BAB I PENDAHULUAN I. 2. Latar Belakang Arus dan tegangan listrik selalu mempunyai nilai tetap, tidak berubah terhadap waktu. Arus dan tegang listrik semacam ini disebut arus dan tegangan DC (Direct Current). Sedangkan arus dan tegang listrik yang nilainya selalu berubah tehadap waktu secara periodik disebut arus dan tegangan bolak balik atau arus dan tegang AC (Alternating Current). Arus bolak-balik dalam dunia kelistrikan banyak digunakan. Berdasarkan pengertian tersebut, dapat diartikan bahwa arus bolak-balik berbentuk gelombang. Dalam banyak pemakaian, tegangan listrik yang digunakan dihasilkan oleh sumber dalam bentuk tegangan yang dengan waktu secara sinusoida. Demikian juga dalam rangkaian elektronika banyak digunakan tegangan semacam ini yang dihasilkan oleh osilator. Dalam rangkaian arus bolak-balik, baik tegangan maupun kuat arusnya berubahubah secara periodik. Oleh sebab itu untuk penggunaan yang praktis diperlukan besaran listrik bolak-balik yang tetap, yaitu harga efektif. Tegangan bolak-balik sinusoidal, tersedia dari bermacam-macam sumber. Sumber arus bolak-balik pada umumnya dihasilkam oleh pembangkit tenaga listrik seperti Pembangkit Listrik Tenaga Air, Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Pembangkit Listrik Tenaga Gas, Pembangkit Listrik Tenaga Angin dan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (Panas matahari ). Sebuah penghantar dalam rangkaian arus bolak-balik memiliki hambatan, reaktansi induktif, dan reaktansi capasitif.
I. 2. Ruang Lingkup Dalam makalah ini difokuskan pada pengertian arus bolak balik, besaran-besaran dalam arus bolak balik, rangkaian RLC, daya pada rangkaian AC, resonansi pada rangkaian RLC, harga efektif arus bolak balik serta penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Makalah ini juga melampirkan beberapa soal sehingga penerapan arus bolaknbalik dapat lebih dimengerti.
I. 3 Tujuan Makala ini bertujuan untuk : 1. Mampu menjelaskan konsep arus bolak-balik. 2. Mampu menghitung arus dan tegangan dalam rangkaian RLC 3. Mampu menghitung daya pada rangkaian AC
3. Mengetahui penerapan rangkaian arus bolak-balik dalam kehidupan sehari-hari.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Arus bolak-balik merupakan arus yang arah dan besarnya setiap saat berubahrubah. Arus bolak-balik dalam dunia kelistrikan banyak digunakan. Arus bolak-balik selalu mempunyai nilai puncak gelombang atas dan puncak gelombang bawah. Dalam peristiwa mencapainya nilai puncak gelombang atas dan puncak gelombang bawah maka dikatakan telah mencapai satu (1) gelombang penuh. Nilai puncak gelombang atas dan puncak gelombang bawah sering pula disebut nilai dari puncak ke puncak ( nilai peak to peak ). Gaambar di bawah ini menunjukkan gelombang tegangan bolak-balik sinusoidal.
GAMBAR 1. Gelombang Tegangan Arus Bolak-Balik
Sebelum menjelaskan pengertian arus bolak – balik, dan untuk mempermudah pengertian arus bolak – balik maka ada beberapa pengertian berikut yang harus dipahami: 1.Radian adalah satuan sistem internasional ( SI ) untuk sudut bidang datar. Radian merupakan sudut antara 2 jari-jari lingkaran dengan panjang busur di depan sudut tersebut sama dengan jari-jari lingkaran. 2. Kecepatan sudut dinyatakan dengan “ω” )(dibaca omega), yaitu sudut yang ditempuh suatu titik yang bergerak di tepi lingkaran setiap satuan waktu. Contoh nya, Sebuah penghantar ( konduktor ) yang berputar dalam medan magnit dengan kecepatan ω (rad/detik) , maka dalam waktu t detik menempuh sudut :
Bila frekuensi yang dihasilkan adalah f Hertz, maka
3. Derajat Listrik, pengertian derajat listrik bisa dijelaskan berdasarkan gambar 2 berikut. 0
Menurut gambar 2, bila kumparan diputar satu putaran penuh ( 360 putaran mekanik ), tegangan induksi yang dibangkitkan juga dihasilkan dalam satu putaran penuh dalam 0
360 . Bila kutub magnet nya di perbanyak 2 kali atau menjadi 4 kutub, dan kumparan diputar satu keliling, maka tegangan induksi yang terbangkit menjadi 2 kali nya yaitu 2 0
siklus ( 720 ). Dari dua contoh ini merupakan pengertian dari derajat Listrik. Secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut :
Dimana :
Gambar 2. Pengertian derajat listrik dengan jumlh kutub 2
Gambar 3. Pengertian Derajat Listrik Dengan Jumlah Kutub 4
Pengertian arus bolak-balik telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, yaitu arus yang besar dan arahnya berubah-rubah setiap waktu ( setiap saat ). Berdasarkan pengertian tersebut, dapat diartikan bahwa arus bolak-balik berbentuk gelombang. Berdasarkan difinisi tersebut maka bentuk gelombang arus bolak-balik dapat dibedakan menjadi 3 macam bentuk gelombang yaitu : 1) Gelombang Sinusoidal, 2) Gelombang Kotak ( segi empat ), dan
3) Gelombang segitiga Gambar 4, menunjukkan macam-macam bentuk gelombang arus bolak-balik.
a. Gelombang Sinusoida
b. Gelombang Kotak
c. Gelombang Segitiga
Gambar 4. Bentuk Gelombang Arus Bolak-Balik Dalam menyatakan harga tegangan AC ada beberapa besaran yang digunakan, yaitu : 1. Tegangan sesaat : Yaitu tegangan pada suatu saat t yang dapat dihitung dari persamaan E = Emax sin 2 ft jika kita tahu Emax, f dan t. 2. Amplitudo tegangan Emax : Yaitu harga maksimum tegangan. Dalam persamaan: E = Emax sin 2 ft, amplitudo tegangan adalah Emax. 3. Tegangan puncak-ke puncak (Peak-to-peak) yang dinyatakan dengan Epp ialah beda antara tegangan minimum dan tegangan maksimum. Jadi Epp = 2 Emax. 4. Tegangan rata-rata (Average Value). 5. Tegangan efektif atau tegangan rms (root-mean-square) yaitu harga tegangan yang dapat diamati langsung dalam skala alat ukurnya. Bila tegangan bolak-balik diukur dengan sebuah voltmeter DC atau arusnya diukur dengan galvanometer, maka alat-alat tersebut akan menunjukkan angka nol, karena kumparan koilnya terlalu lambat untuk mengikuti bentuk gelombang yang dihasilkan oleh sumber arus bolak-balik tersebut. Tetapi bila diukur dengan osiloskop kita dapat melihat nilai-nilai arus atau tegangan yang selalu berubah tehadap waktu secara periodik, sehingga memperlihatkan sebuah bentuk gelombang. Jadi dengan mempergunakan alat ukur osiloskop kita dapat mengamati nilai dan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh sumber arus bolak-balik. Tetapi dengan dengan mempergunakan Amperemeter AC dan Voltmeter AC kita juga dapat mengamati salah satu nilai yang ditunjukkan oleh arus bolak-balik, yaitu nilai arus dan tegangan efektif.
Arus Dan Tegangan Sinusoidal Dalam generator, kumparan persegi panjang yang diputar dalam medan magnetik akan membangkitkan Gaya Gerak Listrik (GGL) sebesar : E = Em sinω t Dengan demikian bentuk arus dan tegangan bolak-balik seperti persamaan di atas yaitu : i = Im sinω t v = Vm sinω t Im dan Vm adalah arus maksimum dan tegangan maksimum. Bentuk kurva yang dihasilkan persamaan ini dapat kita lihat di layar Osiloskop. Bentuk kurva ini disebut bentuk sinusoidal seperti Gambar 5.
Gambar 5. Kurva Sinusoidal Teganga Maksimum Harga Efektif Arus Bolak-Balik Dalam rangkaian arus bolak-balik, baik tegangan maupun kuat arusnya berubahubah secara periodik. Oleh sebab itu untuk penggunaan yang praktis diperlukan besaran listrik bolak-balik yang tetap, yaitu harga efektif. Harga efektif arus bolak-balik ialah harga arus bolak-balik yang dapat menghasilkan panas yang sama dalam penghantar yang sama dan dalam waktu yang seperti arus searah. Ternyata besar kuat arus dan tegangan efektifnya masing-masing : ⁄
[ ∫ (
)
]
Kuat arus dan tegangan yang terukur oleh alat ukur listrik menyatakan harga efektifnya. Resistor Dalam Rangkaian Arus Bolak-Balik Bila hambatan murni sebesar R berada dalam rangkaian arus bolak-balik, besar tegangan pada hambatan berubah-ubah secara sinusoidal, demikian juga kuat arusnya. Antara kuat arus dan tegangan tidak ada perbedaan fase, artinya pada saat tegangan maksimum, kuat arusnya mencapai harga maksimum pula.
Kumparan Induktif Dalam Rangkaian Arus Bolak-Balik
Andaikan kuat arus yang melewati kumparan adalah I= Imax sin kumparan diabaikan I.R = 0 Besar GGL induksi yang terjadi pada kumparan E1 = -L Bila tegangan antara AB adalah V, kuat arus akan mengalir bila :
(
)
t. Karena hambatan
Jadi antara tegangan pada kumparan dengan kuat arusnya terdapat perbedaan fase
,
dalam hal ini tegangan mendahului kuat arus. Capasitor Dalam Rangkaian Arus Bolak-Balik
Andaikan tegangan antara keping-keping capasitor pada suatu saat V = Vmax sin
t, muatan capasitor saat itu :
Q = V.C (
)
Jadi antara tegangan dan kuat arus terdapat perbedaan fase dalam hal ini kuat arus lebih dahulu
daripada tegangan.
Reaktansi Disamping resistor, kumparan induktif dan capasitor merupakan hambatan bagi arus bolak-balik. Untuk membedakan hambatan kumparan induktif dan capasitor dari hambatan resistor, maka hambatan kumparan induktif disebut Reaktansi Induktif dan hambatan capasitor disebut Reaktansi Capasitif.
a. Reaktansi Induktif (XL)
XL dalam ohm , L dalam Henry. b. Reaktansi Capasitif (XC)
XC dalam ohm , C dalam Farad Impedanzi Sebuah penghantar dalam rangkaian arus bolak-balik memiliki hambatan, reaktansi induktif, dan reaktansi capasitif. Untuk menyederhanakan permasalahan, kita tinjau rangkaian arus bolak-balik yang didalamnya tersusun resistor R, kumparan R, kumparan induktif L dan capasitor C.Menurut hukum ohm, tegangan antara ujung-ujung rangkaian : V = VR + VL + VC
Dengan penjumlahan vektor diperoleh :
Z disebut Impedanzi
Ada tiga kemungkinan yang bersangkutan dengan rangkaian RLC seri yaitu : 1. Bila XL>XC atau VL>VC, maka rangkaian bersifat induktif. Tg juga
positif, demikian
positif. Ini berarti tegangan mendahului kuat arus.
2. Bila XL
negatif, nilai
negatif. Ini berarti kuat arus mendahului tegangan.
Demikian juga harga
√(
)
3. Bila XL=XC atau VL=VC, maka rangkaian bersifat resonansi. tg = 0 dan berarti tegangan dan kuat arus fasenya sama.
= 0, ini
Resonansi Jika tercapai keadaan yang demikian, nilai Z = R, amplitudo kuat arus mempunyai nilai terbesar, frekuensi arusnya disebut frekuensi resonansi seri. Besarnya frekuensi resonansi dapat dicari sebagai berikut :
f adalah frekuensi dalam cycles/det, L induktansi kumparan dalam Henry dan C kapasitas capasitor dalam Farad. Getaran Listrik Dalam Rangkaian LC Getaran
listrik
bolak-balik tinggi.
adalah
dengan
Getaran
arus
frekuensi
listrik
dapat
dibangkitkan dalam rangkaian LC. Kapasitor C dimuati sampai tegangan maksimum. Bila saklar ditutup mengalir arus sesuai arah jarum jam, tegangan C turun sampai nol. Bersamaan dengan aliran arus listrik timbul medan magnetik didalam kumparan L. Medan magnetik lenyap seketika pada saat tegangan C sama dengan nol. Bersamaan dengan itu timbul
GGL induksi, akibatnya tegangan C naik kembali secara berlawanan. Karenanya dalam rangkaian mengalir arus listrik yang arahnya berlawanan dengan arah putar jarum jam. Jadi dalam rangkaian LC timbul getaran listrik yang frekuensinya :
√ SUMBER ARUS BOLAK-BALIK Tegangan bolak-balik sinusoidal, tersedia dari bermacam-macam sumber. Sumber arus bolak-balik pada umumnya dihasilkam oleh pembangkit tenaga listrik seperti Pembangkit Listrik Tenaga Air, Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Pembangkit Listrik Tenaga Gas, Pembangkit Listrik Tenaga Angin dan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (Panas matahari ). Ada pula pembangkit listrik yang sifatnya mudah dibawa ( portable ).
BAB III SOAL DAN PEMBAHASAN
III. 1. SOAL 1. Tegangan bolak-balik dengan persamaan v = 282.8 sin 314.t Volt. Tentukan a) Tegangan rms b) Frekwensi c) Tegangan sesaat ketika t = 4 mdet d) Gambar Tegangan Sesaat ketika t = 4 mdetik.
2. Tegangan bolak-balik dengan persamaan
=
(
)
Tentukan
a) Amplitudo ( Tegangan maksimal ) b) Tegangan puncak ke puncak ( peak to peak ) c) Tegangan rms d) Waktu periodik
3. Tegangan bolak-balik v , mempunyai waktu periodik 0.01 detik dan Tegangan maksimal nya adalah = 40 V. Ketika waktu t = 0, tegangannya v = -20 Volt. Tentukan pernyataan Tegangan sesaatnya.
4. Arus bolak-balik dinyatakan dengan persamaan, i = 120 sin (100
)
) ampere.
Tentukan a) Arus maksimal, Waktu periodik, Frekwensi dan perbedaan sudut fasa terhadap 120 sin 100 b) Arus listrik ketika t = 0, c) Arus listrik ketika t = 8 mdt d) Watu ketika arus pertama mencapai 60 A, dan e) Waktu ketika arus pertama mencapai maksimal f) Gambar Arus Sesaat i = 120 sin (100
)
) ampere terhadap i =120 sin 100
5. Jala-jala listrik di rumah mempunyai teganga 220 V. Sebuah alat listrik dengan hambatan 40 ohm dipasang pada jala-jala listrik itu. Hitunglah : a. Nilai maksimum tegangan b. Nilai efektif dan maksimum arus
III.2. Pembahasan
1. a) Persamaan umum Tegangan arus bolak-balik
Dari persamaan Tegangan nya adalah 282.8 Volt, maka Tegangan rms nya adalah = 0.707 x nilai Tegangan maksimal = 0.707 x 282.8 = 200 Volt
b) Kecepatan angular,
c) Ketika t = 4 mdet,
d) Tegangan Sesaat ketika t = 4 mdetik
, Tegangan maksimal
2. a) Amplitudo ( Tegangan maksimal ) = 75 Volt
b) Tegangan puncak ke puncak = 2 x 75 = 150 Volt
c) Tegangan rms = 0.707 x Tegangan maksimal = 0.707 x 75 = 53 Volt
d) Kecepatan angular( sudut ),
Maka waktu periodic,
e) Frekuensi,
f) Sudut fasa,
g) Gambar tegangan sesaat,
3. Amplitudo,( Tegangan maksimal ) V = 40 Volt m
Waktu periodik
Gambar…: Tegangan Sesaat :
4. a) Arus maksimal, I = 120 A m
Waktu periodik,
b) Ketika c) Ketika d)Ketika
Maka, waktu
e) Ketika arus adalah maksimal, i = 120 A
f) Gambar Arus Sesaat ,
Gambar.... : Arus Sesaat
5.
√
√
√
√
√
BAB IV KESIMPULAN
Arus bolak-balik merupakan arus yang arah dan besarnya setiap saat berubahrubah. Arus bolak-balik dalam dunia kelistrikan banyak digunakan. Arus bolak-balik berbentuk gelombang. Arus bolak-balik dapat dibedakan menjadi 3 macam bentuk gelombang yaitu : 1) Gelombang Sinusoidal, 2) Gelombang Kotak ( segi empat ), dan 3) Gelombang segitiga Bentuk arus dan tegangan bolak-balik adalah seperti di bawah ini : i = Im sinω t v = Vm sinω t
Harga efektif arus bolak-balik ialah harga arus bolak-balik yang dapat menghasilkan panas yang sama dalam penghantar yang sama dan dalam waktu yang seperti arus searah. Antara kuat arus dan tegangan tidak ada perbedaan fase, artinya pada saat tegangan maksimum, kuat arusnya mencapai harga maksimum pula. Sebuah penghantar dalam rangkaian arus bolak-balik memiliki hambatan, reaktansi induktif, dan reaktansi capasitif.
DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2012. Arus Tegangan AC. “http://sman1jkt.com/budut 7/mapelsite/fisika/files/ARUS-TEGANGAN%20AC.PDF”. Diakses pada Hari Selasa, tanggal 23 April 2013, pukul 15.30 WITA. Anonim, 2013. Bab 1 .Tegangan Listrik Arus Bolak-Balik. “http://dosen.itats.ac.id/bangjono/files/2013/01/Bab_1_TEG_LISTRIK_ARUS-BOLAK.pdf”. Diakses pada hari Selasa tanggal 23 April, pukul 16.00 WITA. Rasyid. 2010. Fisika. Makassar : SMAK-MA UPT MKU. 2013. Materi Penuntun Perkuliahan Fisika Dasar II. Makassar : UNHAS Yudoyono, Gatut., Endarko. 2007. Draf Modul Fisika. “http://oc.its.ac.id/ambilfile.php?idp=13”. Diakses pada hari Selasa, tanggal 23 April 2013 pukul 16.10 WITA.
MAKALAH ARUS BOLAK-BALIK
KELOMPOK II :
NAMA
NIM
1. HENDRICO TRIANDY WH.
H31112904
2. ANNISA NUR KHAERUNI
H31112284
3. TIAMEISETIA SUMOMBA
H31112271
4. FITRIA ANURANI H.
H31112901
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM APRIL-2013
