Materi Fisika - Rangkaian Listrik Arus Searah: Penjelasan, Rumus

Materi Fisika SMA kelas 12 - Listrik berasal dari kata elektron yang berarti batu ambar. Jika sebuah batu ambar digosok dengan kain sutra, maka batu akan dapat menarik benda-benda ringan seperti sobekan kertas. Dari hal tersebut maka dikatakan batu ambar tersebut bermuatan listrik.

Muatan merupakan ciri dasar dari semua penyusun zat. Zat tersusun dari proton, netron dan elektron. Elektron memiliki muatan negatif dan proton memiliki muatan positif. Besarnya muatan listrik (dilambangkan dengan Q) yang dimiliki sebuah benda, secara sederhana menunjukkan berapa kurang atau lebihnya jumlah muatan negatif dibanding dengan jumlah muatan positifnya.

Pengertian Listrik Arus Searah

Arus listrik searah (Direct Current atau DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah.

Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif sumber arus listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan-pengamatan yang lebih baru menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron ini menyebabkan terjadinya lubang-lubang bermuatan positif, yang “tampak” mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Contoh dari penggunaan listrik arus searah yaitu penyaluran tenaga listrik komersil yang pertama (dibuat oleh Thomas Alfa Edison di akhir abad ke 19) menggunakan listrik arus searah. Generator komersiel yang pertama di dunia juga menggunakan listrik arus searah.

Di tahun 1883, Nicola Tesla dianugerahi hak paten untuk penemuannya, arus bolak-balik fase banyak. Pada bulan Mei 1883, dia menyampaikan kuliah klasik kepada The American Institute of Electrical Engineers:”A New System of Alternating Current Motors and Tranformers.”

Karena listrik arus bolak-balik lebih mudah digunakan dibandingkan dengan listrik arus searah untuk transmisi (penyaluran) dan pembagian tenaga listrik, di zaman sekarang hampir semua transmisi tenaga listrik menggunakan listrik arus bolak-balik.

Walaupun begitu, pada saat pertama peluncuran arus listrik bolak-balik, arus listrik searah masih tetap digunakan. Bahkan, ada yang tidak mau menerima arus bolak-balik.

Dengan perkembangan teknologi elektronika saat ini, listrik arus searah (DC) dapat dihasilkan dengan cara merubah Arus bolak-balik (AC) menjadi Arus Searah (DC) dengan menggunakan suatu alat yang disebut Power Supply atau Adaptor.

Sebagai dasar dari rangkaian Power Supply adalah sebuah komponen diode yang dapat berfungsi sebagai penyearah, artinya adalah dapat merubah dan menyearahkan arus bolak-balik (AC) menjadi Arus Searah (DC).

Gejala Listrik

# Hukum Coulomb

Pengertian muatan listrik menunjukkan bahwa muatan tidak menyebar pada daerah tertentu melainkan berkumpul dalam satu titik. Pada tahun 1785 Charles Coulomb mengadakan penelitian pertama tentang gaya yang ditimbulkan oleh dua benda yang bermuatan dengan alat yang bernama neraca puntir coulomb.

Dari hasil percobaan tersebut, Coulomb berkesimpulan :
Besarnya gaya interaksi antara dua buah benda titik yang bermuatan listrik adalah berbanding lurus dengan perkalian antara masing-masing muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan titik tersebut.

disimpulkan bahwa adanya gaya coulomb pada muatan +Q dan +q, dalam ruang tersebut terdapat medan listrik. Untuk muatan –Q dan diletakkan muatan uji +q maka akan terjadi gaya coulomb yang saling tarik-menarik antara kedua muatan tersebut.

# Hukum Faraday

Arah medan listrik di beberapa titik dapat dilukiskan secara grafis dengan menggunakan garis-garis gaya (kayalan). Konsep dasar ini dikemukakan oleh Michael Faraday yang berbunyi :

Sebuah garis gaya dalam suatu medan listrik adalah sebuah

garis gaya yang dilukiskan apabila garis singgung pada setiap titiknya menunjukkan arah medan listrik pada titik tersebut.

Garis gaya menuju keluar dari muatan positif dan masuk menuju kemuatan negatif. Untuk menunjukkan arah-arah garis gaya dapat dilakukan percobaan sebagai berikut :

Kuat medan listrik pada sebuah titik didalam ruang adalah sebanding dengan jumlah garis gaya per satuan luas permukaan yang tegak lurus medan listrik pada titik tersebut. Dapat disimpulkan bahwa kuat medan listrik akan terasa kuat apabila jarak antara kedua muatan tersebut saling berdekatan, sehingga garis gaya yang dihasilkan sangat rapat. Sebaliknya jika kedua muatan tersebut berjauhan, maka kuat medan listrik yang terbentuk akan lemah.

Penggunaan dari potensial listrik dapat dihubungkan dengan

konsep medan listrik, dasar-dasar rangkaian listrik, serta masalah praktis yang terkait dengan piranti-piranti listrik. Untuk menjelaskan

definisi dan sifat dari dua buah titik yang saling beda potensial dan terletak pada sebuah medan listrik sebagai beda potensial antara dua titik tersebut.

Beda potensial antara dua titik adalah kerja yang dilakukan per satuan muatan jika muatan tersebut dipindahkan. Dalam satuan SI, satuan beda potensial listrik adalah Volt ( disingkat V), dengan 1 volt=

1 joule/coulomb. Potensial listrik dapat didefinisikan sebagai bentuk perbandingan energi listrik dengan muatan titik tersebut.

# Hukum Oersted

Jika muatan listrik mengalir melalui kawat penghantar konduktor, maka akan timbul pengaruh magnetik disekitar kawar berarus tersebut. Pengaruh magnetik ini mampu menarik bahan magnetik lainnya. Jika serbuk besi diletakkan disekitar kawat berarus maka serbuk besi tersebut akan berarah secara teratur.

Hans Christian Oersted, pada tahun 1820, mengadakan penelitian

tentang pengaruh medan magnet disekitar kawat berarus. Susunan percobaan Oersted tersusun seperti gambar dibawah ini.

Kawat berarus akan menimbulkan jarum pada kompas bergerak. Kesimpulan yang dapat diambil adalah Dalam kawat penghantar yang dilewati arus listrik disekitarnya akan timbul garis gaya magnet.

Seperti halnya bumi yang memiliki medan magnet, khasiat jarum kompas sudah sangat terkenal.

Disekitar medan magnet permanen atau kawat penghantar berarus merupakan daerah medan magnet. Vektor dalam medan magnet tersebut dilambangkan dengan B atau disebut dengan induksi medan magnet. Dalam SI, satuan induksi magnet B adalah Tesla.

Rangkaian Listrik Arus Searah

# Hukum Ohm

Jika beda potensial pada ujung kawat dapat dipertahankan konstan, maka akan menimbulkan aliran muatan listrik atau yang disebut dengan aliran arus listrik. Definisi arus listrik (I) adalah jumlah muatan (Q) listrik yang mengaklir dalam penghantar tiap satuan

waktu (t). Jadi 1 Ampere sama dengan 1 coulomb perdetik.

Jika aliran muatan yang mengalir tidak tetap terhadap waktu,

maka arus sesaat dapat dihitung sebagai :

# Hukum Kirchoff

Aplikasi hukum hanya digunakan untuk analisa rangkaian- rangkaian sederhana. Untuk menganalisa suatu rangkaian yang komplek dapat menggunakan hukum kirchoff tentang arus (Kirchoff’s Current Law, disingkat KCL) dan hukum kirchoff tentang tegangan (Kirchoff’s Voltage Law, disingkat KVL)

Hukum Kirchoff 1 adalah Hukum Kirchoff Tentang Arus (KCL).
Jumlah aljabar keseluruhan arus yang menuju titik percabangana adalah nol. Titik percabangan adalah titik pertemuan tiga atau lebih arus ke- atau dari unsur rangkaian atau sumber tegangan.

Dalam hukum ini, dipakai suatu perjanjian bahwa arus yang menuju titik percabangan ditulis dengan tanda positif dan aarus yang tudak menuju (meninggalkan titik percabangan ditulis dengan tanda negatif.

I1 + I2 + I4 = I3, atau
I1 + I2 – I3 + I4 = 0

Gambar 9 diatas menjelaskan tentang pengertian dari KCL, dimana nilai arus listrik yang melalui masing-masing tahanan dapat ditentukan. Pengertian yang didapat jumlah keseluruhan nilai arus yang mengalir pada suatu titik percabangan adalah nol.

Hukum Kirchoff 2, Hukum Kirchoff tentang tegangan (KVL)
Jumlah aljabar keseluruhan penurunan tegangan (voltage drops) dalam suatu rangkaian tertutup (loop) yang dibaca satu arah tertentu sama dengan nol.

Yang dimaksud dengan penurunan tegangan dalam hukum tersebut dalam hubunganya dengan satu arah tertentu adalah sebagai berikut :

a.Untuk unsur tahanan
Apabila tegangan dibaca dari + ke -, dengan arah baca yang sama dengan arah arus I yang mengalir, maka harga V=RI adalah penurunan tegangan. Untuk memahaminya beri tanda positif (+) pada V dan beri tanda positif (+) pada RI. Sedangkan apabila pembacaan tegangan berlawanan dengan arah arus

berilah tanda (-) V atau (-)RI.

b. Untuk sumber tegangan
Bila arah baca dari a ke b, maka adalah suatu penurun tegangan berilah tanda positif pada V. Atau dengan kata lain, apabila menuruti arah baca + dari sumber tegangan, tulis V positif. Sebalik jika pembacaan dari kutub – sumber tegangan maka V ditulis dengan tanda negatif.

Pada umumnya rangkaian listrik terdiri dari beberapa loop dan titik-titik percabangan dengan satu atau lebih sumber tegangan yang digunakan. Apabila nilai dari suatu sumber tegangan sudah diketahui, maka besaran yang harus dianalisa adalah nilai arus pada masing-masing penghantar yang masuk atau meninggalkan titik percabangan atau nilai tegangan pada masing-masing tahanan dari rangkaian tersebut. jumlah persamaan yang digunakan untuk menganalisa suatu besaran belum dapat diketahui, yang jelah harus sebanyak jumlah besaran yang hendak diketahui harganya.

Catatan yang perlu dikemukakan :

Banyaknya persamaan KCL yang dapat disajikan adalah sama denganjumlah titik percabangan yang ada dikurang.
Banyaknya persamaan KVL sama dengan banyaknya loop independen. Suatu loop dikatakan independen bila tidak dapat dijabarkan dari persamaan KVL loop yang lain.

Selain dari catatan diatas, penyelesaian dengan menggunakan sistem penyederhanaan bagian rangkaian yang tersusun seri maupun paralel, akan sangat membantu.

Sumber Arus listrik Searah

Semua sumber listrik yang dapat menimbulkan arus listrik tetap terhadap waktu dan arah tertentu disebut sumber-sumber listrik arus searah. Sumber listrik arus searah dibagi menjadi empat macam.

1. Elemen Elektrokimia

Elemen elektrokimia adalah sumber listrik arus searah dari proses kimiawi. Dalam elemen ini terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Elemen elektrokimia dapat dibedakan berdasarkan lama pemakaiannya sebagai berikut.

a. Elemen Primer
Elemen primer adalah sumber listrik arus searah yang memerlukan penggantian bahan setelah dipakai. Contoh elemen primer sebagai berikut:

Elemen volta adalah sejenis baterai kuno yang diciptakan oleh Alesandro Volta.. Elemen volta masih diterapkan sampai saat ini. Meskipun bentuknya sudah dimodifikasi. Elemen volta terdiri atas 2 elektroda dari logam yang berbeda yang dicelupkan pada cairan asam atau larutan garam. Pada zaman dahulu, cairan asam atau garam tersebut berupa kain yang dicelup dalam larutan garam/asam.
Penemu elemen daniel adalah John Frederic Daniell. Elemen Daniell adalah elemen yang gaya gerak listriknya agak lama karena adanya depolarisator. Depolarisator adalah zat yang dapat menghambat terjadinya polarisasi gas hidrogen. Depolarisator pada elemen ini adalah larutan tembaga (sulfat).
Jenis elemen leclanche ada dua macam, yaitu elemen kering dan basah, terdiri atas dua bejana kaca yang berisi:

- batang karbon sebagai kutub positif (anoda)
- batang seng sebagai kutub negatif (katoda)
- Batu kawi sebagai depolarisator
- larutan amonium klorida sebagai elektrolit

Elemen kering adalah sumber arus listrik yang dibuat dari bahan-bahan kering yang tidak dapat diisi kembali (sekali pakai). Elemen ini termasuk elemen primer. Contoh elemen kering antara lain, batu baterai dan baterai perak oksida (baterai untuk jam tangan). Bahan untuk kutub positif digunakan batang karbon, dan untuk kutub negatif digunakan lempeng seng.

b. Elemen Sekunder
Elemen sekunder adalah sumber arus listrik yang tidak memerlukan penggantian bahan pereaksi (elemen) setelah sumber arus habis digunakan. Sumber ini dapat digunakan kembali setelah diberikan kembali energi (diisi atau disetrum).

Contoh dari elemen sekunder yaitu akumulator (aki). Akumulator adalah termasuk sumber listrik yang dapat menghasilkan Tegangan Listrik Arus Searah (DC). Prinsip kerja dari aumulator adalah berdasarkan proses kimia.

Secara sederhana, prinsip kerja akumulator dapat dijelaskan sebagai berikut.

Pemakaian, Pada saat akumulator dipakai, terjadi pelepasan energi dari akumulator menuju lampu. Dalam peristiwa ini, arus listrik mengalir dari kutub positif ke pelat kutub negatif. Setelah akumulator dipakai beberapa saat, pelat kutub negatif dan positif akan dilapisi oleh sulfat. Hal ini menyebabkan beda potensial kedua kutub menjadi sama dan kedua kutub menjadi netral.
Pengisian, Setelah kedua kutub netral dan arus tidak mengalir, kita harus menyetrum aki agar dapat digunakan kembali. Pada saat aki diestrum, arah arus berlawanan dengan pada saat digunakan,yaitu dari kutub negatif ke positif.

Contoh lainnya seperti batu baterai yang digunakan pada telepon genggam (Hp), laptop, kamera, lampu emergensi dll.

2. Generator Arus Searah
Generator arus searah adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi gerak (mekanis) menjadi energi listrik dengan arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:

Generator penguat terpisah
Generator shunt
Generator kompon

Generator DC terdiri dua bagian, yang pertama stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan yang kedua, bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box.

Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.

Prinsip kerja generator ini adalah induksi elektromagnetik (perubahan medan magnet yang terjadi pada kumparan kawat sehingga terjadi arus listrik).

Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:

dengan menggunzkan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

3. Termoelemen
Termoelemen adalah sumber arus listrik searah dari proses yang terjadi karena adanya perbedaan suhu. Termoelemen mengubah energi panas menjadi energi listrik. Peristiwa ini dikemukakan oleh Thomas John Seebach pada tahun 1826.

Arus yang ditimbulkan dari kejadian ini disebut termoelemen. Semakin besar perbedaan suhu antara A dan B, semakin besar arus yang mengalir. Tetapi, karena arus yang dihasilkan relatif kecil, termoelemen belum dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari.

4. Sel Surya (Solar Cell)
Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering. Prinsip kerjanya sebagai berikut.

Jika pelat foil alumunium terkena cahaya matahari, maka pelat alumunium akan panas dan diteruskan ke pelat silikon. Silikon bersifat semikonduktor, sehingga pada suhu yang tinggi, elektron-elektron akan terlepas dan menempel pada foil alumunium dan muatan-muatan positifnya menempel pada foil besi. Jika kedua foil dihubungkan melalui rangkaian luar, maka akan menimbulkan aliran elektron. Ini karena pada kedua foil tersebut, terdapat perbedaan potensial. Potensial yang dibangkitkan oleh sel surya sangat kecil sehingga membutuhkan banyak sekali sel Sel surya juga terlalu mahal sehingga penggunaannya sangat terbatas pada alat-alat tertentu saja.

Besar arusnya pun sangat bergantung pada intensitas cahaya yang menembus pelat, jumlah sel yang ada, dan luas penampang yang terkena cahaya. Contoh barang yang telah menggunakan tenaga surya yaitu, mobil listrik tenaga surya dan sumber energi pada satelit.

Perbedaan Listrik Arus Searah Dan Arus Bolak Balik

Perbedaan yang paling mendasar dari arus searah dan arus bolak balik adalah terletak pada arah arusnya. Arah arus searah mengalir dalam satu arah sedangkan arah arus bolak-balik mengalir dalam dua arah.
Bentuk grafik arus searah (AC) adalah grafik lurus (tegangannya tetap terhadap waktu). Bentuk grafik arus bolak-balik adalah siusoidal yang artinya tegangannya berubah terhadap waktu.
Tegangan listrik searah menghasilkan tegangan listrik yang kecil sehingga hanya dapat digunakan pada alat elektronika yang membutuhkan energi listrik yang kecil. Tegangan listrik bolak-balik menghasilkan tegangan yang besar sehingga bisa dipakai untuk alat elektronika yang membutuhkan energi listrik yang besar.
Sumber arus listrik searah dari PLN. Sumber DC dari aki maupun batere kering.

Contoh Soal Listrik Arus Searah

10 buah hambatan listrik disusun seperti gambar berikut! Masing-masing hambatan adalah identik dan besarnya 120 Ω .

Tentukan hambatan pengganti (hambatan total) antara titik A dan B dari gambar rangkaian di atas!

Pembahasan
Paralel antara R2 dan R3 namakan R23 sebesar 60 Ω
Paralel antara R4 , R5 dan R6 namakan R46 sebesar 40 Ω
Paralel antara R7 , R8 , R9 dan R10 namakan R710 sebesar 30 Ω
Seri antara R1 , R23 , R46 dan R710 menghasilkan RAB

RAB = 120 + 60 + 40 + 30 = 250 Ω

Jadi, hambatan pengganti (hambatan total) antara titik A dan B yaitu 250 Ω