1. Atom dan elektron
Kita potong-potong suatu benda padat, misalnya tembaga, kedalam
bagian-bagian yang selalu lebih kecil, dengan demikian maka pada
akhirnya kita dapatkan suatu atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani
dan berarti “tidak dapat dibagi”.
Dalam beberapa waktu kemudian barulah dapat ditemukan buktinya melalui
percobaan, bahwa benda padat tersusun atas atom. Dari banyak hasil
percobaan ahli fisika seperti Rutherford dan Bohr menarik kesimpulan,
bahwa suatu atom harus tersusun mirip seperti sistim tata surya kita
(gambar 1.1).
Gambar 1.1 Model sistim tata surya
Dari gambaran model ini atom terdiri atas matahari sebagai inti atom dan
disekitar inti pada lintasan berbentuk lingkaran atau ellips beredar
planet sebagai elektron-elektron. Lintasannya mengelilingi inti dan
membentuk sesuatu yang disebut dengan kulit elektron (gambar 1.2).
Gambar 1.2 Model atom
Elektron-elektron pada kulit terluar disebut elektron valensi, mereka
terletak paling jauh dari inti dan oleh karena itu paling baik untuk
dipengaruhi dari luar.
2. Muatan listrik - Pembawa muatan
Elektron mengelilingi inti atom dengan kecepatan yang sangat tinggi
(kira-kira 2200 km/det.). Pada gerakan melingkar, meski berat elektron
tidak seberapa, maka disini harus bertindak suatu gaya sentrifugal yang
relatip besar, yang bekerja dan berusaha untuk melepaskan elektron
keluar dari lintasannya. Sekarang tenaga apakah yang menahan elektron
tetap pada lintasannya mengitari inti ?
Tenaga yang menahan bumi tetap pada lintasannya adalah grafitasi.
Grafitasi antara elektron-elektron dan inti atom belum mencukupi,
sebagaimana terbukti secara perhitungan, dan tidak dapat menahan
elektron-elektron yang terjauh untuk tetap pada lintasannya. Oleh karena
itu disini harus bertindak suatu tenaga lain, yaitu tenaga listrik.
Diantara inti atom dan elektron terdapat tenaga listrik.
Tenaga listrik semacam ini sederhana membuktikannya. Kita gosokkan
penggaris mika (bahan sintetis/plastik) dengan suatu kain wol, maka pada
bahan ini bekerja suatu gaya tarik terhadap kertas, yang pada
prinsipnya lebih besar daripada tenaga grafitasi.
Yang bertanggung jawab terhadap tenaga listrik kita sebut muatan listrik.
Terhadap inti atom, elektron bersifat menjalankan suatu tenaga listrik.
Jadi elektron memiliki muatan listrik. Kita katakan elektron sebagai
suatu pembawa muatan.
Oleh karena inti atom juga mempunyai sifat menjalankan tenaga listrik, maka inti atom juga mempunyai muatan listrik.
Hal ini terbukti bahwa elektron-elektron tidak saling tarik-menarik,
melainkan tolak-menolak. Demikian pula tingkah laku inti atom (gambar
1.3).
Gambar 1.3 Efek dinamis antara: a) inti atom dan elektron
b) elektron-elektron
c) inti-inti atom
Oleh karena elektron-elektron saling tolak-menolak, inti atom dan
elektron saling tarik-menarik, maka inti atom harus berbeda muatan
dengan elektron, artinya membawa suatu jenis muatan yang berbeda dengan
muatan elektron.
Muatan inti atom dinamakan muatan positip dan muatan elektron dinamakan
muatan negatip. Dengan demikian untuk muatan listrik berlaku :
Muatan-muatan yang sama saling tolak-menolak, muatan-muatan yang berbeda saling tarik-menarik.
Gambar 1.4 Efek dinamis muatan-muatan listrik
2.1. Atom netral - Susunan atom
Atom hidrogen memperlihatkan susunan yang paling sederhana. Terdiri atas
sebuah elektron dan sebuah proton (biasa disebut inti atom).
Elektron sebagai pembawa muatan listrik terkecil dinamakan muatan elementer.
Elektron adalah pembawa muatan elementer negatip, proton merupakan pembawa muatan elementer positip.
Gambar 1.5 Gambar skema atom:
a) atom hidrogen
b) atom karbon
Muatan elementer negatip elektron sama besarnya dengan muatan elementer
positip proton. Oleh karenanya muatan-muatan atom memiliki pengaruh yang
persis sama. Atom secara listrik bersifat netral.
Atom netral terdiri atas muatan positip yang sama banyaknya dengan muatan negatip.
Atom karbon misalnya memiliki 6 elektron dan juga 6 proton. Selain
proton inti atom juga mengandung bagian yang secara listrik bersifat
netral, yang biasa disebut dengan netron. Proton dan netron menentukan
berat atom yang sebenarnya .
Atom yang lain semuanya berjumlah 103 buah dengan susunan yang hampir
sama. Pembagian elektron pada lintasan elektron berdasarkan pada aturan
tertentu. Namun jumlah elektron tetap selalu sama dengan jumlah proton.
2.2. Ion
Atom kehilangan sebuah elektron, dengan demikian maka atom tersebut
memiliki lebih banyak muatan positipnya daripada muatan negatip. Atom
yang secara utuh bermuatan positip, melaksanakan suatu reaksi listrik,
yaitu menarik muatan negatip.
Atom yang ditambah/diberi sebuah elektron, maka secara utuh dia bermuatan negatip dan menarik muatan positip.
Atom yang bermuatan seperti ini sebaliknya dapat juga menarik muatan
yang berbeda, berarti atom tersebut bergerak. Atas dasar inilah maka
atom seperti ini dinamakan ion (ion = berjalan, bhs. Yunani).
Atom bermuatan positip maupun negatip atau kumpulan atom disebut ion.
Gambar 1.6
Skema pembentukan ion
Dapat disimpulkan bahwa :
Kelebihan elektron menghasilkan muatan negatip, kekurangan elektron menghasilkan muatan positip.
3. Arus listrik
Arus listrik pada dasarnya merupakan gerakan muatan secara langsung.
Pembawa muatan dapat berupa elektron-elektron maupun ion-ion.
Arus listrik hanya dapat mengalir pada bahan yang didalamnya tersedia
pembawa muatan dengan jumlah yang cukup dan bebas bergerak.
3.1. Penghantar, bukan penghantar, semi penghantar
3.1.1. Penghantar - Mekanisme penghantar
Bahan yang memiliki banyak pembawa muatan yang bebas bergerak dinamakan penghantar.
Kita bedakan antara :
Penghantar elektron
Yang termasuk didalamnya yaitu logam seperti misalnya tembaga, alumunium, perak, emas, besi dan juga arang.
Atom logam membentuk sesuatu yang disebut struktur logam. Dimana setiap
atom logam memberikan semua elektron valensinya (elektron-elektron pada
lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positip.
Gambar 1.7
Kisi-kisi ruang suatu logam dengan awan elektron
Ion-ion menempati ruang dengan jarak tertentu serta sama antara satu
dengan yang lain dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kisi-kisi
ruang atau pola geometris atom-atom (gambar 1.7).
Elektron-elektron bergerak seperti suatu awan atau gas diantara ion-ion
yang diam dan oleh karenanya bergerak relatip ringan didalam kisi-kisi
ruang.
Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Awan elektron
bermuatan negatip praktis termasuk juga didalamnya ion-ion atom yang
bermuatan positip.
Sepotong tembaga dengan panjang sisinya 1 cm memiliki kira-kira 1023
(yaitu satu dengan 23 nol) elektron bebas. Melalui tekanan listrik
dengan arah tertentu, yang dalam teknik listrik dikenal sebagai
tegangan, elektron-elektron bebas dalam penghantar digiring melalui
kisi-kisi (gb. 1.8). Dengan demikian elektron-elektron penghantar
mentransfer muatan negatipnya dengan arah tertentu. Biasa disebut
sebagai arus listrik.
Dapat disimpulkan bahwa :
Arus listrik (arus elektron) dalam suatu penghantar logam adalah
merupakan gerakan elektron bebas pada bahan penghantar dengan arah
tertentu. Gerakan muatan tidak mengakibatkan terjadinya perubahan
karakteristik bahan.
Gambar 1.8
Mekanisme penghantar logam
Kecepatan arus tergantung pada rapat arus (lihat bagian 3.6). Penghantar
logam dengan beban biasa maka kecepatan elektronnya hanya sebesar 3
mm/detik, tetapi gerakan elektron tersebut menyebarkan impuls tumbukan
mendekati dengan kecepatan cahaya c=300.000 km/detik. Oleh karenanya
dibedakan disini antara kecepatan impuls dan kecepatan elektron.
Contoh :
a) Berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh elektron pada suatu penghantar
kawat untuk kembali ke tempatnya semula ? Panjang kawat =1200 m dengan
kecepatan sedang =3 mm/s
b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan impuls untuk jarak yang sama ?
Jawaban : a) Kecepatan: ; Waktu:
b)
Penghantar ion
Termasuk disini yaitu elektrolit (zat cair yang menghantarkan arus),
peleburan (misal peleburan alumunium) dan ionisasi gas. Sebagai pembawa
muatan dalam hal ini adalah ion positip dan ion negatip. Biasa disebut
sebagai arus ion.
Arus listrik (arus ion) didalam suatu elektrolit, peleburan atau
ionisasi gas adalah merupakan gerakan terarah ion-ion bahan/zat cair.
Dalam hal ini termasuk juga sebagai transfer bahan/zat.
3.1.2. Bukan penghantar
Bahan yang hanya memiliki sedikit pembawa muatan dan terikat dalam molekul tersendiri, dinamakan bahan bukan penghantar.
Termasuk dalam hal ini yaitu bahan padat, seperti bahan sintetis, karet,
kaca, porselen, lak, kertas, sutera, asbes, dan zat cair, seperti air
murni, oli, fet, dan juga ruang hampa termasuk disini gas (juga udara)
dengan aturan tertentu. Bahan-bahan tersebut sebagian juga dikenal
sebagai bahan isolasi, dengan demikian maka dapat mengisolasi bahan yang
berarus listrik.
3.1.3. Semi penghantar
Semi penghantar adalah bahan yang setelah mendapat pengaruh dari luar
maka elektron valensinya lepas dan dengan demikian mampu menghantarkan
listrik.
Termasuk disini yaitu silisium, selenium, germanium dan karbon oksida.
Pada temperatur rendah, elektron valensi bahan tersebut terikat
sedemikian rupa sehingga tidak ada elektron bebas didalam kisi-kisi.
Jadi dalam hal ini dia bukan sebagai bahan penghantar.
Melalui pemanasan, sebagian elektron terlepas dari lintasannya, dan
menjadi elektron yang bergerak dengan bebas. Dengan demikian maka
menjadi suatu penghantar. Juga melalui pengaruh yang lainnya, seperti
misalnya cahaya dan medan magnit mengakibatkan perubahan sifat
kelistrikan bahan semi penghantar.
Gambar 1.9
Model suatu rangkaian arus
3.2. Rangkaian listrik
Peralatan listrik secara umum disebut sebagai beban/pemakai, terhubung
dengan sumber tegangan melalui suatu penghantar, yang terdiri atas dua
buah penghantar, yaitu penghantar masuk dan penghantar keluar (gambar
1.9). Penanggung jawab adanya arus yaitu elektron-elektron bebas,
bergerak dari pembangkit tegangan kembali ke tempatnya semula melalui
jalan yang tertutup, yang biasa disebut sebagai rangkaian arus.
Rangkaian arus listrik sederhana terdiri atas pembangkit tegangan, beban
termasuk disini kabel penghubung (penghantar masuk dan penghantar
keluar).
Untuk diketahui bahwa :
Arus listrik hanya dapat mengalir dalam suatu rangkaian penghantar tertutup.
Dengan memasang sebuah saklar pada rangkaian, arus listrik dapat dihubung atau diputus sesuai keinginan.
Gambar secara nyata suatu rangkaian arus sebagaimana ditunjukkan diatas
terlihat sangat rumit, dalam praktiknya digunakanlah skema dengan
normalisasi simbol yang sederhana, yang biasa dikenal sebagai diagram
rangkaian. Skema menjelaskan hubungan antara komponen-komponen yang ada
pada suatu rangkaian.
Gambar 1.10
Skema rangkaian arus sederhana
3.3. Arah arus
3.3.1. Arah arus elektron
Kita buat suatu rangkaian arus listrik tertutup, dengan demikian didapatkan suatu proses sebagai berikut :
Pada kutub negatip pembangkit tegangan (kelebihan elektron), elektron
bebas pada ujung penghantar didorong menuju beban. Pada kutub positip
(kekurangan elektron) elektron bebas pada ujung penghantar yang lain
tertarik. Dengan demikian secara umum terjadi arus elektron dengan arah
tertentu.
Gambar 1.11 Arah arus elektron
Arus elektron mengalir dari kutub negatip pembangkit tegangan melalui beban menuju kutub positip.
3.3.2. Arah arus secara teknik
Pengetahuan teori elektron zaman dulu menduga bahwa sebagai penanggung
jawab terhadap mekanisme penghantaran didalam logam adalah pembawa
muatan positip dan oleh karenanya arus mengalir dari kutub positip
melalui beban menuju kutub negatip. Jadi berlawanan dengan arus elektron
yang sebenarnya sebagaimana diutarakan dimuka. Meskipun pada saat ini
telah dibuktikan adanya kekeliruan anggapan pada mulanya, namun didalam
teknik listrik untuk praktisnya anggapan arah arus tersebut tetap
dipertahankan. Sehingga ditemui adanya perbedaan antara arah arus
elektron terhadap arah arus secara teknik atau secara umum juga disebut
arah arus.
Arus listrik mengalir dari kutub positip pembangkit tegangan melalui beban menuju kutub negatip.
Gambar 1.12 Arah arus elektron dan
Arah arus secara teknik
3.4. Kuat arus
Semakin banyak elektron-elektron yang mengalir melalui suatu penghantar
dalam tiap detiknya, maka semakin besar pula kekuatan arus listriknya,
biasa disebut kuat arus.
Arus sebanyak 6,24 triliun elektron (6,24 • 1018) tiap detik pada luas
penampang penghantar, maka hal ini dikenal sebagai kuat arus 1 Ampere.
Dengan demikian dapat dikatakan :
Ampere adalah satuan dasar yang sah untuk kuat arus listrik
Sudah menjadi kebiasaan dalam keteknikan, supaya lebih sederhana maka
besaran-besaran teknik seperti misalnya kuat arus diganti dengan simbol
formula dan demikian pula untuk simbol nama satuan (simbol satuan).
Simbol formula untuk kuat arus adalah I
Simbol satuan untuk Ampere adalah A
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 kA = 1 Kiloampere = 1000 A = 103 A
1 mA = 1 Milliampere = 1/1000 A = 10-3 A
1 A = 1 Mikroampere = 1/1000000 A = 10-6 A
Pada “undang-undang tentang besaran dalam hal pengukuran” sejak 2 Juli
1969 kuat arus listrik ditetapkan sebagai besaran dasar dan untuk satuan
dasar 1 Ampere didefinisikan dengan bantuan reaksi tenaga arus tersebut
Kuat arus dalam teknik listrik berkisar pada jarak yang sangat luas :
Lampu pijar : 100 s.d. 1000 mA
Motor listrik : 1 sampai 1000 A
Peleburan : 10 s.d. 100 kA
Pesawat telepon : beberapa A
3.5. Muatan listrik
Jumlah muatan elementer (biasanya pada peristiwa kelistrikan turut serta
bermilyar-milyar elektron dan dengan demikian berarti muatan elementer)
menghasilkan suatu muatan listrik tertentu (simbol formula ).
Satuan muatan listrik ditetapkan 1 Coulomb (simbol C). Dalam hal ini berlaku :
1 C = 6,24 . 1018 muatan elementer
Sebelumnya telah dijelaskan bahwa
berarti : Kuat arus
Kita uraikan persamaan tersebut kedalam , sehingga menjadi = I . t
Dengan demikian faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya muatan listrik ditentukan oleh arus I dan waktu t.
Dalam pada itu kita pasang arus I dalam A dan waktu t dalam s, sehingga
diperoleh satuan muatan listrik adalah 1 As, yang berarti sama dengan 1
C.
1 Coulomb = 1 Ampere sekon
1 C = 1 As
Contoh :
Sebuah aki mobil diisi dengan 2,5 A.
Berapa besarnya muatan listrik aki tersebut setelah waktu pengisian berlangsung selama 10 jam ?
Jawaban :
= I . t
= 2,5 A . 10 h = 25 Ah = 25 A . 3600 s = 90.000 As = 90.000 C
3.6 Rapat arus didalam penghantar
Percobaan :
Kawat konstantan diameter 0,2 mm dan kawat konstantan lain diameter 0,4
mm salah satu ujungnya dikopel, kedua ujung yang lain dihubungkan ke
auto trafo. Arus dinaikkan sedikit demi sedikit hingga kawat mulai
membara.
Gambar 1.13 Arus pada penghantar dengan luas penampang berbeda
Kawat dengan luas penampang kecil telah membara, sementara itu kawat
yang luas penampangnya besar masih belum memperlihatkan reaksi panas.
Meskipun pada kedua kawat mengalir arus yang sama, penghantar dengan
luas penampang kecil panasnya lebih kuat. Jadi untuk pemanasan kawat
tidak hanya dipengaruhi oleh arus saja tetapi juga oleh luas penampang
kawat. Semakin rapat dorongan arus didalam penghantar, semakin keras
pula tumbukan yang terjadi antara elektron dengan ion-ion atom, maka
pemanasannya menjadi lebih kuat. Pemanasan penghantar praktis tergantung
pada kerapatan arus. Dari sinilah digunakan istilah rapat arus (simbol
S).
Rapat arus
I Arus dalam A
A Luas penampang dalam mm2
S Rapat arus dalam A/mm2
Satuan rapat arus oleh karenanya adalah A/mm2
Pada penentuan penghantar logam, kumparan dan komponen-komponen lain
yang berhubungan dengan pemanasan yang diijinkan pada komponen tersebut
maka rapat arus merupakan suatu besaran konstruksi yang penting.
Contoh :
Sebuah penghantar tembaga dengan luas penampang 2,5 mm2 sesuai PUIL boleh dibebani dengan 16 A.
Berapa besarnya rapat arus pada penghantar tersebut ?
Jawaban : A/mm2
Gambar 1.14 Grafik arus searah
3.7. Macam-macam arus
Secara prinsip dibedakan antara arus searah, arus bolak-balik dan arus bergelombang (undulatory current).
Arus searah
Tegangan yang bekerja pada rangkaian arus tertutup selalu dengan arah
yang sama, maka arus yang mengalir arahnya juga sama. Biasa disebut
dengan arus searah (simbol normalisasi : ).
Arus searah adalah arus listrik yang mengalir dengan arah dan besar yang tetap/konstan.
Berarti bahwa pembawa muatannya bergerak dengan arah tertentu.
Grafik arus fungsi waktu (grafik garis)
Besarnya arus pada saat yang berbeda diperlihatkan pada suatu grafik
(grafik arus fungsi waktu). Untuk maksud ini sumbu horisontal sebagai
waktu (misal 1s, 2s, 3s dst.) dan sumbu vertikal sebagai arusnya (misal
1A, 2A, 3A dst.)
Besarnya arus yang sekarang ditetapkan pada 1, 2 atau 3 sekon, untuk
masing-masing waktu yang berlaku ditarik garis lurus keatas atau kebawah
(lihat gambar 1.14). Kita hubungkan titik yang sesuai dengan suatu
garis, dengan demikian maka didapatkan suatu grafik arus fungsi waktu
(grafik garis). Gambar grafik seperti ini dapat dibuat secara jelas
dengan suatu oscilloscope.
Arus bolak-balik
Tegangan pada suatu rangkaian arus, arahnya berubah-ubah dengan suatu
irama/ritme tertentu, dengan demikian maka arah dan besarnya arus selalu
berubah-ubah pula. Biasa disebut arus bolak-balik (simbol normalisasi :
).
Arus bolak-balik adalah arus yang secara periodik berubah-ubah baik arah maupun besarnya.
Berarti bahwa elektron bebasnya bergerak maju dan mundur.
Gambar 1.15
Grafik arus bolak-balik
Disini pada arus bolak-balik, sebagaimana digunakan didalam praktik,
arahnya selalu berubah-ubah (misalnya 50 kali tiap sekon),
elektron-elektron didalam penghantar kawat hanya sedikit
berayun/bergerak maju dan mundur.
Arus bergelombang
Suatu arus yang besarnya selalu berubah, tetapi arah arus tersebut tetap
konstan, maka dalam hal ini berhubungan dengan suatu arus yang terdiri
atas sebagian arus searah dan sebagian yang lain berupa arus
bolak-balik. Biasa disebut sebagai arus bergelombang (undulatory
current).
Arus bergelombang adalah suatu arus yang terdiri atas sebagian arus searah dan sebagian arus bolak-balik.
Salah satu bentuk lain dari arus bergelombang yang sering ditemukan
dalam praktik yaitu berupa pulsa arus searah (lihat gambar 1.16a)
3.8. Reaksi arus listrik
Arus hanya dapat diketahui dan ditetapkan melalui reaksi atau efek yang ditimbulkannya.
Reaksi panas
Arus listrik selalu memanasi penghantarnya.
Didalam kawat logam misalnya, elektron-elektron saling bertumbukan
dengan ion-ion atom, bersamaan dengan itu elektron tersebut memberikan
sebagian energi geraknya kepada ion-ion atom dan memperkuat asutan panas
ion-ion atom, yang berhubungan dengan kenaikan temperatur.
Penggunaan reaksi panas arus listrik ini misalnya pada open pemanas, solder, kompor, seterika dan sekering lebur.
Reaksi cahaya
Pada lampu pijar reaksi panas arus listrik mengakibatkan kawat membara
dan dengan demikian menjadi bersinar, artinya sebagai efek samping dari
cahaya.
Gas seperti neon, argon atau uap mercury dipicu/diprakarsai oleh arus listrik sehingga menjadi bersinar.
Reaksi cahaya secara langsung ini ditemukan pada penggunaan tabung
cahaya, lampu mercury, lampu neon dan lampu indikator (negative glow
lamp).
Reaksi kemagnitan
Percobaan :
Suatu magnit jarum diletakkan dekat dengan penghantar yang berarus.
Gambar 1.17
Reaksi kemagnitan arus listrik
Perhatikan : Jarum magnit disimpangkan !
Arus listrik selalu membangkitkan medan magnit.
Medan magnit melaksanakan suatu tenaga tarik terhadap besi. Medan magnit
saling berpengaruh satu sama lain dan saling tolak-menolak atau
tarik-menarik.
Penggunaan reaksi kemagnitan seperti ini misalnya pada motor listrik,
speaker, alat ukur, pengangkat/kerekan magnit, bel, relay dan kontaktor.
Reaksi kimia arus listrik
Percobaan :
Dua buah kawat dihubungkan ke sumber tegangan arus searah (misalnya
akkumulator) dan ujung-ujung yang bersih dimasukkan kedalam bejana
berisi air, yang sedikit mengandung asam (misalnya ditambah asam
belerang)
Gambar 1.18
Reaksi kimia arus listrik
Pada kedua kawat terbentuk gas-gas yang naik keatas. Hal tersebut
berhubungan dengan hidrogen dan oksigen. Hidrogen dan oksigen merupakan
unsur-unsur kimia dari air. Jadi air terurai dengan perantaraan arus
listrik.
Arus listrik menguraikan zat cair yang bersifat penghantar.
Penggunaan reaksi kimia arus listrik yaitu dapat ditemukan pada elektrolisa, pada galvanisasi, pada pengisian akkumulator.
Reaksi pada makhluk hidup
Dengan persyaratan tertentu, misalkan seseorang menyentuh dua buah
penghantar listrik tanpa isolasi, maka arus dapat mengalir melalui tubuh
manusia. Arus listrik tersebut membangkitkan atau bahkan menimbulkan
“sentakan/sengatan listrik”
Pada penyembuhan secara listrik, arus digunakan untuk memberikan kejutan listrik (electro shock).
4. Tegangan listrik
Elektron-elektron untuk bergeraknya memerlukan suatu mesin penggerak,
yang mirip dengan sebuah pompa, dimana pada salah satu sisi rangkaian
listrik elektron-elektronnya “didorong kedalam”, bersamaan dengan itu
pada sisi yang lain “menarik” elektron-elektron. Mesin ini selanjutnya
disebut sebagai pembangkit tegangan atau sumber tegangan.
Dengan demikian pada salah satu klem dari sumber tegangan kelebihan
elektron (kutub ), klem yang lainnya kekurangan elektron (kutub ).
Maka antara kedua klem terdapat suatu perbedaan penempatan elektron.
Keadaan seperti ini dikenal sebagai tegangan (lihat gambar 1.19).
Tegangan listrik U adalah merupakan perbedaan penempatan elektron-elektron antara dua buah titik.
Gambar 1.19 Sumber tegangan
Satuan SI yang ditetapkan untuk tegangan adalah Volt
Simbol formula untuk tegangan adalah U
Simbol satuan untuk Volt adalah V
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 MV = 1 Megavolt = 1000000 V = 106 V
1 kV = 1 Kilovolt = 1000 V = 103 V
1 mV = 1 Millivolt = 1/1000 V = 10-3 V
1 V = 1 Mikrovolt = 1/1000000 V = 10-6 V
Ketetapan satuan SI untuk 1V didefinisikan dengan bantuan daya listrik.
Pada rangkaian listrik dibedakan beberapa macam tegangan, yaitu tegangan sumber dan tegangan jatuh (lihat gambar 1.20).
Gambar 1.20 Tegangan sumber dan tegangan jatuh pada suatu rangkaian
Tegangan sumber (simbol Us) adalah tegangan yang dibangkitkan didalam sumber tegangan.
Dan dengan demikian maka tegangan sumber merupakan penyebab atas terjadinya aliran arus.
Tegangan sumber didistribusikan ke seluruh rangkaian listrik dan
digunakan pada masing-masing beban. Serta disebut juga sebagai :
"Tegangan jatuh pada beban."
Dari gambar 1.20, antara dua titik yang manapun pada rangkaian arus,
misal antara titik 1 dan 2 atau antara titik 2 dan 3, maka hanya
merupakan sebagian tegangan sumber yang efektip. Bagian tegangan ini
disebut tegangan jatuh atau tegangan saja.
Tegangan jatuh atau secara umum tegangan (simbol U) adalah tegangan yang digunakan pada beban.
4.1. Potensial
Kita tempatkan elektron-elektron pada bola logam berlawanan dengan bumi,
maka antara bola dan bumi terdapat perbedaan penempatan
elektron-elektron, yang berarti suatu tegangan.
Tegangan antara benda padat yang bermuatan dengan bumi atau titik apa saja yang direkomendasi disebut potensial (simbol : ).
Satuan potensial adalah juga Volt. Tetapi sebagai simbol formula untuk potensial digunakan huruf Yunani (baca : phi).
Bumi mempunyai potensial = 0 V.
Gambar 1.21 Potensial
Potensial bola menjadi positip terhadap bumi, jika elektron-elektron bola diambil (misal 1 = +10 V, lihat gambar 1.21).
Potensial bola menjadi negatip terhadap bumi, jika ditambahkan elektron-elektron pada bola (misal 2 = 3 V).
Potensial selalu mempunyai tanda.
Jika suatu bola 1 = +10 V dan yang lain 2 = 3 V (gambar 1.21), maka
antara dua buah bola tersebut terdapat suatu perbedaan penempatan
elektron-elektron dan dengan demikian maka besarnya tegangan dapat
ditentukan dengan aturan sebagai berikut :
U = 1 2 = +10 V (3 V) = +10 V + 3 V = 13 V
Dalam hal ini bola bermuatan positip dibuat dengan tanda kutub plus dan bola bermuatan negatip dengan kutub minus.
Gambar 1.22 Potensial dan tegangan
Suatu tegangan antara dua buah titik dinyatakan sebagai perbedaan potensial titik-titik tersebut.
Tegangan = perbedaan potensial (potensial difference)
Contoh :
Dua buah titik pada suatu rangkaian arus terdapat potensial 1 = +10 V dan 2 = +5 V.
Berapa besarnya tegangan antara kedua titik tersebut ?
Jawaban : U = 1 2 = 10 V 5 V = 5 V
4.2. Arah tegangan
Tegangan selalu mempunyai arah reaksi tertentu, yang dapat digambarkan
melalui suatu anak panah tegangan. Normalisasi anak panah tegangan untuk
arah tegangan positip ditunjukkan dari potensial tinggi (misalnya kutub
plus) menuju ke potensial rendah (misal kutub minus), dalam hal ini
memperlihatkan potensial tingginya adalah positip dan potensial
rendahnya adalah negatip.
Contoh :
Pada gambar 1.23 diberikan bermacam-macam potensial. Bagaimana arah masing-masing tegangan ?
Gambar 1.23 Anak panah tegangan pada potensial yang diberikan
Untuk menentukan rangkaian arus sangatlah tepat menggunakan normalisasi ketetapan arah tersebut.
Pada pelaksanaan praktiknya hal ini berarti :
Anak panah tegangan untuk sumber tegangan adalah mengarah dari kutub plus menuju ke kutub minus.
Anak panah tegangan untuk tegangan jatuh adalah searah dengan arah arus
secara teknik, disini arus selalu mengalir dari potensial tinggi menuju
ke potensial rendah (gambar 1.24).
5. Tahanan listrik (Resistor)
Gerakan pembawa muatan dengan arah tertentu di bagian dalam suatu
penghantar terhambat oleh terjadinya tumbukan dengan atom-atom (ion-ion
atom) dari bahan penghantar tersebut. "Perlawanan" penghantar terhadap
pelepasan arus inilah disebut sebagai tahanan (gambar 1.25).
Gambar 1.25 Gerakan elektron didalam penghantar logam
Satuan SI yang ditetapkan untuk tahanan listrik adalah Ohm.
Simbol formula untuk tahanan listrik adalah R
Simbol satuan untuk Ohm yaitu (baca: Ohm). adalah huruf Yunani Omega.
Satuan SI yang ditetapkan 1 didefinisikan dengan aturan sbb. :
1 Ohm adalah sama dengan tahanan yang dengan perantaraan tegangan 1 V mengalir kuat arus sebesar 1 A.
Pembagian dan kelipatan satuan :
1 M = 1 Megaohm = 1000000 = 106
1 k = 1 Kiloohm = 1000 = 103
1 m = 1 Milliohm = 1/1000 = 10-3
5.1. Tahanan jenis (spesifikasi tahanan)
Percobaan :
Penghantar bermacam-macam bahan (tembaga, alumunium, besi baja) dengan
panjang dan luas penampang sama berturut-turut dihubung ke sumber
tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus
(simpangan jarum) diperbandingkan.
Percobaan memperlihatkan bahwa besarnya arus listrik masing-masing bahan
berlawanan dengan tahanannya. Tahanan ini tergantung pada susunan
bagian dalam bahan yang bersangkutan (kerapatan atom dan jumlah elektron
bebas) dan disebut sebagai tahanan jenis (spesifikasi tahanan).
Gambar 1.26
Perbandingan tahanan suatu penghantar:
a) Tembaga
b) Alumunium
c) Besi baja
Simbol formula untuk tahanan jenis adalah (baca: rho). adalah huruf abjad Yunani.
Untuk dapat membandingkan bermacam-macam bahan, perlu bertitik tolak
pada kawat dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm2, dalam hal ini
tahanan diukur pada suhu 20 OC.
Tahanan jenis suatu bahan penghantar menunjukkan bahwa angka yang
tertera adalah sesuai dengan nilai tahanannya untuk panjang 1 m, luas
penampang 1 mm2 dan pada temperatur 20 OC
Satuan tahanan jenis adalah
Sebagai contoh, besarnya tahanan jenis untuk :
tembaga = 0,0178 .mm2/m
alumunium = 0,0278 .mm2/m
perak = 0,016 .mm2/m
Untuk nilai yang lain dapat dilihat pada tabel (lihat lampiran 1)
5.2. Tahanan listrik suatu penghantar
Percobaan :
Bermacam-macam penghantar berturut-turut dihubungkan ke sumber tegangan
melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum)
diperbandingkan.
a) Panjang penghantar berbeda
Gambar 1.27 Rangkaian arus dengan panjang penghantar berbeda
b) Luas penampang berbeda
Gambar 1.28 Rangkaian arus dengan luas penampang penghantar berbeda
c) Bahan penghantar berbeda
Gambar 1.29 Rangkaian arus dengan bahan penghantar berbeda
Dari percobaan diatas terlihat bahwa :
Tahanan listrik suatu penghantar R semakin besar,
a) jika penghantar l semakin panjang
b) jika luas penampang A semakin kecil
c) jika tahanan jenis semakin besar.
Ketergantungan tahanan terhadap panjang penghantar dapat dijelaskan
disini, bahwa gerakan elektron didalam penghantar yang lebih panjang
mendapat rintangan lebih kuat dibanding pada penghantar yang lebih
pendek.
Dalam hal jumlah elektron-elektron yang bergerak dengan jumlah sama,
maka pada penghantar dengan luas penampang lebih kecil terjadi tumbukan
yang lebih banyak, berarti tahanannya bertambah.
Bahan dengan tahanan jenis lebih besar, maka jarak atomnya lebih kecil
dan jumlah elektron-elektron bebasnya lebih sedikit, sehingga
menghasilkan tahanan listrik yang lebih besar.
Ketergantungan tahanan listrik tersebut dapat diringkas dalam bentuk rumus sebagai berikut :
Ditulis dengan simbol formula :
Tahanan penghantar
R tahanan penghantar dalam
tahanan jenis dalam .mm2/m
l panjang penghantar dalam m
A luas penampang dalam mm2
Persamaan diatas dapat ditransfer kedalam bermacam-macam besaran.
Dengan demikian secara perhitungan dimungkinkan juga untuk menentukan panjang penghantar, tahanan jenis dan luas penampang.
Panjang penghantar
Tahanan jenis
Luas penampang
Melalui penempatan satuan kedalam persamaan tahanan jenis, maka diperoleh satuan tahanan jenis.
