Arus Listrik dalam Rangkaian Tertutup

Arus Listrik dalam Rangkaian Tertutup- Listrik sangat berguna bagi kehidupan manusia. Bayangkanlah bagaimana jadinya jika tidak ada listrik. Dunia akan gelap pada malam hari, tidak ada komunikasi, tidak ada penerangan, tidak bisa melihat televisi, dan tidak tahu dunia luar. Coba kalian perhatikan gambar gardu listrik di atas. Kabel-kabel besar menghubungkan satu tempat dengan tempat lain dengan tegangan tinggi. Bagaimana seorang tukang listrik merangkai kabel itu agar tidak membahayakan? Dan bagaimana listrik dapat sampai ke rumah ? Untuk mengetahuinya ikuti uraian berikut.

Di SMP, Anda pernah mempelajari konsep muatan listrik. Masih ingatkah mengapa sebuah benda dapat bermuatan listrik? Dalam tinjauan mikroskopik, sebuah benda dikatakan bermuatan listrik jika benda tersebut kelebihan atau kekurangan elektron. Oleh karena elektron bermuatan negatif, benda yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif, sedangkan benda yang kekurangan elektron akan bermuatan positif.

Gambar 8.1 Aliran muatan positif dari bola A (potensial tinggi) ke bola B (potensial rendah).

Gambar 8.1 memperlihatkan dua buah bola bermuatan listrik. Bola A memiliki jumlah muatan positif lebih banyak daripada bola B. Ketika bola A dan bola B dihubungkan dengan sebuah paku (konduktor), sebagian muatan positif dari bola A akan mengalir melalui paku menuju bola B sehingga dicapai keadaan setimbang, yakni muatan listrik bola A dan B menjadi sama. Bola A dikatakan memiliki potensial listrik lebih tinggi daripada bola B. Perbedaan potensial listrik inilah yang mendorong muatan positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Aliran muatan listrik positif ini disebut arus listrik. Arus listrik mengalir secara spontan dari potensial tinggi ke potensial rendah melalui konduktor, tetapi tidak dalam arah sebaliknya. Aliran muatan ini dapat dianalogikan dengan aliran air dari tempat (potensial gravitasi) tinggi ke tempat (potensial gravitasi) rendah. Bagaimanakah agar air mengalir terus-menerus dan membentuk siklus, sementara air tidak dapat mengalir secara spontan dari tempat rendah ke tempat tinggi? Satu-satunya cara adalah menggunakan pompa untuk menyedot dan mengalirkan air dari tempat rendah ke tempat tinggi. Demikian pula dengan arus listrik. Arus listrik dapat mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi menggunakan sumber energi, misalnya pompa pada air. Sumber energi ini, di antaranya adalah baterai.

Sejauh ini Anda telah mempelajari bahwa arus listrik adalah aliran muatan positif. Pada kenyataannya, pada konduktor padat, aliran muatan yang terjadi adalah aliran elektron (muatan negatif), sementara muatan positif (inti atom) tidak bergerak. Aliran elektron ini berlawanan dengan aliran muatan positif, yakni dari potensial rendah ke potensial tinggi. Oleh karena arus listrik telah didefinisikan sebagai aliran muatan positif, arah arus listrik pada konduktor padat adalah kebalikan dari aliran elektron, seperti diilustrasikan pada Gambar 8.3.

Gambar 8.3 Arah arus listrik pada konduktor padat berlawanan dengan arah aliran elektron.

Arus listrik adalah laju aliran muatan listrik yang melalui suatu luasan penampang lintang. Beda potensial listrik adalah dorongan yang menyebabkan elektron-elektron mengalir dari suatu tempat ke tempat yang lain.

Alat ukur listrik

Alat ukur kuat arus listrik yang cukup peka adalah basicmeter (meter dasar) batas maksimim basismeter atar 0,1 mA. Basicmeter ini dilengkapi dengan penghambat yang disebut shunt, yang dapat dipasang dan dilepas dari meter dasar. Ada shunt untuk arus 50mA, 100mA, 1 A, dan 5 A. Pada umumnya alat untuk mengukur kuat arus listrik dinamakan amperemeter.

Meterdasar juga dapat digunakan sebagai voltmeter, yaitu alat untuk mengukur tegangan listrik. Agar dapat digunakan sebagai voltmeter, meter dasar ini dilengkapi dengan susunan penghambat yang disebut multiplier untuk 1 V, 5 V, 10 V dan 50 V. Alat yang dapat dipakai untuk mengukur kuat arus, tegangan dan hambatan listrik disebut avometer atau multimeter.

Kuat Arus Listrik

Ketika sebuah bola lampu dihubungkan pada terminal-terminal baterai dengan menggunakan konduktor (kabel), muatan listrik akan mengalir melalui kabel dan lampu sehingga lampu akan menyala. Banyaknya muatan yang mengalir melalui penampang konduktor tiap satuan waktu disebut kuat arus listrik atau disebut dengan arus listrik. Secara matematis, kuat arus listrik ditulis sebagai

I =Q/t ……….. (8–1)

dengan: I = kuat arus listrik (ampere; A),

Q = muatan listrik (coulomb; C), dan

t = waktu (sekon; s).

Satu coulomb adalah muatan listrik yang melalui titik apa saja dalam rangkaian listrik ketika arus tetap satu ampere mengalir selama satu detik. Satuan kuat arus listrik dinyatakan dalam ampere, disingkat A. Satu ampere didefinisikan sebagai muatan listrik sebesar satu coulomb yang melewati penampang konduktor dalam satu sekon (1 A = 1 C/s).

Oleh karena yang mengalir pada konduktor padat adalah elektron, banyaknya muatan yang mengalir pada konduktor besarnya sama dengan kelipatan besar muatan sebuah elektron, qe = e = 1,6 × 10–19 C. Jika pada konduktor tersebut mengalir n buah elektron, total muatan yang mengalir adalah

Q = ne

Bila suatu penghantar yang memiliki luas penampang A dan dialiri arus listrik I maka dapat dikatakan bahwa penghantar tersebut dialiri arus listrik dengan rapat arus sebesar:

J = I /A

Rapat arus (J) adalah besar kuat arus listrik per satuan luas penampang. Satuan rapat arus dalam sistem SI adalah ampere/m² atau Am^-2.

Contoh soal

Muatan listrik sebesar 20 C mengalir pada penampang konduktor selama 5 sekon.

a. Berapakah kuat arus listrik yang melalui konduktor tersebut?

b. Berapakah jumlah elektron yang mengalir pada penampang konduktor tiap sekon, jika diketahui e = 1,6 × 10–19 C?

Jawab

Diketahui: Q = 20 C, t = 5 sekon, dan e = 1,6 × 10–19 C. Maka

a. kuat arus yang mengalir,

I =Q/t = 20 C/5 s =4 A=

b. jumlah elektron yang mengalir pada penampang konduktor tiap sekon,

I = Q/e= It/e =  (4 A)(1 s)/ 1,6 x 10^-19 C = 2,5 10^-19 A