Rangkaian Listrik

Rangkaian listrik adalah hubungan beberapa alat listrik yang membentuk suatu sistem kelistrikan. Rangkaian listrik dengan aliran arus listrik merupakan rangkaian listrik tertutup dan rangkaian listrik tanpa aliran listrik merupakan rangkaian listrik terbuka. Berikut gambar yang dimaksud dengan rangkaian listrik terbuka dan rangkaian listrik tertutup.

Rangkaian Listrik Terbuka Dan Tertutup

Pada gambar rangkaian listrik terbuka lampu tidak menyala karena tidak ada aliran muatan listrik pada penghantar sebab saklar dibuka, sering disebut rangkaian terbuka. Sedangkan pada gambar rangkaian listrik tertutup lampu menyala karena ada aliran muatan listrik sebab saklar tertutup, sering disebut rangkaian tertutup. Jadi, arus listrik mengalir hanya pada rangkaian tertutup.

Arus listrik muncul ketika elektron-elektron bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Arah gerakan elektron ini berlawanan dengan arah arus listrik. Jadi, akibat pergerakan elektron-elektron ini, muncul arus listrik yang arahnya dari potensial tinggi ke potensial rendah.

Pada rangkaian tertutup, sumber tegangan dapat menimbulkan beda potensial dalam rangkaian. Dengan adanya perbedaan potensial ini elektron-elektron terdorong untuk bergerak dari potensial rendah (kutub -) ke potensial tinggi (kutub +). Kondisi ini akan menimbulkan arus listrik dalam rangkaian yang arahnya dari potensial tinggi (kutub +) ke potensial rendah (-).

Kuat Arus Pada Rangkaian Listrik

Besar atau kecilnya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar tiap sekon disebut kuat arus listrik. Kuat arus listrik dapat diukur dengan menggunakan alat yang dinamakan amperemeter. Amperemeter disusun secara berurutan (seri) dalam rangkaian listrik, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Cara mengukur arus listrik dengan ampere meter

Amperemeter yang biasa digunakan di laboratorium sekolah adalah sebagai berikut.

1. Amperemeter yang terdiri atas basikmeter ditambah shunt (ammeter).
2. Avometer singkatan dari ampere, volt, ohmmeter. Bila chanel ditunjukkan pada huruf A, maka yang terukur oleh avometer adalah kuat arus.
3. Untuk amperemeter yang ada di dalam kit listrik, bila plat yang dapat digeser menutupi huruf V, maka huruf A yang terlihat berfungsi sebagai ammeter.

Cara membaca skala pada amperemeter adalah sebagai berikut. Setelah amperemeter terpasang pada rangkaian dan saklar ditutup, maka arus listrik mengalir dan jarum amperemeter menunjuk angka tertentu sesuai dengan besar arus yang terukur. Misalnya amperemeter akan digunakan untuk mengukur kuat arus maksimum satu ampere, maka masing-masing ujung kabel dimasukkan ke angka nol dan satu.

Bila jarum menunjukkan angka tertentu, misalnya angka 40 skala bawah atau 20 skala atas, maka besar arus listrik adalah :

dan untuk skala atas kuat arus besarnya :

Pada rangkaian percobaan pertama lampu pijar menyala dan jarum amperemeter menyimpang. Hal itu menunjukkan bahwa arus mengalir melalui lampu pijar. Kuat arus yang melalui lampu pijar diukur dengan amperemeter, dan satuan kuat arus adalah ampere. Apakah yang dimaksud 1 ampere itu? 1 ampere adalah besar muatan listrik 1 Coulumb yang mengalir melalui penghantar setiap 1 sekon. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Dimana:

q = muatan listrik (c = Coulomb)
t = waktu (sekon)
I = kuat arus listrik (C/s atau A)

Satuan kuat arus yang lebih kecil yaitu : miliampere dapat ditulis mA, mikroampere dapat ditulis μA.

Hukum Kirchoff Tetang Arus Listrik

Rangkaian bercabang

Dalam rangkaian bercabang, kuat arus yang masuk pada titik percabangan sama besar dengan kuat arus yang keluar dari titik percabangan. Jika kuat arus yang masuk ke titik percabangan adalah I, dan arus yang keluar dari titik percabangan adalah I1, I2, I3, dan I4 maka berlaku hubungan:

I = I1+ I2+ I3+ I4

Persamaan ini dikenal sebagai hukum Kirchoff. Secara fisis dapat diartikan kuat arus yang masuk pada titik percabangan sama besarnya dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan.

Tegangan Pada Rangkaian Listrik

Tegangan listrik sering diistilahkan dengan beda potensial diberi lambang V singkatan dari Voltase yang artinya tegangan.

Arus listrik mengalir dari titik A melalui lampu ke B karena ada beda potensial. Supaya arus listrik terus-menerus mengalir, maka muatan yang sampai di B harus dikembalikan di A dengan menggunakan sumber tegangan. Sedangkan untuk mengembalikan muatan listrik dari B ke A, sumber tegangan memerlukan energi. Jadi, beda potensial adalah banyaknya energi yang berfungsi untuk mengalirkan setiap Coulumb muatan dari satu titik ke titik yang lain.

Apabila energi W, muatan listrik q, maka beda potensial V dapat dirumuskan :

Dimana:

W = energi, satuan Joule
q = muatan, satuan Coulumb
V = Beda Potensial, satuan Volt

Dua titik dikatakan mempunyai beda potensial 1 Volt, apabila sumber tegangan itu mengeluarkan energi sebesar satu Joule untuk memindahkan muatan listrik sebesar satu Coulumb dari satu titik ke titik yang lain.

Cara Mengukur Beda Tegangan Listrik (Beda Potensial)

Bagaimana cara mengukur beda potensial? Ikutilah pembahasan berikut ini! Untuk mengukur beda potensial berbagai sumber listrik, misalnya baterai atau mengukur tegangan antara ujung-ujung suatu alat listrik, misalnya lampu digunakan alat ukut yang disebut Voltmeter. Voltmeter harus dipasang paralel dengan sumber listrik atau peralatan listrik yang akan diukur tegangannya. Jika kita hendak mengukur tegangan lampu pijar, digunakan dua utas kabel untuk menghubungkan paralel kedua ujung lampu pijar (titik A dan B) dengan kedua terminal Voltmeter, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Untuk mengukur tegangan sumber listrik arus searah misalnya baterai atau aki, ujung yang potensialnya lebih tinggi harus dihubungkan ke terminal positif Voltmeter dan potensial yang lebih rendah dihubungkan ke terminal negatif Voltmeter.

Baterai yang dihubungkan ke Voltmeter menghasilkan tegangan tertentu yang disebut tegangan sumber. Setelah dihubungkan dengan lampu maka tegangannya menjadi lebih kecil, tegangan dalam rangkaian tersebut dikatakan tegangan jepit. Apabila beberapa buah baterai dirangkai berurutan (secara seri) besar tegangannya adalah jumlah dari masing-masing tegangan baterai. Misalnya, sebuah baterai mempunyai tegangan 1,5 Volt, maka 3 buah baterai yang dirangkaikan secara seri, tegangan sumbernya menjadi 4,5 Volt. Bila ketiga baterai dirangkai sejajar (paralel), tegangan sumbernya tetap 1,5 Volt tapi waktu pemakainnya tiga kali lebih lama.

Secara matematis ditulis sebagai berikut:

E_tot = n.E ( untuk rangkain seri)

E_tot = E ( untuk rangkain paralel)

Dimana:
n = jumlah baterai

Hubungan Antara Kuat Arus dan Tegangan Listrik

Hubungan antara kuat arus dengan tegangan listrik merupakan karakteristik penting yang berkaitan dengan berbagai peralatan listrik. Bagaimanakah bentuk hubungan arus listrik dengan tegangan atau beda potensial?

Orang yang pertama kali menyatakan hubungan kuat arus dengan beda potensial adalah George Simon Ohm. Pernyataannya dikenal dengan hukum Ohm yang berbunyi: “Hasil bagi beda potensial dengan kuat arus adalah tetap”.

Hubungan antara kuat arus (I) dan tegangan (V) merupakan hubungan yang linear, artinya makin besar tegangan makin besar pula kuat arus, makin kecil tegangan makin kecil pula kuat arus. Hubungan tegangan dengan kuat arus dapat ditulis sebagai berikut:

V ~ I (V sebanding I)

Secara umum dapat ditulis :

V = I . C

C adalah konstanta pembanding yang nilainya selalu tetap untuk berbagai V dan I. Konstanta inilah yang disebut hambatan sehingga perumusannya menjadi sebagai berikut:

V = I x R

Jadi, hambatan listrik adalah hasil bagi tegangan (beda potensial antara ujungujung penghantar) dengan kuat arus yang melalui penghantar tersebut. Jika ditulis dalam bentuk persamaan adalah sebagai berikut:

R=V/I

Dimana:

R = hambatan, satuannya Ohm
V = tegangan, satuannya Volt
I = kuat arus, satuannya ampere

R adalah faktor pembanding yang nilainya tetap, inilah yang disebut hambatan atau resistansi.

Penerapan Hukum Ohm dalam Kehidupan Sehari-hari

Alat listrik (misalnya lampu pijar, seterika listrik) memiliki bagian yang mengalirkan arus listrik yang disebut elemen pemanas. Pada bola lampu pijar, elemen pemanasnya adalah filamen listrik yang terbuat dari tungsten. Filamen listrik ini memiliki hambatan konstan R. Jika bola lampu pijar diberi tegangan V, sesuai dengan hukum ohm, kuat arus listrik yang mengalir melalui filamen adalah :

I =V/R

Tegangan yang diberikan pada suatu alat listrik harus disesuaikan dengan tegangan yang seharusnya diperuntukkan bagi alat itu. Sebagai contoh, jika lampu pijar diberi tegangan yang melebihi tegangan yang seharusnya, elemen pemanas pada lampu pijar akan dilalui oleh arus lebih (arus yang melebihi arus yang seharusnya), akan mengakibatkan elemen pemanas rusak.

Jika tegangan yang diberikan pada alat listrik lebih kecil daripada tegangan yang seharusnya, maka arus yang mengalir menjadi kurang. Kondisi ini dapat terjadi pada penggunaan kompor listrik dengan tegangan lebih rendah, maka arus yang mengalir juga kurang. Dengan aliran arus yang kurang ini proses pemanasan elemennya menjadi lambat. Contoh lain yang sering dijumpai adalah redupnya lampu pijar ketika mengalami penurunan tegangan.

Hambatan Listrik (Resistor)

Komponen listrik yang khusus dibuat untuk menghasilkan hambatan listrik pada suatu rangkaian disebut penghambat atau resistor. Jika penghambat dihubungkan pada suatu rangkaian listrik, penghambat mengurangi kuat arus listrik yang mengalir melalui rangkaian listrik tersebut. Dalam rangkaian-rangkaian yang rumit seperti dalam radio dan televisi, penghambat digunakan untuk menjaga kuat arus dan beda potensial pada nilai yang tertentu besarnya agar komponen-komponen listrik lainnya dalam rangkaian dapat berfungsi secara baik.

Sebuah penghambat sederhana biasanya dibuat dari kawat nikhrom yang tipis. Beberapa penghambat yang dijual di pasaran ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Pada gambar itu tampak penghambat variabel tipe berputar yang digunakan sebagai pengatur volume suara radio. Penghambat variabel yaitu suatu penghambat yang nilai hambatan listriknya dapat diubah-ubah.

Tipe lain dari penghambat variabel ditunjukkan pada gambar berikut.

Penghambat variabel ini dikenal sebagai rheostat, dan digunakan untuk mengubah kuat arus listrik yang mengalir melalui rangkaian listrik. Dengan menggeser posisi kontak luncur, panjang kumparan kawat yang dihubungkan pada rangkaian listrik berubah, dan ini mengubah nilai hambatan listrik kumparan kawat.

Akibatnya, kuat arus listrik yang mengalir dari kutub ke kutub berubah. Pada gambar diatas ditunjukkan penghambat variabel yang memiliki tiga kutub yang memungkinkan untuk digunakan sebagai pembagi tegangan atau potensiometer. Potensiometer yang dihubungkan dengan baterai dapat memberikan nilai tegangan listrik mulai dari nol samai dengan tegangan baterai.

Mengukur Hambatan Listrik

Untuk mengukur hambatan listrik dapat digunakan Ohmmeter. Dengan Ohmmeter besarnya hambatan dapat langsung dibaca pada skala. Salah satu ciri Ohmmeter adalah adanya tanda Ω pada skala alat itu. Biasanya Ohmmeter dipasang bersama-sama dengan Voltmeter dan Amperemeter dalam suatu perangkat alat yang disebut multimeter atau AVO meter (Ampermeter, Voltmeter, dan Ohmmeter). Dengan multimeter ini besaran pada rangkaian listrik dapat diukur semua.