Listrik Arus Searah

Konduktor (misalkan logam) memiliki sifat mudah melepaskan
elektron untuk bergerak dari satu atom ke atom lain apabila ada medan
listrik E. Konduktor yang baik sekaligus menjadi penghantar panas
yang baik pula. Sebaliknya, bahan isolator tidak mudah melepaskan
elektronnya, sehingga bukan merupakan penghantar yang baik. Namun,
isolator padat dapat berubah menjadi konduktor apabila dipanasi karena
sifat cairnya yang menghasilkan ion bebas sehingga dapat
menghantarkan muatan listrik.
Semikonduktor merupakan suatu bahan yang dicirikan oleh
kemampuannya untuk menghantarkan arus listrik yang kecil. Resistansi
(R) merupakan ukuran daya hambat (perlawanan) bahan terhadap aliran
arus listrik, (diukur dalam satuan Ohm). Resistansi menghambat
aliran muatan listrik. Aliran muatan listrik dalam bahan menghasilkan
tumbukan yang ditandai berupa kenaikan temperatur bahan. Hal ini
mirip dengan timbulnya panas akibat gesekan antar benda.
Dengan kata lain, konduktor memiliki resistansi rendah, namun
isolator memiliki resistansi yang tinggi. Resistansi dapat dinyatakan
dengan rumusan ARUS01,
yang berarti bahwa resistansi suatu kawat Hambatan bergantung pada panjang kawat, yaitu makin panjang kawat makin besar pula resistansinya. Hambatan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat Hambatan berbanding lurus dengan jenis bahan. Misal kawat tembaga memiliki resistansi yang rendah. Dalam rumusan di atas dinyatakan dengan besaran (rho) yaitu resistivitas. Arus listrik searah (direct current, DC) adalah aliran arus listrik yang konstan dari potensial tinggi ke potensial rendah. Sebagai contoh batere Accu yang biasa dipasang pada mobil atau motor
merupakan sumber arus searah yang digunakan sebagai penggerak motor atau sebagai pemanas. Untuk kepentingan tertentu diperlukan tegangan yang lebih besar sehingga diperlukan modifikasi yaitu dengan menambahkan kapasitor sebagai penyimpan muatan sementara dari batere. Pada saat sakelar ditutup muatan batere mengalir untuk mengisi
muatan pada kapasitor seperti pada Gambar
ARUS02

Arus Searah
Pengertian arus adalah jumlah muatan yang mengalir per satuan waktu.Secara umum, arus rerata (I) adalah perbandingan antara jumlah muatan Q yang mengalir terhadap jumlah waktu t.
atau di tulis :
ARUS03
Hal ini berarti bahwa arus sesaat merupakan tinjauan dalam yaitu sejumlah kecil muatan Q yang mengalir secara tegak lurus terhadap penampang kawat yang luasnya A dalam waktu t yang sangat singkat.Karena besar dan arah arus sesaat tersebut tidak berubah terhadap waktu, maka untuk selanjutnya istilah arus sesaat dinyatakan dengan arus searah (biasa disebut arus DC), yang disimbolkan dengan I ditulis dengan huruf besar. Satuan arus listrik adalah coulomb/sekon atau Ampere. Arah arus adalah sama dengan arah gerak muatan positif yaitu kebalikan arah
gerak muatan negatif. Perhatikan Gambar 14.2 (a) yang menyatakan kondisi muatan dalam bahan tanpa pengaruh batere luar, sehingga tidak ada muatan di dalam konduktor, semua terdistribusi di bagian luar permukaan bahan.Gerakan muatan listrik di dalam bahan adalah gerakan akibat temperatur bahan (efek termal), namun secara rerata posisi partikel pembawa muatan tidak berubah. Kecepatan gerak elektron pada bahan dengan temperatur sekitar 300K adalah 105 m/s. Berikutnya tinjau kondisi lain, yaitu pada bahan dikenakan batere luar seperti Gambar 14.2 (b) ternyata muatan akan terkena gaya dorong akibat medan listrik dari batere. Pada prinsipnya, batere luar akan memberikan medan listrik di dalam bahan. Apabila medan listrik tersebut mengenai muatan maka akan memberikan gaya pada muatan tersebut sehingga mengakibatkan muatan positif bergerak searah dengan arah medan listrik, sebaliknya muatan negatif akan bergerak berlawanan dengan arah medan listrik. Gabungan antara gaya dorong dari batere dan kemampuan gerak akibat temperatur bahan menghasilkan kecepatan derip vd yaitu kecepatan rerata muatan bergerak di dalam bahan. Arah arus listrik diperjanjikan mengikuti arah gerakan muatan positif, atau kebalikan dari arah gerak muatan negatif.
arus04
Gambar 14.2 (a) Kondisi muatan dalam bahan tanpa pengaruh batere luar.
(b) Kondisi muatan dalam bahan dengan diberikan pengaruh batere luar.
Untuk memahami arus listrik dengan mudah, gunakan n untuk menyatakan jumlah partikel pembawa muatan per satuan volume, q untuk muatan tiap partikel, v menyatakan kecepatan derip muatan, A adalah luas penampang lintang kawat yang dilalui muatan.
arus05
Gambar 14.3 (a) Gerak muatan di dalam bahan luas penampang lintang A, kecepatan derip vd (b) Arah gerak muatan di dalam bahan secara acak dikenai medan listrik E. Gambar 14.3 (a) menunjukkan gerak muatan di dalam bahan dengan luas penampang lintang A dengan kecepatan derip (laju aliran) vd yang merupakan resultan kecepatan gerak muatan sehingga dalam waktu t mampu menempuh jarak L = t vd. Sedangkan Gambar 14.3 (b) memperlihatkan arah gerak muatan di dalam bahan secara acak dan dipengaruhi medan listrik E. Bagi elektron yang bermuatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah medan listriknya. Tinjaulah perpindahan partikel pembawa muatan dalam waktu t. Bila dalam waktu t terdapat n partikel per satuan volume dan tiap partikel bermuatan q maka jumlah muatan per satuan volume yang berpindah dalam waktu t adalah nq. Karena selama t muatan menempuh jarak vt dengan luas penampang lintang A, maka jumlah muatan yang berpindah dalam waktu t adalah nq(Avt). Volume kawat yang memberikan andil muatan yang bergerak dalam waktu t adalah Avt. Jadi jumlah muatan yang berpindah posisi per satuan waktu t adalah nqvA. Jadi besar arus listrik pada kawat dengan luas penampang lintang A dapat dinyatakan dengan nqvA.Satuan arus listrik adalah
arus06
Besaran rapat arus J yang didefinisikan sebagai arus per satuan luas. Untuk adalah vektor normal bidang luasan dA
arus07
Gambar 14.4 (a) Arah gerak muatan positif (b) Arah gerak muatan
negatif. [Diambil dari Gaziantep University Faculty of Engineering Department of
Engineering Physics]
Dari berbagai eksperimen dapat ditunjukkan bahwa resistivitas suatu bahan pada mumnya bergantung pada temperatur, seperti ditunjukkan pada Gambar 14.5 yang menyatakan hubungan antara resistansi dengan temperatur.
arus08
Gambar 14.5 Hubungan antara resistansi dengan temperatur.
(a) Pada Logam. (b) Pada Semikonduktor dan (c) Pada Superkonduktor.
Contoh Soal
1. Suatu kawat aluminum memiliki luas penampang lintang 4×106 m2 mengalirkan arus sebesar 5 A. Tentukan kecepatan derip (laju aliran) elektron dalam kawat. Rapat massa aluminum adalah 2,7 g/cm3. Anggap setiap atom aluminum menyumbang satu elektron bebas
2. Tentukan kecepatan derip elektron pada kawat tembaga berdiameter 4 mm yang dialiri arus listrik 1 A. Bila jumlah elektron pada kawat tembaga per m3 adalah 8,5 x 1028 elektron/m3.
Tabel 14.1 Nilai resistivitas untuk kelompok bahan yang bersifat sebagai isolator, semikonduktor dan konduktor
arus09
Simbol simbol yang akan digunakan dalam pembahasan selanjutnya adalah seperti ditunjukkan pada Gambar
arus10
Gambar Simbol yang digunakan dalam rangkaian arus listrik

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *