Muatan dan Energi Listrik

Muatan Listrik

Setiap  Zat (padat, cair, gas) terdiri dari molekul-molekul,  Molekul merupakan persenyawaan dari atom atom, sedangkan setiap atom terdiri dari inti dan electron, dimana inti terbagi lagi menjadi proton dan neutron. Proton dan electron mempunyai sifat elektris, proton bermuatan positif dan electron bermuatan negative, sedangkan neutron merupakan bagian elektris netral.

            Proton dan electron karenanya disebut sebagai pembawa muatan listrik yang terkecil sekaligus penyebab adanya gejala-gejala listrik. Muatan sebuah proton sama dengan muatan sebuah electron, namun pengaruhnya berlawanan. Proton menolak proton yang lain, sebaliknya menarik electron

            Atom netral mempunyai proton dan electron dalam jumlah yang sama, yang berarti tdk mempunyai sifat-sifat elektris. Namun demikian dengan banyak cara, sebuah atom dapat kehilangan 1 elektron atau lebih, keadaan ini disebut bahwa atom bermuatan positif, sedangkan sebaliknya disebut bermuatan negative.

            Adanya benda-benda bermuatan, menyebabkan timbulnya apa yang disebut dengan perbedaan potensial antara titik-titik dalam ruang, dan disebut juga sebagai tegangan listrik.

Besaran dan satuan

Besaran adalah segala sesuatu yang dapat diukur yang memiliki nilai dan satuan. Sedangkan Satuan adalah suatu standard nilai untuk mendefinisikan sesuatu agar terdapat perbedaan antara satu dengan yang lain.

Besaran menyatakan sifat dari benda. Sifat ini dinyatakan dalam angka melalui hasil pengukuran. Oleh karena satu besaran berbeda dengan besaran lainnya, maka ditetapkan satuan untuk tiap besaran. Adapun besaran fisis terdiri dari: Besaran Pokok dan Besaran Turunan. Adapun besaran pokok adalah besaran yang satuannya telah ditetapkan terlebih dahulu dan tidak diturunkan dari besaran lain. Selain kita mempelajari Besaran Pokok, kita juga mempelajari Besaran turunan. Besaran turunan adalah besaran yang satuannya diturunkan dari besaran pokok atau besaran yang didapat dari penggabungan besaran-besaran pokok.

Pada awal perkembangan teknik pengukuran, dikenal dua sistem satuan yaitu sistem metrik (dipelopori Perancis sejak 1795) dan sistem CGS (centimeter-gram-second) yang dipelopori oleh Amerika Serikat dan Inggris (kedua Negara ini juga menggunakan sistem metrik untuk kepentingan internasional). Dan sejak tahun 1960 dikenalkan Sistem Internasional (SI Unit) sebagai kesepakatan internasional. Ada   7  satuan dasar dan dua satuan tambahan yang dinyatakan dalam sistem SI, yaitu:

Tabel  1. Satuan dasar  (Base Units)

Besaran	Satuan	Simbol
Panjang	Meter	m
Massa	Kilogram	kg
Waktu	Detik	s
Arus Listrik	Ampere	A
Temperatur	Derajat Kelvin	0K
Intensitas Cahaya	Kandela	cd
Jumlah zat	Mole	Mol

Tabel 2.  Satuan Tambahan (Supplementary Units)

Besaran	Satuan	Simbol
Sudut  Bidang	Radian	rad
Sudut ruang	Steradian	sr

·        Panjang/Jarak; Satuan panjang adalah “meter”. Sedangkan definisi dari “satu meter adalah jarak yang ditempuh cahaya (dalam vakum) dalam selang waktu 1/299 792 458 sekon.”

·        Massa; Satuan massa adalah “kilogram” (disingkat kg). Sedang definisi dari  “satu kilogram adalah massa sebuah kilogram standar yang disimpan di lembaga Timbangan dan Ukuran Internasional

·        Waktu; Satuan waktu adalah “sekon” (disingkat s) (detik). Yang didefinisikan sebagai selang waktu yang diperlukan oleh atom Cesium-133 untuk melakukan getaran sebanyak 9 192 631 770 kali dalam transisi antara dua tingkat energi di tingkat energi dasarnya

·        Kuat arus listrik; Satuan kuat arus listrik adalah “ampere” (disingkat A). Satu ampere adalah kuat arus tetap yang jika dialirkan melalui dua buah kawat yang sejajar dan sangat panjang, dengan tebal yang dapat diabaikan dan diletakkan pada jarak pisah 1 meter dalam vakum, menghasilkan gaya 2 × 10-7 newton pada setiap meter kawat.

·        Suhu; Satuan suhu adalah “kelvin” (disingkat K). Satu kelvin adalah 1/273,16 kali suhu termodinamika titik tripel air (CGPM ke-13, 1967). Dengan demikian, suhu termodinamika titik tripel air adalah 273,16 K. Titik tripel air adalah suhu dimana air murni berada dalam keadaan seimbang dengan es dan uap jenuhnya.

·        Intensitas Cahaya; Satuan intensitas cahaya adalah “kandela” (disingkat cd). Satu kandenla adalah intensitas cahaya suatu sumber cahaya yang memancarkan radiasi monokromatik pada frekuensi 540 × 1012 hertz dengan intensitas radiasi sebesar 1/683 watt per steradian dalam arah tersebut (CGPM ke-16, 1979)

Contoh besaran turunan adalah Berat, Luas, Volume, Kecepatan, Percepatan, Massa Jenis, Berat jenis, Gaya, Usaha, Daya, Tekanan, Energi Kinetik, Energi Potensial, Momentum, Impuls, Momen inersia, dll. Dalam fisika, selain tujuh besaran pokok yang disebutkan di atas, lainnya merupakan besaran turunan. Besaran Turunan selengkapnya akan dipelajari pada masing-masing pokok bahasan dalam pelajaran fisika.

Untuk lebih memperjelas pengertian besaran turunan, perhatikan beberapa besaran turunan yang satuannya diturunkan dari satuan besaran pokok berikut ini.

Luas               = panjang x lebar

= besaran panjang x besaran panjang

= m x m  =  m²

Volume           = panjang x lebar x tinggi

= besaran panjang x besaran panjang x besaran Panjang

= m x m x m  =  m³

Kecepatan     = jarak / waktu

= besaran panjang / besaran waktu

= m / s

Energi listrik dan daya listrik

a.       Energi Listrik

Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain, misalnya:

•     Energi listrik menjadi energi kalor / panas, contoh: seterika, solder, dan kompor listrik.

•     Energi listrik menjadi energi cahaya, contoh: lampu.

•     Energi listrik menjadi energi mekanik, contoh: motor listrik.

•     Energi listrik menjadi energi kimia, contoh: peristiwa pengisian accu, peristiwa penyepuhan (peristiwa melapisi logam dengan logam lain).

Jika arus listrik mengalir pada suatu penghantar yang berhambatan R, maka sumber arus akan mengeluarkan energi pada penghantar yang bergantung pada:

•     Beda potensial pada ujung-ujung penghantar (V).

•     Kuat arus yang mengalir pada penghantar (i).

•     Waktu atau lamanya arus mengalir (t).

Berdasarkan pernyataan di atas, dimana harga V = R.i, maka persamaan energi listrik dapat dirumuskan dalam bentuk

W        = V.i.t   = (R.i).i.t

W = i².R.t (dalam satuan watt-detik)

dan karena i = V/R, maka persamaan energi listrik dapat pula dirumuskan dengan:

W = i².R.t  = (V/R)².R.t

W  = V².t/R (dalam satuan watt-detik)

Adapun Keuntungan menggunakan energi listrik:

a.      Mudah diubah menjadi energi bentuk lain.

b.      Mudah ditransmisikan.

c.      Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.

Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:

Q = 0,24 V i t……kalori

Q = 0,24 i² R t…..kalori

Q = 0,24 V².t/R….kalori

Jika V, i, R, dan t masing-masing dalam volt, ampere, ohm, dan detik, maka panas (kalor) dinyatakan dalam kalori.

Konstanta 0,24 didapat dari percobaan joule, Di dalam percobaannya Joule menggunakan rangkaian alat yang terdiri atas kalorimeter yang berisi air serta penghantar yang berarus listrik. Jika arus listrik dialirkan pada penghantar dalam waktu t detik, ternyata kalor yang terjadi karena arus listrik berbanding lurus dengan:

a.      Beda potensial antara kedua ujung kawat penghantar (V)

b.      Kuat arus yang melalui kawat penghantar (i)

c.      Waktu selama arus mengalir (t).

Dan hubungan ketiganya ini dikenal sebagai "hukum Joule"

Karena energi listrik 1 joule berubah menjadi panas (kalor) sebesar 0,24 kalori. Jadi kalor yang terjadi pada penghantar karena arus listrik adalah:

Q = 0,24 V.i.t kalori

b.     Daya Listrik

Daya listrik adalah banyaknya energi tiap satuan waktu  atau kerja yang dilakukan persatuan waktu. Dari definisi ini, maka daya listrik (P) dapat dirumuskan:

Daya = Energi/waktu

P =W/t

P = V.i.t/t  = V.i

P = i² R

P = V²/R (dalam satuan volt-ampere, VA)

Satuan daya listrik :  watt (W) = joule/detik, dimana : 1 kW = 1000 W.

Dari satuan daya, maka muncullah satuan energi lain yaitu:

·  Jika daya dinyatakan dalam kilowatt (kW) dan waktu dalam jam, maka satuan energi adalah kilowatt jam atau kilowatt-hour (kWh).

 Dimana  1 kWh = 36 x 105 joule

·  Dalam satuan internasional (SI), satuan daya adalah watt (W) atau setara Joule per detik (J/sec). Daya listrik juga diekspresikan dalam watt (W) atau kilowatt (kW). Konversi antara satuan HP dan watt, dinyatakan dengan formula sebagai berikut:

1 HP = 746 W = 0,746 kW

1kW  = 1,34 HP

·  Sedangkan menurut standar Amerika (US standard), daya dinyatakan dalam satuan Hourse Power (HP)  atau   (ft)(lb)/(sec).

c.      Pemanfaatan Energi Listrik

Di antara peralatan listrik di rumah anda, anda mungkin mempunyai pengering rambut, beberapa lampu, pesawat TV, oven microwave, kulkas dan kompor listrik. Masing-masing mengubah energi listrik menjadi energi bentuk lain, misalnya energi cahaya, energi kinetik, energi bunyi, atau energi panas. Dengan demikian energi yang di catu pada suatu rangkaian, dapat digunakan dengan beberapa cara yang berbeda. Misalnya Motor merubah energi listrik menjadi energi mekanik, Lampu listrik merubah energi listrik menjadi cahaya dan semacamnya