Listrik dinamis adalah aliran partikel bermuatan dalam bentuk arus listrik yang dapat menghasilkan energi listrik.
Listrik dapat mengalir dari titik berpotensi lebih tinggi ke titik berpotensi lebih rendah apabila kedua titik tersebut terhubung dalam suatu rangkaian tertutup.
Arus listrik berasal dari aliran elektron yang mengalir terus-menerus dari kutub negatif menuju kutub positif, dari potensial tinggi menuju potensial rendah dari sumber beda potensial (tegangan).
Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut:
Gambar di atas dikatakan A lebih berpontensial lebih tinggi daripada B. Arus listrik terjadi berasal dari A menuju ke B, hal ini karena adanya usaha penyeimbangan potensial antara A dan B.
Pada analisis rangkaian listrik dinamis yang perlu diperhatikan adalah komponen-komponen rangkaian seperti sumber listrik dan tahanan, susunan rangkaian, dan hukum-hukum yang berlaku pada rangkaian tersebut.
Hambatan Listrik
Hambatan atau resistor (R) adalah komponen yang berfungsi untuk mengatur besarnya arus listrik yang mengalir melalui rangkaian.
Besaran resistor disebut dengan resistansi yang memiliki satuan Ohm (Ω). Alat ukur yang digunakan untuk mengukur resistansi adalah ohmmeter.
Setiap bahan memiliki nilai resistansi yang berbeda-beda. Berdasar sifat resistivitas bahan, suatu bahan dibagi menjadi tiga, yaitu
- Konduktor memiliki hambatan yang kecil, sehingga dapat menghantarkan listrik dengan baik. Contohnya material-material logam seperti besi, tembaga, aluminium, dan perak.
- Isolator memiliki hambatan yang besar, sehingga tidak dapat menghantarkan listrik. Contohnya kayu dan plastik.
- Sedangkan semikonduktor adalah material yang dapat bersifat sebagai konduktor, juga isolator. Contohnya karbon, silikon, dan germanium.
Dari sifat-sifat bahan tersebut, yang sering digunakan sebagai hambatan penghantar adalah konduktor.
Nilai hambatan bahan konduktor sebanding dengan panjang kawat (l), dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat (A). Secara matematis, dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dimana adalah hambatan jenis, L adalah panjang penghantar, dan A adalah penampang penghantar.
Rumus Listrik Dinamis
Rumus Kuat Arus Listrik (I)
Arus listrik terjadi jika ada perpindahan elektron seperti uraian diatas. Kedua benda bermuatan, jika dihubungkan dengan penghantar akan menghasilkan arus listrik.
Kuat arus listrik disimbolkan dengan huruf I, memiliki satuan Ampere (A), sehingga rumus kuat arus pada listrik dinamis adalah:
I = Q / t
Keterangan:
- I = kuat arus listrik (A)
- Q = jumlah muatan listrik (Coulomb)
- t = selang waktu (s)
Rumus Beda Potensial atau Sumber Tegangan (V)
Berdasarkan uraian diatas, arus listrik mempunyai definisi banyaknya elektron yang berpindah dalam waktu tertentu.
Perbedaan potensial akan menyebabkan perpindahan elektron, banyaknya energi listrik yang dibutuhkan untuk mengalirkan setiap muatan listrik dari ujung penghantar disebut tegangan listrik atau beda potensial.
Sumber tegangan atau beda potensial mempunyai simbol V, dengan satuan Volt. Secara matematik mempunyai rumus beda potensial listrik dinamis adalah:
V = W / Q
Keterangan:
- V = beda potensial atau sumber tegangan listrik (Volt)
- W = energi (Joule)
- Q = muatan (Coulomb)
Rumus Hambatan Listrik (R)
Hambatan atau resistor disimbolkan dengan R, dengan satuan ohm, mempunyai rumus:
R = ρ . l / A
Keterangan:
- R = hambatan listrik (ohm)
- ρ = hambatan jenis (ohm.mm2/m)
- A = luas penampang kawat (m2)
Rumus Hukum Ohm (Ω).
Hukum Ohm adalah hukum yang menyatakan bahwa perbedaan tegangan pada penghantar akan sebanding dengan arus yang melewatinya.
Hukum ohm menghubungkan antara kuat arus listrik, beda potensial, dan hambatan. Dengan rumus:
I = V / R atau R = V / I, atau V = I . R
Keterangan:
- I = kuat arus listrik (A)
- V = beda potensia atau sumber tegangan listrik (Volt)
- R = hambatan listrik (ohm)
Untuk mempermudah mengingat rumus ini, hubungan ketiga variabel tersebut dapat digambarkan dengan sebuah segitiga berikut:
Hukum Sirkuit Kirchoff
Hukum sirkuit kirchoff adalah hukum yang menyatakan fenomena arus dan tegangan dalam rangkaian listrik. Hukum Sirkuit Kirchoff 1 berkaitan dengan aliran arus ke titik rangkaian, dan Hukum Sirkuit Kirchoff 2 berkaitan dengan perbedaan tegangan.
Hukum Sirkuit Kirchoff 1
Bunyi dari hukum sirkuit kirchoff 1 adalah “Pada setiap titik percabangan dalam sirkuit listrik, jumlah dari arus yang masuk kedalam titik itu sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut atau jumlah total arus pada sebuah titik adalah 0”
Secara matematis Hukum kirchoff 1 dinyatakan dengan persamaan berikut:
atau
Nilai arus yang keluar diberikan tanda negatif, sedangkan nilai arus masuk diberikan tanda positif.
Lebih jelasnya perhatikan gambar berikut:
Gambar diatas menunjukkan aplikasi Kirchoff 1 pada analisis rangkaian listrik, dimana jumlah arus masuk i2 dan i3 akan sama dengan jumlah arus keluar i1 dan i4.
Hukum sirkuit kirchoff 2
Bunyi dari hukum sirkuit kirchoff 2 adalah “Jumlah terarah (melihat orientasi tanda positif dan negatif) dari beda potensial listrik (tegangan) di sekitar sirkuit tertutup sama dengan 0, atau secara lebih sederhana, jumlah dari gaya gerak listrik dalam lingkungan tertutup ekivalen dengan jumlah turunnya potensial pada lingkaran itu”
Secara matematis Hukum Kirchoff 2 dinyatakan dengan persamaan berikut:
atau
Analisis Rangkaian Listrik Dinamis
Pada analisis rangkaian listrik dinamis, tedapat beberapa terminologi penting yang harus diperhatikan adalah:
Loop
Loop adalah siklus tertutup yang memiliki titik awal dan titik akhir di komponen yang sama. Pada satu loop hanya ada satu arus listrik yang mengalir, dan nilai beda potensial yang ada di komponen-komponen listrik loop tersebut bisa berbeda.
Junction
Junction atau node adalah titik temu antara dua atau lebih komponen listrik. Node menjadi tempat bertemunya arus-arus listrik yang berbeda besaran dan pada setiap node akan berlaku Hukum Kirchoff 1
Analisis rangkaian listrik dinamis dimulai dengan mengidentifikasi loop dan junction yang ada pada rangkaian tersebut. Untuk menganalisis loop dapat digunakan Hukum Kirchoff 2, dan untuk menganalisis junction atau node digunakan Hukum Kirchoff 1
Arah loop dapat ditentukan secara bebas, namun umumnya arah loop searah dengan arah arus dari sumber tegangan paling dominan di rangkaian. Arus bertanda positif jika searah dengan loop dan bertanda negatif jika berlawanan dengan arah looop.
Pada komponen dengan GGL, GGL bertanda positif jika kutub positifnya lebih dulu dijumpai loop dan sebaliknya GGL negatif jika kutub negatifnya lebih dulu dijumpai loop
Contoh analisis rangkaian listrik dapat dilakukan dengan gambar berikut:
Keterangan:
- I3 adalah arus dari titik A ke B.
Loop 1
- Sumber tegangan 10V (V1) yang memiliki GGL negatif karena kutub negatif terlebih dahulu ditemui
- Arus I1 yang searah dengan Loop, dan arus I3 yang searah dengan Loop
- Terdapat komponen R1 yang dialiri arus I1
- Terdapat komponen R2 yang dialiri arus I3
- Persamaan Kirchoff 2 di Loop 1:
Loop 2
- Sumber tegangan 5V (V2) yang memiliki GGL positif karena kutub positif terlebih dahulu ditemui
- Arus I2 yang searah dengan Loop, dan arus I3 yang berlawanan dengan loop
- Terdapat komponen R2 yang dialiri arus I3
- Terdapat komponen R3 yang dialiri arus I2
- Persamaan Kirchoff 2 di Loop 2:
Node A
- Terdapat arus masuk I1
- Terdapat keluar I2 dan I3
- Persamaan Kirchoff 1 di Node A:
Contoh Soal Listrik Dinamis
Soal 1:
Perhatikan gambar dibawah ini!
Tentukan aliran arus listrik yang terdapat pada hambatan R2?
Pembahasan
Diketahui : R1 = 1 Ω; R2 = 3 Ω; R3 = 9 Ω; V = 8 V
Ditanyakan : I2 = ?
Jawab:
Contoh soal listrik dinamis ini dapat diselesaikan dengan mencari jumlah total hambatannya terlebih dahulu. Untuk melakukannya dapat menggunakan langkah langkah seperti di bawah ini:
1/Rp = 1/R2 + 1/R3
= (1/3) + (1/9)
= (3/9) + (1/9)
= 4/9
Rp = 9/4 Ω
Hambatan Total (Rt) = R1 + Rp
= 1 + 9/4
= 13/4 Ω
Langkah berikutnya yaitu mencari arus totalnya dengan hukum Ohm seperti di bawah ini:
I = V/Rt
= 8/(13/4)
= 32/13 A
Langkah terakhir yaitu menghitung arus yang mengalir pada R2 dengan rumus seperti berikut:
I2 = R3 / (R2 + R3) x I
= (9/(3 + 9)) x (32/13)
= (9/13) x (32/13)
= 1,7 A
Jadi pada hambatan R2 terdapat arus listrik yang mengalir sebesar 1,7 A.
Soal 2:
Besar masing masing resistor yang berjumlah 3 buah dalam rangkaian seri yaitu 4 Ω, 5 Ω dan 7 Ω. Kemudian terdapat sebuah baterai yang dihubungkan pada kedua ujungnya dengan besar GGL 6 Volt dan hambatan dalamnya 3/4 Ω. Hitunglah tegangan jepit pada rangkaian tersebut?
Pembahasan
Diketahui : R1 = 4 Ω; R2 = 5 Ω; R3 = 7 Ω; V = 6 V; R = 3/4 Ω
Ditanyakan : V jepit = ?
Jawab:
Contoh soal listrik dinamis ini dapat diselesaikan dengan langkah langkah seperti di bawah ini:
R total = R1 + R2 + R3 + R
= 4 + 5 + 7 + 3/4
= 16,75 Ω
I = V / R
= 6 / 16,75
= 0,35 A
V jepit = I x R jepit
= 0,35 x (4 + 5 + 7)
= 5,6 Volt
Jadi tegangan jepit pada rangkaian tersebut ialah 5,6 Volt.
Soal 3:
Daya yang terdisipasi pada masing-masing lampu pada gambar di bawah ini adalah sama besar. Perbandingan hambatan R1 : R2 : R3 adalah …. (SNMPTN 2012)
Pembahasan
Diketahui:
P1 = P2 = P3
Jawab:
Ditanyakan: R1 : R2 : R3?
R1 dan R2 digabungkan menjadi satu resistor Rp, dengan arus mengalir melewatinya Ip.
Soal 4:
Kuat arus yang mengalir melalui hambatan 6 Ω pada gambar di bawah ini adalah
Jawab:
R total= 8 Ohm
I = V/R = 12/8 =1,5
I6 = 1,5 / 2 = 0,75 A
Soal 5:
Daya yang terdisipasi dari masing-masing lampu pada gambar di bawah ini merupakan sama besar.
Perbandingan hambatan R1 : R2 : R3 adalah …
Pembahasan :
Diketahui:
P1 = P2 = P3
Jawab:
Ditanyakan: R1 : R2 : R3?
R1 & R2 digabungkan menjadi satu resistor Rp, dengan arus mengalir melewatinya Ip.
Demikian pembahasan materi dan contoh soal terkait Listrik Dinamis. Semoga bermanfaat.
