Arus dan Tegangan - Bagian 1

| | Tidak ada komentar
Konsep dasar arus dan tegangan merupakan suatu hal yang harus dipahami sebaik-baiknya jika kita ingin mempelajari ilmu elektronika dengan baik. Agar lebih mudah dalam memahami konsep dasar dari arus dan tegangan, sebaiknya terlebih dahulu kita memahami tentang atom dan strukturnya.

Atom dan Struktur Atom

Atom yang paling sederhana adalah atom hidrogen, dimana hanya terdiri dari dua buah partikel dasar, yaitu proton dan elektron, pada posisi relatif ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Atom hidrogen
Atom hidrogen

Nucleus (inti) dari atom hidrogen adalah proton (partikel yang bermuatan positif). Elektron yang mengorbit membawa muatan negatif dengan besar yang sama dengan muatan positif dari proton. Pada unsur lainnya, inti atom juga mengandung neutron, dimana massanya sedikit lebih berat dari proton dan neutron tidak bermuatan listrik. Atom helium misalnya, atom ini selain memiliki dua buah elektron dan dua buah proton juga memiliki dua buah neutron, seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Semua atom netral memiliki jumlah elektron dan proton yang sama.

Atom helium
Atom helium

Massa elektron adalah 9,1095×10-28 gram, massa proton adalah 1,672×10-24 gram, sedangkan massa neutron adalah 1,675×10-24 gram. Jari-jari proton, neutron, dan elektron adalah sebesar 2×10-15 meter. Pada atom hidrogen, jari-jari orbit terkecil yang dilalui oleh elektron besarnya sekitar 5×10-11 meter. Besar jari-jari orbit ini sama dengan ± 25.000 kali lipat dari jari-jari elektron, proton, atau neutron.

Setiap atom memiliki jumlah elektron yang berbeda dalam kulit konsentris disekitar intinya. Kulit pertama (yang paling dekat dengan inti atom) hanya dapat berisi dua buah elektron saja. Jika suatu atom memiliki tiga buah elektron, maka elektron yang ketiga harus berada pada kulit berikutnya. Pada kulit kedua, maksimal dapat diisi oleh delapan buah elektron, kulit ketiga sebanyak 18, dan keempat sebanyak 32. Hal ini ditentukan oleh persamaan 2n2, dimana n adalah jumlah kulit atom. Kulit atom ini biasanya dilambangkan dengan angka (n = 1, 2, 3, ...) atau huruf (n = k, l, m, ...).

Setiap kulit atom diurai menjadi beberapa sub-kulit, dimana sub-kulit pertama hanya dapat berisi maksimal dua elektron, sub-kulit kedua sebanyak 6 elektron, sub-kulit ketiga sebanyak 10 elektron, dan sub-kulit keempat sebanyak 14 elektron, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Sub-kulit atom biasanya dilambangkan dengan huruf s, p, d, dan f.

Kulit dan sub-kulit dari struktur atom
Kulit dan sub-kulit dari struktur atom

Telah dijelaskan pada sebuah percobaan, dimana hubungan antara gaya yang timbul antara dua titik muatan yang terpisah jarak tertentu dengan nilai muatan dan jarak pisah antara keduanya dapat ditentukan menggunakan hukum coulumb:

Rumus hukum coulomb

Dimana F adalah gaya dalam satuan newton, k adalah sebuah konstanta 9×109 [N.m2/C2], Q1 dan Q2 merupakan muatan dalam satuan coulomb, dan r adalah jarak (dalam meter) antara dua buah muatan.

Ilustrasi hukum Coulomb
Ilustrasi hukum Coulomb
Hukum ini menyatakan apabila terdapat dua buah titik muatan, maka akan timbul gaya di antara keduanya yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar keduanya. Interaksi antara benda-benda bermuatan (tidak hanya titik muatan) terjadi melalui gaya tak-kontak yang bekerja melampaui jarak separasi. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa arah gaya pada masing-masing muatan terletak selalu sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik muatan saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak, tergantung nilai dari masing-masing muatan. Muatan sejenis (bertanda sama) akan saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis akan saling tarik-menarik.

Di dalam atom, sesama elektron akan saling tolak-menolak, sedangkan proton dan elektron akan saling tarik-menarik. Karena inti atom bermuatan positif (proton), maka kekuatan tarikan terkuat terdapat pada elektron yang berada pada orbit terdekat dari inti atom (perhatikan efek dari besar muatan Q dan jarak r yang kecil di persamaan hukum coulomb). Semakin meningkat jarak antara elektron yang mengorbit dengan inti atom, maka akan semakin berkurang pula kekuatan pengikatanya hingga mencapai tingkat terendah dari sub-kulit terluar (r terbesar). Karena kekuatan pengikatan disubkulit terluar merupakan yang terlemah, maka energi yang dibutuhkan untuk melepas elektron di sub-kulit terluar lebih sedikit dibandingkan dengan melepas elektron di sub-kulit terdalam.

Struktur atom tembaga
Struktur atom tembaga

Tembaga merupakan logam yang paling banyak digunakan pada industri listrik/elektronika. Mengamati struktur dari atom tembaga akan membantu kita untuk mengidentifikasi mengapa atom jenis ini banyak digunakan. Atom tembaga memiliki kelebihan satu elektron. Selain itu juga sub-kulit terluar atom ini tidak lengkap, dimana hanya memiliki satu elektron, dan jarak antara elektron terluar dengan inti atomnya mengungkapkan bahwa elektron ke-29 tidak terikat kuat pada atom tersebut. Jika elektron ke-29 ini memiliki energi yang cukup dari lingkungan sekitarnya untuk meninggalkan atom induknya, maka elektron tersebut biasa disebut sebagai elektron bebas. Dalam satu inci kubik tembaga pada suhu kamar, ada sekitar 1,4×1024 elektron bebas. Logam lainnya juga memiliki sifat yang mirip dengan tembaga, namun dengan tingkatan yang berbeda. Logam-logam tersebut adalah perak, emas, aluminium, dan tungsten.

Arus Listrik

Gerak acak elektron dalam kawat tembaga
Gerak acak elektron dalam kawat tembaga
Perhatikan kawat tembaga yang dipotong menggunakan bidang imaginer tegak lurus (imaginary plane), menghasilkan suatu penampang lingkaran yg ditunjukkan pada gambar disamping. Pada suhu kamar tanpa adanya suatu gaya dari luar, didalam kawat tembaga terdapat elektron bebas yang bergerak secara acak. Hal ini ditimbulkan oleh energi panas yang didapatkan elektron dari lingkungan sekitarnya. Ketika atom kehilangan elektron bebasnya, atom tersebut akan menerima sebuah muatan positif yang disebut sebagai ion positif. Elektron bebas dapat bergerak dalam ion-ion positif dan dapat meninggalkan atom induknya, sedangkan ion positif hanya dapat berosilasi didalam posisi tetapnya (inti atom). Oleh karena itu, elektron bebas merupakan pembawa muatan didalam kawat tembaga atau pada konduktor padat lainnya.

Gerak acak elektron bebas pada sebuah struktur atom
Gerak acak elektron bebas pada sebuah struktur atom

Gambar diatas menunjukkan serangkaian ion positif dan elektron bebas pada sebuah struktur atom. Dalam susunan ini, elektron bebas akan terus memperoleh atau kehilangan energi berdasarkan perubahan arah gerak dan kecepatan mereka. Beberapa faktor yang menjadi penyebab gerak acak ini, antara lain:
  1. Tumbukan dengan ion positif dan elektron lainnya.
  2. Kekuatan tarik-menarik terhadap ion positif.
  3. Kekuatan tolak-menolak antara elektron lainnya.
    Gerak acak elektron bebas ini terjadi sedemikian rupa sehingga dalam periode waktu tertentu, elektron yang bergerak ke kanan melintasi penampang melingkar memiliki jumlah yang sama persis dengan jumlah elektron yang melintasi ke arah kiri penampang tersebut. Tanpa pengaruh gaya dari luar, aliran muatan pada suatu konduktor adalah sebesar nol.

    Sekarang mari kita hubungkan kawat tembaga pada dua terminal baterai dan sebuah bola lampu (seperti pada gambar dibawah) untuk menciptakan rangkaian listrik sederhana. Baterai, dengan menggunakan energi kimianya, menempatkan muatan positif disatu terminal dan muatan negatif diterminal lainnya. Sesaat setelah rangkaian selesai dihubungkan, elektron bebas (muatan negatif) akan mengalir menuju terminal positif baterai, sedangkan ion positif akan tertinggal dikawat tembaga dan hanya berosilasi dalam inti atomnya. Terminal negatif baterai merupakan sebuah "penyedia" elektron, dimana elektron ini yang dapat ditarik oleh atom kawat tembaga ketika elektron dalam kawat tembaga mengalir menuju terminal positif baterai.

    Rangkaian listrik sederhana
    Rangkaian listrik sederhana

    Aktivitas kimia baterai akan menyerap elektron dari terminal positifnya dan akan tetap berusaha mempetahankan pasokan elektron pada terminal negatifnya. Aliran muatan (elektron) yang melalui bola lampu akan memanaskan filamen bola lampu melalui gesekan, hal ini akan membuat cahaya merah panas dan memancarkan cahaya yang diinginkan.

    Jika elektron sebesar 6,242×1018 mengalir dengan kecepatan seragam melalui penampang imajiner melingkar dalam waktu 1 detik, maka aliran muatan (atau arus) tersebut dapat dikatakan memiliki nilai sebesar 1 ampere (A). Arus yang hanya melibatkan beberapa elektron per-detik akan menjadi tidak berarti. Untuk menentukan nilai-nilai numerik yang memungkinkan kita untuk melakukan perbandingan langsung antar tingkat satuan, satu coulomb (C) muatan telah didefinisikan sebagai muatan total yang besarnya adalah 6,242×1018 elektron. Dengan demikian, besar muatan per-elektron dapat ditentukan menggunakan persamaan:

    Rumus muatan per-elektron

    Sekarang kita dapat menghitung besarnya arus dalam satuan ampere dengan menggunakan persamaan:

    Rumus arus dalam ampere

    Huruf kapital I untuk lambang arus diambil dari sebuah kata bahasa Perancis yaitu intensité. Singkatan SI untuk setiap kuantitas pada persamaan diatas ditunjukkan disebelah kanan persamaan tersebut. Dari persamaan diatas, dapat diungkapkan bahwa untuk interval waktu yang sama, jika semakin besar muatan yang mengalir melalui sebuah kawan, maka arus yang mengalir juga akan semakin besar.

    Pada gambar rangkaian listri sederhana diatas memperlihatkan bahwa ada dua buah arah aliran muatan yang terindikasi. Salah satunya disebut sebagai aliran konvensional dan yang lainnya disebut sebagai aliran elektron. Dalam artikel ini sepakat untuk menggunakan aliran konvensional untuk berbagai alasan, termasuk fakta bahwa arah aliran tersebut adalah yang paling banyak digunakan di lembaga pendidikan dan industri, hal itu juga digunakan dalam desain dari semua simbol perangkat elektronik, dan juga merupakan pilihan populer untuk semua paket perangkat lunak komputer. Kontroversi aliran ini diakibatkan dari asumsi yang dibuat pada saat listrik pertama kali ditemukan, bahwa muatan positif adalah partikel yang bergerak dalam konduktor logam. Yakinlah bahwa pilihan aliran konvensional tidak akan menimbulkan kesulitan dan kebingungan dalam mengikuti setiap penjelasan di artikel-artikel lainnya. Setelah arah I ditetapkan, maka analisis dapat dilanjutkan tanpa mengalami kebingungan.

    Pertimbangan Keselamatan

    Penting untuk menyadari bahwa bahkan arus di level kecilpun jika melalui tubuh manusia dapat berakibat serius (berakibat berbahaya). Hasil penelitian mengungkapkan bahwa tubuh manusia akan mulai bereaksi terhadap arus hanya ditingkat miliampere. Meskipun kebanyakan orang dapat menahan arus sampai 10mA untuk jangka waktu yang sangat singkat tanpa efek samping serius, namun setiap arus yang lebih dari 10mA harus dianggap berbahaya. Bahkan arus yang mencapai 50mA dapat menyebabkan shock berat dan untuk arus yang lebih dari 100mA bisa berakibat fatal. Dalam kebanyakan kasus, pada tegangan yang biasa ditemukan dirumah, kulit tubuh saat dalam kondisi kering memiliki resistansi yang tinggi sehingga dapat membatasi arus yang melalui tubuh manusia ketingkat yang relatif aman. Namun perlu diperhatikan (pada tingkat tegangan yang sama), ketika kulit dalam keadaan basah karena keringat, mandi, dll, atau ketika penghalang kulit rusak akibat cidera, maka resistansi kulit akan menurun secara drastis dan dengan demikian arus yang mengalir melalui tubuh dapat mencapai ketingkat yang berbahaya. Oleh karena itu, perlakukan listrik dengan sebaik-baiknya dan jangan pula jadi takut, kita hanya perlu berhati-hati.

    Tidak ada komentar

    Posting Komentar