Energi Listrik

A.    Latar Belakang

Fisika merupakan ilmu tentang zat dan energi. Kajian ilmu fisika sangat luas, sehingga fisika mempunyai beberapa cabang ilmu, yaitu mekanika, listrik dan magnet, optika, termodinamika, dan fisika modern. Di antara cabang-cabang fisika tersebut, kajian tentang listrik merupakan salah satu kajian yang sangat penting.

 Sebenarnya berkembangnya keilmuan tentang fisika listrik telah dimulai sejak periode sebelum Masehi seiring dengan ditemukannya gejala-gejala listrik statis, yaitu bangsa Yunani Kuno yang menemukan sejenis batuan (batu amber) yang setelah digosok dapat menarik benda-benda kecil. Setelah era Theophrastus, hampir tidak ada orang yang memberikan penjelasan lebih detail tentang kemampuan batu amber tersebut dalam menarik benda-benda kecil. Sampai akhirnya, pada 1600 M, seorang dokter dari Inggris, William Gilbert dalam bukunya mengemukakan bahwa selain batu amber masih banyak lagi benda-benda yang dapat diberi muatan dengan cara digosok. Oleh Gilbert, benda-benda tersebut diberi nama “electrica”.

Setelah adanya beberapa penemuan-penemuan mengenai kelistrikan, maka dunia kelistrikan mengalami perkembangan sangat pesat, sejak pertengahan hingga akhir abad ke-19 dan bahkan hingga sekarang. Pada masa ini, teori-teori atau konsep-konsep kelistrikan mengalami penyempurnaan dari sumbangan-sumbangan pemikiran dari beberapa tokoh-tokoh Fisika, seperti James Clerk Maxwell, Heinrich Rudolf Hertz, Guglielmo Marconi, dan ilmuwan-ilmuwan lainnya.

B.     Rumusan Masalah

1.      Apakah yang di maksud dengan gejala kelistrikan?

2.      Bagaimanakah arus listrik itu?

3.      Apa saja rangkaian listrik sedErhana?

C.    Tujuan

1. Untuk memahami dan dapat menjelaskan mengenai gejala kelistrikan.
2. Untuk memahami dan dapat menjelaskan mengenai arus listrik.
3. Untuk memahami dan dapat menjelaskan mengenai rangkaian listrik sederhana.

BAB II

PEMBAHASAN

A.    Gejala Kelistrikan

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Maka pengertian energi listrik adalah kemampuan untuk melakukan atau menghasilkan usaha listrik (kemampuan yang diperlukan untuk memindahkan muatan dari satu titik ke titik yang lain).  Energi listrik dilambangkan dengan W.

Kelistrikan terjadi karena adanya muatan. Muatan listrik dibedakan :

1. Muatan positif
2. Muatan negatif

Jika muatan yang sejenis saling di dekatkan akan saling tolak, sedangkan yang tidak sejenis akan saling tarik.

Gambar 1 Gejala aling tarik dan saling tolak antara muatan

Amati peristiwa sebuah sisir plastik yang di gosokan-gosokan pada rambut. Maka sisir tersebut menjadi berbuatan negatif.

Gambar 2 Peristiwa listrik stastis

Jika di dekatkan pada kertas kecil-kecil, kertas itu akan tertarki, walaupun hal ini hanya berlangsung sebentar. Ketika kertas di dekatkan denga sisir(muatan negative), sisi kertas yang bermuatan negative akan di tolak, tetapi bagian kertas yang bermuatan positif akan di tarik oleh sisir. Kejadian ini akan di tunjukan adanya gejala kelistrikan listrik stastis. Listrik stastis adalah pengaruh yang di timbulkan oleh muatan listrik diam.

B.     Arus Listrik

Arus listrik merupakan gerakan kelompok partikel bermuatan listrik dalam arah tertentu.  Arah arus listrik yang mengalir dalam suatu konduktor adalah dari potensial tinggi ke potensial rendah (berlawanan arah dengan gerak elektron).

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu.  Arus listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere. Contoh arus listrik dalam kehidupan sehari-hari berkisar dari yang sangat lemah dalam satuan mikro Ampere (mA) 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^-7Newton/meter di antara dua penghantar lurus sejajar, dengan luas penampang yang dapat diabaikan, berjarak 1 meter satu sama lain dalam ruang hampa udara.

Fungsi tegangan sama dengan pompa. Pompa membuat perbedaan tinggi permukaan air pada kedua tabung, dan fungsi sumber tegangan membuat potensial listrik di A lebih tinggi daripada potensial listrik B sehingga arus listrik mengalir. Peristiwa aliran arus listrik mirip dengan aliran air yang terjadi bila ada beda potensial.

Pada abad ke-19 para ilmuwan memperkirakan bahwa listrik itu zat cair yang mengalir melalui kawat atau penghantar. Tetapi, 2 abad kemudian ilmuwan yang menemukan electron yang ternyata mengalir dari potensial rendah

 

Gambar 3 Arus listrik mengalir dalam penghantar dari kutub positif menuju kutub kutub negative sehingga lampu menyala. Kutub positif memiliki potensial lebih tinggi di banding kutub negative dari suatu sumber tegangan.

Arah aliran electron dalam penghantar dari potensial rendah ke potensial tinggi, sedangkan arah arus listrik dari potensial tinggi ke potensial rendah. Ketentuan tersebut merupakan suatu perjanjian internasional dalm fisika yang sudah di sepakati.

C.    Membuat Rangkaian Listrik Sederhana

Sumber listrik dapat di peroleh dari baterai. Arus listrik pada baterai mengalir dari kutub positif ke kutub negative melalui kawat penghantar.

Gambar 4 rangkaian listrik sederhana

Gambar 5 Rangkaian listrik terbuka dan tertutup

Dengan adanya kawat penghantar menyebabkan arus listrik mengalir melalui lampu bisa menyala, rangkaian ini disebut rangkaian tertutup.

Pada saat kawat lampu di lepaskan tidak ada lagi arus listrik yang mengalir, karena tidak ada yang menghubungkan antara kutub positif dan kutub negatif, rangkaian ini di sebut rangkaian terbuka.

Rangkaian yang akan kita pelajari adalah rangkaian seri dan parallel.

1.      Rangkaian Seri

Penghambat-penghambat listrik, misalnya beberapa lampu pijar dapat di susun seri. Dalam susunan seri, kuat arus yang melalui tiap-tiap penghambat adalah sama besarnya.Susunan seri bertujuan untuk memperbesar hambatan suatu rangkaian.

Ciri-ciri rangkaian seri baterai adalah sebagai berikut:

-          Baterai A di hubungkan denga baterai B

-          Kutub positif A berada di ujung kiri, sedang kutub negative baterai  B berada di ujung kanan, atau sebaliknya.

-          Kutub positif batrai B bertemu dengan kutub negative baterai A, atau sebaliknya.

Gambar 6 Rangkaian seri

                        Hambatan pengganti seri = R_s = _{i =} R_{1 +} R_{2 +} R_{3 +  . . . .}

Empat prinsip susuanan seri penghambat-penghambat listrik

1.      Susunan seri bertujuan untuk memperbesar hambatan suatu rangkaian.

2.      Kuat arus melalui tiap-tiap panghambat sama, yaitu sama dengan kuat arus yang melalui hambatan pengganti seri.

I_{1 =}  I_{2 =} I_{3 = . . . . . =} I _seri

3.      Tegangan pada ujung-ujung hambatan pengganti seri sama dengan jumlah tegangan pada ujung-ujung tiap penghambat

V_seri = V₁ + V₂ + V₃ +……..

4.      Susunan seri berfungsi sebagai pembagi tegangan di mana tegangan pada ujung-ujung tiap penghambat sebanding dengan hambatannya.

V₁ : V₂ : V₃ : ……=R₁ : R₂ : R₃ :……..

Jika V_{1 +} V_{2 +} V_{3 + . . . . =} V maka

V₁ =  x V ;      V₂ =  x V

Kelemahan susunan seri

Perhatikan susunan seri, jika salalh stu filamien lampu putus (missal lampu R1), maka rangkaian listrik berubah menjadi terbuka. Sebagai hasilnya lampu R2 yang masih baik ikut padam. Bayangkanlh sederetan lampu has yang di susun secara seri. Jika slah satu filamen lampu putus seluruh lampu akan padam anda harus memeriksa satu demi stu lampu tersebut untuk menemukan lampu yang rusak, kemudian menggantinya dengan lampu baru. Pekerjaan memeriksa seperti ini memerlukan waktu yang lama. Oleh karena itu, tidaklah menyenangkan merangkai komponen-komponen listrik secara seri.

Manfaat Susunan Seri

Dalam banyak rangkaian, sekring sengaja dipasang seri dengan rangkaian komponen-komponen lain untuk tujuan pengamanan. Konduktor pada sekring didesain untuk melebur dan membuka rangkaian pada arus maksimum tertentu yang tergantung pada batas arus yang boleh melalui komponen yang dirangkai seri dengan sekring. Jika sekring tidak digunakan, arus yang melebihi batas dapat merusak komponen-komponen pada rangkaian, mengakibatkan pemanasan lebih pada kawat atau kabel penghantar yang dapat memungkinkan terjadinya kebakaran. Dalam instalasi listrik rumah, pemutus daya (circuit breaker) digunakan sebagai pengganti sekring. Ketika kuat arus dalam rangkaian melebihi nilai tertentu, pemutus daya akan bertindak sebagai saklar dan memutus rangkaian secara otomatis.

2.      Rangkaian Paralel

Komponen-komponen listrik disebut disusun paralel jika komponen-komponen tersebut dihubungkan sedemikian sehingga tegangan pada ujung tiap-tiap komponen sama besarnya. Susunan parallel bertujuan untuk memperkecil hambatan suatu rangkaian.

Dua baterai yang dirangkai seperti gambar tersebut rangkaian pararel baterai. Ciri-ciri rangkaian paralel baterai adalah :

-          Dua buah baterai disusun sejajar

-          Kutub- kutub positifnya di hubungkan dengan kabel

-          Kutub- kutub negatifnya di hubungkan dengan kabel

Gambar 7 Rangkaian paralel

Bernilai,

  =  +  atau R_p =  =

Hambatan pengganti paralel =  =   =  +  +

Empat prinsip susunan paralel komponen-komponen listrik

1.      Susunan paralel bertujuan untuk memperkecil hambatan suatu rangkaian.

2.      Tegangan pada ujung-ujung tiap komponen sama, yaitu sama dengan tegangan pada ujung-ujung hambatan pengganti paralelnya.

V₁ = V₂ = V₃ = . . . =V_paralel

3.      Kuat arus yang melalui hambatan pengganti paralel sama dengan jumlah kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen.

I_paralel = I₁ + I₂ + I₃ + . . .

4.      Susunan paralel berfungsi sebagai pembagi arus dimana kuat arus yang melalui tiap-tiap komponen sebanding dengan kebalikan hambatannya.

 I_{1 :} I_{2 :} 1_{3 : . . . .  =}  :  :  : . . . .

Perbedaan Rangkaian Seri dengan Rangkaian Paralel

1.      Rangkaian seri besar arus listriknya sama besar, tapi besar tegangannya berbeda2 tergantung besar hambatan pada rangkaian tersebut.

2.      Rangkaian paralel, besar tegangan adalah sama untuk masing hambatan yang terpasang, tapi arusnya berbeda tergantung besar hambatan yg terpasang.

3.      Rangkaian seri, total hambatan tinggal dijumlah aja semua, kalo rangkaian paralel, jumlah hambatan adalah 1/Rt = (1/R1)+(1/R2)+ ...

4.      Jumlah total hambatan pada rangkaian seri, lebih besar dari rang paralel.

5.      Total daya yg diserap rangkaian seri biasanya ebih besar dibanding rangkaian paralel.