Listrik dan magnetisme

Sebuah magnet dapat menarik beberapa logam. Setiap magnet memiliki dua ujung, disebut kutub: kutub utara (kutub N) dan kutub selatan (kutub S).

Aturan untuk dua kutub seperti aturan untuk muatan:

• Kutub yang sama (N dan N, atau S dan S) tolak (dorong menjauh): ini adalah tolakan.
• Kutub yang berbeda (N dan S) tarik (tarik bersama): ini adalah tarikan.

Magnet menarik bahan magnetik, seperti besi, baja, kobalt, dan nikel. Bahan lain (tembaga, plastik, kayu) bersifat non-magnetik dan tidak merasakan gaya apa pun.

Magnetisme induksi

Letakkan sepotong besi dekat atau menyentuh magnet, dan besi tersebut menjadi magnet itu sendiri. Ini adalah magnetisme induksi. Ujung besi terdekat dengan magnet memperoleh kutub berlawanan, sehingga keduanya kemudian tarik-menarik.

Magnet sementara dan permanen

• Besi lunak mudah dimagnetisasi tetapi kehilangan kemagnetannya dengan cepat. Digunakan untuk magnet sementara.
• Baja lebih sulit dimagnetisasi tetapi mempertahankan kemagnetannya. Digunakan untuk magnet permanen.

Jadi, potongan besi lunak yang belum bermagnet adalah inti terbaik untuk elektromagnet, sementara baja paling baik untuk magnet batang.

Medan magnet

Medan magnet adalah daerah di mana kutub magnet merasakan gaya. Kita menggambarnya dengan garis medan magnet:

• Garis-garis keluar dari kutub N dan masuk ke kutub S.
• Arah medan pada suatu titik adalah arah gaya pada kutub N dari magnet uji kecil yang ditempatkan di sana.
• Di mana garis-garis berdekatan, medan kuat; di mana garis-garis berjauhan, medan lemah.

Anda dapat menunjukkan polanya dengan menaburkan serbuk besi di atas kertas di atas magnet, atau dengan memindahkan kompas plotting kecil di sekitarnya (jarum menunjuk sepanjang medan).

Kegunaan magnet

• Magnet permanen: pengait pintu kulkas, jarum kompas, speaker.
• Elektromagnet (magnetik hanya saat arus mengalir): crane yang mengangkat besi tua, lonceng listrik, relay. Elektromagnet dapat dinyalakan dan dimatikan serta dibuat lebih kuat, yang tidak dapat dilakukan oleh magnet permanen.

Gaya magnet terjadi karena medan dari dua magnet saling mendorong dan menarik satu sama lain.

Terdapat dua jenis muatan listrik: muatan positif dan muatan negatif. Aturannya seperti aturan kutub — muatan sejenis tolak-menolak, muatan berbeda tarik-menarik.

Pengisian dengan gesekan

Ketika Anda menggosokkan dua bahan yang berbeda bersama-sama, elektron (partikel negatif kecil) berpindah dari satu ke bahan lainnya. Ini disebut pengisian dengan gesekan.

• Bahan yang mendapatkan elektron menjadi negatif.
• Bahan yang kehilangan elektron menjadi positif.

Hanya elektron negatif yang bergerak; muatan positif tetap diam. Sebagai contoh, batang plastik yang digosok dengan kain menjadi negatif karena elektron berpindah dari kain ke batang, meninggalkan kain bermuatan positif.

Mendeteksi muatan. Batang bermuatan mengambil potongan kertas kecil, dan membengkokkan aliran tipis air dari keran. Gantungkan satu batang bermuatan dengan benang dan dekatkan batang bermuatan lainnya: jika keduanya memiliki jenis muatan yang sama, batang yang digantung akan berayun menjauh. Penolakan adalah satu-satunya tes pasti untuk muatan, karena tarikan juga terjadi pada benda tak bermuatan.

Konduktor dan isolator

• Konduktor (tembaga dan logam lainnya) memungkinkan muatan mengalir melaluinya dengan mudah, karena memiliki elektron bebas yang dapat bergerak.
• Isolator (plastik, karet, kaca) tidak membiarkan muatan mengalir, karena elektronnya tidak dapat bergerak bebas.

Untuk menguji suatu bahan, hubungkan dalam rangkaian dengan lampu dan baterai: lampu hanya menyala untuk konduktor.

Medan listrik dan ion

Muatan diukur dalam coulomb (C). Medan listrik adalah wilayah di mana muatan listrik merasakan gaya. Arahnya pada suatu titik adalah arah gaya pada muatan positif. Pola medan sederhana (panah menunjukkan arah):

• di sekitar muatan titik: garis lurus, menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif;
• di sekitar bola bermuatan (sphere): hal yang sama, menyebar merata ke segala arah;
• di antara dua pelat sejajar dengan muatan berlawanan: garis lurus, berjarak sama dari pelat positif ke pelat negatif.

Atom biasanya netral. Jika kehilangan elektron menjadi ion positif; jika mendapatkan elektron menjadi ion negatif.

Arus listrik adalah aliran muatan listrik. Diukur dalam ampere (A) menggunakan amperemeter, dihubungkan secara seri dalam rangkaian.

Amperemeter analog memiliki jarum yang bergerak di atas skala; amperemeter digital menampilkan bacaan sebagai angka. Keduanya memiliki rentang yang berbeda. Pilih rentang sedikit di atas arus terbesar yang Anda harapkan agar pembacaan akurat: rentang 0–1 A untuk arus sekitar 0,4 A, atau rentang 0–100 mA untuk beberapa miliampere.

Arus adalah muatan yang melewati suatu titik setiap detik:

Di sini $I$ adalah arus (A), $Q$ adalah muatan (C) dan $t$ adalah waktu (s). Diatur ulang, $Q = It$.

Contoh soal terpecahkan. Arus $3.0\ \text{A}$ mengalir melalui lampu selama $20\ \text{s}$. Berapa banyak muatan yang melewatinya?

Dalam logam, arus adalah aliran elektron bebas. Ada dua "arah" yang perlu diketahui:

• Arus konvensional dianggap mengalir dari + ke − mengelilingi bagian luar sel.
• Elektron bebas benar-benar bergerak lambat ke arah sebaliknya, dari − ke +.

Arus searah (d.c.) selalu mengalir satu arah, seperti dari baterai. Arus bolak-balik (a.c.) terus berganti arah berkali-kali setiap detik, seperti dari suplai listrik utama.

Sel memberikan energi kepada muatan yang bergerak melaluinya. Dua besaran mendeskripsikan ini, dan keduanya diukur dalam volt (V).

• Gaya gerak listrik (g.g.b.) dari sumber adalah kerja listrik yang dilakukannya untuk menggerakkan unit muatan sepanjang rangkaian lengkap.
• Beda potensial (b.p.) pada komponen adalah kerja yang dilakukan oleh unit muatan saat melewati komponen itu.

Voltmeter mengukur g.g.b. atau b.p. Dihubungkan secara paralel (di atas komponen). Seperti amperemeter, voltmeter bisa analog atau digital dan memiliki berbagai rentang: pilih rentang sedikit di atas tegangan terbesar yang Anda harapkan.

Keduanya adalah kerja per unit muatan:

di mana $W$ adalah energi yang ditransfer (J) dan $Q$ adalah muatan (C). Sebagai contoh, jika sebuah sel melakukan $120\ \text{J}$ kerja memindahkan $60\ \text{C}$ muatan mengelilingi rangkaian, g.g.b.-nya adalah $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Resistansi mengukur seberapa sulit arus mengalir. Resistansi yang lebih besar menghasilkan arus yang lebih kecil. Diukur dalam ohm (Ω).

Mengukur hambatan. Hubungkan komponen secara seri dengan sel, sakelar, amperemeter dan resistor variabel, serta hubungkan voltmeter melintang pada komponen. Tutup sakelar, baca $I$ dan $V$, kemudian ubah resistor variabel untuk mendapatkan beberapa pasangan pembacaan lagi. Either hitung $R = V/I$ untuk setiap pasangan dan ambil rata-ratanya, atau plot $V$ terhadap $I$: untuk kawat logam pada suhu konstan, grafiknya adalah garis lurus yang melalui titik asal, dan gradiennya adalah $R$.

Contoh terpecahkan. Sebuah baterai $12\ \text{V}$ mengalirkan arus $0.50\ \text{A}$ melalui sebuah lampu. Temukan hambatan lampu tersebut.

Untuk kawat logam pada suhu konstan:

• kawat yang lebih panjang memiliki hambatan yang lebih besar — hambatan berbanding lurus dengan panjang, $R \propto l$;
• kawat yang lebih tebal memiliki hambatan yang lebih kecil — hambatan berbanding terbalik dengan luas penampang, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Jadi, menggandakan panjang akan menggandakan hambatan; menggandakan luas akan menguranginya menjadi setengahnya. (Luas bergantung pada diameter kuadrat, sehingga perubahan kecil pada diameter mengubah hambatan dengan signifikan.)

Graf arus–tegangan menunjukkan perilaku tiga komponen:

Sirkuit mentransfer energi dari sumber (sel atau suplai utama) ke komponen, lalu ke lingkungan sekitar (sering sebagai panas, cahaya, atau suara).

Daya listrik adalah energi yang ditransfer setiap detik, diukur dalam watt (W):

Energi listrik yang ditransfer dalam waktu $t$, diukur dalam joule (J), adalah:

Contoh terpecahkan. Sebuah motor $12\ \text{V}$ menarik arus $2.0\ \text{A}$. Temukan dayanya, dan energi yang ditransfer dalam $30\ \text{s}$.

Kilowatt-jam

Tagihan listrik rumah menggunakan satuan energi yang lebih besar, yaitu kilowatt-jam (kWh). Satu kilowatt-jam adalah energi yang digunakan oleh perangkat $1\ \text{kW}$ selama $1$ jam.

Sebagai contoh, pemanas $2\ \text{kW}$ yang digunakan selama $3$ jam mengonsumsi $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Jika satu kWh berharga $20$ sen, biayanya adalah $6 \times 20 = 120$ sen.

*Meter listrik rumah menghitung energi yang digunakan, dalam kilowatt-jam (kWh) — angka yang ditampilkan adalah yang Anda bayar

Komponen sirkuit

Anda harus mengetahui komponen-komponen ini dan perilakunya:

*Simbol-simbol standar yang digunakan untuk menggambar diagram sirkuit

*Resistor nyata: pita warna menunjukkan hambatan masing-masing dalam ohm

Seri dan paralel

Dalam sirkuit seri, bagian-bagian membentuk satu loop tunggal:

• arusnya sama di setiap titik;
• tegangan pasokan dibagi antara komponen;
• sel yang dirangkai seri menjumlahkan g.g.t-nya (ketika orientasinya sama);
• resistor yang dirangkai seri dijumlahkan: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

Dalam sirkuit paralel, bagian-bagian berada pada cabang terpisah:

• setiap cabang mendapat tegangan pasokan penuh;
• arus terbagi, sehingga arus dari sumber lebih besar daripada arus di salah satu cabang;
• total hambatan lebih kecil dari hambatan tunggal terkecil.

Lampu di rumah dirangkai secara paralel: setiap lampu mendapat tegangan penuh, dan jika satu mati, yang lain tetap menyala.

*Dalam sirkuit seri, komponen berbagi satu loop; dalam sirkuit paralel, setiap lampu memiliki cabangnya sendiri

Untuk perhitungan (dengan aturan di atas):

• pada titik percabangan, total arus yang masuk sama dengan total arus yang keluar;
• dalam seri, tegangan pasokan sama dengan jumlah tegangan pada komponen;
• dalam paralel, tegangan pada setiap cabang adalah sama;
• dua resistor yang dirangkai paralel digabungkan sebagai

Contoh pengerjaan. Sebuah resistor $6\ \Omega$ dan resistor $3\ \Omega$ disambung secara paralel. Temukan hambatan gabungannya.

Perhatikan bahwa hambatan gabungan ($2\ \Omega$) lebih kecil daripada hambatan terkecil dari kedua resistor tersebut.

Pembagi potensial

Dua resistor seri membagi tegangan sumber. Ini adalah pembagi potensial. Untuk arus yang sama, hambatan yang lebih besar memiliki beda potensial (b.p.) yang lebih besar di atasnya, sehingga resistor yang lebih besar mengambil bagian yang lebih besar:

Sebuah pembagi potensial variabel (atau resistor variabel) memungkinkan Anda mengubah tegangan output secara halus, misalnya dari $0\ \text{V}$ hingga penuh pada sumber. Jika Anda menggunakan termistor atau LDR sebagai salah satu resistor, tegangan output berubah seiring suhu atau cahaya — berguna untuk menyalakan dan mematikan pemanas atau lampu secara otomatis.

Rumah dialiri oleh listrik utama (mains). Listrik utama berbahaya jika digunakan dengan cara yang salah.

Bahaya

Berikut adalah bahaya (ancaman) dengan listrik utama:

• isolasi rusak — kabel terbuka dapat menyebabkan sengatan listrik atau memicu kebakaran;
• kabel panas berlebih — arus terlalu besar membuat kabel panas, yang dapat memicu kebakaran;
• kondisi basah — air memungkinkan arus mengalir ke tubuh seseorang, meningkatkan risiko sengatan listrik;
• beban berlebih — mencolokkan terlalu banyak perangkat ke satu soket menarik arus terlalu besar.

Kable fasa, netral, dan bumi

Kabel utama memiliki tiga kabel:

• kabel fasa membawa tegangan tinggi;
• kabel netral melengkapikan rangkaian pada sekitar nol volt;
• kabel bumi adalah kabel pengaman yang terhubung ke tanah.

Sakelar (dan sekring) harus dipasang di kabel fasa. Dengan demikian, ketika sakelar mati, perangkat terputus dari tegangan tinggi dan aman untuk disentuh.

Sekering, sakelar trip, dan pembumian

Sekering adalah kawat tipis yang meleleh jika arus menjadi terlalu besar, memutus rangkaian sebelum kabel panas berlebih. Pilih nilai rating sekring sedikit di atas arus kerja normal — misalnya sekring $13\ \text{A}$ untuk perangkat yang biasanya menggunakan sekitar $10\ \text{A}$.

Sakelar trip (pemutus sirkuit) melakukan tugas yang sama tetapi bekerja lebih cepat dan dapat diatur ulang alih-alih diganti.

Rangka logam perangkat harus dibuat aman dengan salah satu dari dua cara:

• dibumikan: rangka terhubung ke kabel bumi. Jika kabel fasa menyentuh rangka, arus besar mengalir ke bumi dan meleburkan sekring.
• isolasi ganda: rangkanya plastik, sehingga tidak akan pernah bermuatan listrik. Perangkat semacam itu tidak memerlukan kabel bumi; sekeringnya tetap melindungi kabel.

Efek magnetik dari arus

Arus dalam kawat menghasilkan medan magnet di sekitarnya.

• Di sekitar kawat lurus, garis-garis medannya berbentuk lingkaran mengelilingi kawat; medannya lebih kuat dekat kawat. Balik arusnya, maka medannya juga berbalik.
• Solenoida (kumparan kawat panjang) menghasilkan medan seperti batang magnet, dengan kutub N di satu ujung dan kutub S di ujung lainnya. Medan di dalamnya kuat dan seragam.

Anda dapat menunjukkan kedua pola ini dengan serbuk besi atau kompas pemetaan. Medannya menjadi lebih kuat jika Anda meningkatkan arus, menambah jumlah lilitan, atau menempatkan inti besi lunak di dalamnya.

Efek magnetik digunakan dalam relay dan loudspeaker. Dalam relay, arus kecil dalam kumparan memagnetisasi inti besi lunak, yang menarik sakelar agar tertutup dalam rangkaian kedua. Rangkaian kedua dapat mengalirkan arus besar, sehingga sakelar kecil atau sensor dapat dengan aman mengendalikan motor atau pemanas (misalnya, sakelar pengapian mobil memulai motornya melalui relay). Dalam loudspeaker, arus yang berubah-ubah dalam kumparan membuat kumparan mendorong dan menarik kerucut kertas, yang menggerakkan udara dan menghasilkan suara.

Induksi elektromagnetik

Ketika kawat bergerak melintasi medan magnet, atau medan melalui kumparan berubah, e.m.f. terinduksi dalam kawat. Jika kawat merupakan bagian dari rangkaian lengkap, e.m.f. ini mendorong arus. Ini disebut induksi elektromagnetik.

Untuk menunjukkannya: gerakkan magnet masuk dan keluar dari kumparan yang terhubung ke meter sensitif, dan perhatikan jarum berkedip. E.m.f. terinduksi lebih besar ketika Anda menggunakan magnet yang lebih kuat, bergerak lebih cepat, atau menggunakan lebih banyak lilitan pada kumparan. E.m.f. terinduksi selalu bertindak untuk melawan perubahan yang menyebabkannya. Arah arus terinduksi ditentukan oleh aturan tangan kanan Fleming: pegang ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah tangan kanan saling tegak lurus; ibu jari menunjuk sepanjang gerakan kawat, jari telunjuk sepanjang medan (N ke S), dan jari tengah kemudian memberikan arus terinduksi.

Generator a.c.

Generator a.c. mengubah gerakan menjadi listrik. Kumparan diputar dalam medan magnet (atau magnet diputar di dekat kumparan). Saat berputar, medan melalui kumparan terus berubah, sehingga e.m.f. bolak-balik terinduksi.

• Cincin geser dan sikat karbon grafit menghantarkan arus keluar ke rangkaian sementara kumparan terus berputar.
• GGL terbesar saat kumparan datar (bergerak paling cepat melintasi medan) dan nol saat kumparan tegak (bergerak sejajar dengan medan). Jadi grafik GGL–waktu berbentuk gelombang: puncak, nol, puncak berlawanan, nol, untuk setiap putaran.

Gaya pada konduktor bermuatan arus

Ketika kawat bermuatan arus terletak dalam medan magnet, medan dari kawat dan medan dari magnet saling mendorong, sehingga kawat mengalami gaya. Ini disebut efek motor.

• Balik arah arus, atau balik arah medan, maka gayanya akan berbalik.
• Perbesar arus atau perkuat medan, maka gayanya juga semakin besar.

Gaya, medan, dan arus saling tegak lurus satu sama lain. Anda dapat menentukan arah gaya menggunakan aturan tangan kiri Fleming: ibu jari = gaya (gerak), jari telunjuk = medan (N ke S), jari tengah = arus.

Menunjukkan gaya. Letakkan kawat tembaga kaku (atau strip aluminium foil) di antara kutub magnet U dan hubungkan ke sel melalui sakelar. Ketika arus mengalir, kawat melompat naik atau turun. Balik polaritas sel dan kawat melompat ke arah sebaliknya; balik posisi magnet dan arahnya berbalik lagi. Arus lebih besar atau magnet yang lebih kuat menghasilkan lompatan yang lebih besar.

Aliran partikel bermuatan yang bergerak adalah arus, sehingga medan magnet juga mendorongnya menyamping — hal ini membelokkan berkas tersebut. (Ingat bahwa elektron mengalir berlawanan dengan arah arus konvensional.)

Motor d.c.

Kumparan yang dialiri arus dalam medan magnet mengalami efek putar, karena gaya pada kedua sisinya bekerja berlawanan arah. Ini adalah motor d.c. Efek putar menjadi lebih besar dengan lebih banyak lilitan, arus yang lebih besar, atau medan yang lebih kuat.

Komutator cincin belah membalikkan arah arus dalam kumparan setiap setengah putaran. Hal ini menjaga agar kumparan terus berputar ke arah yang sama alih-alih berhenti setelah setengah putaran.

Transformator

Transformator mengubah besaran tegangan a.c. Ia memiliki dua kumparan yang dililitkan pada inti besi lunak:

• kumparan primer menerima tegangan a.c.;
• kumparan sekunder mengeluarkan tegangan yang telah diubah.

Arus a.c. pada primer menciptakan medan magnet berubah-ubah pada inti. Inti membawa medan ini ke sekunder, di mana ia menginduksi GGL a.c. Tegangan dan jumlah lilitan terkait melalui:

Contoh kerja. Sebuah transformator memiliki $1200$ lilitan pada kumparan primer dan $100$ lilitan pada kumparan sekunder. Primer terhubung ke sumber a.c. $240\ \text{V}$. Temukan tegangan sekunder.

Jumlah lilitan sekunder lebih sedikit, jadi ini adalah transformator penurun tegangan.

Jika sekunder memiliki lebih banyak lilitan maka itu adalah transformator penaik tegangan (tegangan naik); lilitan lebih sedikit membuat transformator penurun tegangan (tegangan turun). Sebagai contoh, transformator yang mengubah $240\ \text{V}$ ke $12\ \text{V}$ adalah jenis penurun, dan primer memiliki $20$ kali jumlah lilitan dibandingkan sekunder.

Jika efisiensi transformator 100%, daya masuk sama dengan daya keluar:

Jadi transformator penaik tegangan menaikkan tegangan tetapi menurunkan arus.

Mengapa kita menggunakan tegangan tinggi untuk mengirim daya

Listrik dikirim melintasi negara melalui transmisi tegangan tinggi. Daya yang hilang sebagai panas dalam kabel adalah

di mana $R$ adalah resistansi kabel. Transformator penaik tegangan menaikkan tegangan sehingga menurunkan arus untuk daya yang sama ($P = IV$). Arus yang lebih kecil berarti lebih sedikit daya yang terbuang dalam kabel. Transformator penurun kemudian menurunkan tegangan kembali ke nilai yang aman sebelum mencapai rumah-rumah.

• Arus sama di semua tempat dalam rangkaian seri; dalam rangkaian paralel arus terbagi antar cabang. Tegangan (beda potensial) dibagi dalam seri, tetapi sama di setiap cabang paralel.
• Menambahkan resistor secara seri meningkatkan resistansi total ($R_1 + R_2$); menambahkannya secara paralel membuat total lebih kecil daripada resistor tunggal terkecil.
• Ammeter dipasang secara seri dan memiliki resistansi sangat rendah; voltmeter dipasang secara paralel melintasi komponen dan memiliki resistansi sangat tinggi.
• Dalam transformator $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: lebih banyak lilitan pada sekunder menaikkan tegangan, kurang lilitan menurunkannya. Transformator hanya bekerja pada a.c.
• Daya dikirim melintasi negara dengan tegangan tinggi sehingga arus — dan panas yang terbuang di kabel, $P = I^2R$ — menjadi kecil.
• Pasang sakelar dan sekering pada kawat hidup, dan pilih rating sekering sedikit di atas arus kerja normal alat tersebut.