√ Listrik Statis Adalah : Pengertian, Rangkaian, Rumus dan Jenisnya

Pengertian

Listrik statis adalah ketidakseimbangan muatan listrik dalam atau pada permukaan benda. Muatan listrik tetap ada sampai benda kehilangannya dengan cara sebuah arus listrik melepaskan muatan listrik. Listrik statis kontras dengan arus listrik, yang mengalir melalui kabel atau konduktor lainnya dan mentransmisikan listrik.

Listrik sudah ada sejak adanya jagat raya ini, bahkan saat kehidupan di planet ini belum ada. Kilatan petir yang sangat kuat dapat menerangi langit. Petir merupakan fenomena alam yang menunjukkan adanya energi listrik. Gejala listrik telah diselidiki sejak 600 SM oleh Thales, ahli filsafat dari Miletus, Yunani Kuno. Batu ambar yang digosok-gosokkan dengan kain sutra mampu menarik potongan-potongan jerami, sehingga dikatakan bahwa batu ambar bermuatan listrik.

Sejalan dengan berkembangnya kehidupan, listrik menjadi bagian yang sangat penting dalam kehidupan manusia. Hampir seluruh peralatan yang digunakan manusia memanfaatkan bantuan energi listrik. Listrik pada dasarnya dibedakan menjadi dua macam, yaitu listrik statis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan diam) dan listrik dinamis (berkaitan dengan muatan listrik dalam keadaan bergerak). Pada saat sakelar pada suatu rangkaian listrik ditutup, lampu akan menyala, dan sebaliknya saat sakelar dibuka lampu mati. Mengapa demikian?

• Arus Listrik

Arus listrik didefinisikan sebagai aliran muatan listrik melalui sebuah konduktor. Arus ini bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, dari kutub positif ke kutub negatif, dari anoda ke katoda. Arah arus listrik ini ber-lawanan arah dengan arus elektron. Muatan listrik dapat berpindah apabila terjadi beda potensial. Beda potensial dihasilkan oleh sumber listrik, misalnya baterai atau akumulator. Setiap sumber listrik selalu mempunyai dua kutub, yaitu kutub positif (+) dan kutub negatif (–).

Apabila kutub-kutub baterai dihubungkan dengan jalur penghantar yang kontinu, kita dapatkan rangkaian listrik tampak seperti pada Gambar 7.1(a), diagram rangkaiannya tampak seperti pada Gambar 7.1(b). Dalam hal ini, baterai (sumber beda potensial) digambarkan

dengan simbol: .

Garis yang lebih panjang menyatakan kutub positif, sedangkan yang pendek menyatakan kutub negatif. Alat yang diberi daya oleh baterai dapat berupa bola lampu, pemanas, radio, dan sebagainya. Ketika rangkaian ini terbentuk, muatan dapat mengalir melalui kawat pada rangkaian, dari satu kutub baterai ke kutub yang lainnya. Aliran muatan seperti ini disebut arus listrik

Arus listrik yang mengalir pada kawat tersebut didefinisikan sebagai jumlah total muatan yang melewatinya per satuan waktu pada suatu titik. Maka arus listrik I dapat dirumuskan:

Dengan Q adalah jumlah muatan yang melewati konduktor pada suatu titik selama selang waktu t .

Arus listrik diukur dalam coulomb per sekon dan diberi nama khusus yaitu ampere yang diambil dari nama fisikawan Prancis bernama Andre Marie Ampere (1775 – 1836). Satu ampere didefinisikan sebagai satu coulomb per sekon (1 A = 1 C/s). Satuan-satuan terkecil yang sering digunakan adalah miliampere (1 mA = 10^-3 A) atau mikroampere (1μA = 10^-6 A). Alat untuk mengukur kuat arus listrik dinamakan amperemeter (disingkat ammeter).

• Hambatan Listrik dan Beda Potensial

Dalam arus listrik terdapat hambatan listrik yang menentukan besar kecilnya arus listrik. Semakin besar hambatan listrik, semakin kecil kuat arusnya, dan sebaliknya. George Simon Ohm (1787-1854), melalui eksperimennya menyimpulkan bahwa arus I pada kawat penghantar sebanding dengan beda potensial V yang diberikan ke ujung-ujung kawat penghantar tersebut: I ∝ V.

Misalnya, jika kita menghubungkan kawat penghantar ke kutub-kutub baterai 6 V, maka aliran arus akan menjadi dua kali lipat dibandingkan jika dihubungkan ke baterai 3 V.

Besarnya arus yang mengalir pada kawat penghantar tidak hanya bergantung pada tegangan, tetapi juga pada hambatan yang dimiliki kawat terhadap aliran elektron. Kuat arus listrik berbanding terbalik dengan hambatan:

I ∝ _R¹ . Aliran elektron pada kawat penghantar diperlambat karena adanya interaksi dengan atom-atom kawat. Makin besar hambatan ini, makin kecil arus untuk suatu tegangan V. Dengan demikian, arus I yang mengalir berbanding lurus dengan beda potensial antara ujung-ujung peng-hantar dan berbanding terbalik dengan hambatannya. Pernyataan ini dikenal dengan Hukum Ohm, dan dinyatakan dengan persamaan:

• Hambatan Jenis

Kita mungkin menduga bahwa hambatan yang di-miliki kawat yang tebal lebih kecil daripada kawat yang tipis, karena kawat yang lebih tebal memiliki area yang lebih luas untuk aliran elektron. Kita tentunya juga mem-perkirakan bahwa semakin panjang suatu penghantar, maka hambatannya juga semakin besar, karena akan ada lebih banyak penghalang untuk aliran elektron.

Berdasarkan eksperimen, Ohm juga merumuskan bahwa hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang l, berbanding terbalik dengan luas penampang lintang kawat A, dan bergantung kepada jenis bahan tersebut. Secara matematis dituliskan:

• Daya dan Energi Listrik

Energi listrik berguna untuk kita karena dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Pada alat-alat listrik seperti pemanas listrik, kompor listrik, dan pengering rambut, energi listrik diubah menjadi energi panas pada hambatan kawat yang dikenal dengan nama “elemen pemanas”. Kemudian, pada banyak lampu (Gambar 7.4), filamen kawat yang kecil menjadi sedemikian panas sehingga bersinar. Hanya beberapa persen energi listrik yang diubah menjadi cahaya tampak, dan sisanya lebih dari 90% menjadi energi panas.

Energi listrik dapat diubah menjadi energi panas atau cahaya pada alat-alat listrik tersebut, karena arus biasanya agak besar, dan terjadi banyak tumbukan antara elektron dan atom pada kawat. Pada setiap tumbukan, terjadi transfer energi dari elektron ke atom yang ditumbuknya, sehingga energi kinetik atom bertambah dan menyebabkan suhu elemen kawat semakin tinggi.

Daya yang diubah oleh peralatan listrik merupakan energi yang diubah bila muatan Q bergerak melintasi beda potensial sebesar V. Daya listrik merupakan kecepatan perubahan energi tiap satuan waktu, dirumuskan:

Persamaan (7.5) menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan dapat diubah oleh suatu perangkat untuk nilai arus I yang melewatinya dan beda potensial V di antara ujung-ujung penghantar. Satuan daya listrik dalam SI adalah watt (1 W = 1 J/s).

Daya atau laju perubahan energi pada hambatan R dapat dituliskan berdasarkan Hukum Ohm sebagai berikut:

• Arus Bolak-Balik (AC)

Apabila sebuah baterai dihubungkan pada suatu rangkaian, arus mengalir dengan tetap pada satu arah yang disebut arus searah atau DC (direct current). Untuk generator listrik pada pusat pembangkit tenaga listrik meng-hasilkan arus bolak-balik atau AC (alternating current). Arus listrik bolak-balik arahnya selalu berubah secara periodik terhadap waktu. Nilai arus dan tegangan bolak-balik selalu berubah-ubah menurut waktu, dan mempunyai pola grafik simetris berupa fungsi sinusoida (Gambar 7.6). Arus listrik yang dipasok ke rumah-rumah dan kantor-kantor oleh perusahaan listrik sebenarnya adalah arus listrik bolak-balik (AC).

Tegangan yang dihasilkan oleh suatu generator listrik berbentuk sinusoida, sehingga arus yang dihasilkannya juga sinusoida. Tegangan sebagai fungsi waktu dapat dinyatakan:

Potensial listrik V berosilasi antara +V₀ dan –V₀, di mana V₀ disebut sebagai tegangan puncak. Frekuensi f adalah jumlah osilasi lengkap yang terjadi tiap sekon. Pada sebagian besar daerah Amerika Serikat dan Kanada, frekuensi f sebesar 60 Hz, sedangkan di beberapa negara menggunakan frekuensi 50 Hz.

Berdasarkan Hukum Ohm, jika sepanjang tegangan

V ada hambatan R, maka arus I adalah:

• Rangkaian Seri dan Paralel Resistor

Apabila kita menggambarkan diagram untuk rangkaian, kita menyajikan baterai, kapasitor, dan resistor dengan simbol yang digambarkan pada Tabel 7.2. Kawat penghantar yang hambatannya dapat diabaikan dibandingkan hambatan lain pada rangkaian dapat digambarkan sebagai garis lurus

• Rangkaian Seri Resistor

Rangkaian seri juga disebut rangkaian berderet. Bila dua atau lebih resistor dihubungkan dari ujung ke ujung (Gambar 7.8), dikatakan mereka dihubungkan secara seri. Selain resistor, alat-alat yang dirangkai tersebut dapat berupa bohlam, elemen pemanas, atau alat penghambat lainnya. Muatan listrik yang melalui R₁ juga akan melalui R₂ dan R₃. Dengan demikian, arus I yang sama melewati setiap resistor. Jika V menyatakan tegangan pada ketiga

resistor, maka V sama dengan tegangan sumber (baterai). V₁, V₂, dan V₃ adalah beda potensial pada masing-masing resistor R₁, R₂ , dan R₃. Berdasarkan Hukum Ohm,

V₁=I.R₁, V₂=I.R₂, dan V₃=I.R₃. Karena resistor-resistor tersebut dihubungkan secara seri, kekekalan energi

menyatakan bahwa tegangan total V sama dengan jumlah semua tegangan dari masing-masing resistor

• Rangkaian Paralel Resistor

Rangkaian paralel juga disebut rangkaian berjajar. Pada rangkaian paralel resistor, arus dari sumber terbagi menjadi cabang-cabang yang terpisah tampak seperti pada Gambar 7.9. Pemasangan alat-alat listrik pada rumah-rumah dan gedung-gedung dipasang secara paralel.

Jika kita memutuskan hubungan dengan satu alat (misalnya R₁ pada Gambar 7.9), maka arus yang mengalir pada komponen lain yaitu R dan R tidak terputus. Tetapi

pada rangkaian seri, jika salah satu komponen terputus arusnya, maka arus ke komponen yang lain juga berhenti.

Pada rangkaian paralel (Gambar 7.9), arus total yang berasal dari sumber (baterai) terbagi menjadi tiga cabang. Arus yang keluar dimisalkan I₁, I₂, dan I₃ berturut-turut sebagai arus yang melalui resistor R₁, R₂ , d an R₃. Oleh karena muatan kekal, arus yang masuk ke dalam titik cabang harus sama dengan arus yang keluar dari titik cabang, sehingga diperoleh:

Hambatan penganti susunan paralel (R_P) akan menarik arus (I ) dari sumber yang besarnya sama dengan arus total ketiga hambatan paralel tersebut. Arus yang mengalir pada hambatan pengganti harus memenuhi:

• Ggl dan Rangkaian Ggl

Pengertian Ggl

Komponen seperti baterai atau generator listrik yang mengubah energi tertentu menjadi energi listrik disebut sumber gaya gerak listrik atau ggl. Sebenarnya istilah “gaya gerak listrik” tidak tepat karena tidak mewakili “gaya” seperti yang diukur dalam satuan newton. Dengan demikian untuk menghindari kebingungan, kita lebih memilih menggunakan singkatannya ggl. Beda potensial antara kedua kutub sumber, apabila tidak ada arus yang mengalir ke rangkaian luar disebut ggl dari sumber. Simbol ε biasanya digunakan untuk ggl (jangan kacaukan dengan E untuk medan listrik).

Sebuah baterai secara riil dimodelkan sebagai ggl ε yang sempurna dan terangkai seri dengan resistor r yang disebut hambatan dalam baterai, tampak seperti pada Gambar 7.11. Oleh karena r ini berada di dalam baterai, kita tidak akan pernah bisa memisahkannya dari baterai. Kedua titik a dan

• menunjukkan dua kutub baterai, kemudian yang akan kita ukur adalah tegangan di antara kedua kutub tersebut. Ketika tidak ada arus yang ditarik dari baterai, tegangan kutub

sama dengan ggl, yang ditentukan oleh reaksi kimia pada baterai: V_ab= ε . Jika arus I mengalir dari baterai, ada penurunan tegangan di dalam baterai yang nilainya sama dengan I . r.

• Rangkaian Ggl Seri dan Paralel

Rangkaian Ggl Seri

Apabila dua atau lebih sumber ggl (misalnya baterai) disusun seri, ternyata tegangan total merupakan jumlah aljabar dari tegangan masing-masing sumber ggl. Contoh-nya, jika dua buah baterai masing-masing 1,5 V dihubung-kan seri, maka tegangan V_ac adalah 3,0 V. Untuk lebih tepatnya, kita juga harus memperhitungkan hambatan dalam baterai.

Apabila terdapat n buah sumber tegangan (ggl) di-rangkai secara seri, maka sumber tegangan pengganti akan memiliki ggl sebesar:

• Rangkaian Ggl Paralel

Apabila dua atau lebih sumber ggl (misalnya baterai) disusun paralel, ternyata membangkitkan arus yang lebih besar, perhatikan Gambar 7.13.

Apabila terdapat n buah sumber tegangan (ggl) dirangkai secara paralel, maka sumber tegangan pengganti

demikianlah artikel dari dosenmipa.com mengenai Listrik Statis, semoga artikel ini bermanfaat bagi anda semuanya.

• √ Hukum Biot-Savart : Pengertian, Contoh dan Penjelasannya
• √ Rumus Gaya : Berat, Normal, Gesek, Sentripetal
• √ Hukum Ohm : Rumus, Rangkaian, dan Contohnya