Arus Listrik: Definisi, Satuan, Rumus, Jenis (dengan Contoh)

Muatan listrik: Reaksi otomatis apa yang dihasilkan frasa itu ketika Anda membacanya? Perasaan geli, mungkin, atau bayangan sambaran petir membelah langit? Tampilan warna-warni lampu berkedip di kota seperti Paris atau Las Vegas? Mungkin bahkan seekor serangga yang entah bagaimana bersinar dalam kegelapan saat berjalan melintasi perkemahan Anda?

Sampai beberapa abad terakhir, para ilmuwan tidak hanya tidak memiliki cara untuk mengukur kecepatan cahaya, mereka juga tidak tahu fenomena fisik apa yang mendasari apa yang sekarang dikenal sebagai "listrik". Pada 1800-an, fisikawan pertama kali memperoleh pemahaman tentang partikel kecil yang terlibat dalam aliran arus (elektron bebas) serta sifat gaya yang memaksa mereka untuk bergerak. Jelas bahwa listrik dapat memberikan manfaat yang besar jika dapat "dibuat" atau "ditangkap" dengan aman dan energi listrik digunakan untuk melakukan pekerjaan.

Aliran muatan listrik terjadi dengan mudah dalam zat yang diklasifikasikan sebagai:bahan konduktif, sementara itu terhalang pada yang dikenal sebagai

​Arus listrikadalah laju rata-rata aliran muatan listrik (yaitu, muatan per satuan waktu) melewati suatu titik dalam ruang. Muatan ini dibawa olehelektronbergerak melalui kawat dalam rangkaian listrik. Semakin tinggi jumlah elektron yang bergerak melewati titik ini per detik, semakin besar besarnya arus.

Satuan SI untuk arus adalah ampere (A), sering secara informal disebut "amp". Muatan listrik sendiri diukur dalam coulomb (C).

• Muatan pada satu elektron adalah -1,60 × 10^-19 C, sedangkan pada aprotonsama besarnya tetapipositifdalam tanda. Angka ini dianggap sebagaimuatan dasar​ ​e. Oleh karena itu, satuan dasar ampere adalah coulomb per detik (C/s).

Dengan perjanjian,arus listrik mengalir berlawanan arah dengan aliran elektron. Ini karena arah arus telah dijelaskan sebelum para ilmuwan mengetahui pembawa muatan mana yang bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Untuk semua tujuan praktis, muatan positif yang bergerak ke arah positif menawarkan fisik yang sama same (komputasi) hasil sebagai muatan negatif bergerak ke arah negatif ketika datang ke listrik arus.

Elektron bergerak menuju terminal positif dalam rangkaian listrik. Aliran elektron, atau muatan yang bergerak, oleh karena itu menjauhi terminal negatif. Pergerakan elektron dalam kawat tembaga atau bahan konduktif lainnya juga menghasilkanMedan gayayang arah dan besarnya ditentukan oleh arah arus listrik dan karenanya pergerakan elektron; ini adalah prinsip yang di atasnyaelektromagnetdibangun.

Untuk skenario arus konvensional dasar dari muatan yang bergerak melalui kawat, rumus untuk arus diberikan oleh:

dimanatidakadalah jumlah muatan per meter kubik (m³), ​eadalah muatan dasar,SEBUAHadalah luas penampang kawat, dan​v_d​adalahkecepatan melayang​.

Meskipun arus memiliki besar dan arah, itu adalah besaran skalar, bukan besaran vektor, karena tidak mematuhi hukum penjumlahan vektor.

​Hukum Ohmmemberikan rumus untuk menentukan arus yang akan mengalir melalui konduktor:

dimanaVadalahtegangan, ataubeda potensial listrik, diukur dalam volt, danRadalah listrikperlawanandengan aliran arus, diukur dalamohm​ (Ω).

Pikirkan tegangan sebagai "gaya tarik" (meskipun "gaya gerak listrik" ini tidak secara harfiah merupakan gaya) khusus untuk muatan listrik. Ketika muatan yang berlawanan dipisahkan, mereka tertarik satu sama lain dengan cara yang berkurang dengan meningkatnya jarak di antara mereka. Ini secara longgar analog dengan energi potensial gravitasi dalam mekanika klasik; gravitasi "menginginkan" benda-benda tinggi jatuh ke Bumi, dan tegangan "menginginkan" muatan yang terpisah (berlawanan) saling bertabrakan.

Volt setara dengan joule per coulomb, atau J/C. Dengan demikian, mereka memiliki satuan energi per satuan muatan. Arus kali tegangan dengan demikian memberikan satuan (C/s)(J/C) = (J/s), yang diterjemahkan ke dalam satuan (dalam hal ini listrik) daya:

Menggabungkan ini dengan hukum Ohm memunculkan hubungan matematis berguna lainnya yang melibatkan aliran arus: P = I²R dan P = V²/R. Ini menunjukkan, antara lain, bahwa pada tingkat arus yang tetap, daya sebanding dengan resistansi, sedangkan jika tegangan tetap, daya adalahterbaliksebanding dengan resistensi.

Saat muatan bergerak (arus) menginduksi medan magnet, medan magnet itu sendiri dapat menginduksi tegangan pada kawat.

• ​Arus searah (DC):Ini terjadi ketika semua elektron mengalir terus menerus dalam arah yang sama. Ini adalah jenis arus dalam rangkaian yang terhubung ke baterai standar. Baterai, tentu saja, dapat dan memang hanya memasok sejumlah kecil energi yang dibutuhkan untuk memberi daya pada manusia peradaban, meskipun teknologi yang terus meningkat di bidang sel surya menawarkan potensi yang lebih baik untuk penyimpanan energi.
• ​Arus Bolak-balik (AC):Di sini, elektron berosilasi bolak-balik ("bergoyang," dalam arti tertentu) dengan sangat cepat. Jenis arus ini seringkali lebih mudah dibangkitkan di pembangkit listrik, dan juga menghasilkan lebih sedikit energi yang hilang pada jarak yang jauh, itulah sebabnya arus ini menjadi standar yang digunakan saat ini. Setiap bola lampu dan peralatan listrik lainnya di rumah standar awal abad ke-21 ditenagai oleh AC.

Dengan AC, tegangan divariasikan secara sinusoidal, dan diberikan setiap saatuntukdengan ekspresi V = V₀sin (2πft), di manaV₀adalah tegangan awal danfadalah frekuensi, atau jumlah siklus tegangan lengkap (maksimum ke minimum kembali ke nilai maksimum) dalam setiap detik.

Ammeter adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur arus dengan menghubungkannya secara seri - dan tidak pernah secara paralel - dalam rangkaian listrik. (Rangkaian paralel memiliki banyak kabel di antara sambungan – dengan kata lain, pada sumber daya, kapasitor, dan resistor – dalam rangkaian.) Ini beroperasi dengan prinsip bahwa arus adalah sama melalui semua bagian kawat antara dua persimpangan.

Sebuah ammeter memiliki resistansi intrinsik rendah yang diketahui dan diatur untuk memberikandefleksi skala penuh(FSD) pada tingkat arus tertentu, seringkali 0,015 A atau 15 mA. Jika Anda mengetahui tegangan dan memanipulasi resistansi menggunakan fungsi resistansi shunt ammeter, Anda dapat menentukan arus; Anda tahu apa nilai aliran saat iniSebaiknyamenggunakan hukum Ohm.

1. Hitung kecepatan hanyut elektron dalam kawat tembaga silinder dengan jari-jari 1 mm, atau 0,001 m) yang membawa arus 15-A, mengingat untuk tembaga, n = 8,342 × 10²⁸ e/m³.

DaerahSEBUAHluas penampang kawat adalah r², atau (0.001)² = 3.14 10^-6 saya².

• Tanda negatif menunjukkan bahwa arahnya berlawanan dengan arah aliran arus, seperti yang diharapkan untuk elektron.

2. Tentukan arus I pada rangkaian 120 V yang memiliki resistor 2Ω, 4-Ω dan 6-Ω yang dirangkai seri.

Resistor secara seri hanyalah aditif (dalam rangkaian paralel, jumlah resistansi total adalah jumlah kebalikan dari nilai resistansi individu). Jadi:

3. Suatu rangkaian mempunyai hambatan total 15 dan arus yang mengalir 20 A. Berapa daya dan tegangan pada rangkaian ini?