Besaran Listrik

2.1. Pendahuluan

Seperti diketahui, listrik tidak bisa ditimbang dalam neraca atau diukur menjadi dalam sebuah wadah. Namun demikian, efek listrik dapat diukur. Istilah standar digunakan untuk menggambarkan efek listrik, yaitu tegangan, arus, tahanan, dan daya. Sebagai analogi, tegangan adalah tekanan, arus adalah aliran, tahanan adalah sesuatu yang melawan aliran, dan daya adalah jumlah kerja yang dilakukan. Dengan demikian, daya tergantung dari besarnya tekanan dan volume aliran. Bab ini menjelaskan besaran listrik yang dihimpun dari beberapa referensi, termasuk bagaimana menggunakan online resistance calculator dan online Ohm law calculator.

2.2. Tegangan

Tegangan adalah tekanan listrik, beda potensial, atau perbedaan muatan listrik antara dua titik. Perbedaan potensial ini bisa mendorong arus listrik melalui kawat (konduktor), tapi tidak melalui pembungkusnya (isolator). Tegangan listrik diukur dalam Volt (V). Karena ada perbedaaan potensial listrik, maka terjadi electron moving force (EMF). Dalam kendaraan, tegangan adalah unit listrik untuk menerangkan jumlah tekanan listrik (perbedaan petensial) yang ada antara dua titik pengukuran atau sejumlah tekanan listrik yang dibangkitkan oleh reaksi kimia di dalam baterai. Satu Volt bisa menekan/mengalirkan sejumlah arus untuk mengalir, dua Volt bisa menekan dua kali lebih banyak, dan seterusnya. Perbedaan tekanan listrik antara dua titik diukur dengan voltmeter secara paralel dengan beban.

1 Volt adalah ketika 1 coulomb muatan listrik yang bergerak pada suatu penghatar dan bekerja dalam satu joule, diantara dua titik beda potensial.

E=W/Q

Dimana, E adalah beda potensial pada kedua ujung rangkaian (Volt), W adalah tenaga listrik (joule), dan Q adalah jumlah muatan listrik (coloumb).

Gambar 2.1 Konsep tegangan listrik

Dengan formula yang lebih mudah dipahami, Volt adalah satuan turunan di dalam Standar Internasional (SI) untuk mengukur perbedaan tegangan listrik. 1 Volt berarti beda tegangan yang diperlukan untuk membuat arus sebesar 1 Ampere di dalam suatu rangkaian dengan resistansi 1 Ohm.

E=I x R

Dimana, E adalah beda potensial pada kedua ujung rangkaian (Volt). I adalah kuat arus listrik yang mengalir pada sutu rangkaian (Ampere). R adalah besarnya hambatan dalam sebuah rangkaian, satuannya ohm. Satuan Volt adalah penghargaan yang diberikan untuk Alessandro Volta yang menemukan baterai elemen cair.

Tabel 2.1 Konversi satuan tegangan listrik

Konsep tegangan juga bisa dianalogikan dengan beda ketinggian air dalam dua tangki yang dihubungkan. Perhatikan Gambar 2.2, jika tangki air A dan B tingginya sama, air tidak akan mengalir dan kincir air tidak akan berputar (Gambar 2.2b). Jika ada perbedaan ketinggian permukaan air diantara kedua tangki tersebut, maka air akan mengalir dari tangki dengan permukaan air yang lebih tinggi ke tangki dengan permukaan air yang lebih rendah (Gambar 2.2a).

Perbedaan ketinggian permukaan air ini menyebabkan ada aliran air dari tangki A ke tangki B, dan kincir air akan berputar. Hal yang sama juga berlaku pada listrik. Jika tidak ada perbedaan potensial, arus tidak mengalir dan jika ada perbedaan potensial, maka arus akan mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke yang lebih rendah. Pada saat perbedaan potensial permukaan air pada dua tangki (A dan B) besar, jumlah air yang mengalir dalam satu satuan waktu pada ukuran pipa penghubung yang sama akan lebih banyak yang menyebabkan kincir air berputar lebih cepat. Ini juga seperti listrik, jika beda potensial antara dua titik adalah besar, pergerakan elektron bebasnya banyak, artinya tenaga listrik yang dihasilkan menjadi besar.

Gambar 2.2 Analogi tegangan listrik

Sekarang, mari kita lihat rangkaian sederhana seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.3 berikut.

Gambar 2.3 Rangkaian sederhana untuk memahami beda potensial

Tabel 2.2 Penjelasan Gambar 2.3

 2.3.  Arus

Arus listrik mengalir melalui sebuah penghantar. Arus bisa mengalir dalam sebuah penghantar karena adanya perbedaan potensial tegangan (tekanan). Arus listrik diukur dalam Ampere menggunakan ampere meter (Ammeter) secara seri dalam sebuah sirkuit.

Elektron bebas yang bermuatan negatif pada atom selamanya akan selalu tolak menolak satu dengan lainnya. Bila ada kelebihan elektron disatu tempat, maka akan ada kekurangan elektron ditempat lainnya, elektron akan selalu bergerak ke tempat yang kosong, dan kemudian bergerak untuk saling menjauh antara satu dengan yang lainnya. Saat pergerakan ini terjadi, aliran atau arus elektron terbentuk. Arus akan terus berlanjut sampai elektron genap terpisah dari intinya.

Gambar 2.4 Konsep arus listrik

Arus listrik dapat digambarkan seperti laju aliran elektron, besarnya aliran elektron bisa diumpamakan seperti pada pipa air. Pada pipa yang diameternya lebih besar mempunyai kapasitas aliran yang lebih besar pula. Artinya adalah aliran arus akan besar bila jumlah elektron yang bergerak juga banyak. Kesimpulannya, mengalirnya suatu elektron sama dengan mengalirnya suatu arus.

Gambar 2.5 Analogi arus listrik

Tabel 2.3 Konversi satuan arus listrik

2.4. Tahanan

Tahanan akan menghambat aliran arus. Tahanan ini seperti “gesekan” listrik. Setiap komponen atau rangkaian listrik memiliki nilai tahanan. Tahanan akan mengubah energi listrik menjadi bentuk energi lain, seperti panas, nyala lampu pijar, atau gerak. Tahanan listrik diukur dalam ohm dengan  Ohmmeter.

Gambar 2.6 Konsep tahanan listrik

Tabel 2.4 Konversi satuan tahanan listrik

Jika suatu elektron bebas bisa bergerak di dalam penghantar, maka akan terjadi suatu aliran arus listrik. Arus 1 amper adalah elektron sebanyak 6.25 x 101⁸ yang bergerak dalam satu detik. Perlu juga kita ketahui, bahwa semua jenis benda tersusun dari atom-atom sehingga ada beberapa kemungkinan rintangan bagi elektron bebas untuk bergerak, tertahannya pergerakan elektron bebas disebut dengan tahanan listrik. Jadi tahanan listrik pada suatu penghantar berbeda berdasarkan faktor sebagai berikut:

• Panjang penghantar
• Diameter penghantar
• Temperatur
• Kondisi fisik, dan
• Jenis material

1. Panjang Penghantar

Elektron yang bergerak (arus listrik) akan terus bertabrakan saat tegangan mendorongnya melewati konduktor. Jika dua kabel/penghantar memiliki bahan dan diameter yang sama, kawat yang lebih panjang akan memiliki tahanan lebih besar daripada kawat yang lebih pendek. Standar tahanan kawat sering tercantum dalam ohm per meter.

2. Diameter

Konduktor dengan diameter yang besar memungkinkan untuk mengalirkan arus listrik lebih banyak dengan voltase yang kecil. Jika dua kabel memiliki bahan dan panjang yang sama, kabel dengan diameter lebih kecil memiliki tahanan yang lebih besar daripada kabel dengan diameter yang lebih besar.

3. Temperatur

Pada sebagian besar konduktor, tahanan akan meningkat seiring meningkatnya temperatur. Elektron bergerak lebih cepat, namun tidak terarah. Sebaliknya, sebagian besar isolator tahanannya akan turun pada temperatur yang lebih tinggi. Perangkat semikonduktor seperti termistor yang memiliki negative temperature coefficients (NTC) nilai tahanannya berkurang seiring dengan kenaikan temperatur. Sensor temperatur pendingin (coolant temperature sensor) umumnya menggunakan termistor jenis NTC.

4. Kondisi fisik

Sebagian kabel yang terkikis akan seperti kabel yang lebih kecil dengan nilai tahanan yang tinggi, khususnya di daerah yang rusak. Ini termasuk pada soket yang buruk, sambungan yang longgar, atau terkorosi juga meningkatkan nilai tahanan.

5. Bahan

Bahan dengan banyak elektron bebas adalah konduktor yang baik dengan nilai tahanan yang rendah. Bahan dengan banyak elektron terikat adalah konduktor yang buruk (isolator) dengan nilai tahanan yang tinggi. Tembaga, aluminium, emas, dan perak memiliki nilai tahanan yang rendah. Sementara, karet, kaca, kertas, keramik, plastik, dan udara memiliki tahanan yang tinggi.

Hubungan antara material kabel, panjang kabel, dan diameter kabel dapat dihitung dengan rumus berikut:

R=(L x ρ)/A 

Dimana :
R     =  Tahanan kawat [ Ω ]
L     =  Panjang kawat [ m ]
ρ      =  Tahanan jenis kawat [ Ω.m ]
A     =  Penampang kawat/konduktor[ mm² ]

Selanjutnya, semakin kecil luas penampang konduktor, semakin besar tahanan/hambatan listriknya.

Gambar 2.7 Pengaruh luas penampang terhadap kerapatan arus

A=I/J

Dimana:
A     =  Luas penampang kawat [ mm² ]
 I     =  Kuat arus [ Amp, A ]
J     =  Rapat arus [ A/mm² ]

Selain panjang kabel, material, dan luas penampang kabel, umumnya tahanan listrik suatu konduktor akan bertambah bila temperatur konduktor naik.

Nilai koefisiens  adalah cukup kecil karena resistor lazimnya hanya memiliki rentang temperatur yang relatif terbatas, yaitu antara 0°C hingga 100°C, yang memiliki karakteristik linier yang ditunjukkan pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Hubungan nilai resistensi dengan temperatur

Tabel 2.5 Tahanan jenis dan koefisien temperatur beberapa penghantar [10]

2.5. Resistance Calculator

Saat ini, telah tersedia beberapa kalkulator online yang dapat digunakan untuk menghitung nilai tahanan/ resistansi suatu penghantar, baik untuk menghitung tahanan karena ukuran kawat maupun karena perubahan temperatur. Dalam buku ini, akan dicontohkan penggunaan resistance calculator online dari EndMemo, URL http://www.endmemo.com/physics/resistance.php untuk menghitung nilai tahanan karena ukuran kawat  dan URL http://www.endmemo.com/physics/resistt.php untuk menghitung nilai tahanan karena perubahan temperatur. Cara penggunaan resistance calculator online dari EndMemo adalah sebagai berikut.

1. Menghitung tahanan karena ukuran kawat

Buka URL http://www.endmemo.com/physics/resistance.php, kemudian akan ditampilkan home page sebagai berikut.

Gambar 2.9 Tampilan home pape EndMemo resistance calculator

Masukkan spek kabel untuk menghitung nilai tahanan, kemudian tekan tombol “Calculate”.

Gambar 2.10 Hasil perhitungan EndMemo resistance calculator

Sebagai catatan, satuan/unit yang digunakan harus konsisten, dalam meter atau milimeter.

2. Menghitung tahanan karena perubahan temperatur

Buka URL http://www.endmemo.com/physics/resistt.php, kemudian akan ditampilkan home page sebagai berikut.

Gambar 2.11 Tampilan home pape EndMemo resistivity-temperature calculator

Masukkan spek kabel untuk menghitung nilai tahanan, kemudian tekan tombol “Calculate”.

Gambar 2.12 Hasil perhitungan EndMemo resistivity-temperature calculator

2.6. Hukum Ohm

Hukum Ohm ditemukan oleh “Georg Ohm”, pertama kali muncul di buku yang terkenal ‘Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (The Galvanic Circuit Investigated Mathematically) pada tahun 1827, dimana dia memberikan teori kelistrikannya yang lengkap. Ada hubungan sederhana antara tegangan, arus, dan tahanan pada rangkaian listrik. Memahami hubungan ini penting untuk diagnosa dan perbaikan masalah kelistrikan yang cepat dan akurat. Hubungan ketiga besaran listrik ini dinamakan Hukum Ohm. Hukum Ohm mengatakan: Arus dalam rangkaian berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan dan berbanding terbalik dengan jumlah tahanan. Ini berarti jika tegangan naik, aliran arus akan naik, dan sebaliknya. Juga, saat tahanan naik, arus turun, dan sebaliknya. Hukum Ohm dapat dimanfaatkan dengan baik dalam pemecahan masalah listrik. Penggunaan Hukum Ohm lebih praktis hanya dengan menerapkan konsep yang ada:

Sumber tegangan tidak terpengaruh oleh arus atau hambatan, terlalu rendah, normal, atau terlalu tinggi. Jika sumber tegangan terlalu rendah, arus akan turun dan jika sudah normal, arus akan naik. Jika tahanan rendah, arus akan menjadi tinggi. Jika tegangan terlalu tinggi, arus juga akan tinggi.

Arus listrik dipengaruhi oleh tegangan atau hambatan. Jika tegangan tinggi atau tahanan rendah, arus akan tinggi. Jika tegangan rendah atau tahanan tinggi, arus akan rendah.

Resistansi/tahanan tidak terpengaruh oleh tegangan atau arus. Jika nilai tahanan terlalu rendah, arus akan tinggi pada tegangan berapapun. Jika tahanan terlalu tinggi, arus akan rendah pada tegangan yang tetap.

Gambar 2.13 Hukum Ohm

2.7. Daya dan Kerja

Tegangan dan arus bukan pengukuran daya listrik. Daya listrik diukur dalam watt. Daya (P) sama dengan arus (I) kali tegangan (E).

P=I x E

Sedangkan kerja (W) diukur dalam Watt-seconds atau Watt-hours, adalah ukuran energi yang digunakan dalam periode waktu tertentu. Kerja  adalah Daya (P) kali detik atau jam (t).

W= P x t

Energi listrik bekerja ketika diubah menjadi energi panas, energi pancaran (cahaya), energi audio (suara), energi mekanis (gerak), dan energi kimia.

Tabel 2.6 Konversi satuan daya listrik

Hubungan tegangan, arus, tahanan, dan daya listrik disajikan sebagai berikut.

Gambar 2.14 Formula tegangan, arus, tahanan, dan daya

2.8. Ohm Law Calculator

Sama halnya dengan resistance dan resistivity, untuk menghitung hubungan tegangan, arus, tahanan, dan daya juga telah tersedia online Ohm law calculator. Salah satu Ohm law calculator tersedia di http://www.rapidtables.com/calc/electric/ohms-law-calculator.htm. Berikut contoh penggunaannya.

Gambar 2.15 Home page Ohm law calculator

Setelah terbuka, masukkan nilai tegangan dan tahanan. Hasilnya sebagai berikut.

Gambar 2.16 Contoh perhitungan dengan  Ohm law calculator

Sekarang, bandingkan hasil kalkulator online seperti ditunjukkan pada Gambar 2.16 dengan perhitungan manual. Selanjutnya, untuk mengetahui konsumsi energi (kerja), bisa digunakan Energy Consumption Calculator (http://www.rapidtables.com/calc/electric/energy-consumption-calculator.htm). Hasilnya adalah sebagai berikut.

Gambar 2.17 Contoh perhitungan energy consumption

Baca Juga:

• Teori Dasar Listrik
• Pengukuran Besaran Listrik
• Hukum Kirchhoff
• Wheatstone bridge
• Elektromagnetik dan Aplikasinya
• Elektrokimia dan Aplikasinya

Referensi:
Setiyo, M. (2017) Listrik & Elektronika Dasar Otomotif (Basic Automotive Electricity and Electronics). Edited by A. Burhanudin. Magelang: UNIMMA Press.

Video