hukum arus bolak balik

Arus bolak-balik,

Pengertian Arus Bolak-Balik

Arus dalam listrik adalah muatan positif yang bergerak. Walau sebenarnya yang bergerak adalah electron (muatan negatif) .Dengan demikian kita bias buat grafik Perubahan Perbedaan Tegangan (V) terhadap Waktu. Untuk ujung A, perbedaan tegangan tidak berubah terhadap waktu. Begitu juga dengan ujung B. Bagaimana seandainya kutub positif dan kutub negative dari baterai tersebut berganti-ganti terhadap waktu? Misalnya pada waktu t1 ujung A adalah positif dan ujung B adalah negatif. Kemudian pada waktu t2 ujung A adalah negative dan B adalah positif. Dan siklus ini terus berlangsung sampai sumber listrik tersebut dimatikan. Inilah yang disebut arus bolak-balik kutub sumber listrik berganti-ganti tiap waktu.

Arusbolak-balik (AC/alternating current) adalah arus listrik dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda dengan arus searah di mana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang paling efisien.

Kalau pergantian kutub itu terjadi 60 kali dalam satu detik, maka dikatakan frekuensi sumber AC tersebut adalah 60 Hertz (seperti banyak dipakai di Amerika Serikat). Kalau pergantian kutub itu terjadi 50 kali dalam satu detik, maka frekuensi sumber AC tersebut adalah 50 Hertz (seperti banyak dipakai di Eropadan Asia termasuk di Indonesia). Tentu sekarang kita paham apa maksud “frekuensi arus PLN adalah 50 Hz”.

Karena perbedaan tegangan berubah-ubah setiap waktu, maka untuk praktis besarnya perbedaan tegangan arus bolak-balik dinyatakan dalam rms (root mean square, akar dari kuadrat rata-rata) perbedaan tegangan maksimum. Ini sebenarnya hanya permainan statistik, tidak mengandung fenomena fisis yang baru. Harga rms dari perbedaan tegangan bernilai perbedaan tegangan maksimum dibagi akar dua.

Bicara tentang kestabilan, tentu arus searah lebih stabil. Dan umumnya alat-alat elektronik beroperasi dengan arus searah. Hal ini boleh menjadi pertanyaan: kenapa kita memakai arus bolak-balik sebagai sumber listrik utama? 

Jawabannya adalah dipengaruhi factor ekonomi membuat sumber arus bolak-balik (generator) jauh lebih murah dari pada sumber arus searah. Untuk menjadikan arus bolak-balik menjadi searah tidaklah begitu sulit, walau hasilnya tidak setabil arus dari baterai tapi harga kestabilan ini dikompensasi sangat baik oleh biaya pengadaan sumber listrik.

Secara umum, listrik bolak-balik berarti penyaluran listrik dari sumbernya (misalnya PLN) kekantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Namun ada pula contoh lain seperti sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel, yang juga merupakan listrik arus bolak-balik.

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir dalam suatu penghantar per satuan waktu. Arus listrik mengalir karena ada beda potensial antara ujung-ujung kawat penghantar. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arus listrik ini disebut arus positif atau arus konvensional. Setelah J.J Thompson menemukan adanya elektron, orang menyimpulkan bahwa arus listrik adalah aliran elektron. Elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi. Tetapi mengapa kita masih menggunakan arus konvensional? Hal ini karena di dalam kabel, arus elektron mengalir berlawanan dengan arus konvensional dan kedua arus ini sama besarnya, sehingga kita masih dapat menggunakan arus konvensional sebagai arus listrik.

Besaran Arus Listrik

I=

Q=I.t

Keterangan :

I = kuat arus (ampere / A)

Q = muatan (coulumb / C)

t = waktu (detik / s)

Pengukuran Kuat Arus

Untuk mengukur kuat arus listrik dalam suatu rangkaian tertutup digunakan ampermeter (ammeter), yang dirangkai seri dengan komponen listrik yang akan diukur kuat arusnya.

Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua, yaitu sumber arus listrik bolak-balik

(AC) dan sumber arus listrik searah (DC). Sumber arus listrik AC dihasilkan oleh

dinamo arus AC dan generator. Ada beberapa macam sumber arus searah,

misalnya sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus

searah. Elemen volta, batu baterai, dan akumulator merupakan sumber arus searah

yang dihasilkan oleh reaksi kimia. Oleh karena itu, elemen volta, batu baterai, dan

akumulator sering disebut elektrokimia. Dikatakan elektrokimia sebab alat tersebut

mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder.

 1.Elemen primer

Elemen Primer  adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi    kembali.  Pada elemen primer, reaksi kimia yang menyebabkan elektron mengalir dari elektrode negatif (katode) ke elektrode positif (anode) tidak dapat dibalik arahnya. Itulah sebabnya elemen primer tidak dapat dimuati kembali jika muatannya sudah habis. Dengan kata lain, elemen primer merupakan sumber arus searah yang memerlukan penggantian bahan pereaksi. Jadi, elemen primer adalah sumber arus listrik yang tidak dapat diperbaharui lagi. Elemen primer ada dua jenis, yaitu: elemen basah dan elemen kering.

2. Elemen Sekunder

Elemen sekunder merupakan elemen elektrokimia yang dapat diperbaharui bahan-bahan pereaksinya. Elemen sekunder ini harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara melewatkan arus listrik melaluinya.

GGL adalah beda potensial antara kedua ujung atau kutub sumber arus listrik saat sumber arus itu tidak terhubung ke rangkaian listrik, diberi lambang ɛ dan memiliki satuan volt. Sedangkan beda potensial antara kedua ujung atau kutub sumber arus listrik saat sumber arus itu mengalirkan arus dalam rangkaian listrik disebut tegangan jepit, diberi lambang V. Tentu saja, nilai tegangan jepit V berubah, tergantung pada nilai hambatan bebannya Makin besar nilai hambatan beban, makin kecil nilai tegangan jepitnya. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil dari GGL.

Contohnya elemen volta dan batu baterai. Elemen sekunder adalah elemen yang

setelah habis muatannya dapat diisi kembali. Contohnya akumulator (aki). Pada

elemen volta, baterai, dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu

a. anode, elektrode positif yang memiliki potensial tinggi,

b. katode, elektrode negatif yang memiliki potensial rendah,

c. larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.

Untuk lebih memahami prinsip kerja beberapa contoh elektrokimia, ikutilah uraian berikut.

1. Elemen Volta

Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh Fisikawan Italia bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan sebuah bejana yang diisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan dua logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Bagian utama elemen Volta, yaitu

a. kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4).

Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang

mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng, sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai berikut.

. Pada larutan elektrolit terjadi reaksi H2SO4 → 2H+ + SO2–4

. Pada kutub positif terjadi reaksi Cu + 2H+ → polarisasi H2

Pada kutub negatif terjadi reaksi Zn + SO4 → ZnSO4+ 2e

Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen Volta karena dapat membasahi peralatan

lainnya.

2. Elemen Kering

Elemen kering disebut juga baterai. Elemen kering pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama elemen kering

adalah

a. kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C),

b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),

c. larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH4Cl),

d. dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO2).

Untuk mengalirkan muatan listrik dari titik satu ke titik yang lain dalam suatu penghantar, diperlukan energi. Banyaknya energi yang dikeluarkan di antaranya tergantung pada besar kecilnya sebuah muatan yang dipindahkan, makin besar muatan yang dipindahkan, makin besar pula energi yang harus dikeluarkan, persamaan Energi ini disebut Energi Penggerak Listrik (EPL). EPL sering disebut Gaya Gerak Listrik, (GGL). Dengan kata lain bahwa GGL adalah energi yang dikeluarkan oleh sumber tegangan yang diperlukan untuk menggerakkan muatan listrik di dalam suatu rangkaian.

Telah dipelajari bersama bahwa arus listrik dapat mengalir dalam kawat penghantar jika antara kedua ujung-ujung penghantar itu terdapat beda potensial. Untuk dapat menimbulkan beda potensial diperlukan sumber tegangan. Ada dua jenis sumber arus listrik, yaitu sumber arus searah atau direct current (DC) dan sumber arus bolak-balik atau alternating current (AC). Sumber arus bolak-balik adalah sumber arus yang mengalirkan arus selalu bolak-balik. Contohnya generator dan dinamo arus bolak-balik. Sementara itu, sumber arus searah yaitu sumber arus yang mengalirkan arus kesatu arah saja. Contohnya batu baterai, aki, elemen Volta, dan dinamo arus searah. Sumber tegangan yang mengeluarkan energi listrik berdasarkan prinsip pasangan logam disebut sel atau elemen. Elemen ada dua jenis, yaitu elemen primer dan elemen sekunder.

a. Elemen Basah

·           Elemen Volta

Alessandro Volta (1745 – 1827) menemukan bahwa pasangan logam tertentu dapat membangkitkan GGL, gaya gerak listrik ini menyebabkan arus listrik mengalir dalam suatu rangkaian. Pasangan logam tersebut adalah Cu (tembaga) dan Zn (seng). Sumber tegangan pertama yang dapat mengalirkan arus listrik cukup besar adalah elemen Volta. Tegangan yang dihasilkan adalah 1,5 V. H2SO4 (asam sulfat) yang dipakai sebagai elektrolit akan terdisosiasi menjadi H+ dan SO4-2. Energi yang diperlukan untuk menggerakkan elektron-elektron dari elektroda Zn ke elektroda Cu dan jumlah energi per satuan muatan yang tersedia dari elemen Volta dinyatakan dalam satuan volt atau joule per coulomb.

Namun terdapat kelemahan, yaitu terjadi polarisasi pada batang tembaga. Polarisasi yaitu timbulnya gelembung-gelembung gas H2 pada kutub +. Adanya gelembung-gelembung ini dikarenakan gas hidrogen tidak dapat bersenyawa dengan Cu, akibatnya menghalangi jalannya aliran listrik sehingga lampu tidak menyala. Sebagai kutub positif (anoda) dalam elemen Volta adalah Cu sedangkan Zn sebagai kutub negatif (katoda) dan H2SO4 encer sebagai larutan elektrolit yang berakibat terdisosiasi menjadi ion 2H+ dan SO42-.

·                Elemen Daniell

Elemen Daniell merupakan modifikasi dari elemen Volta, yaitu dengan memperbaiki penampilan elemen. Untuk mencegah polarisasi gas hidrogen, elektrode dilindungi oleh larutan tembaga sulfat (larutan kimia) yang dinamakan depolarisator. Depolarisator (larutan tembaga sulfat) dipisahkan dari larutan elektrolit (asam sulfat encer) dengan bejana berpori sehingga ion-ion masih dapat lewat dari elektrode satu ke elektrode lainnya melalui larutan elektrolit da depolarisator. Bejana tembaga sebagai elektrode positif dan batang seng sebagai elektrode negatif.

b. Elemen Kering

Elemen kering atau baterai adalah sumber tegangan yang dapat lebih lama mengalirkan arus listrik daripada elemen Volta. Elemen kering dibuat pertama kali pada tahun 1866, kimiawan Perancis oleh George Leclanche.

Elemen kering ini terdiri atas Zn yang berbentuk bejana dan logam dalam Zn ini dilapisi karbon (batang arang). Karena batang arang memiliki potensial lebih tinggi daripada Zn, maka batang arang sebagai anoda, sedangkan Zn sebagai katoda.

Di bagian dalam elemen kering ini terdapat campuran antara salmiak atau amonium klorida (NH4Cl) serbuk arang dan batu kawi atau mangan dioksida (MnO2). Campuran ini berbentuk pasta yang kering. Karena elemen ini menggunakan larutan elektrolit berbentuk pasta yang kering maka disebut elemen kering.

Pada elemen kering, NH4Cl sebagai larutan elektrolit dan MnO2 sebagai depolarisator. Kegunaan dispolarisator yaitu dapat meniadakan polarisasi. Sehingga arus listrik pada elemen kering dapat mengalir lebih lama sebab tidak ada gelembung-gelembung gas.

Ø Mengukur GGL dan Tegangan

Voltmeter adalah alat untuk mengukur tegangan listrik. GGL dan tegangan jepit dapat diukur dengan menggunakan voltmeter.

Dalam menggunakannya, voltmeter harus dipasang secara paralel dengan sumber tegangan atau peralatan listrik yang akan diukur beda potensialnya (teganganya). Maksudnya, kutub positif voltmeter harus dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan atau alat listrik dan kutub negatif voltmeter harus dihubungkan dengan kutub negatif sumber tegangan atau alat listriK.

HUKUM OHM

            Diperlukan beda potensial agar arus listrik agar arus listrik mengalir dalam suatu rangkaian listrik tertutup. Beda potensial dapat dihasilkan dengan cara memberikan sumber tegangan baterai atau akumulator. Sekarang timbul pertanyaan, apakah keterkaitan antara kuat arus yang mengalir dengan beda potensial yang diberikan? Hasil eksperimen Georg Simon Ohm (1789-1854) menunjukkan bahwa arus (I) yang mengalir dalam suatu penghantar logam sebanding dengan beda potensial (V) dikedua dengan syarat suhu pengantar tetap. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum Ohm.

                        I V

            Besarnya kuat arus yang mengalir dalam suatu rangkaian tidak hanya bergantung pada beda potensial tetapi ditentukan juga oleh hambatan kawat penghantar (R).Untuk beda potensial yang tetap, arus yang mengalir pada kawat penghantar yang memiliki nilai hambatan besar akan bernilai kecil. Jadi, kuat arus listrik berbanding terbalik dengan hambatan kawat penghantar. Jika dilakukan kombinasi antara kuat arus dan tegangan maka diperoleh hubungan

            I=  ; V=IR; R=

Persamaan ini dikenal sebagai hukum Ohm. Satuan hambatan listrik adalah Ohm dan diberi lambang . (1Ω = 1 )

Aliran listrik ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak di dalam suatu

penghantar. Arah arus listrik (I) yang timbul pada penghantar berlawanan arah

dengan arah gerak elektron. Muatan listrik dalam jumlah tertentu yang menembus suatu penampang dari suatu penghantar dalam satuan waktu tertentu disebut sebagai kuat arus listrik. Jadi kuat arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir dalam kawat penghantar tiap satuan waktu.

    segmen dari sebuah kawat penhantar berarus

Hukum Ohm menyatakan “ Kuat arus yang melewati suatu peranti selalu berbanding lurus drngan beda potensialnya”.

            Perlu ditekankan disini bahwa hukum Ohm tidak berlaku untuk setiap peranti atau komponen listrik. Ada peranti yang tunduk pada hukum Ohm, ada pula yang tidak. Penghantar adalah contoh komponen yang memenuhi hukum Ohm, sedangkan dioda adalah contoh komponen listrik yang tidak tunduk pada hukum Ohm.

            Hambatan suatu komponen listrik tidak tergantung pada polaritas dan beda potensial yang dipasang pada ujung-ujungnya.

            Perlu ditekankan bahwa persamaan V=Ir bukanlah hukum Ohm. Persamaan ini tidak lain adalah persamaan yang mendefinisikan hambatan yang dimiliki oleh suatu peranti, yaitu sebagai berikut. Besarnya hambatan R yang dimiliki oleh suatu peranti atau komponen listrik adalah suatu nilai ( umumnya bukan suatu tetapan) Sedemikian rupa sehingga jika V beda potensial yang dipasang pada ujung-ujung peranti atau komponen tersebut dan arus yang mengalir melaluinya i, persamaan V = Ir dipenuhi.

Suatu hasil percobaan pada table. Nilai kuat atus I dan tegangan V pada suatu

hambatan menghasilkan grafik seperti gambar. Hukum ohm tidak merupakan pernyataan universal,tapi hanyagambaran bagi sebagian materi tertentu yang mengikuti hukum ohm (komponen ohmik). Nilai hambatan R pada komponen ohmik konstan asal suhunya konstan. Materi yang tidak memenuhi hukum

ohm disebut komponen non-ohmik. Grafi I sebagai fungsi V untuk

komponen non.

HUKUM KIRCHOFF

Hukum khirchoof berbunyi  “Jumlah kuat arus listrik yamg masuk ke suatu titik simpul sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar dari titik simpul tersebut”.

Hukum I kirchoff tersebut adalah hukum kekekalan muatan listrik seperti tampak di dalam analogi pada gambar. Hukum I kirchoff secara matematis dituliskan:

I masuk = ∑I keluar

Skema diagram untuk hukum khirchhoff

Rangkaian untuk menyelidiki kuat arus yang masuk dan keluar dari suatu titik simpul.

           

Hukum II Kirchoff tentang Tegangan pada Rangkaian Tertutup

Untuk menyederhanakan rangkaian yang rumit,dapat digunakan Hukum II Kirchoff yang berbunyi :

“Didalam sebuah rangkaian tertutup, jumlah aljabar gaya gerak listrik (_) dengan

penurunan tegangan (IR) sama dengan nol”.

Secara matematis dituliskan :

∑ +∑(IR)=0

Dalam menyelesaikan persoalan di dalam loop perhatikan hal-hal berikut ini!

a. Kuat arus bertanda positif jika searah dengan loop dan bertanda negatif jika

berlawanan dengan arah loop.

b. GGL bertanda positif jika kutub positipnya lebih dulu di jumpai loop dan

sebaliknya ggl negatif jika kutub negatif lebih dulu di jumpai loop.

Misalkan kita ambil arah loop searah dengan arah I, yaitu a-b-c-d-a. (rangkain dengan satu loop)

Kuat arus listrik I di atas dapat ditentukan dengan menggunakan Hukum II

Kirchhoff: Σ ε + Σ IR = 0

– ε1 + ε2 + I (r1 + r2 + R) = 0

Jika harga ε1, ε2, r1, r2 & R diketahui maka kita dapat menentukan harga I-nya.

Rangkaian dengan dua loop atau lebih

Rangkaian yang memiliki dua loop atau lebih disebut juga rangkaian majemuk.

Langkah-langkah dalam menyelesaikan rangkaian majemuk ini adalah sebagai

Berikut:

Aturan Hukum II Kirchoff :

1. Pilih loop untuk masing-masing lintasan tertutup dengan arah

tertentu. Pada dasarnya, pemilihan loop bebas, namun jika

memungkinkan usahakan searah dengan arus.

2. Jika pada suatu cabang, arah loop sama dengan arah arus, maka

penurunan tegangan (IR) bertanda positif, sedangkan bila berlawana

arah, maka penurunan tegangan (IR) bertanda negative.

3. Bila saat mengikuti arah loop, kutub sumber tegangan lebih

dahulu dijumpai adalah kutub positif, maka ggl _ bertanda positif,

sebaliknya bila yang lebih dahulu dijumpai adalah kutub negative,

maka ggl _ bertanda negative.

hubungan antara arus, tegangan dan hambatan

Hubungan antara Arus, Tegangan dan Hambatan

Jika kita diperintah untuk mengukur arus, tegangan atau hambatan sebuah rangkaian listrik mungkin saja kita sudah bisa melakukannya. Namun tidak sedikit juga orang yang masih kebingungan jika ditanya apa itu arus, apa itu tegangan dan apa itu hambatan? Sedangkan ketiga hal tersebut memiliki hubungan yang erat di dalam rangkaian listrik. Kali ini tidak ada salahnya jika kita flashback mempelajari materi-materi dasar tersebut.

Arus listrik

Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir dalam rangkaian tiap satuan waktu. Arus listrik disimbolkan dengan huruf "I" dan satuannya adalah Coulomb/detik atau Ampere (A).

I = Q / t

  
Selain itu besarnya arus listrik adalah proporsional dengan tegangan yang diberikan dan juga besarnya tahanan pada penghantar.

I = V / R

V = Tegangan, R = Tahanan/resistansi

Verdana,sans-serif;">
Tegangan 
Tegangan adalah beda potensial antara dua titik rangkaian listrik yang memberi tekanan ke arus listrik untuk mengalir. Tegangan disimbolkan dengan "V" dan satuannya adalah Volt. 

V = I x R