Rangkaian Arus Searah

Prinsip dasar bagaimana smartphone bekerja menggunakan konsep rangkaian arus searah
Prinsip dasar bagaimana smartphone bekerja menggunakan konsep rangkaian arus searah.

Arus Listrik

Ibaratnya seperti pada pembahasan mengenai fluida, dimulai dengan pembahasan untuk fluida yang statik kemudian dilanjutkan dengan membahas mengenai fluida yang bergerak. Nah, sekarang kita juga bakal ngebahas tentang partikel-partikel bermuatan yang bergerak yang berada di suatu rangkaian, yaitu rangkaian arus searah.

Memang kita ngebahas tentang gaya pada pembahasan sebelumnya, tapi kita gak memperdulikan bagaimana gerakkan partikelnya, kita cuman memperhatikann penyebab geraknya aja. Jadi kali ini kita bakal ngebahas tentang gerak dari partikel bermuatan yang disebut sebagai arus listrik.

Wah berarti kita bakal ngebahas tentang posisi, kecepatan, dan percepatan partikel bermuatan itu ya? Sayangnya tidak, aliran partikel bermuatan (arus) ini sejatinya tidak bergerak ibarat seperti kita sedang ingin ke suatu tempat, melalui rute tertentu.

Gerakan partikel bebas dan bermuatan pada material penampang begitu lambat dan tidak beraturan alias acak-acakan.

Tapi kok kalau kita ngecas atau nyalain lampu LED pake baterai AA bisa cepet banget? Seketika kita tekan saklarnya, medan listrik di dalam penampang sektika memenuhi penampang. Kemudian partikel-partikel bebas yang dimaksud langsung bergerak, walaupun lambat, namun transfer energinya yang begitu cepat.

Tidak semua penampang dapat mentransfer energi ini, penampang yang bisa mentransferkan energi listrik ini adalah konduktor, dan yang tidak bisa adalah isolator. Hal ini terjadi karena pada konduktor memiliki banyak elektron bebas didalamnya, dan sebaliknya pada isolator.

Biar lebih ringkas, kita sebut partikel bebas dan bermuatan (negatif) itu sebagai elektron. Arus listrik I bisa diartikan seberapa banyak elektron yang melalui suatu luasan penampang dalam satu satuan waktu tertentu

I = \frac{dq}{dt}.
Partikel bermuatan yang melalui suatu luas permukaan

Kalau kita lihat ekspresi matematisnya, tentu satuan dari arus listrik adalah \text{coulomb/sekon} kalau satuan SI-nya adalah \text{ampere} atau A.

Hukum Ohm

Berdasarkan eksperimen yang dilakukan oleh Georg Ohm, kalau misal kita punya suatu sumber listrik (pemberi beda potensial) dan diberikkan pada suatu konduktor. Kemudian ketika sumber tersebut dinaikkan (misal dua kali lipat), arus yang terukur pun ikut meningkat secara proporsional (kalau dinaikkan dua kali ya ikut dua kali, kalau lima ya lima kali dan sejenisnya).

V\propto I
Grafik tegangan terhadap arus

Ada konstanta yang menghubungkan antara tegangan dan arus, dan konstanta ini bergantung dengan material konduktornya. Konstanta yang dimaksud adalah nilai resistansi R dari suatu konduktor.

Tadi kita sempat bicara tentang konduktor, yang merupakan material yang dapat mengalirkan arus listrik. Nah, konduktor ini ada yang sifatnya "kooperatif" dan ada yang kurang "kooperatif", tingkat "kooperatif"-nya itu ditentukan oleh nilai resistansi-nya.

Hubungan antara tegangan, arus, dan resistansi ini sebagai berikut

V = I R

di mana resistansi R memiliki satuan sesuai dengan penemunya yaitu \text{ohm} atau \Omega.

Nilai resistansi atau hambatan dari suatu bahan akan bergantung pada beberapa faktor, bisa dianalogikan seperti suatu jalan raya.

Kalau jalannya panjang, tentu kalau kita mau berangkat sekolah kita harus membutuhkan usaha lebih banyak, artinya jalan atau rute panjang menjadi hambatan untuk kita

R\propto L .

Terus kalau jalannya luas (dalam artinya lebar) tentu akan mengurangi kemacetan, yang membuat hambatan kita berkurang. Tapi kalau jalannya sempit kemacetan sangat mungkin terjadi

R\propto \frac{1}{A} .

Ada konstanta penyesuainya lagi nih, sebut saja mawar \rho, agak kurang relevan tapi bisalah di pahami ya, kalau jalannya berlubang alias jelek, sudah jelas menjadi hambatan.

Tapi kalau pada konduktor \rho ini suatu ukuran seberapa menghambat suatu material dalam satu satuan panjang tertentu pada satu satuan luasan tertentu.

Dari ide-ide tersebut, bisa dipahami ya makna dari ekspresi hambatan pada suatu konduktor seperti berikut

R = \rho \frac{L}{A}

di mana \rho memiliki satuan \Omega\,m .

Spesifikasi hambatan suatu konduktor dilihat berdasarkan parameter konduktornya

Rangkaian Arus Searah

Konduktor yang meiliki resistansi tertentu kita sebut sebagai resistor, dan resistor ini adalah salah satu komponen listrik dari berbagai macam komponen yang ada di dunia ini. Bahkan kabel pun bisa disebut sebagai resistor, hanya saja resistansinya yang umumnya kecil sehingga kita sering abaikan.

Ketika kita berbicara rangkaian listrik, kita tertarik untuk mengamati seperti nilai tegangan ataupun arus pada beragam susunan komponen listrik. Makna arus searah di sini yaitu arus mengalir dari satu titik pada rangkaian dan menuju titik lainnya namun tidak mengalir sebaliknya.

Untuk membuat suatu rangkaian kita perlu suatu sumber atau suplai, sehingga akan ada muncul arus di dalamnya. Pada pembahasan tentang elektrostatika kita sudah menyinggung suatu alat yang disebut sebagai kapasitor, yaitu alat yang dapat menyimpang energi listrik, apakah bisa kita gunakan kapasitor sebagai energi listrik?

Tentu tidak, karena dalam seketika kapasitor akan membuat perbedaan potensial pada suatu komponen listrik (misal resistor) menjadi sama, sehingga tidak ada arus yang mengalir. Intinya, kedepan kita bakal sebut saja sumber energi tersebut sebagai sumber listrik (contohnya baterai).

Hukum Kirchoff

Energi listrik merupakan energi yang konservatif, artinya usaha yang dilakukan oleh sumber listrik dalam suatu rangkaian tertutup (loop) bernilai nol.

Menjadi salah satu alasan mengapa hukum Kirchoff mengenai tegangan yang artinya bisa dimaknai bahwa total tegangan pada suatu rangkaian tertutup yaitu nol.

\Sigma V = 0 = V_1 + V_2 + \dotsc + V_n .

Jika kita perhatikan ilustrasi berikut, kemudian kita terapkan hukum Kirchoff, tentu kita dapat mengetahui beda potensial pada komponen tersebut

V_s - V_R = 0 .
Hukum Kirchoff untuk tegangan

Sekarang sebut saja konduktor penghubungnya suatu kabel. Jadi pada kabel ab, semua titik pada kabel tersebut memiliki potensial yang sama, artinya tidak ada beda potensial, hingga ketemu resistor R. Mengapa nilai tegangan pada resistor bernilai negatif? Sebab polaritasnya berbeda dengan sumber.

Karena potensial titik b terhubung dengan a, sehingga sama-sama positif, sedangkan potensial di titik c terhubung dengan titik d, sehingga sama-sama negatif. Alhasil, polaritasnya berbeda.

Dengan memanfaatkan hukum Ohm, kita bisa temukan hubungan tegangan sumber dengan arus, dan resistansi dari resistor tersebut.

V_s = I R .

Lanjut, selain tegangan, hukum Ohm juga mengatur tentang arus pada suatu percabangan. Analoginya seperti ini, misal kalian lagi mandi nyalain air lewat keran terus tiba-tiba ada yang nyalain air juga. Entah itu di wastafel atau ada yang lagi cuci piring, nyiram tanaman, dan sebagainya, tiba-tiba air di keran kamar mandi langsung berkurang atau bahkan hilang.

Tentu kita punya satu penampung air, dan untuk mendistribusikannya, perancang rumah membuat saluran air dengan memberikan cabang-cabang menggunakan pada jalurnya. Jadi, air yang masuk dari satu sumber terbagi-bagi alhasil air yang di keran kamar mandi menjadi berkurang.

Selaras dengan itu, hukum Kirchoff tentang arus dapat diartikan bahwa arus listrik yang menuju atau memasuki percabangan sama dengan arus listrik yang keluar percabangan, atau

\Sigma I = 0 = I_1+I_2+\dotsc+I_n .
Hukum Kirchoff untuk arus

Dua hukum sebelumnya sangat bermanfaat untuk menentukan nilai kesetaraan resistansi pada suatu rangkaian arus searah yang kompleks, seperti yang selanjutnya.

Rangkaian Seri dan Paralel

Ada dua susunan dasar pada suatu rangkaian listrik, yaitu susunan seri (dibayangkan seperti deret gerbong kereta api) dan paralel (dibayangkan seperti lantai rumah bertingkat).

Seri

Rangkaian seri

Paralel

Rangkaian paralel

Dengan hukum Kirchoff sebelumnya kita bisa mendapatkan makna apa yang terkandung pada susunan seperti itu. Ada satu hal yang perlu diketahui terlebih dahulu, arus pada susunan seri, besarnya pada R_1 dan R_2 bernilai sama. Sedangkan untuk susunan paralel, tegangan nya yang sama.

Kita mulai dengan susunan seri, pada ilustrasi tersebut sekarang kita manfaatkan hukum Kirchoff mengenai tegangan, maka

\Sigma V = 0 = V_s - V_{1} - V_{2}
\rightarrow V_s = IR_1 + IR_2
\rightarrow V_s = I(R_1+R_2)

dari situ kelihatan tuh dengan mengingat lagi hukum Ohm, kalau sebenarnya susunan seri tersebut dapat diwakili oleh satu resistor yang resistansinya R_1+R_2, sebut saja resistor tersebut R_{eq} atau R_{tot}.

Dan ini berlaku untuk susunan seri yang panjang, sehingga untuk susunan seri berlaku

R_{eq} = R_1 + R_2 + \dotsc + R_n .

Untuk susunan paralel bisa kita manfaatkan hukum Kirchoff mengenai arus, seperti berikut

\Sigma I = 0 = I_{s} - I_{1} - I_{2}
\rightarrow I_s = \frac{V_s}{R_1} + \frac{V_s}{R_2} = V_s\left(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}\right)

dan serupa seperti sebelumnya, \frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2} dapat diwakili oleh satu resistor saja. misal \frac{1}{R_{eq}} .

Dan ini berlaku juga untuk susunan paralel yang banyak, dan berlaku

\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dotsc + \frac{1}{R_n} .
Label
< Materi SebelumnyaRangkaian Arus Bolak-Balik
Search icon