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
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
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.
·
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
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
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 (
)
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.
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.
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.
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