Konsep Listrik Dinamis

Konsep Listrik Dinamis

 

1.   Arus Listrik

Sebelum elektron ditemukan oleh J.J Thomson (1856 – 1940) pada abad XX, para ahli sepakat bahwa arus listrik adalah aliran muatan positif dari kutub positif baterai ke kutub negatif baterai. Arus listrik yang ditetapkan ini dikenal dengan arus listrik konvensional. Bila kita menghubungkan kutub positif baterai dan kutub negatif baterai yang menggunakan sebuah kawat konduktor, maka akan terjadi aliran elektron dari titik berpotensial rendah ke titik berpotensial tinggi. Jumlah muatan listrik negatif yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif sama banyaknya dengan jumlah muatan positif yang mengalir dengan arah sebaliknya sehingga arus listrik tetap disefinisikan sebagai aliran muatan listrik positif atau arus konvensional.

 

 

Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah, sedangkan arah aliran elektron adalah sebaliknya yaitu dari potensial rendah ke  potensial tinggi atau dengan  kata lain dari kutub negatif ke  kutub positif.

Pada rangkaian listrik  tertutup,  besar  arus listrik yang mengalir  pada rangkaian  dapat  ditentukan dengan menghitung besar muatan listrik yang mengalir pada rangkaian setiap detiknya. Hal ini  dikarenakan besar arus listrik yang mengalir  dalam  suatu rangkaian  tertutup sebanding dengan besarnya  muatan listrik  yang mengalir  pada  setiap detik, atau secara matematis  besar  arus listrik ditulis sebagai berikut :

 

I   =   kuat arus listrik, satuan ampere

q   =   muatan listrik, satuan coulomb

t    =   waktu, satuan sekon

 

Contoh soal :

1.      Muatan listrik sebesar 100 coulomb mengalir selama 20 sekon dalam suatu kawat penghantar. Hitunglah kuat arus yang mengalir dalam kawat tersebut!

 

Penyelesaian

Diketahui    :     q    =   100 C

                         t    =   20 s

Ditanya       :     I    =   . . . ?

Jawab          :     I    =   q /t

                               =  100 C / 20 s

                               =   5 A

Jadi, kuat arus yang mengalir sebesar 5 A.

2.      Jika kuat arus listrik yang mengalir dalam suatu kawat penghantar adalah 4A, berapakah muatan listrik yang mengalir selama 2 menit?

 

Penyelesaian  :

Diketahui    :     I    =   4 A

                         t    =   2 menit

                               =   120 sekon

Ditanya       :     q    =   . . . ?

 

Jawab          :     q    =   I x t

                               =   4A x 120 s  = 480 C

 

Jadi, muatan listrik yang mengalir sebesar 480 C

 

Pada  rangkaian listrik tertutup,  pembawa muatan listrik adalah  elektron sehingga  besarnya muatan ditentukan oleh jumlah elektron, yaitu

 

q = n x e           

sehingga  

I = n.e/r

 

Keterangan:

I = Arus listrik (ampere)

n = jumlah muatan listrik

e   = muatan elektron (coulomb)

t    = waktu (detik)

Untuk mengukur nilai kuat arus yang mengalir melalui kawat penghantar digunakan alat amperemeter yang penggunaanya dalam pengukuran dipasang secara seri (tidak bercabang)

 

Contoh pemasangan ampere meter dan cara pembacaannya 

Pembacaan skala pada amperemeter digambarkan sebagai berikut :

 

Beda potensial listrik merupakan besarnya usaha atau energi yang dilakukan untuk menggerakkan muatan listrik sebesar satu coulomb dari satu titik ke titik yang lain.

Persamaan :

 

Keteranagn :

V     =   beda potensial listrik, satuan volt

W     =   usaha/energi, satuan joule

Q     =   muatan listrik, satuan coulomb

 

Latihan Soal 5.1

1.      Untuk memindahkan muatan 7.200 coulomb diperlukan waktu 1 jam. Berapakah besar kuat arus yang mengalir?

2.      Kuat arus yang ditimbulkan oleh sebuah aki adalah 40 A. Berapa muatan listrik yang dipindahkan selama 30 menit?

3.      Berapa waktu yang diperlukan untuk memindahkan muatan listrik sebesar 500 mC, jika kuat arus yang mengalir 25 mA?

 

2. Hambatan Listrik dan Hukum Ohm

Hambatan merupakan kecenderungan suatu benda untuk melawan aliran muatan listrik, mengubah energi listrik menjadi energi bentuk lain. Orang yang pertama kali meneliti hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan adalah George Simon Ohm (1787 – 1854) seorang ahli fisika Jerman dengan melakukan percobaan seperti berikut!

 

Misal dari percobaan didapat data sebagai berikut :

 

Jika data tersebut dibuat dalam bentuk grafik beda potensial (V) terhadap kuat arus (I), maka akan diperoleh grafik seperti di bawah!

 

Grafik di atas menunjukkan bahwa kuat arus sebanding dengan beda potensial. Di dalam matematika, grafik seperti di atas adalah y = mx, dengan m menyatakan gradient. Karena sebagai sumbu y adalah V dan sumbu x adalah I, maka persamaan grafik di atas dapat ditulis:

  

dengan     V    =   beda potensial, dengan satuan volt (V)

                 I      =   kuat arus, dengan satuan ampere (A)

                 R    =   hambatan listrik, dengan satuan ohm (Ω)

Jika I diletakkan dalam ruas kiri, maka persamaan dapat ditulis :

 
Menurut hukum Ohm bahwa “kuat arus yang mengalir dalam penghantar logam sebanding dengan beda potensial dan bebanding terbalik dengan hambatan penghantar tersebut.

 

Lab Saku

Lengkapilah tabel berikut dengan menggunakan hokum Ohm

 

jawab :

 

Contoh soal

3. Sebuah lampu pijar dihubungkan dengan beda potensial 12 V. Ternyata timbul kuat arus sebesar 0,4 A. Berapakah hambatan filament lampu pijar itu?

 

Penyelesaian :

Diketahui   :    V  =   12 V

                        I   =   0,4 A

Ditanya      :    R  =   . . . ?  

Jawab         :    R  =   V/R

                            =   12 V / 0,4 A = 30 Ω

Jadi, hambatan filamen lampu adalah 30 Ω

 

Latihan Soal

1.      Sebuah alat pemanas listrik memakai arus 5 A ketika dihubungkan dengan sumber tegangan 110 V. Berapakah besar hambatan listrik alat pemanas tersebut?

2.      Kuat arus 25 mA mengalir melalui hambatan 100 Ω. Berapakah beda potensial pada ujung-ujung hambatan tersebut?

3.      Seutas kawat memiliki hambatan listrik 30Ω. Ujung-ujungnya diberi tegangan 1,5 V. Berapakah kuat arus listrik yang mengalir did lam kawat tersebut?

3. Hantaran Listrik

 Hambatan listrik suatu kawat penghantar sebanding dengan panjang kawat, hambatan jenis kawat, dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat.

 

Secara matematis dapat ditulis :

 
Keterangan :

R    :    hambatan kawat, dengan satuan ohm (Ω)

ρ     :    hambatan jenis kawat, dengan satuan ohm.meter

ℓ     :    panjang kawat, dengan satuan meter (m)

A    :    luas penampang kawat, dengan satuan m²

 

Contoh Soal

1.      Seutas kawat yang panjangnya 20 m mempunyai luas 0,25 mm². Jika hambatan jenis kawat10^-6 ohm.m, berapakah hambatan kawat tersebut?

 

2.      Penghantar dari wolfram yang luas penampangnya 0,4 mm² mempunyai hambatan listrik sebesar 28 Ω . Hambatan jenis wolfram 0,056 ohm.mm²/m. Hiyunglah panjang kawat penghantar tersebut!

 

a.     Konduktor listrik

Agar  arus listrik dapat  disalurkan  dengan baik, maka dibutuhkan bahan yang mampu menghantarkan  arus listrik dengan baik pula. Pada bahan ini, elektron dapat mengalir dengan mudah. Bahan-bahan yang dapat digunakan untuk menghantarkan listrik disebut dengan kon- duktor listrik. Contoh dari konduktor listrik adalah tembaga, perak, dan emas. Meskipun perak dan emas merupakan konduktor yang sangat baik, tetapi karena harganya yang sangat mahal, kabel rumah tangga biasanya menggunakan bahan dari tembaga.

b.  Isolator listrik

Pemberian plastik atau karet  sebagai pelapis kabel bertujuan agar kabel lebih aman digu- nakan. Sifat  plastik dan karet  yang sangat buruk dalam  menghantarkan arus listrik  membuat kedua bahan tersebut  masuk ke  dalam kelompok bahan isolator. Bahan  isolator adalah bahan yang sangat buruk untuk menghantarkan listrik karena di dalam bahan ini elektron sulit mengalir.

c.   Semikonduktor listrik

Bahan-bahan yang berada pada suhu rendah bersifat sebagai isolator, sementara pada suhu tinggi bersifat sebagai konduktor disebut bahan semikonduktor listrik. Contoh bahan semikon- duktor listrik adalah karbon, silikon, dan germanium. Pada bidang elektronika,  karbon biasa digunakan untuk membuat transistor yang kemudian dirangkai menjadi IC.

 

Soal Latihan

Berapakah nilai hambatan listrik yang ditimbulkan oleh penghantar dari tembaga yang panjangnya 400 m dan luas penampangnya 2,5 mm²? (hambatan jenis tembaga 0,017 ohm.mm²/m).

Latihan Soal 

Share this post