Arus Listrik Dinamis

Pengetian Arus Listrik. Arus listrik adalah aliran muatan -muatan listrik melalui suatu penghantar konduktor. Pada konduktor padat, aliran muatan yang terjadi adalah aliran elektron (yang bermuatan negatif).

Arah arus listrik disepakati sebagai arah gerakan muatan positif. Tetapi dalam konduktor logam, sebenarnya yang bergerak mengalir adalah muatan negatif yaitu electron. Dengan demikian Arah arus listrik pada konduktor padat adalah kebalikan atau berlawanan dari aliran elektron,

Aliran listrik terjadi karena elektron berpindah dari tempat yang potensialnya rendah ke tempat yang potensialnya tinggi. Meskipun arus listrik ditimbulkan oleh elektron, tetapi arah arus listrik berlawanan dengan arah gerak elektron. Elektron bergerak dari potensial rendah menuju potensial tinggi. Sebaliknya, arus listrik mengalir dari potensial tinggi menuju potensial rendah.

Konduktor dapat berupa padatan (misal: logam), cairan dan gas. Pada logam pembawa muatannya adalah elektron, sedangkan pembawa pada konduktor yang berupa gas dan cairan muatannya adalah ion positif dan ion negatif.

Arus ini bergerak dari potensial yang tinggi ke potensial rendah, atau dari kutub positif ke kutub negatif, atau dari anoda ke katoda.

Muatan listrik dapat berpindah ketika terdapat perbedaan potensial atau ada perbedaan tegangan listrik. Beda potensial dihasilkan oleh sumber listrik, seperti baterai atau akumulator dan lainnya. Sumber listrik memilki dua kutub, yaitu kutub positif (+) dan kutub negatif (–).

Sedangakan arus listrik hanya dapat mengalir dalam konduktor ketika Rangkaian listriknya tertutup dan adanya perbedaan potensial antara dua titik dalam rangkaian listrik tersebut.

Kuat Arus Listrik

Banyaknya muatan Q yang mengalir melalui konduktor yang memiliki luas penampang A untuk tiap satuan waktu t disebut kuat arus listrik. Secara matematis, kuat arus listrik dapat diformulasikan dengan rumus sebagai berikut

I= Q/ t

Dengan keterangan

I = kuat arus listrik (satuan ampere, A),

Q = muatan listrik (satuan coulomb, C) dan

t = waktu (satuan detik, s)

Berdasarkan persamaan tersebut, dapat dikatakan bahwa satu coulomb adalah muatan listrik yang melewati sebuah titik dalam suatu penghantar dengan arus listrik satu ampere dan mengalir selama satu detik.

Satuan kuat arus listrik dinyatakan dalam ampere, dan dinotasikan dengan huruf kapital A. Satu ampere didefinisikan sebagai muatan listrik sebesar satu coulomb yang melewati penampang konduktor dalam satu detik (1 A = 1 C/s).

Karena yang mengalir pada konduktor padat adalah elektron, maka banyaknya muatan yang mengalir pada konduktor adalah sama dengan kelipatan dari muatan sebuah electron.

Muatan eletron adalah

qe = e =  – 1,6 × 10–19 C.

tanda negatif (-) menunjukkan bahwa jenis muatannya adalah negative.

Jika pada konduktor tersebut mengalir sejumlah n buah elektron, maka total muatan yang mengalir pada konduktor tersebut adalah

Q = ne

Dengan demikian, Banyaknya  elektron (n) yang menghasilkan muatan 1 coulomb dapat dihitung sebagai berikut.

Q = n × besar muatan elektron

1 C = n × 1,6 × 10-19 C

n = Q/ e

n = 1/(1,6 x 10-19 C) sehingga

n = 6,25 × 1018

Jadi banyaknyak electron pada muatan satu coulomb adalah

1 C = 6,25 × 1018 elektron.

Sumber Tegangan Arus  Listrik

Agar listrik senantiasa dapat mengalir melalui suatu penghantar maka selalu diperlukan adanya beda potensial listrik antara dua titik pada penghantar tersebut.

Alat yang dapat menimbulkan perbedaan potensial listrik disebut sumber tegangan listrik (sumber listrik).

Sumber tegangan listrik dikelompokkan menjadi dua kelompok yaitu sumber tegangan arus bolak- balik AC dan sumber tegangan arus searah DC.

Sumber Tegangan Arus Searah

Sumber tegangan arus searah adalah sumber tegangan yang menghasilkan arus searah, yaitu sumber tegangan yang kutub positif dan negatifnya selalu tetap. Misalnya, elemen volta, elemen kering, accu, dan generator arus searah.

Sumber tegangan arus listrik secarah lebih dikenal dengan istilah sel listrik atau elemen listrik. Berdasarkan kemampuannya untuk dapat diisi ulang, sel- sel ini terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel primer dan sel sekunder.

Sel Primer

Sel primer adalah kelompok sumber arus listrik yang apabila telah habis digunakan, muatannya tidak dapat diisi kembali. Contoh Sel listrik yang termasuk sel primer adalah sel volta, baterai, dan sel Weston.

Sel Sekunder

Sel sekunder adalah sumber arus listrik yang dapat diisi ulang ketika muatannya telah habis. Hal ini disebabkan oleh sel elektrokimia yang menjadi penyusunnya tidak memerlukan penggantian bahan pereaksi meskipun telah mengeluarkan sejumlah energi melalui rangkaian-rangkaian luarnya. Contoh sel sekunder yang sering digunakan adalah akumulator (atau aki).

Sumber Tegangan Arus Bolak Balik

Sumber tegangan arus bolak balik adalah sumber tegangan yang menghasilkan arus bolak balik, yaitu sumber tegangan yang kutub positif dan negatifnya bergantiganti secara periodik. Misalnya generator arus bolak balik, dinamo sepeda, dan stop kontak arus bolak balik.

Beda Potensial

Potensial listrik adalah banyaknya muatan yang terdapat dalam suatu benda. Suatu benda dikatakan mempunyai potensial listrik lebih tinggi daripada benda lain, jika benda tersebut memiliki muatan positif lebih banyak daripada muatan positif benda lain.

Beda potensial listrik biasa disebut dengan tegangan yang timbul karena dua benda yang memiliki potensial listrik berbeda dihubungkan oleh suatu penghantar. Beda potensial ini berfungsi untuk mengalirkan muatan dari satu titik ke titik lainnya. Dengan demikian beda potensial merupakan Selisih potensial antara dua tempat dalam suatu penghantar.

Secara matematis beda potensial dapat diformulasikan dengan rumus sebagai berikut.

V = W/Q

Dengan Keterangan:

V = beda potensial (V)

W = usaha/energi (J)

Q = muatan listrik (C)

Dua buah titik dikatakan mempunyai beda potensial 1volt jika untuk memindahkan muatan listrik 1 coulomb dari titik berpotensial rendah ke titik yang berpotensial tinggi diperlukan energi 1 joule.

Contoh Soal Ujian Beda Potensial

Untuk memindahkan muatan 5 coulomb dari titik A ke B diperlukan usaha sebesar 20 joule. Tentukan beda potensial antara titik A dan B!

Diketahui :

 Q = 4 C

W = 20 J

Ditanyakan besar beda potensial V = … ?

Jawab :

V =W/Q

V = 20 J/5 C

V = 4 V

Jadi beda potensial antara titik A dan B adalah empat volt.

Gaya Gerak Listrik

Gaya gerak listrik (GGL) adalah Beda potensial antara kutub- kutub sumber arus listrik ketika sumber arus listrik tersebut tidak mengalirkan arus listrik.

Misal pada permukaan sebuah baterai tertulis label 1,5 V. Nilai 1,5 Volt menunjukkan besarnya ggl yang dapat dibangkitkan oleh baterai tersebut. Gaya gerak listrik ini dinotasikan dengan ε.

Gambar dibawah menunjukkan rangkaian listrik dengan sumber arus listriknya adalah baterai. Baterai dihubungkan secara parallel dengan lampu dan voltmeter.

Cara mengukur tegangan, beda potensial
Rangkaian Listrik Mengukur Beda Potensial, Voltmeter

Ketika saklar pada posisi terbuka atau Off, maka rangkaian listrik pada posisi terputus. Artinya baterai tidak mengalirkan arus listrik pada rangkaian tersebut. Pada saat itu tegangan yang terbaca pada Voltmeter adalah tegangan baterai yaitu beda potensial Gaya Gerak Listrik.

Tegangan Jepit

Tegangan jepit adalah Beda potensial antara kutub- kutub sumber arus listrik ketika sumber arus listrik tersebut terbebani atau mengalirkan arus listrik.

Dengan menggunakan Gambar rangkaian listrik di atas. Ketika saklar pada posisi tertutup atau On, maka rangkaian listrik pada posisi terhubung. Artinya, baterai akan mengalirkan arus listrik pada rangkaian tersebut. Pada saat itu tegangan yang terbaca pada Voltmeter adalah tegangan yang bekerja pada lampu yaitu tegangan jepit.

Tegangan jepit menunjukkan tegangan yang terpakai oleh alat. Dalam hal ini tegangan yang dipakai untuk menyalakan lampu. Tegangan jepit ini dinotasikan dengan huruf kapital V.

Nilai tegangan jepit tergantung pada nilai hambatan bebannya. Makin besar nilai hambatan bahan makin kecil nilai tegangan jepitnya.

Hubungan antara GGL dengan tegangan jepit adalah:

Vjepit = ε – IR

dengan keterangan:

ε = gaya gerak listrik baterai, Volt

I = arus lsitrik yang mengalir pada rangkaian, A

R = hambatan pada beban (lampu). Ohm

Alat Ukur Listrik

Beberapa alat ukur listrik yang umum digunakan diantaranya adalah Ampermeter, Voltmeter, Multimeter, Wattmeter, dan Ohmmerter.

Ampermeter Alat Ukur Listrik

Alat yang umum digunakan untuk mengukur besarnya kuat arus listrik adalah amperemeter.  Dalam gambar rangkaian listrik, Amperemeter biasanya dilambangkan atau dinotasikan dengan huruf kapital A.

Komponen dasar suatu amperemeter adalah galvanometer, yaitu suatu alat yang dapat mendeteksi arus kecil yang melaluinya. Galvanometer mempunyai hambatan yang sering disebut sebagai hambatan dalam galvanometer.

Idealnya, suatu amperemeter harus memiliki hambatan yang sangat kecil agar berkurangnya arus listrik dalam rangkaian listrik juga menjdi kecil.

Galvanometer merupakan Bagian terpenting dalam amperemeter atau voltmeter yang berupa jarum penunjuk pada suatu skala tertentu. Penyimpangan jarum galvanometer sebanding dengan arus yang melewatinya.

Amperemeter harus dipasang seri dalam suatu rangkaian, arus listrik yang melewati suatu hambatan R (misal hambatan pada lampu pijar) adalah sama dengan arus listrik yang melewati amperemeter tersebut.

Cara Mengukur Kuat Arus Listrik

Rangakaian pengukuran kuat arus listrik dengan amperemeter ditunjukkan pada gambar, yaitu ampermeter disusun seri pada rangkaian listrik sehingga kuat arus yang mengalir melalui amperemeter sama dengan kuat arus yang mengalir pada penghantar.

Cara memasang amperemeter pada rangkaian listrik adalah sebagai berikut.

  1. Kutub positif sumber tegangan baterai dihubungkan dengan terminal positif pada amperemeter.
  2. Kutub negative sumber tegangan baterai dihubungkan dengan terminal negatif pada amperemeter.
Cara Mengukur Arus Listrilk
Rangkaian Listrik Ampermeter, Mengukur Arus Listrik

Pada saat sakelar dihubungkan yaitu pada posisi skelar ON makan rangkaian menjadi tertutup. Arus liistrik mengalir dari baterai ke ampermetar. Saat yang bersamaan lampu pijar akan menyala dan jarum pada amperemeter akan menyimpang dari angka nol bergerak ke kanan menjauh dari angka nol.

Nilai kuat arus yang mengalir ditentukan berdasarkan pada besar simpangan jarum penunjuk dari angka nol tersebut.

Ketika skelar dibuka yaitu pada posisi OFF, maka rangkaian menjadi terbuka dan arus listrik menjadi terputus. Lampu pijar akan padam dan jarum penunjuk pada amperemeter akan kembali menunju angka nol. Ini Artinya tidak ada aliran listrik pada rangkaian tersebut. Hal ini menunjukkan bahwa arus listrik hanya akan mengalir ketika rangkaian listrik tersebut tertutup.

Voltmeter Alat Ukur Listrik

Alat yang digunakan untuk mengukur besarnya beda potensial listrik adalah voltemeter. Pada gambar rangkaian listrik Voltmeter sering dilambangkan atau dinotasikan dengan huruf kapital V. Satuan beda potensial listrik dalam satuan SI adalah volt dan diberi simbol  atau notasi V.

Voltmeter harus dipasang paralel dengan ujung- ujung hambatan misal hambatannya lampu pijar yang akan diukur beda potensialnya. Komponen dasar suatu voltmeter adalah galvanometer. Galvanometer mempunyai hambatan yang sering disebut sebagai hambatan dalam galvanometer.

Idealnya, suatu voltmeter harus memiliki hambatan dalam yang sangat besar daripada hambatan komponen yang diukur. Hal ini bertujuan agar berkurangnya arus listrik yang melewati hambatan dalam voltmeter juga menjadi kecil.

Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat, hambatan dalam voltmeter harus jauh lebih besar daripada hambatan komponen yang diukur.

Cara Mengukur Beda Potensial Arus Listrik

Rangakaian pengukuran beda potensial listrik dengan voltmeter ditunjukkan pada gambar, yaitu voltmeter disusun paralel dengan benda atau alat yang diukur beda potensialnya.

Cara mengukur tegangan, beda potensial
Rangkaian Listrik Mengukur Beda Potensial, Voltmeter

Hubungkan ujung yang potensialnya lebih tinggi ke kutub positif dan ujung yang memiliki potensial lebih rendah ke kutub negative.

Ohmmeter Alat Ukur Listrik.

Ohmmeter adalah alat ukur listrik yang digunkan untuk mengukur besarnya hambatan listrik. Satuan hambatan listrik dalam satuan SI adalah ohm atau diberi notasi atau lambag atau symbol Ω.

Wattmeter Alat Ukur Listrik

Wattmeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur besarnya daya listrik. Satuan daya listrik dalam satuan SI adalah watt atau diberi lambang atau notasi atau simbol W.

Multimeter atau Multitester Alat Ukur Listrik.

Multimeter adalah suatu alat ukur listrik yang memiliki fungsi sebagai amperemeter, voltmeter, dan ohmmeter. Secara umum, Multimeter yang ada saat ini terdapat dua jenis yaitu multitester analog dan multimeter digital.

Contoh Soal Ujian Kuat Arus Listrik

Arus listrik sebesar 5 A mengalir melalui seutas kawat penghantar selama 1,5 menit. Hitunglah banyaknya muatan listrik yang melalui kawat konduktor tersebut.

Penyelesaian:

Diketahui:

I = 5 A

 t = 1,5 menit = 90 detik

Ditanya besarnya Muatan listrik Q = … ?

Jawab:

Q = I.t = (5A) (90 s) = 450 C

Jadi besar muatan listrik melewati kawat konduktor adalah 450 Coulomb

Menghitung Energi Listrik

Energi listrik adalah energi yang mampu menggerakkan muatan muatan listrik pada suatu beda potensial tertentu. Energi yang diperlukan untuk mengalirkan muatan electron sebesar Q dari satu titik ke titik lain yang berbeda potensial V akan memenuhi persamaan rumus berikut:

W = QV.

Besarnya Q memenuhi rumus berikut

Q = I t.

Sehingga Energi listrik W dapat dihitung dengan rumus berikut

W = V I t

Dan jika disubstitusi dengan Hukum Ohm

V=IR

maka energi listrik adalah

W = I2 R t

W = (V2/R) x t

Dengan  keterangan:

W = energi listrik yang diserap hambatan (joule)

V = beda potensial ujung-ujung hambatan (volt)

I = kuat arus yang mengalir pada hambatan (A)

t = waktu aliran (detik, s)

Menghitung Daya Listrik

Daya listrik merupakan besarnya energi yang mengalir atau diserap alat tiap detik. Definisi lain, daya listrik didefinisikan sebagai laju aliran energi. Daya listrik menunjukkan Besarnya energi setiap satuan waktu.

Secara matematis daya listrik dapat di tulis sebagai berikut.

P =W/t

P = V x I

P = V2/R

Keterangan:

P = daya listrik (W)

W = energi listrik (J)

V = tegangan listrik (V)

I = kuat arus listrik (A)

R= hambatan listrik ( Ohm )

Contoh Soal Energi dan Daya Listrik

Sebuah lampu berhambatan 10 Ohm dihubungkan dengan baterai yang bertegangan 5 volt seperti ditunjukkan pada Gambar

Rangkaian Listrik Sederhana
Rangkaian Listrik Sederhana

Tentukan:

  1. daya yang diserap hambatan,
  2. energi yang diserap hambatan selama setengah menit!

Penyelesaian

Diketahui

R = 10 Ω

V = 5 volt

t = 0,5 menit = 30 detik

Daya yang diserap memenuhi rumus berikut

P=V2/R

P=(52)/10=5watt

Energi yang diserap hambatan R adalah memenuhi rumus berikut

W = P x t

W = 5 watt x 30 detik

W = 150 Joule

Contoh Soal Ujian Perhitungan Rumus Kuat Arus Listrik

Sebuah kilat yang terjadi saat hujan lebat diukur dan tercatat arus listriknya sebesar 5 kiloAmper dan mengalir selama 1 detik. Hitunglah besarnya muatan listrik yang dipindahkan dari awan permukaan bumi pada saat itu.

Penyelesaian:

Diketahui:

I = 5 kiloampre = 5000A

t = 1 detik

Ditanya besarnya muatan listrik awan Q

I = Q/t maka

Q = T x t

Q = 5000 A x 1 s

Q = 5000 As atau 5000 C

Jadi besarnya muatan yang dipindahkan dari awan ke bumi adalah sebesar 5000 coulomb.

Contoh Soal Ujian Kuat Arus Listrik

Soal 1. Jika arus 4 ampere mengalir dalam kawat yang ujung- ujungnya memiliki beda potensial 12 volt, maka besar muatan tiap menit yang mengalir melalui kawat….

  1. 4 coulomb
  2. 12 coulomb
  3. 60 coulomb
  4. 120 coulomb
  5. 240 coulomb

Soal 2. Arus listrik dapat mengalir dalam suatu penghantar listrik jika terdapat ….

  1. potensial listrik pada setiap titik pada penghantar tersebut
  2. elektron dalam penghantar tersebut
  3. beda potensial listrik pada ujung -ujung penghantar tersebut
  4. muatan positif dalam penghantar tersebut
  5. muatan positif dan negative dalam penghantar tersebut

Soal 3. Semakin besar beda potensial ujung -ujung kawat penghantar maka semakin:

(1) besar muatan listrik yang mengalir melalui penghantar

(2) besar kuat arus listrik yang mengalir melalui penghantar

(3) besar nilai hambatan jenis penghantar

Pernyataan yang benar adalah ….

  1. (1), (3)
  2. (2), (3)
  3. (1), (2)
  4. (1), (2), (3)
  5. (3)

Soal 4. Alat untuk mengukur kuat arus listrik yang benar adalah ….

  1. voltmeter
  2. amperemeter
  3. ohmmeter
  4. galvanometer
  5. osiloskop

Soal 4. Apabila suatu penghantar listrik mengalirkan arus 200 mA selama 5 detik, muatan yang mengalir pada penghantar tersebut adalah ….

  1. 1 coulomb
  2. 5 coulomb
  3. 0,25 coulomb
  4. 50 coulomb
  5. 10 coulomb

Soal 5. Satuan kuat arus listrik adalah …

  1. volt/detik
  2. ohm meter
  3. joule/detik
  4. ohm coulomb
  5. coulomb/detik

Daftar Pustaka:

  1. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,  Jakarta.
  2. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  3. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  4. Ardra.Biz, 2019, “Pengertian Gelombang, Jenis Gelombang, Sifat-sifat Gelombang, Contoh Gelombang, Manfaat fungsi gelombang,
  5. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  6. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  7. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  8. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  9. Ardra.Biz, 2019, “Pengetian Arus Listrik, Arah arus listrik konduktor, jenis muatan listrik,  muatan negative, muatan positif, arah aliran electron konduktor, Contoh Konduktor Listrik, ion positif dan ion negative, Contoh sumber listrik, kutub positif (+) dan kutub negatif (–) Sumber listrik,
  10. Ardra.Biz, 2019, “Beda potensial, Pengertian Kuat Arus Listrik, rumus persamaan kuat arus listrik, satuan kuat arus listrik, satuan muatan listrik, Simbol Kuat arus listrik, muatan electron, menghitung total muatan konduktor,
  11. Ardra.Biz, 2019, “Pengettian dan Contoh Sumber Tegangan Arus  Listrik, Sumber Tegangan Arus  Listrik, jenis Sumber tegangan listrik, Sumber Tegangan Arus Searah, Contoh Sumber tegangan arus searah, Pengertian dan Contoh sel listrik atau elemen listrik,
  12. Ardra.Biz, 2019, “primer dan sel sekunder, Contoh Sel listrik primer, Pengertian dan Contoh Sel listrik sekunder, Pengertian dan Contoh Sumber Tegangan Arus Bolak Balik, Pengertian Beda Potensial, Potensial listrik, Rumus Persamaan Beda Potensial, satuan beda potensial, Contoh Soal Beda Potensial,
  13. Ardra.Biz, 2019, “Contoh Soal Ujian Beda Potensial, Gaya Gerak Listrik, Pengertian dan Contoh Gaya gerak listrik, Rumus dan Lambang Gaya Gerak Listrik,Tegangan Jepit, Cara mengukur tegangan jepit, cara mengukur gaya gerak listrik,
  14. Ardra.Bzi, 2019, “Rumus Hubungan GGL dengan tegangan jepit, Pengertian dan Contoh Alat Ukur Listrik Jenis alat ukur listrik, Ampermeter Alat Ukur Listrik, fungsi amperemeter, Fungsi galvanometer, hambatan dalam galvanometer,
  15. Ardra.Biz, 2019, “Cara Mengukur Kuat Arus Listrik, Rangakaian pengukuran kuat arus listrik, Voltmeter Alat Ukur Listrik, Fungsi Voltmeter, Cara Mengukur Beda Potensial Arus Listrik, Ohmmeter Alat Ukur Listrik, Fungsi Ohmmeter, \
  16. Ardra.Bia, 2019, “Cara menggunakan Ohmmeter, Cara mengukur tahanan resistor, Wattmeter Alat Ukur Listrik, fungsi wattmeter, cara mengukur daya listrik, satuan daya lsitrik, Multimeter atau Multitester Alat Ukur Listrik, fungsi Multimeter atau Multitester,
  17. Ardra.Biz, 2019, “Contoh Soal Ujian Kuat Arus Listrik, Menghitung Energi Listrik, Energi listrik adalah, Rumus energi listrik, satuan energi listrik, Menghitung Daya Listrik, Daya listrik adalah,
  18. Ardra.Bzi, 2019, “rumus Daya listrik, satuan daya listrik, Contoh soal ujian energi dan daya listrik, Contoh Soal Ujian Perhitungan Rumus Kuat Arus Listrik, Contoh Soal Ujian Kuat Arus Listrik,
  19. Ardra.Biz, 2019, “Faktor yang mempengaruhi kuat arus listrik, Faktor yang mempengaruhi energi listrik, Faktor yang mempengaruhi daya listrik, Faktor yang mempengaruhi arus listrik, Faktor yang mempengaruhi beda potensial,