Rangkaian Listrik for Teenager

ini buku pengayaan tentang rangkaian listrik dalam bentuk digital (ebook). Buku ini membahas tentang listrik statis, arus listrik, sumber tegangan, energi dan daya listrik, serta arus bolak-balik. Cocok untuk sekolah menengah.

ukuran 17,6 x 25 cm

Listrik Statis

Listrik statis (electrostatic) membahas muatan listrik yang berada dalam keadaan diam (statis). Listrik statis dapat menjelaskan bagaimana sebuah penggaris yang telah digosok-gosokkan ke rambut dapat menarik potongan-potongan kecil kertas. Gejala tarik menarik antara dua buah benda seperti penggaris plastik dan potongan kecil kertas dapat dijelaskan menggunakan konsep muatan listrik.

Petir juga merupakan salah satu gejala listrik statis. (Photo by
Torsten Dettlaff from pexels)

Konsep Dasar Listrik Statis

Berdasarkan konsep muatan listrik, ada dua macam muatan listrik, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Muatan listrik timbul karena adanya elektron yang dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lain. Benda yang kekurangan elektron dikatakan bermuatan positif, sedangkan benda yang kelebihan elektron dikatakan bermuatan negatif. Elektron merupakan muatan dasar yang menentukan sifat listrik suatu benda.

Dua buah benda yang memiliki muatan sejenis akan saling tolak menolak ketika didekatkan satu sama lain. Adapun dua buah benda dengan muatan yang berbeda (tidak sejenis) akan saling tarik menarik saat didekatkan satu sama lain. Tarik menarik atau tolak menolak antara dua buah benda bermuatan listrik adalah bentuk dari gaya listrik yang dikenal juga sebagai gaya coulomb.

Gaya Coulomb

Gaya coulomb atau gaya listrik yang timbul antara benda-benda yang bermuatan listrik dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu sebanding besar muatan listrik dari tiap-tiap benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda-benda bermuatan listrik tersebut.

gaya coulomb antara dua benda bermuatan listrik
gaya coulomb antara dua benda bermuatan listrik

Jika benda A memiliki muatan q1 dan benda B memiliki muatan q2 dan benda A dan benda B berjarak r satu sama lain, gaya listrik yang timbul di antara kedua muatan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut

listrik01


Dimana F adalah gaya listrik atau gaya coulomb dalam satuan newton k adalah konstanta kesebandingan yang besarnya 9 x 109 N m2 C–2 muatan q dihitung dalam satuan coulomb (C)

Konstanta k juga dapat ditulis dalam bentuk

listrik02

dengan ε0 adalah permitivitas ruang hampa yang besarnya 8,85 x 10–12 C2 N–1 m–2

Gaya listrik merupakan besaran vektor sehingga operasi penjumlahan antara dua gaya atau lebih harus menggunakan konsep vektor, yaitu sesuai dengan arah dari masing-masing gaya. Secara umum, penjumlahan vektor atau resultan dari dua gaya listrik F1 dan F2 adalah sebagai berikut.

  1. Untuk dua gaya yang searah maka resultan gaya sama dengan penjumlahan dari kedua gaya tersebut. Adapun, untuk dua gaya yang saling berlawanan, resultan gaya sama dengan selisih dari kedua gaya

R = F1 + F2 dan R = F1F2

2. Untuk dua gaya yang saling tegak lurus, besar resultan gayanya adalah

listrik03

3. Untuk dua gaya yang membentuk sudut θ satu sama lain, resultan gayanya dituliskan sebagai berikut

listrik04

Untuk penjumlahan lebih dari dua gaya, perhitungannya dapat menggunakan metode analitis (lihat pembahasan tentang analisis vektor).

Medan Listrik

Sebuah muatan listrik dikatakan memiliki medan listrik di sekitarnya. Medan listrik adalah daerah di sekitar benda bermuatan listrik yang masih mengalami gaya listrik. Jika muatan lain berada di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik, muatan tersebut akan mengalami gaya listrik berupa gaya tarik atau gaya tolak.

Arah medan listrik dari suatu benda bermuatan listrik dapat digambarkan menggunakan garis-garis gaya listrik. Sebuah muatan positif memiliki garis gaya listrik dengan arah keluar dari muatan tersebut. Adapun, sebuah muatan negatif memiliki garis gaya listrik dengan arah masuk ke muatan tersebut.

Besar medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik dinamakan kuat medan listrik. Jika sebuah muatan uji q’ diletakkan di dalam medan listrik dari sebuah benda bermuatan, kuat medan listrik E benda tersebut adalah besar gaya listrik F yang timbul di antara keduanya dibagi besar muatan uji. Jadi, dituliskan

listrik052

dan F = E q’

Adapun kuat medan listrik dari sebuah benda bermuatan listrik q di suatu titik yang berjarak r dari benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut

listrik062

Di sini kuat medan listrik dituliskan dalam satuan N/C.

Kuat medan listrik juga merupakan besaran vektor karena memiliki arah, maka penjumlahan antara dua medan listrik atau lebih harus menggunakan penjumlahan vektor. Arah medan listrik dari sebuah muatan positif di suatu titik adalah keluar atau meninggalkan muatan tersebut. Adapun, arah medan listrik dari sebuah muatan negatif di suatu titik adalah masuk atau menuju ke muatan tersebut.

Dua plat sejajar yang bermuatan listrik dapat menyimpan energi listrik karena medan listrik timbul di antara dua plat tersebut. Kuat medan listrik di dalam dua plat sejajar yang bermuatan listrik adalah

listrik071

Dimana

σ adalah rapat muatan dari plat yang memiliki satuan C/m2

ε0 adalah permitivitas ruang hampa

Kita juga dapat menghitung kuat medan listrik dari sebuah bola konduktor berongga yang bermuatan listrik, yaitu sebagai berikut.

Di dalam bola (r < R), E = 0

Di kulit atau di luar rongga (r > R),

listrik081

Energi Potensial Listrik

Dua buah benda bermuatan listrik yang terletak berdekatan akan mengalami gaya listrik di antara keduanya. Suatu usaha diperlukan untuk memindahkan (atau menggeser) salah satu muatan dari posisinya semula. Karena usaha merupakan perubahan energi, maka besar usaha yang diperlukan sama dengan besar energi yang dikeluarkan. energi dari muatan listrik disebut energi potensial listrik. Besar usaha (W) atau perubahan energi potensial listrik dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan dari posisi r1 ke posisi r2 adalah

listrik09

Dengan demikian, usaha atau energi potensial untuk memindahkan sebuah muatan uji q’ yang berjarak r dari sebuah muatan lain q ke jarak tak berhingga dapat dituliskan sebagai berikut

listrik10

Dimana tanda minus berarti usaha yang dilakukan selalu melawan gaya tarik yang ada (biasanya usaha yang dilakukan adalah usaha untuk melawan gaya tarik antara dua muatan).

Potensial Listrik

Suatu muatan uji hanya dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain yang memiliki perbedaan potensial listrik sebagaimana benda jatuh dari tempat yang memiliki perbedaan ketinggian. Besaran yang menyatakan perbedaan potensial listrik adalah beda potensial. Beda potensial dari sebuah muatan uji q’ yang dipindahkan ke jarak tak berhingga dengan usaha W adalah

listrik11

Di mana V adalah potensial listrik dengan satuan volt (V).

Beda potensial dari suatu muatan listrik di suatu titik di sekitar muatan tersebut dinyatakan sebagai potensial mutlak atau biasa disebut potensial listrik saja. Potensial listrik dari suatu muatan listrik q di suatu titik berjarak r dari muatan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut

listrik121

Dari persamaan di atas tampak bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yaitu

V = E r

Berbeda dengan gaya listrik dan kuat medan listrik, potensial listrik merupakan besaran skalar yang tidak memiliki arah. Potensial listrik yang ditimbulkan oleh beberapa muatan sumber dihitung menggunakan penjumlahan aljabar. Untuk n muatan, potensial listriknya dituliskan sebagai berikut.

listrik13

Catatan: tanda (+) dan (–) dari muatan perlu diperhitungkan dalam perhitungan potensial listrik.

Gelombang Elektromagnetik

Siapakah Cristiano Ronaldo? Atau, siapakah vokalis band Peter Pan? Jika kamu dihadapkan pada pertanyaan semacam itu dapat dipastikan kamu bisa menjawabnya, bukan? Siapa yang tidak kenal CR7 (sebutan buat Cristiano Ronaldo) atau Ariel Peter Pan Noah?

Walaupun kamu tidak pernah bertemu secara langsung dengan keduanya, kamu pasti kenal dengan mereka, ya kan? Kok bisa ya! Walaupun kamu tidak pernah bertemu dengan mereka kamu pasti sering melihat mereka melalui TV, bukan begitu?

Sekarang, apa yang membuat kamu bisa menonton TV untuk melihat pertandingan sepak bola yang sedang berlangsung di tempat lain yang sangat jauh? Tahukah kamu prinsip dan konsep apa yang melandasi teknologi dan fenomena ini?

2407776568_3564471cb51

Saat ini hampir semua orang memiliki peralatan yang satu ini. Dia begitu kecil yang bisa dengan nyaman diletakkan di dalam saku, namun dianggap memiliki fungsi yang sangat besar terutama untuk berkomunikasi. Ya, benda itu adalah sebuah ponsel (telepon seluler). Saat ini ponsel tidak hanya digunakan untuk menelpon saja tetapi juga untuk fungsi lain seperti mengirim dan menerima pesan singkat (sms), mendengarkan musik, atau mengambil foto. Bagaimana perangkat ponsel dapat terhubung dengan perangkat ponsel yang lain padahal mereka saling berjauhan?

man_w_mobilephone

Konsep yang bisa menjelaskan fenomena ini adalah konsep gelombang elektromagnetik. Dan, konsep gelombang elektromagnetik ternyata sangat luas tidak hanya berkaitan dengan TV atau ponsel saja, melainkan banyak aplikasi lain yang sering kita temukan sehari-hari di sekitar kita. Aplikasi tersebut meliputi microwave, radio, radar, atau sinar X.

Sebagaimana yang telah dibahas sebelumnya bahwa ada dua hukum dasar yang menghubungkan gejala kelistrikan dan kemagnetan.

Pertama, arus listrik dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Ini dikenal sebagai gejala induksi magnet. Peletak dasar konsep ini adalah Oersted yang telah menemukan gejala ini secara eksperimen dan dirumuskan secara lengkap oleh Ampere. Gejala induksi magnet dikenal sebagai Hukum Ampere.

Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik
Michael Faraday, penemu induksi elektromagnetik

Kedua, medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan listrik dalam bentuk arus listrik. Gejala ini dikenal sebagai gejala induksi elektromagnet. Konsep induksi elektromagnet ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday dan dirumuskan secara lengkap oleh Joseph Henry. Hukum induksi elektromagnet sendiri kemudian dikenal sebagai Hukum Faraday-Henry.

Dari kedua prinsip dasar listrik magnet di atas dan dengan mempertimbangkan konsep simetri yang berlaku dalam hukum alam, James Clerk Maxwell mengajukan suatu usulan. Usulan yang dikemukakan Maxwell, yaitu bahwa jika medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan listrik maka hal sebaliknya boleh jadi dapat terjadi. Dengan demikian Maxwell mengusulkan bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet. Usulan Maxwell ini kemudian menjadi hukum ketiga yang menghubungkan antara kelistrikan dan kemagnetan.

James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik
James Clerk Maxwell peletak dasar teori gelombang elektromagnetik

Jadi, prinsip ketiga adalah medan listrik yang berubah-ubah terhadap waktu dapat menghasilkan medan magnet. Prinsip ketiga ini yang dikemukakan oleh Maxwell pada dasarnya merupakan pengembangan dari rumusan hukum Ampere. Oleh karena itu, prinsip ini dikenal dengan nama Hukum Ampere-Maxwell.

Dari ketiga prinsip dasar kelistrikan dan kemagnetan di atas, Maxwell melihat adanya suatu pola dasar. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah-ubah terhadap waktu, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan medan magnet. Jika proses ini berlangsung secara kontinu maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik secara kontinu. Jika medan magnet dan medan listrik ini secara serempak merambat (menyebar) di dalam ruang ke segala arah maka ini merupakan gejala gelombang. Gelombang semacam ini disebut gelombang elektromagnetik karena terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang merambat dalam ruang.

Pada mulanya gelombang elektromagnetik masih berupa ramalan dari Maxwell yang dengan intuisinya mampu melihat adanya pola dasar dalam kelistrikan dan kemagnetan, sebagaimana telah dibahas di atas. Kenyataan ini menjadikan J C Maxwell dianggap sebagai penemu dan perumus dasar-dasar gelombang elektromagnetik.

Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik
Teori Maxwell tentang listrik dan magnet meramalkan adanya gelombang elektromgnetik

Ramalan Maxwell tentang gelombang elektromagnetik ternyata benar-benar terbukti. Adalah Heinrich Hertz yang membuktikan adanya gelombang elektromagnetik melalui eksperimennya. Eksperimen Hertz sendiri berupa pembangkitan gelombang elektromagnetik dari sebuah dipol listrik (dua kutub bermuatan listrik dengan muatan yang berbeda, positif dan negatif yang berdekatan) sebagai pemancar dan dipol listrik lain sebagai penerima. Antena pemancar dan penerima yang ada saat ini menggunakan prinsip seperti ini.

diagram skematik eksperimen Hertz
Diagram skematik eksperimen Hertz

Melalui eksperimennya ini Hertz berhasil membangkitkan gelombang elektromagnetik dan terdeteksi oleh bagian penerimanya. Eksperimen ini berhasil membuktikan bahwa gelombang elektromagnetik yang awalnya hanya berupa rumusan teoritis dari Maxwell, benar-benar ada sekaligus mengukuhkan teori Maxwell tentang gelombang elektromagnetik.

Induksi Silang

Dalam bidang kelistrikan ada konsep yang sangat berguna, yaitu konsep induksi silang (mutual induction) atau ada juga yang menyebutnya sebagai induksi timbal-balik. Konsep ini merupakan awal mula dari pengembangan elektronika telekomunikasi. Aplikasi induksi timbal-balik digunakan untuk mentransmisikan sinyal elektromagnet melalui ruang dari satu perangkat ke perangkat lain. Di sini akan dibahas konsep dasar dari induksi silang sebagai dasar pemahaman bagi pengertian lebih lanjut tentang elektronika komunikasi.

arus listrik dalam loop kawat menginduksi medan magnet
Arus listrik dalam loop kawat menginduksi medan magnet

Sebelumnya, kamu sudah mempelajari tentang medan magnet, bukan? Dalam pembahasan tentang medan magnet kamu sudah belajar bagaimana muatan listrik yang bergerak atau arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Bukankah begitu? Apakah kamu masih ingat, siapakah tokoh yang memperkenalkan konsep ini? Ya, dia adalah Hans Christian Oersted, seorang ahli fisika yang berasal dari Denmark. Konsep medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik dirumuskan secara lengkap oleh Ampere, dan dikenal dengan hukum Ampere. Konsep arus listrik yang dapat menghasilkan (menginduksi) medan magnet dikenal sebagai induksi magnet.

Selain itu, sebelumnya kamu juga sudah mempelajari bagaimana medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu juga dapat menghasilkan arus listrik, bukan? Apakah kamu masih ingat siapakah tokoh yang berjasa dalam mengembangkan konsep ini? ya, dia adalah Michael Faraday, seorang tokoh terkemuka dalam fisika yang berkebangsaan Inggris. Konsep medan listrik (dalam bentuk arus listrik) yang dihasilkan (diinduksi) dari medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu dikenal sebagai induksi elektromagnet.

medan magnet yang berubah-ubah menghasilkan arus listrik
Medan magnet yang berubah-ubah menghasilkan arus listrik

Kedua konsep ini sangat berguna untuk memahami pengertian induksi silang yang akan dijelaskan berikut ini.

Induksi silang dapat terjadi pada dua buah rangkaian listrik. Salah satu rangkaian tersebut dialiri arus listrik sedangkan rangkaian yang lain tidak. Melalui peristiwa induksi silang, rangkaian yang dialiri arus listrik dapat “menginduksi” (baca: mentransmisikan listrik ke) rangkaian yang lain sehingga arus listrik dapat dihasilkan dalam rangkaian ini. untuk lebih jelasnya, coba kamu perhatikan gambar berikut ini.

induksi silang antara dua rangkaian
Induksi silang antara dua rangkaian

Berdasarkan prinsip Ampere bahwa arus listrik dapat menginduksi medan magnet, pada rangkaian dua (#2) arus listrik (i) dalam rangkaian dapat menghasilkan medan magnet (B). arus listrik yang digunakan dalam rangkaian haruslah arus yang berubah-ubah besarnya (bisa dilakukan dengan menggunakan arus bolak-balik). Mengapa? Coba kamu cari alasannya. Selanjutnya medan magnet ini menghasilkan fluks magnet yang menembus rangkaian listrik satu (#1) secara tegak lurus. Karena medan magnet yang menginduksi rangkaian listrik berubah-ubah maka arus listrik akan dihasilkan dalam rangkaian kedua ini. (Jadi, pertanyaan tadi sudah terjawab, kan).

Dihasilkannya arus listrik pada rangkaian kedua yang disebabkan oleh medan magnet dari rangkaian listrik lain yang dialiri arus listrik ini di mana antara kedua rangkaian tidak saling berhubungan dan terpisah oleh ruang merupakan konsep dasar dari induksi silang. Bagaimana, sudah paham kan sekarang?

Prinsip induksi silang dapat juga dimanfaatkan untuk memahami cara kerja transformator (trafo). Tahukah kamu, apa yang dimaksud dengan transformator? Secara singkat dijelaskan di sini bahwa transformator adalah alat untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik. Pembahasan tentang trafo akan diberikan dalam bahasan tersendiri.

CRBR004312

Apakah kamu dapat menghubungkan konsep induksi silang yang sudah dibahas di sini dengan bagaimana cara kerja telepon seluler, radio, atau TV? Telepon seluler dapat menerima sinyal listrik dari perangkat lain walaupun kedua perangkat tidak saling bersentuhan atau berhubungan. Demikian juga dengan radio dan TV. Secara luas juga mencakup perangkat wireless (tanpa kabel) yang saat ini sangat bermanfaat dan banyak digunakan sehari-hari. Tentu saja konsep induksi silang dapat digunakan untuk menjelaskan peristiwa tersebut. Penjelasan lebih lanjut tentang cara kerja baik telepon seluler, radio, TV, maupun perangkat wireless lainnya akan dibahas dalam materi gelombang Elektromagnetik.