Kabel listrik di rumah Anda yang menyimpan laptop, pengisi daya telepon, dan alat-alat kecil seperti lemari es dan kompor yang bersenandung terdiri dari sejumlah sirkuit listrik yang saling berhubungan. Ini terhubung ke sumber daya apa pun yang memasok listrik ke rumah Anda.
Tujuan dari rangkaian adalah untuk mendapatkan listrik dan potensi energinya yang cukup besar tepat di mana ia harus pergi, dan untuk menahan efek listrik yang berpotensi berbahaya dalam prosesnya.
Apa yang terjadi di dalam semua kabel itu, yang sebagian besar tidak terlihat oleh Anda? Untuk memulai dengan dasar-dasar, elektron bebas akan bergerak dengan adanya medan listrik, untuk alasan fisik yang akan dijelaskan nanti. Jika mereka diberi jalur loop tertutup untuk mengalir, sirkuit listrik dapat dibuat.
Rangkaian sederhana hanya terdiri dari sumber tegangan (beda potensial listrik); media di mana elektron dapat mengalir, biasanya kawat; dan beberapa sumber hambatan listrik di sirkuit. Namun, sebagian besar contoh dunia nyata jauh lebih kompleks, dan ada banyak jenis sirkuit listrik, yang semuanya penting untuk aliran listrik yang efisien.
Muatan dan Arus Listrik
Elemen konseptual dasar dalam dunia kelistrikan adalah arus, tegangan dan hambatan. Sebelum menjelajahi ini, perlu untuk melihat sedikit lebih dalam, kembali ke gagasan elektron bebas. Sebuah elektron dengan konvensi membawa muatan negatif dengan besarnya 1,60 × 10-19 coulomb, atau C. Karena aliran elektron yang menentukan arus, muatan dalam rangkaian mengalir menjauh dari terminal negatif dan ke arah terminal positif.
"Satuan muatan" dalam fisika distandarisasi sebagai positif dan memiliki besar yang sama dengan muatannyaepada sebuah elektron. Muatan positif yang ditempatkan di dekat terminal positif akan mengalami "penolakan", dan "ingin" menjauh dari terminal, semakin kuat saat jarak mendekati nol. Dalam keadaan ini, muatan memiliki potensial listrik yang lebih tinggi daripada pada jarak yang lebih jauh.
Jadi "muatan" ("positif" tersirat kecuali dinyatakan lain) mengalir dari area bertegangan lebih tinggi ke area bertegangan lebih rendah. Ini adalah perbedaan potensial atau tegangan yang dirujuk dalam fisika, dan besarnya sebagian menentukan aliran arus dalam suatu rangkaian. Arus listrik datang dalam bentuk arus bolak-balik ("gelisah", aliran phasic) dan arus searah (aliran seragam); yang terakhir adalah standar modern yang digunakan dalam jaringan tenaga listrik.
- Aliran arus diukur menggunakan alat yang disebut anpengukur amper. Perangkat yang sama biasanya dapat digunakan sebagaivoltmeteruntuk mengukur beda potensial.
Hukum Ohm
Bagian sebelumnya sebagian besar dapat diringkas oleh hukum matematika sederhana yang disebut hukum Ohm:
saya=\frac{V}{R}
dimanasayasedang dalamampere(C/s), V adalah tegangan, atau beda potensial, dalamvolt(joule per C, atau J/C; perhatikan istilah energi dalam penyebut) danRadalah hambatan dalamohm (Ω).
Dalam rangkaian seri, hambatan individuresistorditambahkan bersama-sama untuk menghitung resistansi rangkaian secara keseluruhan. Di sirkuit paralel, yang akan segera Anda baca, aturannya adalah:
\frac{1}{R_{tot}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}
dimanaR1, R2dan seterusnya adalah nilai individu daritidakresistor pada rangkaian paralel.
Definisi Sirkuit
Sirkuit adalah loop tertutup di mana muatan listrik mengalir sebagai akibat dari tegangan penggerak. Arus adalah laju aliran, diukur sebagai jumlah muatan yang melewati titik tertentu dalam rangkaian per satuan waktu.
Kadang-kadang sangat membantu untuk memikirkan arus dalam rangkaian kawat sebagai analog dengan air yang mengalir melalui pipa. Air akan mengalir dari daerah yang energi potensialnya tinggi ke daerah yang energi potensialnya lebih rendah. Beberapa sumber kemudian perlu menggunakan energi untuk menaikkan air sehingga akan mengalir ke bawah. Agar aliran air terus menerus, begitu air mencapai dasar, itu harus diangkat kembali ke atas.Tindakan mengangkat air kembali ke atas pada dasarnya adalah apa yang dilakukan baterai atau sumber daya dalam rangkaian listrik.
Tujuan dari rangkaian adalah untuk melakukan sesuatu yang berguna dengan aliran muatan ini. Semua sirkuit mencakup semacam elemen resistif yang memperlambat aliran muatan, seperti bendungan memperlambat aliran air dari reservoir. Jika bola lampu ditambahkan ke sirkuit, misalnya, itu memperlambat aliran muatan dan mengubah energi terkait menjadi cahaya.
Diagram Sirkuit dan Elemen Sirkuit
Seringkali berguna untuk membuat sketsa diagram sirkuit jika Anda diberikan beberapa kombinasi dari:V, akudanRdan diminta untuk memecahkan jumlah yang tidak diketahui. Untuk melakukannya, gunakan satu set simbol untuk menyederhanakan sketsa.
•••Dan Chen | Sains
Simbol-simbol ini kemudian dihubungkan dengan garis lurus untuk membuat diagram sirkuit.
•••Dan Chen | Sains
Jenis Sirkuit
SEBUAHrangkaian serimemiliki elemen yang terhubung secara seri, atau satu demi satu tanpa percabangan kawat. Arus yang mengalir melalui semua elemen yang dihubungkan secara seri adalah sama, tidak peduli berapa banyak resistor yang ditemui di sepanjang jalan.
SEBUAHSirkuit Paralelmemiliki elemen yang terhubung secara paralel – yaitu, satu titik di cabang rangkaian, dengan kabel menuju dua elemen yang berbeda, dan kemudian cabang tersebut bergabung kembali.Tegangan di setiap elemen yang terhubung secara paralel adalah sama.
Sebuahrangkaian terbukaadalah salah satu di mana tidak ada arus yang dapat mengalir karena loop terputus di beberapa titik. SEBUAHsirkuit tertutupadalah salah satu di mana loop lengkap terbentuk dan arus dapat mengalir. Jelas, yang terakhir cenderung lebih menarik untuk dipelajari.
SEBUAHhubung singkatadalah salah satu di mana elemen resistif dilewati dan aliran arus sangat tinggi. Ini umumnya tidak diinginkan, dan perangkat yang disebut pemutus sirkuit dipasang di sirkuit untuk "mematahkan" (membuka) sirkuit dan menghentikan aliran arus untuk melindungi terhadap kerusakan pada sirkuit dan peralatan listrik, dan untuk melindungi terhadap kebakaran.
Contoh Rangkaian Listrik
1. Rangkaian seri mencakup sumber daya 9-V (baterai, dalam hal ini) dan empat resistor dengan nilai resistansi 1,5, 4,5, 2 dan 1. Apa aliran saat ini?
Pertama, hitung hambatan totalnya. Mengingat aturan yang diberikan di bagian sebelumnya, ini hanya 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9. Jadi arus yang mengalir adalah
I=\frac{V}{R_{tot}}=\frac{9}{9}=1\text{ A}
2. Sekarang bayangkan tegangan yang sama dan empat resistor, tetapi dengan resistor 1,5-Ω dan 4,5-Ω ditempatkan secara paralel dan yang lainnya diatur sama seperti sebelumnya. Apa aliran saat ini?
Kali ini, hitung hambatan di bagian paralel rangkaian. Ini diberikan oleh 1/R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. Jangan lupa ambil resiprokal nomor ini untuk mendapatkanR!Ini diberikan oleh 1/0,89 = 1,13 .
Anda sekarang dapat memperlakukan bagian rangkaian ini sebagai elemen resistif tunggal dengan resistansi 0,89, dan seluruh masalah diselesaikan seperti rangkaian seri: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Ini memungkinkan Anda untuk memecahkan saat ini sekali lagi:V/Rtot= 9 V/4.13 =2.18 A.
3. Akhirnya, berdasarkan pengaturan pada contoh sebelumnya, gabungkan resistor 2-Ω dan 1-Ω dalam rangkaian paralel, menghasilkan dua rangkaian rangkaian paralel yang disusun secara seri. Berapa arus yang mengalir sekarang?
Selesaikan untuk hambatan rangkaian paralel baru: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67. Resistansi totalnya adalah 1,13 + 0,67 = 1,79. Arus di sirkuit yang dirubah lagi dengan demikian adalah 9 V/1,79 =5.03 A.
Contoh-contoh ini menggambarkan bahwa mendistribusikan resistansi melintasi resistor paralel meningkatkan jumlah arus yang mengalir dengan menurunkan resistansi total, karena tegangan tidak berubah.