lood Kabel yang merupakan standar belanda dan NKBA atau


Normal Kabel mit Bleimantel Aussenumheullung yang merupakan standar jerman, dan

jenis bahan isolasi yang terkini adalah isolasi buatan berupa PVC (Polyvinyl Chloride)

dan XLPE (Cross-Linked Polyethylene). Jenis bahan isolasi PVC dan XLPE pada saat

ini telah berkembang pesat dan merupakan bahan isolasi yang andal.

Di waktu yang lalu, bahan yang banyak digunakan untuk saluran listrik adalah

jenis tembaga (Cu). Namun karena harga tembaga yang tinggi dan tidak stabil bahkan

cenderung naik, aluminium mulai dilirik dan dimanfaatkan sebagai bahan kawat saluran

listrik, baik saluran udara maupun saluran kabel tanah. Lagipula, kawat tembaga sering

dicuri karena bahannya dapat dimanfaatkan untuk pembuatan berbagai produk lain.

Suatu ikhtisar akan disampaikan dibawah ini mengenai berbagai jenis logam atau

campurannya yang dipakai untuk kawat saluran listrik, yaitu:

Tembaga elektrolitik, yang harus memenuhi beberapa syarat normalisasi, baik

mengenai daya hantar listrik maupun mengenai sifat-sifat mekanikal.

Brons, yang memiliki kekuatan mekanikal yang lebih besar, namun memiliki daya

hantar listrik yang rendah. Sering dipakai untuk kawat pentanahan.

Aluminium, yang memiliki kelebihan karena materialnya ringan sekali.

Kekurangannya adalah daya hantar listrik agak rendah dan kawatnya sedikit kaku.

Harganya sangat kompetitif. Karenanya merupakan saingan berat bagi tembaga,

dan dapat dikatakan bahwa secara praktis kini mulai lebih banyak digunakan untuk

instalasi listrik arus kuat yang baru dari pada menggunakan tembaga.

Aluminium berinti baja, yang biasanya dikenal sebagai ACSR (Aluminium Cable

Steel Reinforced), suatu kabel penghantar aluminium yang dilengkapi dengan unit

kawat baja pada inti kabelnya. Kawat baja itu diperlukan guna meningkatkan

kekuatan tarik kabel. ACSR ini banyak digunakan untuk kawat saluran hantar

udara.

Aldrey, jenis kawat campuran antara aluminium dengan silicium (konsentrasinya

sekitar 0,4 % – 0,7 %), Magnesium (konsentrasinya antara 0,3 % - 0,35 %) dan

ferum (konsentrasinya antara 0,2 % - 0,3 %). Kawat ini memiliki kekuatan

mekanikal yang sangat besar, namun daya hantar listriknya agak rendah.

Cooper-weld, suatu kawat baja yang disekelilingnya diberi lapisan tembaga.

Baja, bahan yang paling banyak digunakan sebagai kawat petir dan juga sebagai

kawat pentanahan.


Berdasarkan ikhtisar diatas, dapat dikatakan bahwa bahan yang terpenting untuk

saluran penghantar listrik adalah tembaga dan aluminium, sehingga kedua bahan

tersebut banyak digunakan sebagai kawat pengantar listrik, baik saluran hantar udara

maupun kabel tanah.

g. Hukum Coulomb

Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) mengkaji interaksi partikel-partikel

bermuatan secara rinci pada tahun 1748. Untuk muatan-muatan titik, yaitu benda

bermuatan yang sangat kecil dibandingkan dengan jarak r diantara muatan-muatan itu.

Coulomb mendapati bahwa gaya listrik itu sebanding dengan 1/r2. Dimana, bila jarak r

menjadi dua kali lipat, maka gaya itu berkurang menjadi 1/4 dari nilai semula; bila jarak

itu menjadi setengahnya, maka gaya listrik itu bertambah menjadi empat kali lipat.

Dengan demikian, Coulomb memperkenalkan apa yang sekarang disebut Hukum

Coulomb:

Besarnya gaya listrik di antara dua muatan titik berbanding lurus dengan hasil kali muatan-muatan itu dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara muatan-muatan itu.

Hukum Coulomb hanya menggambarkan interaksi dari dua muatan titik.

Percobaan memperlihatkan bahwa, bila dua muatan mengerahkan haya secara serempak

pada sebuah muatan ke tiga, maka gaya total yang beraksi pada muatan itu adalah

jumlah vector dari gaya-gaya yang dikerahkan oleh kedua muatan itu secara individu.

Hukum Coulomb seharusnya digunakan hanya untuk muatan-muatan titik dalam ruang

hampa.

h. Hambatan/Tahanan (Resistance)

Penghantar dari bahan metal mudah mengalirkan arus listrik, tembaga dan

aluminium memiliki daya hantar listrik yang tinggi. Bahan terdiri dari kumpulan atom,

setiap atom terdiri proton dan elektron. Aliran arus listrik merupakan aliran elektron.

Elektron bebas yang mengalir ini mendapat hambatan saat melewati atom sebelahnya.

Akibatnya terjadi gesekan elektron denganatom dan ini menyebabkan penghantar panas.

Tahanan penghantar memiliki sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan.

Tahanan difinisikan, yaitu 1 (satu Ohm / Ω) adalah tahanan satu kolom air raksa

yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0º C. Daya

hantar adalah kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat


atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga

tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri

arus listrik. Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar

arus.

Untuk sebuah konduktor dengan hambatan jenis (), kerapatan arus (J) di sebuah

titik dimana medan listrik adalah E, dapat ditulis:

E = J

Bila hukum Ohm dipatuhi, adalah konstan dan tidak tergantung dari besarnya medan

listrik, sehingg E berbanding langsung dengan J. Misalnya konduktor adalah sebuah

kawat dengan luas penampang homogenA dan panjang L. V selisih potensial antara

ujugn yang potensial tinggi dan ujung yang potensial rendah, sehingga V positif.Arah

arus selalu dari ujung potensial lebih tinggi ke ujung potensial lebih rendah. Hal ini

karena arus mengalir dalam sebuah konduktor dalam E, tidak perduli bagaimanapun

tanda muatan yang bergerak itu dan karena E menunjuk ke arah dalam potensial listrik

yang semakin berkurang. Sewaktu arus mengalir melalui selisih potensial itu, energi

potensial listrik akan hilang, energi dipindahkan ke ion-ion material konduksi itu selama

tumbukan.

Kita juga dapat mengaitkan nilai arus I terhadap selisih potensial diantara ujung-

ujung konduktor itu. Jika besarnya kerapatan arus J dan medan listrik E itu homogen di

seluruh konduktor, maka arus total I itu diberikan oleh I = JA, dan selisih potensial V

diantara ujung-ujung itu adalah V = EL. Bila kita selesaikan persamaan itu, akan

didapatkan:

V I L = atau V = I (1)L A A

Ini memperlihatkan bahwa nilai adalah konstan, arus total I itu sebanding dengan

selisih potensial V. Rasio V terhadap I untuk sebuah konduktor disebut hambatan

(resistansi, resistance) R:

VR = (2) I

Dengan membandingkan definsi R in terhadap persamaan (2), bahwa hambatan dari

sebuah konduktor tertentu dikaitkan dengan resistivitas tertentu dari material itu oleh:

LR = hubungan antara hambatan dengan resistivitas (3) A

Keterangan:


R = tahanan kawat [ Ω/ohm] L = panjang kawat [meter/m]ρ = tahanan jenis kawat [Ω mm²/meter] A = penampang kawat [mm²]

Jika adalah konstan, maka R adalah konstan:

V = IR hubungan antara tegangan, arus dan hambatan (4)

Seringkali rumus di atas dinamakan hukum Ohm, tetapi penting untuk dipahami

bahwa isi sebenarnya hukum Ohm adalah kesebandingan langsung dari V terhadap I

atau dari J terhadap E. Persamaan (2) dan (4) mendefinisikan hambatan R untuk

sembarang konduktor, apakah konduktor itu mematuhi hukum Ohm atau tidak, tetapi

hanya jika R konstan, kita dapat menamakan hubungan ini hukum sebagai hukum Ohm.

Persamaan (3) memperlihatkan bahawa hambatan sebuah kawat atau konduktor

lain yang penampangnya homogen berbanding langsung dengan panjangnya dan

berbanding terbalik dengan luas penampangnya. Hambatan juga sebanding dengan

resistivitas material dari konduktor yang dbuat itu.

Satuan SI dari hambatan adalah ohm, yang sama dengan satu volt per ampere

(1 = 1 V/A), sering juga digunakan kiloohm (1 k = 10.000 W) dan megaohm (1 M

= 1.000.000 W). Sebuah kawat tembaga ukuran 12 dengan panjang 100 m, yaitu ukuran

yang biasanya digunakan dalam kawat rumah tangga, mempunyai hambatan pada suhu

kamar sebesar kira-kira 0,5 . Sebuah bola lampu 100 W, 120 V mempunyai hambatan

(pada suhu operasional) sebesar 140 . Jika arus I yang mengalir dalam dua kawat

tembaga dan bola lampu, maka selisih potensial V = IR, jauh lebih besar yang melewati

bola lampu itu, dan lebih banyak lagi energi potencial yang hilang permuatan dalam

bola lampu itu. Energi yang hilang itu dikonversikan oleh serabut bola lampu itu

menjadi cahaya dan kalor.

Karena resistivitas sebuah material berubah dengan suhu, maka hambatan

sebuah konduktor spesifik juga berubah dengan suhu. Untuk jangkauan suhu yang tidak

terlalu besar perubahan ini secara rata-rata adalah sebuah hubungan linear.

Sebuah komponen rangkaian yang dibuat mempunyai nilai hambatan spesifik

diantara ujung-ujung disebut resistor. Resistor mempunyai besaran berkisar antara 0,01

sampai 107 , dan dapat dibeli di pasaran. Resistor individu yang digunakan dalam

rangkaian elektrinik seringkali berbentuk silinder, yang diamater dan panjangnya

beberapa milimeter dengan kawat-kawat pada kedua ujungnya. Resistor dapat ditandai


dengan kode estándar yang menggunakan warna pada ujung satu ke ujung lain. Ada tiga

atau empat warna yang biasanya diberikan, yaitu warna pertama dan kedua

menunjukkan angka (angka ke-1 dan angka ke-2), warna ketiga yaitu pengali dalam

pangkat kelipatan 10 dan warna terakhir hádala toleransi biasanya warna emas (5%),

perak (10%) dan tidak ada warna (20%). Dibawah ini beberapa harga dan warna yang

digunakan dalam pengkodean resistor.

Tabel 1. Kode Warna Untuk Resistor

WARNA Nilai Sebagai Angka Nilai Sebagai PengaliHitam 0 1Cokelat 1 10Merah 2 102

Jingga (Orange) 3 103

Kuning 4 104

Hijau 5 105

Biru 6 106

Ungu/Violet 7 107

Abu-Abu 8 108

Putih 9 109

Emas 5% -Perak 10% -Tidak Ada Warna 20% -

Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai resistance, karena tahanan suatu jenis material

sangat tergantung pada:

• panjang tahanan

• luas penampang konduktor.

• jenis konduktor

• temperatur

i. Hambatan Jenis (Resistivity, ρ)

Hambatan jenis didefinisikan ρ sebuah material sebagai perbandingan dari

besarnya medan listrik dan kerapatan arus.

Eρ =

JSemakin besar hambatan jenis, semakin besar pula medan magnet yang

diperlukan untuk menyebabkan sebuah kerapatan arus yang diberikan, atau semakin

kecil kerapatan arus yang disebabkan oleh sebuah medan magnet. Satuan hambatan


jenis ρ adalah (V/m) atau (A/m2) = V.m/A. Untuk satuan SI ρ adalah Ω.m (ohm.meter).

Sebuah konduktor sempurna mempunyai nilai hambatan jenis nol, dan sebuah isolator

mempunyai hambatan jenis tidak terhingga. Logam dan campuran logam mempunyai

hambatan jenis paling kecil dan merupakan konduktor terbaik.

Kebalikan hambatan jenis yaitu konduktivitas, dimana satuannya (Ω.m)-1.

Konduktor listrik yang baik mem;punyai konduktivitas yang lebih besar dari pada

isolator. Semikonduktor mempunyai hambatan jenis pertengahan diantara hambatan

jenis logam dan isolator. Material semikonduktor hambatan jenisnya dipengaruhi oleh

suhu dan oleh sejumlah kecil ketidakmurnian. Tabel di bawah ini menunjukkan

beberapa hambatan jenis logam pada suhu kamar 20oC.

Tabel 2. Hambatan Jenis pada Suhu Kamar 20oC

ZAT ρ (Ω.m)KonduktorLogam Perak 1,47 x 10-8

Tembaga 1,72 x 10-8

Emas 2,44 x 10-8

Aluminium 2,75 x 10-8

Tungsten 5,25 x 10-8

Baja 20 x 10-8

Timah 22 x 10-8

Air Raksa 95 x 10-8

Campuran Manganin (Cu 84%, Mn 12%, Ni 4%) 44 x 10-8

Constantan (Cu 60%, Ni 4%) 49 x 10-8

Nikrom 100 x 10-8

Semikonduktor Karbon murni (Grafit) 3,5 x 10-5

Germanium murni 0,60Silikon murni 2300

Isolator Kuningan 5 x 1014

Kaca 1010 - 1014

Lucite > 1013

Mika 1011 - 1015

Kuarsa (lebur) 75 x 1016

Belerang 1015

Teflon > 1013

Kayu 108 - 1011

j. Simbol untuk Diagram Rangkaian

Bagian yang penting dalam suatu rangkaian listrik adalah penggambaran sebuah

diagram rangkaian skema. Kita biasanya menganggap bahwa kawat-kawat yang

menghubungkan berbagai elemen rangkaian itu mempunyai hambatan yang dapat

diabaikan. Rumus V=IR, selisih diantara ujung-ujung dari sebuah kawat seperti itu nol.


Alat ukur yang ideal untuk mengukur sifat-sifat rangkaian tidak mengganggu didalam

sambungan. Sebuah voltmeter, digunakan untuk mengukur selisih potensial diantara

terminal-terminalnya tanpa mempunyai arus yang dialihkan melalui voltmeter dan

mempunyai hambatan besar sampai tak terhingga. Sebuah ammeter mengukur arus

yang lewat melalui ammeter. Idealnya mempunyai hambatan nol dan tidak mempunyai

selisih potensial diantara terminal-terminal karena alat ukur tersebut bertindak sebagai

bagian dari rangkaian tersebut.

Tabel 3. Simbol untuk Diagram Rangkaian

Konduktor dengan hambatan yangdapat diabaikan

R

Resistor

+ ε

Sumber (Garis vertikal yang lebih panjang selalu

menyatakan terminal positif, biasanya terminal pada

potensial yang lebih tinggi)

+ ε r

Sumber dengan hambatan dalam r (r dapat ditempatkan

pada atau sisi manapun)

r + ε

Voltmeter (mengukur selisih potensial diantara terminal)

Ammeter (mengukur arus melalui ammeter)

k. Rangkaian Seri dan Paralel

Untuk memahami kedua rangkaian tersebut, kita ahrus memahami lebih dahulu

kaidah-kaidah Kirchhoff. Kaidah pertama yaitu didasarkan pada kekekalan muatan yang

diterapkan pada persambungan (junction). Kaidah titik pertemuan Kirchhoff (Kirchhoff

juction rule) yaitu jumlah aljabar dari arus ke dalam setiap titik pertemuan adalah nol.

Yiatu: ΣI = 0 (berlaku di tiap titik pertemuan). Kaidah titik pertemuan didasarkan pada


V

A

kekekalan muatan listrik. Tidak ada muatan yang dapat terakumulasi di sebuah titik

pertemuan, sehingga muatan total yang masuk ke titik pertemuan per satuan waktu

harus sama dengan muatan total yang meninggalkan titik pertemuan itu persatuan

waktu. Muatan persatuan waktu adalah arus, sehingga arus yang masuk itu positif dan

arus yang keluar itu negatif.

Kaidah kedua diturunkan dari kekekalan energi untuk sebuah muatan yang

bergerak mengitari sebuah simple tertutup (closed loop). Kaidah simpal Kirchhoff

(Kirchhoff loop rule) yaitu jumlah aljabar dari selisih potensial dalam tiap simpal,

termasuk selisih potensial yang diasosiasikan dengan tge dan elemen hambatan, harus

sama dengan nol, Yakni: ΣV = 0 (berlaku untuk setiap simpal tertutup). Kaidah simpal

adalah sebuah pernyataan bahwa gaya elektronik adalah gaya konservatif. Pada waktu

arus masuk ke tiap titik simpal dan menghitung setiap titik tersebut, maka setelah keluar

dari titik simpal itu harus nol.

Untuk menguji kaidah-kaidah Kirchhoff kita akan menyambungkan resistor

dalam dua jenis sambungan yaitu Resistor dalam Sambungan Seri dan Paralel. Resistor

dalam semua rangkaian berfungsi dapat berfungsi untuk membatasi arus, membagi arus,

mereduksi tegangan atau membagi tegangan. Beberapa rangkaian sering menggunakan

gabungan beberapa resistor. Apabila resistor disambungkan berderet dalam satu barisan

dengan hanya sebuah lintasan arus tunggal diantara titik-titik itu disebut rangkaian

seri. Rangkaian seri ditunjukkan pada gambar 1.

R1 R2 R3

I

Gambar 2. Rangkaian Seri

Jika resistor dipasang secara seri, arus I harus sama dalam setiap resistor, arus

itu tidak “dihabiskan” pada waktu melalui sebuah rangkaian. Dengan rumus V = IR,

selisih potensial yang melalui setiap resistor tidak perlu sama. Selisih potensial V yang

melalui keseluruhan gabungan resistor adalah jumlah selisih-selisih potensial individu:

Rt = R1 + R2 + R3 + …………..Rn

Hambatan total dari sejumlah resistor seri sama dengan jumlah hambatan-hambatan

individunya. Hambatan total lebih besar dari hambatan individunya.


Resistor dapat dipasang secara parallel dimana ada titik percabangan dan ada titik

pertemuan (titik a dan titi b). Elemen yang dipasang secara parallel selisih potensialnya

akan sama setiap elemen. Jika resistor dipasang secara parallel seperti pada Gambar 2,

arus yang melalui setiap resistor tak perlu sama. Tetapi selisih potensial diantara

terminal-terminal setiap resistor harus sama dan sebanding dengan V. Dari persamaan I

= V/R, didapatkan persamaan resistor parallel, yaitu:

1 1 1 1 1 = + + + ………..Rt R1 R2 R3 Rn

Umumnya arus yang melalui setiap resistor berbeda, karena muatan tidak

terakumulasi atau terkuras ke luar titik a, maka arus total I harus sama dengan jumlah

ketiga arus dalam resistor itu. Untuk sejumlah resistor yang dipasang secara parallel,

kebalikan hambatan total sama dengan jumlah kebalikan-kebalikan dari habatan-

hambatan individunya. Hambatan total pada rangkaian parallel selalu lebih kecil dari

hambatan individunya.

R1 a R2 b

(A)

R3 I

R1 R2 (B) a b

R3 I

R1 R2

(C) a b

R3 I

Gambar 3. Hubungan Paralel


Pada Gambar 2b, R2 dan R3 adalah parallel dan gabungan itu adalah seri dengan

R1. Pada Gambar 2c, R1 dan R2 adalah seri dan gabungan itu adalah paralel dengan R3.

Khusus untuk dua resistor parallel, yaitu:

R1 R2 I1 R2Rt = atau =

R1 + R2 I2 R1

Hal ini menunjukkan bahwa arus yang diangkut oleh dua resistor parallel berbanding

terbalik dengan hambatannya. Lebih banyak arus yang melalui lintasan yang

hambatannya paling kecil.

l. Arus Searah (DC)

Sebenarnya arus searah merupakan arus negatif atau elektron yang mengalir dari

kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron yang mengalir menyebabkan terjadinya

lubang-lubang bermuatan positif (Proton) yang seolah-olah terlihat mengalir dari kutub

positif ke negatif. Sumber dari arus searah ini biasanya dari batu baterai, accumulator,

atau hasil proses dari Photovoltaic/tenaga surya. Listrik arus searah atau DC (Direct

Current) ialah aliran arus yang keluarannya tetap/konstan terhadap waktu. Dengan kata

lain, pada waktu kapanpun dicek keluaran arus dari listrik DC akan selalu sama. Pada

suatu rangkaian akan mengalir arus (Gambar 1), apabila dipenuhi syarat-syarat sebagai

berikut:

1. Adanya sumber tegangan 2. Adanya alat penghubung 3. Adanya beban

Gambar 4. Rangkaian arus searah


Pada kondisi sakelar S terbuka maka arus tidak akan mengalir melalui beban. Apabila

sakelar S ditutup maka akan mengalir arus ke beban R dan Ampere meter akan

menunjuk. Dengan kata lain syarat mengalir arus pada suatu rangkaian harus tertutup.

m. Arus Bolak Balik (AC)

Arus bolak balik (Alternating Current, AC) ditemukan oleh George

Westinghouse yang mengemukakan arus dan tegangan berubah secara sinusoida. Salah

satu alasan bahwa transformator dapat digunakan untuk menaikan dan menurunkan

tegangan AC, tetapi tidak bisa digunakan untuk DC. Berkat jasanya sampai sekarang

kebanyakan industri dan rumah tangga menggunakan arus bolak-balik.

Untuk menyediakan arus bolak-balik pada sebuah rangkaian diperlukan sebuah

Tegangan Gerak Elektrik (tge) atau electromotive force (emf) atau sering disebut juga

dengan Gaya Gerak Listrik (ggl), atau voltase bolak-balik. Sebuah tegangan sinusoida

dapat dijelaskan oleh sebuah fungsi seperti:

ν = V cos ωt

dimana ν adalah selisih potensial sesaat, V adalah selisih potensial maksimum, ω adalah

frekuensi sudut yang sama dengan 2π kali frekuensi f (50 hz).

Gambar 5a. Bentuk arus bolak balik 1 phasa


Gambar 5b. Bentuk arus bolak balik 3 phasa

Gambar 6. Prinsip membangkitkan arus bolak balik

n. Instrumen Pengukur Listrik

Untuk mengetahui seberapa besar arus yang mengalir, tegangan dan hambatan

kita harus mengukur dengan alat yang tepat dan akurat. Ada beberapa alat yang sering

digunakan antara lain: galvanometer d’Arsonval, Ammeter, Voltmeter dan Gabungan

antara Ammeter dan Voltmeter (sering disebut AVO meter atau multitester).

Galvanometer merupakan sebuah kumparan berporos dari kawat halus

ditempatkan dalam medan magnet sebuah magnet permanen. Pegas diikatkan pada

kumparan tersebut yang serupa dengan pegas rambut pada roda neraca sebuah jam.

Dalam posisi kesetimbangan dengan tidak ada arus dalam kumparan itu, penunjuk akan

berada di nol. Bila ada arus dalam kumparan, medan magnet itu menggerakan sebuah

torka pada kumparan sebanding dengan arus tersebut. Jadi penyimpangan sudut


kumparan dan penunjuk berbanding langsung dengan arus kumparan dan alat itu dapat

dikalibrasi untuk mengukur arus.

Ammeter merupakan salah satu instrumen untuk mengukur arus yang

bergantung pada jangkauan pengukuran. Sebuah Ammeter selalu mengukur arus yang

melaluinya dan idealnya mempunyai habatan nol. Ammeter yang digunakan sebenarnya

selalu mempunyai hambatan yang berhingga, tetapi diusahakan untuk memiliki

hambatan sekecil mungkin.

Voltmeter adalah suatu alat untuk mengukur selisih potensial atau tegangan

(voltage). Sebuah voltmeter selalu mengukur selisih potensial di antara dua titik, dan

terminal-terminalnya harus disambungkan ke titik ini. Sebuah voltmeter ideal

mempunyai hambatan tak berhingga, sehingga menyambungkannya di antara dua titik

dalam sebuah rangkaian tidak akan mengubah arus. Voltmeter yang ada dipasaran selalu

memiliki hambatan yang berhingga, tetapi seharusnya mempunyai hambatan yang

cukup besar sehingga penyambungan dalam sebuah rangkaian tidak mengubah arus

lain.

Ammeter dan Voltmeter dapat digabungkan bersama-sama untuk menguur

hambatan dan daya. Hambatan R dari sebuah resistor sama dengan selisih potensial V di

antara terminal-terminalnya dibagi dengan arus I, yatu R = V/I. Daya masuk P ke

sembarang elemen rangkaian adalah hasil selisih potensial yang melalui elemen itu dan

arus yang melaluinya, yaitu: P = V.I. Pada prinsipnya, cara yang paling langsung untuk

mengukur R atau P adalah mengukur V dan I secara serempak.

Daftar Pustaka

Fitzgeral, Charles Kingsley. (1990). Mesin-Mesin Listrik. Jakarta: Binacipta.

Lytel, Allan. (1976). ABC’s of Electric Motors and Generators. Bombay: D.B. Taroporevala Sons & Co.

Malvino, Barmawi. (1985). Prinsip-prinsip Elektronika. Jakarta: Erlangga.

Siskind. (1975). Electrical Machines.

Soelaiman T.S., Mabuchi Magarisawa. (1984). Mesin Tak Serempak dalam Praktek. Jakarta: Pranindya Paramita.

Sumanto. (1996). Mesin Sinkron.. Yogyakarta: Andi Offset.


Van Harten. (1981). Instalasi Listrik Arus Kuat. Jilid 1, 2 dan 3 (Terjemahan). Jakarta: Binacipta.

William H. (1992). Rangkaian Listrik jilid 1. Jakarta: Erlangga.

Yon Rijono. (1997). Dasar teknik tenaga listrik. Yogyakarta: Andi Offset.

Zuhal. (2000). Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia.


panduan praktekfile.upi.edu/direktori/fptk/jur._pend._teknik_mesin... · web viewcontoh soal...

Documents