Konsep Dasar Listrik Statis
Listrik statis (electrostatic) membahas
muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis
dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan
ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik
menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan
kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik.
Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam
muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Muatan listrik
timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke
benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan
positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron dikatakan bermuatan
negatif. Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik
suatu benda.
Dua buah benda yang memiliki muatan sejenis akan
saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Adapun dua buah
benda dengan muatan yang berbeda (tidak sejenis) akan saling tarik
menarik saat didekatkan satu sama lain. Tarik menarik atau tolak menolak
antara dua buah benda bermuatan listrik adalah bentuk dari gaya listrik
yang dikenal juga sebagai gaya coulomb.
Gaya Coulomb
Gaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding besar muatan listrik dari tiap-tiap benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.
Jika benda A memiliki muatan q1 dan benda B memiliki muatan q2 dan benda A dan benda B berjarak r satu sama lain, gaya listrik yang timbul di antara kedua muatan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Dimana
F adalah gaya listrik atau gaya coulomb dalam satuan newton k adalah konstanta kesebandingan yang besarnya 9 x 109 N m2 C–2 muatan q dihitung dalam satuan coulomb (C)
konstanta k juga dapat ditulis dalam bentuk
dengan ε0 adalah permitivitas ruang hampa yang besarnya 8,85 x 10–12 C2 N–1 m–2
Gaya listrik merupakan besaran vektor sehingga
operasi penjumlahan antara dua gaya atau lebih harus menggunakan konsep
vektor, yaitu sesuai dengan arah dari masing-masing gaya. Secara umum,
penjumlahan vektor atau resultan dari dua gaya listrik F1 dan F2 adalah sebagai berikut.
- untuk dua gaya yang searah maka resultan gaya sama dengan penjumlahan dari kedua gaya tersebut. Adapun, untuk dua gaya yang saling berlawanan, resultan gaya sama dengan selisih dari kedua gaya
(gambar)
R = F1 + F2 dan R = F1 – F2
2.untuk dua gaya yang saling tegak lurus, besar resultan gayanya adalah
(gambar)
3untuk dua gaya yang membentuk sudut θ satu sama lain, resultan gayanya dituliskan sebagai berikut
(gambar)
Untuk penjumlahan lebih dari dua gaya,
perhitungannya dapat menggunakan metode analitis (lihat pembahasan
tentang analisis vektor).
Medan Listrik
Sebuah muatan listrik dikatakan memiliki medan
listrik di sekitarnya. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda
bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Jika muatan lain
berada di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik,
muatan tersebut akan mengalami gaya listrik berupa gaya tarik atau gaya
tolak.
Arah medan listrik dari suatu benda bermuatan
listrik dapat digambarkan menggunakan garis-garis gaya listrik. Sebuah
muatan positif memiliki garis gaya listrik dengan arah keluar dari
muatan tersebut. Adapun, sebuah muatan negatif memiliki garis gaya
listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut.
Gambar
Besar medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik dinamakan kuat medan listrik. Jika sebuah muatan uji q’ diletakkan di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan, kuat medan listrik E benda tersebut adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya dibagi besar muatan uji. Jadi, dituliskan
dan F = E q’
Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut
Di sini kuat medan listrik dituliskan dalam satuan N/C.
Kuat medan listrik juga merupakan besaran vektor
karena memiliki arah, maka penjumlahan antara dua medan listrik atau
lebih harus menggunakan penjumlahan vektor. Arah medan listrik dari
sebuah muatan positif di suatu titik adalah keluar atau meninggalkan
muatan tersebut. Adapun, arah medan listrik dari sebuah muatan negatif
di suatu titik adalah masuk atau menuju ke muatan tersebut.
Gambar
Dua plat sejajar yang
bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan listrik
timbul di antara dua plat tersebut. Kuat medan listrik di dalam dua plat
sejajar yang bermuatan listrik adalah
Dimana
σ adalah rapat muatan dari plat yang memiliki satuan C/m2
ε0 adalah permitivitas ruang hampa
(gambar)(gambar)
Kita juga dapat menghitung kuat medan listrik dari sebuah bola konduktor berongga yang bermuatan listrik, yaitu sebagai berikut.
Di dalam bola (r < R), E = 0
Di kulit atau di luar rongga (r > R),
Energi Potensial Listrik
Dua buah benda bermuatan listrik yang terletak
berdekatan akan mengalami gaya listrik di antara keduanya. Suatu usaha
diperlukan untuk memindahkan (atau menggeser) salah satu muatan dari
posisinya semula. Karena usaha merupakan perubahan energi, maka besar
usaha yang diperlukan sama dengan besar energi yang dikeluarkan. energi
dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W) atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan dari posisi r1 ke posisi r2 adalah
(gambar)
Dengan demikian, usaha atau energi potensial untuk memindahkan sebuah muatan uji q’ yang berjarak r dari sebuah muatan lain q ke jarak tak berhingga dapat dituliskan sebagai berikut
Dimana
tanda minus berarti usaha yang dilakukan selalu melawan gaya tarik yang
ada (biasanya usaha yang dilakukan adalah usaha untuk melawan gaya
tarik antara dua muatan).
Potensial Listrik
Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu
posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik
sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian.
Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda
potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah
Dimana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V).
Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut
Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu
V = E r
Gambar
Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik,
potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah.
Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung
menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.
Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.
Konsep Listrik Dinamis
Konsep Listrik Dinamis
Listrik
Dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. cara mengukur kuat arus pada
listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan
listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik. kuat arus pada rangkaian
bercabang sama dengan kuata arus yang masuk sama dengan kuat arus yang keluar.
sedangkan pada rangkaian seri kuat arus tetap sama disetiap ujung-ujung
hambatan. Sebaliknya tegangan berbeda pada hambatan. pada rangkaian seri
tegangan sangat tergantung pada hambatan, tetapi pada rangkaian bercabang
tegangan tidak berpengaruh pada hambatan. semua itu telah dikemukakan oleh
hukum kirchoff yang berbunyi "jumlah kuat arus listrik yang masuk sama
dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar". berdasarkan hukum ohm dapat
disimpulkan cara mengukur tegangan listrik adalah kuat arus × hambatan.
Hambatan nilainya selalu sama karena tegangan sebanding dengan kuat arus.
tegangan memiliki satuan volt(V) dan kuat arus adalah ampere (A) serta hambatan
adalah ohm.
ARUS LISTRIK
Arus
listrik adalah banyaknya muatan listrik yang
disebabkan dari pergerakan elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik
dalam sirkuit listrik tiap satuan
waktu. Arus listrik (I) yang mengalir melalui penghantar
didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik
(Q) yang mengalir setiap satu satuan waktu (t).
(Q) yang mengalir setiap satu satuan waktu (t).
I = Q/t
|
Secara matematis dapat
dituliskan:
I = arus listrik (A) Q = muatan listrik (C) t = selang waktu |
Contoh cara menghitung arus
listrik:
1. Pada suatu penghantar mengalir muatan listrik sebanyak 60 coulomb selama
0,5 menit.
Hitung besar arus listrik yang mengalir pada penghantar tersebut ?
Hitung besar arus listrik yang mengalir pada penghantar tersebut ?
Penyelesaian:
Diketahui: Q = 60 C
t = 0,5 menit
= 30 sekon
Ditanyakan: I = ........ ?
Dijawab:
Diketahui: Q = 60 C
t = 0,5 menit
= 30 sekon
Ditanyakan: I = ........ ?
Dijawab:
I = Q/t
I = 60 / 30
I = 2 ampere
Jadi besar kuat arus listrik
yang mengalir pada penghantar 2 ampere.
Arus
listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere. Contoh
arus listrik dalam kehidupan sehari-hari berkisar dari yang sangat lemah dalam
satuan mikroAmpere (μA) seperti di dalam jaringan tubuh hingga arus yang
sangat kuat 1-200 kiloAmpere (kA) seperti yang terjadi pada petir. Dalam kebanyakan
sirkuit arus searah dapat diasumsikan resistansi terhadap
arus listrik adalah konstan sehingga besar arus yang mengalir dalam sirkuit
bergantung pada voltase dan resistansi sesuai dengan hukum Ohm.
Arus
listrik merupakan satu dari tujuh satuan pokok dalam satuan internasional. Satuan
internasional untuk arus listrik adalah Ampere (A). Secara
formal satuan Ampere didefinisikan sebagai arus konstan yang, bila
dipertahankan, akan menghasilkan gaya sebesar 2 x 10-7 Newton/meter di antara dua
penghantar lurus sejajar, dengan luas penampang yang dapat diabaikan, berjarak
1 meter satu sama lain dalam ruang hampa udara.
Fisika
Arus yang mengalir masuk
suatu percabangan sama dengan arus yang mengalir keluar dari percabangan
tersebut. i1 + i4 = i2 + i3
Untuk arus yang konstan,
besar arus I dalam Ampere dapat diperoleh dengan persamaan:
I=Q/t
di mana I adalah
arus listrik, Q adalah muatan listrik,
dan t adalah waktu (time).
Sedangkan secara umum, arus
listrik yang mengalir pada suatu waktu tertentu adalah
I =dQ/dt
Dengan demikian dapat
ditentukan jumlah total muatan yang dipindahkan pada rentang waktu 0
hingga t melalui integrasi:
Sesuai dengan persamaan di
atas, arus listrik adalah besaran skalar karena baik muatan Q maupun waktu t merupakan
besaran skalar. Dalam banyak hal sering digambarkan arus listrik dalam
suatu sirkuit menggunakan panah, salah satunya seperti pada diagram di
atas. Panah tersebut bukanlah vektor dan tidak membutuhkan operasi vektor. Pada
diagram di atas ditunjukkan arus mengalir masuk melalui dua percabangan dan
mengalir keluar melalui dua percabangan lain. Karena muatan listrik
adalah kekal maka total arus listrik yang mengalir
keluar haruslah sama dengan arus listrik yang mengalir ke
dalam sehingga i1 + i4 = i2 + i3.
Panah arus hanya menunjukkan arah aliran sepanjang penghantar, bukan arah dalam ruang.
Arah arus
DeFinisi arus listrik yang
mengalir dari kutub positif (+) ke kutub negatif (-) baterai (kebalikan
arah untuk gerakan elektronnya)
Pergerakan partikel bermuatan
positif (muatan positif) atau disebut dengan istilah arus konvensional.
Pembawa muatan positif tersebut akan bergerak dari kutub positif baterai menuju
ke kutub negatif. Pada kenyataannya, pembawa muatan dalam sebuah
penghantar listrik adalah partikel-partikel elektron bermuatan
negatif yang didorong olehmedan listrik mengalir berlawan arah dengan
arus konvensional. Sayangnya, dengan alasan sejarah, digunakan konvensi berikut
ini:
Panah arus digambarkan searah
dengan arah pergerakan seharusnya dari pembawa muatan positif, walaupun pada
kenyataannya pembawa muatan adalah muatan negatif dan bergerak pada arah
berlawanan.
Konvensi demikian dapat
digunakan pada sebagian besar keadaan karena dapat diasumsikan bahwa pergerakan
pembawa muatan positif memiliki efek yang sama dengan pergerakan pembawa muatan
negatif.
Rapat arus
Rapat
arus (bahasa Inggris: current
density)
adalah aliran muatan pada suatu luas penampang tertentu di suatu titik
penghantar.]Dalam SI, rapat arus memiliki satuan Ampere
per meter persegi (A/m2).
di mana I adalah
arus pada penghantar, vektor J adalah rapat arus yang memiliki arah
sama dengan kecepatan gerak muatan jika muatannya positif dan berlawan
arah jika muatannya negatif, dan dA adalah vektor luas
elemen yang tegak lurus terhadap elemen. Jika arus listrik seragam
sepanjang permukaan dan sejajar dengan dA maka J juga
seragam dan sejajar terhadap dA
di mana A adalah
luas penampang total dan J adalah rapat arus dalam satuan A/m2.
Kelajuan hanyutan
Saat
sebuah penghantar tidak dilalui arus listrik, elektron-elektron di dalamnya
bergerak secara acak tanpa perpindahan bersih
ke arah mana pun juga. Sedangkan saat arus listrik mengalir melalui
penghantar, elektron tetap bergerak secara acak namun mereka cenderung hanyut
sepanjang penghantar dengan arah berlawanan dengan medan listrik yang
menghasilkan aliran arus. Tingkat kelajuan
hanyutan (bahasa Inggris: drift
speed)
dalam penghantar adalah kecil dibandingkan dengan kelajuan gerak-acak, yaitu
antara 10-5 dan 10-4 m/s dibandingkan dengan
sekitar 106 m/s pada sebuah penghantar tembaga.
TEGANGAN LISTRIK
Sumber tegangan listrik yaitu peralatan yang
dapat menghasilkan beda potensial listrik secara terus menerus. Beda potensial
listrik diukur dalam satuan volt (V). Alat yang digunakan adalah
volmeter.
Beda
potensial adalah usaha yang digunakan untuk memindahkan
satuan muatan listrik . hubungan antara energi listrik, muatan
listrik dan beda potensial dapat dituliskan dalam persamaan:
V= W/ Q
V =
Beda potensial listrik dalam volt (V)
W =
energi listrik dalam joule (J)
Q =
muatan listrik dalam coulomb (C).
Arus
listrik hanya akan terjadi dalam penghantar jika antara ujung-ujung penghantar
terdapat beda potensial (tegangan listrik). Alat ukur beda potensial listrik
adalah volmeter. Dalam rangkaian voltmeter dipasang paralel dengan hambatan
(beban).
Contoh,
Beda potensial antara ujung penghantaradalah 12 volt, hitunglah besarnya energi
listrik jika jumlah muatan yang mengalir sebesar 4 coulomb.
Diketahui:
V =
12 volt
Q = 4
C
W = ?
Jawab:
W =
V. Q
W =
12 volt x 4 C
W =
48 joule
Dalam
rangkaian tertutup pemasangan voltmeter dan amperemeter dapat dilakukan
bersama-sama. Voltmeter dipasang paralel terhadap hambatan dan amperemeter
dipasang seri terhadap hambatan. Di laboratorium volmeter dapat dibuat dari
rangkaian basic mater dan multiplier, sedangkan ampere meter dapat di buat dari
rangkaian basic meter dan shun. Baik shun maupun multiplier memiliki batas
ukur. Oleh karena itu dalam pembacaan sekalanya perlu diperhatikan antara batas
ukur dan pembacaan pada skala basic meter. Berikut ini cara menggunakan basic
meter dan cara pembacaannya.
Dalam
rangkaian listrik, volt meter dipasang paralel terhadap alat listrik.
Jika
voltmeternya dengan menggunakan kombinasi basic meter dan multiplier, maka
pembacaan hasil pengukurannya perlu memperhatikan sekala maksimum dan batas
ukurnya.
Batas
ukur maksimumnya = 10 volt
Sekala
maksimumnya = 30 volt
Pengukuran
dengan menggunakan basic mater dan multiplier yang memiliki spesifikasi sebagai
berikut:
Contoh,
Batas ukur multiplier adalah 12 volt, skala maksimum basik meter adalah 120
volt, jika jarum pada saat digunakan menunjukkan angka 40, maka hitunglah
besrnya tegangan listrik yang terukur
Diketahui:
Batas
ukur : 12 volt
Skala
maksimum : 120 volt
Pembacaan
skala = 40
Jawab:
Hasil
pengukuran = (12/120) x 40 volt
=
0,1 x 40 volt
=
4 volt
HUKUM OHM
Hukum Ohm merupakan
hukum dasar dalam rangkaian elektronik. Hukum Ohm menjelaskan hubungan antara
tegangan, kuat arus dan hambatan listrik dalam rangkaian.
|
Besarnya
tegangan listrik dalam sebuah rangkaian sebanding dengan kuat arus listrik.
Pernyataan ini di kenal sebagai hukum Ohm. Hal ini menyatakan bahwa
tegangan listrik dalam rangkaian akan bertambah jika arus yang mengalir dalam
rangkaian bertambah. Hubungan tersebut dapat di tuliskan dalam persamaan
matematika.
V ~ I
atau
V = R
I (Hukum Ohm)
R
adalah konstanta yang disebut hambatan penghantar, satuannya adalah ohm (W)
Contoh, Arus
listrik sebesar 2 A mengalir dalam rangkaian yang memiliki hambatan sebesar 2
ohm, hitunglah besarnya beda potensial antara ujung-ujung hambatan tersebut.
Diketahui:
I = 2
A
R = 2
ohm
V = ?
Jawab:
V = I
x R
V = 2
A x 2 ohm
V = 4
volt
Jika
dalam hambatan R mengalir arus listrik I, maka antara ujung-ujung hambatan
timbul beda potensial V.
V = IR
Jika
diantara ujung-ujung hambatan R terdapat beda potensial V, maka dalam hambatan
pasti mengalir arus listrik I
I = V/R
Jika
arus listrik I mengalir dalam suatu penghantar dan antara ujung-ujung
penghantar muncul beda potensial V, maka dalam penghantar tersebut terdapat
hambatan.
R = V/I