Materi Pelajaran
Listrik Arus Searah
Arus Searah
Arus searah atau Direct Current (DC) adalah arus listrik yang searah, sehingga aliran muatan selalu searah. Berbeda dengan arus bolak-balik, arah dan arus listrik arus tidak berubah. Ini digunakan di banyak elektronik rumah tangga dan di semua perangkat yang menggunakan baterai.
Properti
Arus searah didefinisikan oleh aliran konstan elektron (lihat gambar 1) dari area dengan kerapatan elektron tinggi ke daerah dengan kerapatan elektron rendah. Dalam sirkuit yang melibatkan baterai, ini diilustrasikan oleh aliran muatan konstan dari kutub negatif baterai kekutub positif baterai. Jauh lebih mahal dan sulit untuk mengubah tegangan arus searah dibandingkan dengan arus bolak-balik, menjadikannya pilihan yang buruk untuk transmisi listrik tegangan tinggi. Namun, untuk jarak yang sangat jauh, transmisi HVDC (Hight Voltage Direct Current) bisa lebih efisien daripada arus bolak-balik
Penggunaan
Arus searah digunakan dalam perangkat elektronik apa pun dengan baterai sebagai sumber listrik. Ini juga digunakan untuk mengisi baterai, sehingga perangkat yang dapat diisi ulang seperti laptop dan ponsel dilengkapi dengan adaptor AC yang mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah .
Simulasi PhET
University of Colorado dengan murah hati mengizinkan kami untuk menggunakan simulasi PhET berikut. Simulasi ini dapat digunakan untuk mengeksplorasi bagaimana arus searah dan arus bolak-balik bekerja (https://phet.colorado.edu/in/simulation/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab )
Rangkaian Listrik
Rangkaian listrik adalah sambungan komponen yang dapat menghantarkan arus listrik. Rangkaian listrik sederhana memiliki konduktor (biasanya kabel), komponen yang memasok daya (seperti baterai atau steker dinding) dan komponen yang menyerap daya yang disebut beban. Bola lampu akan menjadi contoh beban dan harus selalu ada jalur balik sehingga elektron memiliki cara untuk kembali ke sumber daya dari beban. Setiap sirkuit dirancang untuk memberikan daya ke satu atau lebih beban. Misalnya, dalam kotak boom(boombox), daya mengalir ke speaker. Demikian pula, daya dalam lampu pergi ke bola lampu. Sirkuit ini memungkinkan muatan keluar dari satu sisi catu daya dan kembali ke sisi lain catu daya.
Sirkuit dapat berbentuk seri, paralel atau kombinasi keduanya disebut sebagai rangkaian paralel-seri.
Pada Gambar , sirkuit ditutup (muatan dapat keluar dari suplai, melewati bola lampu dan kembali ke suplai) dan bola lampu bertindak sebagai beban. Perhatikan bahwa pembacaan voltmeter menampilkan 0 V karena ada penurunan tegangan 0 pada sakelar listrik.
Rangkaian Terbuka
Rangkaian terbuka (seperti pada Gambar ) memiliki jeda fisik di jalur konduksi di mana arus turun ke 0 dan resistansi menjadi tak terbatas (terlalu tinggi untuk diukur oleh ohmmeter). Namun tegangan dapat diukur karena voltmeter terhubung melintasi terminal terbuka. Perhatikan bahwa rangkaian terbuka bukan sirkuit yang sebenarnya karena muatan dari satu sisi catu daya tidak dapat pergi dan kembali ke sisi lain catu daya.
Pada Gambar , saklar diangkat sehingga membuka sirkuit yang berarti arus tidak memiliki jalur lengkap dan bola lampu tidak berfungsi. Voltmeter masih dapat dihubungkan dan menampilkan pembacaan 18 volt karena keberadaan dua baterai 9 V secara seri.
Tidak masalah di mana putusnya sirkuit listrik, gangguan pada jalur apa pun akan menghentikan arus listrik bergerak di jalurnya. Ini adalah dasar dari sakelar listrik yang dibahas di atas.
Rangkaian Seri
Banyak komponen listrik dalam rangkaian listrik memiliki dua ujung (ujung). Sebagai hasilnya, mereka dapat dihubungkan dengan salah satu dari dua cara; secara seri (satu kabel listrik menyentuh yang lain), atau secara paralel (keduanya kabel menyentuh).
Rangkaian seri menyediakan tepat satu jalur antara dua titik untuk arus listrik. Sirkuit ini memiliki keunggulan membuat setiap komponen sangat bergantung pada komponen lainnya. Ini berarti bahwa jika satu komponen dihapus, semua komponen mati. Meskipun ini umumnya merupakan ide yang buruk (itu akan menjengkelkan untuk mematikan bola lampu hanya karena TV dimatikan), ada beberapa aplikasi di mana ini bekerja lebih baik. Lampu Natal gaya lama seperti ini, itulah sebabnya jika satu bola lampu terbakar, semua mati.
Sakelar listrik secara seri dengan perangkat listrik yang berbeda (dalam hal perpanjangan kabel, satu sakelar dapat secara seri dengan sejumlah peralatan listrik secara paralel) di sekitar rumah. Sakelar lampu secara seri dengan lampu listrik akan mematikan lampu saat dibuka. Ini akan terjadi begitu cepat sehingga manusia bahkan tidak dapat mendeteksi jeda waktu antara membalik saklar dan lampu mati.
Perangkat keselamatan seperti pemutus sirkuit dan sekering secara seri dengan outlet listrik di rumah. Semua arus yang akan mengalir melalui perangkat listrik harus terlebih dahulu mengalir melalui pemutus sirkuit (atau sekering). Jika terlalu banyak arus akan mengalir (berpotensi menyebabkan kebakaran), pemutus sirkuit putus terlebih dahulu (atau sekering putus). Karena setiap rangkaian paralel, bahkan jika satu sirkuit kelebihan beban (menjatuhkan pemutus sirkuit atau meniup sekering), itu tidak akan memiliki efek pada sirkuit lainnya. Demikian juga, berbagai rumah di lingkungan itu paralel. Makan malam memasak tetangga tidak berpengaruh pada seseorang menyetrika di rumah yang berbeda di sirkuit yang berbeda.
Berbagai bagian dari jaringan listrik cenderung berseri. Trafo ini seri dengan jaringan distribusi dan sistem transmisi. Ini berarti bahwa jika ada bagian dari jaringan listrik yang gagal, orang akan mengalami pemadaman. Ini telah menyebabkan sebagian besar utilitas listrik (orang-orang menyediakan listrik kepada konsumen) menyediakan jalur cadangan paralel untuk listrik untuk sampai ke konsumen.
Besarnya hambatan pengganti rankaian seri hambatan
R = R1 + R2 + R3 +...
Rangkaian Paralel
Rangkaian paralel menyediakan lebih dari satu jalur arus antara dua titik. rangkaian ini memiliki keuntungan membuat setiap komponen secara efektif tidak terlihat oleh komponen lainnya. Ini membuat setiap beban (komponen listrik, seperti pengering rambut) tidak tergantung. Arus listrik yang mengalir melalui masing-masing komponen hanya didasarkan pada ketahanan komponen itu, bukan pada komponen lainnya.
Outlet listrik di sebuah rumah semuanya paralel. Ini berarti bahwa dengan rangkaian listrik ideal, menyalakan televisi biasanya tidak berpengaruh pada lampu listrik di ruangan yang sama. Pengamatan yang cermat dapat mendeteksi lampu yang meredup sesaat ketika komponen tambahan dihidupkan. Lemari es sering menyebabkan lampu dapur agak redup.
Pemutus sirkuit dan sekering memiliki sirkuit paralel yang berbeda. Itu berarti bahwa jika satu sirkuit kelebihan beban (menjatuhkan pemutus sirkuit atau meniup sekering), itu tidak akan berpengaruh pada sirkuit lainnya. Pemutus sirkuit atau sekering itu sendiri secara seri dengan sisa sirkuit sekalipun. Demikian juga, berbagai rumah di lingkungan itu paralel. Makan malam memasak tetangga tidak berpengaruh pada seseorang menyetrika di rumah yang berbeda di sirkuit yang berbeda.
Sirkuit pada Gambar paralel dan bola lampu bertindak sebagai beban. Setiap komponen memiliki arus berbeda yang melewatinya. Tegangan di setiap komponen setara dengan tegangan di semua komponen lainnya. Resistan (hambatan) total dari rangkaian paralel harus kurang dari resistansi individu dari nilai resistansi cabang apa pun di rangkaian, ini bisa dijelaskan oleh hukum Ohm.
Besarnya hambatan pengganti rangkaian paralel
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
Hukum Ohm
Hukum Ohm adalah penulisan matematis yang menggambarkan hubungan antara beda potensial (tegangan), arus listrik, dan hambatan. Agar suatu bahan mematuhi hukum Ohm, hambatan harus tetap konstan - artinya arus listrik dan beda potensial harus sebanding satu sama lain. Walaupun hukum Ohm sebenarnya hanya perkiraan, ia bekerja sangat baik pada rentang volt yang sangat luas. Dengan kata lain, adalah mungkin untuk mengubah resistansi dari sebuah rangkaian, tetapi satu-satunya cara untuk melakukannya adalah dengan memasang / melepas resistor tambahan secara fisik sebelum menggunakan atau menganalisis rangkaian:
I = V/R
I = arus dalam rangkaian (diukur dalam ampere)V = beda potensial (diukur dalam volt)R = hambatan rangkaian (diukur dalam ohm) - yang tetap konstan untuk mematuhi hukum Ohm.
Hukum Kirchhoffs
Hukum Kirchhoffs memungkinkan kita untuk menyelesaikan masalah rangkaian kompleks dengan mendefinisikan seperangkat hukum dan teorema jaringan dasar untuk tegangan dan arus di dalam rangkaian
Namun, kadang-kadang di rangkaian kompleks seperti jembatan atau jaringan T, kita tidak bisa hanya menggunakan Hukum Ohm saja untuk menemukan tegangan atau arus yang beredar di dalam sirkuit. Untuk jenis perhitungan ini kita membutuhkan aturan tertentu yang memungkinkan kita untuk mendapatkan persamaan rangkaian dan untuk ini kita dapat menggunakan Hukum Kirchhoffs.
Pada tahun 1845, seorang fisikawan Jerman, Gustav Kirchhoff mengembangkan sepasang atau serangkaian aturan atau hukum yang berkaitan dengan arus dan energi dalam rangkaian listrik. Kedua aturan ini umumnya dikenal sebagai: Hukum Kirchhoffs dengan salah satu hukum Kirchhoff yang berurusan dengan arus yang mengalir di dalam rangkaian tertutup, Kirchhoffs Current Law, (KCL) sementara hukum lainnya berkaitan dengan sumber tegangan yang ada dalam sirkuit tertutup, Kirchhoffs Voltage Hukum, (KVL).
Hukum Pertama Kirchhoffs - Hukum Arus Listrik, (KCL)
Kirchhoffs Current Law atau KCL, menyatakan bahwa "total arus atau muatan yang memasuki persimpangan atau simpul persis sama dengan muatan yang meninggalkan simpul, karena tidak ada arus yang hilang dalam simpul". Dengan kata lain jumlah aljabar arus listrik yang masuk dan keluar dari sebuah simpul harus sama dengan nol, I(keluar) + I (masuk) = 0. Ide ini oleh Kirchhoff umumnya dikenal sebagai Conservation of Charge .
Istilah Node/simpul dalam rangkaian listrik umumnya mengacu pada koneksi atau persimpangan dua atau lebih jalur yang menghubungkan elemen seperti kabel dan komponen. Juga agar arus mengalir masuk atau keluar dari simpul, jalur rangkaian tertutup harus ada. Kita dapat menggunakan hukum Kirchhoff tentang arus ini ketika menganalisis sirkuit paralel.
Hukum Kedua Kirchhoffs - Hukum Tegangan, (KVL)
Kirchhoffs Voltage Law atau KVL, menyatakan bahwa "dalam semua rangkaian loop tertutup, tegangan total di dalam loop sama dengan jumlah semua penurunan tegangan dalam loop tersebut" yang juga sama dengan nol. Dengan kata lain, jumlah aljabar semua tegangan dalam loop harus sama dengan nol. Gagasan oleh Kirchhoff ini dikenal sebagai Conservation of Energy .
Mulai dari titik mana saja di loop terus ke arah yang sama mencatat arah dari semua penurunan tegangan, baik positif atau negatif, dan kembali ke titik awal yang sama. Penting untuk mempertahankan arah yang sama baik searah jarum jam atau berlawanan jarum jam atau jumlah tegangan akhir tidak akan sama dengan nol. Kita dapat menggunakan hukum tegangan Kirchhoff saat menganalisis rangkaian seri.
Ketika menganalisis rangkaian DC atau rangkaian AC menggunakan Hukum Kirchhoffs sejumlah definisi dan terminologi digunakan untuk menggambarkan bagian-bagian sirkuit yang dianalisis seperti: simpul, jalur, cabang, loop, dan jala-jala. Istilah-istilah ini sering digunakan dalam analisis rangkaian sehingga penting untuk memahaminya.
Istilah Teori Rangkaian DC Umum:
• Rangkaian - rangkaian adalah lintasan konduktor loop tertutup di mana arus listrik mengalir.
• Jalur - satu baris elemen atau sumber yang menghubungkan.
- Simpul - simpul/node adalah persimpangan, koneksi atau terminal dalam suatu rangkaian dimana dua atau lebih elemen rangkaian dihubungkan atau digabung bersama-sama memberikan titik koneksi antara dua atau lebih cabang. Node ditunjukkan oleh sebuah titik.
- Cabang - cabang adalah satu atau sekelompok komponen seperti resistor atau sumber yang terhubung antara dua node.
- Loop - loop adalah jalur tertutup sederhana dalam sirkuit di mana tidak ada elemen atau simpul sirkuit yang ditemui lebih dari sekali.
- Jala - jala adalah satu loop terbuka yang tidak memiliki jalur tertutup. Tidak ada komponen di dalam jaring.
Perhatikan bahwa:
Komponen dikatakan terhubung bersama dalam Seri jika nilai arus yang sama mengalir melalui semua komponen.
Komponen dikatakan dihubungkan bersama secara Paralel jika memiliki tegangan yang sama diterapkan pada mereka.
Penerapan Hukum Kirchhoffs dalam Rangkaian Listrik
Kedua hukum ini memungkinkan Arus dan Tegangan dalam suatu rangkaian listrik dapat ditemukan, yaitu, rangkaian dikatakan “Dianalisa”, dan prosedur dasar untuk menggunakan Hukum Kirchhoff adalah sebagai berikut:
Asumsikan semua voltase dan resistansi diberikan. (Jika tidak memberi label V1, V2, ... R1, R2, dll.)
Labeli setiap cabang dengan arus cabang. (I1, I2, I3 dll.)
Temukan persamaan hukum pertama Kirchhoff untuk setiap simpul.
Temukan persamaan hukum kedua Kirchhoff untuk masing-masing loop.
Gunakan persamaan Linear sebagaimana diperlukan untuk menemukan arus yang tidak diketahui.
Selain menggunakan Hukum Kirchhoffs untuk menghitung berbagai tegangan dan arus yang beredar di dalam rangkaian linear, kami juga dapat menggunakan analisis loop untuk menghitung arus di setiap loop yang membantu mengurangi jumlah matematika yang diperlukan dengan menggunakan hukum Kirchhoff saja.
Contoh soal 1. (rangkaian sederhana)
jawaban
Contoh soal 2 (rangkaian bercabang)
jawaban:
Energi dan Daya Listrik
Tenaga Listrik adalah perkalian dari dua nilai, Tegangan dan Arus dan dengan demikian dapat didefinisikan sebagai tingkat di mana pekerjaan dilakukan dalam mengeluarkan energi. Kami mengatakan sebelumnya bahwa tegangan menyediakan pekerjaan yang diperlukan dalam Joules untuk memindahkan satu Coulomb muatan dari A ke B dan bahwa arus adalah laju pergerakan (atau laju aliran) dari muatan tersebut. Jadi bagaimana kedua definisi ini saling terkait.
Jika tegangan, (V) sama dengan Joule per Coulombs (V = J / C) dan Ampere (I) sama dengan muatan (coulomb) per detik (A = Q / t), maka kita dapat mendefinisikan daya listrik (P) sebagai jumlah dari dua nilai ini. Ini karena daya listrik sama dengan tegangan kali ampere, yaitu: P = V x I.
Jadi kita dapat melihat bahwa daya listrik juga merupakan tingkat di mana pekerjaan dilakukan selama satu detik (Daya=Energi/waktu). Artinya, satu joule energi hilang dalam satu detik. Karena daya listrik diukur dalam Watt (W), maka daya listrik harus juga diukur dalam Joule per Detik. Jadi kita dapat mengatakan bahwa: 1 watt = 1 joule per detik (J / s).