Sirkuit listrik ada di mana-mana dalam kehidupan kita sehari-hari. Dari sirkuit terintegrasi kompleks yang mengontrol perangkat yang Anda baca artikel ini hingga kabel yang memungkinkan Anda beralih a bola lampu di rumah Anda hidup dan mati, seluruh hidup Anda akan sangat berbeda jika Anda tidak dikelilingi oleh sirkuit di mana pun Anda berada. Pergilah.
Tetapi kebanyakan orang tidak benar-benar mempelajari seluk beluk cara kerja sirkuit dan persamaan yang cukup sederhana – seperti Hukum Ohm – yang menjelaskan hubungan antara konsep-konsep kunci seperti hambatan listrik, tegangan dan listrik arus. Namun, mempelajari fisika elektronik sedikit lebih dalam dapat memberi Anda wawasan yang jauh lebih dalam tentang aturan inti yang menopang sebagian besar teknologi modern.
Apa itu Hukum Ohm?
Hukum Ohm adalah salah satu persamaan terpenting dalam memahami rangkaian listrik, tetapi jika Anda ingin memahaminya, Anda perlu memahami konsep dasar yang terkait dengannya:tegangan, arusdanperlawanan. Hukum Ohm hanyalah persamaan yang menggambarkan hubungan antara ketiga kuantitas ini untuk sebagian besar konduktor.
Tegangan adalah istilah yang paling umum digunakan untuk perbedaan potensial listrik antara dua titik, dan ini memberikan "dorongan" yang memungkinkan muatan listrik bergerak di sekitar loop konduktor.
Potensial listrik adalah bentuk energi potensial, seperti energi potensial gravitasi, dan didefinisikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan. Satuan SI untuk tegangan adalah volt (V), dan 1 V = 1 J/C, atau satu joule energi per coulomb muatan. Kadang-kadang juga disebutgaya gerak listrikatau EMF.
Arus listrik adalah laju aliran muatan listrik yang melewati suatu titik tertentu dalam suatu rangkaian, yang memiliki satuan SI ampere (A), di mana 1 A = 1 C/s (satu coulomb muatan per detik). Itu datang dalam bentuk arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC), dan meskipun DC lebih sederhana, rangkaian AC digunakan untuk memasok listrik ke sebagian besar rumah tangga di seluruh dunia karena lebih mudah dan lebih aman untuk mentransmisikan dalam waktu lama jarak.
Konsep terakhir yang harus Anda pahami sebelum menangani hukum Ohm adalah resistansi, yang merupakan ukuran perlawanan terhadap aliran arus dalam suatu rangkaian. Satuan SI untuk resistansi adalah ohm (yang menggunakan huruf Yunani omega, ), di mana 1 = 1 V/A.
Persamaan Hukum Ohm
Fisikawan Jerman Georg Ohm menggambarkan hubungan antara tegangan, arus dan hambatan dalam persamaan eponimnya. Rumus hukum Ohm adalah:
V=IR
dimanaVadalah tegangan atau beda potensial,sayaadalah jumlah arus dan hambatanRadalah jumlah akhir.
Persamaan tersebut dapat disusun kembali dengan cara yang sederhana untuk menghasilkan rumus untuk menghitung arus berdasarkan tegangan dan hambatan, atau hambatan berdasarkan arus dan tegangan. Jika Anda tidak nyaman mengatur ulang persamaan, Anda dapat mencari segitiga hukum Ohm (lihat Sumberdaya), tetapi cukup mudah bagi siapa saja yang akrab dengan aturan dasar aljabar.
Poin kunci yang ditunjukkan oleh persamaan hukum Ohm adalah bahwa tegangan berbanding lurus dengan arus listrik (sehingga semakin tinggi tegangan, semakin tinggi arus), dan arus itu berbanding terbalik dengan resistansi (sehingga semakin tinggi resistansi, semakin rendah arus).
Anda dapat menggunakan analogi aliran air untuk mengingat poin-poin penting, yang didasarkan pada pipa dengan satu ujung di puncak bukit dan satu ujung di bawah. Tegangan seperti ketinggian bukit (semakin curam, bukit lebih tinggi berarti lebih banyak tegangan), aliran arus seperti aliran air (air mengalir lebih cepat menuruni bukit yang lebih curam) dan hambatannya adalah seperti gesekan antara sisi pipa dan air (pipa yang lebih tipis menciptakan lebih banyak gesekan dan mengurangi kecepatan aliran air, seperti hambatan yang lebih tinggi untuk arus listrik mengalir).
Mengapa Hukum Ohm Penting?
Hukum Ohm sangat penting untuk menggambarkan rangkaian listrik karena menghubungkan tegangan dengan arus, dengan nilai resistansi memoderasi hubungan antara keduanya. Karena itu, Anda dapat menggunakan hukum Ohm untuk mengontrol jumlah arus dalam suatu rangkaian, menambahkan resistor untuk mengurangi aliran arus dan menghilangkannya untuk meningkatkan jumlah arus.
Ini juga dapat diperluas untuk menggambarkan daya listrik (laju aliran energi per detik), karena daya P = IV, sehingga Anda dapat menggunakannya untuk memastikan sirkuit Anda menyediakan energi yang cukup untuk, katakanlah, alat 60 watt.
Untuk siswa fisika, hal terpenting tentang hukum Ohm adalah memungkinkan Anda untuk menganalisis diagram rangkaian, terutama ketika Anda menggabungkannya dengan hukum Kirchhoff, yang mengikutinya.
Hukum tegangan Kirchhoff menyatakan bahwa jatuh tegangan di sekitar loop tertutup dalam suatu rangkaian selalu sama dengan nol, dan hukum arus menyatakan bahwa jumlah arus yang mengalir ke persimpangan atau simpul dalam suatu rangkaian sama dengan jumlah yang mengalir keluar itu. Anda dapat menggunakan hukum Ohm dengan hukum tegangan khususnya untuk menghitung penurunan tegangan pada setiap komponen rangkaian, yang merupakan masalah umum yang ditimbulkan di kelas elektronik.
Contoh Hukum Ohm
Anda dapat menggunakan hukum Ohm untuk menemukan kuantitas yang tidak diketahui dari ketiganya, asalkan Anda mengetahui dua kuantitas lainnya untuk rangkaian listrik yang bersangkutan. Bekerja melalui beberapa contoh dasar menunjukkan kepada Anda bagaimana ini dilakukan.
Pertama, bayangkan Anda memiliki baterai 9 volt yang terhubung ke sirkuit dengan resistansi total 18. Berapa banyak arus yang mengalir ketika Anda menghubungkan sirkuit? Dengan mengatur ulang hukum Ohm (atau menggunakan segitiga), Anda dapat menemukan:
\begin{aligned} I &= \frac{V}{R} \\ &= \frac{9 \text{ V}}{18 \text{ }} \\ &= 0.5 \text{ A} \end {selaras}
Jadi 0,5 amp arus mengalir di sekitar rangkaian. Sekarang bayangkan bahwa ini adalah jumlah arus yang sempurna untuk komponen yang ingin Anda nyalakan, tetapi Anda hanya memiliki baterai 12-V. Berapa banyak hambatan yang harus Anda tambahkan untuk memastikan komponen mendapatkan jumlah arus yang optimal? Sekali lagi, Anda dapat mengatur ulang hukum Ohm dan menyelesaikannya untuk menemukan jawabannya:
\begin{aligned} R &= \frac{V}{I} \\ &= \frac{12 \text{ V}}{0.5 \text{ A}} \\ &= 24 \text{ } \end {selaras}
Jadi, Anda memerlukan resistor 24- untuk melengkapi rangkaian Anda. Akhirnya, berapa penurunan tegangan pada resistor 5-Ω dalam rangkaian dengan arus 2 A yang mengalir melaluinya? Kali ini, bentuk hukum standar V = IR berfungsi dengan baik:
\begin{aligned} V&=IR \\ &= 2 \text{ A} × 5 \text{ } \\ &= 10 \text{ V} \end{aligned}
Resistor Ohmik dan Non-ohmik
Anda dapat menggunakan hukum Ohm dalam berbagai situasi, tetapi validitasnya terbatas – ini bukan hukum fisika yang benar-benar mendasar. Hukum menjelaskan hubungan linier antara tegangan dan arus, tetapi hubungan ini hanya berlaku jika resistor atau elemen rangkaian resistif yang Anda kerjakan memiliki resistansi konstan di bawah yang berbeda teganganVdan saat inisayanilai-nilai.
Bahan yang mematuhi aturan ini disebut resistor ohmik, dan meskipun sebagian besar masalah fisika akan melibatkan resistor ohmik, Anda akan terbiasa dengan banyak resistor non-ohmik dari kehidupan sehari-hari Anda.
Bola lampu adalah contoh sempurna dari resistor non-ohmik. Ketika Anda membuat grafikVvs.sayauntuk resistor ohmik, ini menunjukkan hubungan garis lurus sepenuhnya, tetapi jika Anda melakukan ini untuk sesuatu seperti bola lampu, situasinya berubah. Saat filamen dalam bohlam memanas, resistansi bohlammeningkat, yang berarti grafik menjadi kurva daripada garis lurus, dan hukum Ohm tidak berlaku.
