< Previous Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi x mempelajari berbagai macam ilmu, tetapi juga dapat digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Buku bahan ajar “Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi” ini digunakan untuk memenuhi kebutuhan minimal pembelajaran pada kelas X, semester ganjil dan genap, mencakup kompetensi dasar 3.1 dan 4.1 sampai dengan 3.9 dan 4.9 yang terbagi menjadi 10 Bab, yaitu (1) Arus Listrik dan Arus Elektron (2) Hukum-hukum Kelistrikan (3) Teori Kemagnetan (4) Resistor, (5) Kapasitor, (6) Induktor, (7) Dioda, (8) Transistor, (9) Silicon Controlled Rectifier (SCR), (10) Diac, Triac dan UJT. Mengkomunikasikan Mengomunikasikan hasil penyelidikan baik lisan maupun tulisan. Hal yang dikomunikasikan termasuk data yang disajikan dalam bentuk tabel, grafik, bagan, dan gambar yang relevan. Membuat inferensi Merumuskan penjelasan berdasarkan pengamatan. Penjelasan ini digunakan untuk menemukan pola-pola atau hubungan-hubungan antara aspek yang diamati, serta membuat prediksi, Pengamatan Melibatkan pancaindra, termasuk melakukan pengukuran dengan alat ukur yang sesuai. Pengamatan dilakukan untuk mendapatkan data dan informasi. Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 1 BAB 1 Arus Listrik Dan Arus Elektron Dalam kehidupan sehari-hari,kita dapat mendengarkan radio, menonton televisi, menggunakan kulkas, dan setrika listrik. Pernahkah Anda mengamati rangkaian listrik pada radio, televisi, kulkas, atau setrika ? Pernahkah Anda berpikir mengapa radio, televisi, kulkas, atau setrika dapat berfungsi ? Penggunaan alat-alat tersebut memerlukan listrik. Arus Listrik terjadi karena adanya perpindahan muatan-muatan listrik. Listrik dibedakan menjadi listrik statis (listrik tak mengalir) dan listrik dinamis (listrik mengalir). Listrik statis atau elektrostatika merupakan bagian dari ilmu listrik yang mempelajari sifat-sifat muatan listrik. Bagaimanakah Listrik statis terjadi ? 1. Sebatang plastik digosokkan pada kain beberapa saat. Dekatkan batang plastik pada potongan kertas kecil. Apa yang terjadi dari percobaan tersebut ? Gambar 1.1 Lakukan percobaan berikut : Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 2 2. Batang plastik digantung bebas dengan benang, batang plastik lainnya digosokkan dengan bulu binatang dan dekatkan ke batang plastik tergantung. Apa yang terjadi dari percobaan tersebut ? Gambar 1.2 3. Batang plastik digantung bebas dengan benang. Batang kaca digosokkan dengan kain sutra dan dekatkan kebatang plastik tergantung. Apa yang terjadi dari percobaan tersebut ? Gambar 1.3 1. Muatan Listrik 1.1 Atom dan elektron Kita potong-potong suatu benda padat, misalnya tembaga, kedalam bagian-bagian yang selalu lebih kecil, dengan demikian maka pada akhirnya kita dapatkan suatu atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani dan berarti “tidak dapat dibagi”. Dalam beberapa waktu kemudian barulah dapat ditemukan buktinya melalui percobaan, bahwa benda padat tersusun atas atom. Dari banyak hasil percobaan ahli fisika seperti Rutherford dan Bohr menarik Catat hasil pengamatan tersebut. Apa yang dapat kamu simpulkan dari percobaan tersebut ? Komunikasikan hasil pengamatanmu kepada orang lain. Diskusikan dalam kelompukmu mengapa hal tersebut dapat terjadi. Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 3 kesimpulan, bahwa suatu atom harus tersusun mirip seperti sistim tata surya kita (gambar 1.4). PlanetLintasan planetMatahari Gambar 1.4 Model sistem tata surya Dari gambaran model ini atom terdiri atas matahari sebagai inti atom dan disekitar inti pada lintasan berbentuk lingkaran atau ellips beredar planet sebagai elektron-elektron. Lintasannya mengelilingi inti dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kulit elektron (gambar 1.5). Gambar 1.5 Model atom Elektron-elektron pada kulit terluar disebut elektron valensi, mereka terletak paling jauh dari inti dan oleh karena itu paling baik untuk dipengaruhi dari luar. 1.2 Muatan listrik - Pembawa muatan Elektron mengelilingi inti atom dengan kecepatan yang sangat tinggi ( 2200 km/det.). Pada gerakan melingkar, meski berat elektron tidak seberapa, maka disini harus bertindak suatu gaya sentrifugal yang relatip Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 4 besar, yang bekerja dan berusaha untuk melepaskan elektron keluar dari lintasannya. Sekarang tenaga apakah yang menahan elektron tetap pada lintasannya mengitari inti ? Tenaga yang menahan bumi tetap pada lintasannya adalah grafitasi. Grafitasi antara elektron-elektron dan inti atom belum mencukupi, sebagaimana terbukti secara perhitungan, dan tidak dapat menahan elektron-elektron yang terjauh untuk tetap pada lintasannya. Oleh karena itu disini harus bertindak suatu tenaga lain, yaitu tenaga listrik. Diantara inti atom dan elektron terdapat tenaga listrik. Tenaga listrik semacam ini sederhana membuktikannya. Kita gosokkan penggaris mika (bahan sintetis/plastik) dengan suatu kain wol, maka pada bahan ini bekerja suatu gaya tarik terhadap kertas, yang pada prinsipnya lebih besar daripada tenaga grafitasi. Yang bertanggung jawab terhadap tenaga listrik kita sebut muatan listrik. Terhadap inti atom, elektron bersifat menjalankan suatu tenaga listrik. Jadi elektron memiliki muatan listrik. Kita katakan elektron sebagai suatu pembawa muatan. Oleh karena inti atom juga mempunyai sifat menjalankan tenaga listrik, maka inti atom juga mempunyai muatan listrik. Hal ini terbukti bahwa elektron-elektron tidak saling tarik-menarik, melainkan tolak-menolak. Demikian pula tingkah laku inti atom (gambar 1.6). Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 5 Gambar 1.6 Efek dinamis antara : a) inti atom dan elektron b) elektron-elektron c) inti-inti atom Oleh karena elektron-elektron saling tolak-menolak, inti atom dan elektron saling tarik-menarik, maka inti atom harus berbeda muatan dengan elektron, artinya membawa suatu jenis muatan yang berbeda dengan muatan elektron. Muatan inti atom dinamakan muatan positip dan muatan elektron dinamakan muatan negatip. Dengan demikian untuk muatan listrik berlaku : Muatan-muatan yang sama saling tolak-menolak, muatan-muatan yang berbeda saling tarik-menarik. Gambar 1.7 Efek dinamis muatan-muatan listrik 1.3 Atom netral - Susunan atom Atom hidrogen memperlihatkan susunan yang paling sederhana. Terdiri atas sebuah elektron dan sebuah proton (biasa disebut inti atom). Elektron sebagai pembawa muatan listrik terkecil dinamakan muatan elementer. Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 6 Elektron adalah pembawa muatan elementer negatip, proton merupakan pembawa muatan elementer positip. a. b. Gambar 1.8 Gambar skema atom: a) atom hidrogen b) atom karbon Muatan elementer negatip elektron sama besarnya dengan muatan elementer positip proton. Oleh karenanya muatan-muatan atom memiliki pengaruh yang persis sama. Atom secara listrik bersifat netral. Atom netral terdiri atas muatan positip yang sama banyaknya dengan muatan negatip. Atom karbon misalnya memiliki 6 elektron dan juga 6 proton. Selain proton inti atom juga mengandung bagian yang secara listrik bersifat netral, yang biasa disebut dengan netron. Proton dan netron menentukan berat atom yang sebenarnya . Atom yang lain semuanya berjumlah 103 buah dengan susunan yang hampir sama. Pembagian elektron pada lintasan elektron berdasarkan pada aturan tertentu. Namun jumlah elektron tetap selalu sama dengan jumlah proton. Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 7 1.4 Ion Atom kehilangan sebuah elektron, dengan demikian maka atom tersebut memiliki lebih banyak muatan positifnya dari pada muatan negatip. Atom yang secara utuh bermuatan positif, melaksanakan suatu reaksi listrik, yaitu menarik muatan negatif. Atom yang ditambah/diberi sebuah elektron, maka secara utuh dia bermuatan negatip dan menarik muatan positif. Atom yang bermuatan seperti ini sebaliknya dapat juga menarik muatan yang berbeda, berarti atom tersebut bergerak. Atas dasar inilah maka atom seperti ini dinamakan ion (ion = berjalan, bhs. Yunani). Atom bermuatan positif maupun negatif atau kumpulan atom disebut ion. Gambar 1.9 Skema pembentukan ion Dapat disimpulkan bahwa : Kelebihan elektron menghasilkan muatan negatip, kekurangan elektron menghasilkan muatan positip. 2. Arus, Tegangan Dan Tahanan Listrik Pada kehidupan sehari-hari, Anda sering menjumpai adanya rangkaian listrik, mulai dari rangkaian listrik yang sederhana sampai Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 8 rangkaian yang sangat rumit. Pernahkah Anda mengamati rangkaian listrik pada lampu senter, radio, atau televisi? Pernahkah Anda berpikir mengapa lampu senter, radio, dan televisi dapat berfungsi? Coba kalian perhatikan gambar gardu listrik di bawah ini. Kabel-kabel besar menghubungkan satu tempat dengan tempat lain dengan tegangan tinggi. Bagaimana seorang tukang listrik merangkai kabel itu agar tidak membahayakan? Dan bagaimana listrik dapat sampai ke rumah kalian? Untuk mengetahuinya ikuti uraian berikut. 2.1. Arus 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. 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? Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 9 Listrik terbentuk karena energi mekanik dari generator yang menyebabkan perubahan medan magnet di sekitar kumparan. Perubahan ini menyebabkan timbulnya aliran muatan listrik pada kawat/penghantar. Aliran muatan listrik pada kawat Anda kenal sebagai arus listrik. Aliran muatan dapat berupa muatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron). Aliran listrik yang mengalir pada penghantar dapat berupa arus searah atau direct current (DC) dan dapat berupa arus bolak-balik atau alternating current (AC). Pada dasarnya rangkaian listrik dibedakan menjadi dua, yaitu rangkaian listrik terbuka dan rangkaian listrik tertutup. Rangkaian listrik terbuka adalah suatu rangkaian yang belum dihubungkan dengan sumber tegangan, sedangkan rangkaian listrik tertutup adalah suatu rangkaian yang sudah dihubungkan dengan sumber tegangan. a. Rangkaian terbuka b. Rangkaian tertutup Gambar. 1.10 Rangkaian listrik Pada rangkaian listrik tertutup, terjadi aliran muatan-muatan listrik. Aliran muatan listrik positif identik dengan aliran air. Perhatikan gambar berikut : Next >