Bab 1 EEBT: Dasar Dasar Kelistrikan (Complete Edition)

1. Pengenalan

Walaupun ilmu kelistrikan telah berperan sangat penting dalam dunia kita, fenomena listrik di alam seperti halilintar tidak dapat terpisahkan pada hidup manusia. Fenomena tersebut terus mengingatkan kita akan bahaya listrik. Pada saat yang sama, dapat jelas diketahui berapa tingkat penerimaan yang dibutuhkan dalam mempergunakan kekuatan ini untuk umat manusia.

Secara besar fenomena elektrik telah diketahui sejak lama. Yunani kuno telah mengetahui, bahwa substansi cahaya, seperti rambut, bulu, dan fiber dapat ditarik oleh sebuah amber yang telah digosok dengan kain. Pada tingkat pengetahuan yang ada saat itu, fenomena ini hanya dapat diinterpretasikan sebagai manifestasi sihir. Satu konsep yang berhubungan dengan fenomena ini berasal dari periode ini, yaitu kata Yunani untuk amber adalah Elektron.

untitled
Gambar 1.1 Demonstrasi sebuah mesin elektrifikasi (awal abad 19). Listrik diproduksi dengan gesekan pada bola sulfur

 

2
Gambar 1.2 Eksperimen galvani dengan “listrik hewan” (1791)

Listrik diproduksi oleh gesekan yang setelah itu ditemukan juga dengan bahan lain. Pada awalnya, penggunaannya selalu dilarang untuk dipertunjukkan. Sampai akhir abad 18, ada demonstrasi khusus yangmana dapat “menghasilkan listrik” (gambar 1.1)

Berbeda dari praktek tersebut, beberapa fenomena diinvestasikan dengan lebih dalam. Eksperimen dengan kaki kodok dibawakan oleh Aloisio Luig Galvani, sebagai contoh, pengembangan sel listrik pertama kalinya.

Penelitian umum berlanjut pada abad 19, diantaranya, ditemukannya lampu pijar oleh Heinrich Goebel pada tahun 1854. Kemudian, Thomas Alva Edison juga menemukan lampu pijar pada tahun 1879. Dengan produksi skala besar pertama kali nya pada tahun 1882. Hal ini merupakan langkah pertama dalam membuat listrik berguna bagi umat manusia.

Produksi listrik dengan bantuan kemagnetan merupakan pengembangan penting yang lebih jauh dalam penggunaan penggunaan dasar. Generator pertama yang berdasarkan proses kemagnetan ditemukan oleh Werner v. Siemens pada tahun 1866. Dengan demikian, hal ini menjadi mungkin untuk memproduksi listrik dengan mudah dan ekonomis.

3
Gambar 1.3 Dinamo pertama Werner v. Siemens 1866

 

4
Gambar 1.4 Modern Generator

Selain dari penggunaannya pada produksi energi, ilmu kelistrikan terus berkembang pada penyebaran informasi. Penyebaran informasi, pertama kali hanya disebarkan antara kabel-kabel, dan kemudian dilengkapi oleh sinyal transmisi wireless (tanpa kabel). Hasil dari teknologi tersebut yaitu telepon, radio, dan televisi. Sejak saat itu, teknologi tersebut menjadi media yang sangat diperlukan untuk informasi dan hiburan.

5
Gambar 1.5 Antenna pengarah untuk penyebaran informasi dengan gelombang elektromagnetik

Ketergantungan kita akan penggunaan listrik dan power plant menjadi sangat terlihat ketika sedang ada kerusakan. Dalam banyak kasus, bagaimanapun, teknisi yang bertanggung jawab dapat dengan cepat menemukan dan memperbaiki sesegera mungkin setelah mendapat informasi adanya kerusakan.

Perbedaan diantara cabang-cabang pekerjaan utama dalam teknisi listrik yaitu sebagai berikut:

capture

6
Gambar 1.6 Teknisi listrik pada perusahaan energi sedang mencari kerusakan

Fungsi pekerjaan industri biasanya pada bagian produksi, pengujian, pengawasan, perawatan dan perbaikan peralatan listrik dan pabrik. Pekerjaan jasa secara umumnya tidak bercabang dengan produksi tetapi lebih kepada instalasi dan perbaikan. Perbedaan yang sangat jelas pada keduanya, bagaimanapun, tidak selalu tepat terjadi.

Teknisi kelistrikan dapat dibagi menjadi bidang teknisi daya dan teknisi komunikasi, dengan bagian yang sesuai antara industri dan jasa yang tersedia untuk kedua cabang ini.

Pekerjaan teknisi daya umumnya menangani peralatan dan pabrik yang menghasilkan listrik dari konversi bentuk energi lain, konversi daya listrik menjadi bentuk energi lain yang ekonomis dan dapat digunakan, atau yang digunakan dalam transmisi listrik.

7
Gambar 1.7 Teknisi radio dan televisi sedang mencari kerusakan

Peralatan dan pabrik komunikasi juga membutuhkan energi listrik untuk operasinya. Fungsi listrik hanya sebagai media untuk merubah, memproses, memancarkan atau menerima sinyal.

***

2. Fenomena Listrik dan Penyebab Penyebabnya

Fenomena listrik tidak hanya terjadi dalam peralatan teknisi tapi juga terjadi pada lingkungan kehidupan kita. Percikan sumbu api kadangkali dihasilkan ketika melepas pullover fiber sintetik, dan saling rekatnya potongan kertas pada material sintetis, merupakan contoh adanya fenomena listrik. Pada bagian berikut, kita akan berkenalan dengan konsep umum yang dibutuhkan untuk menjelaskan fenomena tersebut.

  • Pembebanan Material

Ketika sebuah batang plastik digosokkan dengan kain, maka akan dapat menarik obejek objek ringan seperti potongan kertas. Kadang, terjadi juga penolakan.

Ini merupakan sifat listrik. Batang plastik disebut “yang dibebankan”.

8
Gambar 1.8 Daya tarik-menarik dengan batang plastik yang dibebankan

Daya tarik-menarik dapat mudah dihasilkan dengan menekan material yang berbeda secara bersamaan. Contohnya, plastic foil dan potongan kertas yang dapat menempel dengan sangat mudahnya.

Manusia tidak mampu merasakan secara langsung pembebanannya. Manusia tidak memiliki indera perasa apapun untuk hal tersebut. Manusia hanya dapat membuktikan keberadaan adanya kondisi pembebanan dengan memperhatikan efeknya.

Percobaan yang sesuai harus dilakukan dalam membuat pernyataan yang tepat mengenai tipe pembebanan dan efeknya.

9
Gambar 1.9 Daya tarik-menarik dan tolak-menolak diantara pembebanan

Hal ini menunjukkan bahwa gaya tarik-menarik dan tolak-menolak berada diantara sesuatu yang dibebankan.

Penolakan terjadi ketika pembebanan pada bagian polaritas yang sama.

Penarikan terjadi ketika pembebanan pada bagian polaritas yang berbeda.

Polaritas sama menolak

Polaritas berbeda menarik

Tidak ada daya tarik-menarik maupun tolak-menolak diantara benda netral.

Percobaan 1-1

Interaksi bersamaan antara batang yang dibebankan.

Percobaan A

Metode

Batang-batang plastik yang telah digosokkan dengan kain wol lalu didekatkan secara bersamaan.

10

Hasil

Batang plastik yang digantung secara bebas menjauh.

 

Percobaan B

Metode

Batang-batang kaca yang telah digosok dengan kain sutera dan kemudian didekatkan secara bersamaan.

11

Hasil

Batang kaca yang digantung secara bebas menjauh.

 

Percobaan C

Metode

Batang plastik yang dibebankan didekatkan menuju batang kaca yang dibebankan.

12

Hasil

Batang kaca yang digantung secara bebas tertarik oleh batang plastik.

  • Struktur Zat

Semua benda merupakan benda netral pada umumnya. Benda-benda tersebut dapat dibebankan dengan pengaruh dari luar. Proses itu tidak merubah penampilan benda-benda tersebut. Keadaan pembebanan dapat dijelaskan dalam istilah struktur zat.

Semua zat dapat dibagi dengan mudah menjadi bahan dan senyawa pokok. Selain itu, ada juga campuran, yangmana bagaimanapun, terdiri dari elemen atau senyawa yang berbeda.

Udara, contohnya, merupakan campuran dari beberapa gas yang berbeda.

Bahan pokok juga diketahui sebagai elemen. Lebih dari seratus elemen telah diketahui sejauh ini. Beberapa elemen tidak terbuat secara alami. Elemen tersebut ada yang dapat dibuat.

Elemen tidak dapat dirusak menjadi bahan lain dengan cara mekanis atau kimia.

13
Gambar 1.10 Campuran (alloy) perak dan tungsten (perbesaran 500 kali)

Contoh elemen

Hidrogen, oksigen, karbon, sulfur, tembaga, alumunium, besi, magnesium.

14
Gambar 1.11 Elemen dalam bentuk bubuk (dengan urutan; a) alumunium, b) magnesium, c) sulfur, d) karbon)

Atom merupakan partikel terkecil pada sebuah elemen yangmana masih memiliki unsur kimia-nya.

Ketika atom pada elemen yang berbeda digabungkan satu sama lain, maka akan menghasilkan bahan baru. Inilah yang disebut senyawa.

Contoh senyawa

Polyvinylchloride (PVC), karat, garam umum, air, benzena, asam sulfur.

Partikel terkecil senyawa disebut molekul. Istilah molekul digunakan tidak hanya untuk kombinasi jenis atom yang berbeda tapi juga untuk jenis atom yang sama.

Molekul merupakan kombinasi atom yang sama atau berbeda jenis.

15

Tidak semua substansi membentuk senyawa. Gas inert tidak membentuk molekul dibawah kondisi normal, tetapi tetap dalam bentuk atom.

Atom berbentuk sangat kecil sehingga tidak bisa terlihat bahkan dengan bantuan alat. Model teoritis telah dikembangkan untuk mengenali struktur pada atom, yang dapat membantu hasil eksperimen dan prosesnya dapat dijelaskan.

Atom model Boh’r telah terbukti berguna untuk tujuan tersebut.

Atom terdiri dari inti dan kulit. Inti terdiri dari proton dan neutron. Elektron bergerak mengelilingi inti dalam lintasan yang melingkar.

16
Gambar 1.12 Atom karbon

Elektron mengelilingi inti pada kecepatan tinggi dan membentuk kulit disekelilingnya.

Atom terlihat dari luar seperti bola keras (gambar 1.12)

Dimensi atom tidak terbayangkan kecilnya. Diameter atom hidrogen, contohnya, sekitar 10-10 m dan diameter inti hanya sekitar 10-15 m.

17
Gambar 1.13 Ilustrasi dimensi yang sesuai

Semua atom dibangun oleh partikel dasar yang sama- proton, neutron, dan elektron. Perbedaan diantara elemen terdiri dari hanya jumlah partikel yang terdiri dari atom masing-masing. Maka dari itu, atom tembaga memuat 29 proton dan atom zinc 30 proton dalam inti. Beberapa model atom ditunjukkan dalam gambar 1.14 dalam bentuk sederhana 2-dimensi.

18
Gambar 1.14 Gambaran 2-dimensi pada atom yang berbeda

Jumlah elektron pada sebuah atom selalu sama dengan jumlah proton. Jumlah neutron sering berbeda dari jumlah proton. Proton dan elektron menyebabkan fenomena listrik.

Elektron mengelilingi sekeliling inti dalam jalur yang telah ditentukan. Hal tersebut diketahui sebagai kulit dan didesain dengan huruf alfabet yang berurut.

19

  • Susunan Elektris Atom

Susunan elektris atom akan dijelaskan menggunakan atom hidrogen sebagai contoh, karena merupakan atom paling sederhana. Atom hidrogen hanya terdiri dari satu elektron dan satu proton.

Elektron mengelilingi orbit edar disekeliling inti. Pada beberapa gerakan pengorbitan, bagaimanapun, ada gaya yang bertindak dari pusat diluar orbit – gaya sentrifugal.

20
Gambar 1.15 Model atom hidrogen

Kita sering menemui gaya ini dalam kehidupan sehari-hari kita, contohnya pada komidi putar, saat olahraga, saat mengayunkan palu, dan saat berkendara, saat memutari simpangan. Oleh karena itu, elektron akan terbang menjauhi inti, jika gaya ini tidak diseimbangkan oleh gaya penarikan diantara inti dan elektron.

Gaya penarikan ini merupakan listrik di alam. Gaya ini hadir karena pembebanan listrik yang berlawanan. Pembebanan elektron dikenal sebagai negatif dan proton sebagai positif. Neutron secara elektris netral.

Elektron merupakan partikel atom yang dibebankan negatif pada kulit

Proton merupakan partikel atom yang dibebankan positif pada inti

Neutron merupakan partikel atom yang dinetralkan secara elektris pada inti

21
Gambar 1.16

Eksperimen 1-1 dapat dijelaskan dengan terminologi model struktur zat atom ini:

Ketika batang plastik digosok dengan kain wol, elektron dari kain berpindah ke batang. Batang, memiliki lebih banyak elektron dibanding saat awalmya, dan menjadi terbebani negatif (gambar 1.16).

22
Gambar 1.17

Menggosok batang kaca dengan kain sutera menghasilkan elektron yang berpindah dari batang ke kain. Kemudian pembebanan positif lebih unggul pada batang (lihat gambar 1.17)

Pembebanan berlawanan bekerja keras untuk menetralisasi satu sama lain, dan gaya penarikan terjadi diantara mereka.

Latihan

  1. Jenis pembebanan apakah yang saling menolak satu sama lain?
  2. Penggaris plastik yang dibebankan menarik lembaran-lembaran kecil styropor. Jenis pembebanan apakah sehingga styropor bisa tertarik?
  3. Disebut apakah partikel terkecil pada sebuah elemen yangmana masih memiliki unsur kimianya?
  4. Sebutkan perbedaan diantara elemen dan senyawa
  5. Klasifikasikan zat berikut ke dalam elemen dan senyawa: gypsum, kaca, zinc, keramik, uranium, alkohol, nitrogen, tembaga, karbon, alumunium, asam sulfur (petunjuk: lihat tabel periodik elemen pada 15.1.2)
  6. Partikel apakah yang tersusun dari molekul?
  7. Gambarkan struktur atom helium
  8. Gambarkan model atom hidrogen, tunjukkan pembebanan dan gayanya

***

3. Dasar-dasar Mekanik

Beberapa fenomena listrik dan hubungan timbal baliknya hanya dapat dijelaskan dengan bantuan konsep dan jumlah dari mekanik – cabang ilmu fisika. Untuk memahami bagian berikut dengan lebih baik, kita harus mempelajari beberapa konsep berikut. Kemungkinan juga kita sudah mengetahui banyak mengenai konsep itu, namun kita akan bahas kembali secara singkat disini.

  • Jumlah, Satuan, dan Persamaan Fisika

Jika fenomena fisika dibandingkan haruslah dijelaskan dengan tepat. Jumlah fisika menjelaskan hal berikut. Berikut hal-hal terukur pada objek fisika ,  bagian atau proses. Simbol rumus digunakan untuk menunjukkan besaran fisik dalam bentuk singkat dan ditulis dengan huruf cetak miring.

23

Ada sebuah satuan untuk setiap jumlah. Contohnya, meter untuk satuan panjang. Besaran ini diukur dengan bantuannya.

24

Tanda satuan ditulis dengan huruf cetak biasa.

Pada ilmu fisika dan teknik, semua fenomena dan objek yang dapat diukur dikurangi menjadi beberapa jumlah. Ini dikenal dengan jumlah dasar. Jumlah dasar saling berdiri sendiri. Tujuh jumlah dasar ditetapkan secara internasional dengan satuan yang disamakan. Inilah dasar dari Sistem satuan-SI. Sejak 2 Juli 1969, Sistem satuan-SI terikat dalam FRG, sesuai dengan “Hukum mengenai Satuan dalam Pengukuran”. Pada tabel tertulis 7 besaran dasar beserta satuannya.

Jumlah berikut diukur dengan pengukuran, contohnya:

Skala pengukuran untuk panjang adalah meter,

25
Gambar 1.18 Vernier caliper untuk mengukur panjang

 

Timbangan untuk massa dalam kilogram,

26
Gambar 1.19 Timbangan untuk mengukur massa

 

Jam untuk waktu dalam detik,

27
Gambar 1.20 Stop-watch untuk mengukur waktu

 

Ammeter untuk arus dalam amperes

28
Gambar 1.21 Ammeter untuk arus listrik

Nilai kuantitatif dapat ditentukan dengan pembacaan nilai angka dan satuan pada alat pengukuran yang digunakan.

Oleh karena itu setiap kuantitas terdiri dari nilai angka dan satuan. Tertulis dalam bentuk persamaan.

Contoh untuk metode penulisan kuantitas fisik:

Nilai kuantitatif  = Nilai angka . satuan

Semua kuantitas lain dapat dijelaskan dengan istilah 7 besaran dasar dan satuannya. Disebut sebagai, kuantitas yang diperoleh dan satuan yang diperoleh.

Kuantitas yang diperoleh tersusun dari kuantitas dasar.

Satuan yang diperoleh tersusun dari satuan dasar.

Simbol baru sering digunakan untuk menunjukkan kuantitas yang diperoleh dan satuan yang diperoleh dalam bentuk singkat.

Contoh besaran yang diperoleh

Luas A

Luas persegi panjang ditentukan oleh perkalian panjang l dan lebar b. Demikian juga, menghasilkan satuan yang diperoleh. Ketika memberikan satuan besaran fisik, besaran harus ditulis dalam tanda kurung kotak dan satuan ditulis dalam sisi yang berlawanan terhadap tanda persamaan (DIN11313).

29

Besaran fisik ditulis bersama persamaan ukuran, agar menunjukkan hubungan terhadap satu sama lain.

30

Persamaan ukuran dan persamaan satuan harus dibedakan satu sama lain.

Persamaan Dimensi

Pada persamaan dimensi, hubungan diantara besaran dinyatakan dalam bentuk persamaan.

Contoh:

A = l . b

Persamaan Satuan

Pada persamaan satuan, satuan dibandingkan satu sama lain. Dengan bantuan persamaan ini, suatu satuan dapat dikonversi menjadi bentuk lain.

Contoh:

1 m = 100 cm

1 m2 = 104 cm2

  • Gaya dan Jarak

Gaya bukan merupakan besaran yang terlihat. Kita hanya dapat melihatnya dari akibatnya. Gaya ditampilkan dengan simbol panah. Panjang panah menunjukkan besarnya gaya dalam pengukuran skala, dan busur panah mengindikasikan arah yang digunakan.

31
Gambar 1.22

Satuan gaya yaitu newton.

Ketika gaya dilakukan pada objek yang tetap, objek akan berubah bentuk.

32
Gambar 1.23 Efek gaya pada objek tetap

Ketika gaya diberikan pada objek yang dapat bergerak, gerakannya berubah.

Satuan jarak yaitu meter.

33

Dimensi yang sama bisa dapat mempunyai banyak nama bergantung pada konteksnya, contoh: panjang l, lebar b, radius r, diameter d, panjang gelombang.

Sebagai contoh, pada ilmu kelistrikan, kita punya panjang konduktor l, garis panjang flux l, diameter konduktor d dan lain lain.

  • Usaha dan Energi

Usaha dan energi memiliki dua konsep penting pada dunia industri modern. Usaha dan energi dapat dengan mudah dijelaskan dengan contoh usaha yang dilakukan untuk mengangkat suatu objek.

Satuan usaha dan energi yaitu Joule.

Pengangkatan beban dilakukan ketika, sebagai contoh, seseorang membawa 10 L air dari satu lantai menuju lantai selanjutnya (contoh: dari lantai 2 menuju lantai 3  3,06m). Gaya F = 98,1 N dibutuhkan, yangmana digunakan hingga perbedaan tinggi dua lantai tersebut dilintasi (gambar 1.24).

34
Gambar 1.24 Seseorang membawa air melakukan usaha pengangkatan

Seseorang yang membawa air harus melakukan usaha. Besarnya usaha bergantung pada gaya F yangmana harus digunakan dan perbedaan tinggi h (tinggi pengangkatan) yang dilintasi.

35

Usaha mekanik selalu dilakukan ketika gaya digunakan pada tubuh yang memiliki jarak.

Usaha adalah gaya dikali jarak

1 J = 1 N . 1 m

Usaha dan energi memiliki hubungan satu sama lain. Dimana konsep usaha menjelaskan aksi atau proses, energi berhubungan pada sebuah benda atau sistem.

Energi dihasilkan oleh proses usaha.

Usaha   menghasilkan  Energi

 (proses)                       (keadaan)

Dalam hubungannya dengan DIN 1304 , W dapat digunakan sebagai simbol untuk energi sama halnya dengan E.

Jika seseorang mengangkat beban menuju ketinggian h, sejumlah usaha dilakukan.  Seseorang itu memiliki jumlah energi yang sama. Posisi energi ini disebut energi potensial Ep.

Setelah usaha dilakukan, ia tidak akan hilang namun menyisakan sesuatu dalam bentuk energi. Usaha dapat dilakukan lagi dengan energi ini.

Energi merupakan kapasitas suatu benda atau sistem untuk melakukan usaha.

Pada contoh ini (eksperimen imajiner), air dapat mengalir kembali menuju lantai 2 melalui pipa. Sebuah turbin kecil yang terpasang pada lantai 2 dapat digerakkan oleh air ini. Sehingga, usaha yang dilakukan sebelumnya (usaha pengangkatan) dapat didapati kembali sebagai usaha pengendalian (kerugian diabaikan).

36
Gambar 1.24 Air dan energi pada pengangkatan benda

Sebuah stasiun daya penyimpan pompa, sebagai contoh, bekerja berdasarkan prinsip ini.

37
Gambar 1.26 Konversi energi pada stasiun penyimpanan pompa

Energi potensial air tersebut dikonversikan menjadi energi gerak. Energi gerak ini juga dikenal sebagai energi kinetik Ek.

Energi benda bergantung pada posisi dengan memperhatikan titik referensinya. Semua titik pada ketinggian yang sama yang memperhatikan titik ini, memiliki potensial yang sama.

38
Gambar 1.27 Nilai energi dan potensial 10 L air pada sebuah rumah, berhubungan dengan lantai dasar

Pada gambar 1.27, nilai energi potensial untuk 10 l air ditunjukkan pada hubungan dengan lantai dasar.

Usaha harus dilakukan jika energi potensial makin meninggi. Ketika energi potensial berkurang, energi yang dilepaskan dapat digunakan untuk melakukan usaha.

Perbedaan bentuk energi dapat dikonversi menjadi satu sama lain. Pentingnya kevalidan hukum fisika tidak hanya pada mesin, tapi dalam semua bidang. Penjumlahan energi pada sistem tertutup selalu konstan (kekekalan energi).

***

4. Tegangan Listrik

  • Pembebanan Listrik

Seperti yang telah kita ketahui, pembebanan disebabkan gesekan dan gaya tolak-menolak dan tarik-menarik dihasilkan dari pembebanan. Hal ini akan dibahas lebih lanjut disini. Untuk tujuan tersebut, sifat pembebanan listrik akan dijelaskan agak lebih panjang.

Pembebanan merupakan sifat zat yangmana semua fenomena listrik dapat diusut.

Besarnya pembebanan diukur dalam satuan yang disebut coulombs.

39

Berikut dua jenis pembebanan yang saling berlawanan: positif dan negatif (lihat 1.28).

40
Gambar 1.28 Atom oksigen netral

Elektron membawa pembebanan negatif dan proton pembebanan positif. Besarnya pembebanan dibawa oleh sebuah elektron yang sama ketika dibawa oleh proton.

Pembebanan sebuah elektron:               Pembebanan sebuah proton:

e = – 1,602 . 10-19 C                                e = + 1,602 . 10-19 C

Jadi, jika sebuah atom memuat secara persis banyak elektron sebagai proton (dalam keadaan normal), maka efek pembebanan yang saling berlawanan membatalkan satu sama lain. Atom bereaksi secara eksternal sebagai benda netral.

  • Pembangkit Tegangan

Prinsip Pembangkit Tegangan

Kesetimbangan atom netral dapat diganggu oleh pengaruh dari luar, contoh: gesekan. Pemisahan muatan dapat terjadi dan dijelaskan dengan mudah dengan bantuan band generator.

41
Gambar 1.29 Lintasan dan operasi umum band generator

Band generator digerakkan oleh gulungan logam. Sebuah jalur karet yang besar mentransmisi gerakan putar menuju gulungan plexiglass, yang berperan sebagai penggerak ban berjalan. Kemudian band bergesekan dengan gulungan plexiglass dan membuat elektron berjatuhan. Elektron, dengan muatan negatif nya diturunkan menuju golongan logam.

Keadaan netral pada gulungan plexiglass dan gulungan logam dengan cara tersebut akan terganggu. Gulungan plexiglass memberikan elektron, jumlah proton menjadi lebih banyak dibanding jumlah elektron, dan menyebabkan gulungan plexiglass bermuatan positif. Gulungan plexiglass menarik elektron keluar dari keranjang melewati punggung logam. Elektron-elektron ini, juga, ditransportasikan menurun oleh ban berjalan dan keranjang juga menjadi bermuatan positif. Pada lain pihak, gulungan metal menjadi bermuatan negatif karena kelebihan elektron yang telah terkumpul.

Pemisahan dan transportasi tidak dapat dicegah. Elektron mempunyai kecenderungan untuk kembali ke gulungan plexiglass, dikarenakan muatan yang berlawanan saling menarik satu sama lain. Gaya tarik-menarik ini dapat menjadi teratasi. Gaya yang saling berlawanan perlu dibangkitkan oleh penggerak dan ditransmisikan oleh band.

42
Gambar 1.30 Band generator

Gaya bergerak melewati jarak s. Sejumlah usaha W yang dilakukan.

Ini merupakan proses mekanikal. Bagaimana dengan proses elektrikalnya?

Untuk meneliti hal ini, kita hubungkan band generator menuju alat pengukuran (gambar 1.31)

43
Gambar 1.31 Alat pengukuran untuk menunjukkan tegangan

Adanya kecenderungan dua muatan untuk menetralisasi satu sama lain. Kondisi ini disebut potensial listrik.

Tegangan dibangkitkan dengan pemisahan muatan. Tegangan atau potensial listrik merupakan kondisi muatan yang terpisah yang bekerja keras menetralisasi satu sama lain.

Satuan potensial listrik yaitu volt

Untuk memahami bagaimana tegangan dibangkitkan, kita akan menganalisa percobaan dengan membayangkan band generator.

44

Untuk memulainya, elektron jatuh menjauhi gulungan plexiglass dan terkumpul pada pita karet. Pemisahan muatan Q dan pembangkitan tegangan U telah tercapai oleh usaha yang dilakukan.

Untuk memahami apa yang terjadi setelah ini, kita akan menganggap tidak ada pemisahan muatan yang akan terjadi lagi.

Jika pita bergerak kembali, tidak ada muatan yang terkumpul pada pita. Muatan Q tetap konstan. Untuk mentrasportasikannya menurun menuju gulungan logam, maka, diperlukan usaha yang lebih. Pada bagian usaha tambahan yang telah dilakukan, tegangan U meningkat.

U seimbang dengan W: U ~ W

Sebenarnya jumlah usaha yang dilakukan bergantung tidak hanya pada besarnya tegangan, tetapi bergantung pada besarnya muatan yang dipindahkan.

Jika muatan dipindahkan, selalu berhubungan dengan usaha lebih yang dilakukan tanpa peningkatan tegangan.

W ~ Q

Tegangan sebanding dengan usaha yang diperlukan untuk memisahkan dan memindahkan satuan muatan.

45

Tingkatan Tegangan

Kisaran jantung manusia                          0.001 V

Aki timah (6 sel)                                           12 V

Jaringan tegangan rendah                           220

Kisaran tabung gambar berwarna          25,000 V

Jaringan tegangan tinggi                      110,000 V

46
Gambar 1.32 Model sebuah generator arus bolak-balik

Pada beberapa sumber tegangan, muatan saling terpisah. Tegangan U diproduksi. Ini merupakan keadaan diberi tenaga listrik, dikarenakan muatan berusaha untuk menetralisasi satu sama lain.

Energi listrik merupakan tegangan dikali muatan.

47

Energi listrik dapat dilepaskan untuk melakukan usaha.

48
Gambar 1.33 Prinsip perubahan diantara usaha dan energi listrik

Oleh karena itu, sumber tegangan merupakan sumber energi.

Hubungan kesetimbangan nya yaitu sebagai berikut:

W = Eel

F . s = U . Q

1 N . 1 m = 1 V . 1 C

Metode Pembangkit Tegangan

Tegangan dapat dibangkitkan dengan berbagai cara. Beberapa metode yang digunakan dalam fisika dan keteknikan akan dijelaskan dengan singkat pada bagian berikut.

* Tegangan dari gesekan

Ketidakseimbangan muatan dihasilkan oleh plastik yang digosok (lihat 1.2.1).

* Tegangan dari magnet dan gulungan yang bergerak

Pemisahan muatan yang ditimbulkan dengan memindahkan gulungan medan magnet atau memindahkan magnet dan menjaga gulungan agar tetap pada tempatnya. Metode ini digunakan, sebagai contoh, pada pembangkit tenaga listrik yang digunakan di pemancar daya. Dinamo sepeda dan mikrofon dinamis, juga, bekerja dengan prinsip yang sama.

*Tegangan dari tekanan dan tensi pada kristal

Dengan merubah tekanan atau tensi, pemisahan muatan dibangkitkan pada permukaan kristal tertentu (contoh: kuarsa). Besarnya tegangan dibangkitkan bergantung pada kekuatan pengaruh dari luar (gambar 1.34).

49
Gambar 1.34 Sistem pembakaran (pembangkitan tegangan dari tekanan)

*Tegangan dari panas

Ketika dua logam yang berbeda digabungkan dan titik penggabungan dipanaskan, tegangan listrik rendah (beberapa milivolt) dihasilkan. Besarnya tegangan bergantung pada suhu. Prinsip ini digunakan pada pengukuran suhu (gambar 1.35).

50
Gambar 1.35 Elemen thermoelectric

*Tegangan dari cahaya

Ketika cahaya jatuh pada material tertentu (silikon, Germanium), pemisahan muatan terjadi. Fenomena ini dimanfaatkan, misalnya untuk, pengukur cahaya dan pada pembangkit tegangan di satelit (gambar 1.36).

51
Gambar 1.36 Elemen photo-electric

*Tegangan dari reaksi kimia

Jika dua konduktor dengan logam yang berbeda dicelupkan dalam cairan yang mengandung listrik, maka pemisahan muatan terjadi. Proses ini digunakan pada semua sumber tegangan elektro-kimia.

  • Pengukuran Tegangan

Tegangan berada diantara dua titik dengan tingkat muatan yang berbeda. Perbedaan muatan atau perbedaan potensial berada diantaranya.

Tegangan merupakan perbedaan potensial listrik.

Tegangan dapat dengan mudah diukur dengan bantuan alat ukur yang sesuai. Dua terminal voltmeter dihubungkan dengan dua titik diantara tegangan yang akan diukur. (gambar 1.37).

80
Gambar 1.37 Rangkaian untuk mengukur tegangan

81

82

Ada beberapa tipe voltmeter (gambar 1.38).

55
Gambar 1.38 Voltmeter

Voltmeter tersebut memiliki perlakuan khusus masing-masing saat menggunakannya. Maka dari itu, sebagai contoh, jenis tegangan dan polaritas harus diperhatikan ketika menggunakan beberapa voltmeter (lihat no. 4 nanti).

Jika ada kelebihan elektron pada satu titik dan kekurangan pda titik lainnya, maka ada tegangan pada kedua titik tersebut.

Hal tersebut, bagaimanapun, bukanlah satu-satunya kemungkinan. Untuk contoh, terdapat tegangan diantara dua titik bahkan jika disana terdapat kelebihan elektron pada dua titiknya, kelebihan yang ada pada satu titik lebih besar dibanding kelebihan pada lainnya.

Seperti pada kasus energi mekanik (lihat 1.3.3) kita harus menetapkan titik referensi dan mengukur potensial atau tegangan yang ada.

Pada gambar 1.39 pemusatan muatan yang berbeda ditunjukkan dengan nilai tegangan yang berbeda diantaranya.

56
Gambar 1.39 Contoh tegangan dan potensial

Titik referensi ditandai dengan tanda “ground” . Tanda panah mengindikasikan arah tegangan pada tiap kasus (dari + sampai -).

Titik referensi dapat, bagaimanapun, dirubah tanpa merubah perbedaan potensial. Hanya nilai potensial pada tiap titik yang akan berubah.

  • Tipe-Tipe Tegangan

Sumber tegangan yang sesuai telah dikembangkan untuk berbagai keperluan teknis. Bergantung pada konstruksinya, sumber tegangan terdiri dari tegangan searah, tegangan bolak-balik atau tegangan campuran. Perbedaan tersebut akan dijelaskan pada bagian ini.

Besarnya listrik yang bergantung pada waktu dapat digambarkan secara visual dengan oscilloscope.

57
Gambar 1.40 Oscillogram dan line diagram tegangan searah

Gambar 1.40 menunjukkan tegangan searah dengan bergantung terhadap waktu dalam bentuk oscillogram dan gambaran grafis yang berhubungan disebut line diagram.

Tegangan searah besarnya tetap (amplitudo). Ini berarti besar amplitudo sama dari saat dinyalakan hingga dimatikan. Polaritas sumber tegangan tidak berubah.

58

Sumber tegangan bolak-balik merubah polaritasnya dan juga merubah arah tegangan secara konstan. Tegangan yang diberikan menuju rumah kita oleh pembangkit listrik merupakan tegangan bolak-balik.

59

Gambar 1.41 menunjukkan tegangan bolak-balik sinusoidal terhadap waktu, dalam bentuk oscillogram dan line diagram yang berhubungan.

60
Gambar 1.41 Oscillogram dan line diagram tegangan bolak-balik

Tegangan campuran merupakan kombinasi tegangan searah dan bolak-balik.

61

Gambar 1.42 menunjukkan fungsi yang mungkin terjadi.

62
Gambar 1.42 Oscillogram dan line diagram tegangan campuran

Tingkat tegangan tidak konstan namun bervariasi dalam kisaran nilai rata-rata. Pada kasus ini, tingkat tegangan bervariasi diantara +3 V dan +17 V. Maka nilai rata-rata nya 10 V.

Latihan

  1. Ada muatan yang berbeda diantara dua titik. Disebut apakah kondisi tersebut?
  2. Apa simbol dan satuan untuk tegangan listrik?
  3. Tegangan listrik dapat dibangkitkan dengan menggunakan band generator. Jelaskan proses mekanik dan listrik yang terjadi.
  4. Ada suatu hubungan diantara tegangan, usaha dan muatan. Nyatakan dengan suatu rumus.
  5. Berapa muatan potensial ketika muatan tetap konstan dan jarak diantara muatan membesar?
  6. Sebutkan beberapa perangkat yangmana tegangan listrik dapat dibangkitkan, dan prinsip menurut yang dibangkitkan pada tiap kasus.
  7. Gambarlah rangkaian untuk pengukuran tegangan listrik.
  8. Apa yang harus diperhatikan ketika menggunakan voltmeter?
  9. Apa perbedaan diantara tegangan searah dan bolak-balik?
  10. Gambarkan fungsi tegangan campuran.
  11. Alat ukur apakah yang dapat memvisualisasikan tegangan terhadap waktu.

 ***

5. Arus Listrik

  • Rangkaian dan Arah Arus

Pada sumber tegangan, muatan dipisahkan dan tegangan dibangkitkan. Tegangan cenderung membalik pemisahan muatan. Gaya yang digunakan untuk memisahkan muatan, bagaimanapun, mencegah pembalikan yang terjadi didalam sumber tegangan itu sendiri.

Jika rangkaian terhubung melewati terminal sumber tegangan, maka pemisahan muatan dapat dibalik. Ini disebut rangkaian tertutup (gambar 1.43).

63
Gambar 1.43 Rangkaian listrik

Ketika suatu rangkaian diaktifkan, pemisahan muatan berkurang dan kemudian tegangan jatuh. Akibatnya, gaya pemisahan muatan dalam sumber tegangan menjadi berkuasa dan muatan menjadi terpisah kembali. Keadaan kembali menjadi seperti semula.

Muatan (elektron) mengalir melewati konduktor dan beban. Karena muatan menjadi terpisah secara terus-menerus didalam sumber tegangan pada waktu yang sama, elektron mengalir melewatinya dengan baik. Kemudian aliran muatan pada rangkaian tertutup tercipta. Perpindahan muatan inilah yang disebut arus listrik.

64
Gambar 1.44 Perpindahan elektron diantara inti atom

Arus listrik tidak terdiri hanya perpindahan muatan negatif tetapi juga muatan positif (dalam fluida). Betapa pentingnya muatan hanya dialirkan dalam satu arah.

Arus listrik merupakan aliran muatan.

Perpindahan muatan ke arah netralisasi hanya dapat terjadi jika terdapat tegangan. Tegangan dan arus kemudian saling berhubungan satu sama lain sebagai sebab dan akibat.

Tegangan  menyebabkan    Arus

     (sebab)                                  (akibat)

Tegangan merupakan penyebab arus.

Elektron berpindah dalam konduktor dengan kecepatan sangat rendah, selalu beberapa milimeter per menit.

Alasannya adalah karena inti atom yang tidak bergerak bertindak sebagai penghalang terhadap elektron. Elektron yang berpindah diantara inti atom memiliki alur zig-zag.

Setelah arus diaktifkan, sebuah lampu pijar menyala. Efek dari arus seketika itu juga.

Sumber tegangan menggunakan “tekanan” pada elektron bebas dalam konduktor dari kutub negatif (penolakan) dan “penghisapan” dari kutub positif (penarikan), yangmana mengakibatkan penyebaran keseluruh rangkaian dengan seketika. (lihat gambar 1.45)

65
Gambar 1.45 Penyebaran tekanan dan efek penghisapan dalam sebuah rangkaian listrik

Pada sebuah rangkaian listrik, elektron mengalir dari kutub N (-) menuju kutub P (+) diluar sumber tegangan, dan dari P menuju N didalam sumber tegangan. Ini merupakan arah aliran elektron.

Kejadian tertentu yang berhubungan dengan aliran arus, bagaimanapun, telah diketahui sebelum aliran muatan dalam suatu rangkaian listrik dijelaskan secara teori. Saat merumuskan hukum yang telah diketahui, hal itu diasumsikan bahwa arus dari kutub positif menuju kutub negatif diluar sumber tegangan.

Arah arus yang diasumsikan akan mengalir, tidak ada hubungannya dengan efeknya (contoh: nyala suatu lampu listrik). Sehingga penetapan arah arus secara konvensional ditetapkan dalam ilmu rekayasa ketehnikan.

Arah arus secara konvensional diasumsikan dalam ilmu rekayasa ketehnikan yaitu dari kutub positif menuju kutub negatif diluar sumber tegangan.

Arah aliran arus diindikasikan dengan sebuah anak panah dalam gambar rangkaian, persis seperti polaritas tegangan.

Gambar 1.46 menunjukkan arah aliran arus dalam suatu rangkaian, diluar sumber tegangan serta didalam tegangan.

66
Gambar 1.46 Model penggambaran aliran elektron dalam sebuah rangkaian listrik
  • Kuat Arus

Sebagai tambahan untuk mengetahui apa dan bagaimana arah arus mengalir, penting untuk mengetahui besarnya muatan aliran yang mengalir.

Cukup mudah untuk membayangkannya dalam imajinasi kita. Jika kita hitung elektron yang melewati luas penampang suatu konduktor yang ada tiap detiknya, maka dapat diukur kuat arusnya. Pengukuran kuat arus dapat dikatakan seperti “lalu lintas” elektron dalam suatu konduktor.

Kekuatan arus listrik merupakan kuantitas muatan yang mengalir melewati luas penampang suatu konduktor yang ada tiap detiknya.

67
Gambar 1.47 Arah aliran elektron dan arah aliran arus yang umum digunakan dalam dunia teknik

Satuan kuat arus yaitu ampere.

68
Gambar 1.48 Penggambaran kuat arus

Jika kita asumsikan arus yang mengalir konstan, maka dua kali kuantitas muatan akan melewati luas penampang yang ada dalam dua kali waktu. Dalam menghitung kuantitas muatan yang mengalir per satuan waktu, seluruh muatan harus dibagi dengan waktu pengukuran.

69

70

Jika kita ingin mengubah persamaan untuk mencari Q, maka diperoleh hubungan sebagai berikut:

Muatan yaitu kuat arus dikali waktu

               1 C = 1 A . 1 s

Dalam prakteknya, muatan biasanya diukur dalam ampere-seconds daripada coulombs.

Menghitung jumlah elektron dalam 1 A s

Arus 1 A mengalir melewati konduktor selama 1 detik. Berapa banyak elektron yang melewati konduktor jika muatan yang membawa tiap satu elektron sebesar 1.6  x 10-19 A s?

Kuat arus I = 1 A mengalir ketika muatan 1 A s melewati luas penampang konduktor tiap detik. Maka, jumlah elektron yang mengalir melewati luas penampang tersebut yaitu:

84

Kuat arus 1 A sepadan dengan aliran muatan yang dibawa oleh 6.25 x 1018 elektron tiap detik.

Ini jumlah yang sangat besar yang tak terbayangkan. Jika ditulis secara penuh, maka akan terbaca 6250 000 000 000 000 000.

Besarnya kuat arus

Pengukur cahaya                          sekitar              0.0001 A

Lampu pijar                                  sekitar                  0.45 A

Setrika listrik                                sekitar                       2 A

Kereta trem                                  sekitar                     50 A

Tungku peleburan alumunium      sekitar              15 000 A

Penerangan                                   sekitar            100 000 A

  • Pengukuran Arus

Arus listrik merupakan arah aliran muatan, dalam suatu konduktor misalnya. Jika aliran muatan diukur, konduktor pada rangkaian listrik harus dipotong di beberapa titik dan terminal alat pengukuran harus dikoneksikan dengan dua ujung titik yang di putung. Arus keseluruhan harus melewati alat pengukuran (gambar 1.49).

71
Gambar 1.49 Rangkaian untuk mengukur arus

Ada beberapa jenis ammeters dengan macam macam spesifikasi tersendiri. Pada beberapa alat, arus harus mengalir hanya dalam 1 arah (dari + ke – ).

72
Gambar 1.50 Perbedaan jenis ammeter
  • Tipe-Tipe Arus

Tegangan merupakan penyebab dari arus listrik. Jika tegangan searah digunakan pada suatu rangkaian listrik, arus searah akan mengalir melewatinya. Perpindahan muatan nya searah.

73
Gambar 1.51 Diagram garis arus searah

Jika tegangan bolak-balik atau campuran digunakan pada suatu rangkaian listrik, arus bolak-balik atau campuran akan mengalir melewatinya.

74
Gambar 1.52 Diagram garis arus bolak-balik

Arus bolak-balik mengubah arah pada waktu tertentu. Elektron mundur kebelakang dan maju kedepan secara konstan.

75
Gambar 1.53 Diagram garis arus campuran
  • Efek Arus Listrik

Arus listrik memiliki efek sebagai berikut:

*Efek panas

*Efek cahaya

*Efek magnetis

*Efek kimia

*Efek psikologi

Efek tersebut digunakan dalam berbagai cara dengan teknlogi. Beberapa alat untuk menggunakan efek tersebut akan disebutkan dan dijelaskan dengan singkat disini. Hukum pokok yang berhubungan dengan efek tersebut akan diuraikan pada bagian ini beserta dengan percobaan dasarnya.

*Efek panas

Pada perangkat yang ditunjukkan pada gambar 1.54, efek panas arus listrik telah digunakan. Arus mengalir melalui kawat logam tipis dan memanaskannya.

76
Gambar 1.54 Contoh efek panas: pemanas celup, besi solder

 

*Efek cahaya

Jika kuat arus cukup tinggi, kawat tidak hanya panas, tetapi mulai berpijar, memancarkan cahaya. Efek ini digunakan pada lampu pijar.

Pada kondisi tertentu, gas juga dapat menghasilkan listrik. Pada lampu neon dan lampu uap sodium, efek ini digunakan untuk membangkitkan cahaya.

77
Gambar 1.55 Contoh efek cahaya. Dari kiri ke kanan: Lampu uap natrium, lampu pijar, lampu neon, lampu merkuri

*Efek magnetis

Ketika arus mengalir melewati konduktor, medan magnet akan timbul disekelilingnya. Efek ini dapat diperbesar dengan menggunakan gulungan konduktor (koil). Efek ini digunakan pada elektromagnet yang ditunjukkan pada gambar 1.56, untuk mengangkat besi.

 

78
Gambar 1.56 Contoh efek magnet elektromagnet

 

*Efek kimia

Ketika arus listrik mengalir melewati benda konduktif, larutan cair non-logam (elektrolit), melarut dan mengendap pada elektroda. Material yang dissolved (solute) dapat diekstraksikan dari pelarutnya. (lihat 13.2.2).

Endapan terjadi pada permukaan elektroda. Pada keadaan tertentu, endapan menempel pada elektroda, menaik hingga akhir permukaan (elektroplating) (lihat 13.2.4.1).

*Efek psikologi

Ketika arus listrik mengalir melewati tubuh manusia atau hewan, maka akan mengakibatkan efek psikologi (lihat 14.1.1). Hal tersebut dapat menyebabkan nyeri pada otot. Walaupun efek ini dapat mencederai, takaran arus listrik yang sesuai dapat digunakan untuk pengobatan dalam kedokteran. Untuk tujuan ini, hukum kuat arus dalam beberapa µA digunakan.

79
Gambar 1.57 Contoh efek magnet psikologi pada arus listrik: Kejut listrik yang digunakan untuk menyadarkan seseorang dengan defibrillator (stimulator detak jantung).

Latihan

  1. Sebutkan kondisi apa saja arus listrik dapat mengalir.
  2. Mengapa tegangan (perbedaan potensial) diantara terminal sumber tegangan tetap konstan bahkan ketika elektron mengalir keluar?
  3. Apa arah arus yang masuk kedalam sumber tegangan?
  4. Apa yang dimaksud aliran arus listrik?
  5. Golongkan istilah arus dan tegangan dalam istilah sebab dan akibat.
  6. Apa arah arus yang umum digunakan dalam dunia teknik dan bagaimana hubungannya terhadap arah arus elektron?
  7. Gambarkan sumber tegangan yang terhubung dengan sebuah lampu listrik. Nyatakan arah arus elektronnya.
  8. Apa rumus simbol dan satuan kuat arus listrik?
  9. Nyatakan nilai berikut dalam ampere: 3.6 mA; 25 µA; 6.8 kA.
  10. Tuliskan nilai kuat arus berikut tanpa menggunakan daya 10 : 420 . 10-6 A, 95 . 10-3 A, 110 . 103
  11. Apa rumus simbol dan satuan muatan?
  12. Gambarkan rangkaian untuk pengukuran kuat arus.

 

-END-

Sampai jumpa di Bab 2 “Electrical Engineering Basic Technology”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Penulis:

Life just once, so keep berkaryaaa Pantang menyerah tuk raih impian.... ^^ Ganbarimasu

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google

You are commenting using your Google account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s