RINGKASAN MATERI FISIKA
RINGKASAN MATERI
BAB VI : RANGKAIAN LISTRIK BOLAK BALIK
Pengertian Arus dan Tegangan Listrik Bolak-Balik
Arus dan tegangan listrik bolak-balik atau alternating current (AC) yaitu arus dan tegangan listrik yang arahnya selalu berubah-ubah secara kontinu/periodik terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolak-balik (AC) digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik. Dalam zaman modern sekarang ini kebutuhan akan energi listrik merupakan kebutuhan yang sangat pokok. Pada saat ini hampir semua perkantoran dan industri menggunakan energi listrik yang jumlahnya semakin lama semakin besar. Pemerintah pun berusaha untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dengan membangun pembangkit tenaga listrik. Dewasa ini telah banyak dibangun proyek-proyek untuk Pembangkit Tenaga Listrik Negara dengan berbagai sumber tenaga yang digunakan untuk menjalankannya, misalnya PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap), PLTD (Pembangkit Listrik Tenaga Disel), PLTG (Pembangkit Listrik Tenaga Gas/Panas Bumi), PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air), dan sebagainya.
Sumber Arus Dan Tegangan Listrik Bolak-Balik
Dalam kehidupan sehari-hari kita jumpai alat-alat seperti dinamo sepeda dan generator. Kedua alat tersebut merupakan sumber arus dan tegangan listrik bolak-balik. Arus bolak-balik atau alternating current (AC) adalah arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolak-balik (AC) digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik.
tegangan listrik bolak-balik yang dihasilkan oleh generator yang digerakkan dengan energi yang berasal dari sumber daya alam.
Arus dan tegangan listrik bolak-balik yaitu arus dan tegangan listrik yang arahnya selalu berubah-ubah secara kontinu/periodik. Seperti telah dijelaskan pada bab terdahulu dalam hukum Faraday bahwa adanya perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh kumparan akan menyebabkan timbulnya ggl induksi pada ujung-ujung kumparan dan jika antara ujungujung kumparan tersebut dihubungkan dengan sebuah kawat penghantar akan mengalir arus listrik melalui penghantar tersebut. Berdasarkan prinsip hukum Faraday inilah dibuat sebuah generator atau dinamo, yaitu suatu alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik (energi gerak) menjadi energi listrik.
Tegangan listrik dan arus listrik yang dihasilkan generator berbentuk tegangan dan arus listrik sinus soidal, yang berarti besarnya nilai tegangan dan kuat arus listriknya sebagai fungsi sinus yang sering dinyatakan dalam diagram fasor (fase vektor). Diagram fasor adalah menyatakan suatu besaran yang nilainya berubah secara kontinu, fasor dinyatakan dengan suatu vektor yang nilainya tetap berputar berlawanan dengan putaran jarum jam.
Rangkaian Arus Dan Tegangan Listrik Bolak-Balik
Sumber arus bolak-balik adalah generator arus bolak-balik yang prinsip kerjanya pada perputaran kumparan dengan kecepatan sudut ω yang berada di dalam medan magnetik. Sumber ggl bolak-balik tersebut akan menghasilkan tegangan sinusoida berfrekuensi f. Apabila generator tersebut dihubungkan dengan suatu penghantar R dan menghasilkan tegangan maksimum sebesar Vmax,
Tegangan sinusoida dapat dituliskan dalam bentuk persamaan tegangan sebagai fungsi waktu, yaitu :
Tegangan yang dihasilkan oleh suatu generator listrik berbentuk sinusoida. Dengan demikian, arus yang dihasilkan juga sinusoida yang mengikuti persamaan :
Dengan :
V = Tegangan Listrik AC I = Arus Listrik AC
Vmax = Tegangan maksimum
Imax = Arus maksimum
ω = Kecepatan sudut (2πf)
Pengertian Sudut Fase dan Beda Fase Dalam Arus Bolak-Balik
Arus dan tegangan bolak-balik (AC) dapat dilukiskan sebagai gelombang sinussoidal, jika besarnya arus dan tegangan dinyatakan dalam persamaan :
V = Vmax sin ωt
I = Imax sin (ωt + 90o)
Di mana ωt atau (ωt + 90o) disebut sudut fase yang sering ditulis dengan
lambang θ. Sedangkan besarnya selisih sudut fse antara kedua gelombang
arus listrik tersebut dapat dikatakan bahwa antara tegangan dan kuat arus listrik terdapat beda fase sebesar 90o dan dikatakan arus mendahului tegangan dengan beda fase sebesar 90o. Apabila dilukiskan dalam diagram fasor dapat digambarkan sebagai berikut :
Grafik arus dan tegangan sebagai fungsi waktu dengan beda fase 90o
Nilai Efektif Arus dan Tegangan Listrik Bolak-Balik
Nilai tegangan dan arus bolak-balik selalu berubah secara periodik sehingga menyebabkan, kesulitan dalam mengadakan pengukurannya secara langsung. Oleh karena itu, untuk mengukur besarnya tegangan dan kuat arus listrik bolak balik (AC = Alternating Current) digunakan nilai efektif. Yang dimaksud dengan nilai efektif arus dan tegangan bolak balik yaitu nilai arus dan tegangan bolak-balik yang setara dengan arus searah yang dalam waktu yang sama jika mengalir dalam hambatan yang sama akan menghasilkan kalor yang sama. Semua alat-alat ukur listrik arus bolak-balik menunjukkan nilai efektifnya. Hubungan antara nilai efektif dan nilai maksimum dapat dinyatakan dalam persamaan :
dan
Nilai Rata-Rata Arus Listrik Bolak-Balik
waktu yang sama pada sebuah penghantar yang sama. Hubungan antara nilai arus dan tegangan listrik bolak-balik dengan nilai arus dan tegangan maksimumnya dinyatakan dalam persamaan :
di mana :
Ir = kuat arus rata-rata
Imax = kuat arus maksimum
Rangkaian Arus Bolak-Balik
Rangkaian arus bolak-balik memiliki perbedaan-perbedaan jika dibandingkan dengan rangkaian arus searah. Perbedaan tersebut bukan hanya pada komponen besaran-besarannya yang ditinjau secara vektor, tetapi juga pada adanya perbedaan fase antara arus dan tegangannya. Berikut ini adalah rangkaian arus bolak-balik.
Resistor Pada Rangkaian Arus Bolak-Balik
Rangkaian resistif adalah rangkaian yang hanya mengandung hambatan (R) saja. Perhatikan gambar berikut.
Diagram fasor pada rangkaian resistif ditunjukkan pada gambar diatas.
Besarnya kuat arus yang melalui hambatan dapat dinyatakan dari hukum Ohm yaitu :
Jika maka I= Imaxsin ωt
Induktor Pada Rangkaian Arus Bolak-Balik
Rangkaian induktif adalah rangkaian yang hanya terdiri atas induktor (kumparan) dengan mengabaikan hambatan pada kawat kumparan. Bagan rangkaian induktif ditunjukkan pada gambar berikut.
Besarnya tegangan pada ujung-ujung induktor sama dengan tegangan sumber, sehingga berlaku :
VL = V = Vmax sin ωt
IL = sin (ωt – )
IL = Imax sin (ωt– ) atau IL = Imax sin (ωt – 90o)
Apabila kita lihat antara persamaan IL (kuat arus dalam induktor) dengan V
(tegangan sumber) terlihat bahwa arus listrik dengan tegangan listrik terjadi
selisih sudut fase sebesar 90o atau di mana kuat arus ketinggalan terhadap tegangan dengan selisih sudut fase 90o.
Perbedaan fase antara kuat arus dan tegangan pada induktor dapat digambarkan dengan diagram fasor sebagai berikut :
Apabila kita perhatikan persamaan = Imax identik dengan I = pada hukum
Ohm, di mana ωL merupakan suatu hambatan yang disebut dengan reaktansi induktif yang diberi lambang XL yang besarnya dinyatakan :
XL= ωL = 2πƒL
di mana :
XL= reaktansi induktif (Ohm = Ω)
L = induktansi diri induktor (Henry = H)
ω = frekuensi anguler/sudut (rad/s) f = frekuensi linier (Hertz = Hz)
Dalam rangkaian induktor jika I menyatakan kuat arus yang mengalir pada induktor, XL menyatakan reaktansi induktif, Vmax menyatakan tegangan
maksimum, dan Vef menyatakan tegangan efektif tegangan sumber arus AC
Kapasitor Pada Rangkaian Arus Bolak-Balik
Dalam suatu rangkaian arus AC yang terdiri atas kapasitor mempunyai sifat bahwa antara tegangan dan arus memiliki beda fase, di mana arus mendahului
tegangan dengan beda sudut fase sebesar 90o atau .
Rangkaian kapasitor dengan sumber tegangan AC.
Besarnya kuat arus listrik yang mengalir dalam kapasitor dapat dinyatakan dengan laju perpindahan muatan listrik pada keping kapasitor tersebut yang dinyatakan :
I = di mana q = CV, sehingga
I = = CVmax = cos ωt = CVmaxcos ωt
Di mana cos ωt = sin (ωt + 90o) = sin (ωt + )
Jika sin (ωt + ) = ± 1 maka Imax = . Hal ini identik dengan hukum Ohm
bahwa I = . Di mana identik dengan sebuah hambatan yang disebut dengan reaktansi kapasitif yang dilambangkan XC yang besarnya dinyatakan :
di mana :
XC = reaktansi induktif (Ohm = Ω)
C = kapasitas kapasitor (Farad = F)
ω = frekuensi anguler/sudut (rad/s) f = frekuensi linier (Hertz = Hz)
Dalam rangkaian kapasitor pada arus AC mempunyai sifat bahwa arus mendahului tegangan dengan beda sudut fase sebesar 90o atau dan berlaku hubungan :
Imax =
Grafik arus dan tegangan serta diagram fasor kapasitor pada rangkaian arus bolak-balik
Rangkaian Seri RLC Pada Arus Bolak-Balik
beberapa bagian, yaitu adalah rangkaian seri RL, rangkaian seri RC dan rangkaian seri RLC.
Rangkaian Seri RL Pada Arus Bolak-Balik
Gambar di bawah ini menggambarkan sebuah rangkaian seri hambatan dan induktor yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC sebesar V, yang disebut rangkaian seri RL.
Jika VR menyatakan tegangan pada
ujung-ujung hambatan (R), VL menyatakan tegangan pada ujung-ujung induktor,
maka dalam rangkaian ini nilai VR sefase dengan arus listrik, sedangkan VL
mendahului arus sebesar 90o. Sehingga besarnya tegangan V dapat dicari dengan menjumlahkan nilai VR dan VL secara vektor (fasor) yaitu :
V = Sedangkan :
VR = I R
VL = I IL
Maka : V =
V =
Z =
Besarnya pergeseran fase antara arus dan tegangan dinyatakan:
Besarnya sudut pergeseran antara arus dan tegangan pada rangkaian seri RL tidak lagi sebesar 90o, melainkan kurang dari 90o, di mana tegangan mendahului arus.
Rangkaian Seri RC Pada Arus Bolak-Balik
Gambar di bawah ini menggambarkan sebuah rangkaian seri hambatan dan kapasitor yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC sebesar V, yang disebut rangkaian seri RC.
Apabila VR menyatakan tegangan pada ujung-ujung hambatan (R), VC menyatakan
tegangan pada ujung-ujung induktor, maka dalam rangkaian ini nilai VR sefase
dengan arus listrik, sedangkan VC tertinggal arus sebesar 90o. Sehingga besarnya
tegangan V dapat dicari dengan menjumlahkan nilai VR dan VC secara vektor
(fasor) yaitu :
V = Sedangkan :
VR = I R
VL = I XC
Maka :
V = I
Sesuai dengan hukum Ohm V = I.R bahwa nilai merupakan suatu jenis hambatan dalam rangkaian AC yang disebut impedansi, dilambangkan Z dan ditulis:
Z =
Besarnya pergeseran fase antara arus dan tegangan dinyatakan:
Besarnya sudut pergeseran antara arus dan tegangan pada rangkaian seri RC tidak lagi sebesar 90o, melainkan kurang dari 90o di mana tegangan tertinggal terhadap arus.
Rangkaian Seri RLC Pada Arus Bolak-Balik
Rangkaian seri RLC yaitu rangkaian yang terdiri atas hambatan, induktor dan kapasitor yang dihubungkan seri, kemudian dihubungkan dengan sumber tegangan AC. Telah diterangkan bahwa pada rangkaian hambatan arus tegangan sefase, sedangkan pada induktor tegangan mendahului arus, dan pada kapasitor arus mendahului tegangan.
Besarnya tegangan jepit pada rangkaian seri RLC dapat dicari dengan menggunakan diagram fasor sebagai berikut :
VR = Imax R sin ωt = Vmaxsin ωt
VL = Imax XLsin (ωt + 90o) = Vmaxsin (ωt + 90o)
Jika sudut ωt kita pilih sebagai sumbu x, maka diagram fasor untuk I, VR, VL, dan
VC dapat digambarkan dengan gambar diatas. Dan besarnya tegangan jepit pada
rangkaian seri RLC dapat dicari dengan menjumlahkan fasor dari VR, VL, dan VC
menjadi :
V = di mana :
V = tegangan total/jepit susunan RLC (volt) VR = tegangan pada hambatan (volt)
VL = tegangan pada induktor (volt)
VC = tegangan pada kapasitor (volt)
Dari gambar diagram fasor terlihat bahwa antara tegangan dan arus terdapat beda sudut fase sebesar θ yang dapat dinyatakan dengan :
Besarnya arus yang melewati rangkaian RLC adalah sama, sehingga besarnya tegangan pada masing masing komponen R, L, dan C dapat dinyatakan : VR = I R ,
VL = I XL dan VC = I XC
Berdasarkan hukum Ohm bahwa = R, akan tetapi dalam rangkaian arus AC
besaran = Z yang disebut dengan impedansi rangkaian RLC yang disusun seri dinyatakan :
di mana :
Z = impedansi rangkaian seri RLC (Ω)
R = hambatan (Ω)
XL= reaktansi induktif (Ω)
XC = reaktansi kapasitif (Ω)
Pada rangkaian seri RLC dapat mempunyai beberapa kemungkinan yaitu :
a. Jika nilai XL > XC maka rangkaian akan bersifat seperti induktor, yaitu disebut resonansi deret/seri yang besarnya frekuensi resonansi dapat
dicari yaitu :
Penggunaan rangkaian seri RLC pada rangkaian bolak-balik dapat kita temuai pada rangkaian pengatur nada.
Faktor Daya
Faktor daya atau sering disebut cos θ adalah perbandingan daya sesungguhnya
perangkat sumber tegangan listrik nilai faktor daya ini sangat penting, karena faktor daya menyatakan tingkat efisiensi dari daya listrik yang dihasilkan. Semakin tinggi nilai faktor daya dari perangkat pengahsil sumber tegangan listrik maka perangkat tersebut memiliki kualitas yang lebih baik.
Nilai Faktor Daya
Besarnya daya pada rangkaian arus bolak-balik antara teori dengan hasil sesungguhnya dari hasil pembacaan alat ukur tidak sama, hal ini disebabkan adanya hambatan semu yang berasal dari induktor (XL) dan kapasitor (XC) yang
disebut reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif. Daya sesungguhnya yang timbul pada rangkaian arus listrik hanyalah pada hambatan murni saja (R). Perbandingan antara daya sesungguhnya (Pss) dan daya semu yang menurun (Psm)
disebut faktor daya yang dinyatakan dalam persamaan :
di mana : Pss = I2 R (daya sesungguhnya) dan
Psm = I2Z (daya semu)
Faktor Daya Rangkaian AC
Jadi daya sesungguhnya dalam rangkaian arus AC dapat dinyatakan sama dengan hasil perkalian daya hasil perhitungan teoritis dengan faktor daya yang secara umum dapat dituliskan :
Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan (lihat juga tabel dan awalan SI):
Panjang gelombang dikalikan dengan frekuensi, hasilnya kecepatan cahaya: 300 Mm/s, yaitu 300 MmHz
Energi dari foton adalah 4.1 feV per Hz, yaitu 4.1μeV/GHz
Panjang gelombang dikalikan dengan energi per foton adalah 1.24 μeVm
gelombang untuk energi menengah, dan dalam frekuensi untuk energi rendah (λ ≥ 0,5 mm). Istilah "spektrum optik" juga masih digunakan secara luas dalam merujuk spektrum elektromagnetik, walaupun sebenarnya hanya mencakup sebagian rentang panjang gelombang saja (320 - 700 nm)[1].
sifat-sifat gelombang elektromagnetik yaitu: a. Dapat merambat dalam ruang hampa, b. Merupakan gelombang transversal, c. Dapat mengalami polarisasi,
d. Dapat mengalami pemantulan (refleksi), e. Dapat mengalami pembiasan (refraksi), f. Dapat mengalami interferensi,
g. Dapat mengalami lenturan atau hamburan (difraksi),
h. Merambat dalam arah lurus.Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan Maxwell,
Macam-macam gelombang elektromagnet dan manfaatnya; 1. Gelombang radio
Gelombang radio merupakan gelombang yang memiliki frekwensi paling kecil atau panjang gelombangnya paling panjang. Gelombang radio berada dalam rentang frekwensi yang luas meliputi beberapa Hz sampai gigahertz. Gelombang radio ini banyak digunakan dalam sistem telekomunikasi, siaran TV, radio, dan jaringan seluler menggunakan gelombang radio ini pula. Sistem telekomunikasi menggunakan gelombang radio ini sebagai pembawa sinyal informasi yang pada dasarnya terdiri dari antenna pemancar dan antena penerima.
2. Gelombang Mikro
Gelombang mikro adalah gelombang radio dengan frekwensi paling tinggi yaitu diatas 3Ghz, jika gelombang mikro diserap oleh sebuah benda, maka akan muncul efek pemanasan pada benda itu. Maka gelombang mikro ini dapat dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis. Gelombang mikro juga dapat dimanfaatkan pada pesawat RADAR (radio detection and ranging), berarti RADAR mencari dan menentukan jejak sebuah benda dengan menggunakan gelombang mikro.
3. Sinar Inframerah
Sinar infra merah meliputi daerah frekwensi 1011Hz sampai 1014Hz atau daerah panjang gelombang 10-4 cm sampai 10-1 cm. sinar infra merah ini dihasilkan oleh elektron dalam molekul-molekul yang bergetar karena benda dipanaskan. Jadi setiap benda panas pasti memancarkan sinar infra merah. 4. Cahaya Tampak
mata kita. Dengan adanya sinar tampak, mata kita dapat melihat benda-benda di sekeliling kita dan dapat dibedakan macam-macam warnanya.
5. Sinar Ultraviolet
Sinar ultraviolet mempunyai frekwensi dalam daerah 1015Hz sampai 1016Hz atau dalam daerah panjang gelombang 10-8m – 10-7m, gelombang ini dihasilkan oleh atom dan molekul dalam nyala listirk. Sinar ultraviolet dapat digunakan untuk membunuh mikroorganisme, membantu pertumbuhan tubuh manusia, dan juga dapat digunakan untuk mengetahui unsur-unsur dalam suatu bahan dengan teknik spektroskopi.
c) Dapat mengionkan gas karena memiliki energi tinggi d) Dapat menembus logam tipis
e) Tidak dapat dibelokkan olehmedanlistrik maupunmedanmagnet f) Dipancarkan ketika sinar katoda menumbuk logam
g) Dapat mengeluarkan elektron-elektron foto dari permukaan logam yang ditumbukkan
suatu bahan sehingga dapat digunakan untuk menentukan struktur bahan tersebut.
7. Sinar gamma
