Jika Anda baru mengenal fisika listrik, istilah sepertitegangandanamplimungkin hampir tampak dapat dipertukarkan berdasarkan cara penggunaannya. Namun pada kenyataannya, mereka adalah besaran yang sangat berbeda, meskipun mereka terkait erat dengan cara mereka bekerja bersama dalam rangkaian listrik, seperti yang dijelaskan oleh hukum Ohm.
Sungguh, "amp" adalah ukuran arus listrik (yang diukur dalamampere), dan tegangan adalah istilah yang berarti potensial listrik (diukur dalamvolt), tetapi kecuali Anda telah mempelajari detailnya, dapat dimengerti bahwa Anda dapat membuat keduanya bingung satu sama lain.
Untuk memahami perbedaannya – dan jangan pernah mencampuradukkannya lagi – Anda hanya perlu dasar dasar tentang apa artinya dan bagaimana hubungannya dengan rangkaian listrik.
Apa itu Tegangan?
Tegangan adalah istilah lain untuk perbedaan potensial listrik antara dua titik, dan secara sederhana dapat didefinisikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan.
Sama seperti potensial gravitasi adalah energi potensial yang dimiliki suatu benda berdasarkan posisinya dalam a medan gravitasi, potensial listrik adalah energi potensial yang dimiliki benda bermuatan berdasarkan posisinya dalam Medan listrik. Tegangan secara khusus menggambarkan ini per unit muatan listrik, sehingga dapat ditulis:
V=\frac{E_{el}}{q}
DimanaVadalah tegangan,Eel adalah energi potensial listrik danqadalah muatan listrik. Karena satuan energi potensial listrik adalah joule (J) dan satuan muatan listrik adalah coulomb (C), satuan tegangan adalah volt (V), di mana 1 V = 1 J/C, atau dengan kata lain, satu volt sama dengan satu joule per coulomb.
Ini memberitahu Anda bahwa jika Anda membiarkan muatan 1 coulomb melewati beda potensial (yaitu, tegangan) 1 V, itu akan memperoleh energi 1 J, atau sebaliknya, dibutuhkan energi satu joule untuk memindahkan satu coulomb muatan melalui beda potensial 1 V Tegangan juga kadang-kadang disebut sebagaigaya gerak listrik(EMF).
Perbedaan tegangan (atau perbedaan potensial) antara dua titik, seperti di kedua sisi elemen di sirkuit listrik, dapat diukur dengan menghubungkan voltmeter secara paralel dengan elemen yang Anda minati di. Seperti namanya, voltmeter mengukur tegangan antara dua titik di sirkuit, tetapi ketika Anda menggunakannya, itu harus terhubung.secara paraleluntuk menghindari gangguan pada pembacaan tegangan atau kerusakan pada perangkat.
Apa Itu Saat Ini?
Arus listrik, yang kadang-kadang disebut sebagai ampere (karena memiliki satuan ampere), adalah laju aliran muatan listrik yang melewati suatu titik dalam suatu rangkaian. Muatan listrik dibawa oleh elektron, partikel bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom, sehingga jumlah arus benar-benar memberitahu Anda laju aliran elektron. Definisi matematis sederhana dari arus listrik adalah:
saya=\frac{q}{t}
Dimanasayaadalah arus (dalam ampere),qadalah muatan listrik (dalam coulomb) danuntukadalah waktu yang berlalu (dalam detik). Seperti yang ditunjukkan persamaan ini, definisi ampere (A) adalah 1 A = 1 C/s, atau aliran muatan listrik sebesar 1 coulomb per detik. Dalam hal elektron, ini sekitar 6,2 × 1018 elektron (sekitar enam miliar miliar) mengalir melewati titik referensi per detik untuk aliran arus hanya 1 A.
Arus dapat diukur dalam suatu rangkaian listrik dengan menghubungkan amperemeter secara seri – artinya dalam in jalur arus utama – dengan bagian sirkuit yang ingin Anda ukur jumlah arusnya melalui.
Aliran Air: Sebuah Analogi
Jika Anda masih kesulitan memahami peran perbedaan tegangan dan arus listrik electric dalam rangkaian listrik, analogi yang banyak digunakan antara listrik dan air akan membantu memperjelas sesuatu. Dua skenario berbeda dapat digunakan untuk mewakili tegangan dalam rangkaian listrik: baik pipa air yang mengalir menuruni bukit, atau tangki air yang diisi dengan cerat keluaran di bagian bawah.
Untuk pipa air dengan satu ujung di atas bukit dan ujung lainnya di bawah, intuisi Anda seharusnya memberitahu Anda bahwa air akan mengalir melaluinya lebih cepat jika bukitnya lebih tinggi dan lebih lambat jika bukitnya lebih rendah. Untuk contoh tangki air, jika ada dua tangki air yang diisi ke tingkat yang berbeda, Anda akan mengharapkan tangki yang lebih diisi untuk melepaskan air dari outlet pada tingkat yang lebih cepat daripada yang diisi ke yang lebih rendah tingkat.
Baik itu potensi dari ketinggian bukit (karena potensi gravitasi) atau potensi dibuat oleh tekanan air di dalam tangki, kedua contoh ini menyampaikan fakta penting tentang tegangan perbedaan. Semakin besar potensinya, semakin cepat air (yaitu, arus) akan mengalir.
Aliran air sendiri dianalogikan dengan arus listrik. Jika Anda mengukur air yang mengalir melewati satu titik pada pipa per detik, ini seperti aliran arus dalam suatu rangkaian, kecuali dengan air sebagai pengganti muatan listrik dalam bentuk elektron. Jadi jika semuanya sama, tegangan tinggi mengarah ke arus tinggi, dan sebaliknya. Bagian akhir dari gambar adalah hambatan, yang analog dengan gesekan antara dinding pipa dan air, atau penghalang fisik yang ditempatkan di pipa yang sebagian menghalangi air mengalir.
Persamaan dan perbedaan
\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{c: c} \text{Similarities} & \text{Differences} \\ \hline\hline \text{Keduanya berkaitan dengan rangkaian listrik} & \text{Unit yang berbeda, tegangan adalah diukur dalam volt, di mana 1 V = 1 J/C} \\ & \text{sementara arus diukur dalam ampere, di mana 1 A = 1 C/s} \\ \hline \text{Keduanya memengaruhi seberapa besar daya yang dihamburkan melintasi sebuah sirkuit elemen} & \text{Arus terdistribusi secara merata di semua komponen jika dirangkai}\\ & \text{sementara penurunan tegangan antar komponen dapat berbeda}\\ \hline \text{Keduanya dapat bergantian polaritas (misalnya bolak-balik} & \text{Tegangan jatuh sama di semua } \\ \text{arus atau tegangan bolak-balik) atau polaritas langsung } & \text{komponen yang terhubung secara paralel, sementara beda arus} \\ \hline \text{Mereka berbanding lurus menurut hukum Ohm} & \text{Tegangan menghasilkan medan listrik sedangkan arus menghasilkan magnet field} \\ \hline & \text{Tegangan menyebabkan arus, sedangkan arus adalah pengaruh tegangan} \\ \hline & \text{Arus hanya mengalir ketika rangkaian selesai, tetapi perbedaan tegangan sisa} \end{array}
Seperti yang ditunjukkan tabel, arus dan tegangan listrik memiliki lebih banyak perbedaan daripada persamaan, tetapi ada beberapa kesamaan juga. Perbedaan terbesar antara keduanya adalah fakta bahwa mereka menggambarkan jumlah yang berbeda sepenuhnya, jadi setelah Anda memahami dasar-dasar masing-masing, Anda tidak akan membuat mereka bingung dengan satu lain.
Hubungan Antara Tegangan dan Arus
Perbedaan tegangan dan arus listrik berbanding lurus satu sama lain sesuai dengan hukum Ohm, salah satu persamaan terpenting dalam fisika rangkaian listrik. Persamaan menghubungkan tegangan (yaitu, perbedaan potensial yang dibuat oleh baterai atau sumber daya lainnya) terhadap arus dalam rangkaian dan hambatan terhadap aliran arus yang diciptakan oleh komponen-komponen dari sirkuit.
Hukum Ohm menyatakan:
V = IR
DimanaVadalah tegangan,sayaadalah arus listrik danRadalah resistansi (diukur dalam ohm, ). Untuk alasan ini, hukum Ohm kadang-kadang disebut sebagai persamaan tegangan, arus dan hambatan. Jika Anda mengetahui dua kuantitas dalam persamaan ini, Anda dapat mengatur ulang persamaan untuk menemukan yang lain find kuantitas, yang membuatnya berguna dalam memecahkan sebagian besar masalah elektronik yang akan Anda temui dalam fisika kelas.
Perlu dicatat bahwa hukum Ohm tidakselaluvalid, dan dengan demikian itu bukan hukum fisika "benar", tetapi pendekatan yang berguna untuk apa yang disebutohmikbahan. Hubungan linier yang tersirat antara arus dan tegangan tidak berlaku untuk hal-hal seperti filamen bohlam, di mana peningkatan suhu menyebabkan peningkatan resistensi dan dengan demikian berdampak pada linier hubungan. Namun, dalam banyak kasus (dan tentu saja sebagian besar masalah fisika Anda akan ditanya tentang tegangan dan arus listrik) dapat digunakan tanpa masalah.
Hukum Ohm untuk Daya
Hukum Ohm terutama digunakan untuk menghubungkan tegangan dengan arus dan resistansi; Namun, ada perpanjangan hukum yang memungkinkan Anda untuk menggunakan jumlah yang sama untuk menghitung daya listrik yang dihamburkan di sirkuit, di mana dayaPadalah laju transfer energi dalam watt (di mana 1 W = 1 J/s). Bentuk paling sederhana dari persamaan ini adalah:
P=IV
Jadi dengan kata lain, daya sama dengan arus dikalikan dengan tegangan. Oleh karena itu, ini adalah area utama di mana perbedaan tegangan dan arus listrik serupa: Keduanya memiliki hubungan yang berbanding lurus dengan daya yang dihamburkan dalam suatu rangkaian. Jika Anda tidak mengetahui arusnya, Anda dapat menggunakan pengaturan ulang hukum Ohm (I = V / R) untuk menyatakan daya sebagai:
\begin{aligned} P&=\frac{V}{R}× V \\ &= \frac{V^2}{R} \end{aligned}
Atau menggunakan bentuk standar hukum Ohm, Anda dapat mengganti tegangan dan menulis:
P=I^2R
Dengan mengatur ulang persamaan ini, Anda juga dapat menyatakan tegangan, hambatan, atau arus dalam bentuk daya dan besaran lain.
Hukum Tegangan dan Arus Kirchhoff
Hukum Kirchhoff adalah dua hukum terpenting lainnya untuk rangkaian listrik, dan hukum ini sangat berguna saat Anda menganalisis rangkaian dengan banyak komponen.
Hukum pertama Kirchhoff kadang-kadang disebut hukum arus, karena menyatakan bahwa arus total total mengalir ke persimpangan sama dengan arus yang mengalir keluar darinya - pada dasarnya muatan itu adalah dilestarikan.
Hukum kedua Kirchhoff disebut hukum tegangan, dan menyatakan bahwa untuk setiap loop tertutup dalam suatu rangkaian, jumlah semua tegangan harus sama dengan nol. Untuk hukum tegangan, Anda memperlakukan baterai sebagai tegangan positif dan memperlakukan penurunan tegangan pada komponen apa pun sebagai tegangan negatif.
Dalam kombinasi dengan hukum Ohm, kedua hukum ini pada dasarnya dapat digunakan untuk memecahkan masalah apa pun yang mungkin Anda temui yang melibatkan sirkuit listrik.
Tegangan dan Arus: Contoh Perhitungan
Bayangkan Anda memiliki rangkaian yang melibatkan baterai 12-V dan dua resistor, dihubungkan secara seri, dengan resistansi 30 dan 15. Resistansi total untuk rangkaian diberikan oleh jumlah dari dua resistansi ini, jadi 30 + 15 = 45. Perhatikan bahwa ketika resistor disusun secara paralel, hubungannya melibatkan timbal balik, tetapi ini tidak penting untuk memahami hubungan antara perbedaan tegangan dan arus, jadi contoh sederhana ini akan cukup untuk saat ini tujuan.
Berapakah arus listrik yang mengalir melalui rangkaian tersebut? Cobalah untuk menerapkan hukum Ohm sendiri sebelum membaca.
Berikut bentuk hukum Ohm:
saya=\frac{V}{R}
Memungkinkan Anda menghitung:
\begin{aligned} I&=\frac{12 \text{ V}}{45 \text{ }} \\ &=0.27 \text{ A} \end{aligned}
Sekarang, mengetahui arus yang melalui rangkaian, berapa penurunan tegangan pada resistor 15-Ω? Hukum Ohm dalam bentuk standar dapat digunakan untuk menjawab pertanyaan ini. Menyisipkan nilaisaya= 0,27 A danR= 15 memberikan:
\begin{aligned} V &= IR \\ &= 0,27 \text{ A} × 15 \text{ } \\ &= 4,05 \text{ V} \end{aligned}
Untuk tujuan menggunakan hukum Kirchhoff, ini akan menjadi tegangan negatif (yaitu, penurunan tegangan). Sebagai latihan terakhir, dapatkah Anda menunjukkan bahwa tegangan total di sekitar loop tertutup akan sama dengan nol? Ingatlah bahwa baterai memiliki tegangan positif, dan semua penurunan tegangan adalah negatif.