Listrik Dinamis

Listrik dinamis adalah aliran partikel bermuatan dalam bentuk arus listrik yang dapat menghasilkan energi listrik. Listrik dapat mengalir dari titik berpotensial lebih tinggi ke titik berpotensial lebih rendah apabila kedua titik tersebut terhubung dalam suatu rangkaian tertutup.

Pada analisis rangkaian listrik dinamis hal yang perlu diperhatikan adalah komponen-komponen rangkaian seperti sumber listrik dan tahanan, susunan rangkaian, dan hukum-hukum yang berlaku pada rangkaian tersebut.

Lihat juga materi lainnya:
Suhu dan Kalor
Momen Inersia

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). Ohm diambil dari nama fisikawan Jerman yaitu Georg Simon Ohm yang menemukan hubungan langsung antara beda potensial dengan arus listrik yang dihasilkan. 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, isolator, semikonduktor. Konduktor memiliki hambatan yang kecil, sehingga dapat menghantarkan listrik dengan baik. Contohnya material-material logam seperti besi, tembaga, alumunium, 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. Pengaturan sifat semikonduktor dilakukan dengan penambahan material lain dan pemberian tegangan listrik.

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:

R = \rho L/A

dimana \rho adalah hambatan jenis, L adalah panjang penghantar, dan A adalah penampang penghantar.

Hukum Ohm

Hukum Ohm adalah hukum yang menyatakan bahwa perbedaan tegangan pada penghantar akan sebanding dengan arus yang melewatinya. Konstata yang menghubungkan proporsionalitas tegangan-arus disebut dengan tahanan. Secara matematis, hukum Ohm dinyatakan sebagai berikut:

V = I \cdot R

dimana V adalah beda potensial (Volt), I adalah arus listrik (Ampere), dan R adalah besar tahanan (Ohm). Untuk mempermudah mengingat rumus ini, hubungan ketiga variabel tersebut dapat digambarkan dengan sebuah segitiga.

listrik dinamis hukum ohm

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 nol”. Secara matematis hukum Kirchoff 1 dinyatakan dengan persamaan berikut:

\Sigma I = \Sigma I_{masuk} + \Sigma I_{keluar} = 0

atau

\Sigma I_{masuk} = \Sigma I_{keluar}

Nilai arus yang keluar diberikan tanda negatif, sedangkan nilai arus masuk diberikan tanda positif.

Gambar di samping 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 circuit kirchoff 1

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 nol, atau secara lebih sederhana, jumlah dari gaya gerak listrik dalam lingkaran tertutup ekivalen dengan jumlah turunnya potensial pada lingkaran itu.” Secara matematis Hukum Kirchoff 2 dinyatakan dengan persamaan berikut:

\Sigma V = 0 atau \Sigma \varepsilon = \Sigma IR

Analisis Rangkaian Listrik Dinamis

Pada analisis rangkaian listrik dinamis, terdapat beberapa terminologi penting yang harus diperhatikan.

  • 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 dimulai 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 loop. 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 dibawah.

contoh analisis rangkaian listrik dinamis

Sumber gambar: i.stack.imgur.com/a3XNu.gif

Catatan : I3 adalah arus dari titik A ke B

  • Loop 1
    • Terdapat sumber tegangan 10V (V1) yang memiliki GGL negatif karena kutub negatif terlebih dahulu ditemui
    • Terdapat 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: \Sigma V = -V_1 + I_1 \cdot R_1 + I_3 \cdot R_2 = 0
  • Loop 2
    • Terdapat sumber tegangan 5V (V2) yang memiliki GGL positif karena kutub positif terlebih dahulu ditemui
    • Terdapat 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: \Sigma V = V_2 + I_2 \cdot R_3 - I_3 \cdot R_2 = 0
  • Node A
    • Terdapat arus masuk I1
    • Terdapat keluar I2 dan I3
    • Persamaan Kirchoff 1 di Node A: \Sigma I = \Sigma I_{masuk} + \Sigma I_{keluar} = I_1 - I_2 - I_3 = 0

Contoh Soal Listrik Dinamis dan Pembahasan

Soal Listrik Dinamis 1

Daya yang terdisipasi pada masing-masing lampu pada gambar di bawah ini adalah sama besar. Perbandingan hambatan R1 : R2 : R3 adalah …. (SNMPTN 2012)

contoh soal listrik dinamis

Jawab

Diketahui:

P1 = P2 = P3

Ditanyakan: R1 : R2 : R3?

P = V^2 / R = I^2 R

V_1 = V_2

P_1 = P_2 \Rightarrow \frac{V_1^2}{R_1} = \frac{V_2^2}{R_2}

\Rightarrow R_1 = R_2 = x

R1 dan R2 digabungkan menjadi satu resistor Rp, dengan arus mengalir melewatinya Ip.

\frac{1}{R_p} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \Rightarrow R_p.

R_p = \frac{R_1R_2}{R_1 + R_2} = \frac{x^2}{2x} = \frac{x}{2}

I_p = I_3

P_p = P_3 \Rightarrow I_p^2 R_p = I_3^2 R_3

\Rightarrow R_p = R_3 = \frac{x}{2}

R_1 : R_2 : R_3 = x : x : x/2 = 1 : 1 : 0.5

Soal Listrik Dinamis 2

Perhatikan gambar rangkaian listrik berikut!

gambar rangkaian listrik

Kuat arus listrik total yang mengalir pada rangkaian adalah …. (UN 2014)

Jawab

Diketahui:

pembahasan soal rangkaian

Ditanyakan: I?

  • Gabungkan R3 dan R4 menjadi Rc1
    R_{c1} = R_3 + R_4 = 6 \Omega
  • Gabungkan Rc1 dan R2 menjadi Rc2
    R_{c2} = \frac{R_{c1} \cdot R_2}{R_{c1}+R_2} = \frac{36}{12} = 3 \Omega
  • Gabungkan Rc2 dan R1 menjadi Rt
    R_t = R_{c2} + R_1 = 3 + 2 = 5 \Omega
  • Hitung Arus dengan persamaan Kirchoff 2

\Sigma \varepsilon = I \cdot R_t

6 - 12 = I \cdot 5

I = \frac{-6}{5} = -1,2 A

Nilai negatif menandakan arah arus berlawanan dengan anggapan awal.

Artikel: Listrik Dinamis
Kontributor: Muhammad Adi Nugroho, S.T.
Alumni Teknik Elektro UI

Materi lainnya:

  1. Tata Surya
  2. Hukum Newton 1 2 3
  3. Elastisitas Fisika