Rangkaian Arus Searah

-->

Rangkaian arus searah atau direct current (DC) adalah aliran elektron dari suatu titik yang energi potensialnya tinggi ke titik lain yang energi potensialnya lebih rendah. Pada dasarnya dalam kawat penghantar terdapat aliran elektron dalam jumlah yang sangat besar, jika jumlah elektron yang bergerak ke kanan dan ke kiri sama besar maka seolah-olah tidak terjadi apa- apa. Namun jika ujung sebelah kanan kawat menarik elektron sedangkan ujung sebelah kiri melepaskannya maka akan terjadi aliran elektron ke kanan (tapi ingat, dalam hal ini disepakati bahwa arah arus ke kiri). Aliran elektron inilah yang selanjutnya disebut arus listrik.

Sumber arus listrik searah biasanya adalah baterai (termasuk aki dan Elemen Volta) dan panel surya. Arus searah biasanya mengalir pada sebuah konduktor walaupun mungkin saja arus searah mengalir pada semi-konduktor, isolator, dan ruang hampa udara.

Arus searah dulu dianggap sebagai arus positif yang mengalir dari ujung positif sumber arus listrik ke ujung negatifnya. Pengamatan-pengamatan yang lebih baru menemukan bahwa sebenarnya arus searah merupakan arus negatif (elektron) yang mengalir dari kutub negatif ke kutub positif. Aliran elektron ini menyebabkan terjadinya lubang-lubang bermuatan positif, yang "tampak" mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Gaya Gerak Listrik

            Di dalam medan listrik muatan bebas positif dalam konduktor mendapat gaya listrik searah dengan Ê dan bergerak dari potensial tinggi ke potensial rendah, akan tetapi hal ini tidak dapat terus-menerus terjadi karena dalam konduktor akan terjadi penumpukan muatan (induksi) yang menghasilkan medan induksi yang melawan medan semula dan akhirnya menghentikan proses perpindahan ini.

            Untuk memperoleh aliran yang berkesinambungan maka muatan positif yang tertumpuk di ujung berpotensial rendah tersebut dibawa kembali semula di ujung berpotensial tinggi. Jelas sekali hal ini tidak dapat dilakukan oleh medan listrik. Pengaruh yang dapat memindahkan muatan positif dari potensial rendah ke potensial yang lebih tinggi disebut gaya gerak listrik (ggl). Setiap rangkaian lengkap dimana terdapat arus listrik yang mantap harus mengandung alat yang memberinya gaya gerak listrik diantaranya baterai, generator, sel fotovoltaik, thermokopel, dan sebagainya. Alat-alat semacam ini mampu memberikan energi pada rangkaian yang dihubungkan dengannya, karena itu disebut sebagai sumber daya, sedangkan sebenarnya alat tersebut hanya mengubah energi bentuk lain menjadi energi listrik.

            Di dalam sumber ggl yang terbuka (kutub positif dan negatifnya tidak berhubungan di luar sumber) maka resultan  = 0 di setiap titik, jadi  +  =0 Jadi pada rangkaian terbuka:

V_ab = Ԑ

Meskipun demikian gaya gerak listrik Ԑ bukanlah beda potensial. Beda potensial V_ab adalah usaha per muatan oleh medan elektrostatik (besarnay tergantung arus) sedangkan ggl adalah usaha per satuan muatan oleh medan non elektrostatik (tidak bergantung pada arus).

Arus Listrik

Jika arus mengalir dalam sebuah konduktor maka yang dimaksud adalah di setiap titik, arus akan melintasi penampang lintang konduktor tersebut. Bila ada resultan aliran muatan positif yang melintasi permukaan tersebut per satuan waktu. Jika jumlahmuatan yang melintasi permukaan tersebut dalam selang waktu Δt adalah Δq maka arus rata-rata yang melintasi permukaan tersebut adalah:

I _rata-rata =

Hambatan

            Jika kita memakai perbedaan potensial yang sama di antara ujung-ujung tembaga yang mempunyai geometri yang serupa, maka dihasilkan arus-arus yang sangat berbeda. Karakteristik penghantar yang menyebabkan hal ini adalah hambatan (resistance). Hambatan dari sebuah penghantar di anatara dua titik dengan perbedaan potensial V diantara titik-titik tersebut, dan dengan mengukur arus i, dan kemudian melakukan pembagian:

            R =

Jika V dinyatakan dalam volt dan i dinyatakan dalam ampere, maka hambatan dinyatakan dalam ohm.

Hukum Kirchoff

            Ada dua hukum yang berlaku bagi rangkaian yang memiliki arus tetap, yakni hukum kirchoff.

1. Pada setiap rangkaian tertutup, jumlah aljabar dari beda potensialnya harus sama dengan nol.

2. Pada setiap titik percabangan jumlah arus yang masuk melalui titik tersebut sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut.

            Hukum pertama kirchoff disebut juga hukum simpal, karena beda potensial di antara dua titik dalam suatu rangkaian pada keadaan tunak selalu konstan.

            Hukum kedua kichoff dikenal dengan hukum percabangan, karena hukum ini memenuhi hukum keekkalah muatan. Hukum ini diperlukan untuk rangkaian multisimpal yang mengandung titik-titik percabangan ketika arus mulai terbagi. Pada keadaan tunak, tidak ada akumulasi muatan listrik pada setiap rangkaian, dengan demikian jumlah muatan yang masuk di setiap titik akan meninggalkan titik tersebut dengan jumlah yang sama.

Kapasitor dalam Rangkaian Arus Searah

1. Pengisian kapasitor

            Sebuah kapasitor kosong pada proses pengisian dihubungkan dengan baterai melalui hambatan. Kapasitor yang ideal tidak melewatkan muatan tetapi mengumpulkan atau menyimpan muatan. Ketika saklar ditutup, kapasitor masih belum bermuatan dan beda potensialnya masih nol. Beda potensial melintang hambatan sama dengan beda potensial antara kutub-kutub baterai dan arus yang melalui i = .

            Dengan adanya arus ini maka keping kapasitor mulai bermuatan, bedaa potensialnya naik sedangkan beda potensial melintang hambatan menurun. Dengan demikian demikian arus yang melalui hambatan pun menurun. Lama kelamaan muatan kapasitor menajdi penuh dan potensialnya sama dengan potensial baterai.

2. Pengosongan Kapasitor

            Apabila suatu kapasitor yang telah berisi penuh muatan Q (dengan beda potensial V) dihubungkan kedua kepingnya dengan kawat penghantar melalui hambatan R, maka elektron dari keping negatif akan mengalir ke keping positif. Dengan demikian arus mengalir melalui R dari keping positif ke keping negatif. Maka muatan kapasitor akan berkurang terus sampai nol.

Penerapan Rangkaian Arus Searah pada Generator DC

            Generator ialah suatu mesin yang mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik.

Energi Mekanis           GENERATOR           Energi Listrik

Tenaga mekanis : memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnet ataupun sebaliknya memutar magnet diantara kumparan kawat penghantar.

Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut adalah arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC), hal ini tergantung dari susunan atau konstruksi dari generator, serta tergantung dari sistem pengambilan arusnya.

Prinsir Kerja Generator Arus Searah

Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday :

e  = - N df/ dt

dimana :    N  : jumlah lilitan

       f   : fluksi magnetik

       e   : Tegangan imbas, ggl(gaya gerak listrik)

Dengan lain perkataan, apabila suau konduktor memotong garis-garis fluksi magnetik yang berubah-ubah, maka ggl akan dibangkitkan dalam konduktor itu.

Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan ggl adalah :

- harus ada konduktor ( hantaran kawat )

- harus ada medan magnetik

- harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu. 

Untuk menentukan arah arus pada setiap saat, berlaku pada kaidah tangan kanan :

- ibu jari : gerak perputaran

- jari telunjuk : medan magnetik kutub u dan s

- jari tengah : besaran galvanis tegangan U dan arus I

Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak balik, meskipun tujuan utamanya adalah pembangkitan tegangan  searah, tampak bahwa tegangan kecepatan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolak-balik. Bentuk gelombang yang berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan.

Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan menggunakan: saklar,komutator,dioda.