Hukum-hukum dalam Ilmu Listrik (Ohm)

hukum Ohm 

Kita hubungkan sebuah tahanan pada suatu tegangan dan membentuk suatu rangkaian arus tertutup, maka melalui tahanan tersebut mengalir arus yang besarnya tertentu. Besar kecilnya arus tergantung pada tahanan dan tegangan yang terpasang. Penjelasan tentang hubungan antara tegangan, kuat arus dan tahanan pada suatu rangkaian arus diperlihatkan oleh percobaan berikut :

Percobaan :

a) Pengukuran kuat arus pada bermacam-macam tegangan (2V, 4V, 6V) dan besarnya tahanan konstan (10W).

Gambar; Arus pada bermacam-macam tegangan

Perhatikan : Kuat arus I berbanding langsung dengan tegangan U

Percobaan :

b) Pengukuran kuat arus pada bermacam-macam tahanan (10W, 20W, 30W).dan besarnya tegangan konstan (6V).

Gambar; Arus pada bermacam-macam tegangan

Perhatikan : Kuat arus I  berbanding terbalik dengan tahanan R

Secara umum berlaku :

Kuat arus I adalah :   a) berbanding langsung dengan tegangan U

                                    b) berbanding terbalik dengan tahanan R

Hal tersebut diringkas kedalam suatu formula, maka kita peroleh hukum Ohm.

Dalam hal ini digunakan satuan Volt, Ampere dan Ohm.

 

1.1.      Grafik tegangan fungsi arus

Kita tempatkan tegangan termasuk juga arusnya kedalam suatu sistim koordinat yang bersudut siku-siku (pada sumbu horisontal tegangan U sebagai besaran yang diubah-ubah dan pada sumbu vertikal arus I yang sesuai sebagai besaran yang berubah) dan titik ini satu sama lain saling dihubungkan, maka kita dapatkan grafik tegangan fungsi arus.

Untuk percobaan a) yang dilaksanakan dengan tahanan R = 10 W diperoleh grafik sebagai berikut :

Pada tahanan yang tetap konstan maka grafiknya lurus seperti diperlihatkan pada gambar.

Contoh :

1.  Suatu kompor listrik untuk 220 V menyerap arus sebesar 5,5 A.Berapa besarnya tahanan kompor listrik ?

     Diketahui :             U = 220 V;     I = 5,5 A

     Ditanyakan :          R
    Jawaban :     

2.  Pada suatu tahanan tertulis data 4 kW dan 20 mA.

     Berapa besarnya tegangan maksimum yang boleh terpasang ?

     Diketahui :             R = 4 kW = 4000 W

                                    I   = 20 mA = 0,02 A

     Ditanyakan :          U

     Jawaban :              U = I . R           U = 4000 W . 0,02 A = 80 V

3.  Pada gambar 2.4 ditunjukkan grafik tegangan fungsi arus untuk tiga buah tahanan. Berapa besarnya nilai-nilai tahanan tersebut ?

Jawaban :

     Grafik a :    Untuk U = 10 V besarnya arus I = 20 mA = 0,02 A

      
 Grafik b :    Untuk U = 40 V besarnya arus I = 20 mA = 0,02 A

Grafik c :         Untuk U = 30 V besarnya arus I = 5 mA = 0,005 A

2.         Rangkaian seri tahanan

Suatu rangkaian seri tahanan terbentuk, jika untuk tegangan yang terpasang pada semua tahanan berturut-turut mengalir arus yang sama.

Gambar 2.5     Rangkaian seri tahanan

Penjelasan tentang tegangan, arus dan tahanan untuk rangkaian seri dapat diperhatikan pada percobaan berikut ini :

a).Percobaan :

Pengukuran arus I dengan memasang alat pengukur arus didepan, diantara dan dibelakang tahanan.

Gambar 2.6 Arus pada rangkaian seri

Pada rangkaian seri kuat arus di semua tahanan besarnya sama.

Disini pada rangkaian arus tak satupun tempat bagi elektron-elektron untuk dapat keluar. Yaitu arus yang tidak pernah digunakan !

2.1.      Pembagi tegangan tanpa beban

Pembagi tegangan terdiri atas dua tahanan (R₁, R₂) yang terhubung seri, Dengan bantuannya maka tegangan terpasang (U) dapat terbagi kedalam dua tegangan (U₁, U₂).

Gambar 2.10     Pembagi tegangan tanpa beban

Disini tahanan R₁ dan R₂ berturut-turut dialiri oleh arus I yang sama, untuk rangkaian seri tahanan tersebut berlaku :

Selanjutnya tahanan total R_total :

Persamaan tersebut hanya berlaku, jika melalui kedua tahanan mengalir arus yang sama, berarti bahwa pada “tap” pembagi tegangan tidak ada arus yang diambil (pembagi tegangan tidak berbeban). Melalui pemilihan R₁ dan R₂ yang sesuai, seluruh nilai tegangan dapat disetel antara nol dan tegangan total U. Untuk rangkaian pembagi tegangan dapat juga menggunakan suatu tahanan dengan “tap” yang variable (dapat berubah), biasa disebut potensiometer.

2.2.      Tahanan depan

Dengan bantuan tahanan yang terpasang seri pada beban, maka tegangan pada beban dapat diperbesar. Tahanan semacam ini disebut tahanan depan.

Contoh :

Sebuah lampu pijar 1,5V/0,2A melalui tahanan depan harus dihubungkan ke tegangan yang tersedia U = 4,5 V.

Berapa besarnya tahanan depan yang harus terpasang agar data nominal lampu pijar terpenuhi ?

                        Gambar 2.12     Rangkaian arus dengan tahanan depan

Tahanan depan harus menyerap tegangan sebesar :

                        U_d = U - U_L;        U_d = 4,5 V - 1,5 V = 3 V

Arus nominal lampu I = 0,2 A mengalir juga melalui tahanan depan dan disini menimbulkan tegangan jatuh U_d = 3 V.

Dengan hukum Ohm tahanan depan dapat ditentukan sebagai berikut :

Tahanan depan dapat mereduksi kelebihan tegangan, didalam tahanan tersebut terjadi panas.

Tahanan depan digunakan untuk menurunkan tegangan dan dengan demikian menurunkan kuat arus putaran motor, lampu, alat ukur dan sebagainya.

Oleh karena itu tahanan depan harus mampu dialiri sebesar arus nominal beban, jika tidak maka tahanan terbakar.

Dengan tahanan depan, suatu tegangan tidak dapat diturunkan hingga nol seperti pada pembagi tegangan, disini untuk maksud tersebut tahanan depan harus memiliki nilai tahanan yang tak terhingga besarnya.

2.3.      Tegangan jatuh pada penghantar

Percobaan :

a)       Sebuah lampu pijar dihubung ke tegangan sumber (misal akumulator) melalui ampermeter dengan menggunakan kawat yang panjang dan dengan diameter kecil.

Sebelum dan sesudah lampu dihidupkan, tegangan pada ujung awal dan ujung akhir penghantar diperbandingkan.

Gambar 2.13     Tegangan jatuh pada penghantar

Perhatikan: Sebelum lampu dihidupkan tegangan pada ujung awal dan ujung akhir penghantar sama besarnya.

Setelah lampu dihidupkan tegangan pada ujung akhir penghantar berkurang dibanding pada ujung awal penghantar.

Penyebab berkurangnya tegangan tersebut terletak pada tegangan jatuh (simbol formula U_a) didalam penghantar masuk dan keluar.

Tegangan jatuh ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui tahanan kawat.

b)  Percobaan a) diulang dengan menambahkan lampu pijar yang lain serta penghantarnya diperpanjang lagi.

Perhatikan: Setelah kedua lampu dihidupkan maka tegangan jatuh U_a semakin berkurang, demikian pula pada perpanjangan penghantar.

Penyebab semakin berkurangnya tegangan jatuh disebabkan oleh semakin besarnya arus dan semakin besarnya tahanan penghantar.

Tegangan jatuh U_a pada penghantar semakin besar,

jika arus I didalam penghantar makin besar dan

jika tahanan penghantar R_L makin besar.

U_a = I . R_L

U_a  Tegangan jatuh dalam V

R_L  Tahanan penghantardalam W

I     Arus penghantar dalam A

Tegangan jatuh merupakan penanggung jawab terjadinya kerugian pada penghantar, dia menurunkan tegangan pada beban yang bisa jadi hingga berada dibawah tegangan nominal yang dibutuhkan.

Atas dasar hal tersebut maka tegangan jatuh yang diijinkan untuk instalasi arus kuat hingga 1000 V ditetapkan dalam prosent dari tegangan kerjanya (simbol formula u_a). Pada pengukuran penghantar perlu memperhatikan tegangan jatuh yang diijinkan.

Saluran masuk rumah hingga kWh meter  u_a = 0,5 %

kWh meter hingga lampu pijar dan peralatan        u_a = 1,5 %

kWh meter hingga motor                                          u_a = 3,0 %

Contoh :

Melalui penghantar alumunium dengan luas penampang 6 mm² dan panjang 40 m untuk satu jalur mengalir 20 A. Penghantar terhubung pada tegangan 220 V. Berapa besarnya tegangan jatuh dalam V dan dalam prosent dari tegangan jala-jala?

Diketahui :     A = 6 mm² ;     l = 40 m;     I = 20 A;      U = 220 V

Ditanyakan :   U_a,  u_a

Jawaban :      U_a = I . R_L ;     U_a = 20 A . 0,371 W = 7,42 V