Suatu rangkaian listrik terbentuk bila jalan konduktif terhubung sehingga dapat melalukan elektron bebas untuk bergerak secara kontinu. Pergerakan kontinu elektron-elektron bebas yang melalui konduktor pada rangkaian disebut arus, dan sering disebut dengan istilah “aliran”, seperti aliran air yang melalui pipa yang bolong.
Gaya yang menggerakkan elektron-elektron bebas agar mengalir dalam rangkaian disebut tegangan. Tegangan adalah ukuran tertentu dari energi potensial yang selalu berhubungan dengan dua titik. Ketika tegangan pada nilai tertentu ada dalam sebuah rangkaian listrik, maka hal ini menunjukkan pada ukuran seberapa besar energi potensial yang ada untuk menggerakkan elektron dari satu titik ke titik yang lain dalam rangkaian tersebut. Dengan demikian tanpa menunjukkan dua titik tertentu istilah tegangan tidak memiliki arti.
Elektron-elektron bebas yang bergerak melalui konduktor cenderung mengalami gesekan atau perlawanan gerakan. Perlawanan gerakan lebih tepat disebut tahanan (resisitansi). Jumlah arus dalam rangkaian tergantung pada nilai tegangan yang tersedia untuk menggerakkan elektron-elektron bebas, dan juga nilai tahanan dalam rangkaian yang melawan aliran elektron. Sama seperti tegangan, tahanan adalah nilai relatif antara dua titik. Berdasarkan hal ini, maka nilai tegangan dan tahanan sering dinyatakan sebagai “antara” atau “ melalui” dua titik dalam rangkaian.
Agar dapat memahami tentang parameter yang ada dalam rangkaian, maka perlu adanya penjelasan tentang besaran dan satuan yang digunakan seperti besaran pada massa, suhu, volum, panjang atau besaran fisika lainnya. Untuk massa, dapat digunakan satuan seperti “Kilogram” atau “Gram”, suhu dengan satuan derajat Fahrenheit atau derajat Celsius. Berikut ini satuan ukuran standard untuk arus listrik, tegangan dan tahanan.
Tabel 1 Besaran dan ukuran listrik
Simbol yang diberikan untuk setiap besaran adalah huruf alphabet standar yang digunakan untuk mewakili besaran dalam persamaan aljabar. Huruf yang standar seperti ini dikenal dalam disiplin ilmu fisika dan teknik, dan secara internasional. Singkatan satuan untuk setiap besaran mewakili simbol alphabet yang digunakan sebagai notasi pendek untuk satuan ukuran tertentu.
Setiap satuan ukuran dinamakan seperti nama penemunya, Amp diambil dari nama seorang berkebangsaan Prancis Andre M. Ampere, Volt diambil dari nama seorang berkebagsaan Italia Alessandro Volta, dan Ohm diambil dari nama seorang berkebangsaan Jerman George Simon Ohm.
Simbol matematis untuk setiap besaran sangat penting, R untuk tahanan (resistance) dan V untuk tegangan (voltage) keduanya dapat dijelaskan sesuai dengan namanya, tetapi I untuk arus terlihat sedikit berbeda. I menunjukkan Intensitas (aliran elektron), dan simbol lain yang berbeda untuk tegangan adalah E menunjukkan “elektromotive force”. Pada kenyataannya ada perbedaan tentang arti “I”. Simbol “E” dan “V” dapat dibedakan dari segi penggunaan yaitu, simbol “E” menunjukkan tegangan yang melewati sumber (seperti baterai atau generator), sedangkan “V” menunjukkan tegangan yang melewati sesuatu selain sumber.
Seluruh simbol tersebut dinyatakan menggunakan huruf kapital, kecuali dalam kasus di mana besaran (khususnya tegangan atau arus) dipengaruhi oleh periode waktu yang singkat (disebut nilai sesaat). Sebagai contoh, tegangan baterai, yang mana stabil sepanjang periode waktu yang panjang, akan disimbolkan dengan huruf kapital “E”, akan tetapi ketika tegangan puncak dari sambaran petir pada waktu yang singkat mengenai saluran transmisi, maka tegangan puncak ini disimbolkan dengan huruf kecil “e” (atau “v”) untuk menentukan nilai tegangan terhadap waktu. Kasus yang sama juga terjadi pada arus, huruf “i” menunjukkan arus sesaat dalam waktu. Sebagian besar ukuran arus searah (DC) yang stabil sepanjang waktu disimbolkan dengan huruf kapital.
Simbol besaran muatan listrik adalah huruf kapital Q dengan satuan Coulomb disingkat dengan huruf kapital C. Muatan satu Coulomb sama dengan 6.250.000.000.000.000.000 elektron. Satuan untuk aliran elektron, ampere sama dengan 1 Coulomb dari elektron yang mengalir pada melewati satu titik tertentu dalam rangkaian dalam waktu satu sekon. Oleh karena itu arus dapat didefinisikan sebagai laju pergerakan elektron melalui konduktor.
Sebagaimana dinyatakan sebelumnya, tegangan adalah ukuran dari energi potensial per satuan muatan yang tersedia untuk menggerakkan elektron dari satu titik ke titik yang lain. Sebelum didefinisikan apa itu “Volt”, maka harus dapat dipahami bagaimana mengukur besaran yang sebut dengan energi potensial. Satuan umum metrik untuk energi adalah Joule, sama dengan sejumlah kerja yang dilakukan oleh gaya 1 Newton untuk memindahkan benda sejauh 1 meter (dalam arah yang sama). Dalam satuan Inggris, untuk memindahkan benda sejauh 1 kaki digunakan gaya kurang dari ¾ pound. Umumnya diperlukan energi 1 Joule untuk mengangkat ¾ pound berat setinggi 1 kaki dari tanah. Dalam masalah kelistrikan, 1 Volt sama dengan 1 Joule energi potensial listrik dibagi dengan 1 Coulomb muatan. Dengan demikian sebuah baterai 9 volt melepaskan 9 joule energi untuk setiap Coulomb elektron yang bergerak melalui rangkaian.
Satuan dan simbol besaran listrik sangat penting untuk diketahui agar memudahkan dalam memahami hubungan antara besaran listrik tersebut dalam rangkaian. Untuk menganalisis hubungan antara arus, tegangan dan tahanan digunakan Hukum Ohm yang ditemukan oleh Georg Simon Ohm dan diterbitkan dalam tahun 1827 dalam tulisannya yang berjudul Galvanic Circuit Investigated Mathematically. Prinsip hukum Ohm adalah nilai arus listrik yang melalui konduktor logam dalam suatu rangkaian sebanding dengan tegangan yang melewati rangkaian tersebut, pada suhu yang diberikan. Ohm menyatakan penemuannya dalam bentuk persamaan sederhana, yang menjelaskan bagaimana hubungan tegangan, arus dan tahanan :
Untuk melihat bagaimana persamaan tersebut bekerja dalam membantu menganalisis rangkaian, maka dapat dilihat pada Gambar 1 berikut :
Gambar 1 Rangkaian listrik dengan satu sumber tegangan dan satu sumber tahanan
Dalam rangkaian di atas, hanya ada satu sumber tegangan (baterai, pada sisi kiri) dan hanya ada satu sumber tahanan terhadap arus (lampu pada sisi kanan). Hal ini mempermudah untuk menerapkan Hukum Ohm. Jika diketahui dua nilai dari tiga besaran (tegangan, arus dan tahanan) dalam rangkaian, kita dapat menggunakan hukum Ohm untuk menentukan yang besaran yang lain.
Dalam contoh pertama, dapat dihitung besaran arus (I) dalam rangkaian, untuk nilai tegangan (E) dan tahanan (R) yang diberikan :
Gambar 2 Sumber tegangan dan tahanan rangkaian diketahui
Berapa nilai arus (I) dalam rangkaian ini ?
Dalam contoh yang terakhir, kita akan menghitung nilai tegangan yang tersedia pada baterai, dengan arus dan tahanan yang diberikan :
Gambar 3 Sumber tegangan dan arus yang mengalir diketahui
Berapa nilai tahanan (R) yang diberikan lampu ?
Dalam contoh yang terakhir, kita akan menghitung nilai tegangan yang tersedia pada baterai, dengan arus dan tahanan yang diberikan :
Gambar 4 Arus yang mengalir dan tahanan rangkaian diketahui
Berapa nilai tegangan yang disediakan oleh baterai ?
Referensi :
- Kuphaldt, Tony R., Lessons In Electric Circuits, Volume I – DC, Fifth Edition, 2004.
No comments:
Post a Comment