FISIKA

ARUS BOLAK BALIK

Sebelumnya kita telah mempelajari mengenai listrik arus searah, yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya dapat dianggap tetap dan mengalir dalam satu arah. Arus searah yang juga disebut direct current (DC) contohnya dihasilkan oleh baterai. Pada modul ini akan dibahas mengenai arus bolak-balik atau alternating current (AC), yaitu arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolak-balik digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik seperti televisi, radio, oven microwave, dan lain-lain. Di Indonesia, listrik arus bolak-balik disediakan oleh PLN. Pada modul ini, Anda juga akan mempelajari beberapa komponen-komponen listrik, diantaranya resistor, induktor, dan kapasitor, serta rangkaian yang menggunakan komponen-komponen listrik tersebut.

GENERATOR

Generator adalah mesin yang mengubah energi kinetik (mekanik) menjadi energi listrik. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar kumparan dalam suatu medan magnetik.
Berdasarkan jenis ggl induksi atau arus listrik induksi yang dihasilkan maka generator dapat dibedakan atas generator arus bolak-balik (AC) dan generator arus searah (DC). Perbedaan generator arus searah dengan generator arus bolak-balik hanyalah pada cincin luncur (cincin kolektor) yang berhubungan dengan kedua ujung kumparan dimana generator AC memiliki dua buah cincin yang masing-masing berhubungan dengan tiap ujung kumparan sedangkan generator DC memiliki sebuah cincin yang terbelah di tengahnya yang disebut cincin belah atau komutator.
Generator AC sederhana terdiri dari sebuah kumparan yang diputar dalam suatu medan magnetik seperti gambar yang ditunjukkan gambar 1.2. Untuk melihat bagaimana arus dibangkitkan oleh generator, perhatikan dua sisi vertikal dari kumparan pada gambar tersebut. Agar kumparan berputar berlawanan arah jarum jam maka sisi vertikal kiri harus mengalami gaya F ke depan dan sisi vertikal kanan harus mengalami gaya F ke belakang. Sesuai dengan kaidah telapak tangan untuk gaya magnetik (gaya Lorentz), arus I pada sisi vertikal kiri haruslah ke atas, dan arus I pada sisi vertikal kanan haruslah ke bawah, seperti ditunjukkan pada gambar tersebut. Arah gaya F pada gambar searah dengan arah normal bidang kumparan n. dengan demikian sudut antara arah induksi magnetik B dan arah normal bidang n adalah θ. Dalam generator, perputaran kumparan menyebabkan sudut θ selalu berubah, dan ini menyebabkan fluks magnetik (Ф), yang menerobos bidang kumparan juga berubah. Pada ujung-ujung kawat loop dibangkitkan ggl induksi (ε), yang dapat dihitung dengan persamaan:
ε=-NBA (d cosθ)/dt

Bila loop diputar dengan kecepatan sudut ω maka θ = ωt, dan persamaan di atas dapat ditulis sebagai:
ε=-NBA (d )/dt(cos⁡〖ωt)〗
ε=NBA ω sin⁡ωt

Jika ggl induksi maksimum antara ujung-ujung sikat sama dengan ε_m, maka persamaan di atas dapat ditulis sebagai:
ε=ε_m sin⁡〖ωt=〗 NBA ω sin⁡ωt

Dengan ggl maksimum, ε_m, diberikan oleh:
ε_m=NBAω

Dengan ε = ggl induksi sesaat, ε_m = ggl induksi maksimum, ω = kecepatan sudut putar dari loop dan t = lama loop telah berputar. Nyata bahwa ggl induksi yang dihasilkan pada loop berubah terhadap waktu setiap satu periode T=2π/ω.

ARUS DAN TEGANGAN BOLAK BALIK

Arus dan tegangan bolak-balik adalah arus dan tegangan yang nilainya selalu berubah terhadap waktu secara periodik. Besaran seperti ini disebut arus dan tegangan bolak-balik atau AC (Alternating Current). Apabila pada arus searah Anda dapat mengetahui nilai dan tegangannya yang selalu tetap. Maka, pada arus bolak-balik Anda akan dapat mengetahui nilai maksimum yang dihasilkan dan frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh sumbernya. Arus dan tegangan listrik bolak-balik berbentuk sinusoida seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1.3 berikut.

Secara matematis, arus dan tegangan listrik bolak-balik tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:
V=V_m sin⁡ωt= V_m sin⁡〖2πft= V_m sin⁡〖2π t/T〗 〗

I=I_m sin⁡ωt= I_m sin⁡〖2πft= I_m sin⁡〖2π t/T〗 〗

Dimana:
V = tegangan sesaat (V)
I = arus sesaat (A)
Vm = tegangan maksimum (V)
Im = arus maksimum (A)
f = frekuensi (Hz)
T = periode (s)
t = waktu (s)
ωt = sudut fase (radian atau derajat)

Hubungan amplitudo tegangan atau arus bolak-balik dengan sudut fase dapat dinyatakan secara grafik dalam diagram fasor. Fasor adalah suatu vektor yang berputar berlawanan arah putaran jarum jam terhadap titik asal dengan kecepatan sudut ω. Fasor suatu besaran dilukiskan sebagai suatu vektor yang besar sudut putarnya terhadap sumbu horizontal (sumbu x) sama dengan sudut fasenya. Nilai maksimum besaran tersebut adalah sama dengan panjang fasor, sedangkan nilai sesaatnya adalah proyeksi fasor pada sumbu vertikal (sumbu y). Berikut adalah gambar diagram fasor untuk arus dan tegangan yang sudut fasenya sama (sefase) serta gambar fungsi waktu dari arus dan tegangan tersebut.

Sesungguhnya arus dan tegangan bolak-balik bukanlah besaran vektor, melainkan besaran skalar. Penggambaran arus dan tegangan bolak-balik sebagai fasor adalah untuk mempermudah analisis rangkaian arus bolak-balik yang lebih rumit.

NILAI RATA-RATA DAN NILAI EFEKTIF

Nilai rata-rata arus bolak-balik adalah kuat arus bolak-balik yang nilainya setara dengan kuat arus searah untuk memindahkan sejumlah muatan listrik yang sama dalam waktu yang sama. Arus rata-rata dinyatakan dengan:
I_r= (2I_m)/π

Sedangkan tegangan rata-rata dinyatakan dengan:
V_r= (2V_m)/π

Nilai efektif arus dan tegangan bolak-balik ialah arus dan tegangan bolak-balik yang setara dengan arus dan tegangan searah untuk menghasilkan jumlah kalor yang sama ketika melalui suatu resistor dalam waktu yang sama. Secara matematis, hubungan antara arus dan tegangan efektif dengan arus dan tegangan maksimum dinyatakan dengan:
I_ef= I_m/√2 atau I_m= I_ef √2

V_ef= V_m/√2 atau v_m= V_ef √2

Contoh Soal

Jala-jala listrik di rumah mempunyai tegangan 220 volt. Sebuah alat listrik dengan hambatan 50 ohm dipasang pada jala-jala tersebut. Hitunglah:
Nilai efektif dan maksimum tegangan
Nilai efektif dan maksimum arus listrik yang mengalir
Penyelesaian:
Tegangan hasil pengukuran adalah nilai efektif, jadi Vef = 220 volt dan R = 50 Ω
Vef = 220 volt
Vmax = V_ef √2=220√2 volt

Gunakan hukum Ohm untuk menentukan kuat arus.
I_ef=V_ef/R=220/50=4,4 A
I_m=V_m/R=(220√2)/50=22/5 √2 A

Sebuah generator AC menghasilkan tegangan sebagai fungsi waktu sebagai berikut: V=200√2 sin⁡〖50t volt.〗 Hitunglah:
Tegangan maksimum
Tegangan puncak ke puncak
Tegangan efektif
Frekuensi angular
Periode
Frekuensi
Tegangan pada saat 0,01π sekon
Penyelesaian:
Bandingkan persamaan umum tegangan dengan persamaan yang diketahui:
V=V_m sin⁡ωt volt
V=200√2 sin⁡〖50t volt〗
V_m=200√2 volt
Tegangan puncak ke puncak sama dengan dua kali tegangan maksimum
Vpp = 2Vm = 2 . 200√2 volt = 400√2 volt
V_ef=V_m/√2=(200√2)/√2=200 volt
ω=50 rad/s
ω=2π/T → T=2π/ω=2π/50=π/25 s
f=1/T=1/(π⁄25)=25/π Hz
V pada t = 0,01 π sekon:
V=200√2 sin⁡50t=200√2 sin⁡〖50 (0,01π)〗
V=200√2 sin⁡〖0,5π=200√2 sin⁡〖〖90〗^o=〗 〗 200√2 volt

Alat Ukur Tegangan dan Arus Bolak-Balik

Tegangan dan arus listrik bolak-balik diukur dengan voltmeter AC dan amperemeter AC (seperti terlihat pada gambar 1.5). Dengan menggunakan alat ukur voltmeter atau amperemeter AC besaran yang terukur adalah nilai rms (root mean squere) = akar rata-rata kuadrat arus = ; = rata-rata dari atau nilai efektif dari tegangan atau arus. Secara umum hasil pengukuran tegangn (V) dan arus (I) dapat ditulis sebagai berikut:
I=(Penunjukan jarum)/(Skala maksimum)×Batas ukur maksimum

V=(Penunjukan jarum)/(Skala maksimum)×Batas ukur maksimum

Contoh Soal

Sebuah amperemeter AC digunakan untuk mengukur kuat arus bolak-balik sehingga jarum amperemeter menunjukkan angka seperti pada gambar di samping. Tentukanlah:
Nilai efektif
Nilai maksimum
Nilai rata-rata arus bolak-balik

Penyelesaian:
Kawat rangkaian listrik dihubungkan dengan terminal arus 0 A dan 10 A, artinya batas ukur maksimum amperemeter 10 A. Skala amperemeter adalah 0 sampai dengan 50, sehingga jika jarum amperemeter menunjukkan angka 50 maka hasil pengukuran adalah maksimum, 10 A.
Penunjukkan amperemeter adalah nilai efektif sehingga:
I_ef=40/50×10=8 A
Nilai maksimum I_m=I_ef √2=8√2 A
Nilai rata-rata I_r=(2I_m)/π=(2×8√2)/π=16/π √2 A

Untuk melihat bentuk tegangan atau arus sinusoidal yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dapat digunakan alat ukur osiloskop (Lihat gambar 1.6). Sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan atau arus yang dihasilkan oleh sumber bolak-balik dan sumbu horizontalnya menunjukkan waktu. Dari monitor osiloskop dapat ditentukan nilai maksimum dari tegangan atau arus listriknya dan dari sumbu horizontal dapat ditentukan periode atau frekuensi dari sumber bolak-baliknya. Monitor dari sebuah osiloskop terbagi-bagi menjadi baris-baris dan kolom-kolom sehingga membentuk sebuah kotak.

Perhatikan gambar berikut!
Jika sumbu vertikal diatur pada tegangan 2 V/cm, waktu dalam arah horizontal menunjukkan 10 ms/cm dan tiap kotak memiliki ukuran 1 cm × 1 cm. Tentukanlah:
a. tegangan maksimum sumber AC;
b. frekuensi sumber AC.
Penyelesaian:
a. Dari gambar dapat dilihat tegangan dari puncak ke puncak

Jadi, tegangan maksimumnya 4 volt.

b. Periode dari gelombang sinusoidal yang dihasilkan adalah:

Frekuensi getarnya

Jadi besar frekuens sumber AC tersebut adalah 25 Hz.

RESISTOR, INDUKTOR DAN KAPASITOR DALAM RANGKAIAN AC

GEJALA PERALIHAN PADA INDUKTOR

Tinjau rangkaian RL–seri yang dihubungkan dengan baterei ε melalui sakelar S, seperti dalam Gambar 2 (a). Gambar 2 (b) menggambarkan beberapa contoh induktor dalam berbagai bentuk dan ukuran yang tersedia di pasaran. Induktor berperilaku mirip massa yang selalu menghambat gerakan, maka induktor juga selalu melawan perubahan tegangan. Pada saat sakelar disambungkan maka dalam rangkaian terjadi perubahan tegangan, di sinilah perlawanan induktor akan teramati. Perilakunya berbeda dengan resistor. Hubungkan sakelar S ke a, berarti rangkaian RL–seri tersambung dengan baterei ε, sehingga arus mengalir dalam rangkaian dan memenuhi hukum kedua Kirchhoff:
ε= V_L+ V_R=L di/dt+iR
L di/dt= ε-iR

Sesuaikan ruas kiri hingga mendapatkan bentuk integral dx/x. Kemudian lakukan integral dengan batas waktu saat t = 0 adalah saat sakelar ditutup dan nilai arus i(0) = 0. Sedangkan saat t detik dari saat sakelar ditutup nilai arus listrik pada rangkaian adalah i(t).
ln⁡〖((ε-iR)/ε)= -R/L t〗
Ambil nilai eksponesial dipangkatkan dengan nilai masing masing ruas persamaan tersebut yaitu:
e^(ln⁡((ε-iR)/ε) )= ((ε-iR)/ε)=1-iR/ε=e^(-Rt/L)
i(t)= ε/R (1-e^(-Rt/L) )

Jika persamaan diatas digambarkan dalam bentuk grafik arus terhadap waktu, diperoleh Gambar 3. Persamaan 1 menggambarkan arus pada rangkaian RL–seri sebagai fungsi waktu yaitu merupakan proses penyimpanan energi baterei ε menjadi energi magnetik dalam induktor, dari persamaan tersebut terlihat bahwa nilai maksimum arus dalam rangkaian i(t) = ε/R dicapai pada t = ∞.

Nilai arus i(t) memerlukan waktu τ = L/R bertepatan dengan nilai arus [1– (1/e)] dari nilai arus saat dimulainya proses (t = 0). Sedangkan nilai maksimum arus pada rangkaian yaitu I = ε/R, dapat tercapai dalam waktu t » τ, seperti pada Gambar 3. Jika sakelar S pada gambar 2 dipindah ke titik b, berarti baterei dilepas dari rangkaian RL–seri, persamaan hukum kedua Kirchhoff menjadi:
V_L+V_R=0
L di/dt+iR=0
di/t=-R/L dt

Integralkan persamaan tersebut dengan batas awal t = 0 sesuai dengan i(0) = ε/R sampai dengan saat t detik dengan arus pada induktor i(t), diperoleh :
ln[(i(t))/(ε⁄R)]=-R/L t
Ambil nilai eksponesial dipangkatkan dengan nilai masing masing ruas persamaan:
e^ln[(i(t))/(ε⁄R)] =(i(t))/[ε⁄R] =e^(-R/L t)
i(t)=ε/R e^(-Rt/L)

Persamaan 4 menggambarkan arus pada induktor berubah terhadap waktu bila baterei dilepas dari rangkaian RL dari kondisi arus awal pada induktor adalah arus maksimum i(0) = ε/R. Nilai arus pada induktor akan terus menurun secara ekponensial, dari persamaan tersebut terlihat bahwa i(t) = 0 dicapai pada t = ∞.

GEJALA TRANSIEN PADA KAPASITOR

Biasanya pengertian kapasitor adalah dua bahan logam yang berbentuk identik yang kedua luas permukaannya dapat berhadapan secara simetris mengikuti arah medan listrik, sehingga memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan listrik. Namun kenyataanya konduktor tunggalpun memiliki kapasitansi yang merupakan ukuran daya tampung muatan. Artinya konduktor tunggal pun mampu menampung muatan listrik. Contoh benda berbentuk bola dapat diberi muatan karena bentuk simetri lainnya dianggap berada di tak hingga. Kapasitor yang tersedia di pasar dapat ditunjukkan dalam berbagai jenis dan ukuran seperti gambar di atas. Simbol untuk kapasitor digambarkan seperti gambar berikut.

Kapasitansi didefinisikan sebagai:
C=Q/∆V

Artinya, daya tampung muatan pada suatu kapasitor bergantung pada beda potensial diantara kedua keping yang berhadapan secara simetris. Nilai beda potensial ini bergantung pada bentuk fisik dan ukuran serta jarak antara kedua keping. Hampir semua komponen dalam rangkaian listrik memiliki kapasitansi, misal kabel, kawat maupun resistor. Satuan SI untuk menyatakan kapasitansi adalah F (farad), namun karena satuan ini terlalu besar untuk keperluan sehari hari digunakan mikrofarad (ditulis μF = 10–6F), nanofarad (ditulis nF = 10–9F) dan pikofarad (ditulis pF = 10–12F).

Gambar 1.10 menunjukkan hubungan antara bentuk fisik dan arah medan listrik pada kapasitor berbentuk keping.

RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK

Pada dasarnya, komponen-komponen rangkaian listrik menunjukkan karakteristik yang berbeda ketika dihubungkan dengan sumber tegangan searah dan ketika dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik. Karena itu, karakteristik rangkaian arus searah berbeda dengan karakteristik rangkaian arus bolak-balik dan salah satu perbedaan tersebut berkaitan dengan fase antara tegangan dan arus.
Pada umumnya, semua rangkaian listrik mempunyai hambatan, kapasitas, dan induktansi meskipun pada rangkaian tersebut tidak terdapat resistor, kapasitor, dan induktor. Akan tetapi nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tersebut tergantung pada jenis komponen yang terdapat dalam rangkaian, dan mungkin pada keadaan tertentu nilai hambatan, kapasitas, dan induktansi tersebut dapat diabaikan, sedangkan pada keadaan lain mungkin tidak dapat diabaikan. Secara teoritis dapat dianggap bahwa rangkaian listrik terdiri dari rangkaian resistif, rangkaian induktif, dan rangkaian kapasitif

RANGKAIAN RESISTIF
Rangkaian resistif merupakan rangkaian yang hanya terdiri dari sumber tegangan (V) dengan resistor yang mempunyai hambatan R dan nilai kapasitas (C) maupun induktansi (L) rangkaian tersebut diabaikan. Perhatikan sebuah rangkaian arus bolak-balik yang terdiri dari sebuah resistor dan generator AC seperti gambar berikut ini:

Tegangan pada resistor VR sama dengan tegangan generator sehingga untuk rangkaian resistif dapat ditulis:

V_R=V_m sin⁡ωt

I_R=V_m/R sin⁡ωt= I_m sin⁡ωt

Dengan demikian akan berlaku juga hubungan sebagai berikut:

I_m=V_m/R

I_ef=V_ef/R

Karena rangkaian resistif dianggap tidak mempunyai induktansi dan kapasitas, maka rangkaian resistif tidak dipengaruhi oleh perubahan medan magnet di sekitarnya. Berdasarkan hal tersebut, maka pada rangkaian resistif, arus dan tegangan bolak-balik mempunyai fase yang sama atau beda fasenya nol.