1. LISTRIK STATIS Listrik telah ditemukan sejak manusia mulai mengamati efek yang timbul dari dua buah benda yang saling digosokkan. Hal ini juga tampak pada pesta anak-anak, misalnya dengan trik menggosok-gosok balon dan menempelkannya di langit-langit. Bahkan, mungkin kita pernah merasakan seperti sengatan pada kaki kita setelah berjalan di atas karpet yang terbuat dari nilon.
Dengan penalaran yang lebih mendalam, beberapa pertanyaan berikut ini akan muncul di benak kita. Gaya apakah yang menyebabkan elektron tetap pada orbimya mengelilingi inti atom? Gaya apakah yang menyebabkan gedung-gedung pencakar langit atau hamparan gunung tetap tegak kokoh? Gaya apakah yang menimbulkan kilat dan badai petir?
Peristiwa-peristiwa tersebut di atas merupakan gejala dari listrik statis. Listrik statis adalah gejala tentang interaksi rnuatan listrik yang tidak bergerak atau tidak bergerak secara permanen.
Listrik statis adalah gejala tentang interaksi rnuatan listrik yang tidak bergerak atau tidak bergerak secara permanen.
Muatan Listrik
Muatan listrik adalah suatu sifat dasar alam. Dengan mempelajari interaksi elektrostatis, kita dapat memperoleh pengertian akan rnuatan listrik.
Jika batang politen didekatkan pada batang perspeks yang tergantung, kedua batang akan tarik-menarik. Akan tetapi, jika batang politen didekatkan pada batang politen lain yang juga telah digosok dengan kain wol kering maka keduanya akan tolak-menolak. Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa rnuatan listrik pada politen dan perspeks berlainan jenis.
Benjamin Franklin memberi penandaan pada kedua jenis rnuatan listrik sebagai muatan positif dan muatan negatif. Hal ini hanya merupakan penandaan yang dirasa mudah, bukan pengertian lebih kecil dari nol untuk muatan negatif. Muatan positif dan negatif adalah sifat yang saling melengkapi atau komplementer.
Untuk mengetahui apakah suatu benda bermuatan listrik atau tidak, digunakan alat yang dinamakan elektroskop.
Dalarn suatu atom atau benda, apabila jumlah muatan positif (berasal dari proton) sama dengan muatan negatif (berasal dari elektron), maka atom atau benda tersebut tidak bermuatan (netral). Akan tetapi, mengingat elektron suatu atom atau benda dapat berpindah, maka dalarn suatu atom bisa terjadi jumlah muatan positif (proton) tidak sama dengan jumlah muatan negatif (elektron).
Dengan perkataan lain, muatan dari suatu benda ditentukan oleh jumlah proton dan elektronnya.
Sebuah balon yang digosok-gosokkan pada sehelai kain akan menempel pada badan kita. Dua buah balon yang digosok-gosokkan pada kain yang sama akan tolak-menolak. Hal ini merupakan bukti fundamental bahwa muatan yang sejenis akan tolak-menolak, sedangkan muatan yang tidak sejenis akan tarik-menarik. Pakaian yang saling menempel pada saat diainbil dari pengering, debu yang menempel pada layar TV atau komputer, kejutan kecil pada saat memegang gagang pintu dari logam, merupakan contoh listrik statis.
Gaya listrik yang merupakan tarikan atau tolakan ini pertama kali diselidiki oleh seorang fisikawan besar Perancis bernama Charles Coulomb (1736 1806) pada akhir abad 18. Dia menemukan bahwa gaya antara muatan bekerja sepanjang garis yang menghubungkan keduanya dengan besar yang sebanding dengan besar kedua tnuatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Hasil pengamatan ini melahirkan hukum Coulomb yang secara matematis ditulis sebagai
dengan:
F = gaya coulomb (N),
ql, q2 = muatan masing-masing partikel (C),
r = jarak antara kedua muatan (m),
k = tetapan elektrostatis untuk ruang hampa
MEDAN LISTRIK
Medan listrik adalah suatu daerah (ruang) di sekitar muatan yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik. Oleh Michael Faraday medan listrik digambarkan sebagai garis medan listrik yang dimulai (keluar) dari muatan positif dan diakhiri (masuk) pada muatan negatif.
Kuat medan listrik yang semakin besar digambarkan dengan garis medan yang semakin rapat.
Kuat medan Listrik
Pada setiap titik di dalam medan listrik ada suatu kuantitas yang menyatakan tingkat kekuatan medan tersebut, yang disebut kuat medan lishik. Atas dasar ini, kuat medan listrik dapat didefinisikan sebagai berikut.
Kuat medan listrik (E) di sebuah titik adalah gaya per satuan muatan yang dialami oleh sebuah muatan di titik tersebut.
Energi Potensial Listrik
Sebagaimana medan gravitasi burni, medan listrik dari distribusi muatan yang statis juga bersifat kekal. Dengan demikian, kerja yang diperlukan untuk memindahkan sebuah muatan titik di dalam medan listrik juga tidak tergantung pada lintasan. Medan seperti ini disebut sebagai medan konservatif.
Karena medan listrik bersifat koservatif, maka kita dapat menghubungkannya dengan energi potensial. Kerja yang dilakukan untuk memindahkan sebuah muatan melawan gaya listrik akan tersimpan sebagai potensial muatan.
Definisi Energi Potensial :
Energi potensial suatu muatan di suatu titik adalah usaha untuk memindahkan suatu muatan uji dari tempat yang jauh tak terhingga ke suatu tempat di sekitar muatan sumber.
Potensial Listrik
Setiap titik di dalarn medan listrik selalu mempunyai gaya listrik, kuat medan listrik, dan potensial listrik. Gaya listrik dan kuat medan listrik adalah besaran vektor sedangkan potensial listrik adalah besaran skalar. Jadi, potensial listrik tidak memiliki arah. Potensial listrik diperoleh dari energi potensial per satuan muatan.
Definisi Potensial Listrik :
Potensial listrik di suatu titik pada medan listrik adalah besarnya usaha yang diperlukan untuk memindahkan satu satuan muatan listrik dari tak terhingga ke titik tersebut.
Menghitung superposisi dari beberapa gaya listrik dan kuat medan listrik harus dilakukan secara vektor karena keduanya adalah besaran vektor.
Kapasitor
Di dalarn peralatan listrik elektronika, energi umumnya disimpan di dalam sepasang konduktor bermuatan yang dipisahkan oleh lapisan isolator. Alat penyimpan energi tersebut adalah kapasitor. Kapasitor digunakan untuk menyimpan energi dalam waktu yang singkat untuk kemudian dibebaskan kernbali dengan cepat. Sebagian besar peralatan elektronik seperti radio, TV, komputer dan lain sebagainya tidak mungkin bekerja tanpa pertolongan kapasitor.
Dalam rangkaian listrik, penggunaan kapasitor sangat beragarn, diantaranya adalah:
(1) untuk mencari gelombang radio,
(2) sebagai salah satu komponen dalarn sistem pengapian mobil,
(3) sebagai filter dalam catu daya (power supply),
(4) sebagai penyimpan energi dalarn rangkaian penyala elektronik.
Kernarnpuan kapasitor menyimpan energi disebut kapasitas atau kapasitansi, yang dinyatakan dalam satuan farad. Satuan lain yang masih lazim digunakan adalah mikrofarad (MF) dan pikofarad (pF). Nilai 1 pF = 10-6 F dan 1 pF = 10-12 F.
Ada beberapa jenis kapasitor yang sering digunakan, yaitu:
Kapasitor kertas, terdiri dari dua lempengan logam yang disekat oleh lembaran kertas minyak sebagai dielektrik. Lempengan itu digulung sehingga berbentuk silinder. Besar kapasitas dari kapasitor kertas biasanya sekitar 0,1 MF
Kapasitor elektrolit, terdiri dari lembar aluminium sebagai konduktor dan aluminium oksida sebagai bahan penyekat. Lembar aluminium berfungsi sebagai kutub positif. Besar kapasitas dari kapasitor ini sekitar 100 pF
Kapasitor variabel, terdiri dari kumpulan pelat-pelat logarn paralel sebagai konduktor dan udara sebagai bahan penyekat. Kumpulan pelat ada yang tetap dan ada yang dapat diputar sehingga nilai kapasitansinya dapat diubah.
2. LISTRIK DINAMIS
Listrik Dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik. kuat arus pada rangkaian bercabang sama dengan kuata arus yang masuk sama dengan kuat arus yang keluar. sedangkan pada rangkaian seri kuat arus tetap sama disetiap ujung-ujung hambatan. Sebaliknya tegangan berbeda pada hambatan. pada rangkaian seri tegangan sangat tergantung pada hambatan, tetapi pada rangkaian bercabang tegangan tidak berpengaruh pada hambatan. semua itu telah dikemukakan oleh hukum kirchoff yang berbunyi "jumlah kuat arus listrik yang masuk sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar". berdasarkan hukum ohm dapat disimpulkan cara mengukur tegangan listrik adalah kuat arus × hambatan. Hambatan nilainya selalu sama karena tegangan sebanding dengan kuat arus. tegangan memiliki satuan volt(V) dan kuat arus adalah ampere (A) serta hambatan adalah ohm.
Hukum Ohm
Gambar:ohm1.jpg
Aliran arus listrik dalam suatu rangkaian tidak berakhir pada alat listrik. tetapi melingkar kernbali ke sumber arus. Pada dasarnya alat listrik bersifat menghambat alus listrik. Hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dapat diibaratkan seperti air yang mengalir pada suatu saluran. Orang yang pertama kali meneliti hubungan antara arus listrik, tegangan. dan hambatan adalah Georg Simon Ohm (1787-1854) seorang ahli fisika Jerman. Hubungan tersebut lebih dikenal dengan sebutan hukum Ohm.
Setiap arus yang mengalir melalui suatu penghantar selalu mengalami hambatan. Jika hambatan listrik dilambangkan dengan R. beda potensial V, dan kuat arus I, hubungan antara R, V, dan I secara matematis dapat ditulis:
Gambar:ohm.jpg
Sebuah penghantar dikatakan mempunyai nilai hambatan 1 Ω jika tegangan 1 V di antara kedua ujungnya mampu mengalirkan arus listrik sebesar 1 A melalui konduktor itu. Data-data percobaan hukum Ohm dapat ditampilkan dalam bentuk grafik seperti gambar di samping. Pada pelajaran Matematika telah diketahui bahwa kemiringan garis merupakan hasil bagi nilai-nilai pada sumbu vertikal (ordinat) oleh nilai-nilai yang bersesuaian pada sumbu horizontal (absis). Berdasarkan grafik, kemiringan garis adalah α = V/T Kemiringan ini tidak lain adalah nilai hambatan (R). Makin besar kemiringan berarti hambatan (R) makin besar. Artinya, jika ada suatu bahan dengan kemiringan grafik besar. bahan tersebut makin sulit dilewati arus listrik. Komponen yang khusus dibuat untuk menghambat arus listrik disebut resistor (pengharnbat). Sebuah resistor dapat dibuat agar mempunyai nilai hambatan tertentu. Jika dipasang pada rangkaian sederhana, resistor berfungsi untuk mengurangi kuat arus. Namun, jika dipasang pada rangkaian yang
rumit, seperti radio, televisi, dan komputer, resistor dapat berfungsi sebagai pengatur kuat arus. Dengan demikian, komponen-komponen dalam rangkaian itu dapat berfungsi dengan baik. Resistor sederhana dapat dibuat dari bahan nikrom (campuran antara nikel, besi. krom, dan karbon). Selain itu, resistor juga dapat dibuat dari bahan karbon. Nilai hambatan suatu resistor dapat diukur secara langsung dengan ohmmeter. Biasanya, ohmmeter dipasang hersama-sama dengan amperemeter dan voltmeter dalam satu perangkat yang disebut multimeter. Selain dengan ohmmeter, nilai hambatan resistor dapat diukur secara tidak langsung dengan metode amperemeter voltmeter.
Hambatan Kawat Penghantar
Berdasarkan percobaan di atas. dapat disimpulkan bahwa besar hambatan suatu kawat penghantar 1. Sebanding dengan panjang kawat penghantar. artinya makin panjang penghantar, makin besar hambatannya, 2. Bergantung pada jenis bahan kawat (sebanding dengan hambatan jenis kawat), dan 3. berbanding terbalik dengan luas penampang kawat, artinya makin kecil luas penampang, makin besar hambatannya. Jika panjang kawat dilambangkan ℓ, hambatan jenis ρ, dan luas penampang kawat A. Secara matematis, besar hambatan kawat dapat ditulis :
Gambar:kawat.jpg
Nilai hambatan suatu penghantar tidak bergantung pada beda potensialnya. Beda potensial hanya dapat mengubah kuat arus yang melalui penghantar itu. Jika penghantar yang dilalui sangat panjang, kuat arusnya akan berkurang. Hal itu terjadi karena diperlukan energi yang sangat besar untuk mengalirkan arus listrik pada penghantar panjang. Keadaan seperti itu dikatakan tegangan listrik turun. Makin panjang penghantar, makin besar pula penurunan tegangan listrik.
Gambar:hambatan.jpg
Hukum Kirchoff
Arus listrik yang melalui suatu penghantar dapat kita pandang sebagai aliran air sungai. Jika sungai tidak bercabang, jumlah air di setiap tempat pada sungai tersebut sama. Demikian halnya dengan arus listrik.
Gambar:hkirchoff.jpg
Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Pernyataan itu sering dikenal sebagai hukum I Kirchhoff karena dikemukakan pertama kali oleh Kirchhoff.
Maka diperoleh persamaan :
I1 + I2 = I3 + I4 + I5
I masuk = I keluar
Rangkaian Hambatan
* Rangkaian Seri
Berdasarkan hukum Ohm: V = IR, pada hambatan R1 terdapat teganganV1 =IR1 dan pada hambatan R2 terdapat tegangan V2 = IR 2. Karena arus listrik mengalir melalui hambatan R1 dan hambatan R2, tegangan totalnya adalah VAC = IR1 + IR2.
Mengingat VAC merupakan tegangan total dan kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian seperti di atas (rangkaian tak bercabang) di setiap titik sama maka
VAC = IR1 + IR2
I R1 = I(R1 + R2)
R1 = R1 + R2 ; R1 = hambatan total
Rangkaian seperti di atas disebut rangkaian seri. Selanjutnya, R1 ditulis Rs (R seri) sehingga Rs = R1 + R2 +...+Rn, dengan n = jumlah resistor. Jadi, jika beberapa buah hambatan dirangkai secara seri, nilai hambatannya bertambah besar. Akibatnya, kuat arus yang mengalir makin kecil. Hal inilah yang menyebabkan nyala lampu menjadi kurang terang (agak redup) jika dirangkai secara seri. Makin banyak lampu yang dirangkai secara seri, nyalanya makin redup. Jika satu lampu mati (putus), lampu yang lain padam.
* Rangakaian Paralel
Mengingat hukum Ohm: I = V/R dan I = I1+ I2, maka
Gambar:paralel1.jpg
Pada rangkaian seperti di atas (rangkaian bercabang), V AB =V1 = V2 = V. Dengan demikian, diperoleh persamaan
Gambar:paralel2.jpg
Rangkaian yang menghasilkan persamaan seperti di atas disebut rangkaian paralel. Oleh karena itu, selanjutnya Rt ditulis Rp (Rp = R paralel). Dengan demikian, diperoleh persamaan Gambar:paralel3.jpg
Berdasarkan persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa dalam rangkaian paralel, nilai hambatan total (Rp) lebih kecil dari pada nilai masing-masing hambatan penyusunnya (R1 dan R2). Oleh karena itu, beberapa lampu yang disusun secara paralel sama terangnya dengan lampu pada intensitas normal (tidak mengalami penurunan). Jika salah satu lampu mati (putus), lampu yang lain tetap menyala.