Mengukur Arus Listrik dan Beda Potensial – Pada musim penghujan, seringkali terjadi hujan deras yang disertai angin dan petir. Hari ini langit tampak mendung dan gelap, sepertinya akan turun hujan. Kresna dan Arjuna bergegas pulang ke rumah. Lalu tampak kilatan cahaya dari langit yang menyentuh bumi dan, “dddyyyyyaaaaaaarrrrrr…..”, suara petir menggelegar. Kresna dan Arjuna pun terkejut mendengarnya. Titik-titik air pun jatuh dari langit dengan lebatnya. Mereka terpaksa berteduh di dalam perpustakaan sambil bercakap-cakap.
Petir adalah fenomena alam yang diakibatkan oleh perbedaan potensial antara awan dan bumi. Awan mengandung energi listrik karena di dalamnya terdapat muatan-muatan listrik. Apa kalian tahu apa itu beda potensial? Sebelum belajar lebih lanjut tentang potensial listrik, kalian harus memahami materi tentang listrik dinamis dan arus listrik. Ayo, simak ulasan berikut.
Mengukur Arus Listrik
Listrik merupakan salah satu bentuk energi. Listrik yang selalu bergerak setiap saat disebut listrik dinamis. Muatan listrik negatif—elektron bebas—di dalam kawat penghantar memiliki arah gerak yang berlawanan dengan arus listrik. Pergerakan muatan ini didorong oleh medan listrik yang bergerak secara berlawanan terhadap muatan negatif. Tidak hanya muatan negatif yang bergerak, tetapi muatan positif pun bergerak searah dengan arus listrik. Benda yang memiliki muatan positif lebih banyak dinilai memiliki potensial yang lebih tinggi. Jika kedua benda yang berbeda potensial ini dihubungkan dengan sebuah kawat penghantar, maka akan timbul arus listrik, seperti pada petir. Adapun mekanisme munculnya arus listrik, akan ditunjukkan oleh gambar berikut.
Dengan demikian, arus listrik didefinisikan sebagai muatan yang mengalir dalam selang waktu tertentu melalui sebuah penampang atau dapat dirumuskan sebagai berikut.
Satuan Internasional arus listrik adalah ampere (A) dimana satu ampere setara dengan satu Coloumb/ sekon (C/s). Satu ampere didefinisikan sebagai kuat arus tetap yang dialirkan melalui dua buah kawat yang sangat panjang dengan ketebalan yang dapat diabaikan, dimana dua buah kawat ini diletakkan sejajar sejauh 1 meter pada ruang vakum sehingga menghasilkan gaya sebesar 2×10-7 N setiap meter kawat.
Lalu pernahkah terpikir oleh kalian bahwa pada sel saraf manusia juga terjadi arus listrik meskipun hanya berorde mikro? Sel saraf menghantarkan impuls yang terdiri dari ion-ion dari satu bagian tubuh ke bagian tubuh yang lain. Namun, perlu dipahami bahwa mekanisme permbatan impuls listrik dalam suatu sel saraf sangat jauh berbeda dengan konduksi listrik pada penghantar logam.
Tentunya, untuk memindahkan elektron dari satu ujung kawat penghantar ke ujung lain karena adanya perbedaan potensial memerlukan energi bukan? Energi ini disebut sebagai beda potensial listrik atau tegangan. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
V = beda potensial listrik atau tegangan (V);
W = energi (J); dan
Q = besar muatan (C).
Contoh Soal
Sumber energi listrik sebesar 180 kJ akan dipasang dalam sebuah instalasi sehingga menghasilkan beda potensial sebesar 20 V. Berapakah kuat arus yang dapat dialirkan dalam waktu 0,25 jam?
Penyelesaian
Diketahui:
W = 180 kJ = 180.000 J
V = 20 V
t = 14 jam = 15 menit = 900 s
Ditanyakan: I?
Jawab:
Jadi, kuat arus yang dialirkan sebesar 10 A.
Mengukur Arus Listrik dan Beda Potensial
Hujan belum juga reda. Kresna dan Arjuna masih berada di perpustakaan dan asyik membaca buku fisika. Namun, perhatian mereka teralihkan ketika seorang teknisi sedang memperbaiki perlatan komputer perpustakaan. Mereka mengamati dari jauh hingga akhirnya memberanikan diri untuk mendekat.
Arjuna dan Kresna kembali ke tempat mereka semula dan melanjutkan membaca sembari menunggu teknisi tersebut menyelesaikan pekerjaannya.
Pada percakapan di atas dijelaskan bahwa amperemeter adalah alat untuk mengukur kuat arus listrik. Lalu, bagaimana bila besaran yang diukur adalah tegangan? Apakah amperemeter juga dapat digunakan untuk mengukur tegangan? Tentu saja tidak. Setiap besaran memiliki alat ukurnya. Agar lebih memahami hal ini, simak penjelasan berikut.
Alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus adalah amperemeter, sedangkan alat untuk mengukur beda potensial listrik adalah voltmeter. Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua yaitu arus litrik searah atau DC (Direct Current) dan arus listrik bolak-balik atau AC (Alternating Current). Apa kalian tahu apa saja yang dikategorikan sumber arus DC atau AC? Sumber arus listrik PLN merupakan sumber arus bolak balik atau AC karena muatan listrik mengalir dalam dua arah atau bolak balik. Baterai, accu, dan trafo merupakan sumber arus listrik searah arau DC karena muatan listrik mengalir dalam satu arah.
Pemahaman mengenai arus AC dan DC ini sangatlah penting dalam penggunaan amperemeter dan voltmeter. Pemasangan voltmeter terhadap komponen yang akan diukur beda potensialnya dilakukan secara paralel. Pada rangkaian arus searah atau DC, pemasangan kutub-kutub voltmeter harus sesuai dengan komponen yang akan diukur, yaitu kutub positif voltmeter dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan begitu pula sebaliknya. Sebelum itu, harus dipastikan terlebih dahulu saklar voltmeter pada posisi AC atau DC sesuai dengan jenis sumber tegangan yang akan diukur, misalnya ketika akan mengukur baterai dengan tegangan sebesar 1,5 V menggunakan voltmeter analog. Langkah yang dilakukan yaitu sebagai berikut.
1. Memutar saklar pada posisi DC (karena yang akan diukur merupakan sumber arus DC).
2. Memilih skala maksimum pada voltmeter. Misalnya terdapat 5 skala pada voltmeter yaitu 10 V, 50 V, 250 V, 500 V, dan 1000 V. Pemilihan skala ini disesuaikan dengan besar kecil sumber arus yang akan diukur karena akan mempengaruhi nilai yang terukur jika tidak tepat dalam memilih skala maksimum. Oleh karena itu, skala maksimum yang dipilih adalah 10 V.
3. Kutub positif disambungkan dengan potensial tinggi dan kutub negatif disambungkan dengan potensial rendah.
4. Membaca skala yang ditunjuk pada voltmeter kemudian menghitung hasil pengukuran menggunakan rumus berikut.
Lalu bagaimana dengan penggunaan amperemeter? Amperemeter dipasang secara seri terhadap sumber kuat arus yang akan diukur karena nilai kuat arus tidak akan berubah jika melalui rangkaian seri. Hal itu tentu berbeda dengan rangkaian paralel dimana besar arus akan terbagi. Pengukuran arus dengan amperemeter tidak jauh berbeda dengan voltmeter. Begitu juga dengan penghitungan besar arus dari pembacaan skala pada amperemeter. Pengukuran beda potensial dan kuat arus akan lebih mudah dilakukan bila menggunakan voltmeter dan amperemeter digital karena besar nilai akan langsung tertera pada layar.
Contoh Soal
Seorang siswa mengukur besar tegangan sebuah sumber arus listrik menggunakan voltmeter. Jarum voltmeter menunjuk skala 45 V dengan batas ukur 5 V, dimana skala tertinggi yang diatur adalah 50 V. Berapakah besar tegangan tersebut?
Penyelesaian
Diketahui:
SD (skala yang ditunjuk) = 45 V
BU (batas ukur) = 5 V
SM (skala maksimum) = 50 V
Ditanyakan: NP (Nilai Pengukuran)?
Jawab:
Jadi, besar potensialnya adalah 4,5 V.