Pengertian
Arus Bolak-Balik
Arus dalam listrik adalah muatan positif yang bergerak.
Walau sebenarnya yang bergerak adalah electron (muatan negatif) .Dengan
demikian kita bias buat grafik Perubahan Perbedaan Tegangan (V) terhadap Waktu.
Untuk ujung A, perbedaan tegangan tidak berubah terhadap waktu. Begitu juga
dengan ujung B. Bagaimana seandainya kutub positif dan kutub negative dari
baterai tersebut berganti-ganti terhadap waktu? Misalnya pada waktu t1 ujung A
adalah positif dan ujung B adalah negatif. Kemudian pada waktu t2 ujung A
adalah negative dan B adalah positif. Dan siklus ini terus berlangsung sampai
sumber listrik tersebut dimatikan. Inilah yang disebut arus bolak-balik kutub
sumber listrik berganti-ganti tiap waktu.
Arusbolak-balik (AC/alternating current)
adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya
arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah di mana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah
dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk
gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling
efisien.
Kalau pergantian kutub itu terjadi 60 kali dalam satu detik,
maka dikatakan frekuensi sumber AC tersebut adalah 60 Hertz (seperti banyak
dipakai di Amerika Serikat). Kalau pergantian kutub itu terjadi 50 kali dalam
satu detik, maka frekuensi sumber AC tersebut adalah 50 Hertz (seperti banyak
dipakai di Eropadan Asia termasuk di Indonesia). Tentu sekarang kita paham apa
maksud “frekuensi arus PLN adalah 50 Hz”.
Karena perbedaan tegangan berubah-ubah setiap waktu, maka
untuk praktis besarnya perbedaan tegangan arus bolak-balik dinyatakan dalam rms
(root mean square, akar dari kuadrat rata-rata) perbedaan tegangan maksimum.
Ini sebenarnya hanya permainan statistik, tidak mengandung fenomena fisis yang
baru. Harga rms dari perbedaan tegangan bernilai perbedaan tegangan maksimum
dibagi akar dua.
Bicara tentang kestabilan, tentu arus searah lebih stabil.
Dan umumnya alat-alat elektronik beroperasi dengan arus searah. Hal ini boleh
menjadi pertanyaan: kenapa kita memakai arus bolak-balik sebagai sumber listrik
utama?
Jawabannya adalah dipengaruhi factor ekonomi membuat sumber
arus bolak-balik (generator) jauh lebih murah dari pada sumber arus searah.
Untuk menjadikan arus bolak-balik menjadi searah tidaklah begitu sulit, walau
hasilnya tidak setabil arus dari baterai tapi harga kestabilan ini dikompensasi
sangat baik oleh biaya pengadaan sumber listrik.
Secara umum, listrik bolak-balik
berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN)
kekantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti
sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel,
yang juga merupakan listrik arus bolak-balik.
Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang
mengalir dalam suatu penghantar per satuan waktu. Arus listrik mengalir karena
ada beda potensial antara ujung-ujung kawat penghantar. Arus listrik mengalir
dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arus listrik ini disebut arus
positif atau arus konvensional. Setelah J.J Thompson menemukan adanya elektron,
orang menyimpulkan bahwa arus listrik adalah aliran elektron. Elektron mengalir
dari potensial rendah ke potensial tinggi. Tetapi mengapa kita masih
menggunakan arus konvensional? Hal ini karena di dalam kabel, arus elektron
mengalir berlawanan dengan arus konvensional dan kedua arus ini sama besarnya,
sehingga kita masih dapat menggunakan arus konvensional sebagai arus listrik.
Besaran Arus
Listrik
I=
Q=I.t
Keterangan :
I = kuat arus
(ampere / A)
Q = muatan
(coulumb / C)
t = waktu (detik /
s)
Pengukuran Kuat
Arus
Untuk mengukur kuat arus listrik dalam suatu
rangkaian tertutup digunakan ampermeter (ammeter), yang dirangkai seri dengan
komponen listrik yang akan diukur kuat arusnya.
Sumber
arus listrik dibedakan menjadi dua, yaitu sumber arus listrik bolak-balik
(AC)
dan sumber arus listrik searah (DC). Sumber arus listrik AC dihasilkan oleh
dinamo
arus AC dan generator. Ada beberapa macam sumber arus searah,
misalnya
sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus
searah.
Elemen volta, batu baterai, dan akumulator merupakan sumber arus searah
yang
dihasilkan oleh reaksi kimia. Oleh karena itu, elemen volta, batu baterai, dan
akumulator
sering disebut elektrokimia. Dikatakan elektrokimia sebab alat tersebut
mengubah
energi kimia menjadi energi listrik.
Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu
elemen primer dan elemen sekunder.
1.Elemen primer
Elemen Primer adalah elemen yang setelah habis muatannya
tidak dapat diisi kembali. Pada elemen primer, reaksi kimia yang
menyebabkan elektron mengalir dari elektrode negatif (katode) ke elektrode
positif (anode) tidak dapat dibalik arahnya. Itulah sebabnya elemen primer
tidak dapat dimuati kembali jika muatannya sudah habis. Dengan kata lain,
elemen primer merupakan sumber arus searah yang memerlukan penggantian bahan
pereaksi. Jadi, elemen primer adalah sumber arus listrik yang tidak
dapat diperbaharui lagi. Elemen primer ada dua jenis, yaitu: elemen basah dan
elemen kering.
2. Elemen Sekunder
Elemen sekunder
merupakan elemen elektrokimia yang dapat diperbaharui bahan-bahan pereaksinya.
Elemen sekunder ini harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan,
yaitu dengan cara melewatkan arus listrik melaluinya.
GGL adalah beda potensial antara kedua
ujung atau kutub sumber arus listrik saat sumber arus itu tidak terhubung ke
rangkaian listrik, diberi lambang ɛ dan memiliki satuan volt. Sedangkan beda
potensial antara kedua ujung atau kutub sumber arus listrik saat sumber arus
itu mengalirkan arus dalam rangkaian listrik disebut tegangan jepit,
diberi lambang V. Tentu saja, nilai tegangan jepit V berubah, tergantung pada
nilai hambatan bebannya Makin besar nilai hambatan beban, makin kecil nilai
tegangan jepitnya. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil dari GGL.
Contohnya
elemen volta dan batu baterai. Elemen sekunder adalah elemen yang
setelah
habis muatannya dapat diisi kembali. Contohnya akumulator (aki). Pada
elemen
volta, baterai, dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu
a.
anode, elektrode positif yang memiliki potensial tinggi,
b.
katode, elektrode negatif yang memiliki potensial rendah,
c.
larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.
Untuk
lebih memahami prinsip kerja beberapa contoh elektrokimia, ikutilah uraian
berikut.
1.
Elemen Volta
Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh
Fisikawan Italia bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan sebuah
bejana yang diisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan dua logam tembaga (Cu) dan
seng (Zn). Bagian utama elemen Volta, yaitu
a.
kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),
b.
kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),
c. larutan elektrolit terbuat dari asam
sulfat (H2SO4).
Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan
lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu
dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus
listrik yang
mengalir
pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam
tembaga maupun seng, sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari
seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai
berikut.
.
Pada larutan elektrolit terjadi reaksi H2SO4 → 2H+ + SO2–4
.
Pada kutub positif terjadi reaksi Cu + 2H+ → polarisasi H2
Pada
kutub negatif terjadi reaksi Zn + SO4 → ZnSO4+ 2e
Reaksi
kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen
(H2). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen
hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal
ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun
arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga
oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas
hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus
listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar
1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan
elemen Volta karena dapat membasahi peralatan
lainnya.
2.
Elemen Kering
Elemen kering disebut juga baterai. Elemen kering
pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama elemen kering
adalah
a.
kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C),
b.
kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),
c.
larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH4Cl),
d. dispolarisator terbuat dari mangan
dioksida (MnO2).
Untuk mengalirkan
muatan listrik dari titik satu ke titik yang lain dalam suatu penghantar,
diperlukan energi. Banyaknya energi yang dikeluarkan di antaranya tergantung
pada besar kecilnya sebuah muatan yang dipindahkan, makin besar muatan yang
dipindahkan, makin besar pula energi yang harus dikeluarkan, persamaan Energi
ini disebut Energi Penggerak Listrik (EPL). EPL sering disebut Gaya Gerak
Listrik, (GGL). Dengan kata lain bahwa GGL adalah energi yang dikeluarkan oleh
sumber tegangan yang diperlukan untuk menggerakkan muatan listrik di dalam
suatu rangkaian.
Telah dipelajari
bersama bahwa arus listrik dapat mengalir dalam kawat penghantar jika antara
kedua ujung-ujung penghantar itu terdapat beda potensial. Untuk dapat
menimbulkan beda potensial diperlukan sumber tegangan. Ada dua jenis sumber
arus listrik, yaitu sumber arus searah atau direct current (DC) dan
sumber arus bolak-balik atau alternating current (AC). Sumber arus
bolak-balik adalah sumber arus yang mengalirkan arus selalu bolak-balik.
Contohnya generator dan dinamo arus bolak-balik. Sementara itu, sumber arus
searah yaitu sumber arus yang mengalirkan arus kesatu arah saja. Contohnya batu
baterai, aki, elemen Volta, dan dinamo arus searah. Sumber tegangan yang
mengeluarkan energi listrik berdasarkan prinsip pasangan logam disebut sel atau
elemen. Elemen ada dua jenis, yaitu elemen primer dan elemen sekunder.
a. Elemen Basah
·
Elemen Volta
Alessandro
Volta (1745 – 1827) menemukan bahwa pasangan logam tertentu dapat
membangkitkan GGL, gaya gerak listrik ini menyebabkan arus listrik mengalir
dalam suatu rangkaian. Pasangan logam tersebut adalah Cu (tembaga) dan Zn
(seng). Sumber tegangan pertama yang dapat mengalirkan arus listrik cukup besar
adalah elemen Volta. Tegangan yang dihasilkan adalah 1,5 V. H2SO4 (asam sulfat)
yang dipakai sebagai elektrolit akan terdisosiasi menjadi H+ dan SO4-2. Energi
yang diperlukan untuk menggerakkan elektron-elektron dari elektroda Zn ke elektroda
Cu dan jumlah energi per satuan muatan yang tersedia dari elemen Volta
dinyatakan dalam satuan volt atau joule per coulomb.
Namun terdapat kelemahan, yaitu terjadi
polarisasi pada batang tembaga. Polarisasi yaitu timbulnya gelembung-gelembung
gas H2 pada kutub +. Adanya gelembung-gelembung ini dikarenakan gas hidrogen
tidak dapat bersenyawa dengan Cu, akibatnya menghalangi jalannya aliran listrik
sehingga lampu tidak menyala. Sebagai kutub positif (anoda) dalam elemen Volta
adalah Cu sedangkan Zn sebagai kutub negatif (katoda) dan H2SO4 encer sebagai
larutan elektrolit yang berakibat terdisosiasi menjadi ion 2H+ dan SO42-.
·
Elemen Daniell
Elemen Daniell
merupakan modifikasi dari elemen Volta, yaitu dengan memperbaiki penampilan
elemen. Untuk mencegah polarisasi gas hidrogen, elektrode dilindungi oleh
larutan tembaga sulfat (larutan kimia) yang dinamakan depolarisator.
Depolarisator (larutan tembaga sulfat) dipisahkan dari larutan elektrolit (asam
sulfat encer) dengan bejana berpori sehingga ion-ion masih dapat lewat dari
elektrode satu ke elektrode lainnya melalui larutan elektrolit da
depolarisator. Bejana tembaga sebagai elektrode positif dan batang seng sebagai
elektrode negatif.
b. Elemen Kering
Elemen
kering atau baterai adalah sumber tegangan yang dapat lebih lama mengalirkan
arus listrik daripada elemen Volta. Elemen kering dibuat pertama kali pada
tahun 1866, kimiawan Perancis oleh George Leclanche.
Elemen kering ini
terdiri atas Zn yang berbentuk bejana dan logam dalam Zn ini dilapisi karbon
(batang arang). Karena batang arang memiliki potensial lebih tinggi daripada
Zn, maka batang arang sebagai anoda, sedangkan Zn sebagai katoda.
Di bagian dalam elemen
kering ini terdapat campuran antara salmiak atau amonium klorida (NH4Cl) serbuk
arang dan batu kawi atau mangan dioksida (MnO2). Campuran ini berbentuk pasta
yang kering. Karena elemen ini menggunakan larutan elektrolit berbentuk pasta
yang kering maka disebut elemen kering.
Pada elemen kering, NH4Cl sebagai
larutan elektrolit dan MnO2 sebagai depolarisator. Kegunaan dispolarisator
yaitu dapat meniadakan polarisasi. Sehingga arus listrik pada elemen kering
dapat mengalir lebih lama sebab tidak ada gelembung-gelembung gas.
Ø
Mengukur GGL dan Tegangan
Voltmeter adalah alat
untuk mengukur tegangan listrik. GGL dan tegangan jepit dapat diukur dengan
menggunakan voltmeter.
Dalam menggunakannya,
voltmeter harus dipasang secara paralel dengan sumber tegangan atau peralatan
listrik yang akan diukur beda potensialnya (teganganya). Maksudnya, kutub
positif voltmeter harus dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan atau
alat listrik dan kutub negatif voltmeter harus dihubungkan dengan kutub negatif
sumber tegangan atau alat listriK.
HUKUM
OHM
Diperlukan beda potensial agar arus
listrik agar arus listrik mengalir dalam suatu rangkaian listrik tertutup. Beda
potensial dapat dihasilkan dengan cara memberikan sumber tegangan baterai atau
akumulator. Sekarang timbul pertanyaan, apakah keterkaitan antara kuat arus
yang mengalir dengan beda potensial yang diberikan? Hasil eksperimen Georg
Simon Ohm (1789-1854) menunjukkan bahwa arus (I) yang mengalir dalam suatu
penghantar logam sebanding dengan beda potensial (V) dikedua dengan syarat suhu
pengantar tetap. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum Ohm.
I
V
Besarnya
kuat arus yang mengalir dalam suatu rangkaian tidak hanya bergantung pada beda
potensial tetapi ditentukan juga oleh hambatan kawat penghantar (R).Untuk beda
potensial yang tetap, arus yang mengalir pada kawat penghantar yang memiliki
nilai hambatan besar akan bernilai kecil. Jadi, kuat arus listrik berbanding
terbalik dengan hambatan kawat penghantar. Jika dilakukan kombinasi antara kuat
arus dan tegangan maka diperoleh hubungan
I=
;
V=IR; R=
Persamaan
ini dikenal sebagai hukum Ohm. Satuan hambatan listrik adalah Ohm dan diberi
lambang
. (1Ω = 1
)
Aliran listrik
ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak di dalam suatu
penghantar. Arah
arus listrik (I) yang timbul pada penghantar berlawanan arah
dengan arah
gerak elektron. Muatan listrik dalam jumlah tertentu yang menembus suatu
penampang dari suatu penghantar dalam satuan waktu tertentu disebut sebagai
kuat arus listrik. Jadi kuat arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang
mengalir dalam kawat penghantar tiap satuan waktu.
segmen dari sebuah kawat penhantar berarus
Hukum
Ohm menyatakan “ Kuat arus yang melewati suatu peranti selalu berbanding lurus
drngan beda potensialnya”.
Perlu ditekankan disini bahwa hukum
Ohm tidak berlaku untuk setiap peranti atau komponen listrik. Ada peranti yang
tunduk pada hukum Ohm, ada pula yang tidak. Penghantar adalah contoh komponen
yang memenuhi hukum Ohm, sedangkan dioda adalah contoh komponen listrik yang
tidak tunduk pada hukum Ohm.
Hambatan suatu komponen listrik
tidak tergantung pada polaritas dan beda potensial yang dipasang pada
ujung-ujungnya.
Perlu ditekankan bahwa persamaan
V=Ir bukanlah hukum Ohm. Persamaan ini tidak lain adalah persamaan yang
mendefinisikan hambatan yang dimiliki oleh suatu peranti, yaitu sebagai
berikut. Besarnya hambatan R yang dimiliki oleh suatu peranti atau komponen
listrik adalah suatu nilai ( umumnya bukan suatu tetapan) Sedemikian rupa
sehingga jika V beda potensial yang dipasang pada ujung-ujung peranti atau
komponen tersebut dan arus yang mengalir melaluinya i, persamaan V = Ir
dipenuhi.
Suatu hasil
percobaan pada table. Nilai kuat atus I dan tegangan V pada suatu
hambatan
menghasilkan grafik seperti gambar. Hukum ohm tidak merupakan pernyataan
universal,tapi hanyagambaran bagi sebagian materi tertentu yang mengikuti hukum
ohm (komponen ohmik). Nilai hambatan R pada komponen ohmik konstan asal suhunya
konstan. Materi yang tidak memenuhi hukum
ohm disebut
komponen non-ohmik. Grafi I sebagai fungsi V untuk
komponen
non.
HUKUM
KIRCHOFF
Hukum
khirchoof berbunyi “Jumlah kuat arus
listrik yamg masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat arus listrik
yang keluar dari titik simpul tersebut”.
Hukum I kirchoff
tersebut adalah hukum kekekalan muatan listrik seperti tampak di dalam analogi
pada gambar. Hukum I kirchoff secara matematis dituliskan:
I masuk = ∑I keluar
Skema
diagram untuk hukum khirchhoff
Rangkaian
untuk menyelidiki kuat arus yang masuk dan keluar dari suatu titik simpul.
Hukum
II Kirchoff tentang Tegangan pada Rangkaian Tertutup
Untuk
menyederhanakan rangkaian yang rumit,dapat digunakan Hukum II Kirchoff yang
berbunyi :
“Didalam sebuah
rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (_) dengan
penurunan
tegangan (IR) sama dengan nol”.
Secara
matematis dituliskan :
∑
+∑(IR)=0
Dalam
menyelesaikan persoalan di dalam loop perhatikan hal-hal berikut ini!
a. Kuat arus
bertanda positif jika searah dengan loop dan bertanda negatif jika
berlawanan
dengan arah loop.
b. GGL bertanda
positif jika kutub positipnya lebih dulu di jumpai loop dan
sebaliknya ggl
negatif jika kutub negatif lebih dulu di jumpai loop.
Misalkan
kita ambil arah loop searah dengan arah I, yaitu a-b-c-d-a. (rangkain dengan
satu loop)
Kuat arus
listrik I di atas dapat ditentukan dengan menggunakan Hukum II
Kirchhoff: Σ ε +
Σ IR = 0
– ε1 + ε2 + I
(r1 + r2 + R) = 0
Jika
harga ε1, ε2, r1, r2 & R diketahui maka kita dapat menentukan harga I-nya.
Rangkaian dengan
dua loop atau lebih
Rangkaian yang
memiliki dua loop atau lebih disebut juga rangkaian majemuk.
Langkah-langkah
dalam menyelesaikan rangkaian majemuk ini adalah sebagai
Berikut:
Rangkaian
dengan dua loop:
Aturan
Hukum II Kirchoff :
1. Pilih loop
untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah
tertentu. Pada
dasarnya, pemilihan loop bebas, namun jika
memungkinkan
usahakan searah dengan arus.
2. Jika pada
suatu cabang, arah loop sama dengan arah arus, maka
penurunan
tegangan (IR) bertanda positif, sedangkan bila berlawana
arah, maka
penurunan tegangan (IR) bertanda negative.
3. Bila saat
mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan lebih
dahulu dijumpai
adalah kutub positif, maka ggl _ bertanda positif,
sebaliknya bila
yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub negative,
maka
ggl _ bertanda negative.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar