Tegangan, Arus, Resistansi, dan Hukum Ohm: 5 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Tercakup dalam Tutorial ini

Bagaimana muatan listrik berhubungan dengan tegangan, arus, dan hambatan.

Berapa tegangan, arus, dan hambatan.

Apa Hukum Ohm itu dan bagaimana menggunakannya untuk memahami listrik.

Eksperimen sederhana untuk mendemonstrasikan konsep-konsep ini.

Langkah 1: Muatan Listrik

Muatan listrik adalah sifat fisik materi yang menyebabkannya mengalami gaya ketika ditempatkan dalam medan elektromagnetik. Ada dua jenis muatan listrik: positif dan negatif (biasanya masing-masing dibawa oleh proton dan elektron). Muatan sejenis tolak menolak dan tidak sejenis tarik menarik. Tidak adanya muatan bersih disebut netral. Sebuah benda bermuatan negatif jika memiliki kelebihan elektron, dan sebaliknya bermuatan positif atau tidak bermuatan. Satuan turunan SI untuk muatan listrik adalah coulomb (C). Dalam teknik elektro, juga umum menggunakan ampere-hour (Ah); sedangkan dalam kimia, adalah umum untuk menggunakan muatan dasar (e) sebagai satu unit. Simbol Q sering menunjukkan muatan. Pengetahuan awal tentang bagaimana zat bermuatan berinteraksi sekarang disebut elektrodinamika klasik, dan masih akurat untuk masalah yang tidak memerlukan pertimbangan efek kuantum.

Muatan listrik adalah sifat dasar yang kekal dari beberapa partikel subatom, yang menentukan interaksi elektromagnetiknya. Materi bermuatan listrik dipengaruhi oleh atau menghasilkan medan elektromagnetik. Interaksi antara muatan yang bergerak dan medan elektromagnetik adalah sumber gaya elektromagnetik, yang merupakan salah satu dari empat gaya fundamental (Lihat juga: medan magnet).

Eksperimen abad kedua puluh menunjukkan bahwa muatan listrik terkuantisasi; yaitu, ia datang dalam kelipatan bilangan bulat dari unit kecil individu yang disebut muatan dasar, e, kira-kira sama dengan 1,602×10−19 coulomb (kecuali untuk partikel yang disebut quark, yang memiliki muatan yang merupakan kelipatan bilangan bulat 1/3e). Proton memiliki muatan +e, dan elektron memiliki muatan e. Studi tentang partikel bermuatan, dan bagaimana interaksi mereka dimediasi oleh foton, disebut elektrodinamika kuantum.

Langkah 2: Tegangan：

Tegangan, beda potensial listrik, tekanan listrik atau tegangan listrik (secara resmi dilambangkan V atau U, tetapi lebih sering disederhanakan sebagai V atau U, misalnya dalam konteks hukum rangkaian Ohm atau Kirchhoff) adalah perbedaan energi potensial listrik antara dua titik per satuan muatan listrik. Tegangan antara dua titik sama dengan kerja yang dilakukan per unit muatan terhadap medan listrik statis untuk memindahkan muatan uji di antara dua titik. Ini diukur dalam satuan volt (joule per coulomb).

Tegangan dapat disebabkan oleh medan listrik statis, oleh arus listrik yang melalui medan magnet, oleh medan magnet yang berubah terhadap waktu, atau kombinasi dari ketiganya.[1][2] Sebuah voltmeter dapat digunakan untuk mengukur tegangan (atau beda potensial) antara dua titik dalam suatu sistem; seringkali potensial referensi umum seperti ground dari sistem digunakan sebagai salah satu titik. Tegangan dapat mewakili salah satu sumber energi (gaya gerak listrik) atau energi yang hilang, digunakan, atau disimpan (potensial drop)

Saat menggambarkan tegangan, arus, dan hambatan, analogi umum adalah tangki air. Dalam analogi ini, muatan diwakili oleh jumlah air, tegangan diwakili oleh tekanan air, dan arus diwakili oleh aliran air. Jadi untuk analogi ini, ingatlah:

Air = Muatan

Tekanan = Tegangan

Arus = Arus

Pertimbangkan tangki air pada ketinggian tertentu di atas tanah. Di bagian bawah tangki ini, ada selang.

Jadi, arus lebih rendah di tangki dengan resistansi yang lebih tinggi.

Langkah 3: Listrik：

Listrik adalah keberadaan dan aliran muatan listrik. Bentuknya yang paling terkenal adalah aliran elektron melalui konduktor seperti kabel tembaga.

Listrik adalah suatu bentuk energi yang datang dalam bentuk positif dan negatif, yang terjadi secara alami (seperti pada petir), atau dihasilkan (seperti pada generator). Ini adalah bentuk energi yang kita gunakan untuk menyalakan mesin dan perangkat listrik. Ketika muatan tidak bergerak, listrik disebut listrik statis. Ketika muatan bergerak mereka adalah arus listrik, kadang-kadang disebut 'listrik dinamis'. Petir adalah jenis listrik yang paling terkenal dan berbahaya di alam, tetapi terkadang listrik statis menyebabkan benda-benda saling menempel.

Listrik bisa berbahaya, terutama di sekitar air karena air adalah bentuk konduktor. Sejak abad kesembilan belas, listrik telah digunakan di setiap bagian kehidupan kita. Sampai saat itu, itu hanya rasa ingin tahu yang terlihat dalam badai petir.

Listrik dapat dibuat jika magnet melewati dekat kawat logam. Ini adalah metode yang digunakan oleh generator. Generator terbesar ada di pembangkit listrik. Listrik juga dapat dihasilkan dengan menggabungkan bahan kimia dalam toples dengan dua jenis batang logam yang berbeda. Ini adalah metode yang digunakan dalam baterai. Listrik statis dibuat melalui gesekan antara dua bahan. Misalnya, topi wol dan penggaris plastik. Gosok mereka bersama-sama dapat membuat percikan. Listrik juga dapat dibuat menggunakan energi dari matahari seperti pada sel fotovoltaik.

Listrik tiba ke rumah melalui kabel dari tempat di mana ia dihasilkan. Digunakan oleh lampu listrik, pemanas listrik, dll. Banyak peralatan rumah tangga seperti mesin cuci dan kompor listrik menggunakan listrik. Di pabrik-pabrik, ada mesin pembangkit listrik. Orang yang berurusan dengan listrik dan perangkat listrik di rumah dan pabrik kita disebut "ahli listrik".

Katakanlah sekarang kita memiliki dua tangki, masing-masing tangki dengan selang yang berasal dari bawah. Setiap tangki memiliki jumlah air yang sama persis, tetapi selang di satu tangki lebih sempit daripada selang di tangki lainnya.

Kami mengukur jumlah tekanan yang sama di ujung kedua selang, tetapi ketika air mulai mengalir, laju aliran air di tangki dengan selang yang lebih sempit akan lebih kecil daripada laju aliran air di tangki dengan selang yang lebih sempit. selang yang lebih lebar. Dalam istilah kelistrikan, arus yang melalui selang yang lebih sempit lebih kecil daripada arus yang melalui selang yang lebih lebar. Jika kita ingin aliran yang sama melalui kedua selang, kita harus menambah jumlah air (pengisian) di tangki dengan selang yang lebih sempit.

Langkah 4: Resistansi dan Konduktansi Listrik

Dalam analogi hidrolik, arus yang mengalir melalui kawat (atau resistor) seperti air yang mengalir melalui pipa, dan penurunan tegangan pada kawat seperti penurunan tekanan yang mendorong air melalui pipa. Konduktansi sebanding dengan berapa banyak aliran yang terjadi untuk tekanan tertentu, dan resistansi sebanding dengan berapa banyak tekanan yang diperlukan untuk mencapai aliran tertentu. (Konduktansi dan resistansi adalah timbal balik.)

Penurunan tegangan (yaitu, perbedaan antara tegangan di satu sisi resistor dan yang lain), bukan tegangan itu sendiri, memberikan kekuatan pendorong yang mendorong arus melalui resistor. Dalam hidrolika, ini serupa: Perbedaan tekanan antara dua sisi pipa, bukan tekanan itu sendiri, yang menentukan aliran yang melaluinya. Misalnya, mungkin ada tekanan air yang besar di atas pipa, yang mencoba mendorong air ke bawah melalui pipa. Tetapi mungkin ada tekanan air yang sama besarnya di bawah pipa, yang mencoba mendorong air kembali ke atas melalui pipa. Jika tekanan ini sama, tidak ada air yang mengalir. (Pada gambar di sebelah kanan, tekanan air di bawah pipa adalah nol.)

Resistansi dan konduktansi dari kawat, resistor, atau elemen lain sebagian besar ditentukan oleh dua sifat:

• geometri (bentuk), dan
• bahan

Geometri penting karena lebih sulit untuk mendorong air melalui pipa yang panjang dan sempit daripada pipa yang lebar dan pendek. Dengan cara yang sama, kawat tembaga tipis yang panjang memiliki resistansi yang lebih tinggi (konduktansi lebih rendah) daripada kawat tembaga yang pendek dan tebal.

Bahan juga penting. Pipa yang diisi dengan rambut membatasi aliran air lebih dari pipa bersih dengan bentuk dan ukuran yang sama. Demikian pula, elektron dapat mengalir dengan bebas dan mudah melalui kawat tembaga, tetapi tidak dapat mengalir dengan mudah melalui kawat baja dengan bentuk dan ukuran yang sama, dan pada dasarnya mereka tidak dapat mengalir sama sekali melalui isolator seperti karet, terlepas dari bentuknya. Perbedaan antara tembaga, baja, dan karet terkait dengan struktur mikroskopis dan konfigurasi elektronnya, dan dikuantifikasi oleh properti yang disebut resistivitas.

Selain geometri dan material, ada berbagai faktor lain yang mempengaruhi resistansi dan konduktansi.

Masuk akal bahwa kita tidak dapat memasukkan volume sebanyak itu melalui pipa sempit daripada pipa yang lebih lebar pada tekanan yang sama. Ini adalah resistensi. Pipa yang sempit “menahan” aliran air yang melaluinya meskipun tekanan airnya sama dengan tangki dengan pipa yang lebih lebar.

Dalam istilah listrik, ini diwakili oleh dua sirkuit dengan tegangan yang sama dan resistansi yang berbeda. Rangkaian dengan resistansi yang lebih tinggi akan memungkinkan lebih sedikit muatan mengalir, yang berarti rangkaian dengan resistansi yang lebih tinggi memiliki lebih sedikit arus yang mengalir melaluinya.

Langkah 5: Hukum Ohm：

Hukum Ohm menyatakan bahwa arus yang melalui penghantar antara dua titik berbanding lurus dengan tegangan pada kedua titik tersebut. Memperkenalkan konstanta proporsionalitas, resistansi, sampai pada persamaan matematika biasa yang menggambarkan hubungan ini:

di mana I adalah arus yang melalui penghantar dalam satuan ampere, V adalah tegangan yang diukur pada penghantar dalam satuan volt, dan R adalah hambatan penghantar dalam satuan ohm. Lebih khusus lagi, hukum Ohm menyatakan bahwa R dalam hubungan ini adalah konstan, tidak tergantung pada arus.

Hukum ini dinamai fisikawan Jerman Georg Ohm, yang, dalam risalah yang diterbitkan pada tahun 1827, menjelaskan pengukuran tegangan dan arus yang diterapkan melalui sirkuit listrik sederhana yang berisi berbagai panjang kawat. Ohm menjelaskan hasil eksperimennya dengan persamaan yang sedikit lebih kompleks daripada bentuk modern di atas (lihat Sejarah).

Dalam fisika, istilah hukum Ohm juga digunakan untuk merujuk pada berbagai generalisasi hukum yang awalnya dirumuskan oleh Ohm.