Arus dan Tegangan Listrik

Arus dan Tegangan Listrik  1
1.1 Pengertian Arus Listrik (Electrical Current)
Kita semua tentu paham bahwa arus listrik terjadi  karena adanya aliran elektron dimana
setiap  elektron  mempunyai muatan  yang  besarnya  sama.  Jika  kita  mempunyai  benda
bermuatan negatif  berarti  benda  tersebut mempunyai  kelebihan  elektron.  Derajat
termuatinya benda tersebut diukur dengan jumlah kelebihan elektron  yang ada.  Muatan
sebuah  elektron,  sering  dinyatakan dengan  simbul  q  atau  e, dinyatakan  dengan  satuan
coulomb, yaitu sebesar
q ≈1,6 ×10
-19
coulomb
Misalkan kita  mempunyai  sepotong  kawat tembaga  yang  biasanya  digunakan
sebagai  penghantar  listrik dengan  alasan  harganya  relatif  murah, kuat  dan  tahan
terhadap korosi.  Besarnya  hantaran pada  kawat tersebut  hanya  tergantung  pada adanya
elektron bebas  (dari  elektron valensi),  karena  muatan  inti  dan  elektron pada  lintasan
dalam terikat erat pada struktur kristal.
Pada  dasarnya  dalam  kawat  penghantar  terdapat  aliran  elektron dalam jumlah
yang  sangat  besar,  jika  jumlah  elektron  yang bergerak  ke  kanan dan ke  kiri  sama  besar
maka  seolah-olah  tidak  terjadi  apa-apa.  Namun  jika  ujung  sebelah kanan kawat
menarik elektron sedangkan ujung sebelah kiri melepaskannya  maka akan  terjadi  aliran
elektron ke  kanan  (tapi ingat, dalam hal ini  disepakati  bahwa arah  arus  ke  kiri).    Aliran
elektron inilah yang selanjutnya disebut arus listrik.
Besarnya arus listrik diukur dengan satuan banyaknya elektron per detik, namun
demikian  ini  bukan  satuan  yang  praktis  karena  harganya  terlalu kecil.  Satuan  yang
dipakai adalah ampere, dimana
1
ARUS DAN TEGANGAN
LISTRIK
2  ELEKTRONIKA DASAR
i= dq/dt
1 ampere =1coulomb/det.
Contoh di  bawah  ini menggambarkan  besarnya  arus  listrik untuk beberapa
peralatan:
Stasiun pembangkit  ...................  1000 A
Starter mobil  ...................  100 A
Bola larnpu  ...................  1 A
Radio kecil  ...................  10 mA
Jam tangan  ...................  1 µA
1.2 Pengertian Tegangan (Voltage)
Akan  mudah  menganalogikan  aliran  listrik dengan  aliran  air.  Misalkan kita
mempunyai  2  tabung  yang dihubungkan dengan pipa  seperti  pada  gambar  1.1.    Jika
kedua  tabung  ditaruh di  atas  meja  maka  permukaan  air  pada  kedua  tabung  akan  sama
dan dalam hal ini tidak ada aliran air dalam pipa.  Jika salah satu tabung diangkat maka
dengan  sendirinya air  akan  mengalir  dari tabung  tersebut  ke  tabung  yang  lebih  rendah.
Makin tinggi tabung diangkat makin deras aliran air yang melalui pipa.
Gambar 1.1  Aliran air pada bejana berhubungan
Terjadinya aliran  tersebut  dapat  dipahami  dengan konsep  energi  potensial.
Tingginya  tabung  menunjukkan besarnya  energi  potensial  yang  dimiliki.  Yang  paling
Arus dan Tegangan Listrik  3
penting dalam hal ini adalah perbedaan tinggi kedua tabung yang sekaligus menentukan
besarnya  perbedaan potensial.  Jadi  semakin besar  perbedaan potensialnya  semakin
deras aliran air dalam pipa.
Konsep  yang  sama akan  berlaku untuk  aliran  elektron  pada  suatu  penghantar.
Yang  menentukan  seberapa  besar  arus  yang  mengalir  adalah besarnya  beda  potensial
(dinyatakan dengan  satuan volt).  Jadi  untuk  sebuah konduktor  semakin  besar  beda
potensial akan semakin besar pula arus yang mengalir.
Perlu dicatat  bahwa  beda  potensial  diukur  antara  ujung-ujung  suatu konduktor.
Namun kadang-kadang  kita  berbicara  tentang  potensial  pada  suatu  titik  tertentu.  Dalam
hal ini  kita  sebenarnya  mengukur  beda  potensial  pada  titik  tersebut terhadap  suatu  titik
acuan tertentu. Sebagai standar titik acuan biasanya dipilih titik tanah (ground).
Lebih lanjut  kita dapat menganalogikan sebuah baterai  atau accu sebagai tabung
air yang diangkat.  Baterai ini mempunyai  energi  kimia yang siap diubah menjadi  energi
listrik.  Jika  baterai tidak digunakan,  maka  tidak  ada energi  yang  dilepas,  tapi  perlu
diingat  bahwa  potensial  dari  baterai tersebut  ada  di  sana.  Hampir  semua  baterai
memberikan potensial  (tepatnya  electromotive  force  -  e.m.f)  yang  hampir  sama
walaupun arus dialirkan dari baterai tersebut.
1.3 Hukum Ohm
Pada  sebagian  besar  konduktor  logam, hubungan  arus  yang  mengalir  dengan potensial
diatur  oleh  Hukum  Ohm.  Ohm menggunakan  rangkaian percobaan  sederhana  seperti
pada  gambar  1.2.  Dia  menggunakan  rangkaian  sumber  potensial  secara  seri,  mengukur
besarnya arus  yang  mengalir  dan  menemukan hubungan  linier  sederhana, dituliskan
sebagai
V = IR  (1.1)
dimana R = V/Idisebut  hambatan dari  beban. Nama  ini  sangat  cocok karena  R  menjadi
ukuran seberapa besar konduktor tersebut menahan laju aliran elektron.
Awas, berlakunya  hukum  ohm  sangat terbatas  pada  kondisi-kondisi tertentu,
bahkan hukum ini tidak berlaku  jika  suhu konduktor  tersebut  berubah.  Untuk  material-material  atau piranti  elektronika  tertentu  seperti  diode  dan  transistor, hubungan  Idan  V
tidak linier.
4  ELEKTRONIKA DASAR
Gambar 1.2 Rangkaian percobaan hukum Ohm
1.4 Daya (Power)
Misalkan  suatu potential  vdikenakan ke  suatu beban dan  mengalirlah  arus  i  seperti
diskemakan pada  gambar  1.3.  Energi  yang  diberikan ke  masing-masing  elektron  yang
menghasilkan  arus  listrik  sebanding  dengan  v  (beda  potensial).  Dengan demikian  total
energi  yang diberikan ke sejumlah elektron  yang menghasilkan  total muatan  sebesar  dq
adalah sebanding dengan v ×dq.
Energi  yang  diberikan pada elektron  tiap  satuan  waktu didefinisikan  sebagai
daya (power) p sebesar
p= v dq/dt = vi  (1.2)
dengan satuan watt
dimana 1 watt = 1 volt ×1 amper
Arus dan Tegangan Listrik  5
Gambar 1.3 Aliran arus pada beban karena potensial v
1.5 Daya pada Hambatan (Resistor)
Jika  sebuah  tegangan  Vdikenakan pada  sebuah  hambatan  R  maka  besarnya  arus  yang
mengalir adalah
I = V / R  (hukum Ohm)
dan daya yang diberikan sebesar
P = V× I
= V
2
/R
= I
2
R  (1.3)
Untuk kasus  tertentu persoalannya  menjadi lain  jika  potensial  yang  diberikan
tidak konstan, misalnya berbentuk fungsi sinus terhadap waktu (seperti pada arus bolak-balik)
v  = V sin ω t
dengan demikian
i  = v/R
= (V/R) sin ω t





6  ELEKTRONIKA DASAR
dan
p = v × i
= (V
2
/R) sin
2
ω t  (1.4)
p  selalu berharga  positif  sehingga  daya akan  selalu hilang  pada  setiap  saat, berubah
menjadi  panas  pada  hambatan.  Daya  tersebut  selalu  berubah  setiap  saat, berharga  nol
saat sin ωt = 0, dan maksimum sebesar V
2
/ R saat sin ω t = 1.
Untuk  menentukan  efek pemanasan  dari isyarat  di  atas, persamaan daya  di  atas  dapat
dituliskan sebagai
( ) ( ) t R V p ω 2 cos 1 /
2
2
1
− =
cos 2ωt  akan berharga positif atau negatif  sama seringnya,  sehingga rata-ratanya adalah
nol.  Dengan demikian daya rata-rata yang hilang sebesar
( ) ( ) R / 2 / V R / V P
2
2
2
1
= =
Ini merupakan  daya  yang  hilang  pada  R  jika  tegangan konstan  2 /
p
V dikenakan
padanya. Harga  V V
p
707 , 0 2 / =  sering digunakan sebagai ukuran jika tegangan sinus
digunakan pada  suatu  rangkaian dan  harga  tegangan  tersebut  sering  disebut  sebagai
harga  root-mean-square  (RMS).    Dalam  hal ini  kita  harus  berhati-hati  untuk
menentukan 3 pengukuran yang dipakai, yaitu
Harga RMS =  2 /
p
V
Amplitudo puncak =  Vp
Harga puncak-ke-puncak = 2Vp