1. Pendahuluan : Kuat Arus Listrik - Listrik Dinamika

Listrik Dinamika

Listrik Dinamika

 Jika sebelumnya kita selalu membicarakan mengenai muatan yang diam relatif, maka dalam pembahasan listrik dinamis, kita akan selalu membicarakan muatan yang bergerak dalam suatu kawat / bahan konduktor. Suatu bahan disebut bersifat konduktif (bahan konduktor) jika didalamnya terdapat cukup banyak muatan (elektron) bebas.

 Elektron bebas adalah elektron yang tidak terikat pada suatu inti atom, ataupun meski terikat, ia merupakan elektron yang letaknya jauh dari inti sehingga hanya mendapatkan gaya tarik yang kecil saja.

 Jika sebelumnya kita selalu membicarakan

mengenai muatan yang diam relatif, maka dalam pembahasan listrik dinamis, kita akan selalu membicarakan muatan yang bergerak dalam suatu kawat / bahan konduktor. Suatu bahan disebut

bersifat konduktif (bahan konduktor) jika

didalamnya terdapat cukup banyak muatan (elektron) bebas.

 Elektron bebas adalah elektron yang tidak terikat

pada suatu inti atom, ataupun meski terikat, ia merupakan elektron yang letaknya jauh dari inti sehingga hanya mendapatkan gaya tarik yang kecil saja.

1. Pendahuluan : Kuat Arus Listrik

• _{Elektron bebas ini kemudian, yang akan}

“mengalir” dalam bahan (kawat) apabila ada perbedaan potensial diantara dua titik pada kawat. Elektron – elektron dalam kawat yang memiliki beda potensial mengalir dari potensial yang lebih rendah (-) ke potensial yang lebih tinggi (+) (namun dalam baterai yang terjadi justru sebaliknya). Hal ini mirip dengan air di sungai yang hanya akan mengalir jika terdapat beda potensial gravitasi (beda ketinggian) pada dua titik dalam sungai.

• _{Kuat arus listrik (I) didefnisikan sebagai :}

“banyaknya muatan yang mengalir dalam satu detik, sehingga secara matematis dirumuskan sebagai :

• _{Elektron bebas ini kemudian, yang akan}

“mengalir” dalam bahan (kawat) apabila ada perbedaan potensial diantara dua titik pada kawat. Elektron – elektron dalam kawat yang memiliki beda potensial mengalir dari potensial yang lebih rendah (-) ke potensial yang lebih tinggi (+) (namun dalam baterai yang terjadi justru sebaliknya). Hal ini mirip dengan air di sungai yang hanya akan mengalir jika terdapat beda potensial gravitasi (beda ketinggian) pada dua titik dalam sungai.

• _{Kuat arus listrik (I) didefnisikan sebagai :}

Jika diberikan medan listrik pada kawat tembaga misalnya, maka elektron – elekteron sesuai dgn elektrostatik, akan mengalamigaya Coulomb, sebesar : F =

q_e . E

Akibatnya elektron akan mengalami percepatan mengikuti hukum

Newton : F

a = ----m_e

Jika waktu antar tumbukan adalah t, maka kecepatan tumbukan (atau kecepatan drift)

adalah : v_d = a.t

Jika disubstitusikan a dan F maka dihasilkan dihasilkan : kecepatan arus listrik (drift velocity) q_e. E

Akan dihitung seberapa besar kecepatan elektron pada arus listrik ini. Misalkan dimiliki kawat tembaga sepanjang l = 10 M, pada ujungnya diberikan beda potensial V = 10 volt, maka medan listrik dapat dihitung melalui :

V

E = ---- = 1 Volt/m l

Akan dihitung seberapa besar kecepatan elektron pada arus listrik ini. Misalkan dimiliki kawat tembaga sepanjang l = 10 M, pada ujungnya diberikan beda potensial V = 10 volt, maka medan listrik dapat dihitung melalui :

V

E = ---- = 1 Volt/m l

Karena massa elektron 10-30 kg dan muatannya 1,6x10-19 C, waktu antar tumbukan sebuah elektron

3 x 1014 maka jika dihitung v

d pada kawat tembaga :

(1,6x10-19 (1)

v_d = --- . (3x10-14) = 5x10-3 m/s 10-30

Karena massa elektron 10-30 kg dan muatannya 1,6x10-19 C, waktu antar tumbukan sebuah elektron

3 x 1014 maka jika dihitung v

d pada kawat tembaga :

(1,6x10-19 (1)

• _{Ketika “mengalir” dalam suatu kawat}

konduktor, elektron berhadapan / mengalami rintangan dari molekul – molekul dan ion-ion dalam konduktor tersebut sehingga mengalami aliran arus listrik, mengalami semacam hambatan. Seberapa besar hambatan ini dinyatakan dengan Resisten (hambatan), simbol “R”. Satuan hambatan

R = Hambatan / Resistansi (ohm) ρ = Hambatan jenis/resistivitas (ohm.Meter)

l = Panjang kawat (m)

A = Luas penampang kawat (m2)

R = Hambatan / Resistansi (ohm) ρ = Hambatan jenis/resistivitas (ohm.Meter)

l = Panjang kawat (m)

A = Luas penampang kawat (m2)

• _{Resistivitas merupakan sifat dari medium. Zat}

dengan sifat konduktivitas yang baik memiliki resistivitas yg sangat kecil, sedangkan zat yg bersifat isolator sebaliknya.

• _{Resistivitas merupakan sifat dari medium. Zat}

dengan sifat konduktivitas yang baik memiliki resistivitas yg sangat kecil, sedangkan zat yg bersifat isolator sebaliknya.

_{Data Beberapa Sifat Konduktiftas Bahan}

Sifat

Konduktiftas Konduktiftas σ Resistivitas ρ R

Konduktor

baik 10

8 10-8 10-2

Cu, Ag, Au

Resistansi juga merupakan fungsi dari

temperatur (dipengaruhi temparatur) dengan rumus :

R = R_o + α.R_o . (T – T_o)

Resistansi juga merupakan fungsi dari

temperatur (dipengaruhi temparatur) dengan rumus :

R = R_o + α.R_o . (T – T_o)

R = Resistnsi pada temperatur T

R_o = Resistansi pada temperatur To (temperatur kamar)

α = Koefsien temperatur resistansi R = Resistnsi pada temperatur T

R_o = Resistansi pada temperatur To (temperatur kamar)

• _{Dalam rangkaian listrik komponen yg}

digunakan sebagai hambatan adalah resistor yg biasa dilambangkan dengan garis zigzag

• _{Besarnya nilai resistansi dalam sebuah resistor}

biasanya ditunjukkan oleh cincin-cincin warna yg terdapat pada badan resistor, umumnya sebuah resistor memiliki 4 cincin, meski kadang 5 cincin atau bahkan 6 cincin, namun yg dibahas resistor 4 warna. Warna-warna tersebut adalah kode-kode yg menunjukan besaran – besaran tertentu seperti tabel berikut :

• _{Dalam rangkaian listrik komponen yg}

digunakan sebagai hambatan adalah resistor yg biasa dilambangkan dengan garis zigzag

• _{Besarnya nilai resistansi dalam sebuah resistor}

biasanya ditunjukkan oleh cincin-cincin warna yg terdapat pada badan resistor, umumnya sebuah resistor memiliki 4 cincin, meski kadang 5 cincin atau bahkan 6 cincin, namun yg dibahas resistor 4 warna. Warna-warna tersebut adalah kode-kode yg menunjukan besaran – besaran tertentu seperti tabel berikut :

Tabel Kode Warna Resistor

Warna Cincin ke-1

(digit pertama)

Cincin ke-2

(digit kedua)

Cincin ke-3

(pengali)

Cincin ke-4

(toleransi )

Hitam 0 0 1 1 %

Coklat 1 1 10 2 %

Merah 2 2 100

Jingga 3 3 1000

Kuning 4 4 10000

Hijau 5 5 100000

Biru 6 6 1000000

Ungu 7 7

-Abu-abu 8 8

-Putih 9 9

-Emas - - 0,1 5 %

Perak - - 0,01 10 %

• Geoge Simon Ohm (1789-1854) merumuskan hubungan antara kuat arus listrik (I), hambatan (R) & beda potensial (V) yg dikenal dengan Hukum Ohm, yg penurunannya berikut :

• Pandanglah sebuah kawat konduktor, panjang l & luas penampang A

• Arus didefnisikan sebegai banyaknya elektron yg melalui sebuah konduktor tiap waktu (atau satu detik). Hitung arus yg mengalir pada penampang dgn volume dV seperti pada gambar

• Geoge Simon Ohm (1789-1854) merumuskan hubungan antara kuat arus listrik (I), hambatan (R) & beda potensial (V) yg dikenal dengan Hukum Ohm, yg penurunannya berikut :

• Pandanglah sebuah kawat konduktor, panjang l & luas penampang A

• _{Karena berbentuk selinder volume dari dV}

adalah :

• _{Setelah melalui penurunan rumus didapatlah}

Hukum Ohm

• _{Karena berbentuk selinder volume dari dV}

adalah :

• _{Setelah melalui penurunan rumus didapatlah}

Hukum Ohm dV = A.dl dV = A.dl

V I = R V

• _{Untuk membuat suatu rangkaian elektronika}

bekerja, diperlukan sebuah sumber beda potensial (tegangan) agar menghasilkan arus yg tetap. Alat semacam ini disebut sumber GGL (Gaya Gerak Listrik), ex. Baterai & accu

• _{Pada baterai beda tegangan yg dihasilkan}

sebesar 1,5 V, meskipun ada juga beberapa baterai menghasilkan tegangan lebih kecil atau lebih besar.

• _{Ketika dirangkaikan pada sebuah komponen}

elektronika, misalnya sebuah resistor, arus akan mengalir menurut hukum Ohm.

• _{Katakanlah nilai hambatan resistor =1 ohm,}

maka arus yg seharusnya mengalir dalam kawat adalah :

• _{Untuk membuat suatu rangkaian elektronika}

bekerja, diperlukan sebuah sumber beda potensial (tegangan) agar menghasilkan arus yg tetap. Alat semacam ini disebut sumber GGL (Gaya Gerak Listrik), ex. Baterai & accu

• _{Pada baterai beda tegangan yg dihasilkan} sebesar 1,5 V, meskipun ada juga beberapa baterai menghasilkan tegangan lebih kecil atau lebih besar.

• _{Ketika dirangkaikan pada sebuah komponen}

elektronika, misalnya sebuah resistor, arus akan mengalir menurut hukum Ohm.

• _{Katakanlah nilai hambatan resistor =1 ohm,}

maka arus yg seharusnya mengalir dalam kawat adalah :

4. Sumber Tegangan GGL dan Hukum Hambatan Dalamnya

V 1,5 V

I = ---- = --- = 1,5 A

• _{Namun kenyataannya tidak demikian, baterai}

sesungguhnya memiliki hambatan dalamnya sendiri yang berasal dari material penyusunnya, dan terutama proses kimiawi yg dihasilkannya. Nilai r ini cenderung membesar karena residu proses kimiawi dalam baterai. Hambatan dalam ini dinamai : r, dengan adanya r, arus listrik yg mengalir menjadi lebih kecil atau cenderung mengecil. Arus yg dihasilkan karena hambatan dalam ini menjadi, anggap r = 0,5 untuk sekedar memudahkan perhitungan :

R

E, r

• _{Namun kenyataannya tidak demikian, baterai}

sesungguhnya memiliki hambatan dalamnya sendiri yang berasal dari material penyusunnya, dan terutama proses kimiawi yg dihasilkannya. Nilai r ini cenderung membesar karena residu proses kimiawi dalam baterai. Hambatan dalam ini dinamai : r, dengan adanya r, arus listrik yg mengalir menjadi lebih kecil atau cenderung mengecil. Arus yg dihasilkan karena hambatan dalam ini menjadi, anggap r = 0,5 untuk sekedar memudahkan perhitungan :

R

E, r

E 1,5 V

I = --- = --- = 1 A

5. Rangkaian (Kombinasi) Hambatan 5. Rangkaian (Kombinasi) Hambatan

• Pada umumnya rangkaian dalam sebuah alat listrik terdiri dari banyak jenis komponen yg terangkai secara tidak sederhana, akan tetapi untuk mempermudah mempelajarinya biasanya jenis

rangkaian itu biasa dikelompokkan dalam

Rangkaian Seri & Rangkaian Pararel

• Beberapa resistor dirangkai untuk tujuan tertentu seperti untuk membagi arus (memperkecil arus) ataupun membagi tegangan atau memperoleh nilai hambatan tertentu yg tidak dapat diperoleh langsung “dipasaran”.

• Rangkaian seri adalah rangkaian yg tidak memiliki percabangan seperti pada gambar ini :

R1 R2 R3 R4 R5

• Pada umumnya rangkaian dalam sebuah alat listrik terdiri dari banyak jenis komponen yg terangkai secara tidak sederhana, akan tetapi untuk mempermudah mempelajarinya biasanya jenis

rangkaian itu biasa dikelompokkan dalam

Rangkaian Seri & Rangkaian Pararel

• Beberapa resistor dirangkai untuk tujuan tertentu seperti untuk membagi arus (memperkecil arus) ataupun membagi tegangan atau memperoleh nilai hambatan tertentu yg tidak dapat diperoleh langsung “dipasaran”.

• Rangkaian seri adalah rangkaian yg tidak memiliki percabangan seperti pada gambar ini :

R1 R2 R3 R4 R5

5.1 Rangkaian Seri dan Pararel

R_total =

R1+R2+R3+R4+R5 R_total =

• _{Rangkaian pararel untuk tiga resistor}

• _{Rangkaian pararel untuk tiga resistor}

• _{Sebuah rangkaian dipasang pararel}

sesungguhnya juga berfungsi untuk membagi arus. Suatu rangkaian pararel (seperti gambar dibawah) tegangan di A, B dan C sama.

telah terbagi dalam tiga (3) cabang

• _{Sebaliknya terjadi dalam suatu rangkaian seri,}

kuat arus pada setiap titik adalah sama, namun tegangan dalam setiap resitor tidak sama

Ia Ib Ic

• _{Sebuah rangkaian dipasang pararel}

sesungguhnya juga berfungsi untuk membagi arus. Suatu rangkaian pararel (seperti gambar dibawah) tegangan di A, B dan C sama.

telah terbagi dalam tiga (3) cabang

• _{Sebaliknya terjadi dalam suatu rangkaian seri,}

kuat arus pada setiap titik adalah sama, namun tegangan dalam setiap resitor tidak sama

Ia Ib Ic

6. Hukum Kirchof 6. Hukum Kirchof

• _{Cara lain untuk memecahkan rangkaian –}

rangkaian yg lebih rumit adalah dengan menggunakan hukum – hukum Kirchof

• _{Hukum Kirchof I : didasari hukum konservasi}

energi yang menyatakan bahwa dalam suatu rangkaian terutup, tegangan yg diperoleh dan yg berkurang haruslah sama besar.

• _{Cara lain untuk memecahkan rangkaian –}

rangkaian yg lebih rumit adalah dengan menggunakan hukum – hukum Kirchof

• _{Hukum Kirchof I : didasari hukum konservasi}

energi yang menyatakan bahwa dalam suatu rangkaian terutup, tegangan yg diperoleh dan yg berkurang haruslah sama besar.

Hukum Kirchof I

Rangkaian ini, karena loop (kurva melingkar) searah dgn arus, ketika

loop melewati E maka terjadi pertambahan potensial, namun

saat melewati R yg terjadi penurunan potensial karena adanya hambatan shg berlaku :

E – I . R = 0 atau E = I . R

1 k Ohm

E

• _{Sesuai dengan Hukum Ohm}

Misalkan terdapat dua loop pd rangkaian seperti dibawah:

• _{Sesuai dengan Hukum Ohm}

Misalkan terdapat dua loop pd rangkaian seperti dibawah:

Maka pada Loop 1 : E – I₁.R₁ – I₂.R₂ – I₁.R₃ = 0

pada Loop 2 : -I₃.R₄ – I₃.R₅ – I₃.R₆ – I₂.R₂ = 0

dengan : I₁ = I₂ + I₃

Maka pada Loop 1 : E – I₁.R₁ – I₂.R₂ – I₁.R₃ = 0

pada Loop 2 : -I₃.R₄ – I₃.R₅ – I₃.R₆ – I₂.R₂ = 0

dengan : I₁ = I₂ + I₃

I₁ 1 k Ohm I₃ 1 k Ohm R₁ I₂ R₄

E Loop 1 R₂ 1 k Loop 2 R₅ 1 k Ohm

Ohm

1 k Ohm 1 k Ohm R₃ R₆

I₁ 1 k Ohm I₃ 1 k Ohm R₁ I₂ R₄

E Loop 1 R₂ 1 k Loop 2 R₅ 1 k Ohm

Ohm

Hukum Kirchof II Hukum Kirchof II

• _{Kuat arus I yg masuk dalam suatu titik}

percabangan A sama dengan arus yg keluar dari titik percabangan B :

I1

IA IB

A I2 B

I3

• _{Kuat arus I yg masuk dalam suatu titik}

percabangan A sama dengan arus yg keluar dari titik percabangan B :

I1

IA IB

A I2 B

I3

Berarti berlaku : IA = IB = I1 + I2 +

I3

Yang Merupa

kan bentuk

lain Hukum