Tegangan dan Arus
Tegangan dan Arus
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!
TINJAUAN
- Elektron dapat didorong untuk mengalir melalui konduktor dengan gaya yang sama yang dimanifestasikan dalam listrik statis.
- Tegangan adalah ukuran energi potensial spesifik (energi potensial per satuan muatan) antara dua lokasi. Dalam istilah awam, itu adalah ukuran “dorongan” yang tersedia untuk memotivasi elektron.
- Tegangan, sebagai ungkapan energi potensial, selalu relatif antara dua lokasi, atau titik. Kadang-kadang disebut “penurunan tegangan”.
- Ketika sumber tegangan dihubungkan ke sirkuit, tegangan akan menyebabkan aliran elektron yang seragam melalui sirkuit yang disebut arus.
- Dalam rangkaian tunggal (satu putaran), jumlah arus pada titik mana pun sama dengan jumlah arus pada titik lainnya.
- Jika sirkuit yang berisi sumber tegangan putus, tegangan penuh sumber itu akan muncul di titik-titik putusnya.
- Orientasi +/- dari penurunan tegangan disebut polaritas. Itu juga relatif antara dua titik.
One thought on “Tegangan dan Arus”