Listrik Bisa Bergerak? Yuk, Kenali Konsep Listrik Dinamis di Sekitar Kita!
Sahabat Pintar, pernahkah kalian sadari bagaimana semua komponen listrik di rumah kita menyala? Kalian juga tahu bahwa listrik statis tidak mungkin membuat komponen listrik di rumah kita menyala dikarenakan muatan listriknya hanya bergerak dalam waktu yang singkat, sedangkan listrik di rumah kita itu muatannya harus terus bergerak dengan waktu yang lama.
Lantas dengan listrik apa komponen di rumah kita menyala? Jawabannya tentu saja dengan listrik dinamis. Kenapa listrik dinamis? Jawabannya akan dijelaskan pada materi kita kali ini yaitu tentang listrik dinamis.
Kita akan mempelajari apa itu listrik dinamis, bagaimana rumusan yang digunakan terkait dengan listrik dinamis, serta contoh soal terkait dengan listrik dinamis.
Pengertian Listrik Dinamis
Seperti yang kita tahu bahwa selain listrik yang muatannya diam, ada juga listrik yang muatannya bergerak yang dinamakan listrik dinamis. Secara definisi listrik dinamis adalah kondisi dimana muatan listrik yang berupa elektron-elektron bergerak melalui perantara konduktor selama selang waktu tertentu.
Muatan yang bergerak dalam selang waktu tertentu ini biasa kita sebut sebagai arus listrik. Arus listrik yang kita tahu dalam suatu rangkaian sebenarnya adalah kumpulan dari muatan listrik yang bergerak dari potensial tinggi menuju potensial rendah.
Secara umum arus listrik pada suatu kawat didefinsikan sebagai total muatan listrik yang melewati sekitar penampang kawat pada sembarang titik per satuan waktu. Secara matematis kuat arus listrik dirumuskan sebagai berikut :
Dimana ΔQ adalah total jumlah muatan listrik yang melewati suatu bahan konduktor di sembarang titik dalam selang waktu Δt.
Kuat arus listrik diukur dalam satuan coulomb per detik, atau biasa kita sebut sebagai ampere (dengan satuan SI nya adalah A), dikemukakan oleh fisikawan Perancis yaitu André Ampère (1775–1836) sehingga definisinya menjadi :
Pada aplikasi untuk suatu rangkaian listrik sederhana, ukuran 1 A itu termasuk ukuran yang sangat besar dalam menghitung kuat arus listrik. Satuan dari kuat arus yang lebih kecil umumnya adalah 1 miliampere (1 mA = 10⁻³ A) dan 1 microampere (1 µA = 10⁻⁶ A).
Arus Konvensional dan Aliran Elektron
Perlu sahabat pintar ketahui bahwa pada suatu baterai dalam rangkaian listrik, yang mengalir pada kawat bukan hanya kuat arus saja, namun ada lagi yang mengalir yaitu kita sebut sebagai aliran elektron.
Ketika muatan positif dan muatan negatif ditemukan pada sekitar 2 abad yang lalu, para ilmuwan sudah membuat ketetapan terkait arah arus listrik ketika berhubungan dengan analisa rangkaian listrik.
Perhatikan gambar aliran di atas, pada dasarnya muatan positif yang mengalir dari kutub positif memiliki jumlah yang sama dengan muatan negatif dari kutub negatif yang mengalir dengan arah yang berlawanan dari arah muatan positif. Sampai sekarang ketika kita dihadapkan dengan penentuan arah arus listrik pada suatu rangkaian listrik, kita lebih sering menggunakan arah muatan positif sebagai acuan.
Jadi, ketika kita berbicara tentang arah arus listrik pada rangkaian listrik, kita berbicara tentang arus konvensional. Namun ketika kita berbicara tentang arah elektron mengalir, maka kita menyebut itu sebagai arus elektron.
Resistansi dan Hukum Ohm
Untuk memperoleh arus listrik dalam suatu rangkaian listrik, dibutuhkan beda potensial atau beda tegangan V. Salah satu cara untuk mendapatkan beda potensial dalam suatu kawat adalah dengan menghubungkan kawat tersebut ke dua terminal (positif dan negatif) pada baterai.
Eksperimen pertama dilakukan oleh Georg Simon Ohm (1787–1854) dengan membuktikan bahwa kuat arus pada suatu kawat logam berbanding lurus dengan beda potensial V yang ada pada kedua titik :
Seperti contoh, ketika kita menghubungkan kawat dengan baterai 6 V, kuat arus yang mengalir akan lebih banyak 2 kali lipat dibandingkan dengan menghubungkan kawat dengan baterai 3 V.
Perlu diketahui juga bahwa membalikkan tanda baterai (negatif ke positif) tidak mengubah besar kuat arus yang dihasilkan, namun akan mengubah arah arus nya saja sehingga arus menjadi negatif.
Rasio dari beda potensial pada suatu titik dengan kuat arusnya dapat kita sebut sebagai resistansi :
Dengan V adalah beda potensial (V) dan I adalah kuat arus yang mengalir pada titik tertentu. Satuan SI dari resistansi adalah volt per ampere, atau bisa disebut juga ohm (Ω) :
Untuk beberapa kasus terkait bahan, resistansi suatu bahan tidak bergantung pada beda potensial maupun kuat arusnya. Bahan yang seperti ini kita sebut sebagai bahan ohmic, dimana bahan ohmic ini mempunyai resistansi yang selalu konstan.
Pada kasus ini, beda potensial yang melewati bahan ohmic akan berbanding lurus dengan arus yang melewati bahan ohmic tersebut, bisa ditulis dengan :
Hubungan antara V, I, dan R ini biasa kita sebut sebagai Hukum Ohm.
Pada gambar grafik di atas menunjukkan grafik hubungan beda potensial V dengan kuat arus I untuk 2 konduktor yang berbeda. Untuk konduktor pada gambar (a), hubungannya adalah linear, namun untuk konduktor pada gambar (b), hubungannya tidak linear.
Hal ini membuktikan bahwa Hukum Ohm bukanlah hukum alam yang mendasar. Namun Hukum Ohm adalah adalah deskripsi empiris suatu bahan dalam kondisi tertentu. Seperti yang kita tahu resistansi pada bahan konduktor akan bervariasi tergantung pada suhu yang diberikan.
Untuk resistansi R dari suatu kawat konduktor diketahu berbanding lurus dengan panjang kawat L dan berbanding terbalik dengan luas penampang kawat A, sehingga dirumuskan :
Dimana ρ adalah konstanta perbandingan yang disebut sebagai resistivitas dan konstantanya bergantung dari bahan yang digunakan. Satuan dari resistivitas adalah Ω.m. Berikut contoh tabel yang meliputi bahan dengan resistivitas yang berbeda-beda.
Daya Listrik
Jika ada suatu muatan bergerak pada suatu kawat, maka akan terjadi perubahan energi listrik selama selang waktu tertentu. Kejadian inilah yang kita sebut sebagai daya listrik.
Untuk mencari daya listrik pada suatu perangkat elektronik, pertama kita sebut energi yang dihasilkan ketika muatan Q bergerak melewati beda potensial V adalah W = QV. Sehingga daya listrik P, yang mana adalah perubahan energi terhadap waktu, dirumuskan :
Jumlah muatan dalam satuan waktu seperti yang kita ketahui adalah I, sehingga dapat diubah menjadi :
Dengan satuan SI untuk daya listrik adalah watt (1 W = 1 J/s).
Daya listrik pada suatu resistansi R dapat ditulis dalam dua bentuk dengan mensubstitusi Hukum Ohm (V = I R) :
BELAJAR BARENG, YUK!
Contoh Soal
Seekor burung sedang bertengger pada kabel transmisi listrik yang memiliki kuat arus 4100 A. Kabel tersebut memiliki resistansi 2,5 x 10–5 Ω tiap meternya, dan jarak antara kedua kaki burung adalah 4 cm. Tentukan beda potensial antara kedua kaki burung tersebut !
Penyelesaian
Diketahui
Pertama kita harus mencari resistansi kaki burung dengan kabel transmisinya :
Lalu kita dapat mencari beda potensial V pada kedua kaki burung tersebut :
Referensi :
- Giancoli, Douglas C. 1985. Physics: Principles with Applications. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall.
- Tipler, Paul Allen, Gene P. Mosca, Paul Allen Tipler, Paul Allen Tipler, and Paul Allen Tipler. 2003. Physics for scientists and engineers. New York: W.H. Freeman.
