BAB I
DASAR LISTRIK
A. Pendahuluan
Bab ini membahas mengenai dasar-dasar listrik yang mencakup struktur atom dalam suatu bahan, listrik, teori aliran arus listrik, pemanfaatan listrik dalam kehidupan sehari-hari, dan latihan-latihan terkait dengan dasar listrik. Kompetensi dan indikator keberhasilan dalam mempelajari buku ini dijelaskan pada table di bawah ini.
Kompetensi Indikator Menguasai dasar-dasar listrik Menjelaskan struktur atom dalam bahan
Menjelaskan macam-macam listrik Menjelaskan teori aliran arus listrik Menjelaskan pemanfaatan listrik
B. Struktur Atom
Gambar 1.1. Struktur atom
Semua benda padat, cair atau gas yang mempunyai massa dan menempati ruang pada dasarnya tersusun dari molekul atau atom yang tergabung menjadi satu. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu benda yang memiliki properties yang sama dari benda yang dibentuk olehnya. Inti dari sebuah atom disebut dengan nukleus yang terbentuk dari gabungan
antara proton dan neutron dan dikelilingi oleh partikel lain yang disebut
Gambar 1.2. Struktur atom hidrogen dan tembaga
Suatu atom berada dalam keadaan setimbang apabila banyaknya
elektron sama dengan proton. Proton yang bermuatan positif mempertahankan elektron berada dalam orbitnya. Gaya sentrifugal mencegah elektron yang berada pada orbitnya untuk bergerak ke dalam. Neutron mempertahankan keadaan proton dengan mencegah atau menetralkan gaya tolak menolak proton untuk mempertahankan inti atom. Hidrogen mempunyai atom yang paling sederhana dengan satu buah proton di dalam nukleus dan satu buah elektron yang mengitarinya. Bentuk atom tembaga lebih kompleks karena terdiri dari 29 elektron pada empat orbit yang berbeda yang berputar mengitari sebuah nukleus yang di dalamnya terdiri dari 29 proton dan 29 neutron.
Gambar 1.3. Ion positif dan ion negatif
Sebuah atom yang mempunyai kelebihan elektron disebut dengan ion negatif sedangkan atom yang kekurangan elektron disebut dengan ion positif. Ion-ion positif akan menarik elektron-elektron yang ada pada atom yang berdekatan dengannya agar menjadi seimbang. Perpindahan elektron-elektron dari atom lain akibat adanya gaya tarik dari ion-ion positif suatu atom yang lain menyebabkan terjadinya aliran elektron.
Gambar 1.4. Aliran elektron
Kemampuan mengalirkan arus listrik dari suatu atom tergantung dari
disebut elektron terikat (bound electrons). Elektron yang terletak pada orbit yang paling luar atau jauh dari inti atom mempunyai gaya tarik yang lemah terhadap proton sehingga mudah berpindah-pindah dan ini disebut elektron bebas (free elektron). Elektron dapat berpindah akibat adanya gaya atau paksaan dari luar misalnya aksi kimia, tekanan, cahaya, gesekan, panas, dan pengaruh magnetik. Elektron yang berpindah akibat pengaruh gaya tersebut berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Aliran elektron bebas ini menghasilkan suatu arus listrik.
Gambar 1.5. Atom bahan konduktor, semikonduktor, dan isolator
Konduktor merupakan bahan yang elektron bebasnya dapat dengan mudah bergerak. Semikonduktor merupakan bahan yang kemampuan elektron bebasnya bergerak berada di antara konduktor dan isolator. Isolator adalah bahan yang elektron bebasnya tidak dapat berpindah (Bonnick, 2008:196-197). Jumlah elektron bebas pada orbit paling luar dari suatu atom akan mempengaruhi sifat-sifat listrik dari suatu bahan. Sifat listrik dari suatu bahan dapat dibagi menjadi tiga macam (perhatikan gambar 1.5) yaitu 1) sifat bahan yang dapat menghantarkan arus listrik atau konduktor, 2) sifat bahan yang dapat menghantarkan dan tidak dapat menghantarkan atau semikonduktor, dan 3) sifat bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik atau isolator.
kondisi tertentu dan sebagai isolator yang baik juga pada kondisi lainnya, misalnya karbon, germanium, dan silikon. Bahan yang termasuk dalam isolator adalah bahan yang mempunyai lima sampai delapan elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang tidak baik. Elektron tertahan sangat kuat dan elektron sangat sulit untuk mengalir. Bahan yang termasuk isolator misalnya kaca, plastik, karet, kayu, dan lain-lain.
C. Listrik
Listrik terbagi menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Pada listrik statis, tidak terjadi aliran elektron. Apabila dua buah bahan bukan penghantar listrik misalnya sebatang kaca dan kain sutera saling digesekan satu sama lain, beberapa elektron dibebaskan sehingga kedua bahan tersebut menjadi bermuatan listrik. Salah satu bahan tersebut menjadi kekurangan elektron atau bermuatan positif, dan bahan yang lainnya menjadi kelebihan elektron atau bermuatan negatif. Muatan-muatan ini akan tetap berada pada permukaan kedua bahan tersebut dan tidak bergerak kecuali kedua bahan tersebut disentuhkan. Listrik dinamis (listrik yang dapat mengalir) terdiri dari dua macam, yaitu listrik arus searah (DC = direct current) dan listrik arus bolak-balik (AC = alternating current). Aliran listrik terjadi pada saat elektron-elektron lepas dari atom-atomnya dan mengalir melalui suatu penghantar atau konduktor. Karena listrik ini dapat mengalir, maka listrik ini disebut dengan listrik dinamis.
Gambar 1.6. Listrik statis (TAM)
Jika elektron bebas mengalir dalam satu arah, maka listrik itu disebut
positif ke negatif dan sebaliknya secara berulang-ulang maka listrik ini disebut listrik arus bolak-balik (AC). Contoh untuk listrik arus searah adalah listrik yang dihasilkan oleh baterai (accu) pada kendaraan, dan batu baterai. Arus yang dihasilkan adalah arus searah (DC), sedangkan contoh arus bolak-balik adalah arus listrik yang dihasilkan oleh alternator pada sistem pengisian baterai (charging system) pada kendaraan, dan arus listrik PLN yang ada di rumah-rumah.
Gambar 1.7. Listrik arus searah (a) dan arus bolak-balik (b)
Tegangan bolak balik naik dari nol ke maksimum kemudian turun lagi ke nol. Setelah itu naik lagi ke maksimum dalam arah negatif sebelum kembali lagi ke nol. Hal ini disebut dengan siklus. Waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus disebut periode yang diukur dalam detik. Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diukur dalam hertz (Hz). 1 Hz = satu siklus per detik (Bonnick, 2008:207).
D. Teori Aliran Arus Listrik
Teori aliran arus listrik yang digunakan dalam rangkaian listrik ada dua, yaitu teori konvensional dan teori elektron. Teori konvensional yang umumnya digunakan pada sistem-sistem otomotif menyatakan bahwan arus listrik mengalir dari positif ke negatif atau dari daerah yang kelebihan proton atau daerah yang berpotensial tinggi (+) ke daerah yang berpotensial rendah (-) (Bonnick, 2008:198). Teori elektron (teori modrern) yang umumnya digunakan pada bidang elektronika menyatakan bahwa arus mengalir dari negatif ke positif atau kelebihan elektron menyebabkan suatu daerah yang berpotensial negatif (-) mengalir ke daerah yang kekurangan elektron (daerah +) (Horner, 1986) untuk menyeimbangkan muatan. Untuk tidak membingungkan, pembahasan rangkaian kelistrikan dalam buku ini menggunakan teori konvensional.
Gambar 1.9. Teori aliran arus (Sullivan)
E. Pemanfaatan Listrik
keras seperti bunyi petir, sengatan dan efek-efek lain yang dapat ditimbulkannya.
Beberapa contoh alat-alat listrik yang menunjukkan efek-efek yang ditimbulkan oleh listrik dalam kehidupan sehari-hari dapat diuraikan sebagai berikut.
1. Energi listrik menjadi panas : kompor listrik, pemanas (heater) pada ceret untuk memasak air, setrika listrik, solder, penanak nasi listrik, pemantik rokok pada kendaraan, window defoger, dan lain-lain.
2. Energi listrik menjadi cahaya : lampu pijar, lampu tabung (lampu neon), lampu-lampu pada kendaraan, dan-lain-lain
3. Energi listrik menjadi kimia : pada baterai saat pengisian (recharging) 4. Energi listrik menjadi magnetik (elektromagnet) : solenoid pada motor
starter, koil pada sistem pengapian mobil, kumparan rotor pada alternator, dan lain-lain.
F. Latihan-latihan
Kegiatan yang harus dilakukan mahasiswa setelah membaca atau mempelajari bab ini:
1. Membuat catatan terhadap apa yang telah dibaca.
2. Mencoba mengerjakan seluruh pertanyaan dan tugas yang terdapat pada tahap belajar.
3. Menuliskan kembali atau membuat laporan dari kegiatan belajar yang telah dilaksanakan..
4. Belajar dan latihan berkelompok memungkinkan peserta untuk lebih mudah dalam memahami topik yang dipelajari.
Kerjakanlah latihan-latihan berikut untuk dapat mendalami masalah dasar listrik yang dibahas dalam bab ini.
1. Jelaskan bagian-bagian atau struktur dari suatu atom. 2. Apa perbedaan pokok antara ion posisif dan ion negatif?
3. jelaskan perbedaan struktur atom konduktor, semikonduktor, dan isolator.
4. Apa yang dimaksud listrik statis, listrik dinamis, arus bolak-balik, dan arus searah?
6. Identifikasi beberapa peralatan listrik yang memanfaatkan energi listrik sebagai sumber energi. Kelompokkan peralatan-peralatan tersebut masuk ke golongan mengubah listrik menjadi panas, cahaya, kimia, atau magnetik.
G. Ringkasan
Atom merupakan bagian terkecil dari suatu benda yang memiliki properties yang sama dari benda yang dibentuk olehnya. Inti dari sebuah atom disebut dengan nukleus yang terbentuk dari gabungan antara proton dan neutron dan dikelilingi oleh partikel lain yang disebut elektron. Sebuah atom yang mempunyai kelebihan elektron disebut dengan ion negatif sedangkan atom yang kekurangan elektron disebut dengan ion positif.
Sifat listrik dari suatu bahan dapat dibagi menjadi tiga macam yaitu 1) sifat bahan yang dapat menghantarkan arus listrik atau konduktor, 2) sifat bahan yang dapat menghantarkan dan tidak dapat menghantarkan atau semikonduktor, dan 3) sifat bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik atau isolator. Bahan yang termasuk konduktor adalah bahan yang mempunyai satu sampai tiga elektron pada orbit terluar dari atomnya, bahan yang termasuk semikonduktor adalah bahan yang mempunyai empat elektron pada orbit terluar dari atomnya, bahan yang termasuk dalam isolator adalah bahan yang mempunyai lima sampai delapan elektron pada orbit terluar dari atomnya.
Listrik terbagi menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Pada listrik statis, tidak terjadi aliran elektron. Listrik dinamis (listrik yang dapat mengalir) terdiri dari dua macam, yaitu listrik arus searah (DC = direct current) dan listrik arus bolak-balik (AC = alternating current). Aliran listrik terjadi pada saat elektron-elektron lepas dari atom-atomnya dan mengalir melalui suatu penghantar atau konduktor.
Pemanfaatan energi listrik di antaranya adalah untuk menghasilkan panas, cahaya, reaksi kimia, dan energi magnetik (elektromagnetik).
H. Tes Hasil Belajar
Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut dengan singkat berdasarkan konsep yang telah dibahas.
1. Dalam atom terdapat proton dan elektron yang muatannya berlawanan dan cenderung akan terjadi tarik menarik di antara keduanya. Jelaskan mengapa proton dan elektron tidak saling tertarik dan tetap berada pada posisinya.
2. Jelaskan sifat-sifat arus AC dan DC.
3. Jelaskan alasan atau pendapat adanya perbedaan arah aliran arus pada teori konvensional dan teori elektron.
DAFTAR PUSTAKA
Bonnick, A., 2008, Automotive Science and Mathematics, Published by Elsevier, Burlington USA,
DIBR., 2005, Transformers: Basics, Maintenance, and Diagnostics, U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation, Colorado,
Heisler, 1995, Advance Engine Technology, Edward Arnold, London.
Heldt, 1965, High Speed Combustion Engine, Mohan Primlani, Oxford & IBH, Publishing, New Delhi.
Heywood, J.B., 1989, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, New York.
Horner, J., 1986, Automotive electrical handbook, The Berkely Publishing Group, New York.
Obert, EF., 1973, Internal Combustion Engine, Harper and Row Publisher, New York.
Rijono, Y., 2004, Dasar Teknik Tenaga Listrik, Penerbit Andi Offset, Yogyakarta.
TAM., tt, Fundamentals of servicing Step 1, Toyota Astra Motor, Jakarta.
Tooley, M., 2003, Rangkaian elektronika prinsip dan aplikasi, Erlangga, Jakarta.
