Arus dan Tegangan Listrik¶

Saat mulai menjelajahi dunia kelistrikan dan elektronik, sangatlah penting untuk memahami dasar-dasar tegangan dan arus. Ini adalah pondasi dasar yang diperlukan untuk memanipulasi dan memanfaatkan listrik. Pada awalnya, konsep-konsep ini mungkin sulit dipahami karena kita tidak dapat "melihatnya". Seseorang tidak dapat melihat dengan mata telanjang energi yang mengalir melalui kabel atau tegangan baterai yang diletakkan di atas meja. Bahkan kilat di langit, meski terlihat, sebenarnya bukanlah pertukaran energi yang terjadi dari awan ke bumi, tetapi reaksi di udara terhadap energi yang melewatinya. Untuk mendeteksi transfer energi ini, kita harus menggunakan alat ukur seperti multimeter, penganalisis spektrum, dan osiloskop untuk memvisualisasikan apa yang terjadi dengan muatan dalam suatu sistem. Sebelum melanjutkan materi, ada baiknya kita sudah memiliki dasar pemahaman tentang Listrik.

Muatan Listrik¶

Listrik adalah pergerakan elektron. Elektron menciptakan muatan, yang dapat kita manfaatkan untuk melakukan pekerjaan. Menyalakan bola lampu, menyalakan pemutar musik stereo, menyalakan telepon, dan lain sebagainya, semuanya memanfaatkan pergerakan elektron untuk melakukan pekerjaan tersebut. Semuanya beroperasi menggunakan sumber daya dasar yang sama yaitu pergerakan elektron.

Tiga prinsip dasar untuk tutorial ini dapat dijelaskan menggunakan elektron, atau lebih khusus lagi, muatan yang mereka buat:

• Tegangan adalah perbedaan potensial muatan antara dua titik di dalam suatu medan listrik.
• Arus adalah laju aliran muatan listrik yang melewati suatu titik dalam suatu rangkaian.
• Hambatan adalah kecenderungan material untuk menahan aliran muatan (arus).

Jadi ketika kita berbicara tentang nilai-nilai ini, kita benar-benar menggambarkan pergerakan muatan, dan dengan demikian kita sedang mempelajari tingkah laku elektron. Sirkuit adalah pengulangan tertutup yang memungkinkan muatan berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya. Komponen di sirkuit memungkinkan kita untuk mengontrol muatan ini dan menggunakannya untuk melakukan suatu pekerjaan.

Namun dalam artikel ini penulis akan mengabaikan dulu pembahasan tentang hambatan listrik.

Tabel Perbandingan Arus dan Tegangan¶

Tegangan Listrik¶

Definisi tegangan adalah jumlah energi potensial antara dua titik pada suatu rangkaian. Satu titik memiliki muatan lebih dari titik lainnya. Perbedaan muatan antara dua titik ini disebut tegangan. Ini diukur dalam volt, yang secara teknis adalah perbedaan energi potensial antara dua titik yang akan memberikan satu joule energi per coulomb muatan yang melewatinya (jangan panik jika ini tidak masuk akal, lanjutkan pembahasan). Satuan "volt" diambil dari nama fisikawan Italia bernama Alessandro Volta yang menemukan apa yang dianggap sebagai baterai kimia pertama. Tegangan direpresentasikan dalam persamaan dan skema dengan simbol huruf "V".

Saat menjelaskan tegangan dan arus, analogi yang umum dan sering digunakan adalah tangki air. Dalam analogi ini, muatan diwakili oleh jumlah air, tegangan diwakili oleh tekanan air, dan arus diwakili oleh aliran air. Jadi untuk analogi ini, ingat:

• Air = Muatan
• Tekanan = Tegangan
• Aliran = Arus

Pertimbangkan tangki air pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah. Di bagian bawah tangki ini terdapat selang.

Tekanan di ujung selang dapat mewakili tegangan. Air di tangki mewakili muatan. Semakin banyak air di dalam tangki, semakin tinggi muatan, semakin banyak tekanan yang diukur di ujung selang.

Anggaplah tangki ini sebagai baterai, tempat menyimpan sejumlah energi dan kemudian melepaskannya. Jika tangki dikuras dalam jumlah tertentu, tekanan yang dibuat di ujung selang akan turun. Kita dapat menganggap ini sebagai penurunan tegangan, seperti ketika senter menjadi redup saat baterai habis. Ada juga penurunan jumlah air yang akan mengalir melalui selang. Lebih sedikit tekanan berarti lebih sedikit air yang mengalir, yang membawa kita ke arus.

Arus Listrik¶

Anggaplah jumlah air yang mengalir melalui selang dari tangki sebagai arus. Semakin tinggi tekanannya, semakin tinggi alirannya, begitu pula sebaliknya. Dengan aliran air ini, akan diukur volume air yang mengalir melalui selang selama periode waktu tertentu. Sedangkan pada listrik, mengukur jumlah muatan yang mengalir melalui sirkuit selama periode waktu tertentu. Arus diukur dalam satuan Ampere (biasanya hanya disebut sebagai "Amp"). Ampere didefinisikan sebagai 6,241 x 10¹⁸ elektron (1 Coulomb) per detik yang melewati suatu titik dalam rangkaian. Ampere direpresentasikan dalam persamaan dan skema dengan simbol huruf "I".

Perhatikan gambar dibawah. Sekarang kita memiliki dua tangki, masing-masing dengan selang yang berada di bawah. Setiap tangki memiliki jumlah air yang sama persis, tetapi selang di satu tangki lebih sempit daripada selang di tangki lainnya.

Jika mengukur jumlah tekanan yang sama di ujung salah satu selang, saat air mulai mengalir, laju aliran air di tangki dengan selang yang lebih sempit akan lebih kecil dari laju aliran air di tangki dengan selang yang lebih lebar. Dalam istilah kelistrikan, arus yang melalui selang yang lebih sempit lebih kecil daripada arus yang melalui selang yang lebih lebar. Jika ingin alirannya sama yang melalui kedua selang, maka harus menambah jumlah air di tangki dengan selang yang lebih sempit.

Ini meningkatkan tekanan (voltase) di ujung selang yang lebih sempit, mendorong lebih banyak air keluar melalui tangki. Hal ini dianalogikan dengan peningkatan tegangan yang menyebabkan peningkatan arus.

Sekarang kita mulai melihat hubungan antara tegangan dan arus. Tetapi ada faktor ketiga yang harus dipertimbangkan di sini yaitu lebar selang atau diameter selang. Dalam analogi ini, lebar selang adalah tahanan (resistansi). Namun dalam artikel ini belum dibahas tentang Resistansi.

Hubungan Antara Tegangan dan Arus¶

Dari pembahasan diatas sebenarnya sudah bisa diambil kesimpulan hubungan antara Arus dan Tegangan, namun mari dipertegas kembali. Arus dan tegangan adalah dua besaran fundamental dalam listrik. Tegangan adalah penyebab dan arus adalah akibatnya.

Tegangan antara dua titik sama dengan beda potensial listrik antara titik-titik tersebut. Ini sebenarnya adalah gaya gerak listrik (GGL), yang bertanggung jawab atas pergerakan elektron (arus listrik) melalui suatu rangkaian. Aliran elektron yang dipaksa bergerak oleh tegangan adalah arus. Tegangan mewakili potensi setiap Coulomb muatan listrik untuk bekerja.

Rangkaian Kelistrikan¶

Perhatikan gambar dibawah ini tentang rangkaian kelistrikan dengan sumber tegangan (misalnya baterai) dan resistor.

Sumber tegangan memiliki dua titik yang memiliki perbedaan potensial listrik. Ketika ada rangkaian pengulangan tertutup antara dua titik ini, itu disebut rangkaian dan arus dapat mengalir. Dengan tidak adanya rangkaian, arus tidak akan mengalir meskipun ada tegangan.

Simbol dan Satuan¶

Huruf besar I melambangkan arus. Satuan standarnya adalah Ampere (atau Amps), disimbolkan dengan A. Sistem Satuan Internasional untuk arus adalah Coulomb per detik.

1 Coulomb = 1 Ampere x 1 detik (1 A . 1 s)

Satu ampere arus mewakili satu coulomb muatan listrik (membawa muatan 6,241 x 10¹⁸) yang bergerak melewati titik tertentu dalam rangkaian dalam satu detik. Alat yang digunakan untuk mengukur arus disebut Ammeter atau Ampere Meter.

Huruf besar V melambangkan tegangan.

Satu volt akan menggerakkan pembawa muatan sebesar satu coulomb (6,241 x 10¹⁸), yaitu elektron, melalui resistansi satu ohm dalam satu detik. Voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan.

Medan dan Intensitas¶

Arus listrik selalu menghasilkan medan magnet. Semakin kuat arusnya, semakin kuat intensitas medan magnetnya.

Tegangan menghasilkan medan elektrostatis. Saat tegangan meningkat di antara dua titik, medan elektrostatis menjadi lebih kuat. Ketika jarak meningkat antara dua titik yang memiliki tegangan tertentu terhadap satu sama lain, intensitas elektrostatis menurun antar titiknya.

Rangkaian Seri¶

Tegangan akan dijumlahkan untuk komponen yang dihubungkan secara seri. Sedangkan arusnya sama yang mengalir pada semua komponen yang dihubungkan secara seri.

Misalnya jika baterai 2V dan baterai 6V dihubungkan ke resistor dan LED secara seri, arus yang melalui semua komponen akan sama (katakanlah, 15mA) tetapi tegangan akan berbeda (5V melintasi resistor dan 3V melintasi LED). Tegangan ini akan dijumlahkan tegangan baterai: 2V + 6V = 5V + 3V.

Rangkaian Paralel¶

Arus akan dijumlahkan untuk komponen yang terhubung secara paralel. Tegangan listrik akan sama pada semua komponen yang dihubungkan secara paralel.

Misalnya jika baterai yang sama dihubungkan ke resistor dan LED secara paralel, tegangan yang melalui komponen akan sama (8V). Namun, arus 40mA melalui baterai didistribusikan melalui dua jalur di sirkuit dan dipecah menjadi 15mA dan 25mA.

Daftar Pustaka¶

• Voltage, Current, Resistance, and Ohm's Law
• Voltage
• Electric Current
• Current vs Voltage
• Electric Circuits - Lesson 2 - Electric Current
• Voltage
• Voltage and Current
• Sistem Satuan Internasional