1 BAB I. Komponen-komponen Dasar dan Rangkaian Listrik 1.1 Pendahuluan Kita mulai studi kita dengan meninjau sistem satuan dan beberapa definisi dasar beserta perjanjian (konvensi) yang berlaku. Untuk mengetahui bagaimana suatu rangkaian bekerja, pertama-tama akan kita amati beberapa jenis komponen yang dapat digunakan dalam suatu rangkaian listrik yaitu : sumber-sumber tegangan dan arus, baterai, dan resistor. Kita juga perlu memahami konsep-konsep tegangan, arus, dan daya, karena besaran-besaran ini akan seringkali kita jumpai. 1.2 Penyajian 1 | Satuan dan Skala Untuk menyatakan nilai dari beberapa besaran yang dapat diukur, kita harus memberikan angka dan satuan, misalnya “ 3 meter”. Kita semua menggunakan sistem bilangan yang sama, namun hal ini tidak berlaku untuk satuan sehingga kita harus meluangkan sedikit waktu sebelum kita familiar dengan sistem yang cocok/tepat. Kita harus sepakat tentang satuan standar serta yakin dengan kelanggengannya dan kemampuannya diterima secara luas. Sebagai contoh satuan standar panjang, sebaiknya tidak didefinisikan sebagai jarak antara dua buah titik pada sebuah pita karet karena hal ini tidak akan bersifat tetap atau permanen dan disamping itu masing-masing orang menggunakan standar yang berbeda. Kita hanya mempunyai sangat sedikit pilihan sistem satuan. Sistem yang akan kita gunakan adalah yang diadopsi oleh National Bureau of Standards pada tahun 1964. Sistem satuan ini digunakan oleh semua masyarakat teknik profesional utama serta merupakan bahasa yang digunakan dalam buku teks yang ditulis dewasa ini. Sistem satuan yang dimaksud adalah Sistem Satuan Internasional ( SI), yang diadopsi oleh Konferensi Umum Berat dan Ukuran pada tahun 1960. Setelah melalui beberapa modifikasi, terbentuklah tujuh satuan dasar
26
Embed
Bab 1. Komponen-komponen Dasar Dan Rangkaian Listrik
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
BAB I. Komponen-komponen Dasar dan Rangkaian Listrik
1.1 Pendahuluan
Kita mulai studi kita dengan meninjau sistem satuan dan beberapa definisi
dasar beserta perjanjian (konvensi) yang berlaku. Untuk mengetahui bagaimana
suatu rangkaian bekerja, pertama-tama akan kita amati beberapa jenis komponen
yang dapat digunakan dalam suatu rangkaian listrik yaitu : sumber-sumber
tegangan dan arus, baterai, dan resistor. Kita juga perlu memahami konsep-konsep
tegangan, arus, dan daya, karena besaran-besaran ini akan seringkali kita jumpai.
1.2 Penyajian
1 | Satuan dan Skala
Untuk menyatakan nilai dari beberapa besaran yang dapat diukur, kita
harus memberikan angka dan satuan, misalnya “ 3 meter”. Kita semua
menggunakan sistem bilangan yang sama, namun hal ini tidak berlaku untuk
satuan sehingga kita harus meluangkan sedikit waktu sebelum kita familiar
dengan sistem yang cocok/tepat. Kita harus sepakat tentang satuan standar serta
yakin dengan kelanggengannya dan kemampuannya diterima secara luas. Sebagai
contoh satuan standar panjang, sebaiknya tidak didefinisikan sebagai jarak antara
dua buah titik pada sebuah pita karet karena hal ini tidak akan bersifat tetap atau
permanen dan disamping itu masing-masing orang menggunakan standar yang
berbeda.
Kita hanya mempunyai sangat sedikit pilihan sistem satuan. Sistem yang
akan kita gunakan adalah yang diadopsi oleh National Bureau of Standards pada
tahun 1964. Sistem satuan ini digunakan oleh semua masyarakat teknik
profesional utama serta merupakan bahasa yang digunakan dalam buku teks yang
ditulis dewasa ini. Sistem satuan yang dimaksud adalah Sistem Satuan
Internasional (SI), yang diadopsi oleh Konferensi Umum Berat dan Ukuran pada
tahun 1960. Setelah melalui beberapa modifikasi, terbentuklah tujuh satuan dasar
2
SI yaitu meter, kilogram, detik, ampere, kelvin, mol, dan kandela ( lihat Tabel
1.1).
Tabel 1.1 | Satuan Dasar SI
2 | Muatan, Arus, Tegangan, dan Daya
A. Muatan
Salah satu konsep yang paling mendasar dalam analisis rangkaian
listrik adalah konsep kekekalan muatan. Dari ilmu fisika kita mengetahui
adanya dua jenis muatan, yaitu muatan positif (berkorespondensi dengan
proton) dan muatan negatif (berkorespondensi dengan elektron). Dalam bahan
ajar ini, yang menjadi perhatian kita adalah aliran muatan negatif atau elektron
pada rangkaian. Terdapat banyak piranti (seperti misalnya baterai, diode dan
transistor) dimana pergerakan muatan positif penting diperhatikan untuk
memahami operasi internalnya. Akan tetapi diluar pirantinya, kita akan
memfokuskan perhatian pada elektron-elektron yang mengalir pada kawat
penghubungnya. Walaupun kita secara kontinu mentransfer muatan diantara
berbagai bagian rangkaian, kita tidak melakukan perubahan apapun terhadap
muatan total. Dengan kata lain kita tidak menciptakan atau memusnahkan
elektron (atau proton) saat menjalankan suatu rangkaian listrik. Muatan yang
bergerak merepresentasikan arus.
Dalam sistem SI, satuan dasar muatan adalah coulomb (C). Muatan ini
didefinisikan dalam ampere dengan menghitung total muatan yang mengalir
melewati penampang melintang sebuah kawat dalam interval waktu satu detik;
Besaran Dasar Nama Simbol
Panjang meter m
Massa kilogram kg
Waktu detik (sekon) s
Arus Elektrik ampere A
Temperatur kelvin K
Jumlah zat / bahan mol mol
Intensitas luminasi kandela cd
3
satu coulomb terukur setiap detik untuk sebuah kawat penghantar yang
mengalirkan arus sebesar 1 ampere (Gambar 1.1). Dalam satuan ini, sebuah
elektron memiliki muatan sebesar -1,602 x 10-19 C sementara sebuah proton
memiliki muatan sebesar +1,602 x 10-19 C.
Gambar 1.1
Muatan yang mengalir melalui sebuah kawat penghantar, mengilustrasikan definisi coulomb.
Muatan yang tidak berubah terhadap waktu secara tipikal direpresentasikan
oleh Q. Jumlah muatan pada suatu saat (yang dapat bersifat invarian terhadap waktu
ataupun tidak bersifat invarian terhadap waktu) biasa direpresentasikan oleh q(t),
atau singkatnya q. Konvensi atau perjanjian ini digunakan secara menyeluruh di
dalam bahan ajar ini: huruf kapital digunakan untuk menyatakan besaran-besaran
konstan (invarian terhadap waktu), sedangkan huruf kecil merepresentasikan kasus
yang lebih umum. Jadi, sebuah muatan yang konstan dapat direpresentasikan oleh Q
atau q, tetapi jumlah muatan yang berubah terhadap waktu harus direpresentasikan
dengan huruf kecil q.
B. Arus
Gagasan “transfer muatan” atau “pergerakan muatan” merupakan hal
yang sangat penting bagi kita dalam mempelajari rangkaian listrik karena
dalam menggerakan muatan dari suatu titik ke titik yang lain akan terjadi juga
transfer atau perpindahan energi. Saluran transmisi daya merupakan sebuah
contoh praktis peralatan yang berfungsi memindahkan energi. Hal yang sama
pentingnya adalah kemungkinan variasi laju atau kecepatan transfer muatan
Penampang melintang
Arah pergerakan muatan
Muatan - muatan mandiri
4
dalam mengkomunikasikan atau mentransfer informasi. Proses ini merupakan
dasar dari sistem komunikasi seperti radio, televisi, dan telemetri.
Arus yang muncul pada lintasan diskrit, misalnya kawat logam,
memiliki nilai numerik sekaligus arah, yang merupakan ukuran laju
pergerakan muatan melewati sebuah titik referensi dalam suatu arah tertentu.
Setelah kita menemukan sebuah arah referensi, kita dapat
mengandaikan bahwa q(t) adalah muatan total yang melewati titik referensi
sejak waktu t = 0, dan bergerak dalam arah yang telah didefinisikan.
Kontribusi pada muatan lokal akan bernilai negatif jika muatan negatif
bergerak dalam arah referensi, atau jika muatan positif bergerak dalam arah
yang berlawanan. Sebagai contoh, Gambar 1.2 yang menunjukkan riwayat
dari muatan total q(t) yang melewati suatu titik referensi di dalam sebuah
kawat penghantar (contohnya titik referensi yang diperlihatkan Gambar 1.1).
Gambar 1.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
25
30
35
40
45
t (s)
q(t) (C)
Grafik nilai sesaat dari muatan total q(t) yang melewati sebuah titik referensi sejak waktu t = 0.
Kita mendefinisikan arus pada suatu titik dan arus yang mengalir
dalam suatu arah tertentu sebagai laju sesaat dimana muatan positif netto
bergerak melewati titik tersebut dalam arah tertentu yang ditetapkan.
Sayangnya definisi ini merupakan definisi historis, yang terlanjur populer
digunakan sebelum akhirnya diketahui bahwa arus yang mengalir di dalam
sebuah kawat penghantar sesungguhnya diakibatkan oleh pergerakan muatan
negatif, bukan pergerakan muatan positif. Arus disimbolkan dengan huruf I
atau i, sehingga
5
dtdqi [1]
Satuan arus adalah ampere (A), yang diambil dari fisikawan Perancis, A.M.
Ampere.
Dengan menggunakan persamaan [1] di atas, kita dapat menghitung
arus sesaat dan memperoleh grafik pada Gambar 1.3. Kembali lagi
penggunaan huruf kecil i disini berasosiasi dengan nilai sesaat , sementara
huruf besar I menunjukkan suatu nilai arus yang konstan (yaitu bersifat
invarian terhadap waktu).
Gambar 1.3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
t(s)
i(t) (A)
Arus sesaat i = dq/dt , dengan q sudah diberikan oleh Gambar 1.2 sebelumnya.
Muatan yang dipindahkan atau ditransfer diantara selang waktu t0 dan t dapat
dinyatakan sebagai sebuah integral berhingga,
)(
)(
'
0 0
tq
tq
t
t
idtdq
Muatan yang dipindah untuk selang waktu dapat diperoleh dengan
menambahkan q(t0), yaitu muatan yang dipindahkan hingga waktu t0 ke dalam
persamaan sebelumnya. Jadi,
)()( 0'
0
tqidttqt
t [2]
Beberapa jenis atau tipe arus yang beraneka ragam diilustrasikan oleh
Gambar 1.4. Arus yang bernilai konstan terhadap waktu dikenal dengan istilah
arus searah, atau singkatnya arus dc, dan ditunjukkan oleh Gambar 1.4a. Kita
6
akan menemukan banyak contoh praktis dari arus-arus yang berubah secara
sinusoidal terhadap waktu (Gambar 1.4b). Arus yang memiliki bentuk seperti
ini dapat kita jumpai pada rumah tangga biasa, dan disebut dengan arus bolak-
balik, atau singkatnya arus ac. Arus-arus eksponensial dan arus sinusoidal
teredam (Gambar 1.4c dan Gambar 1.4d) juga akan sering kita jumpai dalam