Listrik
| Bagian dari seri artikel mengenai |
| Elektromagnetisme |
|---|
 |
Listrik adalah rangkaian fenomena fisika yang berhubungan dengan kehadiran dan aliran muatan listrik. Listrik menimbulkan berbagai macam efek yang telah umum diketahui, seperti petir, listrik statis, induksi elektromagnetik dan arus listrik. Adanya listrik juga bisa menimbulkan dan menerima radiasi elektromagnetik seperti gelombang radio.
Dalam listrik, muatan menghasilkan medan elektromagnetik yang dilakukan ke muatan lainnya. Listrik muncul akibat adanya beberapa tipe fisika:
- muatan listrik: sifat beberapa partikel subatomik yang menentukan interaksi elektromagnetik. Substansi yang bermuatan listrik menghasilkan dan dipengaruhi oleh medan elektromagnetik
- medan listrik (lihat elektrostatis): tipe medan elektromagnetik sederhana yang dihasilkan oleh muatan listrik ketika diam (maka tidak ada arus listrik). Medan listrik menghasilkan gaya ke muatan lainnya
- potensial listrik: kapasitas medan listrik untuk melakukan kerja pada sebuah muatan listrik, biasanya diukur dalam volt
- arus listrik: perpindahan atau aliran partikel bermuatan listrik, biasanya diukur dalam ampere
- elektromagnet: Muatan berpindah menghasilkan medan magnet. Arus listrik menghasilkan medan magnet dan perubahan medan magnet menghasilkan arus listrik
Pada teknik elektro, listrik digunakan untuk:
- tenaga listrik yang digunakan untuk menghidupkan peralatan
- elektronik yang berhubungan dengan sirkuit listrik yang melibatkan komponen listrik aktif seperti tabung vakum, transistor, dioda dan sirkuit terintegrasi
Fenomena listrik telah dipelajari sejak zaman purba, meskipun pemahaman secara teoritisnya berkembang lamban hingga abad ke-17 dan 18. Meski begitu, aplikasi praktisnya saat itu masih sedikit, hingga di akhir abad ke-19 para insinyur dapat memanfaatkannya pada industri dan rumah tangga. Perkembangan yang luar biasa cepat pada teknologi listrik mengubah industri dan masyarakat. Fleksibilitas listrik yang amat beragam menjadikan penggunaannya yang hampir tak terbatas seperti transportasi, pemanasan, penerangan, telekomunikasi, dan komputasi. Tenaga listrik saat ini adalah tulang punggung masyarakat industri modern.[1]
Daftar isi
Sejarah[sunting | sunting sumber]
Jauh sebelum pengetahuan tentang listrik ada, orang pada saat itu takut akan kejutan dari ikan listrik. Penduduk Mesir Kuno dari zaman 2750 BC menyebut ikan ini sebagai "Guntur dari Nil", dan menganggap mereka sebagai "pelindung" dari semua ikan lainnya. Ikan listrik kemudian juga dilaporkan satu milenium kemudian oleh Yunani Kuno, Kekaisaran Romawi dan para naturalis Arab.[2] Beberapa penulis kuno, seperti Plinius yang Tua dan Scribonius Largus, membuktikan efek mati rasa sengatan listrik dari lele dan pari torpedo, dan tahu bahwa kejutan listrik tersebut dapat mengalir melalui benda berkonduktansi.[3] Pasien yang terkena pirai atau sakit kepala juga diarahkan untuk memegang ikan listrik dengan harapan bahwa kejutan yang kuat tersebut mampu menyembuhkan mereka.[4] Kemungkinan pendekatan awal dan paling dekat kepada penemuan listrik dari sumber lainnya adalah kepada orang-orang Arab, di mana sebelum abad ke-15 mereka telah memiliki kata berbahasa Arab untuk petir (raad) ke pari listrik.[5]
Beberapa budaya kuno sekitar Mediterania mengetahui bahwa beberapa benda, seperti batang ambar, dapat digosok dengan bulu kucing untuk menarik benda ringan seperti bulu. Thales membuat beberapa observasi pada listrik statis sekitar tahun 600 BC, di mana ia percaya bahwa friksi yang dihasilkan amber magnetik, kebalikan dari minerak seperti magnetit yang tidak perlu digosok.[6][7] Thales saat itu belum benar bahwa tarik-menarik disebabkan oleh efek magnet, tetapi sains kemudian membuktikan adanya hubungan antara magnetisme dan listrik. Menurut sebuah teori kontroversial, orang-orang Parthia mungkin telah memiliki pengetahuan tentang elektroplating, berbasis pada penemuan Baghdad Battery tahun 1936 yang menyerupai sel galvani, meskipun belum diketahui apakah artefak itu berlistrik di alam.[8]
Listrik tetap hanya menjadi bahan keingintahuan selama satu milenium hingga tahun 1600, ketika ilmuwan Inggris William Gilbert membuat studi khusus mengenai listrik dan magnetisme, membedakan efek lodestone dari listrik statis yang dihasilkan dengan menggosok ambar.[6] Ia mengajukan kata Latin Baru electricus ("seperti amber", seperti ἤλεκτρον, elektron, kata Yunani Kuno untuk "amber") untuk merujuk pada sifat menarik benda ringan setelah digosok.[9] Kata ini akhirnya diserap dalam bahasa Inggris "electric" dan "electricity", yang pertama kali muncul pada tulisan cetak pada tulisan milik Thomas Browne, Pseudodoxia Epidemica, tahun 1646.[10]
Karya berikutnya yang dilakukan oleh Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray dan C. F. du Fay. Pada abad ke-18, Benjamin Franklin melakukan penelitian ekstensif pada kelistrikan. Bulan Juni 1752 ia berhasil menempelkan kunci logam ke bagian dasar senar layang yang dibasahi dan menerbangkan layang tersebut di langit berbadai.[11] Adanya kilatan yang meloncat dari kunci ke tangannya menunjukkan bahwa kilat adalah listrik di alam.[12]
Tahun 1791, Luigi Galvani mempublikasikan penemuan biolistrik, menunjukkan bahwa listrik merupakan medium di mana sel saraf memberikan signal ke otot.[13] Baterai Alessandro Volta atau tumpukan volta pada tahun 1800, dibuat dari lapisan seng dan tembaga, sehingga memberikan sumber yang lebih dipercaya bagi para ilmuwan bagi sumber energi listrik daripada mesin elektrostatis yang sebelumnya digunakan.[13] Dikenalnya elektromagnetisme, kesatuan fenomena listrik dan magnetik, adalah karya Hans Christian Ørsted dan André-Marie Ampère tahun 1819–1820; Michael Faraday menemukan motor listrik tahun 1821, dan Georg Ohm menganalisis secara matematis sirkuit listrik tahun 1827.[13] Listrik dan magnet (dan cahaya) dihubungkan oleh James Clerk Maxwell, pada tulisannya "On Physical Lines of Force" tahun 1861 dan 1862.[14]
Di awal abad ke-19 mulai ada perkembangan yang cepat dalam ilmu kelistrikan. Beberapa penemu seperti Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, Lord Kelvin, Sir Charles Parsons, Ernst Werner von Siemens, Joseph Swan, Nikola Tesla dan George Westinghouse, listrik berubah dari keingintahuan sains menjadi peralatan berguna untuk kehidupan modern, menjadi penggerak bagi Revolusi Industri Kedua.[15]
Tahun 1887, Heinrich Hertz[16][17] menemukan bahwa elektroda yang teriluminasi dengan cahaya ultraviolet dapatmenghasilkan percikan listrik lebih mudah. Tahun 1905 Albert Einstein mempublikasikan tulisan yang menjelaskan data percobaan dari efek fotolistrik sebagai hasil dari energi cahaya yang dibawa pada discrete quantized packets, menghidupkan elektron. Penemuan ini mengantarkan pada revolusi kuantum. Einstein mendapatkan Hadiah Nobel bidang Fisika tahun 1921 untuk "penemuannya dalam hukum efek fotolistrik".[18] Efek fotolistrik juga digunakan dalam fotosel seperti yang bisa ditemukan pada panel surya dan bisa digunakan untuk memproduksi listrik secara komersial.
Alat solid-state pertama adalah detektor "cat's whisker", pertama kali digunakan tahun 1900an di penerima radio. Kawat menyerupai kumis ditempatkan berkontak dengan kristal padat (seperti kristal germanium) untuk mendeteksi signal radio dengan efek simpang kontak.[19] Pada komponen bentuk padat, arus listrik dibatasi oleh elemen padat dan senyawa direkayasa spesifik untuk menghidupkan dan memperkuatnya. Aliran arus dapat dipahami dalam 2 bentuk: sebagai elektron bermuatan negatif dan elektron kekurangan muatan positif yang disebut lubang. Muatan dan lubang ini dapat dipahami pada fisika kuantum. Material pembangunnya biasanya adalah kristalin semikonduktor.[20][21]
Komponen bentuk-padat kemudian berkembang dengan munculnya transistor tahun 1947. Beberapa komponen bentuk padat yang umum adalah transistor, chip mikroprosesor, dan RAM. Sebuah tipe khusus dari RAM disebut flash RAM digunakan pada flash drives. Selain itu, solid-state drive saat ini digunakan untuk menggantikan cakram keras yang berputar mekanis. Komponen bentuk padat mulai populer tahun 1950-an dan 1960-an, transisi dari tabung vakum ke dioda semikonduktor, transistor, sirkuit terintegrasi (IC) dan diode pancaran cahaya (LED).
Konsep[sunting | sunting sumber]
Muatan listrik[sunting | sunting sumber]
Adanya muatan akan menghasilkan gaya elektrostatis: muatan memberikan gaya pada muatan lainnya, sebuah efek yang diketahui sejak zaman kuno.[16] Sebuah bola ringan yang digantung dari senar dapat diberi muatan dengan menyentuhkannya dengan pengaduk kaca yang telah dimuati dengan menggosokkannya pada kain. Jika ada bola yang sama dimuati dengan pengaduk kaca yang sama, maka akan menolak bola pertama: muatan bekerja pada kedua bola. Dua bola yang dimuati dengan batang amber yang digosok juga menolak satu sama lain. Namun, jika satu bola dimuati oleh pengaduk kaca, dan lainnya dengan batang amber, kedua bola ini akan tarik menarik. Fenomena ini kemudian diinvestigasi di akhir abad ke-18 oleh Charles-Augustin de Coulomb. Penemuan ini kemudian memunculkan aksiom yang terkenal: muatan sejenis akan tolak-menolak dan muatan berlawanan jenis akan tarik-menarik.[16]
Gaya yang bekerja pada partikel akan memberi muatan pada partikel itu sendiri, maka muatan akan memiliki kecenderungan untuk tersebar berlipat ganda pada permukaan berkonduksi. Besarnya gaya elektromagnetik, entah tarik-menarik atau tolak-menolak, dituliskan dalam Hukum Coulomb, yang menghubungkan gaya dengan hasil kali muatan dan memiliki hubungan kuadrat terbalik dengan jarak antar keduanya.[22][23] Gaya elektromagnetik sangat kuat, hanya berada di belakang gaya nuklir kuat,[24] namun ia bergerak ke semua arah.[25] Sebagai perbandingan dengan gaya gravitasi yang jauh lebih lemah, gaya elektromagnetik akan mendorong kedua elektron terpisah 1042 kali daripada gaya tarik-menarik gravitasi yang saling menarik mereka.[26]
Studi telah menunjukkan bahwa sumber muatan adalah dari tipe partikel subatomik tertentu yang memiliki sifat muatan listrik. Muatan listrik menimbulkan dan berinteraksi dengan gaya elektromagnetik, satu dari empat interaksi dasar di alam. Pembawa paling umum dari muatan listrik adalah elektron dan proton. Penelitian menunjukkan bahwa muatan adalah kekekalan kuantitas, artinya muatan bersih antara sebuah sistem terisolasi akan selalu konstan tanpa memperhatikan perubahan yang terjadi pada sistem tersebut.[27] Dalam sistem, muatan dapat berpindah antar tubuh, entah melalui kontak langsung atau dilewatkan material berkonduksi seperti kawat.[23] Sebutan listrik statis merujuk pada adanya muatan bersih pada suatu benda, biasanya disebabkan oleh kedua material berbeda yang digosok bersamaan, menyebabkan perpindahan muatan dari satu benda ke benda lainnya.
Muatan pada elektron dan proton berlainan tanda, maka jumlah muatan dapat diekspresikan negatif atau positif. Dengan konvensi, muatan yang dibawa elektron ditulis negatif, dan proton positif, sebuah kesepakatan yang berasal dari kerja Benjamin Franklin.[28] Jumlah muatan biasanya diberi simbol Q dan satuannya coulomb;[29] tiap elektron membawa muatan yang sama kira-kira −1.6022×10−19 coulomb. Jika proton memiliki muatan yang sama dan berlainan, maka muatannya +1.6022×10−19 coulomb. Muatan tidak hanya dimiliki oleh materi, tetapi juga antimateri, tiap antipartikel memiliki hubungan muatan yang sama dan berlawanan dengan partikel lainnya.[30]
Muatan dapat diukur dengan beberapa cara, salah satu instrumen awal adalah elektroskop berdaun-emas, yang saat ini masih digunakan untuk demonstrasi di kelas, telah digantikan oleh elektrometer elektronik.[23]
Arus listrik[sunting | sunting sumber]
Perpindahan muatan listrik dikenal dengan nama arus listrik, besarnya diukur dalam ampere. Arus dapat terdiri dari partikel bermuatan apapun yang berpindah; biasanya adalah elektron, tetapi muatan apapun yang berpindah menghasilkan arus.
Menurut konvensi lama, arus positif didefinisikan sebagai yang memiliki arah yang sama dari aliran muatan positif yang dikandungnya, atau aliran dari bagian paling positif dari sirkuit ke bagian paling negatif. Saat ini disebut dengan arus konvensional. Gerakan elektron bermuatan negatif di sekitar sirkuit listrik, maka dianggap positif pada arah "berlawanan" dari elektron tersebut.[31] Meski begitu, tergantung kondisinya, arus listrik dapat terdiri dari aliran partikel bermuatan dari salah satu arah, atau bahkan bersamaan dari kedua arah. Konvensi positif ke negatif digunakan luas untuk menyederhanakan kondisi ini.
Proses ketika arus listrik melewati material disebut konduksi listrik, dan sifatnya bervariasi tergantung dari partikel bermuatan dan material yang mereka lewati. Contoh arus listrik misalnya konduksi logam, di mana elektron mengalir melalui konduktor listrik seperti logam, dan elektrolisis, di mana ion (atom bermuatan) mengalir melalui cairan atau plasma. Ketika partikel itu sendiri dapat berpindah agak lambat, medan listrik yang menggerakkan mereka dapat memperbanyak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, memungkinkan signal lsitrik untuk lewat dengan cepat pada kawat.[32]
Arus akan menyebabkan beberapa pengaruh. Air bisa terdekomposisi melalui arus dari tumpukan volta, ditemukan oleh Nicholson dan Carlisle tahun 1800, proses ini sekarang dikenal dengan elektrolisis. Hasil karya mereka kemudia dikembangkan Michael Faraday tahun 1833. Arus yang melalui resistansi listrik akan menyebabkan panas, efek yang dipelajari matematis oleh James Prescott Joule tahun 1840.[23] Salah satu penemuan terpenting dalam ilmu tentang arus oleh Hans Christian Ørsted tahun 1820, ketika ia menyaksikan arus dalam kawat menganggu kerja jarum kompas magnet.[33] Ia menemukan elektromagnetisme, interaksi dasar antara listrik dan magnet. Tingkat keluaran elektromagnetik yang dihasilkan api listrik cukup tinggi untuk menghasilkan gangguan elektromagnet yang bisa menganggu kerja alat.[34]
Pada teknik atau aplikasi rumah tangga, arus seringkali dijelaskan dalam arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC). Sebutan ini merujuk pada bagaimana arus bervariasi terhadap waktu. Arus searah, diproduksi sebagai contoh dari baterai dan diperlukan oleh hampir seluruh peralatan elektronik, adalah aliran dari bagian positif sirkuit ke bagian negatif.[35] Aliran ini biasanya dibawa oleh elektron, mereka akan berpindah melalui arah berlawanan. Arus bolak-balik adalah arus yang berbalik arah berulang-ulang; hampir selalu membentuk gelombang sinus.[35] Arus bolak-balik akan bergetar bolak-balik dalam konduktor tanpa tanpa muatan berpindah tiap jarak seiring waktu. Nilai waktu rata-rata arus bolak balik adalah nol, tetapi energi akan dikeluarkan pada satu arah, kemudian kebalikannya. Arus bolak-balik dipengaruhi oleh sifat-sifat listrik yang tidak dapat dilihat pada arus searah keadaan tunak, seperti induktansi dan kapasitansi.[35] Sifat-sifat ini menjadi penting ketika rangkaian ditujukan pada respon transien, seperti ketika pertama kali diberi energi.
Medan listrik[sunting | sunting sumber]
Konsep medan listrik pertama kali diperkenalkan oleh Michael Faraday. Medan listrik tercipta dari benda bermuatan di ruang yang mengelilinginya, dan menghasilkan gaya yang diberikan pada muatan manapun yang berada pada cakupan medan tersebut. Medan listrik bekerja di antara 2 muatan dengan perilaku yang serupa dengan medan gravitasi bekerja di antara 2 massa, dan akan berbanding kuadrat terbalik dengan jarak.[25] Namun, ada perbedaan di antara keduanya. Gravitasi selalu bekerja tarik menarik, menarik kedua massa bersama, sedangkan medan listrik bisa menghasilkan tarikan atau tolakan. Ketika objek besar seperti planet umumnya tidak membawa muatan bersih, medan listrik pada jarak tertentu nilainya nol. Oleh karena itu gravitasi menjadi dominan di alam semesta, meskipun jauh lebih lemah.[26]
Sebuah medan listrik umumnya beragam pada suatu ruang,[36] dan kekuatannya pada satu titik didefiniskan sebagai gaya (per satuan muatan) yang mengenai muatan diam imajiner jika diletakkan pada titik tersebut.[16] Konsep ini, dinamai 'muatan tes', haruslah sangat kecil untuk menghindari medan listriknya sendiri menganggu medan utama dan juga harus diam untuk menghindari efek medan magnet. Karena medan listrik didefiniskan dalam gaya, dan gaya adalah vektor, maka medan listrik juga vektor, memiliki besaran dan arah. Secara spesifik, medan listrik adalah medan vektor.[16]
Studi mengenai medan listrik diciptakan oleh muatan diam yang disebut elektrostatis. Medan dapat divisualisasikan dengan set garis imajiner yang arahnya pada semua titik adalah sama dengan medan tersebut. Konsep ini pertama kali diperkenalkan Faraday,[37] di mana kata 'garis gaya' terkadang masih digunakan. Garis medan adalah jalur-jalur titik tempat muatan positif akan terlihat seperti dipaksa untuk berpindah di dalam medan tersebut; namun ini hanyalah konsep imajiner tanpa keberadaan yang sesungguhnya. Medan menembus semua ruang di antara garis-garis tersebut.[37] Garis gaya terpancar dari muatan diam memiliki beberapa sifat: pertama, mereka berawal dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif. Kedua, mereka harus masuk ke konduktor manapun pada sudut yang benar, ketiga, mereka tidak boleh memotong atau berdekatan antara satu sama lain.[16]
Objek berkonduksi berongga membawa semua muatannya pada permukaan. Maka medan di dalam objek bernilai nol.[23] Ini merupakan prinsip operasi sangkar Faraday, kerangka logam berkonduksi yang mengisolasi dalamnya dari efek listrik dari luar.
Prinsip elektrostatis sangat penting ketika mendesain peralatan dengan voltase tinggi. Ada batas medan listrik tertentu yang dapat ditahan oleh medium apapun. Diatas titik ini, akan terjadi kegagalan listrik dan percikan api dan terjadi flashover di antara bagian yang bermuatan. Udara, misalnya, cenderung akan muncul percikan di sepanjang celah kecil pada medan listrik diatas 30 kV per sentimeter. Jika celahnya diperbesar, maka kekuatan breakdown juga melemah, sekitar 1 kV per sentimeter.[38] Paling mudah bisa dilihat pada kilat, terjadi ketika muatan menjadi terpisah di awan dengan naiknya kolom udara dan menaikkan medan listrik di udara hingga lebih besar dari yang bisa ditahan. Voltase dari awan kilat yang besar bisa mencapai 100 KV dan bisa mengeluarkan energi hingga 250 kWh.[39]
Kekuatan medan sangat dipengaruhi oleh objek berkonduksi di dekatnya, terutama menjadi besar ketika dipaksa untuk melekuk disekitar titik objek. Asas ini kemudian dipelajari pada konduktor kilat, ujung tajam yang di mana mendorong kilat untuk terarah kesitu, dan bukan ke gedung yang dilindunginya.[40]
Potensial listrik[sunting | sunting sumber]
Konsep dari potensial listrik sangat berhubungan dekat dengan medan listrik. Sebuah muatan yang diletakkan dalam sebuah medan listrik akan mendapat gaya, dan akan membuat membuat muatan melawan gaya tersebut yang membutuhkan kerja. Potensial listrik pada tiap titik didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk membawa sebuah muatan dari jarak tak terbatas ke titik tersebut. Diukur dalam satuan volt yang berarti satu volt adalah potensial di mana harus dihasilkan kerja 1 joule untuk membawa muatan sebesar 1 coulomb dari jarak tak terhingga.[16] Definisi potensial ini hanya sedikit memiliki kegunaan, dan konsep yang lebih sering dipakai adalah perbedaaan potensial listrik yaitu energi yang dibutuhkan untuk memindahkan sebuah muatan antara 2 titik tertentu. Sebuah medan listrik memiliki karakteristik khusus yaitu konservatif di mana jalur yang dilewati muatan tidak berhubungan: semua jalur antara 2 titik tertentu menghabiskan energi yang sama, maka nilai perbedaan potensial dapat ditentukan.[16]
Pada praktiknya, biasanya didefinisikan titik referensi di mana potensial dapat dinyatakan dan dibandingkan. Karena harus ditentukan maka acuan yang paling umum digunakan adalah bumi itu sendiri, yang diasumsikan memiliki potensial yang sama di manapun. Titik acuan ini biasanya diambil dari bumi. Bumi diasumsikan memiliki jumlah muatan negatif dan positif yang sama banyak dan tak terbatas, maka tak dapat dialiri listrik.[41]
Potensial listrik adalah besaran skalar yang berarti hanya memiliki nilai dan tidak memiliki arah. Dapat dianalogikan dengan tinggi: ketika sebuah objek yang dilontarkan akan jatuh pada ketinggian yang berbeda akibat medan gravitas maka muatan akan 'jatuh' melalui tegangan yang disebabkan oleh medan listrik.[42] Pada peta relief menunjukkan garis kontur menandai titik-titik pada ketinggian yang sama, sekelompok garis menandai titik-titik dengan potensial yang sama (atau ekuipotensial) dapat digambarkan di sekitar objek bermuatan elektrostatis. Ekuipotensial akan memotong semua garis gaya pada sudut siku. Ekuipotensial juga harus terletak paralel dengan permukaan [[konduktor listrik|konduktor, jika tidak maka akan menghasilkan gaya yang dapat membawa muatan sampai bahkan potensial pada permukaan.
Medan listrik secara formal didefinisikan sebagai gaya yang diberikan per atuan muatan, namun konsep dari potensial memberikan definisi yang lebih baik: medan listrik adalah gradien lokal dari potensial listrik. Diukur dalam volt per meter, arah vektor dari medan listrik adalah garis kemiringan terbesar dari potensial, di mana ekuipotensial terletak paling dekat bersamaan.[23]
Elektromagnet[sunting | sunting sumber]
Penemuan Ørsted pada tahun 1821 bahwa medan magnet ada pada semua sisi kawat yang membawa arus listrik menandakan bahwa ada hubungan langsung antara listrik dan magnet. Ditambah lagi, interaksi antar keduanya tampak berbeda dari gaya gravitasi dan elektrostatis. Gaya pada jarum kompas tidak mengarah pada arah yang sama atau kebalikan, tetapi arahnya tegak lurus terhadap arus.[33] Gaya ini juga tergantung dari arah arus, jika arah alirannya dibalik, maka gayanya juga terbalik.[43]
Ørsted belum memahami dengan benar penemuannya, tetapi ia meneliti bahwa efek ini bersifat kebalikan: sebuah arus menghasilkan gaya pada magnet dan medan magnet menghasilkan gaya pada arus. Fenomena ini nantinya akan diteliti lebih lanjut oleh Ampère, yang menemukan bahwa 2 kawat paralel berarus akan menghasilkan gaya satu sama lain: dua kawat mengonduksi arus pada arah yang sama akan tarik-menarik, sedangkan kawat yang arusnya berlawanan arah akan tolak menolak.[44] The interaction is mediated by the magnetic field each current produces and forms the basis for the international definition of the ampere.[44]
Hubungan antara medan magnet dan arus sangat penting, hal ini akan mengacu pada penemuan motor listrik oleh Michael Faraday tahun 1821. Motor homopolar Faraday terdiri dari magnet permanen yang terletak pada pul raksa. Arus dilewatkan melalui kawat yang digantung dari poros diatas magnet dan dicelupkan ke dalam raksa. Magnet akan memberikan gaya tangensial pada kawat, membuat kawat mengelilingi magnet selama arus mengalir.[45]
Percobaan oleh Faraday tahun 1831 membuktikan bahwa kawat bergerak tegak lurus terhadap medan magnet akan menghasilkan perbedaan potensial di antara ujung-ujungnya. Penelitian lebih lanjut dari proses ini, disebut dengan induksi elektromagnetik, memunculkan Hukum induksi Faraday, yang menyatakan bahwa perbedaan potensial yang diinduksi pada rangkaian tertutup akan berbanding lurus dengan perubahan kecepatan fluks magnet sepanjang rangkaian. Pemanfaatan lebih lanjut dari penemuan ini membuatnya menemukan generator listrik pertama tahun 1831, di mana ia mengubah energi mekanik dari cakram tembaga yang berputar menjadi energi listrik.[45] Cakram Faraday tidak efisien dan tidak digunakan sebagai generator sesungguhnya, tetapi ia menunjukkan adanya kemungkinan membangkitkan energi listrik menggunakan magnet.
Elektrokimia[sunting | sunting sumber]
Kemampuan reaksi kimia untuk menghasilkan listrik, serta kemampuan listrik untuk menjalankan reaksi kimia telah banyak membawa manfaat.
Elektrokimia merupakan bagian penting dari listrik. Dari awal penemuan tumpukan volta, sel elektrokimia telah berkembang menjadi berbagai macam baterai, elektroplating, dan sel elektrolisis. Aluminium diproduksi dalam jumlah besar saat ini dan banyak peralatan ditenagai dengan sel yang dapat diisi ulang.
Rangkaian listrik[sunting | sunting sumber]
Rangkaian listrik adalah interkoneksi beberapa komponen listrik sehingga muatan listrik dibuat berpindah melalui jalur tertutup (rangkaian), biasanya digunakan untuk melakukan tujuan tertentu.
Komponen dalam rangkaian listrik dapat terdiri dari berbagai macam elemen seperti resistor, kapasitor, sakelar, transformator dan elektronika. Rangkaian listrik terdiri dari komponen aktif, biasanya semikonduktor, dan biasanya berjalan non-linear, membutuhkan analisis kompleks. Komponen listrik paling sederhana adalah komponen-komponen pasif dan linear: ketika mereka dapat menyimpan energi sementara, mereka tidak punya sumbernya, dan akan memperlihatkan respon linear jika diberi stimulus.[46]
Resistor adalah salah satu elemen rangkaian pasif: resistor akan menghambat arus yang melaluinya, melepaskan energinya sebagai panas. Hambatan muncul akibat gerak muatan melalui konduktor: pada logam, misalnya, hambatan disebabkan karena tabrakan antara elektron dan ion. Hukum Ohm adalah hukum dasar mengenai teori rangkaian, menyatakan bahwa rangkaian yang melewati hambatan berbanding lurus dengan perbedaan potensialnya. Hambatan pada sebagian besar material relatif konstan terhadap berbagai range suhu dan arus. Ohm, satuan hambatan, diambil dari fisikawan Georg Ohm, dilambangkan dengan huruf Yunani Ω. 1 Ω adalah hambatan yang akan menghasilkan perbedaan potensial 1 volt jika diberikan arus satu ampere.[46]
Kapasitor adalah pengembangan Leyden jar dan merupakan alat yang dapat menyimpan muatan sehingga menyimpan energi listrik dalam medan resultan. Kapasitor terdiri dari 2 pelat berkonduksi dipisahkan oleh lapisan dielektrik terinsulasi. Dalam kenyataannya, kertas logam tipis digulung bersama, meningkatkan luas permukaan per satuan volume dan meningkatkan kapasitansi. Satuan kapasitansi adalah farad, diambil dari nama fisikawan Michael Faraday, dan diberi simbol F: satu farad adalah kapasitansi yang memberikan perbedaan potensial 1 volt ketika menyimpan muatan sebesar 1 coulomb. Kapasitor awalnya terhubung dengan catu daya akan menimbulkan arus listrik dan mengumpulkan muatan; arus ini akan terputus ketika kapasitor telah terisi penuh. Maka kapasitor tidak beroperasi dalam arus keadaan tunak (steady state), tetapi malah membloknya.[46]
Induktor, biasanya berupa gulungan kawat, menyimpan energi pada medan magnet sebagai respon atas arus yang melewatinya. Ketika terjadi perubahan arus, maka medan magnet akan berubah, menginduksi tegangan antara ujung-ujung konduktor. Tegangan terinduksi berbanding lurus dengan perubahan arus terhadap waktu. Perbandingan ini disebut dengan induktansi. Satuan dari induktansi adalah henry, dinamai dari fisikawan Joseph Henry. Satu henry adalah induktansi yang akan menginduksi perbedaan potensial sebesar 1 volt jika arus yang melewati berubah dengan kecepatan 1 ampere per detik. Perilaku induktor agak kebalikan dengan kapasitor: beroperasi pada arus tetap, tetapi tidak bia jika arus berubah sangat cepat.[46]
Tenaga listrik[sunting | sunting sumber]
Tenaga listrik adalah kecepatan energi listrik berpindah melalui rangkaian listrik. Satuan SI dari tenaga adalah watt, satu joule per detik.
Tenaga listrik, seperti tenaga mekanik, adalah seberapa cepatnya melakukan kerja, terukur dalam watt dan dilambangkan dengan huruf P. Tenaga listrik dihasilkan dari arus listrik I terdiri dari muatan Q coulomb tiap t detik melewati perbedaan potensial listrik (voltase) V adalah
- Q: muatan listrik dalam coulomb
- t: waktu dalam detik
- I: arus listrik dalam ampere
- V: potensial listrik atau voltase dalam volt
Pembangkit listrik biasanya menggunakan generator listrik, tetapi juga bisa berasal dari sumber kimia seperti baterai listrik atau sumber lain. Tenaga listrik biasanya disalurkan ke rumah tangga dan bisnis oleh industri tenaga listrik. Listrik biasanya dijual dalam satuan kilowatt jam (3.6 MJ) yang merupakan hasil kali daya dalam kilowatt dikali lamanya waktu dalam jam. Utilitas listrik mengukur daya menggunakan meteran listrik, yang terus menyimpan total energi listrik yang digunakan oleh pelanggan.
Elektronika[sunting | sunting sumber]
Elektronika berhubungan dengan rangkaian listrik yang berisi komponen aktif seperti tabung vakum, transistor, dioda dan sirkuit terintegrasi. Sifat nonlinear dari komponen aktif dan kemampuannya untuk mengontrol aliran elektron membuat penguatan signal lemah menjadi mungkin dan elektronika secara luas digunakan pada pemrosesan informasi, telekomunikasi, dan pemrosesan sinyal. Kemampuan peralatan elektronik untuk menjadi sakelar memungkinkan pemrosesan informasi digital. Ditambah teknologi papan rangkaian, pengemasan elektronik, dan berbagai bentuk rangkaian infrastruktur komunikasi, mengubah komponen yang terpisah-pisah menjadi satu sistem kesatuan kerja.
Saat ini, sebagian besar peralatan elektronik menggunakan komponen semikonduktor untuk mengontrol elektron. Studi mengenai peralatan semikonduktor dan teknologinya adalah cabang dari fisika fasa padat, di mana mempelajari desain dan konstruksi rangkaian elektronik untuk menyelesaikan permasalahan-permasalahan teknik elektronika.
Gelombang elektromagnetik[sunting | sunting sumber]
Faraday dan Ampère menunjukkan bahwa medan magnet yang berubah terhadap waktu berperan sebagai sumber medan listrik, dan medan listrik yang berubah terhadap waktu juga sebagai sumber medan magnet. Maka, ketika salah satu medan berubah terhadap waktu, maka medan lainnya juga terinduksi.[16] Fenomena ini adalah sifat-sifat gelombang dan disebut sebagai gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik pertama kali diteliti oleh James Clerk Maxwell tahun 1864. Maxwell mengembangkan beberapa persamaan yang menjelaskan hubungan antara medan listrik, medan magnet, muatan listrik, dan arus listrik. Ia juga dapat membuktikan bahwa gelombang dapat melintas dengan kecepatan cahaya, maka cahaya itu sendiri adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik. Hukum Maxwell, yang menggabungkan cahaya, medan, dan muatan adalah salah satu pencapaian terpenting di bidang fisika teoretis.[16]
Maka, dari hasil kerja para peneliti ini barang elektronik bisa mengubah signal menjadi arus berosilasi berfrekuensi tinggi, dan melalui konduktor, listrik bisa menghantarkan dan menerima signal ini melalui gelombang radio pada jarak yang sangat jauh.
Produksi dan penggunaan[sunting | sunting sumber]
Pembangkit dan transmisi[sunting | sunting sumber]
Pada abad ke-6 SM, filosofis Yunani Thales melakukan percobaan dengan batang amber dan percobaan ini adalah percobaan pertama untuk menghasilkan energi listrik. Dengan metode ini, saat ini disebut efek triboelektrik, dapat mengangkat benda ringan dan menghasilkan percikan, tetapi sangat tidak efisien.[47] Namun tidak ada perkembangan berarti hingga abad ke-18 ketika ditemukannya tumpukan volta. Tumpukan volta dan penerus modernnya yaitu baterai listrik menyimpan energi kimia dan bisa menghasilkan listrik.[47] Baterai mudah digunakan dan merupakan sumber tenaga paling umum yang ideal untuk banyak aplikasi, tetapi penyimpanan energinya terbatas, dan ketika sudah habis maka harus dibuang atau diisi ulang. Untuk kebutuhan energi listrik yang besar maka listrik harus dihasilkan kontinu melalui jalur transmisi konduktif.
Tenaga listrik biasanya dihasilkan dengan generator mekanik-listrik yang digerakkan oleh uap dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil, atau panas yang dilepas dari reaksi nuklir, atau dari sumber lain seperti energi kinetik dari angin atau air mengalir. Turbin uap modern ditemukan oleh Sir Charles Parsons tahun 1884 saat ini menghasilkan sekitar 80% tenaga listrik dunia dari berbagai sumber panas. Generator ini sudah berbeda sama sekali dari generator cakram homopolar Faraday tahun 1831, tetapi masih tetap menggunakan prinsip dasar elektromagnetik yang sama yaitu konduktor yang dihubungkan ke medan magnet yang berubah akan menginduksi perbedaan potensial di antara ujung-ujungnya.[48] Penemuan transformator di akhir abad ke-19 akhirnya bisa membuat tenaga listrik disalurkan lebih efisien pada tegangan tinggi namun arus rendah. Transmisi listrik yang efisien dapat membuat listrik bisa disalurkan ke pengguna yang berjarak yang relatif jauh dari stasiun pembangkitnya.[49][50]
Karena energi listrik tidak dapat dengan mudah disimpan dalam jumlah besar untuk memenuhi permintaan nasional, maka listrik harus diproduksi sebanyak mungkin yang dibutuhkan.[49] Hal ini membutuhkan utilitas listrik untuk memprediksi dengan benar beban listrik dan menjaga koordinasi dengan stasiun pembangkit. Setiap pembangkit yang dijalankan harus memiliki cadangan untuk melindungi jaringan listrik dari gangguan dan kehilangan yang tak terduga.
Permintaan akan listrik akan meningkat cepat seiring modernisasi suatu negara dan berkembangnya ekonomi. Permintaan listrik di Amerika Serikat meningkat 12% tuap tahunnya pada 3 dekade pertama abad ke-20,[51] pertumbuhan yang saat ini juga dirasakan oleh India atau Tiongkok.[52][53] Dari sejarahnya, tingkat permintaan listrik telah melampaui bentuk energi lainnya.[54]
Keresahan lingkungan akan pembangkit listrik meningkatkan fokus pembangkitan listrik dari energi terbaharui, seperti angin dan air.[54]
Penggunaan[sunting | sunting sumber]
Listrik adalah energi yang paling mudah digunakan dan telah digunakan di sebagian besar alat dan akan terus berkembang.[55] Penemuan lampu pijar pada tahun 1870-an menjadikan penerangan salah satu aplikasi pertama tenaga listrik yang digunakan secara luas. Dengan begitu listrik menggantikan penerangan dari api yang berarti jauh mengurangi risiko kebakaran pada rumah dan pabrik.[56] Utilitas umum dipasang di banyak kota menargetkan permintaan pasar yang berkembang untuk penerangan listrik.
Efek pemanasan joule yang muncul pada lampu juga digunakan langsung pada pemanas listrik. Meski penggunaannya mudah dan bisa dikontrol, tetapi pemanas listrik dianggap memboroskan energi, karena sebagian besar pembangkit listrik sudah membutuhkan panas di stasiun pembangkit.[57] Beberapa negara seperti Denmark, telah mengeluarkan aturan yang membatasi atau melarang penggunaan pemanas listrik di bangunan baru.[58] Listrik juga merupakan sumber energi utama untuk refrigerasi,[59] dengan pendingin udara menggambarkan permintaan listrik yang meningkat.[60]
Listrik digunakan dalam telekomunikasi, muncul pada telegraf listrik tahun 1837 oleh Cooke dan Wheatstone. Pembangunan sistem telegraf interkontinental dan transatlantik, pada tahun 1860-an, listrik membuat komunikasi di seluruh dunia terhubung dalam hitungan menit. Fiber optik dan satelit komunikasi turut berperan dalam sistem telekomunikasi, tetapi listrik tetap menjadi bagian utamanya.
Efek elektromagnet paling bisa dilihat pada motor listrik yang dapat menyediakan tenaga gerak yang bersih dan efisien. Motor diam seperti winch dapat ditenagai dengan mudah, tetapi motor yang berpindah dalam penggunaannya, seperti kendaraan listrik, harus membawa sumber tenaga seperti baterai atau mendapatkan arus dari kontak geser seperti pantograf.
Peralatan elektronik menggunakan transistor, salah satu penemuan terpenting pada abad ke-20,[61] menjadi dasar dari semua rangkaian listrik modern. Sebuah rangkaian terintegrasi modern dapat berisi milyaran transistor mini dengan luas hanya beberapa sentimeter persegi.[62]
Listrik juga digunakan untuk menggerakan transportasi umum, seperti kereta dan bus listrik.[63]
Berkawan dengan listrik[sunting | sunting sumber]
Aliran listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif. Dengan listrik arus searah jika kita memegang hanya kabel positif (tapi tidak memegang kabel negatif), listrik tidak akan mengalir ke tubuh kita (kita tidak terkena strum). Demikian pula jika kita hanya memegang saluran negatif.
Dengan listrik arus bolak-balik, Listrik bisa juga mengalir ke bumi (atau lantai rumah). Hal ini disebabkan oleh sistem perlistrikan yang menggunakan bumi sebagai acuan tegangan netral (ground). Acuan ini, yang biasanya di pasang di dua tempat (satu di ground di tiang listrik dan satu lagi di ground di rumah). Karena itu jika kita memegang sumber listrik dan kaki kita menginjak bumi atau tangan kita menyentuh dinding, perbedaan tegangan antara kabel listrik di tangan dengan tegangan di kaki (ground), membuat listrik mengalir dari tangan ke kaki sehingga kita akan mengalami kejutan listrik ("terkena strum").
Daya listrik dapat disimpan, misalnya pada sebuah aki atau batere. Listrik yang kecil, misalnya yang tersimpan dalam batere, tidak akan memberi efek setrum pada tubuh. Pada aki mobil yang besar, biasanya ada sedikit efek setrum, meskipun tidak terlalu besar dan berbahaya. Listrik mengalir dari kutub positif batere/aki ke kutub negatif.
Sistem listrik yang masuk ke rumah kita, jika menggunakan sistem listrik 1 fase, biasanya terdiri atas 3 kabel:
Pertama adalah kabel fase (berwarna merah/hitam/kuning) yang merupakan sumber listrik bolak-balik (fase positif dan fase negatif berbolak-balik terus menerus). Kabel ini adalah kabel yang membawa tegangan dari pembangkit tenaga listrik (PLN misalnya); kabel ini biasanya dinamakan kabel panas (hot), dapat dibandingkan seperti kutub positif pada sistem listrik arus searah (walaupun secara fisika adalah tidak tepat).
Kedua adalah kabel netral (berwarna biru). Kabel ini pada dasarnya adalah kabel acuan tegangan nol, yang disambungkan ke tanah di pembangkit tenaga listrik, pada titik-titik tertentu (pada tiang listrik) jaringan listrik dipasang kabel netral ini untuk disambungkan ke ground terutama pada trafo penurun tegangan dari saluran tegangan tinggi tiga jalur menjadi tiga jalur fase ditambah jalur ground (empat jalur) yang akan disalurkan kerumah-rumah atau kelainnya.
Untuk mengatasi kebocoran (induksi) listrik dari peralatan tiap rumah dipasang kabel tanah atau ground (berwarna hijau-kuning) dihubungkan dengan logam (elektroda) yang ditancapkan ke tanah untuk disatukan dengan saluran kabel netral dari jala listrik dipasang pada jarak terdekat dengan alat meteran listrik atau dekat dengan sikring.
Dalam kejadian-kejadian badai listrik luar angkasa (space electrical storm) yang besar, ada kemungkinan arus akan mengalir dari acuan tanah yang satu ke acuan tanah lain yang jauh letaknya. Fenomena alami ini bisa memicu kejadian mati lampu berskala besar.
Ketiga adalah kabel tanah atau Ground (berwarna hijau-kuning). Kabel ini adalah acuan nol di lokasi pemakai, yang disambungkan ke tanah (ground) di rumah pemakai, kabel ini benar-benar berasal dari logam yang ditanam di tanah di rumah kita, kabel ini merupakan kabel pengamanan yang disambungkan ke badan (chassis) alat2 listrik di rumah untuk memastikan bahwa pemakai alat tersebut tidak akan mengalami kejutan listrik.
Kabel ketiga ini jarang dipasang di rumah-rumah penduduk, pastikan teknisi (instalatir) listrik anda memasang kabel tanah (ground) pada sistem listrik di rumah. Pemasang ini penting, karena merupakan syarat mutlak bagi keselamatan anda dari bahaya kejutan listrik yang bisa berakibat fatal dan juga beberapa alat-alat listrik yang sensitif tidak akan bekerja dengan baik jika ada induksi listrik yang muncul di chassisnya (misalnya karena efek arus Eddy).
Komentar
Posting Komentar