BASIC ELECTRICAL

BAB I

DASAR LISTRIK.

A. TEORI LISTRIK
Elektron adalah bagian terkecil dari suatu atom. Sifatnya ringan dan selalu mengorbit pada inti (proton). Lihat gambar berikut ini :

Gambar 1. Elektron dan proton

Atom yang sederhana adalah atom hydrogen. Atom ini mempunyai satu elektron yang mengorbit pada satu inti (proton). Atom yang elektronnya lebih banyak adalah atom uranium. Atom ini mempunyai 92 elektron dan 92 proton. Setiap atom mempunyai struktur sendiri–sendiri. Tetapi pada umunya setiap atom mempunyai jumlah proton dan elektron yang sama (sebanding). Atom–atom tersebut menyebar dalam lintasan yang terdapat pada atom tersebut.
Menurut Paulli, banyaknya elektron maksimum yang dapat menempati tiap kulit dirumuskan dengan :

(n = nomor lintasan kulit atom)

Simbol kulit dalam banyaknya elektron maksimum dalam setiap kulit adalah :
K = (n – 1 ) = 2 x (1)2 = 2 elektron
L = (n – 2 ) = 2 x (2)2 = 8 elektron
M = (n – 3 ) = 2 x (3)2 = 18 elektron
N = (n – 4 ) = 2 x (4)2 = 32 elektron
O = (n – 5 ) = 2 x (5)2 = 50 elektron
P = (n – 6 ) = 2 x (6)2 = 72 elektron
Elektron yang terdapat pada kulit terluar disebut Valensi.

Contoh :

Contoh di atas menunjukkan macam-macam bahan berdasarkan nomor atom dan sifat kemudahan menghantar arus listrik (konduktivitas).
Berdasarkan jumlah valensi atau jumlah electron pada kulit atom terluar suatu bahan dapat dikategorikan sebagai konduktor, semi konduktor dan isolator.
1. Konduktor
Konduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik. Konduktor juga merupakan Bahan yang atom–atomnya mempunyai jumlah elektron lebih kecil dari 4 pada lintasan (kulit) terluar.
2. Semi konduktor
Semi konduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik (konduktor) tapi juga dapat menjadi bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik (isolator).
3. Isolator
Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Isolator merupakan bahan yang atom–atomnya mempunyai lebih dari 4 elektron pada lintasan (kulit) terluar.

proton dan elektron dalam atom mempunyai gaya potensial :
1. Proton mempunyai muatan positif (+)
2. Elekton mempunyai muatan negative (-)

Inti (proton) menarik elektron dan mempertahankan dalam lintasannya dan pada saat muatan positif (proton) sebanding dengan muatan negatif (elektron), maka atom menjadi netral.
Meskipun demikian, muatan atom dapat berubah dari netral menjadi bermuatan positif (+) jika elektron terluarnya ada yang terlepas atau negatif jika mendapat tambahan elektron dari atom lain pada kulit terluarnya.


1. Tegangan (Voltage)
Tegangan adalah beda potensial yang menimbulkan gaya yang mengakibatkan mengalirnya arus listrik (perpindahan elektron). Tegangan dapat dianalogikan sebagai perbedaan ketinggian air pada dua buah tabung air apabila dihubungkan dengan sebuah pipa sehingga air mengalir dari level yang tinggi ke level yang rendah. Kemudian tidak mengalir setelah ketinggian (beda potensial) sama.

Gambar 3. Perbedaan 2 level air 

Tegangan dapat juga didefinisikan sebagai perbedaan potensial yang diperlukan untuk mengalirkan 1 Ampere arus melalui 1 Ohm hambatan. Satuan tegangan listrik disebut "Volt" dan disimbolkan "V".

2. Arus

Ketika dua konduktor (A) dan (B) diisi muatan positif dan negatif yang dihubungkan dengan kawat penghantar (C). Elektron-elektron bebas yang berada pada konduktor (B) akan berpindah ke konduktor (A) melalui penghantar (C). Hal ini akan menyebabkan terjadinya arus elektron dari konduktor (B) yang bermuatan negatif ke konduktor (A) yang bermuatan positif.

Gambar 4. Hubungan antara arus listrik dan arus elektron

Arus adalah jumlah muatan listrik yang mengalir melalui suatu titik tertentu selama satu detik.

Arus dirumuskan dengan : 

     

Dimana : I = Arus [A]

Q = Muatan listrik [Coloumb]

t = Waktu [detik]

Satuan dasar arus listrik adalah Ampere (A). Satu (1) Ampere didefinisikan sebagai aliran satu (1) coulomb muatan listrik dalam 1 detik. 

Coloumb (Q) adalah banyaknya muatan listrik (elektron) yang mengalir melalui suatu titik pada penghantar.

1 Q = 6,28 x 1018 elektron.

6 250 000 000 000 000 000 / sec. = 1 ampere

3. Hambatan 

Setiap obyek atau unsur memiliki nilai hambatan, hambatan ini melawan atau menghambat aliran arus listrik. Besarnya hambatan dalam rangkaian listrik menentukan jumlah arus yang mengalir dalam rangkaian pada setiap tegangan sumbernya. Satuan hambatan adalah Ohm (?), jumlah hambatan yang meloloskan arus 1 Ampere ketika dipasang pada tegangan 1 volt (pada temperatur konstan). Singkatan yang baku untuk hambat listrik adalah R.

Kawat tembaga pada umumnya digunakan untuk menghantarkan arus llistrik karena kawat tembaga, hambatan terhadap aliran listriknya kecil. Lihat gambar berikut :

Gambar 5. Hambatan listrik dalam konduktor

Gambar 7, merupakan gambaran umum hambatan listrik dalam konduktor. Ketika elektron bebas berjalan melalui sebuah logam, elektron-elektron itu melambung melawan molekul, yang akan memperlambat kecepatan jalannya. Perlambatan kecepatan ini disebut dengan "Electric Resistance" atau "Hambatan Listrik".

Adapun nilai hambatan pada sebuah penghantar dipengaruhi oleh bahan penghantar, luas penampang penghantar, panjang penghantar, serta temperatur. Besarnya harga hambatan dapat dihitung dengan rumus :

R = L

Dimana : R = Hambatan [Ohm/?]

? = Tahanan jenis [ohm/ ? meter]

L = Panjang kawat [meter]

A = Luas penampang kawat [m2]

Tahanan jenis setiap material berbeda-beda. Beberapa diantaranya adalah sebagai berikut :

Tabel 1. Jenis material dan hambatan jenisnya.

   

B. HUKUM OHM

Hukum Ohm menyatakan bahwa banyaknya arus (I) yang mengalir melalui konduktor adalah berbanding lurus dengan tegangannya (V), dan berbanding terbalik dengan hambatannya (R). 

Kalau dirumuskan :

Dimana : I = Arus yang mengalir [Ampere]

V = Tegangan [Volt]

R = Hambatan [Ohm]

Berikut adalah contoh rangkaian percobaan untuk membuktikan hukum ohm.  Komponen yang dibutuhkan adalah sumber tegangan 12 V, potensiometer 10 KOhm, resistor 0,5 KOhm, Amperemeter, Voltmeter, dan Switch. 

Jika switch SW dihubungkan, maka arus yang mengalir pada rangkaian akan dapat terukur,  begitu juga tegangan pada masing-masing resistor dapat juga diukur dengan menggunakan Voltmeter. 

Jika resistansi pada potensiometer diperkecil maka arus akan besar, sebaliknya jika resistansi pada potensiometer diperbesar maka arus akan kecil. 

C. ARUS SEARAH DAN ARUS BOLAK-BALIK

1. Arus Searah (Direct Current)

Arus searah (DC) adalah arus yang mengalir dalam arah yang tetap (konstan). Arus searah dapat diilustrasikan sebagai berikut :

Gambar 8. Ilustrasi arus searah 

Generator adalah salah satu alat yang dapat membuat beda potensial. Putaran engine akan menciptakan beda potensial antara kedua polaritas. 

Masing-masing terminal selalu tetap polaritasnya. Misalkan sebagai kutub (+) selalu menghasilkan polaritas positif begitu pula sebaliknya. Beberapa contoh sumber arus searah (DC) adalah battery, accu, dynamo, generator DC.

Gambar 9. Dasar sumber arus searah 

Bentuk gelombang tersebut adalah gelombang tegangan, jika bentuk gelombang tegangan hanya dalam satu arah saja (arah positif) maka akan menghasilkan arus yang searah. Arus yang demikian disebut  "Direct Current (DC)". 

2. Arus Bolak-balik (Alternating Current).

Arus bolak-balik (AC) adalah arus yang mengalir dengan polaritas yang selalu berubah-ubah. Arus bolak-balik dapat diilustrasikan :

Gambar 10. Islustrasi arus bolak-balik

Putaran engine membuat beda potensial yang berubah-ubah sehingga arus akan mengalir dengan arah yang berubah-ubah. 

Pada masing-masing sumber arus bolak-balik, polaritasnya selalu bergantian. Contoh sumber arus bolak-balik adalah: Alternator (AC generator), PLN.

Gambar 11. Dasar sumber arus bolak-balik 

Arus bolak-balik dari alternator akan berbentuk gelombang yang berubah-ubah dari positif ke negatif dalam waktu tertentu. Seperti terlihat pada gambar di atas. Arus yang demikian ini disebut " Alternating Current " dan disingkat dengan AC. Polaritas yang berubah-ubah ini terjadi secara terus-menerus dalam tiap detiknya sehigga disebut frekwensi. 

Frekwensi adalah banyaknya gelombang dalam tiap detik.