A. Listrik Statis
Sering sekali kita mendengar dan berhubungan dengan listrik. Segala pekerjaan kita dipermudah dengan adanya listrik. Adanya listrik mendorong manusia untuk menemukan alat-alat berteknologi canggih guna membantu memudahkan pekerjaan manusia. Setiap hari kita tak pernah lepas dari segala sesuatu yang berhubungan dengan listrik. Semua alat-alat listrik yang kita gunakan sekarang tidak akan ada jika tidak ada orang yang menemukan listrik.
Sebenarnya, pengetahuan tentang listrik dimulai dari teori atom, yaitu dengan ditemukannya atom dan teori-teori yang menjelaskan tentang perkiraan-perkiraan struktur atom.
1. Struktur Atom
Atom dalam bahasa Yunani atomos yang berarti tidak dapat dibagi-bagi lagi. Atom berarti juga partikel dari suatu materi yang paling kecil. Pendapat bahwa atom merupakan bagian terkecil dari sebuah materi akhirnya runtuh setelah J.J. Thomson, seorang ahli Fisika
Inggris berhasil menemukan elektron. Elektron berada di dalam atom.
Penelitian mengenai atom lebih lanjut dilakukan oleh Ernest Rutherford. Rutherford melalui percobaannya menyimpulkan bahwa selain elektron, di dalam atom juga terdapat sebuah muatan positif. Muatan positif ini kemudian disebut sebagai proton.
Penemuan elektron oleh J.J. Thomson dan proton oleh Rutherford dilengkapi dengan hasil penelitian Niels Bohr. Hasil penelitian ini seakan-akan membuktikan kebenaran penelitian-penelitian sebelumnya. Dari hasil penelitiannya Bohr menyimpulkan bahwa atom terdiri atas inti atom dan kulit atom. Inti atom terdiri atas muatan positif atau proton dan muatan netral atau neutron. Inti atom ini dikelilingi oleh elektron yang menempati kulit atom. Struktur atom yang terdiri atas inti atom dan kulit atom ditunjukkan pada gambar berikut.
Penelitian lebih jauh dapat diketahui bahwa massa inti atom lebih besar daripada massa elektron. Massa inti hampir sama dengan massa atomnya sendiri. Hampir semua massa atom berpusat pada inti atom.
Sistem atom ini mempunyai kemiripan dengan tata surya di mana bumi kita sebagai salah satu anggotanya. Di dalam tata surya matahari bertindak sebagai inti dan planet-planetnya mengelilingi matahari. Penjelasan lebih mendalam mengenai atom ini dijelaskan pada bab khusus Teori Atom di SMA.
2. Muatan Listrik
Sisir yang telah digosok dengan kain wol dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Pada awalnya, kain wol dan sisir keduanya tidak bermuatan. Tidak bermuatan berarti jumlah elektron dan proton dalam atom plastik dan wol tersebut adalah sama. Gosokan kain wol pada sisir mengakibatkan elektron-elektron yang terdapat pada kain wol berpindah ke sisir. Dengan demikian, sisir tersebut akan menerima elektron dari kain wol sehingga jumlah elektronnya lebih banyak daripada protonnya. Sisir tersebut menjadi bermuatan negatif. Ketika didekatkan dengan sobekan-sobekan kertas, sobekan-sobekan kertas ini akan tertarik oleh sisir tersebut. Dengan menggosok-gosokkan dua benda (sisir dan kain wol) dapat membuat benda bermuatan listrik. Metode ini disebut metode gesekan. Contoh lain adalah ebonit akan bermuatan negatif jikadigosok dengan kain wol dan kaca akan bermuatan positif jika digosok dengan kain sutra. Jadi, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda yang bermuatan listrik dapat menarik bendabenda di sekitarnya. Listrik statis adalah listrik yang muatanmuatannya tidak mengalir atau ada dalam keadaan diam.
Mengapa sisir, kain wol, dan benda-benda lainnya dapat mempunyai muatan? Setiap materi tersusun oleh partike-lpartikel dan setiap partikel tersusun oleh atom-atom. Atom terdiri atas inti atom yang tersusun oleh proton dan neutron. Inti atom ini diselimuti oleh kulit atom. Pada kulit atom, terdapat elektron-elektron. Proton disebut juga muatan positif, sedangkan neutron merupakan muatan listrik netral. Adapun elektron adalah muatan listrik negatif.
Jika suatu materi mempunyai jumlah proton sama dengan jumlah elektron, materi tersebut dikatakan tidak bermuatan atau netral. Jika jumlah proton lebih banyak daripada jumlah elektron, sehingga atom-atomnya kekurangan elektron, maka atom tersebut dikatakan bermuatan positif. Adapun atom dikatakan bermuatan negatif jika jumlah elektron lebih banyak daripada jumlah proton, sehingga atom-atomnya kelebihan elektron.
a. Muatan Listrik Elementer
Telah disebutkan bahwa suatu benda dikatakan bermuatan listrik jika atom-atom benda tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Besarnya muatan listrik bergantung pada seberapa banyak atom-atom tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Semakin banyak atom-atomnya kekurangan atau kelebihan elektron, maka semakin besar muatannya.
Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah Coulomb (C). muatan listrik sebuah elektron, proton, dan neutron:
Muatan elektron= –1,6 × 10^-19 Coulomb
Muatan proton = +1,6 × 10^-19 Coulomb
Muatan neutron = 0 (tidak bermuatan)
b. Interaksi Muatan Listrik
Kamu telah mengetahui bahwa suatu benda dapat bermuatan dengan cara digosok. Jika kita cermati, Tuhan Yang Maha Esa telah menciptakan makhluk-Nya dengan berpasang-pasangan, contohnya ada laki-laki dan ada perempuan. Pasangan-pasangan tersebut akan berinteraksi baik dengan pasangannya maupun dengan sesamanya. Begitupun muatan, muatan ada yang bermuatan positif dan
ada yang bermuatan negatif.
Ketika kamu menggosok-gosok mistar plastik dengan kain wol, kamu telah membuat kedua mistar plastik tersebut bermuatan negatif. Kedua mistar plastik yang telah bermuatan negatif tersebut didekatkan satu sama lain, ternyata ada sebuah gaya yang menentang atau menolak kedua penggaris tersebut untuk bersentuhan. Charles Augustin de Coulomb telah meneliti fenomena ini dan menyimpulkan bahwa ada interaksi antara muatan-muatan listrik.
Bagaimana interaksi muatan-muatan listrik. Dua buah mistar yang bermuatan negatif akan terjadi interaksi saling menolak. Coulomb telah menemukan bahwa jika dua muatan sejenis didekatkan, di antara keduanya akan terjadi interaksi saling menolak. Sedangkan jika dua muatan yang tidak sejenis didekatkan, akan terjadi interaksi saling menarik.
Ketika kamu menggosokkan kain wol ke mistar plastik, maka terjadi perpindahan elektron dari wol ke mistar plastik sehingga mistar plastik tersebut bermuatan listrik negatif. Penggosokan batang kaca dengan kain sutra menyebabkan elektron pindah dari kaca ke sutra sehingga batang kaca bermuatan positif. Ketika didekatkan, antara mistar plastik dan batang kaca terjadi gaya tarik-menarik. Mengapa hal ini terjadi? Sesuai dengan yang disimpulkan oleh Coulomb bahwa muatan tidak sejenis akan tarik-menarik. Mistar dan batang kaca pada kegiatan ini mempunyai muatan yang tidak sejenis, sehingga antara keduanya terjadi gaya tarikmenarik. Contoh benda-benda yang bermuatan listrik karena digosok dengan benda lain ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel muatan listrik suatu benda karena digosok benda lain.
c. Hukum Coulomb
Ketika dua buah muatan sejenis didekatkan satu sama lain, terdapat sebuah gaya yang saling menolak yang mencegah kedua muatan tersebut bersatu. Sebaliknya, jika dua buah muatan yang berlainan jenis didekatkan, akan timbul gaya saling menarik. Gaya tolak-menolak dan gaya tarik-menarik ini disebut gaya elektrostatis.
Coulomb berhasil menghitung besarnya gaya antarmuatan ini. Sebagai penghargaan atas penemuannya, gaya antarmuatan ini dinamakan gaya Coulomb. Dalam penelitiannya, Coulomb menggunakan alat yang dinamakan neraca puntir, seperti terlihat pada gambar berikut.
Jika bola A dan B yang bermuatan sejenis didekatkan, maka akan tolak menolak, sehingga lengan neraca terpuntir dari kedudukan seimbang. Makin besar sudut puntiran lengan neraca, makin besar gaya listrik. Coulomb mengukur gaya listrik untuk berbagai pasangan bola A dan B yang muatan listriknya berbeda dan gaya listrik antara pasangan bola A dan B untuk berbagai jarak pisah dengan dasar sudut puntiran tersebut.
Dari hasil penelitiannya, Charles Coulomb menyimpulkan sebagai berikut. “Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan hasil kali kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut”
Misalkan muatan pertama dilambangkan dengan Q1, muatan kedua dilambangkan dengan Q2, dan jarak antara kedua muatan tersebut dilambangkan r. Besarnya gaya coulomb dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.
Selain dipengaruhi oleh muatan dan jarak antarmuatan, gaya Coulomb juga dipengaruhi oleh medium di antara kedua muatan tersebut. Gaya Coulomb antara dua muatan yang terletak di dalam medium air akan berbeda ketika kedua muatan tersebut terletak di udara.
d. Elektroskop
Bagaimana mengetahui sebuah benda bermuatan atau tidak? Untuk mengetahui apakah sebuah benda bermuatan atau tidak dapat diamati menggunakan alat yang dinamakan elektroskop. Elektroskop yang paling umum digunakan adalah elektroskop lembaran emas. Skema elektroskop terlihat seperti gambar berikut.
Prinsip kerja alat ini berdasarkan sifat muatan, yaitu akan saling menolak jika didekatkan dengan muatan yang sejenis. Elektroskop berbentuk tabung. Di dalam tabung terdapat lembaran emas yang dapat diberi muatan dari bagian atas melalui sebuah kawat konduktor. Jika sebuah benda bermuatan ditempelkan pada kawat konduktor, maka lembaran emas dan batang akan bermuatan pula. Karena jenis muatannya sama, keduanya akan saling menolak dan lembaran emas akan menjauhi batang membentuk huruf “V” terbalik. Semakin besar muatan yang diberikan, lembaran tersebut semakin jauh membuka. Dengan demikian kita dapat mengetahui bahwa benda yang ditempelkan pada ujung atas elektroskop bermuatan.
Bagaimana menentukan jenis muatan listrik suatu benda? Kamu tidak dapat menggunakan elektroskop netral untuk menentukan jenis muatan suatu benda, oleh karena itu kamu harus menggunakan elektroskop bermuatan listrik. Misal elektroskop bermuatan negatif yang daun/lembarannya mekar. Perhatikan gambar berikut.
Gambar a menunjukkan sebuah elektroskop bermuatan listrik negatif. Ketika didekati suatu benda bermuatan listrik, lembaran/daun pada elektroskop makin naik, berarti benda bermuatan yang didekatkan kepala elektroskop mempunyai muatan yang sejenis dengan muatan elektroskop, yaitu bermuatan negatif (Gambar b). Sebaliknya pada Gambar c ketika kepala elektroskop didekati benda bermuatan listrik, lembaran/daun elektroskop makin turun (lebih menguncup). Ini berarti benda bermuatan yang didekatkan pada kepala elektroskop mempunyai muatan yang tidak sejenis dengan muatan elektroskop. Muatan benda bermuatan
yang didekatkan kepala elektroskop tersebut bermuatan positif.
3. Induksi Listrik
Kamu telah mengetahui bahwa sebuah benda dapat bermuatan listrik dengan cara digosok. Selain digosok, sebuah benda dapat bermuatan dengan cara induksi. Bagaimana terjadinya induksi listrik?
Gambar di atas memperlihatkan sebuah batang P yang tidak bermuatan (netral). Terlihat bahwa jumlah elektron dan jumlah protonnya sama. Ketika sebuah batang Q yang bermuatan negatif didekatkan pada ujung B, muatan-muatan pada batang P akan bereaksi. Semua muatan negatif akan menolak muatan negatif yang berasal dari batang Q, sedangkan semua muatan positif akan tertarik oleh batang Q. Hal ini sesuai dengan sifat elektron yang akan saling menolak jika muatannya sama dan akan saling menarik jika muatannya berbeda.
Muatan negatif batang P akan berkumpul di ujung A dan muatan positif akan berkumpul di ujung B. Jika ujung A batang P didekatkan pada elektroskop, apa yang terjadi? Keping yang terdapat pada elektroskop pasti akan membuka karena memperoleh muatan sejenis yaitu muatan negatif dari ujung A batang P. Peristiwa ini disebut sebagai induksi listrik.
4. Medan Listrik
Konon, ketika Newton menemukan hukum gravitasi, diilhami oleh sebuah apel yang jatuh dari pohonnya ke tanah. Newton memikirkan mengapa hal tersebut terjadi. Hasil pemikirannya sampai pada sebuah kesimpulan bahwa di antara dua buah benda yang mempunyai massa ada interaksi tarikmenarik. Kesimpulan ini terkenal dengan hukum gravitasi Newton.
Buah apel akan jatuh ke tanah karena ada gaya tarik bumi yang disebut gaya gravitasi. Massa bumi jauh lebih besar daripada massa sebuah apel. Oleh karena itu, apel akan tertarik oleh bumi, bukan sebaliknya. Dalam hal ini, dikatakan bahwa apel terletak pada medan gravitasi bumi.
Dua buah muatan yang diletakkan pada jarak tertentu akan mengalami hal serupa dengan buah apel yang jatuh ke bumi. Sebuah muatan akan mempunyai medan listrik di sekitarnya sehingga jika sebuah muatan uji diletakkan pada jarak tertentu, muatan uji tersebut akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak dari muatan tersebut selama muatan uji tersebut berada dalam medan listrik bermuatan.
Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik. Benda bermuatan listrik mempunyai garis-garis, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah . Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan negatif garis-garis gayanya menuju pusat. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif menuju muatan negatif seperti ditunjukkan pula pada gambar berikut.
Misalkan, sebuah muatan uji q diletakkan pada jarak tertentu dari muatan Q. Ternyata, muatan uji tersebut akan tertarik oleh muatan Q. Dalam hal ini muatan uji q berada di dalam medan listrik muatan Q. Bagaimana menentukan besarnya kuat medan listrik muatan Q?
Kuat medan listrik didefinisikan sebagai berikut. “Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan uji q akibat adanya muatan Q dibagi dengan besarnya muatan uji q”
Dalam bentuk matematis, definisi tersebut dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.
Dari Persamaan di atas terlihat bahwa untuk mengetahui besarnya kuat medan listrik dari sebuah muatan, kita hanya memerlukan besarnya muatan tersebut serta jarak muatan uji dari muatan yang akan dicari besar medan listriknya. Terlihat bahwa semakin besar muatannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk jarak yang sama. Semakin dekat muatan uji dari suatu muatan yang akan dicari kuat medannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk muatan yang sama.
6. Penerapan Listrik Statis
Listrik statis juga dapat dihasilkan dengan menggunakan generator listrik statis. Contoh generator listrik statis adalah generator Van de Graaff (gambar berikut).
Generator Van de Graaff menghasilkan listrik statis yang besar dengan metode gesekan. Gesekan antara silinder logam bawah dengan sabuk karet menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet. Gesekan antara silinder politen atas dengan sabuk karet menimbulkan muatan positif pada sabuk karet. Jadi, gerak sabuk karet ke atas selalu membawa muatan listrik negatif dan gerak ke bawah selalu membawa muatan listrik positif. Muatan listrik negatif menempati permukaan luar bola yaitu kubah. Di dalam bola tidak ada muatan listrik. Karena sabuk karet terus bergerak, maka muatan listrik negatif pada kubah terus bertambah. Muatan listrik positif pada sabuk karet bawah mengalir ke tanah, sehingga muatan ini dinetralkan oleh muatan listrik dari tanah.
Contoh penerapan listrik statis antara lain sebagai berikut.
a. Pengendap elektrostatis pada cerobong asap, fungsinya membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikel-partikel pencemar.
b. Pengecatan mobil, penggunaan penyemprot cat elektrostatis.
c. Mesin fotokopi (selain menerapkan konsep optik).
d. Petir
Petir merupakan fenomena listrik statis yang sering terjadi pada waktu hujan badai. Awan badai terbentuk oleh uap air, debu, garam dari lautan, dan bahan-bahan lainnya. Di dalamnya arus udara mengalir dengan kencang sehingga menyebabkan partikel-partikel di dalam awan tersebut tersebut saling bertabrakan. Pada peristiwa tabrakan itu terjadi pelepasan elektron antara partikel yang satu dengan partikel yang lain. Partikel yang kehilangan elektron akan bermuatan positif sedangkan partikel yang menerima elektron akan bermuatan negatif. Para ilmuwan belum mengetahui secara pasti mengapa partikel yang relatif lebih berat cenderung bermuatan negatif dan partikel yang lebih ringan cenderung bermuatan positif. Hal inilah yang menyebabkan pada bagian bawah awan berkumpul partikel bermuatan negatif dan pada bagian atas awan berkumpul partikel bermuatan positif.
Selama hujan badai terjadi, bumi yang bermuatan positif akan menarik awan yang bermuatan negatif ke bawah. Pada proses ini muatan akan mencari proses penyaluran yang paling pendek, yaitu tempat-tempat yang paling dekat dengan awan, seperti gedung-gedung tinggi, pohon, dan antena pemancar. Ketika terjadi petir, suhunya dapat mencapai ribuan derajat Celsius dan mengandung energi ribuan mega volt. Kekuatan petir dapat menghancurkan gedung, membunuh hewan dan manusia, serta dapat memusnahkan pohon menjadi serpihan-serpihan. Untuk melindungi gedung-gedung pencakar langit dari petir, Benjamin Franklin, ilmuwan abad ke-17, memprakarsai pembuatan penangkal petir. Saat ini para ilmuwan banyak melakukan eksperimen untuk memanfaatkan energi listrik
dalam petir yang sangat besar.
B. Listrik Dinamis
Lampu pijar merupakan aplikasi pemanfaatan listrik. Lampu pijar menghasilkan energi cahaya dengan prinsip arus mengalir melewati kawat tipis dan menimbulkan sinar putih–panas. Saat arus listrik mengalir melalui kumparan, kumparan akan panas secara cepat dan memancarkan cahaya.
1. Pengertian Arus Listrik
Energi potensial adalah energi yang dimiliki sebuah benda karena benda tersebut mempunyai ketinggian. Ketinggian ini diukur relatif dari tanah. Energi potensial ini dapat berubah menjadi energi gerak (energi kinetik). Air dapat mengalir melalui selang karena adanya beda potensial antara tempat penampungan air yang berada pada suatu ketinggian dengan ujung selang yang kamu pegang. Karena beda potensial ini air mengalir melalui slang. Aliran air ini dinamakan arus. Semakin tinggi tempat penampungan air diletakkan, semakin deras arus air yang keluar dari ujung slang.
Perumpamaan arus listrik mirip dengan arus air yang melalui slang. Jika pada arus air, yang mengalir adalah air, sedangkan pada arus listrik yang mengalir adalah muatan listrik. Pada abad ke-19, para ilmuwan telah sepakat bahwa arus listrik merupakan aliran muatan positif pada suatu penghantar karena perbedaan potensial.
Ternyata, setelah ditemukan elektron oleh J.J. Thompson, anggapan ini keliru. Bukan muatan positif yang mengalir, melainkan muatan negatif atau elektron. Akan tetapi, anggapan bahwa arus listrik mengalir dari kutub yang bermuatan positif ke kutub yang bermuatan negatif masih digunakan. Hal ini dikarenakan kuantitas banyaknya elektron yang mengalir dalam satu arah sama dengan jumlah muatan negatif yang mengalir dalam arah berlawanan. Pengertian arus listrik merupakan aliran muatan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah disebut arus konvensional. Perhatikan gambar berikut!
Pada pembahasan tentang beda potensial listrik telah dibahas bahwa suatu benda mempunyai beda potensial tertentu. Semakin besar beda potensial listrik semakin besar arus listrik yang dapat ditimbulkan. Tidak seperti aliran air, aliran arus listrik tidak dapat kamu lihat. Akan tetapi bukti bahwa arus listrik memang ada dapat kamu lihat pada lampu di rumahmu yang menyala merupakan.
Gambar 5di atas merupakan rangkaian sederhana yang membuktikan bahwa arus listrik mengalir pada rangkaian tersebut yang ditandai dengan menyalanya lampu ketika saklar ditutup. Dengan menutup saklar, menjadikan rangkaian tersebut menjadi rangkaian tertutup sehingga arus listrik dapat mengalir.
Ada istilah penting yang sering digunakan dalam pembahasan listrik dinamis yaitu rangkaian listrik tertutup dan rangkaian listrik terbuka. Ketika kamu menyambungkan saklar, arus listrik dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu dapat menyala. Sebaliknya, jika saklar terbuka, arus listrik tidak dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu tidak menyala.
2. Kuat Arus Listrik
Jika sebuah lampu senter dinyalakan dan baterai yang digunakan adalah baterai baru, apa yang terjadi? Lampu senter tersebut akan menyala terang. Akan tetapi cahaya lampu senter yang terang tidak akan bertahan selamanya. Semakin lama lampu senter tersebut dinyalakan, cahaya lampu senter tersebut semakin redup.
Mobil-mobilan yang menggunakan baterai akan melaju dengan cepat dan lincah jika baterai yang digunakannya masih baru. Akan tetapi, mobil-mobilan tersebut akan semakin lemah jika baterainya semakin sering digunakan.
Dari kedua contoh di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa kuat arus dipengaruhi oleh potensial sumber arus listrik tersebut. Semakin besar beda potensialnya, semakin besar kuat arus yang dapat dihasilkannya. Perhatikan sebuah baterai. Sebuah baterai mempunyai dua kutub, yaitu kutub positif dan kutub negatif. Kutub positif mempunyai potensial lebih besar daripada kutub negatif. Oleh karena itu, muatan listrik dapat mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. Aliran muatan ini semakin lama semakin kecil. Jadi, ada hubungan antara kuat arus dan waktu.
Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik yang mengalir setiap sekon. Kuat arus listrik dilambangkan dengan I dan satuannya adalah ampere (A). Satu ampere merupakan muatan 1 Coulomb yang mengalir setiap satu sekon. Jika definisi kuat arus ini dituliskan dalam bentuk matematika, diperoleh:
3. Mengukur Kuat Arus Listrik
Telah disebutkan bahwa kuat arus listrik mempunyai satuan ampere. Satu ampere didefinisikan sebagai banyaknya muatan yang mengalir setiap satu sekon. Untuk mengukur kuat arus listrik digunakan sebuah alat yang dinamakan amperemeter. Penggunaan amperemeter ini dihubungkan dengan kedua kutub baterai yaitu kutub positif dan kutub negatif sedemikian sehingga arus listrik dari baterai melewati amperemeter.
Ketika amperemeter dihubungkan dengan baterai, jarum amperemeter tersebut akan bergerak. Hal ini menandakan bahwa baterai tersebut masih dapat mengeluarkan arus listrik dan rangkaiannya benar.
4. Potensial Listrik
Angkatlah sebuah beban yang terletak pada lantai setinggi h. Ketika kamu mengangkat beban tersebut, kamu mengeluarkan gaya untuk melawan gaya tarik gravitasi terhadap benda tersebut. Besarnya gaya yang kamu berikan dikalikan perpindahan benda dari keadaan semula dalam hal ini ketinggian h dinamakan usaha. Usaha juga dapat dihitung dengan menghitung beda potensial ketika benda berada di atas lantai dan ketika benda berada pada ketinggian h.
Hal serupa terjadi ketika sebuah muatan uji +q yang berada dalam sebuah medan listrik dari sebuah muatan –Q digerakkan menjauhi muatan –Q. Karena antara kedua muatan ini saling menarik, diperlukan sebuah usaha untuk memindahkan muatan uji q tersebut. Besarnya usaha dibagi besarnya muatan uji dinamakan beda potensial listrik. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
5. Beda Potensial Listrik
Arus listrik dapat mengalir karena adanya beda potensial. Baterai dapat mengalirkan arus listrik karena baterai mempunyai beda potensial antara kedua kutubnya yaitu kutub positif dan kutub negatif. Kutub positif mempunyai potensial lebih besar daripada kutub negatif. Dengan demikian, arus listrik pada baterai akan mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.
Perbedaan potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian dinamakan tegangan. Biasanya, baterai mempunyai tegangan yang tertulis pada bagian luarnya misalnya 1,5 V, artinya baterai tersebut mempunyai beda potensial antara kutub positif dan kutub negatif sebesar 1,5 V.
Seperti halnya arus listrik yang dapat diukur menggunakan amperemeter, tegangan (beda potensial) dapat juga diukur. Alat untuk mengukur beda potensial disebut voltmeter. Ada perbedaan cara mengukur beda potensial dengan cara mengukur arus. Arus listrik diukur dengan merangkai amperemeter secara seri dalam suatu rangkaian, sedangkan mengukur beda potensial listrik dilakukan dengan merangkai voltmeter secara sejajar (paralel) dalam suatu rangkaian.
Beda potensial dapat diukur jika rangkaian dalam keadaan tertutup dan ada arus listrik yang mengalir dari sebuah sumber arus listrik misalnya baterai. Tapi perlu diingat, voltmeter harus dirangkai secara paralel. Angka yang ditunjukkan oleh voltmeter merupakan beda potensial antara dua buah kutub.
6. Rangkaian Listrik
Sebuah rangkaian listrik terdiri dari beberapa komponen. Komponen listrik adalah alat-alat yang digunakan untuk membuat sebuah peranti dan dapat berfungsi jika dialiri arus listrik.
Saklar merupakan sebuah komponen listrik. Saklar digunakan untuk menyambungkan atau memutuskan arus listrik pada sebuah rangkaian listrik. Jika kamu menekan saklar pada posisi ON, berarti kamu telah membuat rangkaian menjadi tertutup dan arus listrik dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu menyala. Saklar diperlukan untuk mematikan dan menghidupkan sebuah alat listrik. Hampir semua peralatan yang menggunakan listrik mempunyai saklar. Misalnya, televisi, radio, kipas angin, mobil-mobilan, dan sebagainya.
Saklar diberi simbol
Sekring merupakan contoh komponen listrik lainnya. Jika kamu menghubungkan kutub positif dan kutub negatif pada baterai dengan kabel secara langsung, kamu telah membuat sebuah hubungan singkat. Hubungan singkat terjadi jika kutub-kutub yang berbeda dari
sebuah sumber arus dihubungkan tanpa melalui hambatan. Jika tegangannya sangat besar, maka hubungan singkat akan sangat berbahaya. Arus listrik yang mengalir dalam kabel akan sangat besar sehingga menimbulkan pemanasan pada kabel tersebut dan dapat mengakibatkan kebakaran. Mengapa arus yang mengalir dalam hubungan singkat dapat sangat besar? Hal ini karena dalam hubungan singkat hambatannya sangat kecil. Kebakaran sering terjadi akibat hubungan singkat tersebut. Jadi, kamu harus hati-hati dalam menggunakan listrik. Untuk menghindari bahaya tersebut, maka dipasang sekring. Fungsi sekring adalah untuk membatasi arus listrik yang mengalir. Sekring akan putus bila arusnya melebihi batas.
Sekring diberi simbol
a. Rangkaian Seri
Di dalam sebuah rangkaian terdapat komponen-komponen listrik, seperti lampu, kabel, amperemeter, voltmeter, dan sebagainya.
Telah disinggung pula bahwa untuk mengukur kuat arus listrik di dalam sebuah rangkaian tertutup, amperemeter harus disusun secara seri dengan sumber arus listrik misalnya baterai.
Rangkaian seri adalah rangkaian listrik di mana semua hambatan listrik (atau peralatan listrik) disusun berderet, ujung hambatan satu bersambungan dengan ujung hambatan yang lainnya. Dalam rangkaian seri, besarnya hambatan total rangkaian merupakan jumlah dari keseluruhan hambatan peralatan listrik yang disambungkan dalam rangkaian. Gambar di bawah merupakan sebuah contoh rangkaian seri. Pada rangkaian tersebut terdapat komponen-komponen listrik, yaitu baterai, tiga buah lampu, dan amperemeter. Sebuah rangkaian seri ditandai dengan tidak adanya percabangan di rangkaian tersebut.
b. Rangkaian Paralel
Selain rangkaian seri, sebuah rangkaian listrik dapat berupa rangkaian paralel. Pada rangkaian paralel, komponen-komponen listrik disusun secara paralel/sejajar dengan sumber arus listrik. Contoh sebuah rangkaian paralel ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Dalam rangkaian paralel, besarnya hambatan total dalam rangkaian lebih kecil dari hambatan setiap peralatan listrik yang disambungkan. Besarnya hambatan pengganti dari rangkaian seri dan paralel serta besarnya kuat arus dan tegangan yang mengalir dalam rangkaian akan dipelajari di subbab berikutnya tentang hambatan listrik.
Alat-alat listrik di rumah disusun secara paralel. Dengan cara ini, kita dapat menonton televisi dan menyalakan lampu secara bersamaan. Jika televisi dimatikan, lampu akan tetap menyala.
C. Rangkaian Listrik Tertutup
Ternyata, ada hubungan antara potensial, kuat arus listrik, dan hambatan listrik. Perlu diketahui bahwa setiap komponen listrik mempunyai hambatan (resistansi). Hubungan singkat terjadi karena dua kutub listrik yaitu kutub positif dan kutub negatif dihubungkan secara langsung tanpa adanya komponen listrik di antara keduanya. Dalam hal ini, komponen listrik bertindak sebagai hambatan karena pada dasarnya setiap alat listrik mempunyai hambatan.
1. Hubungan Kuat Arus Listrik, Beda Potensial, dan Hambatan
Telah disebutkan bahwa ada hubungan antara kuat arus listrik (I), beda potensial (V), dan hambatan (R). Hubungan antara tegangan (V) dan kuat arus listrik (I) dapat dibuat grafik, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.21.
Berdasarkan grafik tersebut dapat dicari harga gradiennya (ingat pelajaran matematika), yang secara matematis dituliskan sebagai berikut.
y = m · x
Dengan m adalah suatu tetapan atau gradien. Harga gradien ini dapat dicari melalui perbandingan berikut.
Secara analog, grafik V terhadap I dapat juga ditentukan gradiennya sebagai berikut.
Nilai m yang tetap tersebut kemudian disebut besaran hambatan listrik, yang diberi simbol R.
George Simone Ohm (1789–1854) meneliti hubungan antara potensial listrik (V), kuat arus (I), dan hambatan listrik (R). Secara matematis dituliskan sebagai berikut.
Rumus di atas dikenal sebagai Hukum Ohm, yaitu hambatan di dalam suatu rangkaian sama dengan tegangan dibagi arus.
2. Hukum Ohm dalam Keseharian
Dalam kehidupan sehari-hari, pengetahuan tentang Hukum Ohm sangat bermanfaat dalam pemilihan komponen-komponen listrik yang baik serta sesuai dengan besarnya tegangan yang tersedia. Misalnya, jika kamu menggunakan lampu baterai. Lampu baterai mempunyai tahanan yang dibuat sesuai dengan nilai tegangan yang besarnya tertentu. Jika lampu baterai tersebut dihubungkan dengan baterai yang tegangannya terlalu besar, maka lampu tersebut akan rusak. Sebaliknya jika lampu tersebut dihubungkan dengan baterai yang tegangannya terlalu kecil, lampu tersebut tidak akan menyala secara maksimal atau lampu tersebut akan terlihat redup.
Biasanya alat-alat listrik dibuat sedemikian rupa sehingga besarnya tegangan yang diperlukan untuk mengoperasikan alat tersebut dapat menggunakan sumber tegangan dari sumber listrik dari PLN. Untuk menyesuaikan kebutuhan tegangan yang diperlukan guna mengoperasikan alat tersebut, biasanya alat-alat listrik dibuat dengan menambahkan hambatan. Baik dari segi bahan pembuatannya, atau ditambahkan resistor lain untuk menambah tahanan alat tersebut.
3. Hambatan Jenis
Sekedar mengingatkan, arus listrik mirip dengan aliran arus air di dalam slang. Banyaknya air yang mengalir dari slang bergantung pada besarnya pipa. Semakin besar ukuran pipa, semakin besar pula air yang mengalir setiap waktu.
Hal serupa terjadi pada arus listrik. Kamu telah mengetahui bahwa arus listrik bergantung pada hambatan penghantarnya yaitu kabel dan komponen-komponen listrik yang terdapat dalam rangkaian tersebut. Hambatan listrik bergantung pada jenis bahan hambatan, panjang hambatan dan luas penampang yang dilalui arus listrik.
Nilai hambatan suatu penghantar bergantung pada hal-hal berikut ini.
a. Panjang kawat, semakin panjang kawat maka hambatan semakin besar.
b. Luas penampang kawat, semakin besar luas penampang maka hambatannya semakin kecil.
c. Jenis bahan.
Jika dituliskan dalam bentuk matematika, hambatan dapat dituliskan sebagai berikut.
Contoh beberapa jenis penghambat dalam rangkaian listrik:
a. rheostat
b. resistor pita warna
c. potensiometer
Hambatan jenis merupakan sifat khas dari suatu bahan. Bahan yang terbuat dari besi akan berbeda hambatan jenisnya dengan bahan yang terbuat dari tembaga. Sebuah penghantar misalnya kabel harus memiliki hambatan jenis yang kecil sehingga arus dari sumber tegangan tidak banyak yang hilang ketika sampai pada alat listrik.
Ukuran panjang dan luas penampang bahan juga memengaruhi hambatan sebuah bahan. Semakin panjang sebuah penghantar dan semakin kecil luas penampangnya, semakin besar hambatannya. Demikian sebaliknya.
Dari Hukum Ohm ini kita dapat mengetahui bahwa bentuk dan sifat-sifat bahan sebuah penghantar listrik memengaruhi nilai hambatannya. Semakin kecil nilai hambatan suatu bahan semakin baik bahan tersebut dijadikan penghantar listrik.
Panjang penghantar yang memengaruhi besarnya hambatan menjadi kendala bagi PLN untuk mendistribusikan listrik. Kamu bayangkan berapa ratus kilometer panjang kabel PLN yang digunakan untuk mendistribusikan arus listrik ini. Akan tetapi, hal ini dapat ditanggulangi dengan adanya alat transformator. Transformator berfungsi untuk meningkatkan atau menurunkan tegangan.
4. Konduktor, Isolator, dan Semikonduktor
Hukum Ohm menyatakan bahwa jenis bahan memengaruhi nilai hambatan listriknya. Sifat alami yang dimiliki suatu bahan adalah hambatan jenisnya. Hambatan jenis besi akan berbeda dengan hambatan jenis tembaga. Jika kamu mengganti kabel penghantar pada suatu rangkaian listrik dengan tali plastik, arus listrik ini pasti tidak akan mengalir. Mengapa demikian? Plastik merupakan bahan yang hambatan jenisnya sangat besar sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melaluinya.
Berdasarkan sifat menghantarkan listriknya, bahan dibedakan menjadi tiga kelompok, yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor. Konduktor adalah bahan-bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Bahan-bahan yang termasuk jenis konduktor ini di antaranya besi, baja, tembaga, dan nikel. Isolator adalah bahan-bahan yang sama sekali tidak dapat menghantarkan arus listrik. Contoh bahan-bahan yang termasuk isolator, di antaranya plastik, kayu kering, dan kertas.
Jika konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dan isolator merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik, semikonduktor merupakan bahan yang bersifat di antara isolator dan konduktor. Artinya, semikonduktor dapat menghantarkan arus listrik dan dapat pula tidak menghantarkan arus listrik. Sifat semikonduktor ini bergantung suhu. Jika suhu bahan semakin tinggi, bahan ini akan bersifat konduktor. Sebaliknya, jika suhunya semakin rendah bahan ini akan menjadi isolator.
Sifat-sifat semikonduktor dimanfaatkan dalam pembuatan komponen-komponen listrik seperti transistor dan IC (Integrated Circuit). Bahan-bahan semikonduktor contohnya germanium, silikon, dan selenium. Jika diperhatikan, alat-alat listrik yang ada di rumah pasti ada yang menggunakan bahan-bahan konduktor dan bahan isolator. Sebuah obeng dibuat dari bahan besi dengan pegangannya dibuat dari kayu atau plastik. Mengapa dirancang demikian? Rancangan seperti ini bermanfaat ketika digunakan untuk memperbaiki bagian dalam alat-alat elektronik, agar pengguna tidak terkena aliran listrik.
5. Hukum I Kirchhoff
Dalam sebuah rangkaian seringkali terdapat rangkaian yang rumit sehingga diperlukan teknik tertentu dalam menyelesaikan masalah-masalah yang berhubungan dengan rangkaian tersebut.
Gambar di atas memperlihatkan gambar sebuah rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.
Terlihat bahwa besarnya arus yang melalui R2, R3, dan R4 merupakan satu per tiganya dari arus listrik yang melalui R1 karena R2, R3, dan R4 nilainya sama. Kuat arus setelah melalui percabangan akan terbagi tiga sama besar.
Gustav Kirchhoff pada pertengahan abad ke-19 telah melakukan penelitian tentang perilaku arus listrik yang melalui sebuah percabangan. Hasil penelitian Kirchhoff ini dikenal sebagai Hukum Kirchhoff.
Hukum I Kirchhoff menyatakan bahwa arus listrik yang masuk melalui percabangan sama dengan arus yang keluar dari percabangan. Hukum II Kirchhoff menyatakan tentang beda potensial yang mengitari suatu rangkaian tertutup. Yang akan kamu pelajari berikut hanya Hukum I Kirchhoff.
Jika Gambardi atas disederhanakan, dan digambarkan percabangannya saja, maka diperoleh Gambar berikut.
Pada percabangan A, arus listrik I terbagi menjadi dua, yaitu yang melalui kawat ab yakni I1, I2, I3 dan yang melalui kawat cd, yaitu I4. Setelah melalui percabangan, arus listrik ini berkumpul kembali dan keluar melalui titik B, sehingga arus yang memasuki percabangan akan sama dengan arus yang keluar dari percabangan.
6. Rangkaian Hambatan Listrik (Resistor)
Besarnya kuat arus mengikuti turunan Hukum Ohm, yaitu besarnya arus yang melewati suatu rangkaian merupakan hasil bagi antara tegangan V dan hambatan R.
a. Rangkaian Seri Resistor
Rangkaian seri resistor adalah rangkaian yang terdiri atas sumber tegangan dan minimal dua resistor (hambatan listrik) yang disusun secara berderet. Kuat arus listrik yang mengalir pada setiap resistor adalah sama besar dan besar tegangan tergantung besar hambatan. Rangkaian seri dapat juga disebut sebagai rangkaian pembagi tegangan.
Gambar di atas memperlihatkan empat buah resistor yang disusun secara seri. Telah disebutkan bahwa rangkaian seri resistor merupakan rangkaian pembagi tegangan. Dari rangkaian tersebut dapat diperoleh persamaan tegangan sebagai berikut.
E = Vae = Vab + Vbc + Vcd + Vde
Menurut hukum Ohm tegangan merupakan hasil kali kuat arus I dan hambatan R. Dengan demikian persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut.
E = Vae = Iab · R1 + Ibc · R2 + Icd · R3 + Ide · R4
Karena di dalam rangkaian seri kuat arus yang melalui setiap resistor besarnya sama, persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut.
E = Vae = I · R1 + I · R2 + I · R3 + I · R4
E = Vae = I · (R1 + R2 + R3 + R4)
E = Vae = I · Rs
Rs adalah hambatan pengganti dari rangkaian resistor yang dirangkai seri.
Rs = R1 + R2 + R3 + R4
Secara umum persamaan tahanan pengganti dari resistor yang disusun secara seri dituliskan sebagai berikut.
Rs = R1 + R2 + R3 + R4 + … Rn ………
b. Rangkaian Paralel Resistor
Rangkaian paralel resistor adalah rangkaian yang terdiri atas resistor yang disusun paralel/sejajar satu sama lainnya. Jika pada rangkaian seri, arus yang melalui resistor akan sama dan tegangannya berbeda bergantung pada nilai hambatannya. Adapun pada rangkaian paralel resistor, arus yang melalui setiap hambatan akan berbeda dan tegangan setiap resistor akan sama. Gambar di bawah merupakan gambar sebuah rangkaian paralel resistor.
Berdasarkan Hukum I Kirchhoff diperoleh:
Telah disebutkan bahwa tegangan pada setiap resistor pada rangkaian paralel adalah sama.
Vab = Vcd = Vef = Vgh = V
Sehingga diperoleh:
Dengan demikian hambatan pengganti paralel dirumuskan:
7. Jembatan Wheatstone
Jembatan Wheatstone merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengukur tahanan yang tidak diketahui nilainya. Perhatikan Gambar berikut.
Misal tahanan R1 tidak diketahui. Tahanan R2, R3, dan R4 diatur sampai tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer. Maka VA = VB, I1 = I2, dan I3 = I4 dan dapat diperlihatkan bahwa
Dari persamaan tersebut, maka R1 dapat dihitung.
artikel ini disalin lengkap dari:
halaman utama website:
Jika ada waktu, Dimohon untuk Membuka Halaman Utama website yang telah saya salin artikelnya ya!
Sering sekali kita mendengar dan berhubungan dengan listrik. Segala pekerjaan kita dipermudah dengan adanya listrik. Adanya listrik mendorong manusia untuk menemukan alat-alat berteknologi canggih guna membantu memudahkan pekerjaan manusia. Setiap hari kita tak pernah lepas dari segala sesuatu yang berhubungan dengan listrik. Semua alat-alat listrik yang kita gunakan sekarang tidak akan ada jika tidak ada orang yang menemukan listrik.
Sebenarnya, pengetahuan tentang listrik dimulai dari teori atom, yaitu dengan ditemukannya atom dan teori-teori yang menjelaskan tentang perkiraan-perkiraan struktur atom.
1. Struktur Atom
Atom dalam bahasa Yunani atomos yang berarti tidak dapat dibagi-bagi lagi. Atom berarti juga partikel dari suatu materi yang paling kecil. Pendapat bahwa atom merupakan bagian terkecil dari sebuah materi akhirnya runtuh setelah J.J. Thomson, seorang ahli Fisika
Inggris berhasil menemukan elektron. Elektron berada di dalam atom.
Penelitian mengenai atom lebih lanjut dilakukan oleh Ernest Rutherford. Rutherford melalui percobaannya menyimpulkan bahwa selain elektron, di dalam atom juga terdapat sebuah muatan positif. Muatan positif ini kemudian disebut sebagai proton.
Penemuan elektron oleh J.J. Thomson dan proton oleh Rutherford dilengkapi dengan hasil penelitian Niels Bohr. Hasil penelitian ini seakan-akan membuktikan kebenaran penelitian-penelitian sebelumnya. Dari hasil penelitiannya Bohr menyimpulkan bahwa atom terdiri atas inti atom dan kulit atom. Inti atom terdiri atas muatan positif atau proton dan muatan netral atau neutron. Inti atom ini dikelilingi oleh elektron yang menempati kulit atom. Struktur atom yang terdiri atas inti atom dan kulit atom ditunjukkan pada gambar berikut.
Penelitian lebih jauh dapat diketahui bahwa massa inti atom lebih besar daripada massa elektron. Massa inti hampir sama dengan massa atomnya sendiri. Hampir semua massa atom berpusat pada inti atom.
Sistem atom ini mempunyai kemiripan dengan tata surya di mana bumi kita sebagai salah satu anggotanya. Di dalam tata surya matahari bertindak sebagai inti dan planet-planetnya mengelilingi matahari. Penjelasan lebih mendalam mengenai atom ini dijelaskan pada bab khusus Teori Atom di SMA.
2. Muatan Listrik
Sisir yang telah digosok dengan kain wol dapat menarik sobekan-sobekan kertas. Pada awalnya, kain wol dan sisir keduanya tidak bermuatan. Tidak bermuatan berarti jumlah elektron dan proton dalam atom plastik dan wol tersebut adalah sama. Gosokan kain wol pada sisir mengakibatkan elektron-elektron yang terdapat pada kain wol berpindah ke sisir. Dengan demikian, sisir tersebut akan menerima elektron dari kain wol sehingga jumlah elektronnya lebih banyak daripada protonnya. Sisir tersebut menjadi bermuatan negatif. Ketika didekatkan dengan sobekan-sobekan kertas, sobekan-sobekan kertas ini akan tertarik oleh sisir tersebut. Dengan menggosok-gosokkan dua benda (sisir dan kain wol) dapat membuat benda bermuatan listrik. Metode ini disebut metode gesekan. Contoh lain adalah ebonit akan bermuatan negatif jikadigosok dengan kain wol dan kaca akan bermuatan positif jika digosok dengan kain sutra. Jadi, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda yang bermuatan listrik dapat menarik bendabenda di sekitarnya. Listrik statis adalah listrik yang muatanmuatannya tidak mengalir atau ada dalam keadaan diam.
Mengapa sisir, kain wol, dan benda-benda lainnya dapat mempunyai muatan? Setiap materi tersusun oleh partike-lpartikel dan setiap partikel tersusun oleh atom-atom. Atom terdiri atas inti atom yang tersusun oleh proton dan neutron. Inti atom ini diselimuti oleh kulit atom. Pada kulit atom, terdapat elektron-elektron. Proton disebut juga muatan positif, sedangkan neutron merupakan muatan listrik netral. Adapun elektron adalah muatan listrik negatif.
Jika suatu materi mempunyai jumlah proton sama dengan jumlah elektron, materi tersebut dikatakan tidak bermuatan atau netral. Jika jumlah proton lebih banyak daripada jumlah elektron, sehingga atom-atomnya kekurangan elektron, maka atom tersebut dikatakan bermuatan positif. Adapun atom dikatakan bermuatan negatif jika jumlah elektron lebih banyak daripada jumlah proton, sehingga atom-atomnya kelebihan elektron.
a. Muatan Listrik Elementer
Telah disebutkan bahwa suatu benda dikatakan bermuatan listrik jika atom-atom benda tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Besarnya muatan listrik bergantung pada seberapa banyak atom-atom tersebut kekurangan atau kelebihan elektron. Semakin banyak atom-atomnya kekurangan atau kelebihan elektron, maka semakin besar muatannya.
Dalam sistem satuan internasional (SI), satuan muatan adalah Coulomb (C). muatan listrik sebuah elektron, proton, dan neutron:
Muatan elektron= –1,6 × 10^-19 Coulomb
Muatan proton = +1,6 × 10^-19 Coulomb
Muatan neutron = 0 (tidak bermuatan)
b. Interaksi Muatan Listrik
Kamu telah mengetahui bahwa suatu benda dapat bermuatan dengan cara digosok. Jika kita cermati, Tuhan Yang Maha Esa telah menciptakan makhluk-Nya dengan berpasang-pasangan, contohnya ada laki-laki dan ada perempuan. Pasangan-pasangan tersebut akan berinteraksi baik dengan pasangannya maupun dengan sesamanya. Begitupun muatan, muatan ada yang bermuatan positif dan
ada yang bermuatan negatif.
Ketika kamu menggosok-gosok mistar plastik dengan kain wol, kamu telah membuat kedua mistar plastik tersebut bermuatan negatif. Kedua mistar plastik yang telah bermuatan negatif tersebut didekatkan satu sama lain, ternyata ada sebuah gaya yang menentang atau menolak kedua penggaris tersebut untuk bersentuhan. Charles Augustin de Coulomb telah meneliti fenomena ini dan menyimpulkan bahwa ada interaksi antara muatan-muatan listrik.
Bagaimana interaksi muatan-muatan listrik. Dua buah mistar yang bermuatan negatif akan terjadi interaksi saling menolak. Coulomb telah menemukan bahwa jika dua muatan sejenis didekatkan, di antara keduanya akan terjadi interaksi saling menolak. Sedangkan jika dua muatan yang tidak sejenis didekatkan, akan terjadi interaksi saling menarik.
Ketika kamu menggosokkan kain wol ke mistar plastik, maka terjadi perpindahan elektron dari wol ke mistar plastik sehingga mistar plastik tersebut bermuatan listrik negatif. Penggosokan batang kaca dengan kain sutra menyebabkan elektron pindah dari kaca ke sutra sehingga batang kaca bermuatan positif. Ketika didekatkan, antara mistar plastik dan batang kaca terjadi gaya tarik-menarik. Mengapa hal ini terjadi? Sesuai dengan yang disimpulkan oleh Coulomb bahwa muatan tidak sejenis akan tarik-menarik. Mistar dan batang kaca pada kegiatan ini mempunyai muatan yang tidak sejenis, sehingga antara keduanya terjadi gaya tarikmenarik. Contoh benda-benda yang bermuatan listrik karena digosok dengan benda lain ditunjukkan pada tabel berikut.
Tabel muatan listrik suatu benda karena digosok benda lain.
| Benda | Digosok dengan | Muatan Listrik |
| Plastik | kain wol | negatif |
| Ebonit | kain wol | negatif |
| Kaca | kain sutera | positif |
| Sisir | rambut | negatif |
Ketika dua buah muatan sejenis didekatkan satu sama lain, terdapat sebuah gaya yang saling menolak yang mencegah kedua muatan tersebut bersatu. Sebaliknya, jika dua buah muatan yang berlainan jenis didekatkan, akan timbul gaya saling menarik. Gaya tolak-menolak dan gaya tarik-menarik ini disebut gaya elektrostatis.
Coulomb berhasil menghitung besarnya gaya antarmuatan ini. Sebagai penghargaan atas penemuannya, gaya antarmuatan ini dinamakan gaya Coulomb. Dalam penelitiannya, Coulomb menggunakan alat yang dinamakan neraca puntir, seperti terlihat pada gambar berikut.
Jika bola A dan B yang bermuatan sejenis didekatkan, maka akan tolak menolak, sehingga lengan neraca terpuntir dari kedudukan seimbang. Makin besar sudut puntiran lengan neraca, makin besar gaya listrik. Coulomb mengukur gaya listrik untuk berbagai pasangan bola A dan B yang muatan listriknya berbeda dan gaya listrik antara pasangan bola A dan B untuk berbagai jarak pisah dengan dasar sudut puntiran tersebut.
Dari hasil penelitiannya, Charles Coulomb menyimpulkan sebagai berikut. “Besarnya gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda yang bermuatan listrik sebanding dengan hasil kali kedua muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan tersebut”
Misalkan muatan pertama dilambangkan dengan Q1, muatan kedua dilambangkan dengan Q2, dan jarak antara kedua muatan tersebut dilambangkan r. Besarnya gaya coulomb dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.
Selain dipengaruhi oleh muatan dan jarak antarmuatan, gaya Coulomb juga dipengaruhi oleh medium di antara kedua muatan tersebut. Gaya Coulomb antara dua muatan yang terletak di dalam medium air akan berbeda ketika kedua muatan tersebut terletak di udara.
d. Elektroskop
Bagaimana mengetahui sebuah benda bermuatan atau tidak? Untuk mengetahui apakah sebuah benda bermuatan atau tidak dapat diamati menggunakan alat yang dinamakan elektroskop. Elektroskop yang paling umum digunakan adalah elektroskop lembaran emas. Skema elektroskop terlihat seperti gambar berikut.
Prinsip kerja alat ini berdasarkan sifat muatan, yaitu akan saling menolak jika didekatkan dengan muatan yang sejenis. Elektroskop berbentuk tabung. Di dalam tabung terdapat lembaran emas yang dapat diberi muatan dari bagian atas melalui sebuah kawat konduktor. Jika sebuah benda bermuatan ditempelkan pada kawat konduktor, maka lembaran emas dan batang akan bermuatan pula. Karena jenis muatannya sama, keduanya akan saling menolak dan lembaran emas akan menjauhi batang membentuk huruf “V” terbalik. Semakin besar muatan yang diberikan, lembaran tersebut semakin jauh membuka. Dengan demikian kita dapat mengetahui bahwa benda yang ditempelkan pada ujung atas elektroskop bermuatan.
Bagaimana menentukan jenis muatan listrik suatu benda? Kamu tidak dapat menggunakan elektroskop netral untuk menentukan jenis muatan suatu benda, oleh karena itu kamu harus menggunakan elektroskop bermuatan listrik. Misal elektroskop bermuatan negatif yang daun/lembarannya mekar. Perhatikan gambar berikut.
Gambar a menunjukkan sebuah elektroskop bermuatan listrik negatif. Ketika didekati suatu benda bermuatan listrik, lembaran/daun pada elektroskop makin naik, berarti benda bermuatan yang didekatkan kepala elektroskop mempunyai muatan yang sejenis dengan muatan elektroskop, yaitu bermuatan negatif (Gambar b). Sebaliknya pada Gambar c ketika kepala elektroskop didekati benda bermuatan listrik, lembaran/daun elektroskop makin turun (lebih menguncup). Ini berarti benda bermuatan yang didekatkan pada kepala elektroskop mempunyai muatan yang tidak sejenis dengan muatan elektroskop. Muatan benda bermuatan
yang didekatkan kepala elektroskop tersebut bermuatan positif.
3. Induksi Listrik
Kamu telah mengetahui bahwa sebuah benda dapat bermuatan listrik dengan cara digosok. Selain digosok, sebuah benda dapat bermuatan dengan cara induksi. Bagaimana terjadinya induksi listrik?
Gambar di atas memperlihatkan sebuah batang P yang tidak bermuatan (netral). Terlihat bahwa jumlah elektron dan jumlah protonnya sama. Ketika sebuah batang Q yang bermuatan negatif didekatkan pada ujung B, muatan-muatan pada batang P akan bereaksi. Semua muatan negatif akan menolak muatan negatif yang berasal dari batang Q, sedangkan semua muatan positif akan tertarik oleh batang Q. Hal ini sesuai dengan sifat elektron yang akan saling menolak jika muatannya sama dan akan saling menarik jika muatannya berbeda.
Muatan negatif batang P akan berkumpul di ujung A dan muatan positif akan berkumpul di ujung B. Jika ujung A batang P didekatkan pada elektroskop, apa yang terjadi? Keping yang terdapat pada elektroskop pasti akan membuka karena memperoleh muatan sejenis yaitu muatan negatif dari ujung A batang P. Peristiwa ini disebut sebagai induksi listrik.
4. Medan Listrik
Konon, ketika Newton menemukan hukum gravitasi, diilhami oleh sebuah apel yang jatuh dari pohonnya ke tanah. Newton memikirkan mengapa hal tersebut terjadi. Hasil pemikirannya sampai pada sebuah kesimpulan bahwa di antara dua buah benda yang mempunyai massa ada interaksi tarikmenarik. Kesimpulan ini terkenal dengan hukum gravitasi Newton.
Buah apel akan jatuh ke tanah karena ada gaya tarik bumi yang disebut gaya gravitasi. Massa bumi jauh lebih besar daripada massa sebuah apel. Oleh karena itu, apel akan tertarik oleh bumi, bukan sebaliknya. Dalam hal ini, dikatakan bahwa apel terletak pada medan gravitasi bumi.
Dua buah muatan yang diletakkan pada jarak tertentu akan mengalami hal serupa dengan buah apel yang jatuh ke bumi. Sebuah muatan akan mempunyai medan listrik di sekitarnya sehingga jika sebuah muatan uji diletakkan pada jarak tertentu, muatan uji tersebut akan mengalami gaya tarik atau gaya tolak dari muatan tersebut selama muatan uji tersebut berada dalam medan listrik bermuatan.
Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik. Benda bermuatan listrik mempunyai garis-garis, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah . Garis-garis gaya listrik pada muatan positif bergerak ke luar. Sedangkan pada muatan negatif garis-garis gayanya menuju pusat. Garis-garis gaya berasal dari muatan positif menuju muatan negatif seperti ditunjukkan pula pada gambar berikut.
Misalkan, sebuah muatan uji q diletakkan pada jarak tertentu dari muatan Q. Ternyata, muatan uji tersebut akan tertarik oleh muatan Q. Dalam hal ini muatan uji q berada di dalam medan listrik muatan Q. Bagaimana menentukan besarnya kuat medan listrik muatan Q?
Kuat medan listrik didefinisikan sebagai berikut. “Besarnya gaya Coulomb yang dialami oleh sebuah muatan uji q akibat adanya muatan Q dibagi dengan besarnya muatan uji q”
Dalam bentuk matematis, definisi tersebut dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.
Dari Persamaan di atas terlihat bahwa untuk mengetahui besarnya kuat medan listrik dari sebuah muatan, kita hanya memerlukan besarnya muatan tersebut serta jarak muatan uji dari muatan yang akan dicari besar medan listriknya. Terlihat bahwa semakin besar muatannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk jarak yang sama. Semakin dekat muatan uji dari suatu muatan yang akan dicari kuat medannya, semakin besar kuat medan listriknya untuk muatan yang sama.
6. Penerapan Listrik Statis
Listrik statis juga dapat dihasilkan dengan menggunakan generator listrik statis. Contoh generator listrik statis adalah generator Van de Graaff (gambar berikut).
Generator Van de Graaff menghasilkan listrik statis yang besar dengan metode gesekan. Gesekan antara silinder logam bawah dengan sabuk karet menimbulkan muatan listrik negatif pada sabuk karet. Gesekan antara silinder politen atas dengan sabuk karet menimbulkan muatan positif pada sabuk karet. Jadi, gerak sabuk karet ke atas selalu membawa muatan listrik negatif dan gerak ke bawah selalu membawa muatan listrik positif. Muatan listrik negatif menempati permukaan luar bola yaitu kubah. Di dalam bola tidak ada muatan listrik. Karena sabuk karet terus bergerak, maka muatan listrik negatif pada kubah terus bertambah. Muatan listrik positif pada sabuk karet bawah mengalir ke tanah, sehingga muatan ini dinetralkan oleh muatan listrik dari tanah.
Contoh penerapan listrik statis antara lain sebagai berikut.
a. Pengendap elektrostatis pada cerobong asap, fungsinya membersihkan gas buang yang keluar melalui cerobong asap agar tidak mengandung partikel-partikel pencemar.
b. Pengecatan mobil, penggunaan penyemprot cat elektrostatis.
c. Mesin fotokopi (selain menerapkan konsep optik).
d. Petir
Petir merupakan fenomena listrik statis yang sering terjadi pada waktu hujan badai. Awan badai terbentuk oleh uap air, debu, garam dari lautan, dan bahan-bahan lainnya. Di dalamnya arus udara mengalir dengan kencang sehingga menyebabkan partikel-partikel di dalam awan tersebut tersebut saling bertabrakan. Pada peristiwa tabrakan itu terjadi pelepasan elektron antara partikel yang satu dengan partikel yang lain. Partikel yang kehilangan elektron akan bermuatan positif sedangkan partikel yang menerima elektron akan bermuatan negatif. Para ilmuwan belum mengetahui secara pasti mengapa partikel yang relatif lebih berat cenderung bermuatan negatif dan partikel yang lebih ringan cenderung bermuatan positif. Hal inilah yang menyebabkan pada bagian bawah awan berkumpul partikel bermuatan negatif dan pada bagian atas awan berkumpul partikel bermuatan positif.
Selama hujan badai terjadi, bumi yang bermuatan positif akan menarik awan yang bermuatan negatif ke bawah. Pada proses ini muatan akan mencari proses penyaluran yang paling pendek, yaitu tempat-tempat yang paling dekat dengan awan, seperti gedung-gedung tinggi, pohon, dan antena pemancar. Ketika terjadi petir, suhunya dapat mencapai ribuan derajat Celsius dan mengandung energi ribuan mega volt. Kekuatan petir dapat menghancurkan gedung, membunuh hewan dan manusia, serta dapat memusnahkan pohon menjadi serpihan-serpihan. Untuk melindungi gedung-gedung pencakar langit dari petir, Benjamin Franklin, ilmuwan abad ke-17, memprakarsai pembuatan penangkal petir. Saat ini para ilmuwan banyak melakukan eksperimen untuk memanfaatkan energi listrik
dalam petir yang sangat besar.
B. Listrik Dinamis
Lampu pijar merupakan aplikasi pemanfaatan listrik. Lampu pijar menghasilkan energi cahaya dengan prinsip arus mengalir melewati kawat tipis dan menimbulkan sinar putih–panas. Saat arus listrik mengalir melalui kumparan, kumparan akan panas secara cepat dan memancarkan cahaya.
1. Pengertian Arus Listrik
Energi potensial adalah energi yang dimiliki sebuah benda karena benda tersebut mempunyai ketinggian. Ketinggian ini diukur relatif dari tanah. Energi potensial ini dapat berubah menjadi energi gerak (energi kinetik). Air dapat mengalir melalui selang karena adanya beda potensial antara tempat penampungan air yang berada pada suatu ketinggian dengan ujung selang yang kamu pegang. Karena beda potensial ini air mengalir melalui slang. Aliran air ini dinamakan arus. Semakin tinggi tempat penampungan air diletakkan, semakin deras arus air yang keluar dari ujung slang.
Perumpamaan arus listrik mirip dengan arus air yang melalui slang. Jika pada arus air, yang mengalir adalah air, sedangkan pada arus listrik yang mengalir adalah muatan listrik. Pada abad ke-19, para ilmuwan telah sepakat bahwa arus listrik merupakan aliran muatan positif pada suatu penghantar karena perbedaan potensial.
Ternyata, setelah ditemukan elektron oleh J.J. Thompson, anggapan ini keliru. Bukan muatan positif yang mengalir, melainkan muatan negatif atau elektron. Akan tetapi, anggapan bahwa arus listrik mengalir dari kutub yang bermuatan positif ke kutub yang bermuatan negatif masih digunakan. Hal ini dikarenakan kuantitas banyaknya elektron yang mengalir dalam satu arah sama dengan jumlah muatan negatif yang mengalir dalam arah berlawanan. Pengertian arus listrik merupakan aliran muatan positif dari potensial tinggi ke potensial rendah disebut arus konvensional. Perhatikan gambar berikut!
Pada pembahasan tentang beda potensial listrik telah dibahas bahwa suatu benda mempunyai beda potensial tertentu. Semakin besar beda potensial listrik semakin besar arus listrik yang dapat ditimbulkan. Tidak seperti aliran air, aliran arus listrik tidak dapat kamu lihat. Akan tetapi bukti bahwa arus listrik memang ada dapat kamu lihat pada lampu di rumahmu yang menyala merupakan.
Gambar 5di atas merupakan rangkaian sederhana yang membuktikan bahwa arus listrik mengalir pada rangkaian tersebut yang ditandai dengan menyalanya lampu ketika saklar ditutup. Dengan menutup saklar, menjadikan rangkaian tersebut menjadi rangkaian tertutup sehingga arus listrik dapat mengalir.
Ada istilah penting yang sering digunakan dalam pembahasan listrik dinamis yaitu rangkaian listrik tertutup dan rangkaian listrik terbuka. Ketika kamu menyambungkan saklar, arus listrik dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu dapat menyala. Sebaliknya, jika saklar terbuka, arus listrik tidak dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu tidak menyala.
2. Kuat Arus Listrik
Jika sebuah lampu senter dinyalakan dan baterai yang digunakan adalah baterai baru, apa yang terjadi? Lampu senter tersebut akan menyala terang. Akan tetapi cahaya lampu senter yang terang tidak akan bertahan selamanya. Semakin lama lampu senter tersebut dinyalakan, cahaya lampu senter tersebut semakin redup.
Mobil-mobilan yang menggunakan baterai akan melaju dengan cepat dan lincah jika baterai yang digunakannya masih baru. Akan tetapi, mobil-mobilan tersebut akan semakin lemah jika baterainya semakin sering digunakan.
Dari kedua contoh di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa kuat arus dipengaruhi oleh potensial sumber arus listrik tersebut. Semakin besar beda potensialnya, semakin besar kuat arus yang dapat dihasilkannya. Perhatikan sebuah baterai. Sebuah baterai mempunyai dua kutub, yaitu kutub positif dan kutub negatif. Kutub positif mempunyai potensial lebih besar daripada kutub negatif. Oleh karena itu, muatan listrik dapat mengalir dari kutub positif ke kutub negatif. Aliran muatan ini semakin lama semakin kecil. Jadi, ada hubungan antara kuat arus dan waktu.
Kuat arus listrik didefinisikan sebagai banyaknya muatan listrik yang mengalir setiap sekon. Kuat arus listrik dilambangkan dengan I dan satuannya adalah ampere (A). Satu ampere merupakan muatan 1 Coulomb yang mengalir setiap satu sekon. Jika definisi kuat arus ini dituliskan dalam bentuk matematika, diperoleh:
3. Mengukur Kuat Arus Listrik
Telah disebutkan bahwa kuat arus listrik mempunyai satuan ampere. Satu ampere didefinisikan sebagai banyaknya muatan yang mengalir setiap satu sekon. Untuk mengukur kuat arus listrik digunakan sebuah alat yang dinamakan amperemeter. Penggunaan amperemeter ini dihubungkan dengan kedua kutub baterai yaitu kutub positif dan kutub negatif sedemikian sehingga arus listrik dari baterai melewati amperemeter.
Ketika amperemeter dihubungkan dengan baterai, jarum amperemeter tersebut akan bergerak. Hal ini menandakan bahwa baterai tersebut masih dapat mengeluarkan arus listrik dan rangkaiannya benar.
4. Potensial Listrik
Angkatlah sebuah beban yang terletak pada lantai setinggi h. Ketika kamu mengangkat beban tersebut, kamu mengeluarkan gaya untuk melawan gaya tarik gravitasi terhadap benda tersebut. Besarnya gaya yang kamu berikan dikalikan perpindahan benda dari keadaan semula dalam hal ini ketinggian h dinamakan usaha. Usaha juga dapat dihitung dengan menghitung beda potensial ketika benda berada di atas lantai dan ketika benda berada pada ketinggian h.
Hal serupa terjadi ketika sebuah muatan uji +q yang berada dalam sebuah medan listrik dari sebuah muatan –Q digerakkan menjauhi muatan –Q. Karena antara kedua muatan ini saling menarik, diperlukan sebuah usaha untuk memindahkan muatan uji q tersebut. Besarnya usaha dibagi besarnya muatan uji dinamakan beda potensial listrik. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
5. Beda Potensial Listrik
Arus listrik dapat mengalir karena adanya beda potensial. Baterai dapat mengalirkan arus listrik karena baterai mempunyai beda potensial antara kedua kutubnya yaitu kutub positif dan kutub negatif. Kutub positif mempunyai potensial lebih besar daripada kutub negatif. Dengan demikian, arus listrik pada baterai akan mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.
Perbedaan potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian dinamakan tegangan. Biasanya, baterai mempunyai tegangan yang tertulis pada bagian luarnya misalnya 1,5 V, artinya baterai tersebut mempunyai beda potensial antara kutub positif dan kutub negatif sebesar 1,5 V.
Seperti halnya arus listrik yang dapat diukur menggunakan amperemeter, tegangan (beda potensial) dapat juga diukur. Alat untuk mengukur beda potensial disebut voltmeter. Ada perbedaan cara mengukur beda potensial dengan cara mengukur arus. Arus listrik diukur dengan merangkai amperemeter secara seri dalam suatu rangkaian, sedangkan mengukur beda potensial listrik dilakukan dengan merangkai voltmeter secara sejajar (paralel) dalam suatu rangkaian.
Beda potensial dapat diukur jika rangkaian dalam keadaan tertutup dan ada arus listrik yang mengalir dari sebuah sumber arus listrik misalnya baterai. Tapi perlu diingat, voltmeter harus dirangkai secara paralel. Angka yang ditunjukkan oleh voltmeter merupakan beda potensial antara dua buah kutub.
6. Rangkaian Listrik
Sebuah rangkaian listrik terdiri dari beberapa komponen. Komponen listrik adalah alat-alat yang digunakan untuk membuat sebuah peranti dan dapat berfungsi jika dialiri arus listrik.
Saklar merupakan sebuah komponen listrik. Saklar digunakan untuk menyambungkan atau memutuskan arus listrik pada sebuah rangkaian listrik. Jika kamu menekan saklar pada posisi ON, berarti kamu telah membuat rangkaian menjadi tertutup dan arus listrik dapat mengalir dalam rangkaian sehingga lampu menyala. Saklar diperlukan untuk mematikan dan menghidupkan sebuah alat listrik. Hampir semua peralatan yang menggunakan listrik mempunyai saklar. Misalnya, televisi, radio, kipas angin, mobil-mobilan, dan sebagainya.
Saklar diberi simbol
Sekring merupakan contoh komponen listrik lainnya. Jika kamu menghubungkan kutub positif dan kutub negatif pada baterai dengan kabel secara langsung, kamu telah membuat sebuah hubungan singkat. Hubungan singkat terjadi jika kutub-kutub yang berbeda dari
sebuah sumber arus dihubungkan tanpa melalui hambatan. Jika tegangannya sangat besar, maka hubungan singkat akan sangat berbahaya. Arus listrik yang mengalir dalam kabel akan sangat besar sehingga menimbulkan pemanasan pada kabel tersebut dan dapat mengakibatkan kebakaran. Mengapa arus yang mengalir dalam hubungan singkat dapat sangat besar? Hal ini karena dalam hubungan singkat hambatannya sangat kecil. Kebakaran sering terjadi akibat hubungan singkat tersebut. Jadi, kamu harus hati-hati dalam menggunakan listrik. Untuk menghindari bahaya tersebut, maka dipasang sekring. Fungsi sekring adalah untuk membatasi arus listrik yang mengalir. Sekring akan putus bila arusnya melebihi batas.
Sekring diberi simbol
a. Rangkaian SeriDi dalam sebuah rangkaian terdapat komponen-komponen listrik, seperti lampu, kabel, amperemeter, voltmeter, dan sebagainya.
Telah disinggung pula bahwa untuk mengukur kuat arus listrik di dalam sebuah rangkaian tertutup, amperemeter harus disusun secara seri dengan sumber arus listrik misalnya baterai.
Rangkaian seri adalah rangkaian listrik di mana semua hambatan listrik (atau peralatan listrik) disusun berderet, ujung hambatan satu bersambungan dengan ujung hambatan yang lainnya. Dalam rangkaian seri, besarnya hambatan total rangkaian merupakan jumlah dari keseluruhan hambatan peralatan listrik yang disambungkan dalam rangkaian. Gambar di bawah merupakan sebuah contoh rangkaian seri. Pada rangkaian tersebut terdapat komponen-komponen listrik, yaitu baterai, tiga buah lampu, dan amperemeter. Sebuah rangkaian seri ditandai dengan tidak adanya percabangan di rangkaian tersebut.
b. Rangkaian Paralel
Selain rangkaian seri, sebuah rangkaian listrik dapat berupa rangkaian paralel. Pada rangkaian paralel, komponen-komponen listrik disusun secara paralel/sejajar dengan sumber arus listrik. Contoh sebuah rangkaian paralel ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Dalam rangkaian paralel, besarnya hambatan total dalam rangkaian lebih kecil dari hambatan setiap peralatan listrik yang disambungkan. Besarnya hambatan pengganti dari rangkaian seri dan paralel serta besarnya kuat arus dan tegangan yang mengalir dalam rangkaian akan dipelajari di subbab berikutnya tentang hambatan listrik.
Alat-alat listrik di rumah disusun secara paralel. Dengan cara ini, kita dapat menonton televisi dan menyalakan lampu secara bersamaan. Jika televisi dimatikan, lampu akan tetap menyala.
C. Rangkaian Listrik Tertutup
Ternyata, ada hubungan antara potensial, kuat arus listrik, dan hambatan listrik. Perlu diketahui bahwa setiap komponen listrik mempunyai hambatan (resistansi). Hubungan singkat terjadi karena dua kutub listrik yaitu kutub positif dan kutub negatif dihubungkan secara langsung tanpa adanya komponen listrik di antara keduanya. Dalam hal ini, komponen listrik bertindak sebagai hambatan karena pada dasarnya setiap alat listrik mempunyai hambatan.
1. Hubungan Kuat Arus Listrik, Beda Potensial, dan Hambatan
Telah disebutkan bahwa ada hubungan antara kuat arus listrik (I), beda potensial (V), dan hambatan (R). Hubungan antara tegangan (V) dan kuat arus listrik (I) dapat dibuat grafik, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.21.
Berdasarkan grafik tersebut dapat dicari harga gradiennya (ingat pelajaran matematika), yang secara matematis dituliskan sebagai berikut.
y = m · x
Dengan m adalah suatu tetapan atau gradien. Harga gradien ini dapat dicari melalui perbandingan berikut.
Secara analog, grafik V terhadap I dapat juga ditentukan gradiennya sebagai berikut.
Nilai m yang tetap tersebut kemudian disebut besaran hambatan listrik, yang diberi simbol R.
George Simone Ohm (1789–1854) meneliti hubungan antara potensial listrik (V), kuat arus (I), dan hambatan listrik (R). Secara matematis dituliskan sebagai berikut.
Rumus di atas dikenal sebagai Hukum Ohm, yaitu hambatan di dalam suatu rangkaian sama dengan tegangan dibagi arus.
2. Hukum Ohm dalam Keseharian
Dalam kehidupan sehari-hari, pengetahuan tentang Hukum Ohm sangat bermanfaat dalam pemilihan komponen-komponen listrik yang baik serta sesuai dengan besarnya tegangan yang tersedia. Misalnya, jika kamu menggunakan lampu baterai. Lampu baterai mempunyai tahanan yang dibuat sesuai dengan nilai tegangan yang besarnya tertentu. Jika lampu baterai tersebut dihubungkan dengan baterai yang tegangannya terlalu besar, maka lampu tersebut akan rusak. Sebaliknya jika lampu tersebut dihubungkan dengan baterai yang tegangannya terlalu kecil, lampu tersebut tidak akan menyala secara maksimal atau lampu tersebut akan terlihat redup.
Biasanya alat-alat listrik dibuat sedemikian rupa sehingga besarnya tegangan yang diperlukan untuk mengoperasikan alat tersebut dapat menggunakan sumber tegangan dari sumber listrik dari PLN. Untuk menyesuaikan kebutuhan tegangan yang diperlukan guna mengoperasikan alat tersebut, biasanya alat-alat listrik dibuat dengan menambahkan hambatan. Baik dari segi bahan pembuatannya, atau ditambahkan resistor lain untuk menambah tahanan alat tersebut.
3. Hambatan Jenis
Sekedar mengingatkan, arus listrik mirip dengan aliran arus air di dalam slang. Banyaknya air yang mengalir dari slang bergantung pada besarnya pipa. Semakin besar ukuran pipa, semakin besar pula air yang mengalir setiap waktu.
Hal serupa terjadi pada arus listrik. Kamu telah mengetahui bahwa arus listrik bergantung pada hambatan penghantarnya yaitu kabel dan komponen-komponen listrik yang terdapat dalam rangkaian tersebut. Hambatan listrik bergantung pada jenis bahan hambatan, panjang hambatan dan luas penampang yang dilalui arus listrik.
Nilai hambatan suatu penghantar bergantung pada hal-hal berikut ini.
a. Panjang kawat, semakin panjang kawat maka hambatan semakin besar.
b. Luas penampang kawat, semakin besar luas penampang maka hambatannya semakin kecil.
c. Jenis bahan.
Jika dituliskan dalam bentuk matematika, hambatan dapat dituliskan sebagai berikut.
Contoh beberapa jenis penghambat dalam rangkaian listrik:
a. rheostat
b. resistor pita warna
c. potensiometer
Hambatan jenis merupakan sifat khas dari suatu bahan. Bahan yang terbuat dari besi akan berbeda hambatan jenisnya dengan bahan yang terbuat dari tembaga. Sebuah penghantar misalnya kabel harus memiliki hambatan jenis yang kecil sehingga arus dari sumber tegangan tidak banyak yang hilang ketika sampai pada alat listrik.
Ukuran panjang dan luas penampang bahan juga memengaruhi hambatan sebuah bahan. Semakin panjang sebuah penghantar dan semakin kecil luas penampangnya, semakin besar hambatannya. Demikian sebaliknya.
Dari Hukum Ohm ini kita dapat mengetahui bahwa bentuk dan sifat-sifat bahan sebuah penghantar listrik memengaruhi nilai hambatannya. Semakin kecil nilai hambatan suatu bahan semakin baik bahan tersebut dijadikan penghantar listrik.
Panjang penghantar yang memengaruhi besarnya hambatan menjadi kendala bagi PLN untuk mendistribusikan listrik. Kamu bayangkan berapa ratus kilometer panjang kabel PLN yang digunakan untuk mendistribusikan arus listrik ini. Akan tetapi, hal ini dapat ditanggulangi dengan adanya alat transformator. Transformator berfungsi untuk meningkatkan atau menurunkan tegangan.
4. Konduktor, Isolator, dan Semikonduktor
Hukum Ohm menyatakan bahwa jenis bahan memengaruhi nilai hambatan listriknya. Sifat alami yang dimiliki suatu bahan adalah hambatan jenisnya. Hambatan jenis besi akan berbeda dengan hambatan jenis tembaga. Jika kamu mengganti kabel penghantar pada suatu rangkaian listrik dengan tali plastik, arus listrik ini pasti tidak akan mengalir. Mengapa demikian? Plastik merupakan bahan yang hambatan jenisnya sangat besar sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melaluinya.
Berdasarkan sifat menghantarkan listriknya, bahan dibedakan menjadi tiga kelompok, yaitu konduktor, isolator, dan semikonduktor. Konduktor adalah bahan-bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Bahan-bahan yang termasuk jenis konduktor ini di antaranya besi, baja, tembaga, dan nikel. Isolator adalah bahan-bahan yang sama sekali tidak dapat menghantarkan arus listrik. Contoh bahan-bahan yang termasuk isolator, di antaranya plastik, kayu kering, dan kertas.
Jika konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dan isolator merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik, semikonduktor merupakan bahan yang bersifat di antara isolator dan konduktor. Artinya, semikonduktor dapat menghantarkan arus listrik dan dapat pula tidak menghantarkan arus listrik. Sifat semikonduktor ini bergantung suhu. Jika suhu bahan semakin tinggi, bahan ini akan bersifat konduktor. Sebaliknya, jika suhunya semakin rendah bahan ini akan menjadi isolator.
Sifat-sifat semikonduktor dimanfaatkan dalam pembuatan komponen-komponen listrik seperti transistor dan IC (Integrated Circuit). Bahan-bahan semikonduktor contohnya germanium, silikon, dan selenium. Jika diperhatikan, alat-alat listrik yang ada di rumah pasti ada yang menggunakan bahan-bahan konduktor dan bahan isolator. Sebuah obeng dibuat dari bahan besi dengan pegangannya dibuat dari kayu atau plastik. Mengapa dirancang demikian? Rancangan seperti ini bermanfaat ketika digunakan untuk memperbaiki bagian dalam alat-alat elektronik, agar pengguna tidak terkena aliran listrik.
5. Hukum I Kirchhoff
Dalam sebuah rangkaian seringkali terdapat rangkaian yang rumit sehingga diperlukan teknik tertentu dalam menyelesaikan masalah-masalah yang berhubungan dengan rangkaian tersebut.
Gambar di atas memperlihatkan gambar sebuah rangkaian yang terdiri atas rangkaian seri dan rangkaian paralel.
Terlihat bahwa besarnya arus yang melalui R2, R3, dan R4 merupakan satu per tiganya dari arus listrik yang melalui R1 karena R2, R3, dan R4 nilainya sama. Kuat arus setelah melalui percabangan akan terbagi tiga sama besar.
Gustav Kirchhoff pada pertengahan abad ke-19 telah melakukan penelitian tentang perilaku arus listrik yang melalui sebuah percabangan. Hasil penelitian Kirchhoff ini dikenal sebagai Hukum Kirchhoff.
Hukum I Kirchhoff menyatakan bahwa arus listrik yang masuk melalui percabangan sama dengan arus yang keluar dari percabangan. Hukum II Kirchhoff menyatakan tentang beda potensial yang mengitari suatu rangkaian tertutup. Yang akan kamu pelajari berikut hanya Hukum I Kirchhoff.
Jika Gambardi atas disederhanakan, dan digambarkan percabangannya saja, maka diperoleh Gambar berikut.
Pada percabangan A, arus listrik I terbagi menjadi dua, yaitu yang melalui kawat ab yakni I1, I2, I3 dan yang melalui kawat cd, yaitu I4. Setelah melalui percabangan, arus listrik ini berkumpul kembali dan keluar melalui titik B, sehingga arus yang memasuki percabangan akan sama dengan arus yang keluar dari percabangan.
6. Rangkaian Hambatan Listrik (Resistor)
Besarnya kuat arus mengikuti turunan Hukum Ohm, yaitu besarnya arus yang melewati suatu rangkaian merupakan hasil bagi antara tegangan V dan hambatan R.
a. Rangkaian Seri Resistor
Rangkaian seri resistor adalah rangkaian yang terdiri atas sumber tegangan dan minimal dua resistor (hambatan listrik) yang disusun secara berderet. Kuat arus listrik yang mengalir pada setiap resistor adalah sama besar dan besar tegangan tergantung besar hambatan. Rangkaian seri dapat juga disebut sebagai rangkaian pembagi tegangan.
Gambar di atas memperlihatkan empat buah resistor yang disusun secara seri. Telah disebutkan bahwa rangkaian seri resistor merupakan rangkaian pembagi tegangan. Dari rangkaian tersebut dapat diperoleh persamaan tegangan sebagai berikut.
E = Vae = Vab + Vbc + Vcd + Vde
Menurut hukum Ohm tegangan merupakan hasil kali kuat arus I dan hambatan R. Dengan demikian persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut.
E = Vae = Iab · R1 + Ibc · R2 + Icd · R3 + Ide · R4
Karena di dalam rangkaian seri kuat arus yang melalui setiap resistor besarnya sama, persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut.
E = Vae = I · R1 + I · R2 + I · R3 + I · R4
E = Vae = I · (R1 + R2 + R3 + R4)
E = Vae = I · Rs
Rs adalah hambatan pengganti dari rangkaian resistor yang dirangkai seri.
Rs = R1 + R2 + R3 + R4
Secara umum persamaan tahanan pengganti dari resistor yang disusun secara seri dituliskan sebagai berikut.
Rs = R1 + R2 + R3 + R4 + … Rn ………
b. Rangkaian Paralel Resistor
Rangkaian paralel resistor adalah rangkaian yang terdiri atas resistor yang disusun paralel/sejajar satu sama lainnya. Jika pada rangkaian seri, arus yang melalui resistor akan sama dan tegangannya berbeda bergantung pada nilai hambatannya. Adapun pada rangkaian paralel resistor, arus yang melalui setiap hambatan akan berbeda dan tegangan setiap resistor akan sama. Gambar di bawah merupakan gambar sebuah rangkaian paralel resistor.
Berdasarkan Hukum I Kirchhoff diperoleh:
Telah disebutkan bahwa tegangan pada setiap resistor pada rangkaian paralel adalah sama.
Vab = Vcd = Vef = Vgh = V
Sehingga diperoleh:
Dengan demikian hambatan pengganti paralel dirumuskan:
7. Jembatan Wheatstone
Jembatan Wheatstone merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengukur tahanan yang tidak diketahui nilainya. Perhatikan Gambar berikut.
Misal tahanan R1 tidak diketahui. Tahanan R2, R3, dan R4 diatur sampai tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer. Maka VA = VB, I1 = I2, dan I3 = I4 dan dapat diperlihatkan bahwa
Dari persamaan tersebut, maka R1 dapat dihitung.
artikel ini disalin lengkap dari:
halaman utama website:
Jika ada waktu, Dimohon untuk Membuka Halaman Utama website yang telah saya salin artikelnya ya!
No comments:
Post a Comment