Ulasan Lengkap Materi dan Rumus Arus Listrik Searah

Arus listrik mengalir dari tempat berpotensial tinggi ke tempat berpotensial rendah yang berlawanan arah dengan aliran elektron.  Foster dan Sutrisno (2019) dalam buku Taktis Belajar Fisika SMA menjelaskan bahwa besaran yang menyatakan kuantitas arus listrik disebut sebagai kuat arus listrik. Jadi, kuat arus listrik adalah jumlah muatan positif yang mengalir melalui penampang kawat penghantar per satuan waktu. 

Secara matematis kuat arus listrik dinyatakan menjadi:

I = Q/t atau Q = It

Dengan: 

Q = jumlah muatan yang mengalir (coulomb, C)

t = waktu (detik/sekon, s)

I = kuat arus  (ampere, A)

Nah, sementara yang dimaksud dengan arus listrik searah (direct current/DC) adalah aliran muatan listrik yang bergerak dari area negatif ke area positif tanpa mengubah arah. Hal itu tidak seperti rangkaian arus bolak balik (alternating current/AC) di mana arus listrik dapat mengalir di kedua arah.

Melansir Electrical 4U, sebagian besar rangkaian elektronik memerlukan catu daya arus listrik searah, terutama peralatan yang dioperasikan dengan baterai. Ketika arus listrik searah dibutuhkan tapi penggunaan baterai tidak ekonomis atau membutuhkan pengisian konstan, catu daya digunakan untuk mengubah arus listrik bolak balik menjadi arus listrik searah. 

Nah, penerapan arus listrik searah di berbagai bidang tercantum berikut ini:

• Berbagai aplikasi bertegangan rendah seperti pengisian baterai ponsel. Di gedung domestik dan komersial arus listrik searah dimanfaatkan untuk penerangan darurat, CCTV, TV, dan lainnya. 
• Pada kendaraan aki digunakan untuk menyalakan mesin, lampu, dan sistem pengapian. Kendaraan listrik juga beroperasi dengan baterai (arus DC).
• Sebagian besar perangkat jaringan komunikasi beroperasi pada arus listrik searah. Catu 48V DC umum digunakan, dengan kabel tunggal untuk komunikasi dan ground untuk jalur kembali.
• Transmisi daya tegangan tinggi dimungkinkan terjadi dengan saluran transmisi HVDC. 
• Pada pembangkit listrik tenaga surya, energi yang dihasilkan berupa arus listrik searah. 
• Daya arus listrik bolak-balik tidak dapat disimpan seperti arus listrik searah. Jadi untuk menyimpan energi listrik selalu digunakan DC. 
• Dalam sistem traksi, mesin lokomotif dijalankan dengan arus listrik searah. Termasuk di lokomotif diesel, kipas angin, lampu, dan air conditioner, juga beroperasi dengan arus listrik searah.

Dalam rangkaian DC sederhana, yaitu rangkaian listrik dengan catu daya searah, rumus daya adalah: 

P = V x I

Merujuk penjelasan Electronics Hub, kita bisa memperoleh rumus daya lebih lanjut dengan menerapkan hukum Ohm. Hal itu karena arus listrik searah memiliki polaritas tetap, maka berlaku hukum Ohm yang merumuskan hubungan antara kuat arus, hambatan rangkaian, dan tegangan yang diberikan. 

Hukum yang dikembangkan ilmuan Jerman bernama George Simon Ohm itu memiliki hipotesis bahwa, besarnya tegangan dalam suatu rangkaian bernilai sama dengan kuat arus yang ditimbulkan. Maka semakin besar tegangannya, semakin besar pula kuat arus listriknya. 

Hukum Ohm secara matematis dinyatakan sebagai: 

I = V/R 

Dengan V = tegangan (volt, V) dan R = hambatan (ohm, Ω)

Hambatan suatu kawat penghantar (konduktor) sebanding dengan hambatan jenis kawat dan panjang kawat,  serta berbanding terbalik dengan penampang kawat, yang secara matematis ditulis dengan 

R = ρI/A 

Dengan

ρ = hambatan jenis kawat (Ω)

I = panjang kawat (m)

A = luas penampang kawat (m^2)

Menurut hukum Ohm, jumlah kuat arus listrik berbanding lurus dengan tegangan di suatu rangkaian, tapi berbanding terbalik dengan hambatan listriknya. Terdapat dua jenis rangkaian hambatan listrik, yang akan dijelaskan masing-masing berikut ini: 

• Rangkaian hambatan seri: Hambatan seri disusun secara berderet untuk mendapatkan hambatan gabungan yang lebih besar, serta berfungsi sebagai pembagi tegangan. Dalam rangkaian hambatan seri, beberapa hambatan diganti menjadi satu hambatan saja yang disebut hambatan pengganti seri (Rs).Untuk mencari total hambatan pengganti pada rangkaian seri, kamu hanya perlu menjumlahkan semua hambatannya. Secara matematis itu dirumuskan dengan Rs = R1 + R2 + R3  
• Rangkaian hambatan paralel:  Rangkaian hambatan paralel disusun  berjejer dan bercabang untuk menghasilkan hambatan gabungan yang lebih kecil, sekaligus berfungsi sebagai pembagi arus. Beberapa hambatan yang dirangkai secara paralel dapat disederhanakan dengan sebuah hambatan pengganti paralel (Rp). Persamaan rangkaian hambatan paralel bila ditulis rumus matematisnya menjadi 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3

Untuk menjelaskan materi rangkaian arus searah, kita bisa merujuk hukum Kirchhoff yang terbagi menjadi dua dalam buku Taktis Belajar Fisika SMA (2019): 

Hukum I Kirchhoff 

Hukum I Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Hukum I Kircchoff secara matematis dituliskan:

∑I masuk = ∑I keluar

Hukum II Kirchhoff

Hukum II Kirchoff menyatakan bahwa jumlah aljabar perubahan tegangan mengeliling suatu rangkaian tertutup (loop) sama dengan nol. Bila persamaannya ditulis, maka akan menjadi: 

∑ε+ ∑IR = 0

Dengan: 

ε = sumber tegangan/GGL (V)

R = hambatan luar 

I = kuat arus listrik (A)

Perjanjian tanda yang disepakati tentang Hukum I Kircchoff:

1. Jika saat mengikuti loop kutub positif (+) sumber tegangan ditemui lebih dulu, maka GGL ε bertanda (+). Sebaliknya, jika ditemui kutub sumber tegangan negatif lebih dulu, maka GGL ε bertanda (-).
2. Tanda arus listrik positif (+) jika searah dengan loop, dan sebaiknya menjadi arus negatif (-) jika berlawanan arah dengan loop.

Menurut Nugraha dan Sulaiman (2016) dalam Buku Jagoan Fisika SMA, tegangan (V) atau beda potensial didefinisikan sebagai perubahan energi potensial tiap satuan muatan. Secara matematis dapat dirumuskan menjadi: 

V = ∆Eᵖ/q = W/q  sehingga didapatkan W = qV 

Karena V = I R dan q = I . t maka rumus mencari energi listrik (W) adalah: 

W = I²R t

Dengan: 

W = energi listrik (joule) 

I = kuat arus (ampere)

R = hambatan (ohm) 

t = waktu (detik atau sekon)

Sementara, daya memiliki pengertian sebagai energi yang dikeluarkan untuk melakukan usaha tiap satu satuan waktu. Persamaan untuk menghitung daya listrik (P) dirumuskan dengan:

P = W/t = I²R t/t = I²R = V²/R = V I

Nah, setalah mengulas bersama mengenai materi dan rumus arus listrik searah, sekarang jadi semakin paham kan harus menggunakan persamaan yang mana buat mengerjakan soal? Semoga informasi ini membantu, ya!

Penulis: Dian Rahma Fika Alnina