LISTRIK DINAMIS

Apakah disekitar rumah Anda masih ada rumah yang belum menggunakan listrik? Tentunya sudah sangat langka rumah yang belum menggunakan listrik. Anda pasti tidak asing lagi dengan listrik. Listrik adalah sumber kebutuhan penting dalam kehidupan. Tanpa adanya listrik, dunia serasa gelap dan hampa. Tahukah Anda, apa sebenarnya listrik itu ? Bagaimana listrik bisa mengalir ? Bagaimana listrik bisa sampai ke rumah kita ? Berapa energi yang ditimbulkan oleh listrik ? Untuk memahami lebih lanjut tentang listrik, mari kita pelajari uraian berikut.

Listrik adalah salah satu bentuk energi yang ditimbulkan oleh gerak partikel-partikel bermuatan yang disebut elektron. Listrik sudah ada sejak terbentuknya alam raya ini. Kalian dapat melihat fenomena listrik secara alami di alam raya ini yaitu petir. Di awan terjadi loncatan elektron yang akan membentuk petir.

Studi tentang listrik dibagi menjadi dua, yaitu listrik statis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan diam) dan listrik dinamis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan bergerak yang disebut arus listrik).

Peristiwa menyalanya lampu disebabkan karena adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Apa arus listrik itu ???

Arus listrik bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, dari positif ke negatif, dari anoda ke katoda. Syarat terjadinya arus listrik adalah karena adanya perbedaan potensial yang ditimbulkan oleh sumber arus atau sumber tegangan. Jadi arus listrik adalah muatan listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian.

Besarnya arus listrik dinamakan kuat arus listrik yang didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik yang mengalir pada penampang suatu konduktor tiap satu satuan waktu.

Dimana:

I = Kuat arus listrik (Coulomb/sekon atau Ampere)

Q = jumlah muatan (Coulomb)

t = waktu tempuh (sekon)

Ketika terjadi mati listrik, maka lampu-lampu tidak akan menyala, karena tidak ada arus yang mengalir. Bagaimana agar arus listrik dapat mengalir terus ? Agar arus listrik dapat mengalir terus dalam suatu penghantar, maka pada ujung-ujung penghantar harus selalu ada beda potensial. Alat yang dapat menghasilkan beda potensial atau tegangan listrik adalah sumber tegangan atau sumber arus listrik. Sumber tegangan bermacam-macam, diantaranya adalah  elemen volta, elemen kering, dan aki. 

a.       Elemen Volta

Elemen volta merupakan sumber tegangan listrik yang pertama yang dikembangkan oleh Alesandro Volta. Beda potensial yang dihasilkan elemen volta sekitar 1,1 vol

 

b.       Elemen Kering

      Elemen kering disebut juga batu baterai. Beda potensial yang dihasilkan batubaterai sekitar 1,5 volt

 

c.       Aki 

Aki disebut juga baterai basah. Aki merupakan elemen sekunder karena dapat diisi ulang. Jenis aki yang digunakan adalah aki timbal.

Pada aki akan tertulis angka seperti: 6 V–10 Ah, 12 V–50 Ah, dan lain-lain. Setiap pasang elektroda (sel aki) menghasilkan tegangan 2 volt. Aki 12 volt memerlukan enam buah sel. Aki 6 V–10 Ah artinya aki tersebut memiliki tegangan listrik 6 volt dengan kapasitas 10 Ah (Ampere-hours). Jika aki mengeluarkan arus sebesar 1 ampere, akan tahan selama 10 jam tanpa pengisian kembali. Pada saat aki digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Pada saat aki diisi ulang, terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. 

Hukum ohm mempelajari tentang hubungan kuat arus dengan beda potensial ujung-ujung hambatan. George Simon Ohm (1787-1854), melalui eksperimennya menyimpulkan bahwa arus I pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial V yang diberikan ke ujung-ujung kawat penghantar tersebut: 

Besarnya arus yang mengalir pada kawat penghantar tidak hanya bergantung pada tegangan, tetapi juga pada hambatan yang dimiliki kawat terhadap aliran elektron. Kuat arus listrik berbanding terbalik dengan hambatan:

Makin besar hambatan ini, makin kecil arus untuk suatu tegangan V. Dengan demikian, arus I yang mengalir berbanding lurus dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar dan berbanding terbalik dengan hambatannya. Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Ohm, dan dinyatakan dengan persamaan:

Hambatan disebut juga resistor (R) dengan satuan ohm (Ω) yang berguna untuk mengatur besarnya kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu rangkaian listrik. Alat ukur yang digunakan untuk mengukur suatu hambatan adalah ohmmeter. Hambatan yang dimiliki oleh suatu bahan penghantar dapat mempengaruhi kuat arus yang mengalir pada penghantar tersebut.

Berdasar sifat resistivitas bahan, suatu bahan dibagi menjadi tiga, yaitu konduktor, isolator, semikonduktor. Konduktor memiliki hambatan yang kecil, sehingga dapat menghantarkan listrik dengan baik. Contohnya besi, baja, tembaga. Isolator memiliki hambatan yang besar, sehingga tidak dapat menghantarkan listrik. Contohnya kayu dan plastik. Sedangkan semikonduktor kadang bersifat konduktor, kadang bersifat isolator. Contohnya karbon, silikon, dan germanium. Dari sifat-sifat bahan tersebut, yang sering digunakan sebagai hambatan penghantar adalah konduktor. Nilai hambatan bahan konduktor sebanding dengan panjang kawat (l), dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat (A).

Secara matematis, dapat dirumuskan sebagai berikut :

 

Pada rangkaian listrik tidak bercabang, kuat arus yang melalui tiap komponen adalah sama besar. Pada rangkaian listrik bercabang, arus listrik terbagi pada setiap percabangan dan besarnya tergantung ada tidaknya hambatan pada cabang tersebut.

Besarnya arus listrik pada masing-masing cabang dikenal dengan hukum Kirchhoff I yang berbunyi: “pada rangkaian listrik yang bercabang, jumlah kuat arus yang masuk pada suatu titik cabang sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik cabang itu”.

Hukum ini merupakan penerapan hukum kekekalan muatan pada rangkaian listrik yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik pada suatu rangkaian listrik selalu tetap.

 

Bentuklah kelompok dengan teman sekelas Anda. Satu kelompok terdiri dari 5-6 siswa. Kemudian lakukanlah kegiatan berikut:

1.          Rumuskanlah masalah mengenai hambatan seri-paralel.

2.         Amatilah mengenai permasalahan hambatan seri-paralel.

3.         Lakukan studi literature atau observasi terkait dengan hambatan seri paralel

4.         Diskusikannlah:

             a.      Kelemahan susunan seri parallel

             b.      Manfaat susunan seri

5.         Analisislah dan sajikan hasil tulisan kelompok Anda.

6.         Komunikasikanlah hasil diskusi kelompok Anda didepan kelas secara bergantian.

 

Hambatan dalam rangkaian dapat dirangkai secara seri, paralel, atau seri-paralel (gabungan).

a.       Rangkaian Seri

Penyusunan hambatan listrik secara seri berfungsi untuk memperbesar hambatan dan pembagi tegangan. Arus listrik adalah muatan listrik yang mengalir. Pada rangkaian hambatan seri, muatan-muatan itu akan mengalir melalui semua hambatannya secara bergantian. Berarti muatan yang melalui R1, R2 dan R3 akan sama dan kuat arusnya secara otomatis harus sama. Karena I sama, maka sesuai hukum Ohm, dapat diketahui bahwa beda potensial ujung-ujung hambatan akan sebanding dengan besarnya hambatan R.

 

b.      Rangkaian Paralel

 

Penyusunan hambatan listrik secara paralel berfungsi untuk membagi-bagi arus dan memperkecil hambatan listrik.

Besar hambatan total pengganti pada rangkaian listrik paralel adalah kebalikan hambatan penggantinya sama dengan jumlah kebalikan hambatan dari tiap-tiap penghambatnya.

Kuat arus yang melalui hambatan pengganti paralel sama dengan jumlah kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen.

 

Tegangan pada ujung-ujung tiap komponen sama, yaitu sama dengan tegangan pada ujung-ujung hambatan pengganti paralelnya.

Kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen sebanding dengan kebalikan hambatannya.

 

Hukum II Kirchhoff tentang tegangan menyatakan bahwa “ jumlah aljabar perubahan tegangan yang mengelilingi suatu rangkaian tertutup (loop) sama dengan nol”. Rangkaian tertutup (loop) dalam suatu rangkaian listrik adalah rangkaian keliling yang berasal dari suatu titik dan akhirnya kembali lagi ke titik tersebut.

Di dalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah gaya gerak listrik (𝜀) dengan penurunan tegangan (I.R) sama dengan nol.

Untuk menggunakan persamaan tersebut dalam satu atau dua loop, harus memperhatikan hal-hal berikut :

1.   Kuat arus bertanda positif jika searah dengan loop dan bertanda negatif jika berlawanan dengan arah loop.

2.   GGL bertanda positif jika kutub positifnya lebih dulu dijumpai loop dan sebaliknya GGL negatif jika kutub negatifnya lebih dulu dijumpai loop.  

  

Pada setiap baterai, biasanya mengandung suatu hambatan karena kelajuan reaksi kimia yang berlangsung di dalam baterai akan membatasi jumlah arus yang dapat dihasilkan. Jadi jika tidak ada arus yang mengalir, biasanya tidak ada penurunan tegangan, tapi jika ada arus yang mengalir pada elemen tersebut, maka tegangan antara kutub-kutubnya akan berkurang.

Tegangan pada elemen ini pada saat arus mengalir disebut tegangan jepit, yang besarnya :