Friday 28 September 2012

Dasar Kelistrikan


BAB 1
Dasar Kelistrikan

Standar Kompetensi
            Menerapkan Konsep Dasar Listrik dan Elektronika

Kompetensi Dasar 
            Menerapkan Teori Kelistrikan

Peta Konsep 

A.  Molekul dan Atom 
Perhatikan benda disekitar kita. Ada kayu, besi, air, tembaga, udara di dalam balon, dan lain sebagainya. Secara umum setiap benda disekitar kita dikelompokan menjadi 3 macam yaitu benda Padat, Cair dan Gas. Dapat juga disebut zat padat, cair, dan gas. Benda tersebut dapat juga disebut bahan. Setiap benda atau bahan tersebut tersusun dari molekul – molekul atau partikel. Contoh ; benda padat tersusun dari beberapa partikel padat, benda cair tersusun dari beberapa partikel cair, dan benda gas tersusun atas partikel gas. Partikel – partikel tersebut, baik padat, cair, maupun gas merupakan bagian yang terkecil dan mempunyai sifat yang sama dengan benda aslinya. Contoh : garam yang dilarutkan ke dalam air, masih memiliki rasa asin. Jadi, Molekul atau Partikel merupakan bagian terkecil dari suatu zat yang sifatnya sama dengan zat semula.
Sedangkan Atom merupakan bagian dari molekul – molekul. Apabila molekul di bagi – bagi lagi, kita akan memperoleh apa yang disebut Atom. Perkataan atom berasal dari bahasa Yunani atomos yang berarti “tidak dapat dibagi – bagi”.





Hubungan benda/bahan, molekul/partikel, dan atom dapat dilihat pada bagan berikut :
 





Benda tersusun dari bagian terkecil yaitu atom

Atom tersusun dari :
1. Inti atom
2. Kulit atom




Atom tersusun dari inti atom dan kulit atom

Inti atom terdiri dari Proton yang bermuatan positif dan Neutron yang netral. Sedangkan kulit atom terdiri dari Elektron yang bermuatan negatif. Proton dan neutron selalu mengelompok rapat dan erat. Jika diibaratkan sebuah bola, inti atom memiliki diameter . Sedangkan elektron bergerak mengelilingi inti atom seperti planet – planet mengelilingi matahari. Lintasan dimana elektron mengelilingi inti atom disebut Orbit. Pada atom jumlah proton sama dengan jumlah elektron.
Setiap molekul mempunyai susunan atom yang berbeda – beda, ini menyebabkan jumlah elektron penyusunnya berbeda – beda pula.



Misalnya :
·         Atom H (Hidrogen) mempunyai 1 elektron


·         Atom O (Oksigen) mempunyai 8 elektron

·         Atom N (Nitrogen) mempunyai 7 elektron

·         Atom Mg (Mangaan) mempunyai 12 elektron


Saat elektron mengelilingi inti, ia terikat (akibat gaya tarik menarik). Hal ini mengakibatkan orbitnya menjadi kuat dan stabil. Tetapi ada pula elektron yang tidak terikat oleh intinya dan beredar diluar susunan atom. Elektron yang demikian disebut elektron bebas. Pada dasarnya, jika tidak terusik, dan tidak ada elektron yang berpindah dari ruang di sekitar inti, atom sebagai suatu keutuhan secara listrik netral, tetapi jika satu atau lebih elektronnya terambil, struktur bermuatan positif yang tertinggal disebut ion positif. Sedangkan ion negatif ialah sebuah atom yang memperoleh tambahan satu atau lebih elektron. Proses berkurang atau bertambahnya elektron disebut ionisasi.
Dapat disimpulkan bahwa sebuah atom yang memiliki jumlah proton lebih banyak dari jumlah elektron disebut ion positf sedangkan jika jumlah elektronnya lebih banyak dari proton disebut ion negative.
Elektron bebas inilah yang sangat mudah berpindah. Hal ini dapat dimanfaatkan dengan baik sebagai penghantar, baik penghantar listrik maupun penghantar panas. Elektron bebas banyak dijumpai pada zat terutama logam seperti : tembaga, baja, perak, alumunium, dan sebagainya.
Pada benda – benda non logam (bukan logam) seperti ; karet, kaca, kayu, elektron bebasnya hampir tidak ada, jika adapun sangat sedikit. Karena elektron bebas pada zat tersebut sangat sedikit, maka elektron – elektron pada zat tersebut sulit untuk berpindah – pindah, maka menyebabkan benda – benda tadi tidak bisa atau sulit untuk menghantarkan listrik atau panas.
Berdasarkan mudah atau tidaknya suatu benda dalam menghantarkan arus listrik maka dapat dibagi menjadi 3 macam, yaitu :
1. Konduktor
Konduktor merupakan benda yang dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik. Contoh : tembaga, emas, alumunium, air, perak, dll.

2. Isolator
Isolator merupakan benda yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Contoh : kayu, karet, mika, kaca, plastic, dll

3. Semi Konduktor
Dalam keadaan aslinya, bahan yang mengandung unsure germanium dan silicon (bahan semikonduktor) sulit untuk menghantarkan arus listrik. Karena pengotoran pada germanium dan silicon menyebabkan germanium dan silicon dapat dipakai untuk menghantarkan arus listrik, meskipun hanya sedikit. Oleh sebab itu kemudian disebut bahan semi konduktor. Bahan semi konduktor menjadi dasar berkembangnya teknologi transistor yang menggantikan Tabung.

Percobaan :
Siapkanlah bahan – bahan berikut :
1.    tembaga, alumunium, atau benda lain yang merupakan bahan konduktor
2.    kayu, kaca, atau benda lain yang merupakan bahan isolator
3.    2 buah lilin.
Langkah – langkah percobaan :
1.    Hidupkan ke dua buah lilin tersebut.
2.    Genggamlah ujung tembaga di tangan kanan dan ujung kayu di tangan kiri.
3.    Letakkan ke dua ujung sisi lainnya benda tersebut di atas masing – masing lilin tersebut.
4.    Perhatikan, mana yang terasa panas? Benda yang ujungnya panas adalah tembaga. Sedangkan kayu , ujungnya tetap dingin dan tidak panas.

Kesimpulan :
Berdasarkan percobaan diatas, membuktikan bahwa tembaga (yang mewakili bahan konduktor) memiliki banyak elektron bebas sehingga dapat dengan cepat menghantarkan panas melalui perpindahan elektron. Sedangkan kayu (yang mewakili bahan isolator) tidak memiliki atau sangat sedikit jumlah elektron bebasnya.

B.  Pengertian Tegangan Listrik
Tegangan listrik dapat dikatakan juga perbedaan potensial listrik. Adanya beda potensial di ke dua titik menyebabkan adanya arus listrik yang mengalir.
Benda yang bermuatan listrik bila dihubungkan dengan tanah (bumi) akan menjadi netral kembali, karena memberikan kelebihan elektronnya kepada bumi atau mengambil elektron dari bumi untuk menutup kekurangan elektronnya. Contoh : Fenomena Petir pada musim hujan. Jadi, benda yang muatannya tidak seimbang akan bertegangan atau berpotensial. Dua benda yang tidak sama muatannya mempunyai tegangan yang tidak sama. Antara dua benda yang tidak sama besar muatannya atau tidak sama sifat muatannya terdapat beda potensial listrik (biasa sebagai tegangan listrik). Beda potensial atau tegangan memiliki satuan Volt.

C. Pengertian Arus Listrik
Arus listrik adalah mengalirnya elektron secara kontinyu pada bahan konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. Satuan arus listrik adalah Ampere.
1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 628 x 10 atau sama dengan 1 Coulomb per detik melewati suatu penghantar konduktor.
1 coulomb = 628 x 10 elektron
Keterangan :
Q = Banyaknya muatan listrik (C=Coulomb)
I  = Kuat arus (A=Ampere)
t   = waktu (detik atau second)
Contoh :
Sebuah batere memberikan arus 0,5 A kepada sebuah lampu selama 2 menit. Berapakah banyaknya muatan listrik yang dipindahkan ?.
Jawab :
Dik :            I = 0,5 A
  t = 2 menit.
      Dit :           Q ?
Penyelesaian :
t = 2 menit = 2 x 60 = 120 detik
Q = I x t
      = 0,5 x 120 = 60 coulomb.
Jadi, banyaknya muatan listrik sebesar 60 C.

Besarnya kuat arus listrik adalah arus yang tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu.
Karena terdapat perbedaan potensial maka terjadilah arus listrik. Arus listrik arahnya berlawanan dengan arus elektron. Arus elektron adalah perpindahan elektron bebas dalam suatu penghantar yang dihubungkan pada kutub positif (kekurangan elektron) sebuah batery dan kutub negatif (kelebihan elektron) sebuah baterai. Gambar berikut menunjukkan jalannya elektron bebas yang berpindah dari atom ke atom di dalam penghantar.
Gambar arus elektron

Jadi arus elektron terjadi bila ada proses perpindahan elektron. Arus listrik mengalir dari titik positif ke titik negatif. Arah arus listrik berlawanan dengan arah perpindahan elektron. Kuat arus listrik tergantung pada banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang dalam satu satuan waktu. Satuan untuk banyaknya elektron ialah coulomb. Satu coulomb sama dengan 6,28x1018 elektron. Kuat arus listrik mempunyai satuan amper (coulomb/second).
Peristiwa adanya arus dan tegangan listrik dapat kita lakukan dengan melakukan percobaan berikut :
Mengalirnya arus listrik dapatdi ibaratkan dengan mengalirnya air diantara dua wadah seperti diperlihatkan pada gambar berikut. Air akan mengalir dari wadah A ke tangki X selama permukaan air di Y lebih tinggi daripada di X ( selama potensial A lebih dari  potensial Y ). Kalau tinggi permukaan air di Y dan di X sudah sama tinggi maka aliran berhenti.
                                   
Air mengalir dari X keY selama permukaan X lebih tinggi daripada di Y atau dapat dikatakan jika potensial X lebih besar dari Y.
Agar air tetap mengalir dari X ke Y, maka air yang sudah sampai di Y dipindahkan kembali ke X dengan sebuah pompa, maka muatan positif yang sudah sampai di X dipindahkan kembali ke Y, sehingga potensial X selalu lebih tinggi dari potensial Y. Alat yang digunakan untuk memindahkan muatan – muatan listrik dari X ke Y misalnya adalah sebuah batere ataudinamo. Kedua alat ini sering disebut sumber listrik.
Air tetap mengalir dengan bantuan pompa


Pada anologi arus listrik di atas, pompa dapat diganti dengan sumber arus berupa batere atau dinamo.

D.  Jenis Arus Listrik
Arus listrik dikelompokan menjadi dua jenis yaitu arus searah (DC=Direct Current) dan arus bolak balik (AC=Alternating Current).
Arus searah adalah arus listrik yang searah. Kuat arus dan besar tegangannya tetap. Sebagai sumber arus searah ini misalnya batere primer (batere kering) dan batere sekunder (akumulator = accu).
Sedangkan arus bolak balik adalah arus listrik yang arah arus, besar arus dan tegangannya selalu berubah secara periodik (teratur). Sebagai sumber arus bolak balik ini adalah arus listrik dari PLN dan  Generator AC.

E. Sumber Arus Listrik Searah
1. Generator Arus Searah
Generator merupakan sebuah mesin yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, sedangkan penggerak dari generato disebut prime mover yang dapat berbentuk turbin, uap, mesin diesel, dll.
Prinsip kerjanya adalah berdasarkan hokum Faraday, dimana konduktor memotong medan magnit dan induksi akan timbul beda tegangan dan adanya komutator yang dipasang pada sumbu generator maka pada terminal generator akan terjadi tegangan searah.

2. Baterai dan Accumulator
Batere atau akumulator adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berbalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversible, adalah di dalam bater dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan), dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia (pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan didalam sel
Tiap sel batere ini terdiri dari dua macam elektroda yang berlainan, yaitu elekroda positif dan elektroda negative yang dicelupkan dalam suatu larutan kimia.

F. Satuan Arus dan Tegangan Listrik
a. Satuan Arus
Untuk menyatakan besarnya arus listrik yang mengalir pada suatu kawat penghantar digunakan satuan ampere (A). Satu ampere adalah besarnya arus listrik yang mengalir melalui tahanan 1 ohm jika diberi tegangan 1 volt. Dalam prakteknya sering digunakan satuan mili ampere atau mikro ampere.
1 ampere (A)                = 1000 mili ampere (mA)
1 mili ampere (mA)      = 1000 mikro ampere (µA)

b. Satuan Tegangan
Satuan yang digunakan untuk menyatakan besarnya tegangan listrik (beda potensial) adalah volt (V). Satu volt adalah besarnya tegangan yang dapat mengalir arus 1 ampere pada tahanan 1 ohm.
Dalam praktek, sering digunakan satuan tegangan yang lebih kecil mili volt (mV)
1 Kilo volt (KV)             = 1000 volt
1 volt                              = 1000 mili volt (mV)

G. Tahanan  dan Daya Hantar
Tahanan merupakan suatu rintangan yang dimiliki oleh suatu penghantar listrik. Suatu kawat/tembaga akan bersifat penghantar karena banyak mengandung elektron bebas. Besarnya tahann (1 Ohm/ ) adalah tahanan satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm pada temperature 0˚C.
Besarnya tahanan sebuah penghantar berbanding lurus dengan tahanan jenis bahan dan panjang penghantar dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat/tembaga tersebut.
Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut :
Keterangan :
R   = Tahanan penghantar ( )
  = Tahanan jenis ( )
   = Panjang penghantar ( m )
A   = Luas penampang ( mm )

Contoh :
Gulungan kawat aluminium mempunyai diameter 2,59 mm dengan tahanan jenis r  = 2,8x10-8 Wm. Untuk mendapatkan kawat bertahanan 2W, berapa panjang kawat yang diperlukan ?

Pembahasan :
Langkah pertama, kita cari dulu luas penampang kawat yang merupakan luas lingkaran :


Langkah ke dua, kita baru mencari panjang kawat.
1507,14 m

Faktor – faktor yang mempengaruhi nilai resistansi karena tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada :
·         Panjang tahanan
·         Luas penampang konduktor
·         Jenis konduktor
·         Temperature
Daya hantar merupakan kemampuan penghantar arus atau daya hantar arus sedangkan penyekat atau isolasi adalah suatu bahan yang mempunyai tahanan yang besar sekali sehingga tidak mempunyai daya hantar atau daya hantarnya kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik.

Rumus untuk menghitung besarnya tahanan listrik terhadap daya hantar arus.
Keterangan :
R = Tahanan kawat ( : dibaca ohm )
G = Daya hantar arus (Y : dibaca mho )

G. Hukum ohm
Hukum Ohm menjelaskan hubungan arus, tegangan dan tahanan listrik, yaitu besarnya arus yang mengalir pada kawat penghantar berbanding lurus dengan tegangan listrik yang diberikan pada kawat penghantar tersebut dan berbanding terbalik dengan tahanan kawat penghantar.
  atau 
Keterangan :
V = Tegangan dengan satuan volt (V)
I  = Kuat arus dengan satuan Ampere (A)
R = Tahanan dengan satuan Ohm (W)

H. Hukum Kirchoff
Hukum Kirchoff menyatakan bahwa kuat arus dalam suatu rangkaian yang tidak bercabang dimana – mana besarnya sama. Sedangkan apabila rangkaiannya bercabang maka jumlah kuat arus yang masuk pada titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut.
Persamaannya adalah



                       


H. Usaha dan Daya Listrik
Usaha adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir atau bergerak tiap satuan waktu yang dirumuskan dalam :
Keterangan :
W = Usaha atau tenaga dengan satuan Joule
V   = Tegangan dengan satuan volt (V)
I     = Kuat arus dengan satuan Ampere (A)

Dihubungkan dengan hukum Ohm ( ) besarnya tenaga listrik dapat dirumuskan :
Sedangkan Daya adalah kecepatan melakukan usaha atau usaha yang dilakukan persatuan waktu yang dirumuskan dalam bentuk :
Jika persamaan energy listrik disubstitusikan dengan persamaan daya makaakan didapatkan rumus daya listrik sebagai berikut :
Keterangan :
P   = Daya listrik dengan satuan Watt (W)
W = Usaha listrik dengan satuan Joule (J)
t     = waktu dengan satuan detik (s)

Contoh :
Suatu beban yang mempunyai tahanan sebesar 100 Ω, dihubungkan pada sumber tegangan yang besarnya 220 Volt. Berapa besar arus dan daya yang mengalir pada rangkaian tersebut?.
Pembahasan :
Dik :    R = 100 Ω
            V = 220 V                                                         
Dit :     arus (I) dan daya (P) ?
Jawab :
           
            P = V x I = 220 x 2,2 = 484 W
            Jadi besarnya arus dan daya adalah 2,2 A dan 484 Watt

Satuan usaha listrik dari rumus ini dapat dituliskan menjadi watt detik atau satuan yang lebih besar kWh (Kilo Watt Our = Kilo Watt Jam). Satuan ini biasa dipergunakan untuk menghitung penggunaan energy listri oleh pelanggan listrik sehingga dapat ditentukan berapa harga yang harus dibaya oleh pengguna listrik tiap satuan waktu, misalnya setiap bulan.
Daya listrik yang tertera pada spesifikasi alat listrik merupakan daya listrik yang terpakai oleh alat tersebut jika dipasang pada tegangan yang tertulis pada alat.
Suatu alat dirancang dengan nilai hambatan yang dianggap tetap sehingga dayanya sebanding dengan kuadrat tegangan.
             dan 
                       

Konversi Satuan Usaha dan Daya
Usaha :
1 joule      = 1 watt detik
                  = 0,24 kalori
                  = 1 newton meter
                  = 0,102 kg. m
1 kWh       = 3,6 x 106 joule
Daya :
1 watt                 = 1 joule / detik
                           = 0,24 kalori / detik
                           = 0,00136 HP (horse power = tenaga kuda )
1 kg m/detik      = 9,81 watt
                           = 1/75 HP
1 HP                  = 746 watt

Contoh :
1.    Setiap hari sebuah pesawat televisi rata-rata dinyalakan selama 3 jam. Tarif energi listrik Rp 80,00 per kwh. Jika tegangan listrik 200 volt dan televisi memakai arus 2A, berapa biaya yang dibayarkan pada bulan Juni ?
Pembahasan :
W = V I t = 200 x 2 x 3 watt jam = 1200 watt jam/hari atau 1,2 kwh/hari
Biaya yang harus dibayarkan :
30 x 1,2 x Rp 80,00 = Rp 2880,00

2.    Sebuah keluarga menyewa listrik PLN sebesar 450 watt dengan tegangan 200 volt. Jika keluarga tersebut menggunakan lampu 25w, 220v. Tentukan jumlah lampu maksimum yang dapat dipasang  dalam rumah itu !
Pembahasan :
 
P2 = (200/220)2 x 25 = 22,7w
Jumlah lampu maksimum :
450/22,7 = 19,8 ® 19 lampu

Daya Listrik Arus Bolak - Balik
Daya listrik yang melewati tahanan murni R pada arus bolak – balik dinyatakan dalam :
Keterangan :
Vef            = Tegangan efektif dengan satuan Volt
Ief              = Arus efektif dengan satuan Ampere
P               = Daya listrik arus bolak balik dengan satuan Watt

a.    Tegangan atau Arus Efektif dan Maksimum
Apabila kita mengukur tegangan arus bolak – balik dengan voltmeter AC, maka nilai tegangan yang kita baca pada alat ukur tersebut adalah nilai tegangan efektif (Vef). Nilai efektif arus AC ini dianggap setara dengan nilai tegangan arus DC yang menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu penghantar dalam waktu yang sama.
Pada arus bolak – balik, tegangan dan arus selalu berubah nilainya. Mulai dari nol (0) sampai dengan nilai maksimumnya.
Tegangan efektif
      Vef = 0,707 . Vmak
Arus efektif
      Ief = 0,707 . Imak
Keterangan :
Vef         = Tegangan efektif dengan satuan Volt
Vmak  = Tegangan maksimum dengan satuan Volt
Ief        = Arus efektif dengan satuan Ampere
Imak    = Arus maksimum dengan satuan Ampere

b.    Daya sebenarnya Daya Semu
Jika arus bolak – balik melalui sebuah tahanan induksi (yaitu tahanan dari sebuah kumparan/gulungan kawat) maka ketika diukur dengan pengukuran daya (watt-meter) akan menunjukkan nilai dayayanglebih kecil dari pada daya yang diperoleh dari hasil perhitungan dengan rumus P = Vef x Ief.
Pengukuran daya itu menunjukkan daya sebenarnya, sedangkan hasil perhitungan rumus daya tersebut menunjukkan daya semu. Perbandingan kedua daya itu disebut factor usaha, diberi symbol cos  (dibaca : cosines phi).
Psebenarnya = Vef x Ief x cos





Rangkuman 
I. Istilah-istilah penting 
J. Evaluasi 
1.    Filamen lampu pijar akan bercahaya setelah cukup panas akibat dari arus listrik. Jika sebuah senter menggunakan dua buah baterai 1,5 v untuk mensuplai 0,3 A kepada filamen lampu, tentukan besar tahanan pada fulamen lampu !
2.    Dalam suatu penghantar mengalir muatan sebesar 3600 coulomb, selama 4 menit. Berapakah besar arus listriknya ?
3.    Didalam sebuah penghatar selama 2 menit mengalir arus listrik sebesar 2 Ampere.  Tentukanlah besar muatan listriknya !
4.    Sebuah rangkaian listrik dipasang tegangan 110 Volt, jika arus yang mengalir 2 Ampere. Berapa besar daya listriknya ?

5.    Sebuah rangkaian hambatannya 7200 ohm dan menggunakan daya listrik sebesar  18  Watt. Pada tegangan berapakah rangkaian tersebut dipasang ?






0 comments:

Post a Comment