BESARAN DAN UNSUR-UNSUR RANGKAIAN LISTRIKKuliah Dasar Teknik ElektroOLEH :NGAKAN PUTU SATRIYA UTAMA, ST, MT

Satuan Sistem Internasional (SI)Dimensi mendefinisikan karakteristik fisik.Satuan merupakan bakuan atau acuan yang dapat menyatakan dimensi dalam bilangan.Konferensi Internasional Mengenai Berat dan Ukuran (1954), menetapkan enam satuan dasar, yaitu:1. Satuan panjang (meter/m)2. Satuan massa (kilogram/kg)3. Satuan waktu (detik/s)4. Satuan arus listrik (Ampre/A)5. Satuan suhu (Kelvin/K)6. Satuan kuat cahaya (Kandela/ca)

Daftar Awalan Satuan menurut SI

KelipatanAwalanLambang1018eksaE1015petaP1012teraT109gigaG106megaM103kilok102hektoh10dekada10-1desid10-2sentic10-3milim10-6mikro10-9nanon10-12pikop10-15femtof10-18atoa

Besaran Dalam Teknik ListrikSeluruh teknik listrik dapat diungkap dalam besaran-besaran dasar, massa dan arus serta kedudukannya dalam ruang waktu. Namun hal tersebut akan menimbulkan kesulitan dan untuk mengatasinya diperkenalkan konsep abstrak seperti daya, tenaga, dan tegangan.Masing-masing konsep diuraikan dalam istilah yang lebih sederhana atau menurut hubungannya dengan satuan dasar.

Contoh Soal:Suatu sistem mekanika yang menghasilkan persamaan gaya telah diturunkan menjadif = (M du/2 dt) + Du + K u dtdengan u adalah kecepatan dalam ms-1, M adalah massa, dan K adalah konstanta pegas dalam m.N-1. Bagaimana satuan untuk D? Periksalah apakah persamaan di atas telah memenuhi syarat menurut dimensinya?

Penyelesaian:Karena ruas kiri dari persamaan tersebut adalah gaya dengan dimensi MLT-2, maa setiap suku pada ruas kanannya jua harus mempunyai dimensi yang sama. Oleh karena itu, untuk suku yang mengandung DMLT-2 = [D] LT-1 atau[D] = (MLT-2) / (LT-1) = MT-1dan satuan D dalam SI adalah kg.s-1

Penyelesaian:Dimensi suku pertama ruas kanan adalahM.(LT-1/T) = MLT-2Yang benar adalah dimensi gaya. Tampak bahwa tidak ada konfirmasi mengenai keabsahan faktor , dan harus diuji dengan cara lain.Satuan K adalah m.N-1, sehingga dimensi suku terakhir ruas kanan itu adalah(L/MLT-2).LT-1.T = M 1LT 2 MLT-2 Ternyat dimensi tersebut bukan dimensi gaya dan karena itu suku terakhir tersebut tidak benar.

Besaran Dalam Teknik ListrikKonsep tenaga dapat menyatakan secara sederhana mengenai salah satu hukum dasar alam.Satuan tenaga adalah Newton-meter dengan dimensi ML2T-2 yang menurut SI disebut joule mengikuti nama fisikawan Inggris, James Prescott Joule (1818-1889.

Besaran Dalam Teknik ListrikDaya mengukur kecepatan perubahan tenaga yang dipergunakan, yaitu banyaknya kerja yang dilakukan dalam satu satuan waktu.Dalam SI dinyatakan sebagai joule per detik dengan dimensi ML2T3, dan dinamakan Watt (W).Nama satuan daya diberikan untuk menghormati James Watt (1736-1819), ahli rekayasa teknik Skotlandia yang pertama kali membuat mesin uap praktis dan memicu revolusi industri

Besaran Dalam Teknik ListrikMuatan listrik adalah integral arus terhadap waktu, merupakan suatu konsep yang berguna untuk menyatakan gejala-gejala fisik. Muatan tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.Muatan dikatakan terkuantifikasi karena muatan sebuah elektron merupakan ukuran muatan terkecil di alam.Menurut SI, muatan adalah satuan yang diturunkan dan disebut Coulomb (C) yang sama dengan ampere-detik. Nama satuan tersebut dipilih untuk menghormati Charles Agustin de Coulomb, ilmuwan, penemu, dan ahli rekayasa teknik militer Perancis yang merupakan pelopor dalam hal gesekan, listrik dan magnet.Muatan sebuah elektron adalah sebesar 0,1602 aC.

Besaran Dalam Teknik ListrikPerjanjian mengenai arah arus mengikuti keputusan yang diambil oleh Benjamin Franklin (1752) yang dibuat sebelum listrik dikenal ada hubungannya dengan elektron.Satuan arus menurut SI adalah ampere yang merupakan salah satu satuan dasar, sama dengan Coulumb per detik dengan dimensi T-1Q. Nama satuan arus listrik dipilih untuk menghormati Andre Marie Ampere (1775-1836) yang menemukan hubungan antara arus listrik dan induksi magnet.

Besaran Dalam Teknik ListrikAda dua macam arus listrik, yaitu arus DC dan arus AC.Dalam arus DC, mula-mula muatan mengalir dalam suatu arah dan kemudian berbalik ke arah yang lain untuk selanjutnya mengulangi daur tersebut dalam periode tertentu.Dalam arus AC, aliran muatan hanya mengalir ke satu arah saja untuk sepanjang waktu pengamatan.

Besaran Dalam Teknik ListrikElektron mempunyai massa dan harus diberi tenaga agar dapat bergerak. Pada saat arus listrik mengalir dalam suatu penghantar, elektron terus menerus mengalami tumbukan dengan molekul logam sehingga terpental kearah yang tidak semestinya. Maka diperlukan tegangan agar muatan dapat bergerak dari suatu kedudukan ke kedudukan lainnya.Tegangan (potensial) didefinisikan sebagai tenaga yang diperlukan satu satuan muatan untuk bergerak dari suatu titik ke titik lain karena pengaruh gaya listrik. Tegangan adalah kerja per satuan muatan.

Besaran Dalam Teknik ListrikSatuan potensial menurut SI adalah Joule per coulomb dengan dimensi ML2T-2Q-1 yang disebut Volt (V).Nama satuan ini digunakan untuk menghormati Alessandro Volta (1745-1827), fisikawan Italia yang menemukan baterai listrik.

Besaran Dalam Teknik ListrikGaya gerak listrik (ggl) adalah selisih tegangan yang berhubungan dengan sumber tenaga listrik.Jika ada arus yang mengalir dalam rangkaian maka akan timbul medan gaya lain disekitar rangkaian tersebut, yaitu medan magnet yang muncul sekaligus bersamaan dengan medan listrik yang ditimbulkan oleh muatannya.Dimensi untuk rapat fluks magnet (Tesla) adalah LT-1Q-1 . Nama satuan itu mengikuti nama ahli rekayasa teknik Amerika-Kroasia, Nikola Tesla (1856-1943).

Besaran Dalam Teknik ListrikGaris gaya (fluks) magnet dinyatakan dalam Weber (Wb) dengan dimensi M2LT-1Q-1. nama Weber mengikuti nama fisikawan Jerman, Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) yang banyak meneliti gejala magnet.

Sumber Dan Unsur RangkaianSuatu rangkaian listrik umumnya dicirikan oleh adanya satu atau lebih sumber yang dihubungkan dengan satu atau lebih beban sebagai penerima tenaga listrik.Sumber sempurna akan memberikan tegangan tetap atau arus tetap.Sumber tegangan sempurna adalah sumber yang tegangannya tidak tergantung kepada beban yang dipasangkan pada kutub-kutubnya. Sumber arus sempurna dicirikan oleh sumber yang arusnya tidak bergantung pada sambungan yang dipasangkan diantara kutub-kutubnya.

Ada 3 jenis hubungan yang mengakibatkan terdapat 3 macam unsur rangkaian yang terlibat didalamnya:Unsur rangkaian yang memerlukan tegangan sebanding dengan arus yang mengalir didalamnya. Konstanta pembandingnya disebut resistansi.Unsur rangkaian yang membutuhkan tegangan sebanding dengan turunan waktu atau kecepatan perubahan arus yang mengalir didalamnya. Konstanta pembandingnya disebut induktansi.Unsur rangkaian yang memerlukan arus sebanding dengan turunan waktu tegangan di antara kutub-kutubnya. Konstanta pembandingnya disebut resistansi.

Resistansi: Hukum OhmUnsur rangkaian jenis pertama yang disebutkan diatas, memerlukan tegangan antara kutub-kutubnya yang berbanding lurus dengan arus yang melaluinya.v = Ri(volt)R (resistansi) dalam SI dinyatakan dalam ohm () dengan dimensi ML2T-1Q-2.Hubungan antara arus dan tegangan seperti persamaan diatas disebut sebagai hukum Ohm. Mengikuti nama fisikawan jerman, George Simon Ohm (1787-1854).

Contoh soal:Misalkan antara ujung sebuah resistor 3 terdapat tegangan 12 V. tentukan dayanya dan periksa daya tersebut jika dipergunakan konduktansi.

Penyelesaian:Hukum ohm: v = iRi = v/R = 12/3= 4 Ap = vi = 12 x 4 = 48 WG (konduktansi) = (1/3)S; konduktansi diukur dalam mho atau siemens menurut SI. Dimensinya M-1L-2TQ2.p = v2G = 122 x (1/3) = 48 W

Resistansi: Hukum OhmResistansi suatu penghantar dengan dimensi yang seragam berbanding lurus dengan panjangnya, berbanding terbalik dengan luas penampangnya, dan bergantung pada sifat penghantaran fisik bahannya.R = (l/A). adalah resistivitas bahan (ohm.meter), l panjang penghantar (m), dan A luas penampang penghantar (m2).

Resistansi: Hukum OhmUmumnya logam digunakan sebagai bahan konduktor. Berikut ini Resistivitas beberapa penghantar:

Resistansi: Hukum OhmIsolator adalah bahan dengan resistivitas yang sangat tinggi, biasanya dalam orde ribuan megaohm atau lebih, Isolator digunakan untuk membatasi agar arus listrik tidak keluar dari jalur yang telah ditentukan (rangkaian listrik).

Contoh Soal:Tentukan resistansi sepotong kawat baja yang dipanasi sampai 230o C jika resistansinya pada 30o adalah 120 .Penyelesaian:R2 = 120 [1 + 0,006 ( 230-30)]= 121,2 .

InduktansiJenis unsur rangkaian kedua memerlukan tegangan antara kutub-kutubnya yang adalah sebanding dengan kecepata perubahan arus yang melaluinya.Secara kuantitatf tegangan tersebut adalah:v = L (di/dt)voltL adalah induktansi diri, dinyatakan dalam Henry (H) degan dimensi ML2Q-2. Nama satuan itu mengikuti nama fisikawan Amerika, Joseph Henry (1797-1878).Benda fisik yang ciri utamanya adalah induktansi disebut induktor.

Jenis unsur rangkaian ketiga memerlukan arus yang melaluinya sebanding dengan turunan waktu tegangan antara kutub-kutubnya. Secara kuantitatif, arus tersebut adalah:i = C (dv/dt)ATegangan unsur itu dapat diturunkan dari persamaan diatas menjadi:v = 1/C idtVKapasitansi

KapasitansiKonstanta pembanding C menyatakan sifat penyimpanan muatan dalam unsur itu yang disebut kapasitansi. Satuannya adalah farad (F) dan mempunyai dimensi M-1L-2T2Q-2. nama farad mengikuti nama fisikawan dan kimiawan Inggris, Michael Faraday (1791-1867).