Listrik Dinamis
A. Arus Listrik
Berikut ini adalah uraian tentang pengertian arus listrik, pengukurannya, dan sumber arus listrik. Pelajarilah dengan cermat dan saksama.
1. Pengertian dan Pengukuran Arus Listrik
Seperti halnya air yang mengalir karena adanya perbedaan ketinggian, muatan listrik pun dapat mengalir karena adanya suatu perbedaan, yaitu perbedaan potensial listrik. Proton dan elektron dalam suatu muatan listrik mengalir dengan arah yang berbeda. Proton yang menyebabkan listrik bermuatan positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Sedangkan, electron (muatan listrik negatif) mengalir dari tempat yang potensialnya rendah ke tempat yang potensialnya tinggi. Menurutmu, apakah kedua aliran muatan ini merupakan arus listrik? Yang disebut arus listrik hanyalah salah satu
di antaranya, yaitu aliran proton atau muatan listrik positif yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Pada pelajaran sebelumnya, kamu telah mengenal arus listrik sebagai besaran pokok dengan satuan ampere (A). Untuk mengukur arus listrik ini, kita dapat menggunakan alat yang bernama amperemeter. Jarum amperemeter akan bergerak jika ada arus yang melaluinya. Adanya arus dapat
dilihat dari nyala bola lampu atau kerja alat listrik lainnya.
2. Sumber Arus Listrik
Dalam kehidupan sehari-hari, sumber arus listrik lebih dikenal dengan istilah sel listrik atau elemen listrik. Batu baterai dan aki (accumulator) adalah jenis sel listrik yang paling banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Terdapat beberapa jenis sel listrik, di antaranya sel volta,
baterai, aki, dan sel Weston. Berdasarkan kemampuannya untuk dapat diisi ulang, sel-sel ini terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel primer dan sel sekunder.
a. Sel Primer
Sel primer adalah kelompok sumber arus listrik yang apabila telah habis digunakan, muatannya tidak dapat diisi kembali. Sel listrik yang termasuk sel primer adalah sel volta, baterai, dan sel Weston.
1) Sel Volta
Sel volta merupakan sumber arus listrik yang pertama kali ditemukan oleh Alessandro Volta. Sel yang memiliki rangkaian paling sederhana ini pertama kali dibuat pada tahun 1800. Sel ini disusun oleh sebuah lempeng seng sebagai elektroda negatif dan sebuah lempeng tembaga sebagai elektroda positif yang dicelupkan ke dalam larutan elektrolit asam sulfat (H2SO4). Karena rangkaiannya yang sangat sederhana, beda potensial yang dihasilkan pun relatif kecil, yaitu sekitar 1 volt. Ketika kedua lempeng yang telah dicelupkan dihubungkan dengan kawat, reaksi kimia kemudian terjadi di dalamnya. Unsur seng dalam lempeng seng melarut dalam asam sehingga ion-ion positifnya akan berpindah ke dalam larutan. Akibatnya, lempeng seng akan bermuatan negative dan bergerak melalui kawat menuju lempengan tembaga. Pada lempengan tembaga, elektron ditangkap oleh ion-ion positif hidrogen yang terdapat dalam larutan asam sehingga ion hidrogen berubah menjadi gas hidrogen. Setelah elemen bekerja, seng pada lempengan seng akan berkurang dan gelembung-gelembung gas hidrogen akan mengumpul pada
lempeng tembaga. Gelembung-gelembung yang menempel pada lempeng tembaga akan menghalangi kontak lempeng tembaga ini dengan larutan asam sehingga akan memberhentikan reaksi kimia yang terjadi. Peristiwa mengumpulnya gelembunggelembung gas hidrogen di sekitar tembaga disebut
polarisasi. Akibatnya, sel volta hanya dapat berfungsi dalam waktu yang relatif singkat dan kurang efisien untuk digunakan dalam kehidupan sehari-hari.
2) Baterai
Baterai adalah istilah sehari-hari yang digunakan untuk menyebutkan sel kering. Sumber arus listrik ini disebut sel kering karena sama sekali tidak mengandung cairan. Sel kering (dry cell) atau batu baterai
terdiri atas dua elektroda sebagai kutub positif dan kutub negatif. Elektroda positif (anoda) adalah sebatang karbon yang dikelilingi campuran mangan dioksida dan serbuk karbon yang berfungsi untuk
melindungi karbon dari kemungkinan terjadinya polarisasi, disebut juga sebagai depolarisator. Elektroda positif diselubungi oleh seng sebagai elektroda negatif. Di antara depolarisator dan seng terdapat pasta amonium klorida yang dicampur dengan serbuk kayu atau getah yang berfungsi sebagai elektrolit. Beda potensial antara kutub-kutub sel kering adalah 1,5 V atau kelipatannya.
3) Elemen Weston
Sel Weston disusun oleh air raksa (Hg) sebagai elektroda positif dan larutan (Amalgama cadnium -1% cadnium, 89% Hg) sebagai elektroda negatif, dan larutan elektrolit berupa larutan jenuh kadnium sulfat. Sebagai depolarisator, sel Weston menggunakan campuran merkuri sulfat (HgSO4) dan kadnium sulfat (CdSO4). Beda potensial yang dihasilkan sel Weston adalah konstan karena tidak dipengaruhi oleh
suhu dan tidak mengalami polarisasi. Akibatnya, sel Weston banyak digunakan untuk mengukur beda potensial.
b. Sel Sekunder
Sel sekunder adalah sumber arus listrik yang dapat diisi ulang ketika muatannya telah habis. Hal ini disebabkan oleh sel elektrokimia yang menjadi penyusunnya tidak memerlukan penggantian bahan pereaksi meskipun telah mengeluarkan sejumlah energi melalui rangkaian-rangkaian luarnya. Agar
dapat bekerja dengan baik, maka pada pertama kali sel harus dimuati terlebih dahulu dengan cara melewatkan arus listrik dari sumber lain menuju sel. Dalam kehidupan sehari-hari, sel sekunder yang sering digunakan adalah akumulator (aki). Aki terdiri atas pasangan-pasangan keping timbal
dioksida yang bertindak sebagai elektroda positif dan timbal sebagai elektroda negatif. Setiap pasangan memberikan beda potensial 2 volt. Aki dirangkai seri sehingga dapat menghasilkan beda potensial yang lebih besar. Dalam sel ini, kepingan-kepingan timbal dan timbal dioksida dicelupkan ke dalam larutan elektrolit asam sulfat sekitar 30%. Pada saat aki digunakan, konsentrasi larutan elektrolit berkurang dan mengakibatkan tidak adanya beda potensial pada kedua elektroda. Aki membutuhkan pengisian ulang
jika arus listrik tidak lagi mengalir. Untuk mengisinya, pastikan berada dalam keadaan kosong. Arus listrik dialirkan berlawanan arah dengan arah arus listrik yang dihasilkan aki. Kapasitas aki diukur dalam
satuan ampere-jam (ampere-hour disingkat Ah). Kapasitas aki 40 Ah, berarti aki dapat bekerja selama 40 jam pada arus 1 Ampere atau selama 20 jam pada arus 2 A, dan seterusnya, sebelum aki diisi ulang. Alat yang digunakan untuk memeriksa muatan aki dinamakan hidrometer.
B. Beda Potensial
Telah disebutkan bahwa dalam suatu penghantar, arus listrik mengalir dari tempat yang potensialnya tinggi ke tempat yang potensialnya rendah. Selisih potensial antara dua tempat dalam penghantar ini disebut dengan beda potensial. Dalam Sistem Internasional, satuan beda potensial
adalah volt (V). Beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik ketika saklar terbuka dan tidak mengalirkan arus adalah gaya gerak listrik (ggl), dinotasikan ε. Sedangkan, beda potensial antara kutub-kutub suatu elemen listrik ketika saklar ditutup dan mengalirkan muatan listrik disebut tegangan jepit, dilambangkan V. Nilai V berubah-ubah bergantung pada nilai hambatan bebannya.
Hubungan antara ggl dengan sumber tegangan jepit dirumuskan sebagai berikut:
V = ε – I R
dan tegangan jepit dapat dihitung dengan hambatan luar:
V = I R
Dari kedua persamaan di atas, maka:
ε – I r = I R
ε = I R + I r, sehingga,
ε = I (R + r)
Alat yang digunakan untuk mengukur beda potensial adalah voltmeter. Jarum pada voltmeter akan bergerak jika digunakan untuk mengukur rangkaian listrik yang memiliki beda potensial. Besarnya beda potensial rangkaian listrik yang diukur ditunjukkan oleh jarum voltmeter.
C. Hambatan
Pada 1927, seorang fisikawan Jerman bernama George Simon Ohm melakukan penelitian untuk mencari hubungan antara beda potensial dan kuat arus listrik. Berdasarkan hasil penelitiannya, Ohm membuat suatu grafik beda potensial terhadap arus listrik. Ternyata, grafik tersebut membentuk
suatu garis lurus yang condong ke kanan dan melalui titik pusat koordinat (0, 0). Dari grafik ini, Ohm menemukan bahwa kemiringan grafik sama dengan besar hambatan rheostat yang digunakannya dalam penelitian tersebut. Berdasarkan penelitian ini, Ohm membuat kesimpulan yang hingga kini dikenal dengan sebutan Hukum Ohm, yang berbunyi:
“Pada suhu tetap, tegangan listrik V pada suatu penghantar sebanding dengan kuat arus yang mengalir pada penghantar tersebut”.
Kesimpulan ini dapat dirumuskan dengan persamaan:
V = IR
dengan: V = beda potensial (volt, V)
I = kuat arus listrik (ampere, A)
R = hambatan (Ohm, Ω)
1. Pengaruh Hambatan terhadap Jenis Bahan
Hambatan yang dimiliki oleh suatu bahan penghantar ternyata dapat mempengaruhi kuat arus yang mengalir pada penghantar tersebut. Hambatan yang besar pada suatu bahan menyebabkan bahan tersebut sukar mengalirkan arus listrik, sedangkan bahan yang hambatannya kecil akan lebih mudah mengalirkan arus listrik. Berdasarkan kemampuannya dalam menghantarkan arus listrik, bahan dibedakan menjadi konduktor, isolator, semi konduktor, dan super konduktor.
a. Konduktor
Bahan konduktor adalah bahan yang mudah mengalirkan arus karena elektron-elektron di setiap atomnya
tidak terikat kuat oleh inti atom sehingga mudah bergerak atau berpindah. Dengan kata lain, bahan konduktor adalah bahan yang memiliki hambatan kecil. Bahan yang termasuk konduktor di antaranya adalah besi, baja, dan tembaga.
b. Isolator
Bahan isolator memiliki sifat yang berlawanan dengan bahan konduktor. Bahan yang termasuk isolator sangat sulit, bahkan tidak bisa mengalirkan arus listrik. Pada bahan isolator, elektron-elektron di setiap atom pada bahan isolator terikat kuat oleh inti atom sehingga sangat sukar untuk bergerak dan berpindah. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa bahan isolator memiliki hambatan yang sangat besar. Namun, pada kondisi tertentu bahan isolator dapat berubah menjadi bahan konduktor. Kondisi tersebut adalah ketika bahan isolator mendapat tegangan yang sangat tinggi. Tegangan tinggi ini akan melepaskan elektron dari ikatan dengan inti atom sehingga elektron pada bahan isolator tersebut akan menjadi mudah bergerak dan berpindah. Bahan yang tergolong isolator adalah kayu dan plastik.
c. Semi Konduktor
Bahan semi konduktor adalah bahan-bahan yang kadang bersifat isolator dan kadang bersifat konduktor.
Yang termasuk bahan ini adalah karbon, silikon, dan germanium.
d. Super Konduktor
Bahan super konduktor adalah bahan yang sangat kuat mengalirkan arus. Ilmuwan yang pertama kali menemukan bahan ini adalah tokoh yang berasal dari Belanda yang bernama Kamerlingh Onnes pada 1991. Bahan yang beliau temukan adalah raksa dan timah.
2. Hambatan Kawat Logam
Pada suatu kawat logam, hambatan listrik yang dimilikinya ternyata dipengaruhi oleh panjang bahan
(kawat), luas penampang, dan hambatan jenis bahan kawat tersebut. Hambatan jenis suatu bahan (kawat) atau resistivitas adalah suatu besaran fisika dari suatu bahan yang tergantung pada temperatur dan jenis bahan tersebut. Bahan konduktor memiliki hambatan jenis yang kecil, sebaliknya bahan isolator memiliki hambatan jenis yang besar.
D. Rangkaian Listrik
Pernahkah kamu mematikan saklar lampu, lalu lampu di seluruh ruangan tempat kamu itu padam? Mengapa itu bisa terjadi? Lalu, mengapa pula di rumah kita terdapat banyak saklar?
Ketika saklar dimatikan, maka semua lampu padam. Hal ini dikarenakan lampu-lampu itu disusun dengan
rangkaian seri, seperti rangkaian yang kamu buat pada eksperimen mengukur arus listrik. Sedangkan, alasan dibuat banyaknya saklar di rumah adalah untuk menghindari terhentinya semua aliran listrik jika kamu mematikan lampu. Banyaknya saklar menunjukkan bahwa rangkaian yang digunakan adalah rangkaian paralel, seperti yang kamu buat saat mengukur beda potensial.
1. Rangkaian Seri
Rangkaian seri adalah penyusunan komponen komponen listrik secara berderet. Rangkaian seri dibuat
untuk membagi-bagi beda potensial sekaligus memperbesar hambatan listrik. Karenanya, rangkaian seri jarang digunakan untuk merangkai komponen listrik di rumah-rumah. Jika suatu hambatan listrik dirangkai seri, maka kuat arus yang mengalir pada masing-masing hambatan akan
sama besar, meskipun hambatan masing-masing komponen berbeda.
Sehingga, pada rangkaian ini berlaku:
a. Itot = I1 = I2 = I3 = ... = In
b. Vtot = V1 + V2 + V3 + ... + Vn
c. Karena 1) dan 2), maka berdasarkan hukum Ohm:
Vtot = V1 + V2 + V3 + ... + Vn
Itot Rtot = I1 R1 + I2 R2 + I3 R3 + ... + In Rn
Itot Rtot = Itot R1 + Itot R2 + Itot R3 + ... + Itot Rn
Itot Rtot = Itot (R1 + R2 + R3 + ... + Rn)
Rtot = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Jadi, untuk n buah hambatan yang disusun seri, maka
hambatan penggantinya adalah Rtot = R1 + R2 + R3 + ... + Rn.
2. Rangkaian Paralel
Rangkaian paralel adalah penyusunan komponenkomponen listrik secara berjajar. Rangkaian ini berfungsi untuk membagi-bagi arus dan memperkecil hambatan listrik. Jika suatu hambatan listrik dirangkai pararel.
E. Hukum I Kirchoff
Pada pembahasan rangkaian listrik telah disebutkan bahwa arus listrik yang mengalir di setiap hambatan pada rangkaian seri sama besar. Sedangkan, arus listrik pada rangkaian paralel sebanding dengan beda potensial dan berbanding terbalik dengan hambatan resistornya. Hubungan antara arus yang mengalir dan rangkaian hambatan listriknya pertama kali ditemukan oleh ilmuwan fisika bernama Kirchoff. Kesimpulan dari hasil penelitiannya yang hingga sekarang dikenal sebagai Hukum Kirchoff, menyatakan bahwa kuat arus yang masuk melalui suatu penghantar sama dengan kuat arus yang keluar dari penghantar tersebut.
Kesimpulan ini dapat dituliskan dalam persamaan:
Jumlah Imasuk = Jumlah Ikeluar
