Rangkaian Listrik

Konsep dasar fisika mengenai rangkaian listrik
Konsep dasar fisika mengenai rangkaian listrik.

Rangkaian Listrik

Prinsip energi telah banyak membantu kita dalam berbagai macam hal, mulai dari penerangan yang berasal dari lampu, menanak nasi menggunakan penanak nasi, mendapatkan informasi atau belajar melalui gawai seperti laptop dan telepon genggam, dan masih banyak lagi.

Hampir semua alat bantu kita selama ini memanfaatkan fenomena listrik, nah yang menjadi pertanyaan, bagaimana kita dapat memanfaatkan konsep kelistrikan untuk digunakan sebagai peralatan kita sehari-hari? Apa dasar atau fondasi yang perlu diketahui?

Semuanya tak lepas dari suatu fakta bahwa, listrik merupakan salah bentuk energi. Mungkin diantara kalian ada yang bertanya apa bukinya? Bukti yang paling sederhana adalah penanak nasi. Kita tahu bahwa alat tersebut menghasilkan panas, dan kita juga sepakat bahwa panas merupakan salah satu bentuk energi.

Mengingat penanak nasi sendiri merupakan barang elektronik, yang mana memerlukan listrik dalam pengoperasiannya, secara gak langsung kita melihat bahwa listrik juga merupakan energi. Mengapa? Ingat bahwa energi itu kekal, tidak bisa dimusnahkan maupun diciptakan, hanya bisa berubah bentuk.

Dan konsep mengenai rangkaian listrik akan mnejadi landasan kita mengenai bagaimana konsep tentang kelistrikan bisa kita aplikasikan.

Arus Listrik

Konsep mengenai kelistrikan tidak bisa lepas dengan adanya partikel bermuatan, dan kali ini ada suatu istilah yang dinamkaan sebagai arus listrik, yang mana merupakan pesat perubahan jumlah muatan yang melalui suatu luasan penampang dalam satu satuan waktu tertentu.

Luas penampang yang dimaksud yaitu penghubung yang kita gunakan dalam suatu rangkaian listrik, contohnya kabel. Jadi, jika perubahan jumlah muatan pada suatu luasan penampang sebesar \Delta q, dan perubahan waktunya adalah \Delta t, secara matematis arus I adalah

I = \frac{\Delta q}{\Delta t}

, di mana satuan arus adalah \text{A} atau \text{ampere}.

Jika kita perhatikan, kali ini kita akan berurusan dengan muatan-muatan yang bergerak. Muatan-muatan tersebut bergerak pada bahan yang menjadi penghubung pada suatu rangkaian.

Bicara tentang gerak memang identik dengan posisi, kecepatan, dan percepatan, namun kali ini kita sama sekali tidak mengamati besaran-besaran tersebut. Yang menjadi fokus kita saat ini, bagaimana besaran-besaran listrik saling berkaitan.

Hukum Ohm

Tidak semua bahan dapat menghantarkan arus listrik, mirip seperti pada pembahasan mengenai kalor dan perubahannya, bahan-bahan yang "baik" dalam menghantarkan arus listrik dinamakan sebagai konduktor, sedangkan yang kurang "baik" dinamkan isolator.

Tembaga, emas, aluminium, besi, serta perak merupakan contoh dari bahan-bahan konduktor. Untuk isolator, contoh bahan-bahannya yaitu plasik, karet, kaca, serta styrofoam. Ada yang unik pada bahan-bahan yang dapat menghantarkan arus listrik ini.

Jadi terdapat suatu bahan disatu kondisi dia dapat menghantarkan arus listrik, namun di sisi lain bahan tersebut bisa juga sebagai isolator. Bahan tersebut dinamakan sebagai semikonduktor, contohnya adalah silikon dan germanium.

Nah, besaran atau ukuran yang menunjukkan seberapa "baik" suatu bahan dalam menghantarkan arus listrik dilihat berdasarkan hambatannya atau resistansinya. Dan resistansi ini mempunyai hubungan dengan besaran arus listrik.

Semakin besar resistansinya, maka arus listriknya semakin kecil, dan sebaliknya, semakin kecil resistansinya semakin besar arus listriknya. Tapi sebelumn lanjut, kita perlu mengenal satu besaran lagi disebut sebagai tegangan.

Jadi pada dasarnya tegangan merupakan perbedaan potensial listrik, atau usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan antara dua titik. Nah, hukum Ohm di sini menjelaskan bagaimana hubungan antara ketiga besaran, tegangan, arus listrik, dan hambatan.

Tegangan setara dengan arus pada suatu rangkaian

Berdasarkan eksperimennya, secara matematis hubungannya yaitu

V = IR

, di mana V merupakan tegangan, I adalah arus listrik, dan R hambatan dengan satuannya adalah \Omega atau \text{ohm}.

Hukum Kirchoff

Terdapat dua hukum lainnya yang mengatur bagaimana perilaku suatu rangkaian listrik, yaitu hukum Kirchoff 1 dan 2. Keduanya mengatur bagaimana besaran-besaran listrik pada rangkaian listrik. Kita mulai dari hukum Kirchoff yang pertama dulu.

Jadi hukum yang pertama ini kurang lebih artinya seperti ini, pada suatu percabangan, jumlah arus yang masuk, maksudnya arus yang menuju percabangan totalnya harus sama seperti jumlah arus yang keluar, alias arus yang arahnya menjauh dari percabangan.

Hukum Kirchoff pertama mengenai arus

Secara matematis, jika total arus masuk adalah I_{i}, dan total arus yang keluar adalah I_{o}, maka

I_i = I_o .

Khusus untuk ilustrasi sebelumnya, maka

I_1 + I_2 = i_3 + I_4 + I_5 .

Untuk hukum yang kedua, kali ini kita berurusan dengan tegangan pada suatu rangkaian tertutup, tunggu..., maksud dari rangkaian tertutup apa? Jadi, pada suatu rangkaian dikatakan tertutup apabila rangkaian tersebut tidak terputus disetiap penghubungnya (misal kabelnya).

Kurang lebih artinya seperti ini, pada rangkaian tertutup maka total tegangan pada rangkaian tersebut bernilai nol. Secara matematis seperti berikut

V_1 + V_2 + V_3 + \dotsc V_n = 0 .

Pada rangkaian seperti berikut

Hukum Kirchoff kedua mengenai tegangan

hubungan antara tegangan-tegangannya yaitu

V_s - V_1 - V_2 = 0

Untuk tanda positif atau negatifnya, aslinya bebas, namun umumnya ketetapannya mengikuti tegangan sumbu atau V_s, apabila polaritasnya terbalik atau berlawanan dengan tegangan sumbuer, maka teganagan tersebut bernilai negatif.

Rangkaian Seri dan Paralel

Tujuan utama dari bagian ini yaitu, apabila kita ingin mengetahui besar keseluruhan arus pada suatu rangkaian, atau bisa juga teganannya, kita tidak perlu repot-repot mengetahui besar sumbangsih arus atau tegangan dari masing-masing komponen (dalam hal ini adalah resistor).

Ide suapaya penyelesaiannya lebih mudah yakni dengan mencari rangkai ekuivalen, atau rangkaian yang secara keseluruhan sama.

Ada dua tipe rangkaian yang menjadi dasar untuk rangkaian-rangkaian lainnya yang lebih rumit, yaitu rangkaian seri dan paralel. Dan fokus kita saat ini adalah mencari ekuivalen dari besaran hambatan tersebut.

Rangkaian seri dan paralel

Untuk rangakaian seri, hambatan ekuivalennya yaitu

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

, untuk rangkaian paralel, hambatan ekuivalennya adalah

\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\dotsc+\frac{1}{R_n} .

Khusus untuk rangkaian paralel dua resistor

R_{eq} = \frac{R_1\cdot R_2}{R_1+R_2} .

Buat kalian yang penasaran, kenapa kok rumusnya bisa gitu, kalian bisa banget dateng ke pembahasan tentang rangkaian arus searah. Ada dua fakta lagi yang perlu kita ketahui selain dua hukum Kirchoff di atas untuk mengetahui asal usulnya, yaitu fakta di mana pada rangkaian seri arus pada semua komponen sama, sedangkan pada rangakaian paralel tegangan pada semua komponen sama.

Energi dan Daya Listrik

Jika listrik merupakan salah satu bentuk energi, tentu kita tertarik untuk mengetahui berapa besar energi yang digunakan oleh suatu komponen, dalam hal ini komponen tersebut merupakan resistor.

Energi dan daya listrik pada sebuah resistor

Energi yang hilang oleh resistor pada rangkaian di atas selama t yakni sebesar

W = VIt

, di mana V merupakan tegangan sumber, dan I arus yang melalui resistor tersebut. Persamaan tersebut bisa juga dituliskan

W = \frac{V^2}{R}t, atau
W = I^2Rt, atau

Sedangkan daya yang hilang yakni sebesar

P = VI
\rightarrow P = \frac{V^2}{R}
\rightarrow P = I^2R

Coba kalian perhatikan lagi kata-kata sebelumnya, yaitu energi dan daya yang hilang. Mengapa energi tersebut hilang? Jawabannya karena hukum kekekalan energi, energi listrik tersebut hilang kemudian menjadi energi panas.

Nah, energi panas ini umumnya memang tidak digunakan, oleh karena itu biasanya orang-orang menyebutnya sebagai rugi-rugi atau ada juga yang menyebutnya disipasi.

Label
< Materi SebelumnyaPesawat Sederhana
Search icon