Kegiatan Belajar 1
PENGERTIAN
DASAR (TENAGA) LISTRIK
Tujuan
Khusus Pembelajaran
Peserta dapat :
·
Menjelaskan perbedaan antara atom dan
elektron
·
Mengetahui sifat-sifat muatan listrik
(pembawa muatan)
·
Memahami konsep dasar tentang arus,
tegangan dan tahanan listrik
1. Atom
dan elektron
Kita
potong-potong suatu benda padat, misalnya tembaga, kedalam bagian-bagian yang
selalu lebih kecil, dengan demikian maka pada akhirnya kita dapatkan suatu
atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani dan berarti “tidak dapat dibagi”.
Dalam
beberapa waktu kemudian barulah dapat ditemukan buktinya melalui percobaan,
bahwa benda padat tersusun atas atom. Dari banyak hasil percobaan ahli fisika
seperti Rutherford dan Bohr menarik kesimpulan, bahwa suatu atom harus tersusun mirip
seperti sistim tata surya kita (gambar 1.1).
|
Gambar
1.1 Model sistim tata surya
|
|
Dari
gambaran model ini atom terdiri atas matahari sebagai inti atom dan disekitar inti pada lintasan berbentuk lingkaran atau
ellips beredar planet sebagai elektron-elektron.
Lintasannya mengelilingi inti dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kulit elektron (gambar 1.2).
Elektron-elektron
pada kulit terluar disebut elektron valensi, mereka terletak paling jauh dari
inti dan oleh karena itu paling baik untuk dipengaruhi dari luar.
2. Muatan
listrik - Pembawa muatan
Elektron
mengelilingi inti atom dengan kecepatan yang sangat tinggi (±
2200 km/det.). Pada gerakan melingkar, meski berat elektron tidak seberapa,
maka disini harus bertindak suatu gaya sentrifugal yang relatip besar, yang
bekerja dan berusaha untuk melepaskan elektron keluar dari lintasannya.
Sekarang tenaga apakah yang menahan elektron tetap pada lintasannya mengitari
inti ?
Tenaga
yang menahan bumi tetap pada lintasannya adalah grafitasi. Grafitasi antara
elektron-elektron dan inti atom belum mencukupi, sebagaimana terbukti secara
perhitungan, dan tidak dapat menahan elektron-elektron yang terjauh untuk tetap
pada lintasannya. Oleh karena itu disini harus bertindak suatu tenaga lain,
yaitu tenaga listrik.
|
Diantara inti atom dan elektron
terdapat tenaga listrik.
|
Tenaga
listrik semacam ini sederhana membuktikannya. Kita gosokkan penggaris mika
(bahan sintetis/plastik) dengan suatu kain wol, maka pada bahan ini bekerja
suatu gaya tarik terhadap kertas, yang pada prinsipnya lebih besar daripada
tenaga grafitasi.
|
Yang bertanggung jawab terhadap tenaga listrik kita sebut
muatan listrik.
|
Terhadap
inti atom, elektron bersifat menjalankan suatu tenaga listrik. Jadi elektron
memiliki muatan listrik. Kita katakan elektron sebagai suatu pembawa muatan.
Oleh
karena inti atom juga mempunyai sifat menjalankan tenaga listrik, maka inti
atom juga mempunyai muatan listrik.
Hal
ini terbukti bahwa elektron-elektron tidak saling tarik-menarik, melainkan
tolak-menolak. Demikian pula tingkah laku inti atom (gambar 1.3).
Gambar 1.3 Efek dinamis antara: a) inti atom dan elektron
b) elektron-elektron
c) inti-inti atom
Oleh karena
elektron-elektron saling tolak-menolak, inti atom dan elektron saling
tarik-menarik, maka inti atom harus berbeda muatan dengan elektron, artinya
membawa suatu jenis muatan yang berbeda dengan muatan elektron.
Muatan
inti atom dinamakan muatan positip dan muatan elektron dinamakan muatan
negatip. Dengan demikian untuk muatan listrik berlaku :
|
Muatan-muatan yang sama saling tolak-menolak,
muatan-muatan yang berbeda saling tarik-menarik.
|
Gambar 1.4 Efek dinamis muatan-muatan listrik
2.1. Atom
netral - Susunan atom
Atom
hidrogen memperlihatkan susunan yang paling sederhana. Terdiri atas sebuah elektron dan sebuah proton (biasa disebut inti atom).
Elektron
sebagai pembawa muatan listrik terkecil dinamakan muatan elementer.
|
Elektron adalah pembawa muatan elementer negatip, proton
merupakan pembawa muatan elementer positip.
|
Gambar 1.5 Gambar skema atom:
a) atom hidrogen
b)
atom karbon
Muatan
elementer negatip elektron sama besarnya dengan muatan elementer positip
proton. Oleh karenanya muatan-muatan atom memiliki pengaruh yang persis sama.
Atom secara listrik bersifat netral.
Atom netral terdiri atas muatan positip yang sama
banyaknya dengan muatan negatip.
|
Atom
karbon misalnya memiliki 6 elektron dan juga 6 proton. Selain proton inti atom
juga mengandung bagian yang secara listrik bersifat netral, yang biasa disebut
dengan netron. Proton dan netron
menentukan berat atom yang sebenarnya .
Atom
yang lain semuanya berjumlah 103 buah dengan susunan yang hampir sama.
Pembagian elektron pada lintasan elektron berdasarkan pada aturan tertentu.
Namun jumlah elektron tetap selalu sama dengan jumlah proton.
2.2. Ion
Atom
kehilangan sebuah elektron, dengan demikian maka atom tersebut memiliki lebih
banyak muatan positipnya daripada muatan negatip. Atom yang secara utuh
bermuatan positip, melaksanakan suatu reaksi listrik, yaitu menarik muatan
negatip.
Atom
yang ditambah/diberi sebuah elektron, maka secara utuh dia bermuatan negatip
dan menarik muatan positip.
Atom
yang bermuatan seperti ini sebaliknya dapat juga menarik muatan yang berbeda,
berarti atom tersebut bergerak. Atas dasar inilah maka atom seperti ini
dinamakan ion (ion = berjalan, bhs. Yunani).
|
Atom bermuatan positip maupun negatip
atau kumpulan atom disebut ion.
|
Dapat
disimpulkan bahwa :
|
Kelebihan elektron menghasilkan muatan negatip, kekurangan
elektron menghasilkan muatan positip.
|
3. Arus
listrik
|
Arus listrik pada dasarnya merupakan gerakan muatan secara
langsung.
|
Pembawa
muatan dapat berupa elektron-elektron maupun ion-ion.
Arus
listrik hanya dapat mengalir pada bahan yang didalamnya tersedia pembawa muatan
dengan jumlah yang cukup dan bebas bergerak.
3.1. Penghantar,
bukan penghantar, semi penghantar
3.1.1. Penghantar
- Mekanisme penghantar
|
Bahan yang memiliki banyak pembawa muatan yang bebas
bergerak dinamakan penghantar.
|
Kita
bedakan antara :
Penghantar elektron
Yang
termasuk didalamnya yaitu logam
seperti misalnya tembaga, alumunium, perak, emas, besi dan juga arang.
Atom
logam membentuk sesuatu yang disebut struktur
logam. Dimana setiap atom logam memberikan semua elektron valensinya
(elektron-elektron pada lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positip.
|
Kisi-kisi
ruang suatu logam dengan awan elektron
|
|
Ion-ion
menempati ruang dengan jarak tertentu serta sama antara satu dengan yang lain
dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kisi-kisi
ruang atau pola geometris atom-atom (gambar 1.7).
Elektron-elektron
bergerak seperti suatu awan atau gas diantara ion-ion yang diam dan oleh
karenanya bergerak relatip ringan didalam kisi-kisi ruang.
Elektron
tersebut dikenal sebagai elektron bebas.
Awan elektron bermuatan negatip praktis termasuk juga didalamnya ion-ion atom
yang bermuatan positip.
Sepotong
tembaga dengan panjang sisinya 1 cm memiliki kira-kira 1023 (yaitu
satu dengan 23 nol) elektron bebas. Melalui tekanan listrik dengan arah
tertentu, yang dalam teknik listrik dikenal sebagai tegangan, elektron-elektron
bebas dalam penghantar digiring melalui kisi-kisi (gb. 1.8). Dengan demikian
elektron-elektron penghantar mentransfer muatan negatipnya dengan arah
tertentu. Biasa disebut sebagai arus
listrik.
Dapat
disimpulkan bahwa :
|
Arus listrik (arus elektron) dalam suatu penghantar logam
adalah merupakan gerakan elektron bebas pada bahan penghantar dengan arah
tertentu. Gerakan muatan tidak mengakibatkan terjadinya perubahan
karakteristik bahan.
|
|
|
Gambar 1.8
Mekanisme penghantar logam
|
Kecepatan
arus tergantung pada rapat arus (lihat
bagian 3.6). Penghantar logam dengan beban biasa maka kecepatan elektronnya
hanya sebesar ±
3 mm/detik, tetapi gerakan elektron tersebut menyebarkan impuls tumbukan
mendekati dengan kecepatan cahaya c=300.000 km/detik. Oleh karenanya dibedakan
disini antara kecepatan impuls dan kecepatan elektron.
Contoh
:
a) Berapa lama waktu yang dibutuhkan
oleh elektron pada suatu penghantar kawat untuk kembali ke tempatnya semula ?
Panjang kawat 
=1200 m dengan kecepatan sedang u=3
mm/s
b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan
impuls untuk jarak yang sama ?
Jawaban
: a) Kecepatan: 
; Waktu: 
b)
Penghantar ion
Termasuk
disini yaitu elektrolit (zat cair
yang menghantarkan arus), peleburan
(misal peleburan alumunium) dan ionisasi
gas. Sebagai pembawa muatan dalam hal ini adalah ion positip dan ion
negatip. Biasa disebut sebagai arus ion.
|
Arus listrik (arus ion) didalam suatu elektrolit,
peleburan atau ionisasi gas adalah merupakan gerakan terarah ion-ion
bahan/zat cair. Dalam hal ini termasuk juga sebagai transfer bahan/zat.
|
3.1.2. Bukan
penghantar
|
Bahan yang hanya memiliki sedikit pembawa muatan dan
terikat dalam molekul tersendiri, dinamakan bahan bukan penghantar.
|
Termasuk
dalam hal ini yaitu bahan padat,
seperti bahan sintetis, karet, kaca, porselen, lak, kertas, sutera, asbes, dan zat cair, seperti air murni, oli, fet,
dan juga ruang hampa termasuk disini gas (juga udara) dengan aturan tertentu.
Bahan-bahan tersebut sebagian juga dikenal sebagai bahan isolasi, dengan demikian maka dapat mengisolasi bahan yang
berarus listrik.
3.1.3. Semi
penghantar
|
Semi penghantar adalah bahan yang setelah mendapat
pengaruh dari luar maka elektron valensinya lepas dan dengan demikian mampu
menghantarkan listrik.
|
Termasuk
disini yaitu silisium, selenium, germanium dan karbon oksida.
Pada
temperatur rendah, elektron valensi bahan tersebut terikat sedemikian rupa
sehingga tidak ada elektron bebas didalam kisi-kisi. Jadi dalam hal ini dia
bukan sebagai bahan penghantar.
Melalui pemanasan,
sebagian elektron terlepas dari lintasannya, dan menjadi elektron yang bergerak
dengan bebas. Dengan demikian maka menjadi suatu penghantar. Juga melalui pengaruh
yang lainnya, seperti misalnya cahaya dan medan magnit mengakibatkan perubahan
sifat kelistrikan bahan semi penghantar.
|
Gambar
1.9
Model
suatu rangkaian arus
|
|
3.2. Rangkaian
listrik
Peralatan
listrik secara umum disebut sebagai beban/pemakai, terhubung dengan sumber
tegangan melalui suatu penghantar, yang terdiri atas dua buah penghantar, yaitu
penghantar masuk dan penghantar keluar (gambar 1.9). Penanggung jawab adanya
arus yaitu elektron-elektron bebas, bergerak dari pembangkit tegangan kembali
ke tempatnya semula melalui jalan yang tertutup, yang biasa disebut sebagai
rangkaian arus.
|
Rangkaian arus listrik sederhana terdiri atas pembangkit
tegangan, beban termasuk disini kabel penghubung (penghantar masuk dan penghantar
keluar).
|
Untuk diketahui bahwa :
|
Arus listrik hanya dapat mengalir dalam suatu
rangkaian penghantar tertutup.
|
Dengan memasang sebuah saklar pada rangkaian, arus listrik
dapat dihubung atau diputus sesuai keinginan.
Gambar
secara nyata suatu rangkaian arus sebagaimana ditunjukkan diatas terlihat
sangat rumit, dalam praktiknya digunakanlah skema dengan normalisasi simbol
yang sederhana, yang biasa dikenal sebagai diagram rangkaian. Skema menjelaskan
hubungan antara komponen-komponen yang ada pada suatu rangkaian.
|
Gambar 1.10
Skema rangkaian arus sederhana
|
|
3.3. Arah
arus
3.3.1. Arah
arus elektron
Kita buat suatu rangkaian arus listrik
tertutup, dengan demikian didapatkan suatu proses sebagai berikut :
Pada
kutub negatip pembangkit tegangan (kelebihan elektron), elektron bebas pada
ujung penghantar didorong menuju beban. Pada kutub positip (kekurangan
elektron) elektron bebas pada ujung penghantar yang lain tertarik. Dengan
demikian secara umum terjadi arus elektron dengan arah tertentu.
|
|
Gambar
1.11 Arah arus elektron
|
|
Arus elektron mengalir dari kutub negatip pembangkit
tegangan melalui beban menuju kutub positip.
|
3.3.2. Arah
arus secara teknik
Pengetahuan teori elektron zaman dulu
menduga bahwa sebagai penanggung jawab terhadap mekanisme penghantaran didalam
logam adalah pembawa muatan positip dan oleh karenanya arus mengalir dari kutub
positip melalui beban menuju kutub negatip. Jadi berlawanan dengan arus
elektron yang sebenarnya sebagaimana diutarakan dimuka. Meskipun pada saat ini
telah dibuktikan adanya kekeliruan anggapan pada mulanya, namun didalam teknik
listrik untuk praktisnya anggapan arah arus tersebut tetap dipertahankan.
Sehingga ditemui adanya perbedaan antara arah
arus elektron terhadap arah arus
secara teknik atau secara umum juga disebut arah arus.
|
Arus listrik mengalir dari kutub positip pembangkit
tegangan melalui beban menuju kutub negatip.
|
|
Gambar 1.12
Arah arus elektron dan
Arah arus secara teknik
|
|
3.4. Kuat
arus
Semakin banyak elektron-elektron yang
mengalir melalui suatu penghantar dalam tiap detiknya, maka semakin besar pula
kekuatan arus listriknya, biasa disebut kuat
arus.
Arus
sebanyak 6,24 triliun elektron (6,24 • 1018) tiap detik pada luas
penampang penghantar, maka hal ini dikenal sebagai kuat arus 1 Ampere.
Dengan
demikian dapat dikatakan :
|
Ampere
adalah satuan dasar yang sah untuk kuat arus listrik
|
Sudah
menjadi kebiasaan dalam keteknikan, supaya lebih sederhana maka besaran-besaran
teknik seperti misalnya kuat arus diganti dengan simbol formula dan demikian pula untuk simbol nama satuan (simbol satuan).
Simbol
formula untuk kuat arus adalah I
Simbol
satuan untuk Ampere adalah A
Pembagian
dan kelipatan satuan :
|
1
kA = 1 Kiloampere = 1000 A = 103 A
1
mA = 1 Milliampere = 1/1000 A = 10-3 A
1
mA = 1 Mikroampere = 1/1000000 A = 10-6
A
|
Pada
“undang-undang tentang besaran dalam hal pengukuran” sejak 2 Juli 1969 kuat
arus listrik ditetapkan sebagai besaran
dasar dan untuk satuan dasar 1
Ampere didefinisikan dengan bantuan reaksi tenaga arus tersebut
Kuat
arus dalam teknik listrik berkisar pada jarak yang sangat luas :
Lampu pijar : 100
s.d. 1000 mA
Motor
listrik : 1 sampai 1000 A
Peleburan
: 10 s.d. 100 kA
Pesawat
telepon : beberapa mA
3.5. Muatan
listrik
Jumlah muatan elementer (biasanya pada
peristiwa kelistrikan turut serta bermilyar-milyar elektron dan dengan demikian
berarti muatan elementer) menghasilkan suatu muatan listrik tertentu (simbol formula 
).
Satuan
muatan listrik ditetapkan 1 Coulomb
(simbol C). Dalam hal ini berlaku :
1
C = 6,24 . 1018 muatan
elementer
Sebelumnya
telah dijelaskan bahwa
Kita
uraikan persamaan tersebut kedalam , sehingga
menjadi = I . t
Dengan
demikian faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya muatan listrik ditentukan oleh arus I dan waktu t.
Dalam
pada itu kita pasang arus I dalam A dan waktu t dalam s, sehingga
diperoleh satuan muatan listrik adalah 1 As, yang berarti sama dengan 1 C.
1
Coulomb = 1 Ampere sekon
Contoh :
Sebuah
aki mobil diisi dengan 2,5 A.
Berapa
besarnya muatan listrik aki tersebut setelah waktu pengisian berlangsung selama
10 jam ?
Jawaban
:
= I . t
= 2,5 A . 10 h = 25 Ah = 25 A .
3600 s = 90.000 As = 90.000 C
3.6 Rapat
arus didalam penghantar
|
Percobaan :
Kawat konstantan diameter 0,2 mm dan kawat konstantan lain
diameter 0,4 mm salah satu ujungnya dikopel, kedua ujung yang lain
dihubungkan ke auto trafo. Arus dinaikkan sedikit demi sedikit hingga kawat
mulai membara.
|
|
Gambar 1.13 Arus
pada penghantar dengan luas penampang berbeda
|
|
Kawat
dengan luas penampang kecil telah membara, sementara itu kawat yang luas
penampangnya besar masih belum memperlihatkan reaksi panas.
Meskipun
pada kedua kawat mengalir arus yang sama, penghantar dengan luas penampang
kecil panasnya lebih kuat. Jadi untuk pemanasan kawat tidak hanya dipengaruhi
oleh arus saja tetapi juga oleh luas penampang kawat. Semakin rapat dorongan
arus didalam penghantar, semakin keras pula tumbukan yang terjadi antara
elektron dengan ion-ion atom, maka pemanasannya menjadi lebih kuat. Pemanasan
penghantar praktis tergantung pada kerapatan arus. Dari sinilah digunakan
istilah rapat arus (simbol S).
|
Rapat arus
|
|
I Arus dalam
A
A Luas penampang dalam mm2
|
|
|
|
S Rapat arus dalam A/mm2
|
Satuan
rapat arus oleh karenanya adalah A/mm2
Pada
penentuan penghantar logam, kumparan dan komponen-komponen lain yang
berhubungan dengan pemanasan yang diijinkan pada komponen tersebut maka rapat
arus merupakan suatu besaran konstruksi yang penting.
Contoh
:
Sebuah
penghantar tembaga dengan luas penampang 2,5 mm2 sesuai PUIL boleh dibebani dengan 16 A.
Berapa
besarnya rapat arus pada penghantar tersebut ?
Jawaban
: 
A/mm2
|
|
Gambar 1.14 Grafik arus searah
|
3.7. Macam-macam
arus
Secara
prinsip dibedakan antara arus searah, arus bolak-balik dan arus bergelombang
(undulatory current).
Arus searah
Tegangan
yang bekerja pada rangkaian arus tertutup selalu dengan arah yang sama, maka
arus yang mengalir arahnya juga sama. Biasa disebut dengan arus searah (simbol normalisasi : ¾
).
|
Arus searah adalah arus listrik yang
mengalir dengan arah dan besar yang tetap/konstan.
|
Berarti bahwa
pembawa muatannya bergerak dengan arah tertentu.
Grafik arus fungsi waktu (grafik garis)
Besarnya
arus pada saat yang berbeda diperlihatkan pada suatu grafik (grafik arus fungsi
waktu). Untuk maksud ini sumbu horisontal sebagai waktu (misal 1s, 2s, 3s dst.)
dan sumbu vertikal sebagai arusnya (misal 1A, 2A, 3A dst.)
Besarnya
arus yang sekarang ditetapkan pada 1, 2 atau 3 sekon, untuk masing-masing waktu
yang berlaku ditarik garis lurus keatas atau kebawah (lihat gambar 1.14). Kita
hubungkan titik yang sesuai dengan suatu garis, dengan demikian maka didapatkan
suatu grafik arus fungsi waktu (grafik
garis). Gambar grafik seperti ini dapat dibuat secara jelas dengan suatu
oscilloscope.
Arus bolak-balik
Tegangan
pada suatu rangkaian arus, arahnya berubah-ubah dengan suatu irama/ritme
tertentu, dengan demikian maka arah dan besarnya arus selalu berubah-ubah pula.
Biasa disebut arus bolak-balik (simbol
normalisasi : ~
).
|
Arus bolak-balik adalah arus yang
secara periodik berubah-ubah baik arah maupun besarnya.
|
Berarti
bahwa elektron bebasnya bergerak maju dan mundur.
|
Gambar 1.15
Grafik arus bolak-balik
|
|
Disini
pada arus bolak-balik, sebagaimana digunakan didalam praktik, arahnya selalu
berubah-ubah (misalnya 50 kali tiap sekon), elektron-elektron didalam
penghantar kawat hanya sedikit berayun/bergerak maju dan mundur.
Arus bergelombang
Suatu
arus yang besarnya selalu berubah, tetapi arah arus tersebut tetap konstan,
maka dalam hal ini berhubungan dengan suatu arus yang terdiri atas sebagian
arus searah dan sebagian yang lain berupa arus bolak-balik. Biasa disebut
sebagai arus bergelombang (undulatory
current).
|
Arus bergelombang adalah suatu arus
yang terdiri atas sebagian arus searah dan sebagian arus bolak-balik.
|
Salah satu bentuk
lain dari arus bergelombang yang sering ditemukan dalam praktik yaitu berupa
pulsa arus searah (lihat gambar 1.16a)
3.8. Reaksi
arus listrik
Arus
hanya dapat diketahui dan ditetapkan melalui reaksi atau efek yang
ditimbulkannya.
Reaksi panas
|
Arus
listrik selalu memanasi penghantarnya.
|
Didalam
kawat logam misalnya, elektron-elektron saling bertumbukan dengan ion-ion atom,
bersamaan dengan itu elektron tersebut memberikan sebagian energi geraknya
kepada ion-ion atom dan memperkuat asutan panas ion-ion atom, yang berhubungan
dengan kenaikan temperatur.
Penggunaan
reaksi panas arus listrik ini misalnya pada open pemanas, solder, kompor,
seterika dan sekering lebur.
Reaksi cahaya
Pada
lampu pijar reaksi panas arus listrik mengakibatkan kawat membara dan dengan
demikian menjadi bersinar, artinya sebagai efek samping dari cahaya.
|
Gas
seperti neon, argon atau uap mercury dipicu/diprakarsai oleh arus listrik
sehingga menjadi bersinar.
|
Reaksi cahaya
secara langsung ini ditemukan pada penggunaan tabung cahaya, lampu mercury,
lampu neon dan lampu indikator (negative glow lamp).
Reaksi kemagnitan
|
Percobaan
:
Suatu
magnit jarum diletakkan dekat dengan penghantar yang berarus.
|
|
|
Gambar 1.17
Reaksi kemagnitan arus listrik
|
Perhatikan
: Jarum magnit disimpangkan !
|
Arus
listrik selalu membangkitkan medan magnit.
|
Medan
magnit melaksanakan suatu tenaga tarik terhadap besi. Medan magnit saling
berpengaruh satu sama lain dan saling tolak-menolak atau tarik-menarik.
Penggunaan
reaksi kemagnitan seperti ini misalnya pada motor listrik, speaker, alat ukur,
pengangkat/kerekan magnit, bel, relay dan kontaktor.
Reaksi kimia arus listrik
|
Percobaan :
Dua buah kawat dihubungkan ke sumber
tegangan arus searah (misalnya akkumulator) dan ujung-ujung yang bersih
dimasukkan kedalam bejana berisi air, yang sedikit mengandung asam (misalnya
ditambah asam belerang)
|
|
Gambar 1.18
Reaksi kimia arus listrik
|
|
Pada
kedua kawat terbentuk gas-gas yang naik keatas. Hal tersebut berhubungan dengan
hidrogen dan oksigen. Hidrogen dan oksigen merupakan unsur-unsur kimia dari
air. Jadi air terurai dengan perantaraan arus listrik.
|
Arus listrik menguraikan zat cair
yang bersifat penghantar.
|
Penggunaan reaksi
kimia arus listrik yaitu dapat ditemukan pada elektrolisa, pada galvanisasi,
pada pengisian akkumulator.
Reaksi pada makhluk hidup
Dengan
persyaratan tertentu, misalkan seseorang menyentuh dua buah penghantar listrik
tanpa isolasi, maka arus dapat mengalir melalui tubuh manusia. Arus listrik
tersebut membangkitkan atau bahkan menimbulkan “sentakan/sengatan listrik”
Pada
penyembuhan secara listrik, arus digunakan untuk memberikan kejutan listrik
(electro shock).
4. Tegangan listrik
Elektron-elektron untuk bergeraknya
memerlukan suatu mesin penggerak, yang mirip dengan sebuah pompa, dimana pada
salah satu sisi rangkaian listrik elektron-elektronnya “didorong kedalam”,
bersamaan dengan itu pada sisi yang lain “menarik” elektron-elektron. Mesin ini
selanjutnya disebut sebagai pembangkit
tegangan atau sumber tegangan.
Dengan
demikian pada salah satu klem dari sumber tegangan kelebihan elektron (kutub -), klem yang lainnya kekurangan elektron (kutub +).
Maka antara kedua klem terdapat suatu perbedaan
penempatan elektron. Keadaan seperti ini dikenal sebagai tegangan (lihat
gambar 1.19).
|
Tegangan listrik U adalah merupakan
perbedaan penempatan elektron-elektron antara dua buah titik.
|
|
Gambar 1.19 Sumber tegangan
|
|
Satuan
SI yang ditetapkan untuk tegangan adalah Volt
Simbol
formula untuk tegangan adalah U
Simbol
satuan untuk Volt adalah V
Pembagian
dan kelipatan satuan :
|
1
MV = 1 Megavolt = 1000000 V
= 106 V
1
kV = 1 Kilovolt =
1000 V = 103 V
1
mV = 1 Millivolt = 1/1000 V = 10-3 V
1
mV = 1 Mikrovolt = 1/1000000 V = 10-6 V
|
Ketetapan satuan SI untuk 1V didefinisikan dengan bantuan daya listrik.
Pada rangkaian listrik dibedakan
beberapa macam tegangan, yaitu tegangan sumber dan tegangan jatuh (lihat gambar
1.20).
|
Gambar 1.20
Tegangan sumber dan tegangan jatuh pada suatu rangkaian
|
|
|
Tegangan sumber
(simbol Us) adalah tegangan yang dibangkitkan didalam sumber tegangan.
|
Dan
dengan demikian maka tegangan sumber merupakan penyebab atas terjadinya aliran
arus.
Tegangan
sumber didistribusikan ke seluruh rangkaian listrik dan digunakan pada
masing-masing beban. Serta disebut juga sebagai : "Tegangan jatuh pada
beban."
Dari gambar
1.20, antara dua titik yang manapun pada rangkaian arus, misal antara titik 1
dan 2 atau antara titik 2 dan 3, maka hanya merupakan sebagian tegangan sumber
yang efektip. Bagian tegangan ini disebut tegangan jatuh atau tegangan saja.
|
Tegangan jatuh atau
secara umum tegangan (simbol U)
adalah tegangan yang digunakan pada beban.
|
4.1. Potensial
Kita tempatkan elektron-elektron pada bola logam berlawanan
dengan bumi, maka antara bola dan bumi terdapat perbedaan penempatan
elektron-elektron, yang berarti suatu tegangan.
|
Tegangan
antara benda padat yang bermuatan dengan bumi atau titik apa saja yang
direkomendasi disebut potensial
(simbol : j).
|
Satuan potensial adalah juga
Volt. Tetapi sebagai simbol formula untuk potensial digunakan huruf Yunani j (baca : phi).
Bumi
mempunyai potensial j
= 0 V.
Potensial
bola menjadi positip terhadap bumi, jika elektron-elektron bola diambil (misal j1
= +10 V, lihat gambar 1.21).
Potensial
bola menjadi negatip terhadap bumi, jika ditambahkan elektron-elektron pada
bola (misal j2
= -3
V).
|
Potensial
selalu mempunyai tanda.
|
Jika
suatu bola j1
= +10 V dan yang lain j2
= -3
V (gambar 1.21), maka antara dua buah bola tersebut terdapat suatu perbedaan
penempatan elektron-elektron dan dengan demikian maka besarnya tegangan dapat
ditentukan dengan aturan sebagai berikut :
U = j1
-
j2
= +10 V -(-3
V) = +10 V + 3 V = 13 V
Dalam
hal ini bola bermuatan positip dibuat dengan tanda kutub plus dan bola
bermuatan negatip dengan kutub minus.
|
Gambar
1.22 Potensial dan tegangan
|
|
|
Suatu
tegangan antara dua buah titik dinyatakan sebagai perbedaan potensial
titik-titik tersebut.
Tegangan
= perbedaan potensial (potensial difference)
|
Contoh :
Dua buah titik pada suatu rangkaian
arus terdapat potensial j1
= +10 V dan j2
= +5 V.
Berapa besarnya tegangan antara kedua
titik tersebut ?
Jawaban
: U
= j1
-
j2
= 10 V -
5 V = 5 V
4.2. Arah
tegangan
Tegangan selalu mempunyai arah reaksi tertentu, yang dapat
digambarkan melalui suatu anak panah tegangan. Normalisasi anak panah tegangan
untuk arah tegangan positip ditunjukkan dari potensial tinggi (misalnya kutub
plus) menuju ke potensial rendah (misal kutub minus), dalam hal ini
memperlihatkan potensial tingginya adalah positip dan potensial rendahnya
adalah negatip.
Contoh
:
Pada
gambar 1.23 diberikan bermacam-macam potensial. Bagaimana arah masing-masing
tegangan ?
|
Gambar 1.23 Anak panah tegangan pada potensial yang
diberikan
|
|
Untuk
menentukan rangkaian arus sangatlah tepat menggunakan normalisasi ketetapan
arah tersebut.
Pada
pelaksanaan praktiknya hal ini berarti :
Anak
panah tegangan untuk sumber tegangan adalah mengarah dari kutub plus menuju ke
kutub minus.
Anak
panah tegangan untuk tegangan jatuh adalah searah dengan arah arus secara
teknik, disini arus selalu mengalir dari potensial tinggi menuju ke potensial
rendah (gambar 1.24).
5. Tahanan
listrik (Resistor)
Gerakan pembawa muatan dengan arah tertentu di bagian dalam
suatu penghantar terhambat oleh terjadinya tumbukan dengan atom-atom (ion-ion
atom) dari bahan penghantar tersebut. "Perlawanan" penghantar
terhadap pelepasan arus inilah disebut sebagai tahanan (gambar 1.25).
|
Gambar 1.25
Gerakan elektron didalam penghantar logam
|
|
Satuan
SI yang ditetapkan untuk tahanan listrik adalah Ohm.
Simbol
formula untuk tahanan listrik adalah R
Simbol
satuan untuk Ohm yaitu W
(baca: Ohm). W
adalah huruf Yunani Omega.
Satuan
SI yang ditetapkan 1 W
didefinisikan dengan aturan sbb. :
1
Ohm adalah sama dengan tahanan yang dengan perantaraan tegangan 1 V mengalir
kuat arus sebesar 1 A.
Pembagian
dan kelipatan satuan :
|
1
MW
= 1 Megaohm = 1000000 W
= 106 W
1
kW = 1 Kiloohm =
1000 W
= 103 W
1
mW
= 1 Milliohm = 1/1000 W
= 10-3 W
|
5.1. Tahanan
jenis (spesifikasi tahanan)
|
Percobaan :
Penghantar bermacam-macam bahan
(tembaga, alumunium, besi baja) dengan panjang dan luas penampang sama
berturut-turut dihubung ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan
masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan.
|
Percobaan
memperlihatkan bahwa besarnya arus listrik masing-masing bahan berlawanan
dengan tahanannya. Tahanan ini tergantung pada susunan bagian dalam bahan yang
bersangkutan (kerapatan atom dan jumlah elektron bebas) dan disebut sebagai tahanan jenis (spesifikasi tahanan).
|
|
Gambar 1.26
Perbandingan tahanan suatu penghantar:
a) Tembaga
b) Alumunium
c) Besi baja
|
Simbol
formula untuk tahanan jenis adalah r (baca: rho). r
adalah huruf abjad Yunani.
Untuk
dapat membandingkan bermacam-macam bahan, perlu bertitik tolak pada kawat
dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm2, dalam hal ini tahanan
diukur pada suhu 20 OC.
|
Tahanan jenis suatu bahan penghantar menunjukkan
bahwa angka yang tertera adalah sesuai dengan nilai tahanannya untuk panjang
1 m, luas penampang 1 mm2 dan pada temperatur 20 OC
|
Satuan
tahanan jenis adalah 
Sebagai
contoh, besarnya tahanan jenis untuk :
tembaga r
= 0,0178 W.mm2/m
alumunium r = 0,0278 W.mm2/m
perak r = 0,016 W.mm2/m
Untuk
nilai yang lain dapat dilihat pada tabel (lihat lampiran 1)
5.2. Tahanan listrik suatu penghantar
|
Percobaan :
Bermacam-macam penghantar
berturut-turut dihubungkan ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan
masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan.
|
a) Panjang penghantar berbeda
Gambar 1.27 Rangkaian arus dengan panjang penghantar
berbeda
b) Luas penampang berbeda
Gambar 1.28 Rangkaian arus dengan luas penampang
penghantar berbeda
c) Bahan penghantar berbeda
Gambar 1.29 Rangkaian arus dengan bahan penghantar
berbeda
Dari percobaan
diatas terlihat bahwa :
Tahanan listrik suatu penghantar R semakin besar,
a)
jika penghantar l semakin panjang
b)
jika luas penampang A semakin kecil
c)
jika tahanan jenis r
semakin besar.
Ketergantungan tahanan terhadap
panjang penghantar dapat dijelaskan disini, bahwa gerakan elektron didalam
penghantar yang lebih panjang mendapat rintangan lebih kuat dibanding pada
penghantar yang lebih pendek.
Dalam
hal jumlah elektron-elektron yang bergerak dengan jumlah sama, maka pada
penghantar dengan luas penampang lebih kecil terjadi tumbukan yang lebih
banyak, berarti tahanannya bertambah.
Bahan
dengan tahanan jenis lebih besar, maka jarak atomnya lebih kecil dan jumlah
elektron-elektron bebasnya lebih sedikit, sehingga menghasilkan tahanan listrik
yang lebih besar.
Ketergantungan
tahanan listrik tersebut dapat diringkas dalam bentuk rumus sebagai berikut :
Ditulis
dengan simbol formula :
|
Tahanan
penghantar
|
|
R tahanan
penghantar dalam W
r tahanan jenis dalam W.mm2/m
l panjang penghantar dalam m
|
|
|
|
A
luas penampang dalam mm2
|
Persamaan
diatas dapat ditransfer kedalam bermacam-macam besaran.
Dengan
demikian secara perhitungan dimungkinkan juga untuk menentukan panjang
penghantar, tahanan jenis dan luas penampang.
Melalui
penempatan satuan kedalam persamaan tahanan jenis, maka diperoleh satuan
tahanan jenis.
Contoh
soal :
1. Suatu penghantar dengan luas
penampang 10 mm2.
Berapa besarnya tahanan untuk panjang
500 m, jika digunakan penghantar a)
tembaga
b) alumunium ?
Diketahui : A = 10 mm2
l = 500 m
rCu
= 0,0178 W.mm2/m
rAl = 0,0278 W.mm2/m
Hitunglah : Rcu , RAl
Jawab :
a) 
b)
2. Kawat baja 250 m dan luas penampang
1 mm2 mempunyai tahanan 35 W
Berapa
besarnya tahanan jenis kawat tersebut ?
Diketahui : l = 250 m
A = 1 mm2
R = 35 W.
Hitunglah : r
Jawab
: 
3. Sebuah jamper alat ukur panjang 12 m
terbuat dari kawat tembaga berisolasi dan harus mempunyai tahanan 0,0356 W.
Berapa besarnya luas penampang
penghantar tersebut ?
Diketahui
: l = 12 m
R = 0,0356 W
rCu
= 0,0178 W.mm2/m
Hitunglah : A
Jawab : 
5.3. Daya
hantar dan hantar jenis
Suatu
beban dengan tahanan yang kecil menghantarkan arus listrik dengan baik.
Dikatakan : “dia memiliki daya hantar
yang besar”.
Daya
hantar yang besar sepadan dengan tahanan yang kecil dan sebaliknya daya hantar
kecil sepadan dengan tahanan besar.
|
Daya hantar adalah kebalikan tahanan
|
Satuan
SI yang ditetapkan untuk daya hantar adalah Siemens.
Simbol
formula untuk daya hantar adalah G.
Simbol
satuan untuk Siemens adalah S.
|
Daya hantar
|
|
G
daya hantar listrik dalam S
|
|
Tahanan
|
|
R
tahanan listrik dalam W
|
Nilai yang lebih kecil :
|
1 mS = 1 Millisiemens = 10-3 S
1 mS
= 1 Mikrosiemens = 10-6 S
|
Suatu
bahan penghantar dengan tahanan jenis kecil menghantarkan arus listrik dengan
baik, dia sanggup menghantarkan dengan sangat baik. Hal ini disebut sebagai
besaran hantar jenis atau besaran spesifikasi daya hantar dari bahan.
Analog
dengan daya hantar dapat ditetapkan disini :
|
Hantar jenis adalah kebalikan tahanan
jenis.
|
Satuan untuk hantar jenis adalah 
Simbol
formula untuk hantar jenis adalah g (baca gamma). g
adalah huruf abjad Yunani.
|
Hantar jenis
|
|
g hantar jenis dalam 
|
|
Tahanan jenis
|
|
r tahanan jenis dalam
|
Untuk
beberapa pemikiran sangatlah tepat, menghitung dengan menggunakan daya hantar
ataupun hantar jenis.
Dengan
bantuan hantar jenis (spesifikasi daya hantar) diperoleh rumus perhitungan
untuk tahanan kawat sebagai berikut :
|
Tahanan
penghantar
|
|
R
tahanan penghantar dalam W
g hantar jenis dalam m/W.mm2
|
|
|
|
l panjang penghantar dalam m
A
luas penampang dalam mm2
|
Contoh : 1.
Berapa besarnya daya hantar untuk tahanan berikut ini :
5
W;
0,2 W;
100 W
?
2. Berapa besarnya hantar jenis perak,
tembaga dan alumunium jika sebagai tahanan jenis berturut-turut terdapat nilai
sbb. :
r
tembaga = 0,0178 W.mm2/m.
r
alumunium = 0,0278W.mm2/m.
r
perak = 0,016 W.mm2/m.
Jawaban : 
5.4. Tahanan
tergantung pada suhu
|
Percobaan :
Sebuah lampu pijar dihubungkan ke
sumber tegangan berturut-turut melalui bermacam-macam bahan penghantar
(tembaga, arang, konstantan). Setiap penghantar dipanasi dan cahaya lampu
diperbandingkan sebelum dan setelah pemanasan.
|
Secara
umum diketahui :
|
Tahanan semua bahan sedikit banyak
tergantung pada suhu.
|
a)
Penghantar tembaga
Gambar 1.30 Ketergantungan suatu penghantar tembaga terhadap suhu.
b)
Penghantar arang (isi pensil)
Gambar 1.31 Ketergantungan suatu penghantar arang terhadap suhu.
c)
Konstantan
Gambar 1.32 Ketergantungan suatu penghantar konstantan terhadap suhu.
Percobaan
memperlihatkan secara rinci :
|
1. Kawat
logam yang terbuat dari tembaga dan
alumunium pada pemanasan tahanannya
bertambah.
2. Yang
terbuat dari arang, pada pemanasan nilai tahanannya berkurang.
3. Tahanan
kawat konstantan hampir tetap konstan.
|
Bahan
yang dalam kondisi dingin menghantarkan arus dengan lebih baik dari pada dalam
kondisi panas, disebut penghantar dingin.
Termasuk kelompok ini yaitu praktis semua logam murni dan beberapa bahan
semi penghantar.
Bahan
yang dalam kondisi panas menghantarkan arus dengan lebih baik dari pada dalam
kondisi dingin, disebut penghantar panas.
Termasuk disini yaitu arang, sebagian besar bahan semi penghantar dan oksida
logam tertentu.
Sebagian
logam pada pendinginan mendekati titik nol absolut (-273,2 OC)
tahanannya menghilang dengan sangat tiba-tiba yaitu praktis pada nilai nol.
Maka bahan seperti ini menghantarkan arus dengan “sangat baik”. Oleh karena itu
disebut penghantar super (super
conductor). Termasuk dalam kelompok ini yaitu alumunium, tin (timah), timbel
(timah hitam), air raksa, niob (columbium).
Perlu
diperhatikan, bahwa untuk perbedaan temperatur menggunakan satuan Kelvin (K)
dan tidak lagi derajat Celsius (OC). Ini tidak menimbulkan
kesulitan, karena perbedaan temperatur 1OC sama dengan perbedaan
temperatur 1 K. Sejalan dengan hal tersebut satuan OC untuk
menyatakan temperatur dapat terus digunakan.
Contoh
:
1.
Temperatur penghantar tembaga berubah
sekitar 20 K (bukan 20 OC).
2.
Temperatur lilitan motor sebesar 20 OC.
Untuk ini dapat juga dikatakan : 293 K, disini 0 OC senilai dengan
273 K atau 0 K sesuai dengan -273 OC.
Reaksi
penghantar dingin dapat diterangkan, bahwa pada asutan panas yang lebih kuat
atas atom-atom didalam kisi-kisi kristal, lebih besar pula tumbukan
elektron-elektron yang bergerak dengan atom-atom (ion-ion atom) sehingga
memberikan tahanan yang lebih besar. (gambar 1.33)
|
|
Gambar 1.33
Tahanan pada penghantar logam yang dipanaskan
|
Reaksi penghantar
panas berdasarkan, bahwasanya pada pemanasan elektron-elektron ekstra
(tambahan) menjadi bebas dan tergabung pada gerakan yang terarah. Hal ini
berarti pengurangan tahanan.
Pada
konstantan melalui pemanasan seperti pada penghantar dingin terjadi suatu
pengereman pembawa muatan, tetapi seperti juga pada penghantar panas,
elektron-elektron ekstra menjadi bebas. Kedua reaksi tersebut cukup saling
menetralisir.
Perubahan
tahanan melalui pemanasan untuk
masing-masing bahan berbeda. Karakteristik bermacam-macam bahan ditetapkan
melalui koefisien temperatur.
Simbol
: a
(alpha)
Satuan
: 
|
Koefisien temperatur a
menunjukkan perubahan tahanan untuk tahanan sebesar 1W
pada pemanasan 1 K.
|
Pada
perhitungan sering digunakan koefisien temperatur dalam 
.
Bahan
yang pada pemanasan nilai tahanannya berkurang, mempunyai koefisien temperatur
negatip.
Beberapa
contoh koefisien temperatur (berlaku untuk perubahan temperatur mulai dari suhu
20 OC) sbb :
Tembaga a =
0,0039 = 0,39
Alumunium a
= 0,0037 = 0,37
Wolfram a
= 0,0041 = 0,41
Nikelin a =
0,00023 = 0,023
Mangan a
= ± 0,00001 = ± 0,001
Konstantan a
= - 0,00003 = - 0,003
Karbon
murni a = -
0,00045 = - 0,045
Pada
logam murni (tembaga, alumunium, wolfram) besarnya koefisien temperatur
kira-kira 0,4 , artinya setiap K kenaikan temperatur tahanannya bertambah
0,4 %
Menunjuk
pada lampu pijar, yang didalamnya menggunakan kawat wolfram, dalam operasionalnya
merupakan suatu tahanan panas, yang bisa mencapai 15 kali lebih besar dari pada
tahanan dingin (pada kondisi dingin).
Pada
logam campuran tertentu (nikelin, manganin, konstantan) koefisien temperaturnya
sangat kecil. Bahan ini sangat cocok untuk tahanan alat ukur.
Perubahan
tahanan DR
(baca: delta R) suatu penghantar untuk :
tahanan 1W dan perubahan temperatur 1K besarnya
DR
= a
Ohm
tahanan 1W dan perubahan temperatur 2K besarnya
DR
= 2 . a
Ohm
tahanan 1W dan perubahan temperatur DJK
besarnya DR =
a
. DJ
Ohm
tahanan
RW
dan perubahan temperatur DJK
besarnya DR = a . DJ . R Ohm
D
(baca: delta) adalah suatu huruf Yunani dan digunakan disini sebagai simbol
formula untuk perbedaan.
J
(baca: theta) adalah juga suatu huruf Yunani dan digunakan disini sebagai
simbol formula untuk temperatur.
Gambar 1.34 Perubahan tahanan
Dengan demikian
berlaku :
|
Perubahan tahanan
|
DR
= a
. DJ
. Rd
|
DR perubahan tahanan dalam W
|
|
|
|
Rd tahanan dingin pd. 20 oC dlm. W
|
|
|
|
a koefisien temperatur dalam 1/K
|
|
|
|
DJ kenaikan temperatur dalam K
|
Tahanan
panas yang baru Rp terdiri atas tahanan dingin Rd dan
perubahan tahanan DR.
|
Tahanan panas
|
Rp
= Rd + DR
|
Rp tahanan panas dalam W
|
Melalui penjabaran
formula diperoleh :
Persamaan
tersebut diatas berlaku untuk kenaikan temperatur hingga kira-kira 200 oC.
Pada kenaikan temperatur yang melebihi 200 oC, harus diperhatikan
faktor-faktor lainnya.
Pemakaian
perubahan tahanan ditemukan pada penyelidikan pemanasan lilitan termasuk juga
untuk tujuan pengukuran dan pengaturan.
Contoh:
1. Lilitan tembaga suatu mesin pada
suhu 20 oC terukur tahan-annya serbesar 30 W.
Selama beroperasi temperatur tahan-annya naik menjadi 80 oC.
Berapa sekarang besarnya tahanan
kumparan ?
Diketahui: Rd = 30 W; J1 = 20 oC; J2 = 80 oC; a = 0,0039 1/K
Hitunglah: Rp
Jawaban: Rp = Rd + a
. DJ
. Rd
Rp = 30 W
+ 0,0039 1/K . 60 K . 30 W = 30 W + 7,02 W = 37,02 W
2. Lilitan alumunium suatu trafo satu
phasa pada suhu 20 oC mempunyai tahanan sebesar 5 W
Temperaturnya
meningkat berapa Kelvin, jika setelah beberapa jam beroperasi diukur tahanannya
sebesar 6,3 W
?
Diketahui: Rd = 5 W; J1 = 20 oC;
Rp = 6,3 W; a = 0,0037 1/K
Hitunglah: DJ
