Arus listrik

Pengertian arus listrik

Di dalam konduktor seperti tembaga terdapat elektron-elektron yang bergerak bebas secara acak dengan laju tinggi tetapi tidak melepaskan diri dari logam tersebut. Elektron yang dapat bergerak bebas dinamakan elektron bebas. Walaupun elektron-elektron bergerak bebas ke segala arah tetapi tidak ada aliran total elektron-elektron menuju arah tertentu. Kondisi ini terjadi ketika tidak ada beda potensial di antara kedua ujung kawat tembaga.

Ketika kawat dihubungkan dengan sumber listrik maka timbul beda potensial di antara kedua ujung kawat tembaga sehingga memunculkan medan listrik di dalam kawat tembaga. Adanya medan listrik menyebabkan elektron-elektron bebas mengalami gaya listrik F = q E = e E, di mana F = gaya listrik, e = muatan elektron, E = medan listrik. Gaya listrik menyebabkan semua elektron yang sedang bergerak bebas mengalami percepatan bersama yang arahnya sama dengan gaya listrik.

Elektron-elektron bebas yang bergerak bersama ini berada di antara atom-atom yang diam dalam kawat tembaga sehingga semua elekton bertumbukkan dengan atom-atom tersebut. Adanya tumbukan menyebabkan arah gerak elektron bebas berubah. Semua elektron ini selalu mengalami gaya listrik sehingga semua elektron kembali dipercepat ke arah yang sama dengan arah gaya listrik. Setelah bergerak sesaat, elektron-elektron bebas kembali bertumbukan dengan atom-atom dalam kawat tembaga. Tetapi elektron-elektron bebas selalu mengalami gaya listrik sehingga semua elektron kembali dipercepat. Jadi selain bergerak acak ke berbagai arah, semua elektron bebas juga bersama-sama bergerak perlahan searah gaya listrik dan berlawanan arah dengan medan listrik. Arah medan listrik dari potensial listrik tinggi ke potensial listrik rendah, sedangkan elektron bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Gerak acak masing-masing elektron bebas mempunyai kelajuan sangat cepat sedangkan gerak bersama elektron-elektron bebas searah gaya listrik mempunyai kelajuan sangat lambat. Gerak bersama elektron-elektron bebas searah gaya listrik ini disebut juga sebagai kelajuan hanyut.

Arus listrik didefinisikan sebagai aliran muatan listrik melewati suatu penampang konduktor selama selang waktu tertentu. Sesuai dengan kesepakatan, arah arus listrik sama dengan arah gerak muatan positif. Kesepakatan ini dibuat sebelum diketahui bahwa yang sesungguhnya bergerak dalam konduktor adalah elektron-elektron bebas bermuatan listrik negatif. Arah gerakan elektron pada konduktor berlawanan dengan arah arus listrik. Jadi bila dibahas arus yang mengalir pada konduktor maka yang dimaksud adalah aliran muatan positif, yang disebut juga sebagai arus konvensional karena merupakan hasil kesepakatan.

Rumus arus listrik

Secara matematis, arus listrik dinyatakan dengan persamaan :
I = ΔQ / Δt
Keterangan rumus : I = arus listrik, ΔQ = jumlah muatan listrik, Δt = selang waktu.

Satuan arus listrik

Satuan muatan listrik adalah Coulomb, satuan waktu adalah sekon, sehingga satuan arus listrik adalah Coulomb/sekon. Coulomb/sekon disebut juga sebagai Ampere, nama fisikawan Perancis, Andre Marie Ampere (1775-1836). 1 Ampere = 1 Coulomb / sekon (1 A = 1 C/s). Dengan kata lain, arus listrik sebesar 1 Ampere sama dengan muatan listrik sebanyak 1 Coulomb yang melewati suatu luas penampang kawat selama 1 sekon. Selain dinyatakan dalam Ampere, arus listrik juga dinyatakan dalam miliampere (1 mA = 10-3 A), mikroampere (1 μA = 10-6 A), nanoampere (1 nA = 10-9 A) atau pikoampere (1 pA = 10-12 A).

Contoh soal 1 :
Arus sebesar 2 Ampere mengalir melalui kawat selama 8 sekon. Tentukan besar muatan yang melewati suatu titik dan banyaknya elektron pada muatan tersebut!
Pembahasan
Diketahui :
Arus listrik (I) = 1 Ampere
Selang waktu (t) = 2 sekon
Ditanya : muatan (Q) dan jumlah elektron (e)
Jawab :
Rumus arus listrik :
I = Q/t
Keterangan rumus : I = arus listrik, Q = muatan listrik, t = selang waktu
Muatan listrik :
Q = I t = (2 Ampere)(8 sekon) = 16 Coulomb.

Muatan satu elektron adalah 1,6 x 10-19 Coulomb sehingga muatan 16 Coulomb mempunyai elektron sebanyak 16 C / 1,6 x 10-19 Coulomb = 10 x 1019 elektron.

Arus listrik, kelajuan hanyut dan kerapatan arus

Arus listrik - 1Tinjau muatan positif yang sedang bergerak ke kanan dengan kelajuan hanyut v searah medan listrik E pada sebuah konduktor yang mempunyai luas penampang A. Muatan positif bergerak sejauh s = v t selama selang waktu t.

Jika jumlah partikel bermuatan per volume (kerapatan partikel bermuatan) adalah n dan volume konduktor adalah A s = A v t, maka banyaknya partikel bermuatan yang berada di dalam volume konduktor tersebut adalah n A v t. Apabila setiap partikel bermuatan mempunyai muatan sebesar q maka jumlah muatan yang melewati ujung konduktor selama selang waktu t adalah Q = n q A v t. Jadi arus listrik yang mengalir melalui ujung konduktor adalah I = Q/t = n q A v. Sedangkan kerapatan arus atau arus per luas penampang A adalah J = I/A = n q v. Dapat disimpulkan bahwa arus yang mengalir dalam konduktor merupakan hasil perkalian kerapatan partikel bermuatan (n), besar muatan masing-masing partikel (q), luas panampang konduktor (A) dan kelajuan hanyut partikel bermuatan (v).

Pelajari contoh soal berikut ini untuk memahami perbedaan kelajuan masing-masing partikel bermuatan dengan kelajuan hanyut semua partikel bermuatan.

Contoh soal 2 :
Arus konstan 10 Ampere mengalir di dalam kawat tembaga dengan luas penampang 3 x 10-6 m2. Kerapatan elektron bebas adalah 8,4 x 1028 elektron/m3. Tentukan kelajuan hanyut elektron bebas!
Pembahasan
Diketahui :
Arus listrik (I) = 10 Ampere
Luas penampang kawat (A) = 3 x 10-6 m2
Kerapatan elektron bebas (n) = 8,4 x 1028 m-3
Muatan elektron (q) = 1,6 x 10-19 C
Ditanya : Kelajuan hanyut elektron bebas (v)
Jawab :
Kelajuan elektron dihitung menggunakan rumus yang telah diturunkan sebelumnya :

Arus listrik - 2

Keterangan : I = arus listrik, n = kerapatan partikel bermuatan = kerapatan elektron bebas, q = muatan satu elektron, A = luas penampang konduktor, v = kelajuan hanyut elektron

Arus listrik -

Kelajuan hanyut elektron adalah 0,248 x 10-3 meter/sekon = 0,248 milimeter/sekon.

Elektron-elektron bebas bergerak bersama-sama di dalam kawat dengan kelajuan sebesar 0,248 milimeter per detik. Dengan kata lain, setiap satu detik semua elektron bebas bergerak sejauh 0,248 milimeter. Ini merupakan kelajuan yang sangat lambat. Jika gerakan elektron-elektron bebas sangat lambat, mengapa lampu listrik langsung menyala setelah sakelar dinyalakan ?

Untuk memahami hal ini, diumpakan aliran elektron pada konduktor seperti aliran air di dalam selang. Jika di dalam selang telah terisi air maka jika salah ujung selang dihubungkan dengan kran, air langsung mengalir keluar dari salah satu ujung selang lainnya. Demikian juga telah ada elektron-elektron bebas pada kawat tembaga dan kawat bola lampu. Ketika sakelar dinyalakan, timbul medan listrik dengan kelajuan mendekati kelajuan cahaya (kelajuan cahaya = 3 x 108 meter/sekon), yang menyebabkan elektron-elektron bebas mulai bergerak bersama-sama pada saat itu juga. Sudah ada elektron-elektron bebas pada kawat bola lampu sehingga lampu menyala pada saat itu juga.

Anda perlu masuk untuk melihat isi sepenuhnya. Silahkan . Bukan Member? Bergabung

error: