Konsep Dasar Energi Listrik - bag 1

Konsep Dasar Energi Listrik - bag 1

A. Pengenalan Arus Searah (DC)

1. Generator DC

Sebuah Generator DC adalah mesin pengubah dari energi mekanik menjadi suatu energi listrik. Sedangkan untuk penggerak pada generator disebut penggerak utama yang bisa berbentuk mesin diesel, turbin uap, turbin air, dll.

Prinsip kerja generator DC adalah berdasarkan hukum Faraday dimana konduktor akan memotong medan magnet. Kemudian GGL (Gaya Gerak Listrik) atau induksi akan keluar beda tegangan dan adanya komutator yang terpasang pada sumbu generator maka pada terminal generator akan terjadi tegangan yang searah.

2. Baterai atau Aki (Accumulator)

Baterai atau Aki (accu) adalah sebuah sel listrik yang mana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (bisa berbalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel, adalah didalam baterai bisa berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan),

Dan juga sebaliknya dari tenaga listrik akan menjadi tenaga kimia (proses pengisian) kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang digunakan, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan didalam sel. Setiap sel baterai ini terdiri dari dua macam elektroda yang berlainan, yaitu elektroda negatif dan elektroda positif yang dicelupkan dalam sebuah larutan kimia.

3. Arus Listrik

Arus listrik adalah sebuah proses mengalirnya suatu elektron secara terus-menerus (kontinyu) pada sebuah konduktor. Akibat dari perbedaan jumlah elektron yang ada pada beberapa daerah dengan jumlah elektronnya tidak sama. Untuk satuan arus listrik adalah Ampere (A). Kemudian pada 1 ampere arus adalah mengalirnya elektron sebanyak 628x1016 atau sama dengan 1 Coulumb per detik yang melewati suatu penampang konduktor.

4. Kuat Arus Listrik

Kuat arus listrik adalah arus yang tergantung pada jumlah atau banyak sedikitnya elektron bebas yang pindah melewati suatu penampang kawat dalam satuan waktu.

Definisi tambahan: Ampere adalah satuan kuat arus listrik yang bisa memisahkan 1.118 milligram perak dari nitrat perak murni dalam satu detik. Rumus – rumus untuk menghitung banyaknya sebuah muatan listrik, kuat arus dan waktu.

Q = I x t

1 (satu) Coulomb = 6,28 x 1018 elektron

Dimana :

Q = Jumlah atau banyaknya muatan listrik dalam satuan coulomb

I = Kuat Arus dalam satuan Ampere.

t = Waktu dalam satuan per detik.

Contoh soal tentang Kuat Arus Listrik

Sebuah baterai memberikan arus 0.5 A pada sebuah lampu pijar selama 2 menit. Berapakah banyaknya muatan listrik yang dipindahkan ?.

Jawab :

Diketahui :

I = 0.5 amp

t = 2 menit.

Ditanyakan : Q (muatan listrik).

Penyelesaian :

t = 2 menit = 2 x 60 = 120 detik/second

Q = I x t

  = 0.5 x 120 = 60 coulomb.

5. Rapat Arus

Rapat arus adalah besarnya arus listrik pada tiap-tiap mm² luas penampang kawat. Rumus-rumus dibawah ini bisa digunakan untuk menghitung besarnya rapat arus, penampang kawat dan kuat arus.

Dimana:

S = Rapat arus [ A/mm²]

I = Kuat arus [ Amp]

q = luas penampang kawat [ mm²]

6. Resistansi dan daya hantar .

Resistansi definisikan sebagai berikut:

Pada 1Ω adalah resistansi satu kolom air raksa yang panjangnya 1063 mm dengan penampang 1 mm² pada temperatur 0ºC.

Daya hantar definisikan sebagai berikut:

Kemampuan suatu penghantar arus atau daya hantar arus, sedangkan isolasi atau penyekat adalah sebuah bahan yang memiliki resistansi yang sangat besar sehingga tidak memiliki daya hantar atau daya hantarnya sangat kecil yang berarti sangat sulit dialiri arus listrik.

Rumus untuk menghitung sebuah besarnya resistansi listrik terhadap daya hantar arus.

Dimana :

R = Resistansi kawat listrik (Ω/ohm)

G = Daya hantar arus (Y/mho)

Resistansi pengahantar besarnya akan berbanding terbalik terhadap luas penampangnya. Jika suatu penghantar dengan penampang q, dan panjang l, serta resistansi jenis ρ (rho), maka resistansi penghantar tersebut adalah:

Dimana :

R = resistansi kawat (Ω/ohm)

l = panjang kawat (meter/m)

ρ = resistansi jenis kawat (Ωmm²/meter)

q = penampang kawat (mm²)

Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai resistansi, karena resistansi pada setiap jenis material sangat tergantung pada :

• panjang resistansi

• temperatur.

• luas penampang konduktor.

• jenis konduktor

7. Potensial

Potensial listrik adalah berpindahnya sebuah aliran arus listrik akibat dari area yang berbeda potensialnya. Dari hal tersebut diatas kita mengetahui adanya perbedaan potensial listrik yang sering disebut juga dengan potential difference. Untuk satuan dari Beda Potensial adalah Volt.

B. Rangkaian Arus Searah (DC)

Pada suatu rangkaian akan mengalir arus, jika sudah memenuhi syarat-syarat seperti berikut :

1. Adanya alat penghubung

2. Adanya sumber tegangan

3. Adanya beban

Pada saat kondisi sakelar S terbuka maka arus tidak akan mengalir melalui beban . Jika sakelar S ditutup maka akan mengalir arus ke beban R dan Ampere meter akan menunjuk. Dengan kata lain syarat untuk mengalirnya sebuah arus pada suatu rangkaian harus tertutup.

1. Cara Pemasangan Alat Ukur

Pemasangan untuk alat ukur Voltmeter bisa dipasang secara paralel dengan sumber tegangan atau beban, karena resistansi dalam dari sebuah Voltmeter sangat tinggi. Kemudian sebaliknya juga pemasangan pada alat ukur Amperemeter harus dipasang secara seri, hal ini dikarenakan resistansi dalam dari Amperemeter ini sangat kecil.

2. Hukum Ohm

Rangkaian pada sebuah rangkaian tertutup :

Besarnya arus I akan berubah sebanding dengan tegangan V dan akan berbanding terbalik dengan beban resistansi/resistor (R), atau bisa dinyatakan menggunakan Rumus :

Contoh :

Suatu beban yang memiliki resistansi R = 100 Ω, dihubungkan kesumber tegangan ( V ) yang besarnya 220 Volt.

Berapakah besar arus ( I ) dan daya (P) yang mengalir pada rangkaian tersebut?.

Jawab :

3. Hukum Kirchoff

Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus mengalir dan bertemu di satu titik adalah nol (∑I=0)

Gambar : Loop arus “ KIRCHOFF “

Jadi :

I1 + ( -I2 ) + ( -I3 ) + I4 + ( -I5 ) = 0

I1 + I4 = I2 + I3 + I5

C. Pengertian Arus Bolak-balik (AC)

1. GEM (GAYA ELEKTROMOTORIS)

Jika sebatang penghantar digerakan sedemikian rupa didalam sebuah medan magnet, sampai garis-garis medan magnet terpotong bebas didalam penghantar akan bekerja gaya. Yang kemudian menggerakan elektron tersebut sejalan dengan arah penghantar.

Akibatnya adalah penumpukan elektron (pembawa muatan negatif) disebelah bawah dan kekurangan elektron yang sebanding diujung batang sebelah atas. Dan didalam batang penghantar akan terjadi tegangan, selama berlangsungnya gerakan penghantar yang berjalan didalam medan magnet.

Membangkitkan tegangan dengan bantuan medan magnet atau biasanya dinamakan menginduksikan, dan kejadian itu sendiri disebut induksi tegangan

Hubungan antara frekuensi, kecepatan putar dan juga tegangan yang keluar pada generator AC .

• Frekuensi

dimana :

P = jumlah kutub magnet.

N = putaran rotor per-menit

F = jumlah semua putaran perdetik.

• E.M.F (eletro motor force)

E = 4,44 K C K D Φf [Volt ]

dimana :

Kc = jarak antar kumparan atau pitch faktor.

Kd = faktor distribusi.

Φ = fluks per kutub [weber]

f = frekuensi.

Persamaan tegangan bolak-balik (AC)

Telah diketahui bahwa pada perputaran kumparan dengan percepatan tertentu yaitu ω radians second atau 2π radians dan kemudian grafik tegangan untuk satu siklus yaitu: ω = 2πf sesuai standar persamaan dari tegangan bolak-balik adalah :

• e = Em sin θ

• e = Em sin ωθ

• e = Em sin 2πft

• e = Em sin ωt

a. Nilai Sesaat (Instantaneous value)

Didefinisikan sebagai nilai sesaat ketika berputar dimana nilai pada daerah tertentu, untuk membedakan dengan notasi arus dan tegangan. Kemudian nilai sesaat dinotasikan sebagai e dan i (huruf kecil).

b. Nilai Puncak (peak value)

Disebut juga dengan nilai maximum baik itu negatif (-) maupun Positit (+), juga baik itu untuk tegangan atupun arus dan juga disebut sebagai nilai makismum.

c. Nilai rata-rata (average value)

Nilai rata-rata yang dihitung secara arithmetical satu detik (siklus). nilai rata-rata tegangan dan arus bolak-balik yang berbentuk gelombang sinusoidal adalah :

Eav = 0,637 Em  dan-juga  Iav = 0,637 Im ( 0,637 =2/ π ).

d. Nilai efektif, (effectiv value)

Nilai efektif atau nilai berguna dari arus bolak-balik yang berbentuk sinus adalah suatu nilai arus yang lebih penting dari pada nilai arus rata-rata. Arus yang mengalir pada suatu resistansi ”R” selama waktu ’t’, akan melakukan sejumlah pekerjaan yang menurut rumus :

A = I².R.t  [joule]

Pekerjaan ini dalam bentuk panas. Apabila resistansi R dilewati arus bolak-balik

i = Im.sin ωt

dan didalam waktu "t" yang sama, arus bolak-balik tersebut melakukan sejumlah usaha yang sama besarnya dengan

= I²m.R.t [joule]

Nilai efektif arus bolak-balik adalah nilai tetap dari arus rata yang didalam waktu yang sama melakukan sejumlah usaha

I²m.R.t [joule]

Yang besarnya dengan pekerjaan yang dilakukan oleh arus bolak-balik. sehingga bentuk persamaan tersebut yang diatas berubah menjadi:

A = I²m.sin²ωt

yang artinya ;

  i² = I²m.sin²ωt

   = I²m (½ - ½.cos 2ωt)

   = (½I²m - ½. I²m cos 2ωt)

Jadi arus i² merupakan arus campuran yang terdiri dari dua bagian yaitu :

• Pada bagian arus yang rata dengan nilai ½ I²m .

• Pada bagian yang berubah–ubah menurut rumus cosinus (grafik). ½. I²m cos 2ωt

Dari bagian yang rata adalah sebagai nilai puncak yang bila dihitung merupakan harga efektif dari arus bolak-balik adalah akar dari harga puncak yaitu :

Ieff = √½. I²m

Ieff = Im √½.

untuk tegangan sama :

2. Frekuensi dan Periode Arus Bolak-balik (Arus AC)

Frekuensi arus bolak-balik bisa dinyatakan sebagai berikut :

• Waktu yang dibutuhkan oleh arus AC untuk kembali pada nilai yang sama dan arah yang sama (1 detik) disebut periode, dengan simbol T dan dinyatakan dalam detik/siklus.

• Amplitudo adalah nilai maximum arus yang ditunjukkan garis grafik.

• Nilai sesaat adalah nilai yang ditunjukkan garis grafik pada suatu saat.

• FREKUENSI arus bolak-balik adalah jumlah perubahan arah arus per detik [ f = 1/T ]

• Frekuensi juga dinyatakan dalam HERTZ, yang mana 1 Hz = 1 siklus per detik

3. Frekuensi Sistem

Frekuensi sistem di Indoneisa (PLN) adalah 50 HZ, artinya :

• Dalam waktu 1 detik akan menghasilkan 50 gelombang

• 1 gelombang membutuhkan waktu sekitar 1/50 detik

Jika frekuensi besarnya adalah f Hz, maka :

• Dalam waktu 1 detik akan menghasilkan f gelombang

• 1 gelombang membutuhkan sekitar waktu 1/f detik.

Kemudian untuk mencapai 1 gelombang penuh atau (periode penuh) membutuhkan waktu T detik. Jadi :

4. Resistansi Ohm (Resistansi) pada Rangkaian Arus Bolak-Balik

Apabila sebuah resistansi Ohm ”R” (resistansi) dipasangkan pada generator G yang akan mengeluarkan tegangan bolak-balik sebesar :

e = Em. sinωt

5. Resistansi Induktif

Gambar dibawah ini menunjukan sebuah belitan induksi yang memiliki koefisiensi induksi diri ”L” yang dihubungkan pada sumber tegangan arus bolak-balik atau tegangan yang berbentuk sinusiodal.

e = Em.sin ωt.

Dengan demikian belitan akan dilewati arus listrik bolak-balik (IL), yang harus kita selidiki dan pelajari adalah bagaimana perubahan sifat-sifat dari arus IL tersebut. Untuk itu harus diketahui bahwa pada belitan induksi ”L” akan mengalir arus bolak-balik yang berbentuk gelombang sinus yang besarnya yaitu :

iL = ILM.sin ωt atau iL = ILM.sin 2πf t

Akan membangkitkan sejumlah garis gaya magnit (fluks) didalam belitan tersebut menurut rumus :

Φ= L.iL

maka

Φ = L.ILM.sin ωt

dimana

Φ = Φm.sin∀

(teori cara-cara membangkitkan tegangan yang berbentuk gelombang sinus).

Garis gaya elektromagnit (Ν) akan berubah-ubah menurut garis sinus dengan nilai puncak

N = L.ILM

sebagaimana yang diketahui, bahwa besarnya tegangan induksi eL ditetapkan dengan rumus :

Besarnya tegangan arus bolak-balik dari generator adalah :

e = Em.sinωt

dan dihubungkan dengan Induktor L sehingga akan mengalir arus bolak-balik iL yang akan terbelakang 90º terhadap tegangan ”e” sehingga iL tersebut akan memiliki bentuk rumus seperi berikut :

IL  = ILM . sin (ωt − 90º)

diketahui :

ILm dan Em dibagi menjadi √2 akan menjadi nilai efektif IL dan Em maka :

dimana :

IL = Nilai efektif dari kuat arus yang mengalir pada belitan induksi.

E = Nilai efektif dari tegangan sumber yang dihubungkan pada belitan induksi.

L = Koefisien induksi diri dari belitan dan diukur dalam satuan Henry.

ω = Frekuensi putar generator yang diukur pada satuan rad/detik.