listrik arus searah

25
Listrik berasal dari kata elektron yang berarti batu ambar. Jika sebuah batu ambar digosok dengan kain sutra, maka batu akan dapat menarik benda-benda ringan seperti sobekan kertas. Dari hal tersebut maka dikatakan batu ambar tersebut bermuatan listrik. Muatan merupakan ciri dasar dari semua penyusun zat. Zat tersusun dari proton, netron dan elektron. Elektron memiliki muatan negatif dan proton memiliki muatan positif. Besarnya muatan listrik (dilambangkan dengan Q) yang dimiliki sebuah benda, secara sederhana menunjukkan berapa kurang atau lebihnya jumlah muatan negatif dibanding dengan jumlah muatan positifnya. 1 ) Ge ja la Listrik a ) Hukum Coulomb Pengertian muatan listrik menunjukkan bahwa muatan tidak menyebar pada daerah tertentu melainkan berkumpul dalam satu titik. Pada tahun 1785 Charles Coulomb mengadakan penelitian pertama tentang gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bermuatan dengan alat yang bernama neraca puntir coulomb. Gambar 1. Neraca puntir coulomb 6

Upload: andri-ghetouk

Post on 24-Jul-2015

335 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Listrik Arus Searah

Listrik berasal dari kata elektron yang berarti batu ambar. Jika sebuah

batu ambar digosok dengan kain sutra, maka batu akan dapat menarik

benda-benda ringan seperti sobekan kertas. Dari hal tersebut maka

dikatakan batu ambar tersebut bermuatan listrik.

Muatan merupakan ciri dasar dari semua penyusun zat. Zat tersusun

dari proton, netron dan elektron. Elektron memiliki muatan negatif dan

proton memiliki muatan positif. Besarnya muatan listrik (dilambangkan

dengan Q) yang dimiliki sebuah benda, secara sederhana menunjukkan

berapa kurang atau lebihnya jumlah muatan negatif dibanding dengan

jumlah muatan positifnya.

1 ) Ge ja la Listrik

a ) Hukum Coulomb

Pengertian muatan listrik menunjukkan bahwa muatan tidak

menyebar pada daerah tertentu melainkan berkumpul dalam satu titik.

Pada tahun 1785 Charles Coulomb mengadakan penelitian pertama

tentang gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bermuatan

dengan alat yang bernama neraca puntir coulomb.

Gambar 1. Neraca puntir coulomb

6

Page 2: Listrik Arus Searah

Dari hasil percobaan tersebut, Coulomb berkesimpulan :

Besarnya gaya interaksi antara dua buah benda titik yang

bermuatan listrik adalah berbanding lurus dengan perkalian antara

masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak

antara kedua muatan titik tersebut.

Besar gaya interaksi dalam persamaan matematis dinyatakan

sebagai berikut :

i) Untuk muatan listrik yang berada diruang vakum (hampa udara)

F = k .q

1 q

2

r2

(1.)

ii) Untuk muatan yang berada dimedium dielektrik.

k q1

q2F = .

k r2e (2.)

Keterangan :

· F : besar gaya interaksi yang dialami oleh masing-

masing muatan satuannya Newton (N).

·

·

q1,q2

(C)

ke

: besar masing-masing muatan, satuannya Coulomb

: konstanta dielektrik dari medium (permitivitas relatif).

· k : konstanta pembanding, dengan k = 4pe0-1.

· harga konstanta diambil : 9. 109 Nm/coulomb2

· e0

C2/Nm2

: permitivitas ruang vakum (ruang hampa) : 8,9. 10-12

· r : jarak antara kedua muatan listrik, satuannya meter

(m)

Hubungan k dengan ke adalah :

k e =0 (3.)

e = permitivitas dalam medium dielektrik.

7

Page 3: Listrik Arus Searah

Catatan :

a.> Gaya interaksi adalah tarik menarik jika kedua muatan tersebut

berlainan tanda, dan akan saling tolak menolak jika kedua

muatan tersebut bertanda sama.

Q q

+ -

Q q

+ +

Gambar 2. Gaya interaksi antar muatan

b.> Gaya interaksi/ gaya coulomb merupakan besaran vektor jadi

berlaku hukum penjumlahan secara vektor.

c.> Besar gaya coulomb yang dialami oleh dua muatan pertama

akibat muatan kedua, sama dengan besar gaya coulomb yang

dialami oleh muatan kedua akibat muatan pertama.

d.> Permitivitas dalam udara dapat dianggap sebagai permitivitas

ruang hampa (vakum).

Dalam sebuah ruangan yang terdapat muatan +Q, berdasar pada

hukum Coulomb bila kita meletakkan muatan uji +q pada ruang

tersebut akan mendapatkan gaya coulomb (tolak menolak).

Perhatikan gambar dibawah ini :

Q +q

+

Ea +q

Ea-

-Q

Gambar 3. Kuat medan listrik

Medan listrik selalu dicirikan dengan adanya gaya coulomb pada

muatan-muatan listrik dalam suatu ruangan. Dari gambar diatas dapat

8

Page 4: Listrik Arus Searah

disimpulkan bahwa adanya gaya coulomb pada muatan +Q dan +q,

dalam ruang tersebut terdapat medan listrik. Untuk muatan –Q dan

diletakkan muatan uji +q maka akan terjadi gaya coulomb yang saling

tarik-menarik antara kedua muatan tersebut.

b) Hukum Fara day

Arah medan listrik di beberapa titik dapat dilukiskan secara grafis

dengan menggunakan garis-garis gaya (kayalan). Konsep dasar ini

dikemukakan oleh Michael Faraday yang berbunyi :

Sebuah garis gaya dalam suatu medan listrik adalah sebuah

garis gaya yang dilukiskan apabila garis singgung pada setiap titiknya

menunjukkan arah medan listrik pada titik tersebut.

+Q

+ - -Q

Gambar 4. Arah garis gaya

Garis gaya menuju keluar dari muatan positif dan masuk menuju

kemuatan negatif. Untuk menunjukkan arah-arah garis gaya dapat

dilakukan percobaan sebagai berikut :

Kuat medan listrik pada sebuah titik didalam ruang adalah

sebanding dengan jumlah garis gaya per satuan luas permukaan

yang tegak lurus medan listrik pada titik tersebut. Dapat disimpulkan

bahwa kuat medan listrik akan terasa kuat apabila jarak antara kedua

muatan tersebut saling berdekatan, sehingga garis gaya yang

dihasilkan sangat rapat. Sebaliknya jika kedua muatan tersebut

berjauhan, maka kuat medan listrik yang terbentuk akan lemah.

Penggunaan dari potensial listrik dapat dihubungkan dengan

konsep medan listrik, dasar-dasar rangkaian listrik, serta masalah

praktis yang terkait dengan piranti-piranti listrik. Untuk menjelaskan

9

Page 5: Listrik Arus Searah

definisi dan sifat dari dua buah titik yang saling beda potensial dan

terletak pada sebuah medan listrik sebagai beda potensial antara dua

titik tersebut.

Beda potensial antara dua titik adalah kerja yang dilakukan per

satuan muatan jika muatan tersebut dipindahkan. Dalam satuan SI,

satuan beda potensial listrik adalah Volt ( disingkat V), dengan 1 volt=

1 joule/coulomb. Potensial listrik dapat didefinisikan sebagai bentuk

perbandingan energi listrik dengan muatan titik tersebut.

c ) Hukum Oers ted

Jika muatan listrik mengalir melalui kawat penghantar konduktor,

maka akan timbul pengaruh magnetik disekitar kawar berarus

tersebut. Pengaruh magnetik ini mampu menarik bahan magnetik

lainnya. Jika serbuk besi diletakkan disekitar kawat berarus maka

serbuk besi tersebut akan berarah secara teratur.

Hans Christian Oersted, pada tahun 1820, mengadakan penelitian

tentang pengaruh medan magnet disekitar kawat berarus. Susunan

percobaan Oersted tersusun seperti gambar dibawah ini.

Gambar 5. percobaan Oersted

Kawat berarus akan menimbulkan jarum pada kompas bergerak.

Kesimpulan yang dapat diambil adalah Dalam kawat penghantar yang

dilewati arus listrik disekitarnya akan timbul garis gaya magnet.

10

Page 6: Listrik Arus Searah

Seperti halnya bumi yang memiliki medan magnet, khasiat jarum

kompas sudah sangat terkenal.

arus

I listrik

medanmagnet

Gambar 6. Medan disekitar kawat berarus

Disekitar medan magnet permanen atau kawat penghantar

berarus merupakan daerah medan magnet. Vektor dalam medan

magnet tersebut dilambangkan dengan B atau disebut dengan induksi

medan magnet. Dalam SI, satuan induksi magnet B adalah Tesla.

2) Rangkaian Listrik Arus Searah

a) Hukum Ohm

Jika beda potensial pada ujung kawat dapat dipertahankan

konstan, maka akan menimbulkan aliran muatan listrik atau yang

disebut dengan aliran arus listrik. Definisi arus listrik (I) adalah jumlah

muatan (Q) listrik yang mengaklir dalam penghantar tiap satuan

waktu (t). Jadi 1 Ampere sama dengan 1 coulomb perdetik.

Q I

t (4.)

Jika aliran muatan yang mengalir tidak tetap terhadap waktu,

maka arus sesaat dapat dihitung sebagai :

11

Page 7: Listrik Arus Searah

lim QI t 0 t

dQdt

(5.)

Dalam SI, satuan kuat arus adalah Ampere (A), diambil dari nama

Andre Marie Ampere (1775-1838), seorang ilmuwan kebangsaan

Perancis.

Gaya gerak listrik suatu sumber adalah energi per satuan muatan

yang dapat diubah dalam suatu proses reversible (proses yang dapat

dibalik). Dalam satuan SI, satuan ggl adalah volt (V) yang sama

dengan joule/coulomb. Suatu ggl menimbulkan beda potensial antar

dua titik ujung dalam suatu rangkaian. Terdapat hubungan yang

sangat erat antara ggl (e atau E) dengan beda potensial(V).

Gaya gerak listrik hanya berkait dengan pengubahan energi yang

reversible, sedang beda potensial tidak muncul hanya dalam sumber

ggl, tetapi juga muncul pada ujung hambatan tempat terjadinya

perubahan energi listrik menjadi energi panas yang merupakan

proses reversible.proses reversible dapat digambarkan pada proses

sebagai berikut :

Energi listrik Energi kimia

Energi listrik Energi mekanik

Perlu diperhatikan bahwa sumber energi listrik tidak menghasilkan

muatan, melainkan hanya memindahkan muatan bebas dari satu

ujung titik ke titik ujung yang lain.

12

Page 8: Listrik Arus Searah

arus

alir

an

ele

ktro

n

saklar

lampu

+ -battrey

Gambar 7. Rangkaian listrik sederhana

Sakelar ditutup, maka arus listrik akan mengalir dari kutub positif

batere menuju sakelar, melewati lampu dan lampu akan menyala.

Aliran elektron bergerak sebaliknya dari kutub negatif batere menuju

lampu, melewati sakelar dan berakhir di kutub positif batere. Batere

mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Lampu mengubah

energi listrik menjadi energi cahaya dan panas.

Reaksi oksidasi-reduksi melibatkan perpindahan elektron. Jika

reaksi tersebut terjadi secara spontan, maka dapat dijadikan sumber

arus. Proses ini dipakai sebagai dasar sumber elektrokimia.

Pada tahn 1826, George Simon Ohm menemukan suatu tetapan

perbandingan yang menyatakan hubungan antara beda potensial

pada ujung-ujung penghantar dengan besar arus yang mengalir pada

penghantar tersebut dengan unsur-unsur ideal. Tetapan ini sering

disebut dengan hukum Ohm.

Unsur-unsur kelistrikan ideal dalam rangkaian disebut juga unsur

linear adalah, seperti : tahanan, induktor dan kapasitor yang harganya

tidak berubah apabila tegangan yang terpasang diantara ujung-

ujungnya berubah.

Hukum Ohm Menyatakan bahwa tegangan V antara ujung-ujung

sebuah tahanan adalah sebanding dengan arus I yang melaluinya.

Hubungan tersebut dituliskan sebagai :

13

Page 9: Listrik Arus Searah

V, v

olt

V = R.I (6.)

dimana :

V : tegangan, dalam Volt, V I : arus, dalam Ampere, A R : tahanan, dalam Ohm, W.

R merupakan besaran tetap/konstanta, persamaan 1 merupakan

persamaan linear garis lurus V sebagai fungsi I dengan kemiringan R,

tahanan R disebut tahanan linear atau resistor.

I+ -

R R ohm

V

(a) (b). I, ampere

Gambar 8. Hukum Ohm

Tegangan V = R.I yang ditunjukan gambar 8a. menjelaskan

sebuah penurunan tegangan , yakni tegangan antara titik a dan titik b,

dimana tegangan pada titik a lebih tinggi dibanding dengan tegangan

pada titik b. Sehingga arus mengalir dari titik a ke titik b.

Gambar 8b. Menunjukkan grafik hubungan V terhadap I dari

sebuah tahanan R, yang disebut dedngan karakteristik tahanan.

Apabila satu unsur tidak mengikuti persamaan (1), maka dikatakan

persamaan tersebut tidak linear.

b) Hukum Kirchoff

Aplikasi hukum hanya digunakan untuk analisa rangkaian-

rangkaian sederhana. Untuk menganalisa suatu rangkaian yang

komplek dapat menggunakan hukum kirchoff tentang arus (Kirchoff’s

14

Page 10: Listrik Arus Searah

Current Law, disingkat KCL) dan hukum kirchoff tentang tegangan

(Kirchoff’s Voltage Law, disingkat KVL)

i) Hukum Kirchoff 1 adalah Hukum Kirchoff Tentang Arus

(KCL).

Jumlah aljabar keseluruhan arus yang menuju titik

percabangana adalah nol. Titik percabangan adalah titik

pertemuan tiga atau lebih arus ke- atau dari unsur rangkaian atau

sumber tegangan.

Dalam hukum ini, dipakai suatu perjanjian bahwa arus yang

menuju titik percabangan ditulis dengan tanda positif dan aarus

yang tudak menuju (meninggalkan titik percabangan ditulis

dengan tanda negatif.

I1 + I2 + I4 = I3, atau

I1 + I2 – I3 + I4 = 0 (7.)

i1 i2

i3

- + x

i4

Gambar 9. Titik cabang.

Gambar 9 diatas menjelaskan tentang pengertian dari KCL,

dimana nilai arus listrik yang melalui masing-masing tahanan

dapat ditentukan. Pengertian yang didapat jumlah keseluruhan

nilai arus yang mengalir pada suatu titik percabangan adalah nol.

15

Page 11: Listrik Arus Searah

ii) Hukum Kirchoff 2, Hukum Kirchoff tentang tegangan (KVL)

Jumlah aljabar keseluruhan penurunan tegangan (voltage

drops) dalam suatu rang k a i an t e rtutup (l o op ) yang dibaca satu

arah tertentu sama dengan nol.

Yang dimaksud dengan penurunan tegangan dalam hukum

tersebut dalam hubunganya dengan satu arah tertentu adalah

sebagai berikut :

I+ -

RV

Gambar 10. Rangkaian beban

a.> Untuk unsur tahanan

Apabila tegangan dibaca dari + ke -, dengan arah baca yang

sama dengan arah arus I yang mengalir, maka harga V=RI

adalah penurunan tegangan. Untuk memahaminya beri tanda

positif (+) pada V dan beri tanda positif (+) pada RI. Sedangkan

apabila pembacaan tegangan berlawanan dengan arah arus

berilah tanda (-) V atau (-)RI.

a b+ -

VGambar 11. Rangkaian Batere

16

Page 12: Listrik Arus Searah

b.> Untuk sumber tegangan

Bila arah baca dari a ke b, maka adalah suatu penurun

tegangan berilah tanda positif pada V. Atau dengan kata lain,

apabila menuruti arah baca + dari sumber tegangan, tulis V

positif. Sebalik jika pembacaan dari kutub – sumber tegangan

maka V ditulis dengan tanda negatif.

I1 R2

R1 a2

b R4 IR E 0

I2 R3

1I

+ -

E

Gambar 12. Rangkaian aplikasi Hk. Kirchoff

Pada umumnya rangkaian listrik terdiri dari beberapa loop dan

titik-titik percabangan dengan satu atau lebih sumber tegangan

yang digunakan. Apabila nilai dari suatu sumber tegangan sudah

diketahui, maka besaran yang harus dianalisa adalah nilai arus

pada masing-masing penghantar yang masuk atau meninggalkan

titik percabangan atau nilai tegangan pada masing-masing

tahanan dari rangkaian tersebut.jumlah persamaan yang

digunakan untuk menganalisa suatu besaran belum dapat

diketahui, yang jelah harus sebanyak jumlah besaran yang

hendak diketahui harganya.

Catatan yang perlu dikemukakan :

1. Banyaknya persamaan KCL yang dapat disajikan adalah

sama denganjumlah titik percabangan yang ada dikurang 1.

17

Page 13: Listrik Arus Searah

2. Banyaknya persamaan KVL sama dengan banyaknya loop

independen. Suatu loop dikatakan independen bila tidak dapat

dijabarkan dari persamaan KVL loop yang lain.

Selain dari catatan diatas, penyelesaian dengan menggunakan sistem

penyederhanaan bagian rangkaian yang tersusun seri maupun paralel,

akan sangat membantu.

c. Rangkuman 1

Beberapa hukum kelistrikan dari pembahasan materi diatas,

dijabarkan beberapa hukum, antara lain : Hukum coulomb, Hukum ohm,

Hukum kirchoff tentang Arus (KCL), Hukum Kirchoff tentang Tegangan

(KVL). Hukum-hukum kelistrikan yang tersebut diatas digunakan untuk

menganalisa rangkaian listrik sederhana arus searah (DC).

Analisa rangakaian DC yang komplek masih banyak persamaan dan

kaidah yang dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah yang sulit

diselesaikan dengan hukum kelistrikan yang telah dijabarkan.

Page 14: Listrik Arus Searah

DAFTAR PUSTAKA

Ahmad Kusnandar dkk (2001), Penerapan Konsep Dasar Listrik dan ElektronikaSMK

Tingkat I, Armico, Bandung.

Tim. (1987),Teori Listrik 1, Pusat Pendidikan dan Latihan (Pusdiklat) PLN, Jakarta.

Persyaratan Umum Instalasi Listrik 2000 (PUIL 2000), Yayasan PUIL Jakarta.