KELISTRIKAN MESIN

TEKNIK PEMESINAN SMK  IPTEK  JAKARTA TERAKREDITASI: A Jl. Raya  Pulo  Gebang No 99 Cakung Jakarta Timur Homepage:  www.mesinfamily.blogspot.com Facebook: Teknik Pemesinan

A.    PENGERTIAN DASAR LISTRIK

Setiap materi mempunyai muatan listrik. Materi tersebut tersusun dari molekul-molekul. Molekul tersusun dari atom-atom. Jadi atom merupakan bagian terkecil dari molekul.

Setiap atom terdiri dari inti atom. Inti atom ini terdiri dari proton dan neutron. Proton  adalah inti yang bermuatan positif dan neutron adalah inti yang tidak bermuatan (netral). Sedangkan electron bermuatan negatif. Dalam mengelilingi inti, elektron-elektron bergerak pada orbit masing-masing. Elektron yang terletak paling jauh disebut dengan elektron bebas.

Secara garis besar listrik dibedakan menjadi 2 macam yaitu: listrik statis dan listrik dinamis. Listrik dinamis dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu: listrik arus searah (direct current) dan listrik arus bolak-balik (alternating current).

1.      Listrik Statis

Kalau dua buah konduktor yang berbeda muatan digosok-gosokkan maka muatan listrik kedua konduktor tersebut akan berkumpul pada permukaan konduktor tersebut. Jika kedua konduktor ini didekatkan maka akan terjadi tarik-menarik antara kedua konduktor tersebut, tapi tidak sampai terjadi perpindahan electron.

Contoh kain sutera yang digosok-gosokkan pada sebatang kaca. Electron kain sutera tersebut akan berkumpul pada permukaannya. Begitu juga dengan ion-ion positif batang kaca, ion-ionnya akan berkumpul pada permukaan batang kaca. Kalau kedua benda  ini  didekatkan maka terjadi tarik-menarik.

2.      Listrik Dinamis

Listrik dinamis ialah di mana electron-elektron bebas bergerak dari satu atom ke atom yang lain melewati suatu penghantar. Bila electron bebas ini bergerak dengan arah tetap, maka disebut dengan liatrik arus searah (direct current) yang disingkat DC. Bila gerakan electron dan jumlah arus bervariasi secara periodic terhadap waktu maka disebut dengan listrik arus bolak-balik (Alternating Current) yang disingkat dengan AC.

Listrik Arus Searah

Listrik Arus Bolak-balik

Ada dua cara untuk membangkitkan tenaga listrik, yaitu:

a.      Pembangkit listrik secara kimia

Adalah pembangkitan listrik secara kimia yaitu terjadinya reaksi kimia yang dapat menghasilkan arus listrik. Contoh baterai.

b.      Pembangkit listrik secara mekanik

Adalah pembangkitan listrik secara mekanik yaitu mengubah suatu gerakan menjadi tenaga listrik. Contoh dynamo dan alternator.

B.     TAHANAN, KUAT ARUS, DAN TAHANAN LISTRIK

1.      Tahanan Listrik

Bila dua buah tangki air yang berbeda tingginya dihubungkan oleh sebuah pipa (lihat gambar), air akan mengalir dari tangki yang lebih tinggi ke tangki yang lebih rendah. Ini disebabkan oleh perbedaan ketinggian permukaan air. Semakin tinggi perbedaan ketinggian permukaan air maka semakin kuat air mengalir.

Hal ini juga berlaku pada listrik. Ada material yang dapat dialiri listrik dan ada pula yang sukar dialiri arus listrik. Ini disebabkan oleh besar kecilnya tahanan material tersebut. Yang dimaksud tahan listrik adalah derajat kesulitan dari electron-elektron bebas (arus listrik) dapat mengalir melalui suatu penghantar.

Dalam hal tahanan listrik, material dapat dibedakan menjadi 3 golongan, yaitu:

a.      Konduktor

Adalah material yang dapat dialiri listrik. Contohnya emas, tembaga, alumunium, perak dan besi.

b.      Semi konduktor

Adalah material yang sukar dialiri listrik. Contoh: silicon dan germanium

c.       Non konduktor (isolator)

Adalah material yang tidak dapat dialiri arus listrik. Contoh: karet, plastic, porselin, dan kertas.

2.      Kuat Arus Listrik

Besarnya arus listrik atau banyaknya electron-elektron bebas yang mengalir pada konduktor persatuan waktu disebut dengan kuat arus. Arus listrik dinyatakan dengan I (Intensiti). Satuan untuk menentukan besarnya arus listrik yang mengalir adalah Ampere (A). satu Ampere = 6,25 x 10¹⁸ elektron-elektron bebas yang melewati suatu penghantar tiap detik.

3.      Tegangan Listrik

Tekanan yang menyebabkan atau mendorong electron-elektron bebas untuk mengalir konduktor disebut dengan tegangan listrik.

Tegangan listrik disebut juga dengan perbedaan potensial atau electromotive force (Emf), satuan tegangan listrik dinyatakan dengan volt. Satu volt adalah tegangan listrik yang dapat mengalirkan arus sebesar satu ampere pada penghantar dengan tahanan satu Ohm.

SIMBOL-SIMBOL KELISTRIKAN

Sikring

LEMBAR KERJA SISWA 1:  

1.      Apakah yang dimaksud dengan atom?

2.      Apakah yang dimaksud dengan electron bebas?

3.      Apakah yang dimaksud dengan listrik dinamis?

4.      Apakah yang dimaksud dengan kuat arus listrik?

5.      Gambarlah simbol dari fuse!

6.      Apakah yang dimaksud dengan tahanan listrik?

7.      Gambarlah simbol dari baterai!

8.      Apakah yang dimaksud dengan konduktor?

9.      Apakah yang dimaksud dengan listrik arus searah?

10.  Apakah yang dimaksud dengan tegangan listrik?

C.    TAHANAN LISTRIK

1.      Hukum Ohm

Arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar (konduktor) berbanding lurus dengan tegangan listrik yang diberikan pada penghantar tersebut dan berbanding terbalik terhadap tahanan (resistensi) ini disebut dengan Hukum Ohm.

V	=	Tegangan listrik (Volt)
R	=	Tahanan listrik (ohm)
I	=	Kuat arus listrik (Ampere)

2.      Penghantar Listrik

Kalau kita ingin menuju suatu tempat harus ada jalan yang kita lewati agar dapat menuju tempat tersebut dengan mudah. Begitu juga dengan arus listrik, arus listrik ini juga membutuhkan jalan untuk dilewati. Penghubung atau bahan yang dapat dengan mudah dilalui listrik disebut konduktor. Sukar mudahnya suatu penghantar dilalui arus listrik tergantung pada jenis bahan yang dilalui arus listrik tersebut.

Bahan	Koefisien Panas ( )	Tahanan Jenis  ( ) – (ohm/m.mm2)
Perak	0,0036	0,0163
Tembaga	0,004	0,0175
Alumunium	0,0039	0,0095
Seng	0,0037	0,061
Tembaga	0,0015	0,08
Besi	0,0045	0,13
Timbel	-	0,204
Nikelin	0,0002	0,4
Mangganin	0,00001	0,43
Konstanta	0,0000	0,5
Air raksa	-	0,975
Arang	0,0003	35 - 100

Besarnya suatu tahanan berbanding lurus dengan panjang dan tahanan jenis, serta berbanding terbalik dengan penampang  penghantar.

R	=	Tahanan (ohm)
	=	Tahanan jenis bahan (ohm/m.mm2)
l	=	Panjang penghantar (m)
A	=	Luas penampang (mm2)

Contoh:

Suatu kawat tembaga panjangnya 10 meter, diameternya 0,4 mm. Berapa ohm tahanan kawat tersebut?

Penyelesaian:

3.      Kerugian Tegangan

Pada suatu rangkaian kelistrikan, tegangan yang masuk seharusnya sama dengan tegangan yang keluar. Tetapi setelah diukur tegangan yang keluar lebih kecil dari tegangan yang masuk. Ini disebabkan karena adanya tahanan pada penghantar. Perbedaan yang masuk (input) dengan tegangan yang keluar (output) disebut dengan kerugian tegangan. Makin besar tahanan penghantar maka semakin besar pula kerugian-kerugian tegangan yang timbul. Untuk menghitung kerugian tegangan dipakai rumus:

Er	=	Kerugian tegangan (volt)
I	=	Besarnya arus yang mengalir (ampere)
r	=	Tahanan suatu penghantar (ohm)

Untuk menghindarkan kerugian ketegangan yang besar maka tahanan penghantar suatu rangkaian harus diusahakan sekecil mungkin. Panjang kabel yang dipakai untuk suatu rangkaian harus dibuat sependek mungkin, penampang kabelnya harus besar dan tahanan jenisnya sekecil mungkin. Tahanan (r) akan bertambah apabila ada sambungan-sambungan kabel yang kendor dan berkarat.

4.      Pengaruh Temperatur terhadap Tahanan

Bila sebuah lampu dihubungkan dengan baterai melalaui suatu penghantar maka lampu tersebut akan menyala. Jika penghantar tersebut dipanaskan maka lampu semakin redup.

Jadi tahanan suatu penghantar akan berubah jika dipengaruhi temperature. Semakin panas suatu penghantar maka tahanan semakin naik. Kalau temperature suatu penghantar rendah maka tahanannya semakin turun.

Perubahan besar tahanan setiap satuan ohm suatu jenis logam disebabkan oleh perubahan panas sebesar 1⁰C, ini dinamakan dengan koefisien panas alfa (α). Untuk menghitung pengaruh temperature dengan menggunakan rumus:

Rt	=	Tahanan penghantar sesudah perubahan temperature
r	=	Tahanan penghantar sebelum perubahan temperature
α	=	Koefisien panas
t	=	Perubahan temperature (0C)

Contoh soal:

Sepotong kawat tembaga yang panjangnya 100 m luas penampangnya adalah 2 mm². Berapa tahanan tembaga tersebut bila suhunya naik 40⁰C.

Penyelesaian:

Besar tahanan pada suhu 40⁰C:

LEMBAR KEGIATAN SISWA 2:

1.      Tulislah rumus hukum ohm!

2.      Suatu penghantar yang panjangnya 2 meter, diameternya 0,5 mm dan tahanan jenis  penghantar tersebut adalah 0,08. Berapa tahanan penghantar tersebut?

3.      Jelaskan hubungan temperature dengan tahanan suatu penghantar!

4.      Suatu penghantar tembaga kuning panjangnya 3 meter, luas penampangnya 1 mm². Berapa besarnya tahanan penghantar tersebut, jika temperaturnya naik 30⁰C (α=0,004)

5.      Hal-hal apa sajakah yang mempengaruhi kerugian tegangan?

D.    RANGKAIAN TAHANAN

Pada suatu rangkaian kelistrikan ada tiga cara merangkai tahanan atau beban listrik, yaitu:

a.      Rangkaian Seri

Jika dua buah tahanan atau lebih dirangkai secara berderet (rangkaian yang satu terhubung dibelakang rangkaian yang lain), di mana hanya satu jalur arus dapat mengalir disebut rangkaian seri.

Rangkaian seri mempunyai sifat sebagai berikut:

a.       Arus yang mengalir pada tiap-tiap bagian rangkaian adalah sama

b.      Besar seluruh tahanan atau tahanan pengganti adalah jumlah dari seluruh tahanan pada rangkaian tersebut

c.       Tegangan sumber sama dengan jumlah tegangan pada setiap bagian-bagian rangkaian tersebut.

V0	=	Tegangan sumber arus
Rt	=	Tahanan keseluruhan (total)

Contoh soal:

Tiga buah tahanan dirangkai secara seri yang masing-masing tahanan adalah 2 ohm dan tegangan sumber arus adalah 12 volt. Berapakah arus yang mengalir pada tiap-tiap bagian tersebut, tegangan pada tiap-tiap bagian rangkaian dan tegangan total.

Penyelesaian:

b.      Rangkaian Paralel

Rangkaian parallel paling banyak digunakan pada rangkaian kelistrikan dibandingkan dengan rangkaian seri. Pada rangkaian parallel ini beban atau tahanan disusun berjajar dan dihubungkan dengan satu arus listrik.

Sifat dari rangkaian parallel adalah:

a.       Tegangan tiap-tiap tahanan adalah sama dengan tegangan sumber arus

b.      Besarnya arus yang mengalir dari sumber listrik sama dengan jumlah arus yang mengalir pada tiap-tiap tahanan

c.       Tahanan total sama dengan jumlah kebalikan dari tahanan bagian-bagian

Contoh soal:

Suatu rangkaian terdiri dari sebuah baterai 12 volt dan tiga buah lampu dengan tahanan masing-masing R₁= 1 ohm, R₂ = 2 ohm, R₃ = 4 ohm. Berapakah besarnya arus yang mengalir pada ketiga tahanan tersebut dan berapakah tahanan totalnya?

Penyelesaian:

d.      Rangkaian gabungan

Rangkaian gabungan ini adalah gabungan dari rangkaian seri dengan rangkaian parallel. Kalau kita memasang rangkaian-rangkaian seri mengkibatkan penurunan tegangan tapi kalau pada rangkaian parallel tegangan tiap-tiap bagian itu sama.

Contoh soal:

Sebuah rangkaian (lihat gambar) mempunyai tahanan R₁ = 2 ohm, R₂ = 3 ohm, R₃ = 3 ohm dengan tegangan sumber 12 volt.

Pertanyaan:

1.      Buatlah rangkaian pengganti

2.      Hitunglah tahanan total

3.      Hitunglah arus total

Penyelesaian:

1.      Rangkaian pengganti

2.      Hitunglah tahanan total

3.      Hitunglah arus total

E.     HUKUM KIRCHOFF

1.      Hukum I Kirchoff

Jumlah arus pada suatu rangkaian listrik yang masuk ke titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik cabang tersebut.

 atau

Dapat disimpulkan:

2.      Hukum II Kirchoff

Hukum Kirchoff ini membicarakan tentang tegangan pada suatu rangkaian tertutup.

Jumlah secara aljabar semua tegangan dalam suatu lingkaran tertutup sama besarnya dengan jumlah aljabar dari semua hasil kali arus (I) dan tahanan ® yang ada dalam lingkaran.

Dirumuskan:

Hal-hal yang penting dalam menggunakan hukum ke II ini adalah:

a.       Tentukan arah aliran arus listrik. Aliran arus listrik dalam sumber arus mengalir dari negative ke positif

b.      Kalau ada satu atau dua lingkaran yang menjadi bagian lain lingkaran dalam rangkaian tertutup, maka tetapkan jurusan aliran listrik positif atau negative

c.       Tetapkan satu tegangan pokok, bila dalam suatu rangkaian tertutup terdapat dua tegangan atau lebih. Bila tersambung seri tetapkan tegangan itu positif, kalau bertentangan berilah tanda negative

d.      Jika ada lingkaran tertutup tidak bertegangan maka tetapkan saja salah satu jurusan positif atau negative

Contoh soal:

Pada gambar rangkaian di atas, diberi tanda I dan II, dari rangkaian ini dapat diketahui: R_d1 = 5 ohm, E₁ = 50 volt, R_d2 = 2,5 ohm, E₂ = 60 volt, R₁ = 5 ohm, R₃ = 6,5 ohm, R₄ = 10 ohm, dan R₅ = 10 ohm. Berapakah besar arus yang mengalir pada rangkaian tertutup I dan II.

Penyelesaian:

      Hukum Kirchoff pada lingkaran tertutup I adalah:

E₁ = XR₁ + (X+Y)R₄ + XR₅ + XR_d1

50 = 5X + 10(X+Y) + 10X + 5X

50 = 30X + 10 Y ………………… Pers I

      Hukum Kirchoff pada lingkaran tertutup II adalah:

E₁ = XR₂ + (X+Y)R₄ + XR₃ + XR_d2

60 = 5Y + 10(X+Y) + 6,5Y + 2,5Y

50 = 10X + 25 Y ………………… Pers II

      Eliminasi:

Untuk mencari harga X masukkan harga Y ke dalam Persamaan I yaitu:

Jadi arus yang mengalir pada rangkaian tertutup I adalah 1 ampere dan arus yang mengalir pada lingkaran tertutup II adalah 2 ampere.

LEMBAR KERJA SISWA 3: 

1.      Sebutkan tiga macam rangkaian tahanan!

2.      Apakah yang disebut dengan rangkaian seri?

3.      Apakah yang disebut dengan rangkaian parallel?

4.      Pada rangkaian seri arus yang mengalir pada tiap-tiap bagian rangkaian adalah?

5.      Sebutkan bunyi Hukum I kirchoff!

6.      Sebutkan bunyi Hukum II kirchoff!

7.      Pada rangkaian seri, tegangan totalnya sama dengan:

A
B
C
D

8.      Pada rangkaian seri besar tahanan totalnya adalah

A
B
C
D

9.      Pada rangkaian paralel besar tahanan totalnya adalah

A
B
C
D

10.  Pada rangkaian paralel besar arus totalnya adalah

A
B
C
D

F.     DAYA, KERJA, DAN EFISIENSI LISTRIK

1.      Daya Listrik

Daya listrik adalah besarnya kerja yang dilakukan dalam setiap detik. Besarnya daya listrik ini tergantung pada tegangan dan arus yang mengalir.

 Kalau daya dilambangkan dengan P, tegangan V dan arus I maka besar daya listrik:

Contoh soal:

Sebuah dynamo dengan tegangan 12 volt dapat mengeluarkan arus listrik sebesar 25 Ampere. Berapakah besarnya daya listrik dynamo tersebut?

Penyelesaian:

2.      Kerja Listrik

Kerja adalah jumlah total energy yang digunakan untuk melakukan suatu pekerjaan. Jumlah kerja yang dilakukan oleh listrik disebut dengan kerja listrik. Kerja ini ada juga yang menyebutnya dengan usaha yang dilambangkan dengan W. Besarnya kerja W yang dilakukan sama dengan jumlah daya yang digunakan dalam beberapa waktu. Kerja ini dapat dinyatakan dengan rumus:

Contoh soal:

Bila tegangan 12 volt diberikan pada lampu yang dialiri arus sebesar 1 ampere dan lampu dinyalakan selama 10 menit. Besarnya kerja yang dilakukan adalah:

Penyelesaian:

3.      Efisiensi Listrik

Apabila energy listrik diubah menjadi daya mekanik, maka sebagian dari tenaga listrik yang dimasukkan akan hilang dalam bentuk kalor. Hal ini disebut dengan kehilangan daya. Penyebab dari kehilangan daya ini hambatan dalam gulungan kawat dan gesekan poros. Perbandingan antara daya listrik yang dipakai dengan daya listrik yang dimasukkan disebut dengan efisiensi listrik ( ).

Daya mekanik ini biasanya dinyatakan dengan daya kuda (DK) dan ada juga menyebutnya dengan Horse Power (HP).

Ketetapan:

1 DK = 75 Kg.m/detik

1 Kg.m/detik = 9,81 joule/detik = 9,81 watt

75 Kg.m/detik = 75 x 9,81 = 736 watt

1 DK = 0,736 KW

1 KW = 1,36 DK

Contoh soal:

Sebuah motor starter memerlukan arus 35 ampere dengan tegangan 12 Volt. Apabila efisiensi motor 0,72, berapakah tenaga listrik yang terpakai pada poros motor starter tersebut.

Penyelesaian:

LEMBAR KERJA SISWA 4: 

1.      Perbandingan antara daya listrik yang terpakai dengan daya listrik yang dimasukkan disebut dengan :

1. Daya listrik
2. Usaha listrik
3. Kerja listrik
4. Efisiensi listrik

2.      Besarnya kerja listrik yang dilakukan dalam satu detik disebut dengan :

1. Daya listrik
2. Usaha listrik
3. Kerja listrik
4. Efisiensi listrik

3.      Jumlah total energi listrik yang digunakan untuk melakukan pekerjaan adalah :

4.      Apakah satuan dari usaha listrik ?

5.      Apakah satuan dari daya usaha listrik ?

6.      Sebuah motor listrik dengan tegangan 110 volt memerlukan arus sebesar 12 Ampere. Hitunglah daya yang dikeluarkan apabila efisiensi motor listrik adalah 0,82

7.      Sebuah motor listrik untuk tegangan 110 Volt mempunyai daya 3 DK dan memerlukan arus sebesar 6 Ampere. Hitunglah efisiensi motor listrik.

EVALUASI BELAJAR

A.    Pilihlah Jawaban Yang Paling Benar dari Pertanyaan di Bawah ini!

8.      Listrik adalah :

A.    Aliran electron pada sebuah penghantar

B.     Aliran electron dari atom ke atom pada sebuah penghantar

C.     Aliran atom dan elektron pada sebuah penghantar

D.    Jumlah electron pada sebuah penghantar

9.      Atom yang paling simple (sederhana) adalah atom Hydrogen, atom ini mempunyai :

A.    Dua electron menglilingi satu atom

B.     Dua proton mengelilingi satu electron

C.     Satu electron mengelilingi satu proton

D.    Satu electron mengelilingi sau electron

10.  Setiap atom terdiri dari

1. Proton-proton
2. Electron-elektron
3. Proton-elektron
4. Proton-elektron dengan jumlah yang sama

11.  Yang menyebabkan atom bermuatan negative adalah :

1. Terjadinya perpindahan electron dari atom tersebut
2. Bertambahnya electron pada atom tersebut
3. Jumlah electron dan proton sama
4. Berkurangnya electron pada atom tersebut

12.  Jumlah electron yang mengalir pada suatu penghantar yang dialiri arus 1 amper/detik adalah :

1. 6,28 × 10¹⁸
2. 62,8 × 10¹⁸
3. 62,8 × 10¹⁸
4. 6,28 × 10¹⁸

13.  Tekanan yang menyebabkan aliran arus listrik pada sebuah penghantar adalah :

1. Arus
2. Tegangan
3. Tahanan
4. Daya

14.  Nilai tahanan pada sebuah penghantar ditentukan oleh :

A.    Diameter kawat penghantar

B.     Panjang penghantar

C.     Tahanan jenis penghantar

D.    Semua jawaban benar

15.  Nilai sebuah tahanan dengan :

1. Volt meter
2. Ohm meter
3. Amper meter
4. Hydrometer

16.  Hukum Ohm berkaitan dengan :

1. Arus dan tahanan
2. Arus, tahanan dan tegangan
3. Arus dan tegangan
4. Tahanan dan tegangan

17.  Bila dua buah resistor dihubungkan secara seri, maka tahanan totalnya adalah :

A.    Tetap

B.     Bertambah

C.     Berkurang

D.    Tidak ada jawaban yang benar

18.  Bila dua buah resistor dihubungkan secara parallel, maka tahanan totalnya adalah :

A.    Tetap

B.     Bertambah

C.     Berkurang

D.    Tidak ada jawaban yang benar

19.  Arus total pada rangkaian di bawah ini adalah :

--- gambar hal 61 ---

1. 2,66 Amper
2. 4,66 Amper
3. 6 Amper
4. 3 Amper

20.  Arus yang mengalir pada tiap beban dalam rangkaian seri adalah :

1. Sama dengan arus total
2. Berbeda dengan arus total
3. Lebih kecil dari arus total
4. Tergantung dari tahanan masing-masing

21.  Pada rangkaian parallel :

1. Arus yang mengalir pada tiap tahanan adalah sama
2. Besar arus yang mengalir pada masing-masing tahanan sama besarnya dengan arus total
3. Tegangan pada masing-masing tahanan berbeda tergantung pada besarnya tahanan
4. Tegangan pada tiap tahanan sama besarnya dengan tegangan sumber

B.     Jawablah Pertanyaan di Bawah Ini dengan Benar!

1.      Berapa besar arus yang mengalir pada rangkaian di bawah ini? Tentukan tegangan yang diserap oleh R₂.

2.      Tiga buah tahanan dirangkai secara parallel, tentukan besar tahanan R1 dan R2, jika diketahui data-data seperti yang ditunjukkan pada gambar.

3.      Pada rangkaian di bawah ini, diketahui data seperti pada gambar. Tentukan I_t, I₁, V₁?

4.      Sebuah motor listrik dengan tegangan 110 volt memerlukan arus sebesar 12 A. hitunglah daya yang dikeluarkan apabila efisiensi motor listrik tersebut sebesar 0,82.

5.      Diketahui sebuah penghantar dari tembaga yang panjangnya 3 meter, luas penampang 1 mm. berapa besarnya tahanan penghantar tersebut jika temperature naik 30 ⁰C (α = 0,004)