Listrik Arus Searah - Pengertian, Hukum, Rumus dan Aplikasinya

Listrik Arus Searah – Pengertian, Hukum, Rumus dan Aplikasinya – Rangkaian arus searah atau direct current (DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah. 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.

Simak Juga : Soal Rangkaian Arus Searah Pilihan Ganda

A. Arus dan Hantaran

Arus Listrik

Sebelum kita mengetahui apa itu arus listrik, terlebih dahulu kita pelajari beberapa asas penting yang perlu di ingat dan di pahami kembali yaitu:

Terdapat dua jenis muatan listrik, yaitu muatan positif ( + ) dan muatan negative ( – )
Muatan positif ada pada inti atom, sedangkan muatan negative ada pada elektron
Elektron dapat berpindah dari satu atom ke atom lain, sedangkan inti tidak dapat pindah
Atom-atom penghantar (konduktor) memiliki electron-elektron bebas yang sangat mudah berpindah dari satu tempat ke tempat lain di dalam penghantar itu.
Muatan listrik dapat bergerak (mengalir) jika ada beda potensial (tegangan)

Untuk memahami definisi arus listrik, perhatikan gambar aliran air dibawah. Berdasarkan hukum fisika dan grafitasi, air akan mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah. Inilah yang disebut aliran air atau arus air, sedangkan banyaknya air yang mengalir setiap detik disebut debit air. Jika ketinggian sama, maka tidak akan terjadi aliran air, karena air akan diam di tempat. Perbedaan ketinggian ini disebut dengan tegangan atau beda potensial.

Dapat dilihat pada gambar diatas, sebuah tangki air yang diletakan di ketinggian tertentu. Semakin tinggi posisi tangki air, maka akan semakin besar beda postensial antara tangki dan tanah, artinya arus air pun akan lebih besar. Arus listrik mengalir secara spontan dari potensial tinggi ke potensial rendah melalui konduktor, tetapi tidak dalam arah sebaliknya. Aliran muatan ini dapat dianalogikan dengan aliran air dari tempat (potensial gravitasi) tinggi ke tempat (potensial gravitasi) rendah. Bagaimanakah agar air mengalir terus-menerus dan membentuk siklus, sementara air tidak dapat mengalir secara spontan dari tempat rendah ke tempat tinggi? Satu-satunya cara adalah menggunakan pompa untuk menyedot dan mengalirkan air dari tempat rendah ke tempat tinggi. Demikian pula dengan arus listrik. Arus listrik dapat mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi menggunakan sumber energi, misalnya pompa pada air. Sumber energi ini, di antaranya adalah baterai.

Definisi Arus Listrik

Definisi arus listrik dapat dianalogikan dengan debit air yakni banyaknya butiran air yang mengalir dalam waktu tertentu. Arus listrik adalah banyaknya elektron yang mengalir sebagai muatan listrik dalam satuan waktu. Satuan muatan listrik (Q) adalah Coulomb (C) sedangkan satuan arus listrik adalah Ampere (A) yakni Q/t atau Coulomb/detik. Jika besar arus konstan, maka besarnya arus listrik yang mengalir (arus listrik), dapat ditulis dalam persamaan :

I = ^Q/_t

Keterangan :

I : Arus listrik (Ampere)
Q : Muatan listrik (Coulomb)
t : Waktu (Detik/Sekon)

Contoh Soal :

Arus listrik sebesar 5 mA mengalir pada sel saraf selama 0,1 detik. Berapakah besar muatan dan jumlah elektron yang berpindah pada sel saraf tersebut?

Diketahui:

A = 5 mA = 0,005 A

t = 0,1 s

e = 1,6 x 10^-19 C

Ditanyakan: besar muatan dan jumlah elektron yang berpindah pada sel saraf

Jawaban :

Besar muatan listrik, I = ^Q/_t

q = I x t

Q= I x t = 0,005 x 0,1 = 5 x 10^-4 C

Rapat Arus Listrik

Kerapatan arus berbanding terbalik dengan penampang penghantar, semakin besar penampang penghantar kerapatan arusnya mengecil. Maka secara matematis dapat ditulis :

J = ^I/_A

Dimana :

J = Rapat Arus (A/m)
I = Kuat Arus (Ampere)
A = Luas Penampang Kawat

Contoh :

Dari gambar diatas, terlihat bahwa Arus listrik mengalir dalam kawat penghantar secara merata menurut luas penampangnya. Pada contoh diatas, terlihat bahwa Arus listrik 12 A mengalir dalam kawat berpenampang 4mm, maka kerapatan arusnya 3A/mm (12A/4 mm), ketika penampang penghantar mengecil 1,5mm, maka kerapatan arusnya menjadi 8A/mm (12A/1,5mm).

Hambatan Jenis Suatu Kawat Penghantar

Kita mungkin menduga bahwa hambatan yang dimiliki kawat yang tebal lebih kecil daripada kawat yang tipis, karena kawat yang lebih tebal memiliki area yang lebih luas untuk aliran elektron. Kita tentunya juga memperkirakan bahwa semakin panjang suatu penghantar, maka hambatannya juga semakin besar, karena akan ada lebih banyak penghalang untuk aliran elektron.

Berdasarkan eksperimen, Ohm juga merumuskan bahwa hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang l, berbanding terbalik dengan luas penampang lintang kawat A, dan bergantung kepada jenis bahan tersebut. Secara matematis dituliskan:

R = ^ρl/_A

dengan:

R = hambatan kawat penghantar (Ω)
l = panjang kawat penghantar (m)
A = luas penampang lintang penghantar (m²)
ρ = hambatan jenis kawat penghantar (Ω.m)

Konstanta pembanding ρ disebut hambatan jenis (resistivitas). Hambatan jenis kawat berbeda-beda tergantung bahannya.

Contoh Soal :

Berapakah hambatan seutas kawat aluminium (hambatan jenis 2,65 × 10^-8Ω .m) yang memiliki panjang 40 m dan diameter 4,2 mm?

Penyelesaian:

Diketahui:

ρ=2,65 x 10^-8 Ω .m

l = 40 m

d = 4,2 mm → r = 2,1 mm = 2,1 × 10^-3 m

Ditanya: R = … ?

Jawaban :

Cari terlebih dahulu luas penampang (A) penghantar tersebut dengan menggunakan rumus luas lingkaran, yakni:

B. Sifat Kelistrikan Bahan

Konduktor

Benda benda yang tergolong sebagai penghantar listrik konduktor meliputi semua yang mampu menghantarkan arus listrik dengan baik. Meski mampu menghantarkan arus listrik dengan baik, namun pada dasarnya kemampuan masing – masing benda dalam menghantarkan listrik adalah berbeda.

Benda konduktor atau yang disebut sebagai konduktor listrik ini memungkinkan arus listrik dapat mengalir dengan mudah karena bahannya yang terbuat dari atom. Di dalam konduktor, elektron terluar dari atomnya dapat bebas bergerak melalui materi ketika dilewati oleh muatan listrik.

Isolator

Isolator merupakan semua bahan yang tidak dapat mengantarkan arus listrik dengan baik. Kebalikan dari konduktor, isolator justru merupakan penghambat listrik. Jadi, ketika suatu benda yang bersidat isolator terkena arus listrik, arus listrik ini akan disimpan karena tidak ada electron bebas yang bisa menghantarkannya.

Beberapa bahan yang termasuk isolator listrik adalah porselin, karet, kaca, ebonite, plastik, sutera, parafin, marmer, udara kering, kapas dan kapas. Diantaranya, ada juga yang disebut sebagai isolator sempurna yang sama sekali tidak dapat dialiri oleh arus listrik. Isolator sempurna ini contohnya adalah ruang hampa udara (vakum). Bahan isolator ini pun memegang peran penting dalam bidang elektornik. Misalnya saja pada kabel listrik, agar arus listrik yang dihantarkan tidak keluar dan menyegar benda lain, maka kabel listrik selalu ditutup dengan bahan isolator. Dengan demikian, meski ada arus listrik yang sedang berlalu didalam kabel, Anda akan tetap aman ketika memegangnya, karena terdapat lapisan isolator.

Semikonduktor

Semikonduktor merupakan jenis bahan yang pada dasarnya merupakan suatu bahan yang bersifat isolator, namun pada kondisi tertentu bahan ini dapat berubah fungsi menjadi konduktor. Maksudnya, pada kondisi umum, benda ini mungkin saja hanyalah isolator, hanya saja, ketika ada kondisi tertentu yang memungkinkan, maka arus listrik pun dapat melalui dan dihantarkan oleh benda ini.

Agar lebih jelas, dapat dilihat dari contoh udara. Pada dasarnya, udara yang kering merupakan suatu isolator. Hanya saja, ketika terjadi perbedaan potensial yang besar maka udara pun dapat berfungsi sebagai konduktor.

Misalnya saja ketika terjadi petir. Petir ini mampu menghasilkan perbedaan potensial listrik yang besar antar lapisan – lapisan udara. Ketika itulah, konduksi listrik terjadi di udara, meski udara sendiri merupakan sebuah isolator.

membuat komponen elektronik seperti transistor dan dioda. Pada komponen – komponen ini, semikonduktor mengantarkan arus listrik ke satu arah, sedangkan ke arah yang berlawanan dapat menghambatnya.

Contoh bahan yang termasuk semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam elektronik saat ini adalah germanium dan silikon.

Superkonduktor

Superkonduktor adalah bahan material yang memiliki hambatan listrik yang bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Karakteristik dari bahan semikonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner.

Efek meissner adalah peristiwa superkonduktor menolak medan magnet luar yng mengenainya. Sifat khas superkonduktor ini ditemukan oleh Meissner dan Ochsenfeld pada tahun 1933. Dengan adanya efek meissner ini, superkonduktor akan mengambang jika diletakkan diatas medan magnet.

Ketika temperature bahan diturunkan dari temperature ruang normal sampai pada batas temperature tententu bahan ini akan memiliki sifat superkonduktor. Temperatur bahan saat terjadinya perubahan sifat bahan ini dinamakan sebagai temperature kritis (TC). Contoh super konduktor adalah kabel listrik. Dengan menggunakan bahan superkonduktor, maka energy listrik tidak akan mengalami dispasi karena hambatan pada semikonduktor bernilai 0 sehingga akan semakin efektif.

Kabel listrik merupakan contoh Super konduktor

C. Alat Ukur Listrik

Amperemeter

Untuk mengetahui besarnya kuat arus secara langsung dapat digunakan alat yang namanya ampermeter. Ampermeter ini dapat dirakit dari alat basic meter yang dipasang dengan Shunt. Dalam pemasangannya, ampermeter harus dipasang secara seri dengan alat listrik yang akan diukur kuat arus listriknya. Dalam suatu rangkaian, amperemeter dipasang secara seri.

Maksudnya, terminal positif amperemeter dihubungkan ke kutub negatif sumber arus. Adapun terminal negatif amperemeter dihubungkan ke kutub positif sumber arus. Jika dihubungkan secara terbalik, jarum penunjuk akan menyimpang pada arah kebalikan. Ini dapat menyebabkan jarum membentur sisi tanda nol dengan gaya yang cukup besar sehingga dapat merusak amperemeter, perhatikan gambar (a). Sedangkan untuk bagan rangkaiannya tampak seperti gambar (b) berikut :

Setelah kita pasang seperti rangkaian gambar (a), maka langkah selanjutnya adalah membaca hasil pengukuran yang terlihat pada ampermeter, dengan menggunakan rumus:

Keterangan:

I = Hasil pengukuran kuat arus
I_max = batas ukur maksimal
s_t = skala yang ditunjuk
s_max = skala maksimum

Contoh Soal

Berapakah besarnya kuat arus yang mengalir pada suatu rangkaian jika hasil pengukurannya seperti gambar di atas?

Penyelesaian:

Jawab:

I_max = 5A

s_t = 19

s_max = 50

Voltmeter

Bagaimana cara mengukur beda potensial? Ikutilah pembahasan berikut ini! Untuk mengukur beda potensial berbagai sumber listrik. Untuk mengukur tegangan secara langsung, kita dapat menggunakan alat yangdisebut dengan voltmeter. Voltmeter harus dipasang paralel dengan sumber listrik atau peralatan listrik yang akan diukur tegangannya.

Titik potensial yang lebih tinggi, harus dihubungkan dengan kutub positif dan titik potensial yang leJika kita hendak mengukur tegangan lampu pijar, digunakan dua utas kabel untuk menghubungkan paralel kedua ujung lampu pijar (titik A dan B) dengan kedua terminal Voltmeter, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Untuk mengukur tegangan sumber listrik arus searah misalnya baterai atau aki, ujung yang potensialnya lebih tinggi harus dihubungkan ke terminal positif Voltmeter dan potensial yang lebih rendah dihubungkan ke terminal negatif Voltmeter.Untuk lebih jelasnya, perhatikan paparan dibawah ini.

Baterai yang dihubungkan ke Voltmeter menghasilkan tegangan tertentu yang disebut tegangan sumber. Setelah dihubungkan dengan lampu maka tegangannya menjadi lebih kecil, tegangan dalam rangkaian tersebut dikatakan tegangan jepit. Apabila beberapa buah baterai dirangkai berurutan (secara seri) besar tegangannya adalah jumlah dari masing-masing tegangan baterai. Misalnya, sebuah baterai mempunyai tegangan 1,5 Volt, maka 3 buah baterai yang dirangkaikan secara seri, tegangan sumbernya menjadi 4,5 Volt. Bila ketiga baterai dirangkai sejajar (paralel), tegangan sumbernya tetap 1,5 Volt tapi waktu pemakainnya tiga kali lebih lama.

Secara matematis ditulis sebagai berikut:

E_tot = n.E ( untuk rangkain seri)

E_tot = E ( untuk rangkain paralel)

Dimana:

n = jumlah baterai

D. Rangkaian Sederhana

Arus Searah

Arus listrik searah (Direct Current atau DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah.Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif sumber arus listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan-pengamatan yang lebih baru menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif.

Aliran elektron ini menyebabkan terjadinya lubang-lubang bermuatan positif, yang “tampak” mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.Contoh dari penggunaan listrik arus searah yaitu penyaluran tenaga listrik komersil yang pertama (dibuat oleh Thomas Alfa Edison di akhir abad ke 19) menggunakan listrik arus searah. Generator komersiel yang pertama di dunia juga menggunakan listrik arus searah.Di tahun 1883, Nicola Tesla dianugerahi hak paten untuk penemuannya, arus bolak-balik fase banyak.

Rangkaian arus searah adalah aliran listrik atau elektron dari titik yang memiliki aliran berpotensi tinggi ke area yang memiliki titik yang memiliki aliran berpotensi rendah. Di dalam kawat penghantar, biasanya terdapat aliran elektron yang memiliki jumlah yang sangat besar. Dan aliran elektron inilah yang bisa menghasilkan arus listrik.

Rangkaian arus searah (DC, direct current) merupakan rangkaian listrik dengan arus stasioner (dalam arti polaritas tetap) yang tidak berubah terhadap waktu. Besaranbesaran utama yang menjadi perhatian dalam listrik arus searah adalah kuat arus (I) dan beda tegangan (V) yang bekerja pada komponen resistif dengan sumber arus/tegangan konstan. Pembahasan dalam rangkaian arus DC berupa analisis rangkaian, yaitu mencari hubungan antar variabel komponen rangkaian dengan menggunakan hukum-hukum dasar tertentu

Faktor faktor yang mempengaruhi Hambatan Penghantar

Hukum Ohm

Untuk menghasilkan arus listrik pada rangkaian, dibutuhkan beda potensial. Salah satu cara untuk menghasilkan beda potensial ialah dengan baterai. George Simon Ohm (1787–1854) menentukan dengan eksperimen bahwa arus pada kawat logam sebanding dengan beda potensial V yang diberikan ke ujung-ujungnya.

Ketika saklar ditekan, ternyata lampu menyala. Lampu menyala dikarenakan ada arus listrik yang mengalir. Terang redupnya baterai dipengaruhi oleh banyaknya baterai yang dipasang pada rangkaian.

Jika baterai ditambah, maka nyala lampu makin terang, begitupun sebaliknya. Berapa besar aliran arus pada kawat tidak hanya bergantung pada tegangan, tetapi juga pada hambatan yang diberikan kawat terhadap aliran elektron. Elektron-elektron diperlambat karena adanya interaksi dengan atom-atom kawat. Makin tinggi hambatan ini, maka makin kuat arus untuk suatu tegangan V sehingga didapat persamaan:

V = IR

Keterangan

V = Tegangan (Volt)
I = Arus (Ampere)
R = Hambatan (Ohm)

Contoh Soal :

Suatu mainan anak bertuliskan tegangan 6 volt, dan hambatannya 40 ohm. Berapakah kuat arus yang ada di dalam mainan anak tersebut !

Jawaban :

Dik :

Tegangan = 6 volt

Hambatan = 40 Ohm

Dit : Arus = …. Ampere ?

Penyelesaian : I = V/R = 6/40 = 0,15 Ampere

E. Rangkaian Hambatan

Hambatan (resistor) adalah komponen dari rangkaian listrik yang berfungsi menhambat arus listrik. Sebuah resistor mempunya dua terminal listrik yang dirancang untuk menghambat arus dan menurunkan tegangan. Komponen listrik ini banyak dipakai untuk sistem pengamanan komponen listrik agar tidak rusak karena arus dan tegangan yang berlebih. Hambatan diukur dengan satuan Ohm (lambang Ω). Hambatan dapat disusun atau dirangkai dengan 3 cara: seri, pararel dan gabungan antara seri dan pararel. Masing-masing susunan punya karakteristik dan ketentuan masing-masing.

Susunan Hambatan Seri

Berikut ilustrasi rangkaian hambatan seri :

Pada hambatan yang disusun seri berlaku rumus dan ketentuan sebagai berikut.

Hambatan pengganti pada rangkaian seri sama dengan jumlah dari setiap hambatan yang ada pada rangkian tersebut. Berlaku rumus

R_s = R₁ + R₂ + R₃ + R₄ + R₅ + …. + R_n

Kuat arus yang melewati tiap-tiap hambatan adalah sama. Nilai hambatan tersebut sama pula dengan nilai hambatan penggantinyal

I₁ = I₂ = I₃ = I₄ = … = I_s

Tegangan pada hambatan pengganti sama dengan penjumlahan semua tegangan pada tiap-tiap hambatannya.

V_s = V₁ + V₂ + V₃ + V₄ + … + V_n

Tegangan pada tiap-tiap hambatan sebanding dengan hambatannya. Jadi semakin besar hambatan akan semakin besar pula tengangannya.

V₁ : V₂ : V₃ : .. :Vn = R₁ : R₂ : R₃ : …. : R_n

Manfaat Susunan Hambatan Seri

Hambatan disusun secara seri berguna untuk meperbesar hambatan serta membagi tegangan. Dari pengamatan rumus di atas terlihat bahwa hambatan yang dirangkai seri akan punya hambatan pengganti yang lebih besar dan akan memperkecil tegangan.

Susunan Hambatan Pararel

Bagaimana bentuk susunan pararel hambatan bisa sobat amati dalam ilustrasi di bawah ini.

Pada susunan pararel berlaku rumus dan ketentuuan

Hambatan pengganti pada susunan pararel dapat dihitung dengan persamaan

Sobat dapat memodifikasi rumus di atas sehingga bisa didapat alternatif rumus cepat sebagai berikut:

– Jika dalam rangkaian susunan pararel hanya ada dua hambatan R1 dan R2 maka total hambatan penggantinya dapat dihitung menggunakan rumus

– Jika dalam rangkaian terdapat n hambatan dengan nilai hambatan sama besar maka total hambatan penggantinya adalah

R_p = ¹/R_n

Besarnya kuat arus yang melalui hambatan pengganti sama dengan jumlah keseluruhan kuat arus pada setiap hambatannya.

I_n= I₁ + I₂+ I₃ + ⋯ + I_n

Besarnya tegangan pada setiap hambatan adalah sama. Nilai tersebu sama pula dengan tegangan pada hambatan penggantinya.

V_p = V₁ = V₂ = V₃ = …. = V₄

Kuat Arus yang melalui masing-masing hambatan berbanding terbalik dengan besarnya hambatan tersebut.

Manfaat Susunan Hambatan Pararel

Rangkaian pararel dari hambatan-hambatan dimanfaatkan untuk memperkecil hamatan karena hambatan pengganti nilainya akan lebih kecil dari nilai tiap hambatan. Ia juga bermanfaat untuk membagi arus.

Sudah selesai membaca materi ini ? Ayo lihat dulu Daftar Materi Fisika

Listrik Arus Searah – Pengertian, Hukum, Rumus dan Aplikasinya