< Previous Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 30 Yang termasuk didalamnya yaitu logam seperti misalnya tembaga, alumunium, perak, emas, besi dan juga arang. Atom logam membentuk sesuatu yang disebut struktur logam. Dimana setiap atom logam memberikan semua elektron valensinya (elektron-elektron pada lintasan terluar) dan juga ion-ion atom positif. Gambar 1.24 Kisi-kisi ruang suatu logam dengan awan elektron Ion-ion menempati ruang dengan jarak tertentu serta sama antara satu dengan yang lain dan membentuk sesuatu yang disebut dengan kisi-kisi ruang atau pola geometris atom-atom (gambar 2.14). Elektron-elektron bergerak seperti suatu awan atau gas diantara ion-ion yang diam dan oleh karenanya bergerak relatip ringan didalam kisi-kisi ruang. Elektron tersebut dikenal sebagai elektron bebas. Awan elektron bermuatan negatif praktis termasuk juga didalamnya ion-ion atom yang bermuatan positif. Sepotong tembaga dengan panjang sisinya 1 cm memiliki kira-kira 1023 (yaitu satu dengan 23 nol) elektron bebas. Melalui tekanan listrik dengan arah tertentu, yang dalam teknik listrik dikenal sebagai tegangan, elektron-elektron bebas dalam penghantar digiring melalui kisi-kisi (gb. 1.24). Dengan demikian elektron-elektron penghantar mentransfer muatan negatifnya dengan arah tertentu. Biasa disebut sebagai arus listrik. Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 31 Dapat disimpulkan bahwa : Arus listrik (arus elektron) dalam suatu penghantar logam adalah merupakan gerakan elektron bebas pada bahan penghantar dengan arah tertentu. Gerakan muatan tidak mengakibatkan terjadinya perubahan karakteristik bahan. Gambar 1.25 Mekanisme penghantar logam Kecepatan arus tergantung pada rapat arus. Penghantar logam dengan beban biasa maka kecepatan elektronnya hanya sebesar 3 mm/detik, tetapi gerakan elektron tersebut menyebarkan impuls tumbukan mendekati dengan kecepatan cahaya c=300.000 km/detik. Oleh karenanya dibedakan disini antara kecepatan impuls dan kecepatan elektron. Contoh : a) Berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh elektron pada suatu penghantar kawat untuk kembali ke tempatnya semula ? Panjang kawat =1200 m dengan kecepatan sedang =3 mm/s b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan impuls untuk jarak yang sama ? Jawaban : a) Kecepatan: tv; Waktu: vt Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 32 jam 111h 3600400.000s 400.000m/s 0,003m 1200t b) vt s 0,000004s 1000.0004m/s 0300.000.00m 1200t Penghantar ion Termasuk disini yaitu elektrolit (zat cair yang menghantarkan arus), peleburan (misal peleburan alumunium) dan ionisasi gas. Sebagai pembawa muatan dalam hal ini adalah ion positip dan ion negatip. Biasa disebut sebagai arus ion. Arus listrik (arus ion) didalam suatu elektrolit, peleburan atau ionisasi gas adalah merupakan gerakan terarah ion-ion bahan/zat cair. Dalam hal ini termasuk juga sebagai transfer bahan/zat. 3.2 Bukan penghantar (Isolator) Bahan yang hanya memiliki sedikit pembawa muatan dan terikat dalam molekul tersendiri, dinamakan bahan bukan penghantar. Termasuk dalam hal ini yaitu bahan padat, seperti bahan sintetis, karet, kaca, porselen, lak, kertas, sutera, asbes, dan zat cair, seperti air murni, oli, fet, dan juga ruang hampa termasuk disini gas (juga udara) dengan aturan tertentu. Bahan-bahan tersebut sebagian juga dikenal sebagai bahan isolasi, dengan demikian maka dapat mengisolasi bahan yang berarus listrik. 3.3 Semi penghantar (Semi Konduktor) Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 33 Semi penghantar adalah bahan yang setelah mendapat pengaruh dari luar maka elektron valensinya lepas dan dengan demikian mampu menghantarkan listrik. Termasuk disini yaitu silisium, selenium, germanium dan karbon oksida. Pada temperatur rendah, elektron valensi bahan tersebut terikat sedemikian rupa sehingga tidak ada elektron bebas didalam kisi-kisi. Jadi dalam hal ini dia bukan sebagai bahan penghantar. Melalui pemanasan, sebagian elektron terlepas dari lintasannya, dan menjadi elektron yang bergerak dengan bebas. Dengan demikian maka menjadi suatu penghantar. Juga melalui pengaruh yang lainnya, seperti misalnya cahaya dan medan magnit mengakibatkan perubahan sifat kelistrikan bahan semi penghantar. Gambar 1.26 Model suatu rangkaian arus 3.4 Tahanan listrik (Resistor) Gerakan pembawa muatan dengan arah tertentu di bagian dalam suatu penghantar terhambat oleh terjadinya tumbukan dengan atom-atom (ion-ion atom) dari bahan penghantar tersebut. "Perlawanan" penghantar terhadap pelepasan arus inilah disebut sebagai tahanan (gambar 1.25). Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 34 Gambar 1.27 Gerakan elektron didalam penghantar logam Elektron bebasAtom++++++++++++-------------- Satuan SI yang ditetapkan untuk tahanan listrik adalah Ohm. Simbol formula untuk tahanan listrik adalah R Simbol satuan untuk Ohm yaitu (baca: Ohm). adalah huruf Yunani Omega. Satuan SI yang ditetapkan 1 didefinisikan dengan aturan sbb. : 1 Ohm adalah sama dengan tahanan yang dengan perantaraan tegangan 1 V mengalir kuat arus sebesar 1 A. Pembagian dan kelipatan satuan : 1 M = 1 Megaohm = 1000000 = 106 1 k = 1 Kiloohm = 1000 = 103 1 m = 1 Milliohm = 1/1000 = 10-3 a. Tahanan jenis (spesifikasi tahanan) Percobaan : Penghantar bermacam-macam bahan (tembaga, alumunium, besi baja) dengan panjang dan luas penampang sama berturut-turut dihubung ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan. Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 35 Percobaan memperlihatkan bahwa besarnya arus listrik masing-masing bahan berlawanan dengan tahanannya. Tahanan ini tergantung pada susunan bagian dalam bahan yang bersangkutan (kerapatan atom dan jumlah elektron bebas) dan disebut sebagai tahanan jenis (spesifikasi tahanan). AAlumunium (1m, 1mm²)SimpangansedikitberkurangABesi baja (1m, 1mm²)SimpangankecilATembaga (1m, 1mm²)SimpanganbesarIIabIc Gambar 1.28 Perbandingan tahanan suatu penghantar: a) Tembaga b) Alumunium c) Besi baja Simbol formula untuk tahanan jenis adalah (baca: rho). adalah huruf abjad Yunani. Untuk dapat membandingkan bermacam-macam bahan, perlu bertitik tolak pada kawat dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm2, dalam hal ini tahanan diukur pada suhu 20 OC. Tahanan jenis suatu bahan penghantar menunjukkan bahwa angka yang tertera adalah sesuai dengan nilai tahanannya untuk panjang 1 m, luas penampang 1 mm2 dan pada temperatur 20 OC Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 36 Satuan tahanan jenis adalah mmm . Ω2 Sebagai contoh, besarnya tahanan jenis untuk : tembaga = 0,0178 .mm2/m alumunium = 0,0278 .mm2/m perak = 0,016 .mm2/m b. Tahanan listrik suatu penghantar Percobaan : Bermacam-macam penghantar berturut-turut dihubungkan ke sumber tegangan melalui sebuah ampermeter dan masing-masing kuat arus (simpangan jarum) diperbandingkan. a) Panjang penghantar berbeda SimpanganbesarTembaga (2m, 1mm²)Simpangansedikit lebihbesarATembaga (1m, 1mm²)IIA Gambar 1.29 Rangkaian arus dengan panjang penghantar berbeda b) Luas penampang berbeda ATembaga (1m, 1mm²)SimpanganbesarATembaga (1m, 0,5 mm²)Simpangansedikit lebihbesarII Gambar 1.29 Rangkaian arus dengan luas penampang penghantar berbeda Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 37 c) Bahan penghantar berbeda ATembaga (1m, 1mm²)SimpanganbesarABesi baja (1m, 1mm²)Simpangansedikit lebihbesarII Gambar 1.30 Rangkaian arus dengan bahan penghantar berbeda Dari percobaan diatas terlihat bahwa : Tahanan listrik suatu penghantar R semakin besar, a) jika penghantar l semakin panjang b) jika luas penampang A semakin kecil c) jika tahanan jenis semakin besar. Ketergantungan tahanan terhadap panjang penghantar dapat dijelaskan disini, bahwa gerakan elektron didalam penghantar yang lebih panjang mendapat rintangan lebih kuat dibanding pada penghantar yang lebih pendek. Dalam hal jumlah elektron-elektron yang bergerak dengan jumlah sama, maka pada penghantar dengan luas penampang lebih kecil terjadi tumbukan yang lebih banyak, berarti tahanannya bertambah. Bahan dengan tahanan jenis lebih besar, maka jarak atomnya lebih kecil dan jumlah elektron-elektron bebasnya lebih sedikit, sehingga menghasilkan tahanan listrik yang lebih besar. Ketergantungan tahanan listrik tersebut dapat diringkas dalam bentuk rumus sebagai berikut : Apenampang Luas penghantar Panjang ρ jenis Tahanan=R Tahananl Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 38 Ditulis dengan simbol formula : Tahanan penghantar A . ρRl R tahanan penghantar dalam tahanan jenis dalam .mm2/m l panjang penghantar dalam m A luas penampang dalam mm2 Persamaan diatas dapat ditransfer kedalam bermacam-macam besaran. Dengan demikian secara perhitungan dimungkinkan juga untuk menentukan panjang penghantar, tahanan jenis dan luas penampang. Panjang penghantar ρ A. Rl Tahanan jenis l A. Rρ Luas penampang R . ρAl Melalui penempatan satuan kedalam persamaan tahanan jenis, maka diperoleh satuan tahanan jenis. Contoh soal : 1. Suatu penghantar dengan luas penampang 10 mm2. Berapa besarnya tahanan untuk panjang 500 m, jika digunakan penghantar : mmm . Ω dalam ρ ; A. Rρ2l Teknik Kelistrikan dan Elektronika Instrumentasi 39 a) tembaga b) alumunium ? Diketahui : A = 10 mm2 l = 500 m Cu = 0,0178 .mm2/m Al = 0,0278 .mm2/m Hitunglah : Rcu , RAl Jawab : a) ;A . ρRCuCu l Ω 0,89 = mm 10 m 500 . mmm . Ω 0,0178R22Cu b) ;A . ρRAlAl l Ω 1,39 = mm 10 m 500 . mmm . Ω 0,0278R22Al 2. Kawat baja 250 m dan luas penampang 1 mm2 mempunyai tahanan 35 . Berapa besarnya tahanan jenis kawat tersebut ? Diketahui : l = 250 m A = 1 mm2 R = 35 . Hitunglah : Jawab : ; A. Rρ l Next >