Tegangan: Definisi, Persamaan, Satuan (dengan Contoh)

Bayangkan air mengalir menuruni bukit melalui sistem pipa. Intuisi Anda harus memberi tahu Anda faktor apa yang membuat air mengalir lebih cepat dan apa yang membuatnya mengalir lebih lambat. Semakin tinggi bukit, semakin cepat arusnya, dan semakin banyak penghalang di pipa, semakin lambat alirannya.

Ini semua karenaperbedaan energi potensial​ ​antara puncak bukit dan bawah, karena air memiliki energi potensial gravitasi di puncak bukit dan tidak ada pada saat mencapai dasar.

Ini adalah analogi yang bagus untuk kelistrikantegangan. Dengan cara yang sama, ketika ada beda potensial listrik antara dua titik pada suatu rangkaian listrik, arus listrik mengalir dari satu bagian rangkaian ke bagian lain.

Sama seperti dalam contoh air, perbedaan energi potensial antara dua titik (diciptakan oleh distribusi muatan listrik) adalah yang menciptakan aliran arus. Tentu saja, fisikawan memiliki definisi yang lebih tepat daripada ini, dan mempelajari persamaan seperti hukum Ohm memberi Anda pemahaman yang lebih baik tentang tegangan.

Tegangan adalah nama yang diberikan untuk perbedaan energi potensial listrik antara dua titik, dan itu didefinisikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan. Meskipunpotensial listrikadalah istilah yang lebih akurat, fakta bahwa satuan SI untuk potensial listrik adalah volt (V) berarti itu biasa disebut sebagai tegangan, terutama ketika orang berbicara tentang perbedaan potensial antara terminal baterai atau bagian lain dari a sirkuit.

Definisi tersebut dapat ditulis secara matematis sebagai berikut:

DimanaVadalah beda potensial,E​_el adalah energi potensial listrik (dalam joule) danqadalah muatan (dalam coulomb). Dari sini, Anda seharusnya dapat melihat bahwa 1 V = 1 J/C, artinya satu volt didefinisikan sebagai satu joule per coulomb (yaitu, per satuan muatan). Terkadang, Anda akan melihatEdigunakan sebagai simbol tegangan, karena istilah lain untuk besaran yang sama adalah “gaya gerak listrik” (EMF), tetapi banyak sumber menggunakanVuntuk mencocokkan penggunaan sehari-hari istilah.

Volt mengambil namanya dari fisikawan Italia Alessandro Volta, yang terkenal karena menemukan baterai listrik pertama (disebut "tumpukan volta").

Namun, persamaan di atas bukanlah persamaan yang paling umum digunakan untuk tegangan, karena sebagian besar saat Anda menemukan istilah itu akan melibatkan rangkaian listrik, dan persamaan yang paling berguna untuk ini adalahHukum Ohm. Ini menghubungkan tegangan dengan aliran arus dalam rangkaian dan hambatan terhadap aliran arus dari kabel dan komponen rangkaian, dan memiliki bentuk:

DimanaVadalah beda potensial dalam volt (V);sayaadalah aliran arus, dengan satuan ampere atau amp untuk short (A); danRadalah hambatan dalam ohm (Ω). Sekilas, persamaan ini memberi tahu Anda bahwa untuk resistansi yang sama, tegangan yang lebih tinggi menghasilkan arus yang lebih tinggi (analog dengan peningkatan ketinggian bukit di pendahuluan) dan untuk tegangan yang sama, aliran arus dikurangi untuk resistansi yang lebih tinggi (analog dengan penghalang ke pipa di contoh). Jika tidak ada perbedaan tegangan, tidak ada arus yang mengalir.

Komponen yang berbeda dari suatu rangkaian akan memiliki perbedaantegangan turunmelintasinya, dan Anda dapat menggunakan hukum Ohm untuk mengetahui apa yang akan terjadi. Sejalan dengan hukum tegangan Kirchhoff,jumlah penurunan tegangan di sekitar setiap loop lengkap dalam suatu rangkaian harus sama dengan nol​.

Tegangan melintasi elemen dalam rangkaian listrik dapat diukur dengan voltmeter atau multimeter, dengan yang terakhir berisi voltmeter tetapi juga alat lain seperti ammeter (untuk mengukur arus). Anda menghubungkan voltmeter secara paralel melintasi elemen yang diukur untuk menentukan penurunan tegangan antara dua titik – jangan pernah menghubungkannya secara seri!

Voltmeter analog bekerja menggunakan galvanometer (alat untuk mengukur arus listrik kecil) secara seri dengan resistor ohm tinggi, dengan galvanometer berisi gulungan kawat dalam medan magnet. Ketika arus mengalir melalui kawat, itu menciptakan medan magnet, yang berinteraksi dengan yang ada medan magnet untuk membuat kumparan berputar, yang kemudian menggerakkan penunjuk pada perangkat untuk menunjukkan tegangan.

Karena putaran kumparan sebanding dengan arus, dan arus searah is sebanding dengan tegangan (menurut hukum Ohm), semakin banyak kumparan berputar, semakin besar tegangan antara dua titik. Ini lebih rumit jika Anda mengukur arus bolak-balik daripada arus searah, tetapi desain yang berbeda memungkinkan hal ini juga.

Anda harus menghubungkan voltmeter secara paralel karena dua elemen rangkaian secara paralel memiliki tegangan yang sama di atasnya. Voltmeter harus memiliki resistansi yang tinggi karena ini mencegah voltmeter menarik arus yang terlalu besar dari rangkaian utama dan dengan demikian mengganggu hasil. Plus, voltmeter tidak dibuat untuk menarik arus besar, jadi jika Anda menghubungkannya secara seri, voltmeter dapat dengan mudah putus atau putus sekring.

Belajar bekerja dengan potensial listrik melibatkan belajar menggunakan hukum Ohm dan belajar menerapkan hukum tegangan Kirchhoff untuk menentukan penurunan tegangan di berbagai elemen dalam suatu rangkaian. Hal paling sederhana untuk dilakukan adalah menerapkan hukum Ohm ke seluruh rangkaian.

Jika suatu rangkaian diberi daya oleh baterai 12 V dan memiliki hambatan total 70 ohm, berapa arus yang mengalir melalui rangkaian tersebut?

Di sini, Anda hanya perlu mengatur ulang hukum Ohm untuk membuat ekspresi untuk arus listrik. Hukum menyatakan:

Yang perlu Anda lakukan adalah membagi kedua sisi denganRdan mundur untuk mendapatkan:

Memasukkan nilai memberikan:

Jadi arusnya adalah 0,1714 A, atau 171,4 miliampere (mA).

Tetapi sekarang bayangkan bahwa hambatan 70 ini dibagi menjadi tiga resistor yang berbeda secara seri, dengan nilai 20, 10, dan 40. Berapa penurunan tegangan pada masing-masing komponen?

Sekali lagi, Anda dapat menggunakan hukum Ohm untuk melihat setiap komponen secara bergantian, dengan mencatat arus listrik keseluruhan di sekitar rangkaian 0,1714 A. Menggunakan V = IR untuk masing-masing dari tiga resistor secara bergantian:

Untuk yang pertama:

Kedua:

Dan yang ketiga:

Menurut hukum tegangan Kirchhoff, ketiga penurunan tegangan ini harus menambahkan hingga 12 V:

Ini sama dengan 12 V hingga dua tempat desimal, dengan sedikit perbedaan karena kesalahan pembulatan.

Pada pembahasan cara mengukur tegangan di atas, telah dicatat bahwa tegangan jatuh pada komponen paralel dalam suatu rangkaian adalah sama. Hal ini dijelaskan olehHukum tegangan Kirchhoff, yang menyatakan bahwa jumlah semua tegangan (tegangan positif dari sumber listrik dan tegangan turun dari komponen) dalam loop tertutup harus sama dengan nol​.

Untuk rangkaian paralel, dengan banyak cabang, Anda dapat membuat loop seperti itu termasuk salah satu cabang paralel dan baterai. Terlepas dari komponen pada setiap cabang, tegangan jatuh di setiap cabangharusoleh karena itu sama dengan tegangan yang diberikan oleh baterai (mengabaikan kemungkinan komponen lain secara seri, untuk kesederhanaan). Hal ini berlaku untuk semua cabang, sehingga komponen paralel akan selalu memiliki penurunan tegangan yang sama.

Hukum Ohm juga dapat diperluas untuk berhubungan dengan daya (P), yang merupakan laju suplai energi dalam joule per detik (watt,W), dan ternyata P = IV.

Untuk komponen rangkaian seperti bola lampu, ini menunjukkan bahwa daya yang dihamburkan (yaitu, berubah menjadi cahaya) tergantung pada tegangan yang melewatinya, dengan tegangan yang lebih tinggi mengarah ke output daya yang lebih tinggi. Sejalan dengan pembahasan komponen paralel pada bagian sebelumnya, beberapa bola lampu yang disusun secara paralel bersinar lebih terang dari pada bola lampu yang disusun secara sama. secara seri, karena tegangan baterai penuh turun di setiap bola lampu saat dihubungkan secara paralel, sementara hanya sepertiganya yang turun saat terhubung secara paralel. seri.