Ada dua jenis muatan listrik yaitu muatan positif dan negatif. Dengan menggosokkan sisir dengan kain maka muatan negatif dihasilkan pada sisir dan muatan positif pada kain.
Teori Atom
Bagian yang sangat kecil dari suatu benda (baik padat, cair maupun gas) dan masih memiliki sifat benda tersebut disebut molekul. Tiap molekul terdiri dari beberapa atom sejenis yang disebut unsur dan bila atomnya berbeda disebut senyawa. Sebuah atom terdiri dari :
- Inti yang disebut nukleus. Inti atom mempunyai dua jenis partikel yaitu proton yang bermuatan listrik positif dan netron yang tidak bermuatan listrik. Masa proton hampir sama dengan massa netron.
- Di sekitar inti atom terdapat partikel yang selalui bergerak mengilingi inti atom dengan lintasan berbentuk elips uyang disebut elektron. Elektron bermuatan listrik negatif. Masa elektron dapat diabaikan karena massanya mendekati 1/1840 massa proton.
Beberapa hal penting yang perlu diketahui tentang struktur atom:
- Massa proton adalah 1,66 x 10-27 kg dan massa elektron 9,1 x 10-31 kg dan muatan elektron 1,602 x 10-19coulomb.
- Elektron bergerak pada lintasan tertentu, membentuk kulit atom K, L, M, N dan seterusnya yang diberi nomor n = 1,2,3,4 dan seterusnya. Jumlah elektron maksimal untuk tiap lintasan dinyatakan dalam 2n2.
- Gaya sentripetal menyebabkan elektron tetap bergerak pada lintasannya. Elektron pada kulit terluar yang disebut elektron valensi mendapat gaya yang paling lemah. Pada logam, elektron valensi ini bebas bergerak dan membentuk lautan elektron. Elektron yang bergerak bebas inilah yang bersifat menghantarkan arus listrik.
Gambar 1 di bawah ini menggambarkan model atom hidrogen, helium, litium dan berilium.
Kepadatan Arus
Jumlah muatan yang bergerak melalui penampang suatu penghantar untuk setiap satuan waktu merupakan arus listrik, jika muatan dinyatakan q, arus listrik a dan waktu t maka:
Menurut konvensi, arus listrik mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah atau arah mengalirnya muatan positif.
Pada penghantar logam arus listrik merupakan gerakan-gerakan elektron bebas. Muatan positif dalam penghantar logam tiidak dapat bergerak,.dengan demikian arah gerakan elektron berlawanan dengan
arah arus listrik.
Misalkan suatu penghantar yang panjangnya L dan luas penghantar A terdapat N elektron yang terdistribusi secara merata seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Penghantar untuk Menentukan Kepadatan Arus
Jika medan listrik E menyebabkan elektron bergerak sepanjang L dalam waktu T detik maka kecepatan elektron adalah L/T. arus listrik I berdasarkan definisi merupakan jumlah muatan listrik yang melalui penampang A setiap satuan waktu.
Hukum Ohm dan Hukum Kirchoff
Hukum Ohm
Apabila sebuah penghantar R dihubungkan dengan sumber tegangan maka arus listrik akan mengalir dari kutub positif ke kutub negatif melewati hambatan R.
Besarnya arus listrik yang mengalir tergantung dari besarnya tegangan V dan hambatan R yang terpasang.
Hubungan antara arus dan tegangan pada sebuah hambatan,dinyatakan oleh hukum ohm yang berbunyi “tegangan pada sebuah hambatan sama dengan besarnya arus yang mengalir pada hambatan tersebut dikalikan dengan besarnya harga hambatan tersebut.” Dirumuskan sebagai berikut :
V = I.R atau I = V/R
V = tegangan (volt)
I = arus yang mengalir (ampere)
R = hambatan (ohm)
Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu.
Hambatan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik (misalnya resistor) dengan arus listrik yang melewatinya.
Tegangan listrik (kadang disebut sebagai Voltase) adalah perbedaan potensi listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dinyatakan dalam satuan volt.
Hukum ohm berlaku untuk rangkaian listrik searah (DC) maupun rangkaian listrik arus boak-balik (AC).
Daya dan Energi
Berdasarkan hukum Ohm
Sedangkan daya listrik yang diserap oleh resistor
Energi yang diserap resistor selama t adalah :
Jika t dalam satuan detik, I dalam ampere dan R dalam ohm, maka
Jika semua energi listrik berubah menjadi panas, maka
1 joule = 0,24 kalori
Hukum Kirchoff
Untuk memecahkan persoalan-persoalan rangkaian yang rumit; yaitu rangkaian yang terdiri dari beberapa buah sumber tegangan atau sumber arus serta beberapa buah hambatan/beban maka
dipergunakan hukum-hukum rangkaian, diantaranya hukum Kirchoff.
Hukum Kirchoff I
Hukum Kirchoff I berbunyi “jumlah aljabar dari arus yang menuju/ masuk dengan arus yang meninggalkan/keluar pada satu titik sambungan/cabang sama dengan nol “ Hal ini dapat digambarkan melalui Gambar 6 berikut ini. Hukum tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut :
i = 0
i1 + i2 + i3 - i4 - i5 = 0
dimana:
Untuk memecahkan persoalan-persoalan rangkaian yang rumit; yaitu rangkaian yang terdiri dari beberapa buah sumber tegangan atau sumber arus serta beberapa buah hambatan/beban maka
dipergunakan hukum-hukum rangkaian, diantaranya hukum Kirchoff.
Hukum Kirchoff I
Hukum Kirchoff I berbunyi “jumlah aljabar dari arus yang menuju/ masuk dengan arus yang meninggalkan/keluar pada satu titik sambungan/cabang sama dengan nol “ Hal ini dapat digambarkan melalui Gambar 6 berikut ini. Hukum tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut :
i = 0
i1 + i2 + i3 - i4 - i5 = 0
dimana:
- Arus yang masuk (i1, i2, i3) diberi tanda positif.
- Arus yang keluar (i4 dan i5) diberi tanda negatif
Gambar . Menjelaskan Hukum Kirchoff I
Hukum Kirchoff II
Hukum Kirchoff II ini berbunyi “di dalam satu rangkaian listrik tertutup jumlah aljabar antara sumber tegangan dengan kerugian-kerugian tegangan selalu sama dengan nol.”
Dirumuskan : V + IR = 0
Yang dimaksud dengan kerugian tegangan yaitu besarnya tegangan dari hasil kali antara besarnya arus dengan hambatan yang dilalui.
Apabila tegangan V diberi tanda positif, maka besarnya tegangan IR harus diberi tanda negatif. Sehingga : + V – IR = 0
Gambar . Penjelasan Hukum Kirchoff II
Harus dipahami bahwa penggunaan hukum Kirchoff ini berlaku pada rangkaian tertutup. Jika rangkaian listrik terdiri dari beberapa rangkaian tertutup, maka dalam analisanya dibuat persamaan menurut rangkaian tertutup satu per satu. Untuk pemahaman diberikan ilustrasi dengan Gambar berikut ini .
Gambar . Rangkaian Listrik dengan Beberapa Rangkaian Tertutup.
Analisis menurut Hukum Kirchoff I, rangkaian ini mempunyai dua titik pertemuan yaitu titik C dan F, maka pada titik ini berlaku
- Dalam menentukan arah arus pada tiap cabang bebas tetapi harus diingat bahwa arah arus pada tiap-tiap percabangan harus ada yang masuk dan keluar.
- Tentukan arah tiap kelompok secara bebas (pada contoh di atas ada tiga). Sebaiknya semuanya searah (seperti contoh di atas). Arah arus dari kelompok lingkaran digunakan sebagai dasar untuk menberikan tanda positif atau negatif pada sumber tegangan (V) maupun rugi tegangan (IR) dalam persamaan nantinya.
- Setelah ditentukan arah arus kelompok, maka dibuat persamaan terhadap tiap kelompok, arah arus listrik tiap cabang yang searah dengan arah arus yang menuju kutub sumber tegangan, maka harga sumber tegangan tersebut positip. (lihat contoh untuk lingkaran I).
- Bahwa arus listrik yang mengalir dalam satu cabang besarnya sama (pada contoh: arus yang mengalir pada R3 dan R4 adalah sama yaitu I3).
- Apabila nantinya setelah dihitung ternyata harga arus pada cabang tertentu berharga negatif, ini menunjukkan bahwa arah arus yang ditentukan semula adalah salah, oleh karenanya perlu dibalik.
