Sensor debu ZH03A dibuat oleh perusahaan Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Sensor debu ini dapat mengukur kadar debu pada ukuran PM1.0, PM2.5 dan PM10
Berikut ini foto sensor tersebut.
Foto tampak depan
Foto tampak samping
Tampak samping
Foto tampak atas
Permasalahan
Saya mau kontrol variabel dari tegangan negatif (-10) hingga (+10) DC menggunakan mikrokontroler (0 ~ 3,3 VDC). Rangkaian apa yang saya butuhkan?
Jawaban:
Untuk membangkitkan tegangan analog anda bisa pakai DAC (Digital to Analog Converter). Ada mikrokontroler yang sudah ada DACnya, misal ESP32. Kalau belum ada, bisa pakai DAC tambahan seperti MCP4725 . Jadi di sini kita sudah dapat tegangan analog 0 ~ 3,3 volt. Kemudian tegangan ini dikurangi dengan 1,65 volt dengan rangkaian penjumlah op-amp dan sumber tegangan -1,65 volt. Di sini kita dapat tegangan analog -1,65 V ~ 1,65V. Tegangan ini kemudian dikalikan dengan op-amp non inverting supaya menghasilkan rentang -10V ~ +10V.
Setelah kehabisan versi 1, akhirnya saya berhasil juga mendapatkan StarFive VisionFive 2
Sejauh ini sudah berhasil menjalankan sistem operasi Debian.
Kabarnya Ubuntu juga sudah ada namun sedikit lebih rumit penggunaannya
3500 VA artinya 3500 volt-ampere, yang mengindikasikan ukuran daya aparent (volt-ampere) dari perangkat atau sistem. Volt-ampere (VA) adalah hasil kali dari tegangan (volt) dan arus (ampere) yang mengalir dalam suatu rangkaian listrik.
Namun, penting untuk memahami bahwa daya tampak (VA) tidak sama dengan daya aktif (watt) yang sebenarnya digunakan oleh perangkat atau sistem. Faktor daya (power factor) digunakan untuk menggambarkan perbandingan antara daya aktif (watt) dan daya aparent (VA). Faktor daya dapat berkisar antara 0 hingga 1.
Jika kita asumsikan faktor daya adalah 1 (cos φ = 1), maka 3500 VA juga setara dengan 3500 watt (W), artinya perangkat atau sistem menggunakan atau menghasilkan daya sebesar 3500 watt. Namun, jika faktor daya lebih rendah dari 1, daya yang sebenarnya akan lebih rendah dari 3500 watt.
Jadi, 3500 VA berarti ukuran daya aparent (volt-ampere) dari perangkat atau sistem, tetapi untuk mengetahui daya aktif (watt) yang sebenarnya, Anda perlu mengetahui berapa sebenarnya faktor daya yang berlaku pada sistem anda.
Rumah dengan kapasitas daya 3500 VA biasanya menggunakan MCB (mini circuit breaker) dengan batas arus 16 ampere. Jadi sebenarnya dayanya adalah 2200 x 16 = 3520 VA, namun untuk mudahnya dibulatkan ke 3500 VA.
Untuk mengkonversi volt-ampere (VA) menjadi watt (W), Anda perlu mengetahui faktor daya (power factor) dari perangkat atau sistem yang sedang Anda ukur. Faktor daya menggambarkan sejauh mana daya yang disalurkan oleh perangkat berkontribusi pada melakukan kerja yang berguna.
Faktor daya dapat bernilai 0 (minimum) sampai 1 (maksimum)
Jika di rumah/pabrik banyak menggunakan motor AC, maka faktor daya dapat turun sampai ke 0,7
Jika di rumah/pabrik banyak menggunakan komputer, biasanya faktor daya di sekitar 0,9
Angka 7700 VA ini biasanya hasil kali dari 220 volt x 35 ampere, artinya rumah dengan listrik 1 fasa dan MCB (mini circuit breaker) berkapasitas 35 ampere.
Namun, jika asumsi kita adalah faktor daya 1 (cos φ = 1), maka 7700 VA juga setara dengan 7700 watt (W). Ini berarti daya yang dikonsumsi atau dihasilkan oleh perangkat atau sistem adalah 7700 watt. Namun, jika faktor daya kurang dari 1, daya sebenarnya akan lebih rendah daripada VA tersebut.
Perlu diperhatikan bahwa faktor daya pada umumnya berbeda untuk berbagai perangkat dan sistem.
Induktor adalah suatu komponen elektronik yang terdiri dari kumparan kawat atau kabel yang dililitkan pada suatu inti, biasanya terbuat dari bahan ferromagnetik atau bahan non-magnetik. Induktor sering juga disebut sebagai koil.
Secara bahasa, istilah induktor menurut KBBI adalah “peranti listrik berbentuk kumparan yang digunakan pada rangkaian listrik”
Induktor dapat menyimpan energi listrik dalam bentuk medan magnetik yang terbentuk ketika arus listrik mengalir melalui kumparan. Ketika arus listrik berubah atau dihentikan, medan magnetik akan memberikan arus listrik balik atau back EMF (Electromotive Force) yang berusaha mempertahankan besarnya arus agar konstan.
Bahan inti induktor dapat dibuat dari berbagai bahan misalnya:
Induktor kumparan udara: induktor ini terdiri dari kawat yang dililitkan pada inti udara tanpa adanya inti magnetik tambahan.
Induktor kumparan ferromagnetik: induktor ini memiliki inti yang terbuat dari bahan ferromagnetik seperti besi, nikel, atau kobalt.
Induktor kumparan non-magnetik: induktor ini memiliki inti yang terbuat dari bahan non-magnetik seperti plastik, keramik, atau kaca.
Berikut ini contoh induktor dengan inti udara
Bentuk induktor ada bermacam-macam, misalnya:
Induktor silinder adalah jenis induktor yang memiliki bentuk silinder atau tabung. Induktor ini biasanya terdiri dari inti silinder yang terbuat dari bahan feromagnetik seperti besi atau ferit, dan lilitan kawat tembaga yang dililitkan secara rapat di sekitar inti.
Berikut ini induktor berbentuk silinder [sumber]
Induktor silinder biasanya digunakan untuk aplikasi frekuensi rendah hingga menengah, seperti pada regulator daya, filter, dan pengkondisi sinyal. Keuntungan dari penggunaan induktor silinder adalah dapat menampung arus listrik yang cukup besar, dan karena bentuk silindernya, maka induktor ini dapat meminimalkan kebocoran medan magnetiknya.
Namun, kekurangan dari induktor silinder adalah memiliki induktansi yang rendah dibandingkan dengan bentuk inti lainnya, seperti bentuk toroid. Selain itu, induktor silinder juga kurang efektif dalam menahan interferensi elektromagnetik jika dibandingkan dengan induktor dengan bentuk inti khusus yang dirancang untuk menangani interferensi tersebut.
Secara keseluruhan, induktor silinder cocok untuk digunakan pada aplikasi frekuensi rendah hingga menengah yang membutuhkan induktor dengan bentuk yang kompak dan mampu menampung arus listrik yang cukup besar.
Induktor toroid adalah jenis induktor yang memiliki bentuk donut atau cincin. Induktor ini terdiri dari inti toroid yang terbuat dari bahan ferit atau besi, dan lilitan kawat tembaga yang dililitkan rapat di sekitar inti.
Keuntungan dari induktor toroid adalah bentuknya yang dapat meminimalkan kebocoran medan magnetik dan interferensi elektromagnetik. Hal ini disebabkan oleh sifat geometris inti toroid yang memungkinkan medan magnetik yang dihasilkan oleh lilitan kawat dapat ditekan ke dalam inti dan tidak tersebar ke lingkungan sekitarnya.
Selain itu, induktor toroid juga memiliki induktansi yang relatif tinggi dibandingkan dengan bentuk inti lainnya dengan ukuran yang sama. Induktor toroid biasanya digunakan pada aplikasi frekuensi tinggi seperti pada rangkaian RF (Radio Frequency), pemrosesan sinyal, filter, dan dalam sirkuit daya.
Namun, kekurangan dari induktor toroid adalah sulit untuk dililitkan secara manual karena bentuknya yang khusus, sehingga seringkali dibutuhkan mesin khusus untuk melilitkannya. Selain itu, induktor toroid juga cenderung lebih mahal dibandingkan dengan bentuk inti lainnya.
Berikut ini contoh induktor toroid [sumber].
Induktor sering digunakan dalam rangkaian elektronik untuk memfilter sinyal, atau menghasilkan osilasi. Misalnya, induktor dapat digunakan dalam rangkaian daya switching, regulator tegangan, sirkuit filter, dan banyak lagi aplikasi lainnya.
Fiting lampu adalah tempat memasang bola lampu listrik yang menghubungkan kabel listrik dengan lampu. Istilah ini juga dipakai untuk alat pembagi aliran listrik tiga arah atau lebih dari satu titik lampu.
Fiting lampu atau yang sering disebut sebagai soket lampu, adalah komponen elektronik yang digunakan untuk menghubungkan lampu dengan sumber daya listrik. Fitting lampu dirancang untuk memastikan lampu terpasang dengan aman dan mudah diganti jika rusak atau ingin diganti dengan jenis lampu yang berbeda.
Fitting lampu biasanya terdiri dari dua bagian yaitu bagian atas yang terhubung dengan kabel listrik dan bagian bawah yang terhubung dengan lampu. Setiap jenis lampu memiliki fitting yang berbeda-beda, dan untuk memasang lampu yang tepat, Anda harus menggunakan fitting yang sesuai dengan jenis lampu tersebut.
Beberapa jenis fitting lampu yang umum digunakan di antaranya Edison screw (E27/E14), bayonet (B22), GU10, dan wedge. Masing-masing jenis fitting ini memiliki desain dan ukuran yang berbeda-beda, sehingga Anda harus memilih fitting yang cocok dengan jenis lampu yang akan dipasang. Selain itu, ada juga fitting lampu yang dirancang khusus untuk lampu neon, lampu fluoro, dan lampu LED.
Fitting lampu juga memiliki peran penting dalam menjaga keamanan listrik di rumah atau bangunan Anda. Jika fitting lampu rusak atau tidak dipasang dengan benar, dapat menyebabkan kebocoran listrik, korsleting atau bahkan kebakaran. Oleh karena itu, penting untuk memilih fitting lampu yang berkualitas baik dan memastikan bahwa pasangannya benar-benar terpasang dengan kuat dan aman.
Berikut ini beberapa macam jenis fiting lampu
Motor arus searah (DC) adalah jenis motor listrik yang mengubah energi listrik searah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Motor jenis ini umumnya menggunakan medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir melalui kumparan untuk menggerakkan bagian motor yang berputar. Hampir semua jenis motor DC memiliki mekanisme di dalamnya untuk secara periodik mengubah arah aliran listrik di sebagian motor. Mekanisme pengubahan ini dapat menggunakan teknik elektromekanik ataupun elektronik.
Motor DC adalah jenis motor listrik pertama yang banyak digunakan karena dapat pada awal adanya motor, listrik yang ada adalah dipasok oleh sistem distribusi tenaga listrik arus searah.
Kecepatan motor DC dapat dikontrol dalam rentang yang cukup luas. Pengendalian kecepatan dapat dilakukan dengan mengubah tegangan catu daya, ataupun dengan mengubah kekuatan arus pada gulungan medan.
Motor DC kecil sering digunakan pada peralatan seperti alat-alat, mainan, dan peralatan rumah tangga. Motor DC yang lebih besar saat ini digunakan dalam penggerak kendaraan listrik, lift dan alat angkat, serta dalam penggerak pabrik penggilingan baja.
Motor DC populer dipakai jika sumber listrik yang tersedia adalah DC. Kemajuan teknologi elektronika daya memungkinkan untuk menghasilkan arus AC dari arus DC dengan mudah. Hal ini menjadikan motor DC mulai dapat digantikan dengan motor arus bolak-balik (AC).
Cara kerja motor listrik arus searah dengan rotor dua kutub (angker) dan stator magnet permanen. “N” (North = Utara) dan “S” (South = Selatan) menunjukkan polaritas pada permukaan sumbu bagian dalam magnet; permukaan luar memiliki polaritas yang berlawanan. Tanda + dan – menunjukkan di mana arus DC diterapkan ke komutator yang menyuplai arus ke kumparan jangkar. Arus listrik masuk ke rotor melalui sikat (brush). Sikat berputar bersamaan dengan rotor. Setiap 180 derajat, terjadi pergantian kutub pada rotor sehingga rotor dapat tetap berputar.
Berikut ini contoh motor BLDC pada floppy drive komputer
Motor dapat dikendalikan secara hanya on-off ataupun secara proporsional. Kendali on-off artinya motor hanya diatur untuk menyala dengan kecepatan penuh atau mati sama sekali. Kendali proporsional artinya kecepatan motor dapat diatur dari 0% sampai 100%.
Kendali on-off dapat dilakukan menggunakan relay ataupun transistor.
Kendali proporsional dapat menggunakan penguat analog yang menghasilkan tegangan / arus tertentu, atau pengendali digital dengan modulasi lebar pulsa (PWM = Pulse Width Modulation)
Berikut ini contoh relay elektromekanik
Relay elektromekanik umumnya perlu tegangan / arus agak besar, sehingga perlu rangkaian antar muka khusus pada mikrokontroler.
Berikut ini contoh relay semikonduktor
Berikut ini contoh rangkaian elektronik pengendali motor dengan konfigurasi “Jembatan-H” atau “H-Bridge”. Rangkaian ini dapat mengatur kecepatan dan arah gerakan motor arus searah.
Rangkaian H-Bridge ini dapat dibuat menggunakan transistor terpisah, ataupun menggunakan modul yang sudah jadi seperti Motor driver TLE 5205-2 , Motor Driver BTS7960B dan Motor driver TB6612FNG, L293 dan L298.
Karena dibutuhkan energi untuk memaksa elektron mengalir melawan oposisi dari suatu resistansi, akan ada tegangan yang terwujud (atau “jatuh”) di antara titik mana pun dalam rangkaian dengan resistansi di antaranya. Penting untuk dicatat bahwa meskipun jumlah arus (kuantitas elektron yang bergerak melewati titik tertentu setiap detik) seragam dalam rangkaian sederhana, jumlah tegangan (energi potensial per satuan muatan) antara set titik yang berbeda dalam satu rangkaian tunggal. sirkuit dapat sangat bervariasi:
Ambil sirkuit ini sebagai contoh. Jika empat titik pada rangkaian ini kita beri label dengan angka 1, 2, 3, dan 4, kita akan menemukan bahwa jumlah arus yang dialirkan melalui kawat antara titik 1 dan 2 sama persis dengan jumlah arus yang dialirkan melalui lampu. (antara poin 2 dan 3). Kuantitas arus yang sama ini melewati kabel antara titik 3 dan 4, dan melalui baterai (antara titik 1 dan 4). Namun, kami akan menemukan bahwa tegangan yang muncul di antara dua titik ini berbanding lurus dengan resistansi dalam jalur konduktif antara dua titik tersebut, mengingat bahwa jumlah arus di sepanjang bagian mana pun dari jalur rangkaian adalah sama (yang, untuk rangkaian sederhana ini). Dalam rangkaian lampu normal, resistansi lampu akan jauh lebih besar daripada resistansi kabel penghubung, jadi kita akan melihat sejumlah besar tegangan antara titik 2 dan 3, dengan sangat sedikit antara titik 1 dan 2, atau antara 3 dan 4. Tegangan antara titik 1 dan 4, tentu saja, akan menjadi jumlah penuh “gaya” yang ditawarkan oleh baterai, yang hanya sedikit lebih besar dari tegangan pada lampu (antara titik 2 dan 3). Ini, sekali lagi, analog dengan sistem reservoir air:
Antara titik 2 dan 3, di mana air yang jatuh melepaskan energi pada kincir air, terdapat perbedaan tekanan antara kedua titik, yang mencerminkan perlawanan terhadap aliran air melalui kincir air. Dari titik 1 ke titik 2, atau dari titik 3 ke titik 4, di mana air mengalir bebas melalui reservoir dengan sedikit hambatan, ada sedikit atau tidak ada perbedaan tekanan (tidak ada energi potensial). Namun, laju aliran air dalam sistem kontinu ini sama di mana-mana (dengan asumsi ketinggian air di kolam dan waduk tidak berubah): melalui pompa, melalui kincir air, dan melalui semua pipa. Begitu pula dengan rangkaian listrik sederhana: laju aliran elektron sama di setiap titik dalam rangkaian, meskipun voltase mungkin berbeda di antara rangkaian titik yang berbeda.
Biasanya, rangkaian listrik dibuat sedemikian rupa untuk memanfaatkan secara praktis energi yang dilepaskan itu, dengan cara yang seaman mungkin. Salah satu penggunaan arus listrik yang praktis dan populer adalah untuk pengoperasian penerangan listrik. Bentuk paling sederhana dari lampu listrik adalah filamen logam kecil di dalam bola kaca bening, yang bersinar putih-panas (“berpijar”) dengan energi panas ketika arus listrik yang cukup melewatinya. Seperti baterai, ia memiliki dua titik koneksi konduktif, satu untuk elektron masuk dan yang lainnya untuk elektron keluar. Terhubung ke sumber tegangan, rangkaian lampu listrik terlihat seperti ini:
Saat elektron bekerja melalui filamen logam tipis lampu, mereka menghadapi lebih banyak perlawanan terhadap gerakan daripada biasanya pada sepotong kawat tebal. Perlawanan terhadap arus listrik ini tergantung pada jenis bahan, luas penampang, dan temperaturnya. Ini secara teknis dikenal sebagai resistensi. (Dapat dikatakan bahwa konduktor memiliki resistansi rendah dan isolator memiliki resistansi yang sangat tinggi.) Resistansi ini berfungsi untuk membatasi jumlah arus yang melalui rangkaian dengan jumlah tegangan tertentu yang disuplai oleh baterai, dibandingkan dengan “korsleting” di mana kami tidak memiliki apa-apa selain kabel yang menghubungkan salah satu ujung sumber tegangan (baterai) ke ujung lainnya. Ketika elektron bergerak melawan oposisi resistensi, “gesekan” dihasilkan. Sama seperti gesekan mekanis, gesekan yang dihasilkan oleh elektron yang mengalir melawan hambatan memanifestasikan dirinya dalam bentuk panas. Resistensi terkonsentrasi dari filamen lampu menghasilkan sejumlah besar energi panas yang hilang pada filamen itu. Energi panas ini cukup untuk menyebabkan filamen bersinar putih-panas, menghasilkan cahaya, sedangkan kabel yang menghubungkan lampu ke baterai (yang memiliki resistansi jauh lebih rendah) bahkan hampir tidak menjadi hangat saat mengalirkan arus dalam jumlah yang sama. Seperti dalam kasus hubung singkat, jika kontinuitas rangkaian terputus di titik mana pun, aliran elektron berhenti di seluruh rangkaian. Dengan lampu terpasang, ini berarti lampu akan berhenti menyala:
Seperti sebelumnya, tanpa aliran elektron, seluruh potensi (tegangan) baterai tersedia di seberang jeda, menunggu kesempatan koneksi untuk menjembatani jeda itu dan mengizinkan aliran elektron lagi. Kondisi ini dikenal sebagai rangkaian terbuka, di mana putusnya kontinuitas rangkaian mencegah arus masuk ke seluruh rangkaian. Yang diperlukan hanyalah satu jeda dalam kontinuitas untuk “membuka” sirkuit. Setelah ada pemutusan yang dihubungkan sekali lagi dan kontinuitas sirkuit dibangun kembali, itu dikenal sebagai sirkuit tertutup. Apa yang kita lihat di sini adalah dasar untuk menyalakan dan mematikan lampu dengan sakelar jarak jauh. Karena setiap pemutusan pada kontinuitas rangkaian mengakibatkan penghentian arus di seluruh rangkaian, kita dapat menggunakan perangkat yang dirancang untuk secara sengaja memutuskan kontinuitas tersebut (disebut sakelar), yang dipasang di lokasi yang nyaman di mana kita dapat menjalankan kabel, untuk mengontrol aliran arus. elektron dalam rangkaian:
Sakelar pisau tidak lebih dari tuas konduktif, bebas berputar pada engsel, bersentuhan fisik dengan satu atau lebih titik kontak stasioner yang juga konduktif. Sakelar yang ditunjukkan pada ilustrasi di atas dibangun di atas dasar porselen (bahan isolasi yang sangat baik), menggunakan tembaga (konduktor yang sangat baik) untuk “bilah” dan titik kontak. Pegangannya terbuat dari plastik untuk melindungi tangan operator dari bilah konduktif sakelar saat membuka atau menutupnya. Ini adalah jenis sakelar pisau lainnya, dengan dua kontak stasioner, bukan satu:
Sakelar pisau khusus yang ditampilkan di sini memiliki satu “bilah” tetapi dua kontak stasioner, yang berarti dapat membuat atau memutuskan lebih dari satu sirkuit. Untuk saat ini hal ini tidak terlalu penting untuk diperhatikan, hanya konsep dasar tentang apa itu saklar dan cara kerjanya. Sakelar pisau bagus untuk mengilustrasikan prinsip dasar cara kerja sakelar, tetapi sakelar ini menghadirkan masalah keamanan yang berbeda saat digunakan di sirkuit listrik berdaya tinggi. Konduktor yang terbuka di sakelar pisau membuat kontak yang tidak disengaja dengan sirkuit menjadi kemungkinan yang berbeda, dan setiap percikan api yang mungkin terjadi antara bilah yang bergerak dan kontak stasioner bebas untuk menyalakan bahan yang mudah terbakar di dekatnya. Sebagian besar desain sakelar modern memiliki konduktor bergerak dan titik kontak yang disegel di dalam wadah isolasi untuk mengurangi bahaya ini. Sebuah foto dari beberapa jenis sakelar modern menunjukkan bagaimana mekanisme sakelar jauh lebih tersembunyi dibandingkan dengan desain pisau:
Sesuai dengan terminologi sirkuit “terbuka” dan “tertutup”, sakelar yang melakukan kontak dari satu terminal koneksi ke terminal lainnya (contoh: sakelar pisau dengan bilah menyentuh sepenuhnya titik kontak stasioner) memberikan kontinuitas bagi elektron untuk mengalir. melalui, dan disebut saklar tertutup. Sebaliknya, sakelar yang memutus kontinuitas (contoh: sakelar pisau dengan bilah yang tidak menyentuh titik kontak stasioner) tidak akan membiarkan elektron melewatinya dan disebut sakelar terbuka. Terminologi ini sering membingungkan mahasiswa baru elektronik, karena kata “terbuka” dan “tertutup” umumnya dipahami dalam konteks pintu, di mana “terbuka” disamakan dengan jalan bebas dan “tertutup” dengan penyumbatan. Dengan sakelar listrik, istilah ini memiliki arti yang berlawanan: “terbuka” berarti tidak ada aliran sedangkan “tertutup” berarti aliran elektron bebas.
Anda mungkin bertanya-tanya bagaimana elektron dapat terus mengalir dalam arah yang seragam melalui kabel tanpa memanfaatkan Sumber dan Tujuan elektron hipotetis ini. Agar skema Sumber-dan-Tujuan bekerja, keduanya harus memiliki kapasitas elektron yang tak terbatas untuk mempertahankan aliran yang berkelanjutan! Dengan menggunakan analogi marmer-dan-tabung, sumber marmer dan ember tujuan marmer harus sangat besar untuk menampung kapasitas marmer yang cukup agar “aliran” kelereng dapat dipertahankan. Jawaban atas paradoks ini ditemukan dalam konsep sirkuit: jalur melingkar tanpa akhir untuk elektron. Jika kita mengambil kabel, atau banyak kabel yang digabungkan dari ujung ke ujung, dan memutarnya sehingga membentuk jalur yang berkelanjutan, kita memiliki sarana untuk mendukung aliran elektron yang seragam tanpa harus menggunakan Sumber dan Tujuan yang tak terbatas:
Setiap elektron yang maju searah jarum jam dalam sirkuit ini mendorong yang di depannya, yang mendorong yang di depannya, dan seterusnya, dan seterusnya, seperti hula-hoop yang diisi dengan kelereng. Sekarang, kami memiliki kemampuan untuk mendukung aliran elektron yang berkelanjutan tanpa batas waktu tanpa perlu pasokan dan pembuangan elektron yang tak terbatas. Yang kita perlukan untuk mempertahankan aliran ini adalah sarana motivasi terus-menerus bagi elektron-elektron itu, yang akan kita bahas di bagian selanjutnya bab ini. Harus disadari bahwa kontinuitas sama pentingnya dalam suatu rangkaian seperti halnya dalam seutas kawat lurus. Sama seperti pada contoh dengan seutas kawat lurus antara Sumber elektron dan Tujuan, setiap pemutusan pada sirkuit ini akan mencegah elektron mengalir melaluinya:
Prinsip penting untuk disadari di sini adalah bahwa tidak masalah di mana jeda terjadi. Setiap diskontinuitas dalam rangkaian akan mencegah aliran elektron ke seluruh rangkaian. Kecuali jika ada loop bahan konduktif yang terus menerus dan tidak terputus untuk mengalirkan elektron, aliran yang berkelanjutan tidak dapat dipertahankan.
TINJAUAN
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, kita membutuhkan lebih dari sekadar jalur (sirkuit) kontinu sebelum aliran elektron kontinu terjadi: kita juga memerlukan beberapa cara untuk mendorong elektron ini di sekitar sirkuit. Sama seperti kelereng di dalam tabung atau air di dalam pipa, dibutuhkan semacam gaya pengaruh untuk memulai aliran. Dengan elektron, gaya ini adalah gaya yang sama yang bekerja dalam listrik statis: gaya yang dihasilkan oleh ketidakseimbangan muatan listrik. Jika kita mengambil contoh lilin dan wol yang telah digosok bersama, kita menemukan bahwa kelebihan elektron dalam lilin (muatan negatif) dan kekurangan elektron dalam wol (muatan positif) menciptakan ketidakseimbangan muatan di antara keduanya. Ketidakseimbangan ini memanifestasikan dirinya sebagai kekuatan yang menarik antara dua objek:
Jika kawat konduktif ditempatkan di antara lilin bermuatan dan wol, elektron akan mengalir melaluinya, karena beberapa kelebihan elektron dalam lilin mengalir melalui kawat untuk kembali ke wol, mengisi kekurangan elektron di sana:
Ketidakseimbangan elektron antara atom dalam lilin dan atom dalam wol menciptakan gaya antara kedua bahan tersebut. Dengan tidak adanya jalur bagi elektron untuk mengalir dari lilin ke wol, yang dapat dilakukan gaya ini hanyalah menarik kedua benda menjadi satu. Sekarang setelah konduktor menjembatani celah isolasi, bagaimanapun, gaya akan memicu elektron mengalir ke arah yang seragam melalui kawat, jika hanya sesaat, sampai muatan di area itu menetralkan dan gaya antara lilin dan wol berkurang. Muatan listrik yang terbentuk di antara kedua bahan ini dengan menggosokkannya berfungsi untuk menyimpan sejumlah energi. Energi ini tidak berbeda dengan energi yang tersimpan di reservoir air yang tinggi yang telah dipompa dari kolam yang lebih rendah:
Pengaruh gravitasi pada air di reservoir menciptakan gaya yang mencoba untuk memindahkan air ke tingkat yang lebih rendah lagi. Jika pipa yang sesuai dialirkan dari reservoir kembali ke kolam, air akan mengalir di bawah pengaruh gravitasi turun dari reservoir, melalui pipa:
Dibutuhkan energi untuk memompa air itu dari kolam tingkat rendah ke reservoir tingkat tinggi, dan pergerakan air melalui pipa kembali ke tingkat semula merupakan pelepasan energi yang tersimpan dari pemompaan sebelumnya. Jika air dipompa ke tingkat yang lebih tinggi lagi, akan membutuhkan lebih banyak energi untuk melakukannya, sehingga lebih banyak energi yang akan disimpan, dan lebih banyak energi dilepaskan jika air dibiarkan mengalir kembali melalui pipa ke bawah:
Elektron tidak jauh berbeda. Jika kita menggosok lilin dan wol bersama-sama, kita “memompa” elektron menjauh dari “tingkat” normalnya, menciptakan kondisi di mana ada gaya antara lilin dan wol, karena elektron berusaha untuk membangun kembali posisi sebelumnya (dan menyeimbangkannya). atom masing-masing). Gaya yang menarik elektron kembali ke posisi semula di sekitar inti positif atomnya serupa dengan gaya gravitasi yang diberikan pada air di reservoir, mencoba menariknya ke tingkat sebelumnya. Sama seperti pemompaan air ke tingkat yang lebih tinggi menghasilkan energi yang disimpan, “memompa” elektron untuk menciptakan ketidakseimbangan muatan listrik menghasilkan sejumlah energi yang disimpan dalam ketidakseimbangan itu. Dan, sama seperti menyediakan jalan bagi air untuk mengalir kembali dari ketinggian reservoir menghasilkan pelepasan energi yang tersimpan, memberikan jalan bagi elektron untuk mengalir kembali ke “tingkat” aslinya menghasilkan pelepasan energi yang tersimpan. Ketika elektron berada dalam kondisi statis (seperti air yang diam, tinggi di reservoir), energi yang tersimpan di sana disebut energi potensial, karena memiliki kemungkinan (potensi) pelepasan yang belum sepenuhnya terwujud. Saat Anda menggoreskan sepatu bersol karet ke karpet kain pada hari yang kering, Anda menciptakan ketidakseimbangan muatan listrik antara diri Anda dan karpet. Tindakan menggosok kaki Anda menyimpan energi dalam bentuk ketidakseimbangan elektron yang dipaksakan dari lokasi asalnya. Muatan ini (listrik statis) tidak bergerak, dan Anda tidak akan menyadari bahwa energi disimpan sama sekali. Namun, begitu Anda meletakkan tangan Anda di gagang pintu logam (dengan banyak mobilitas elektron untuk menetralkan muatan listrik Anda), energi yang tersimpan itu akan dilepaskan dalam bentuk aliran elektron yang tiba-tiba melalui tangan Anda, dan Anda akan melihatnya sebagai sebuah sengatan listrik! Energi potensial ini, disimpan dalam bentuk ketidakseimbangan muatan listrik dan mampu memicu elektron mengalir melalui konduktor, dapat dinyatakan sebagai istilah yang disebut tegangan, yang secara teknis merupakan ukuran energi potensial per satuan muatan elektron, atau sesuatu yang lain. fisikawan akan menyebut energi potensial spesifik. Didefinisikan dalam konteks listrik statis, tegangan adalah ukuran kerja yang diperlukan untuk memindahkan muatan satuan dari satu lokasi ke lokasi lain, melawan gaya yang mencoba menjaga keseimbangan muatan listrik. Dalam konteks sumber tenaga listrik, tegangan adalah jumlah energi potensial yang tersedia (usaha yang harus dilakukan) per satuan muatan, untuk memindahkan elektron melalui suatu penghantar. Karena tegangan adalah ekspresi energi potensial, yang mewakili kemungkinan atau potensi pelepasan energi ketika elektron bergerak dari satu “tingkat” ke tingkat lainnya, tegangan selalu dirujuk di antara dua titik. Pertimbangkan analogi reservoir air:
Karena perbedaan ketinggian jatuhan, terdapat potensi lebih banyak energi untuk dilepaskan dari reservoir melalui pipa ke lokasi 2 daripada ke lokasi 1. Prinsipnya dapat dipahami secara intuitif dalam menjatuhkan batu: yang menghasilkan lebih banyak hantaman dahsyat, batu yang dijatuhkan dari ketinggian satu kaki, atau batu yang sama dijatuhkan dari ketinggian satu mil? Jelas, penurunan ketinggian yang lebih besar menghasilkan energi yang lebih besar yang dilepaskan (dampak yang lebih keras). Kita tidak dapat menilai jumlah energi yang tersimpan dalam reservoir air hanya dengan mengukur volume air seperti halnya kita tidak dapat memprediksi tingkat keparahan dampak jatuhnya batu hanya dengan mengetahui berat batu: dalam kedua kasus kita juga harus mempertimbangkan seberapa jauh massa ini akan turun dari ketinggian awalnya. Jumlah energi yang dilepaskan dengan membiarkan massa jatuh relatif terhadap jarak antara titik awal dan akhir. Demikian pula, energi potensial yang tersedia untuk memindahkan elektron dari satu titik ke titik lainnya relatif terhadap kedua titik tersebut. Oleh karena itu, tegangan selalu dinyatakan sebagai besaran antara dua titik. Yang cukup menarik, analogi massa yang berpotensi “jatuh” dari satu ketinggian ke ketinggian lainnya adalah model yang sangat tepat sehingga tegangan antara dua titik kadang-kadang disebut penurunan tegangan. Tegangan dapat dihasilkan dengan cara selain menggosok jenis bahan tertentu satu sama lain. Reaksi kimia, energi radiasi, dan pengaruh magnet pada konduktor adalah beberapa cara di mana tegangan dapat dihasilkan. Masing-masing contoh dari ketiga sumber tegangan ini adalah baterai, sel surya, dan generator (seperti unit “alternator” di bawah kap mobil Anda). Untuk saat ini, kami tidak akan merinci bagaimana masing-masing sumber tegangan ini bekerja – yang lebih penting adalah kami memahami bagaimana sumber tegangan dapat diterapkan untuk membuat aliran elektron dalam rangkaian. Mari kita ambil simbol baterai kimia dan buat sirkuit langkah demi langkah:
Prinsip yang sama berlaku untuk analogi reservoir air dan pompa: tanpa pipa kembali ke kolam, energi yang tersimpan di reservoir tidak dapat dilepaskan dalam bentuk aliran air. Setelah reservoir terisi penuh, tidak ada aliran yang dapat terjadi, tidak peduli berapa banyak tekanan yang dihasilkan pompa. Perlu ada jalur (sirkuit) yang lengkap agar air mengalir dari kolam, ke waduk, dan kembali ke kolam agar aliran terus menerus terjadi. Kami dapat menyediakan jalur seperti itu untuk baterai dengan menghubungkan seutas kabel dari satu ujung baterai ke ujung lainnya. Membentuk sirkuit dengan loop kawat, kami akan memulai aliran elektron yang terus menerus searah jarum jam:
Selama baterai terus menghasilkan tegangan dan kontinuitas jalur listrik tidak terputus, elektron akan terus mengalir di sirkuit. Mengikuti metafora air yang bergerak melalui pipa, aliran elektron yang seragam dan terus menerus melalui sirkuit ini disebut arus. Selama sumber tegangan terus “mendorong” ke arah yang sama, aliran elektron akan terus bergerak ke arah yang sama dalam rangkaian. Aliran elektron satu arah ini disebut Arus Searah, atau DC. Pada jilid kedua seri buku ini, dieksplorasi rangkaian listrik dimana arah arus bolak-balik: Alternating Current, atau AC. Tapi untuk saat ini, kami hanya akan menyibukkan diri dengan sirkuit DC. Karena arus listrik terdiri dari elektron-elektron individual yang mengalir serempak melalui sebuah konduktor dengan bergerak sepanjang dan mendorong elektron-elektron di depan, seperti halnya kelereng melalui tabung atau air melalui pipa, jumlah aliran di seluruh rangkaian tunggal akan sama di semua titik. titik. Jika kita memantau penampang kabel dalam satu sirkuit, menghitung elektron yang mengalir, kita akan melihat kuantitas yang sama persis per unit waktu seperti di bagian lain dari sirkuit, terlepas dari panjang konduktor atau diameter konduktor. . Jika kita memutuskan kontinuitas rangkaian pada suatu titik, arus listrik akan berhenti di seluruh loop, dan tegangan penuh yang dihasilkan oleh baterai akan terwujud pada pemutusan, antara ujung kabel yang dulu dihubungkan:
Perhatikan tanda “+” dan “-” yang digambar di ujung pemutus sirkuit, dan bagaimana mereka sesuai dengan tanda “+” dan “-” di sebelah terminal baterai. Penanda ini menunjukkan arah tegangan yang mencoba mendorong aliran elektron, arah potensial yang biasa disebut sebagai polaritas. Ingatlah bahwa tegangan selalu relatif antara dua titik. Karena fakta ini, polaritas penurunan tegangan juga relatif antara dua titik: apakah suatu titik dalam rangkaian diberi label dengan “+” atau “-” tergantung pada titik lain yang dirujuk. Lihatlah sirkuit berikut, di mana setiap sudut loop ditandai dengan nomor referensi:
Dengan terputusnya kontinuitas rangkaian antara titik 2 dan 3, polaritas tegangan turun antara titik 2 dan 3 adalah “-” untuk titik 2 dan “+” untuk titik 3. Polaritas baterai (1 “-” dan 4 “+” ) sedang mencoba untuk mendorong elektron melalui loop searah jarum jam dari 1 ke 2 ke 3 ke 4 dan kembali ke 1 lagi. Sekarang mari kita lihat apa yang terjadi jika kita menghubungkan kembali titik 2 dan 3, tetapi putuskan sirkuit antara titik 3 dan 4:
Dengan jeda antara 3 dan 4, polaritas penurunan tegangan antara kedua titik tersebut adalah “+” untuk 4 dan “-” untuk 3. Perhatikan fakta bahwa “tanda” titik 3 berlawanan dengan yang pertama contoh, di mana jeda berada di antara titik 2 dan 3 (di mana titik 3 diberi label “+”). Tidak mungkin bagi kita untuk mengatakan bahwa titik 3 di sirkuit ini akan selalu menjadi “+” atau “-“, karena polaritas, seperti tegangan itu sendiri, tidak spesifik untuk satu titik, tetapi selalu relatif antara dua titik!
Elektron dapat bergerak pada berbagai bahan. Elektron pada jenis atom yang berbeda memiliki derajat kebebasan yang berbeda untuk bergerak.
Pada beberapa jenis bahan seperti logam, elektron terluar dalam atom terikat dengan sangat longgar sehingga mereka bergerak secara acak di ruang antara atom bahan tersebut dengan hanya pengaruh energi panas suhu kamar. Karena elektron yang hampir tidak terikat ini bebas meninggalkan atomnya masing-masing dan melayang di ruang antara atom yang berdekatan, mereka sering disebut elektron bebas.
Dalam jenis bahan lain seperti kaca, elektron atom memiliki kebebasan yang sangat kecil untuk bergerak. Gaya eksternal seperti gesekan fisik dapat memaksa beberapa elektron ini untuk meninggalkan atomnya masing-masing dan berpindah ke atom bahan lain, namun elektron itu sulit berpindah antar atom di dalam bahan itu.
Mobilitas relatif elektron dalam suatu material ini dikenal sebagai konduktivitas listrik. Konduktivitas ditentukan oleh jenis atom dalam suatu bahan (jumlah proton dalam setiap inti atom, menentukan identitas kimiawinya) dan bagaimana atom-atom tersebut dihubungkan satu sama lain. Bahan dengan mobilitas elektron tinggi (banyak elektron bebas) disebut konduktor / penghantar, sedangkan bahan dengan mobilitas elektron rendah (sedikit atau tidak ada elektron bebas) disebut isolator.
Berikut adalah beberapa contoh umum konduktor :
Berikut adalha contoh bahan isolator:
Perlu dipahami bahwa tidak semua bahan konduktif memiliki tingkat konduktivitas yang sama, dan tidak semua isolator sama-sama tahan terhadap gerakan elektron. Konduktivitas listrik dapat dianalogikan dengan transparansi bahan tertentu terhadap cahaya: bahan yang mudah “menghantarkan” cahaya disebut “transparan”, sedangkan yang sulit disebut “buram”. Namun, tidak semua bahan transparan sama-sama konduktif terhadap cahaya. Kaca jendela lebih baik dari kebanyakan plastik, dan tentunya lebih baik dari fiberglass yang “bening”. Begitu pula dengan konduktor listrik, beberapa lebih baik dari yang lain.
Misalnya, perak adalah konduktor terbaik dalam daftar “konduktor”, memberikan jalur elektron yang lebih mudah daripada bahan lain yang disebut di atas. Air kotor dan beton juga terdaftar sebagai konduktor, tetapi bahan ini secara substansial kurang konduktif dibandingkan logam apapun.
Perlu juga dipahami bahwa beberapa bahan mengalami perubahan sifat kelistrikannya pada kondisi yang berbeda. Kaca, misalnya, adalah isolator yang sangat baik pada suhu kamar, tetapi menjadi konduktor saat dipanaskan hingga suhu yang sangat tinggi. Gas seperti udara, biasanya bahan isolasi, juga menjadi konduktif jika dipanaskan sampai suhu yang sangat tinggi. Sebagian besar logam menjadi konduktor yang lebih buruk saat dipanaskan, dan konduktor yang lebih baik saat didinginkan. Banyak bahan konduktif menjadi konduktif sempurna (ini disebut superkonduktivitas) pada suhu yang sangat rendah.
Sementara gerakan normal elektron “bebas” dalam konduktor adalah acak, tanpa arah atau kecepatan tertentu, elektron dapat dipengaruhi untuk bergerak secara terkoordinasi melalui bahan konduktif. Gerak seragam elektron inilah yang kita sebut listrik, atau arus listrik. Lebih tepatnya, itu bisa disebut listrik dinamis berbeda dengan listrik statis, yang merupakan akumulasi muatan listrik yang tidak bergerak. Sama seperti air yang mengalir melalui kekosongan pipa, elektron dapat bergerak di dalam ruang kosong di dalam dan di antara atom konduktor. Konduktor mungkin tampak padat di mata kita, tetapi materi apa pun yang terdiri dari atom sebagian besar adalah ruang kosong! Analogi aliran cairan sangat sesuai untuk gerakan elektron, sehingga gerakan elektron melalui konduktor sering disebut sebagai “aliran”.
Ada hal penting di sini. Karena setiap elektron bergerak secara seragam melalui konduktor, ia mendorong yang di depannya, sehingga semua elektron bergerak bersama sebagai satu kelompok. Memulai dan menghentikan aliran elektron melalui panjang jalur konduktif hampir seketika dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya, meskipun gerakan setiap elektron mungkin sangat lambat. Analogi perkiraannya adalah tabung yang diisi ujung ke ujung dengan kelereng:
Tabung itu penuh dengan kelereng, seperti konduktor yang penuh dengan elektron bebas yang siap dipindahkan oleh pengaruh luar. Jika satu kelereng tiba-tiba dimasukkan ke dalam tabung penuh di sisi kiri ini, kelereng lain akan segera mencoba keluar dari tabung di sebelah kanan. Meskipun setiap kelereng hanya menempuh jarak pendek, transfer gerak melalui tabung hampir seketika dari ujung kiri ke ujung kanan, tidak peduli seberapa panjang tabung itu. Dengan listrik, efek keseluruhan dari satu ujung konduktor ke ujung lainnya terjadi dengan kecepatan cahaya: kecepatan 186.000 mil per detik atau 300 km per detik! Namun, setiap elektron individu bergerak melalui konduktor dengan kecepatan yang jauh lebih lambat.
Jika kita ingin elektron mengalir ke arah tertentu ke tempat tertentu, kita harus menyediakan jalur yang tepat bagi mereka untuk bergerak, seperti tukang ledeng harus memasang pipa agar air mengalir ke tempat yang dia inginkan. Untuk memfasilitasi ini, kabel dibuat dari logam yang sangat konduktif seperti tembaga atau aluminium dalam berbagai ukuran.
Elektron hanya dapat mengalir jika memiliki kesempatan untuk bergerak di ruang antara atom-atom suatu material. Ini berarti bahwa arus listrik hanya dapat terjadi jika terdapat jalur berkelanjutan dari bahan konduktif yang menyediakan saluran untuk dilalui elektron. Dalam analogi kelereng, kelereng dapat mengalir ke sisi kiri tabung (dan, akibatnya, melalui tabung) jika dan hanya jika tabung terbuka di sisi kanan agar kelereng dapat mengalir keluar. Jika tabung diblokir di sisi kanan, kelereng hanya akan “menumpuk” di dalam tabung, dan “aliran” marmer tidak akan terjadi. Hal yang sama berlaku untuk arus listrik: aliran elektron yang terus menerus membutuhkan jalur yang tidak terputus untuk memungkinkan aliran itu. Mari kita lihat diagram untuk mengilustrasikan cara kerjanya:
Garis tipis dan padat (seperti yang ditunjukkan di atas) adalah simbol konvensional untuk seutas kawat yang tidak terputus. Karena kawat terbuat dari bahan konduktif, seperti tembaga, atom penyusunnya memiliki banyak elektron bebas yang dapat dengan mudah bergerak melalui kawat. Namun, tidak akan pernah ada aliran elektron yang kontinu atau seragam di dalam kabel ini kecuali mereka memiliki tempat asal dan tempat tujuan. Mari tambahkan elektron hipotetis “Sumber” dan “Tujuan:”
Sekarang, dengan Sumber Elektron mendorong elektron baru ke dalam kabel di sisi kiri, aliran elektron melalui kabel dapat terjadi (seperti yang ditunjukkan oleh panah yang menunjuk dari kiri ke kanan). Namun, aliran akan terganggu jika jalur konduktif yang dibentuk oleh kawat putus:
Karena udara adalah bahan isolasi, dan celah udara memisahkan dua potong kawat, jalur yang tadinya kontinu kini telah terputus, dan elektron tidak dapat mengalir dari Sumber ke Tujuan. Ini seperti memotong pipa air menjadi dua dan menutup ujung pipa yang patah: air tidak dapat mengalir jika tidak ada jalan keluar dari pipa. Dalam istilah kelistrikan, kami memiliki kondisi kontinuitas listrik ketika kawat masih utuh, dan sekarang kontinuitas tersebut terputus dengan kawat dipotong dan dipisahkan. Jika kita mengambil seutas kabel lain yang mengarah ke Tujuan dan hanya melakukan kontak fisik dengan kabel yang mengarah ke Sumber, sekali lagi kita akan memiliki jalur kontinu untuk mengalirkan elektron. Dua titik pada diagram menunjukkan kontak fisik (logam-ke-logam) antara potongan kawat:
