ipa fisika

ARUS LISTRIK

Dalam konduktor logam terdapat elektron-elektron yang bebas dan mudah untuk bergerak sedangkan pada konduktor elektrolit, muatan bebasnya  berupa ion-ion positif dan negatif yang juga mudah bergerak.

Bila dalam konduktor ada medan listrik; maka muatan muatan tersebut bergerak dan gerakan dari muatan-muatan ini yang dinamakan arus listrik.

Arah arus listrik siperjanjikan searah dengan gerakan  muatan-muatan positif.

Bila medan yang menyebabkan gerakan-gerakan muatan tersebut arahnya tetap; akan dihasilkan arus bolak-balik secara harmonik, hasilkan arus bolak-balik (AC- Alternating Current).

* KUAT ARUS.

Kuat arus ( i ) di definisikan sebagai :

Jumlah muatan yang mengalir melalui suatu penampang persatuan waktu.

Karena arah arus adalah searah dengan arah muatan positif, maka jumlah muatan yang lewat adalah jumlah muatan positif.

dq = jumlah muatan (Coulomb)

dt  = selisih waktu (detik)

   i = kuat arus

Satuan dari kuat arus adalah Coulomb/detik yang tidak lain adalah : Ampere.

Ditinjau dari dari suatu konduktor dengan luas penampang A dalam suatu interval dt; maka jumlah muatan yang lewat penampang tersebut adalah jumlah muatan yang terdapat dalam suatu silinder dengan luas penampang A, yang panjangnya V dt.

Bila n adalah partikel persatuan volume dan e muatan tiap partikel.

dq = n.e.V.A.dt

sehingga diperoleh besarnya :

     Ampere

Rapat arus J didefinisikan sebagai kuat arus persatuan luas.

      Ampere/m²

* HUKUM OHM

Hubungan antara tegangan, kuat arus dan hambatan dari suatu konduktor dapat diterangkan berdasarkan hukum OHM.

Dalam suatu rantai aliran listrik, kuat arus berbanding lurus dengan beda potensial antara kedua ujung-ujungnya dan berbanding terbalik dengan besarnya hambatan kawat konduktor tersebut.

Hambatan kawat konduktor biasanya dituliskan sebagai “R”.

           I = kuat arus

V_A - V_B = beda potensial titik A dan titik B

          R = hambatan

Besarnya hambatan dari suatu konduktor dinyatakan dalam

R = r

R = hambatan	satuan = ohm
L = panjang konduktor	satuan = meter
A = luas penampang	satuan = m2
r = hambat jenis atau resistivitas	satuan = ohm meter

Dari hubungan diatas dapat disimpulkan bahwa :

1.      Hambatan berbanding lurus dengan panjang konduktor.

2.      Hambatan berbanding terbalik dengan luas penampang konduktor.

3.      Hambatan berbanding lurus dengan  resistivitas atau hambat jenis dari konduktor tersebut.

Harga dari hambat jenis/resistivitas anatara nol sampai tak terhingga.

r = 0 disebut sebagai penghantar sempurna (konduktor ideal).

r = ~ disebut penghantar jelek (isolator ideal).

Hambatan suatu konduktor selain tergantung pada karakteristik dan geometrik benda juga tergantung pada temperatur. Sebenarnya lebih tepat dikatakan harga resistivitas suatu konduktor adalah tergantung pada temperatur.

Grafik hambat jenis lawan temperatur untuk suatu konduktor memenuhi hubungan :

r(t) = r₀ + at  + bt ² + ...

r(t) = hambat jenis pada suhu t ⁰  C

r₀   = hambat jenis pada suhu 0 ⁰  C

a, b  = konstanta.

Untuk suhu yang tidak terlampau tinggi, maka suhu t ² dan pangkat yang lebih tinggi dapat diabaikan sehingga diperoleh :

      a = koef suhu hambat jenis

Karena hambatan berbanding lurus dengan hambat jenis, maka diperoleh :

R_(t)  = R₀  ( 1 + a.t )

* SUSUNAN HAMBATAN (TAHANAN)

Beberapa tahanan dapat disusun secara :

·         Seri

·         Paralel

·         Kombinasi seri dan paralel

SUSUNAN SERI

Bila tahanan-tahanan : R1, R2, R3, ...

disusun secara seri, maka :

Kuat arus (I) yang lewat masing-masing tahanan sama besar :

¾®  i = i₁ = i₂ = i₃ = ....

¾®  V_S = V_ad = V_ab + V_bc + V_cd + ...

¾®  R_S = R₁ + R₂ + R₃ + ...

SUSUNAN PARALEL

Bila disusun secar paralel, maka :

¾®  Beda potensial pada masing-masing ujung tahanan besar ( V_A = V_B ).

¾®  i + i₁ + i₂ + i₃ + ....

¾®

ALAT UKUR KUAT ARUS, BEDA TEGANGAN DAN TAHANAN

* Jembatan wheatstone

Dipakai untuk mengukur besar tahanan suatu penghantar.

Jembatan wheatstone terdiri dari empat tahanan disusun segi empat dan Galvanometer.

·         R₁ dan R₂ biasanya diketahui besarnya.

·         R₃ tahanan yang dapat diatur besarnya sehingga tidak ada arus yang mengalir lewat rangkaian B-C-G (Galvanometer).

·         R_X tahanan yang akan diukur besarnya.

Bila arus yang lewt G = 0, maka :

R_X . R₂ = R₁ . R₃

* AMPEREMETER/GALVANOMETER.

Alat ini :

·         Dipakai untuk mengukur kuat arus.

·         Mempunyai hambatan yang sangat kecil.

·         Dipasang seri dengan alat yang akan diukur.

Untuk mengukur kuat arus yang sangat besar (melebihi batas ukurnya) dipasang tahanan SHUNT paralel dengan Amperemeter (alat Amperemeter dengan tahanan Shunt disebut AMMETER)

Sebuah Amperemeter yang mempunyai batas ukur maksimum I Ampere dan tahanan dalam Rd Ohm, supaya dapat dipakai untuk mengukur arus yang kuat arusnya n x i Ampere harus dipasang Shunt sebesar :

 Ohm

* VOLTMETER.

Alat ini :

·         Dipakai untuk mengukur beda potensial.

·         Mempunyai tahanan dalam yang sangat besar.

·         Dipasang paralel dengan alat (kawat) yang hendak diukur potensialnya.

Untuk mengukur beda potensial yang melebihi batas ukurnya, dipasang tahanan depan seri dengan Voltmeter.

Untuk mengukur beda potensial n  x  batas ukur maksimumnya, harus dipasang tahanan depan (R_V):

Rv = ( n - 1 ) Rd      Ohm

ENERGI LISTRIK (HUKUM JOULE)

Karena gerakan muatan-muatan bebas yang menumbuk partikel yang tetap dalam penghantar, maka terjadi perpindahan energi kinetik menjadi energi kalor, sehingga penghantar menjadi panas.

Hubungan antara gerakan muatan yang disebabkan oleh kuat medan dengan panas yang ditimbulkan, berdasarkan JOULE :

1.      Tahanan kawat penghantar.

2.      Pangkat dua kuat arus dalam kawat penghantar.

3.      Waktu selama arus mengalir.

W = i ² . r . t = V . i . t       Joule

Dengan :

W = Jumlah Kalor (Joule).

i = Kuat arus yang mengalir (Ampere).

r = Tahanan kawat penghantar (Ohm).

t = Waktu (detik).

V = Beda potensial antara dua titik A dan B (Volt).

Karena : 1 kalori = 4,2 Joule  dan 1 Joule = 0,24 Kalori

W = 0,24 i ² . r . t = 0,24 V . i . t       Kalori

DAYA (EFEK ARUS LISTRIK)

Daya adalah banyaknya usaha listrik (energi listrik) yang dapat dihasilkan tiap detik.

DAYA       joule/detik

atau      (Volt -Ampere = Watt)

RANGKAIAN ARUS SEARAH

Arus searah dapat diperoleh dari bermacam-macam sumber, antara lain :

1.      Elemen Elektronika.

2.      Thermo elemen.

3.      Generator arus searah.

* Elemen Elektrokimia

Adalah elemen yang dapat menghasilkan energi listrik dari energi kimia selama reaksi kimia berlangsung. Elemen ini terdiri dari elektroda-elektroda positif (ANODA), elektroda negatif (KATODA) dan elektrolit.

Mcam-macam elemen elektrokimia.

a)      Elemen PRIMER : elemen ini membutuhkan pergantian bahan pereaksi setelah sejumlah energi dibebaskan melalui rangkaian luar misalnya : Baterai.

Pada elemen ini sering terjadi peristiwa polarisasi yaitu tertutupnya elektroda-elektroda sebuah elemen karena hasil reaksi kimia yang mengendap pada elektroda-elektroda tersebut.

Untuk menghilangkan proses polarisasi itu ditambahkan suatu zat depolarisator.

Berdasarkan ada/tidaknya depolarisator, dibedakan dua macam elemen primer :

1.      Elemen yang tidak tetap; elemen yang tidak mempunyai depolarisator, misalnya pada elemen Volta.

2.      Elemen tetap; elemen yang mempunyai depolarisator.

misalnya : pada elemen Daniel, Leclanche, Weston, dll.

b)      Elemen SEKUNDER : Elemen ini dapat memperbaharui bahan pereaksinya setelah dialiri arus dari sumber lain, yang arahnya berlawanan dengan arus yang dihasilkan, misalnya : Accu.

Misalkan : Akumulator timbal asam sulfat. Pada elemen ini sebagai Katoda adalah Pb; sedangkan sebagai Anode dipakai PbO₂ dengan memakai elektrolit H₂SO₄.

-        Banyaknya muatan yang dapat disimpan dalam akumulator dinyatakan dalam tenaga akumulator (kapasitas akumulator) yaitu : Jumlah maksimum muatan listrik yang dapat disimpan dalam akumulator.

Biasanya dinyatakan dalam :

Ampere - jam  (Ah = Ampere hour)

1 Ah = 3600 Coulomb.

-        Daya guna akumulator.

Tidak semua energi listrik yang dikeluarkan oleh akumulator dapat dipergunakan, sehingga dikenal istilah daya guna efisiensi rendeman = h, yaitu :

b)      Elemen BAHAN BAKAR : adalah elemen elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia bahan bakar yang diberikan secar kontinue menjadi energi listrik.

Misalkan : pada elemen Hidrogen-Oksigen yang dipakai pada penerbangan angkasa.

* Thermo Elemen

Adalah elemen yang dapat menghasilkan energi listrik dari kalor dengan cara pemanasan pada pasangan-pasangan logam tertentu. Dasar dari thermoelemen ini adalah penemuan dari :

-  Seebeck : yaitu mengenai terjadinya arus listrik karena perbedaan suhu pada logam.

-  Peltier    : yang menemukan bahwa pada suhu yang sama, logam yang berlainan

mempunyai kelincahan elektron bebas yang berbeda.

* Generator Arus Searah

Generator adalah alat untuk menghasilkan listrik dari energi mekanik.