Tegangan dan Arus

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, kita membutuhkan lebih dari sekadar jalur kontinu (yaitu, sirkuit) sebelum aliran muatan terus menerus terjadi:kita juga memerlukan beberapa cara untuk mendorong pembawa muatan ini di sekitar sirkuit. Sama seperti kelereng dalam tabung atau air dalam pipa, dibutuhkan semacam gaya yang mempengaruhi untuk memulai aliran. Dengan elektron, gaya ini adalah gaya yang sama yang bekerja dalam listrik statis:gaya yang dihasilkan oleh ketidakseimbangan muatan listrik. Jika kita mengambil contoh lilin dan wol yang telah digosok bersama, kita menemukan bahwa kelebihan elektron dalam lilin (muatan negatif) dan kekurangan elektron pada wol (muatan positif) menciptakan ketidakseimbangan muatan di antara keduanya. Ketidakseimbangan ini memanifestasikan dirinya sebagai gaya tarik menarik antara dua objek:

Jika kawat konduktif ditempatkan di antara lilin bermuatan dan wol, elektron akan mengalir melaluinya, karena beberapa kelebihan elektron dalam lilin mengalir melalui kawat untuk kembali ke wol, mengisi kekurangan elektron di sana:

Ketidakseimbangan elektron antara atom dalam lilin dan atom dalam wol menciptakan gaya antara dua bahan. Dengan tidak adanya jalur bagi elektron untuk mengalir dari lilin ke wol, yang dapat dilakukan oleh gaya ini hanyalah menarik kedua benda tersebut bersama-sama. Sekarang konduktor menjembatani celah isolasi, bagaimanapun, gaya akan memprovokasi elektron mengalir dalam arah yang seragam melalui kawat, jika hanya sesaat, sampai muatan di daerah itu menetralkan dan gaya antara lilin dan wol berkurang. Muatan listrik yang terbentuk di antara kedua bahan ini dengan menggosoknya bersama-sama berfungsi untuk menyimpan sejumlah energi tertentu. Energi ini tidak berbeda dengan energi yang tersimpan dalam reservoir air yang tinggi yang telah dipompa dari kolam tingkat yang lebih rendah:

Pengaruh gravitasi pada air di reservoir menciptakan kekuatan yang mencoba untuk memindahkan air ke tingkat yang lebih rendah lagi. Jika pipa yang sesuai dialirkan dari reservoir kembali ke kolam, air akan mengalir di bawah pengaruh gravitasi turun dari reservoir, melalui pipa:

Dibutuhkan energi untuk memompa air dari kolam tingkat rendah ke reservoir tingkat tinggi, dan pergerakan air melalui perpipaan kembali ke tingkat aslinya merupakan pelepasan energi yang tersimpan dari pemompaan sebelumnya. Jika air dipompa ke tingkat yang lebih tinggi, akan membutuhkan lebih banyak energi untuk melakukannya, sehingga lebih banyak energi yang akan disimpan, dan lebih banyak energi yang dilepaskan jika air dibiarkan mengalir melalui pipa kembali ke bawah:

elektron tidak jauh berbeda. Jika kita menggosok lilin dan wol bersama-sama, kita "memompa" elektron menjauh dari "tingkat" normalnya, menciptakan kondisi di mana ada gaya antara lilin dan wol, karena elektron berusaha untuk membangun kembali posisi sebelumnya (dan keseimbangan dalam atom masing-masing). Gaya menarik elektron kembali ke posisi semula di sekitar inti positif atom mereka analog dengan gaya gravitasi yang diberikan pada air di reservoir, mencoba menariknya ke tingkat sebelumnya. Sama seperti pemompaan air ke tingkat yang lebih tinggi menghasilkan energi yang disimpan, "pemompaan" elektron untuk menciptakan ketidakseimbangan muatan listrik menghasilkan sejumlah energi yang disimpan dalam ketidakseimbangan itu. Dan, sama seperti menyediakan cara bagi air untuk mengalir kembali dari ketinggian reservoir menghasilkan pelepasan energi yang tersimpan itu, menyediakan cara bagi elektron untuk mengalir kembali ke "tingkat" aslinya menghasilkan pelepasan energi yang tersimpan. Ketika pembawa muatan berada dalam kondisi statis (seperti air yang diam, tinggi dalam reservoir), energi yang tersimpan di sana disebut energi potensial , karena memiliki kemungkinan (potensi) rilis yang belum sepenuhnya terwujud.

Memahami Konsep Tegangan

Ketika pembawa muatan berada dalam keadaan statis (seperti air yang diam, tinggi dalam reservoir), energi yang tersimpan di sana disebut energi potensial, karena memiliki kemungkinan (potensi) pelepasan yang belum sepenuhnya terwujud. Saat Anda menempelkan sepatu bersol karet ke karpet kain pada hari yang kering, Anda menciptakan ketidakseimbangan muatan listrik antara Anda dan karpet. Tindakan menggaruk kaki Anda menyimpan energi dalam bentuk ketidakseimbangan muatan yang dipaksakan dari lokasi aslinya. Muatan ini (listrik statis) tidak bergerak, dan Anda tidak akan menyadari bahwa energi disimpan sama sekali. Namun, begitu Anda meletakkan tangan Anda pada kenop pintu logam (dengan banyak mobilitas elektron untuk menetralkan muatan listrik Anda), energi yang tersimpan itu akan dilepaskan dalam bentuk aliran muatan yang tiba-tiba melalui tangan Anda, dan Anda akan melihatnya sebagai sengatan listrik! Energi potensial ini, yang disimpan dalam bentuk ketidakseimbangan muatan listrik dan mampu memicu pembawa muatan mengalir melalui konduktor, dapat dinyatakan sebagai istilah yang disebut tegangan, yang secara teknis adalah ukuran energi potensial per satuan muatan atau sesuatu yang akan dilakukan oleh fisikawan. sebut energi potensial spesifik.

Definisi Tegangan

Didefinisikan dalam konteks listrik statis, tegangan adalah ukuran kerja yang diperlukan untuk memindahkan satu unit muatan dari satu lokasi ke lokasi lain, melawan gaya yang mencoba menjaga keseimbangan muatan listrik. Dalam konteks sumber tenaga listrik, tegangan adalah jumlah energi potensial yang tersedia (kerja yang harus dilakukan) per satuan muatan, untuk memindahkan muatan melalui suatu penghantar. Karena tegangan adalah ekspresi dari energi potensial, mewakili kemungkinan atau potensi pelepasan energi saat muatan bergerak dari satu "tingkat" ke yang lain, muatan selalu direferensikan di antara dua titik. Pertimbangkan analogi reservoir air:

Karena perbedaan ketinggian jatuh, ada potensi lebih banyak energi untuk dilepaskan dari reservoir melalui pipa ke lokasi 2 daripada ke lokasi 1. Prinsipnya dapat dipahami secara intuitif dalam menjatuhkan batu:yang menghasilkan lebih banyak benturan keras, batu jatuh dari ketinggian satu kaki, atau batu yang sama jatuh dari ketinggian satu mil? Jelas, penurunan ketinggian yang lebih besar menghasilkan energi yang lebih besar yang dilepaskan (dampak yang lebih dahsyat). Kita tidak dapat menilai jumlah energi yang tersimpan dalam reservoir air hanya dengan mengukur volume air seperti halnya kita dapat memprediksi tingkat keparahan dampak batu yang jatuh hanya dengan mengetahui berat batu:dalam kedua kasus kita juga harus mempertimbangkan bagaimana jauh massa ini akan turun dari ketinggian awalnya. Jumlah energi yang dilepaskan dengan membiarkan massa jatuh relatif terhadap jarak antara titik awal dan titik akhir. Demikian pula, energi potensial yang tersedia untuk memindahkan pembawa muatan dari satu titik ke titik lain relatif terhadap kedua titik tersebut. Oleh karena itu, tegangan selalu dinyatakan sebagai besaran antara dua poin. Yang cukup menarik, analogi massa yang berpotensi "jatuh" dari satu ketinggian ke ketinggian lainnya adalah model yang sangat tepat sehingga tegangan antara dua titik kadang-kadang disebut jatuh tegangan .

Menghasilkan Tegangan

Tegangan dapat dihasilkan dengan cara selain menggosok jenis bahan tertentu terhadap satu sama lain. Reaksi kimia, energi radiasi, dan pengaruh magnet pada konduktor adalah beberapa cara di mana tegangan dapat dihasilkan. Contoh masing-masing dari ketiga sumber tegangan ini adalah baterai, sel surya, dan generator (seperti unit "alternator" di bawah kap mobil Anda). Untuk saat ini, kita tidak akan membahas secara rinci bagaimana masing-masing sumber tegangan ini bekerja—yang lebih penting adalah kita memahami bagaimana sumber tegangan dapat diterapkan untuk menciptakan aliran muatan dalam rangkaian listrik. Mari kita ambil simbol untuk baterai kimia dan membangun sirkuit langkah demi langkah:

Bagaimana Cara Kerja Sumber Tegangan?

Setiap sumber tegangan, termasuk baterai, memiliki dua titik kontak listrik. Dalam hal ini, kita memiliki titik 1 dan titik 2 pada diagram di atas. Garis horizontal dengan panjang yang bervariasi menunjukkan bahwa ini adalah baterai, dan selanjutnya menunjukkan arah tegangan baterai ini akan mencoba untuk mendorong pembawa muatan melalui sirkuit. Fakta bahwa garis horizontal pada simbol baterai tampak terpisah (dan dengan demikian tidak dapat berfungsi sebagai jalur untuk aliran muatan) tidak perlu dikhawatirkan:dalam kehidupan nyata, garis horizontal tersebut mewakili pelat logam yang direndam dalam bahan cair atau semi padat. yang tidak hanya menghantarkan muatan tetapi juga menghasilkan tegangan untuk mendorongnya dengan berinteraksi dengan pelat. Perhatikan tanda "+" dan "-" kecil di sebelah kiri simbol baterai. Ujung negatif (-) baterai selalu menjadi ujung dengan tanda hubung terpendek, dan ujung positif (+) baterai selalu menjadi ujung dengan tanda hubung terpanjang. Ujung positif baterai adalah ujung yang mencoba mendorong pembawa muatan keluar (ingat bahwa menurut konvensi kita menganggap pembawa muatan bermuatan positif, meskipun elektron bermuatan negatif). Demikian juga, ujung negatif adalah ujung yang mencoba menarik pembawa muatan. Dengan ujung "+" dan "-" baterai tidak terhubung ke apa pun, akan ada tegangan di antara kedua titik tersebut, tetapi tidak akan ada aliran muatan melalui baterai karena tidak ada jalur kontinu yang dapat dilalui pembawa muatan.

Prinsip yang sama berlaku untuk analogi reservoir air dan pompa:tanpa pipa kembali ke kolam, energi yang tersimpan di reservoir tidak dapat dilepaskan dalam bentuk aliran air. Setelah reservoir terisi penuh, tidak ada aliran yang dapat terjadi, tidak peduli berapa banyak tekanan yang dihasilkan pompa. Perlu adanya jalur (sirkuit) yang lengkap agar air dapat mengalir dari kolam ke penampung, dan kembali ke kolam agar terjadi aliran yang kontinu. Kami dapat menyediakan jalur seperti itu untuk baterai dengan menghubungkan seutas kabel dari satu ujung baterai ke ujung lainnya. Membentuk sirkuit dengan loop kawat, kami akan memulai aliran muatan terus menerus searah jarum jam:

Memahami Konsep Arus Listrik

Selama baterai terus menghasilkan tegangan dan kontinuitas jalur listrik tidak terputus, pembawa muatan akan terus mengalir di sirkuit. Mengikuti metafora air yang bergerak melalui pipa, aliran muatan seragam yang terus menerus melalui sirkuit ini disebut arus . Selama sumber tegangan terus "mendorong" ke arah yang sama, pembawa muatan akan terus bergerak ke arah yang sama di sirkuit. Aliran arus satu arah ini disebut Arus Langsung , atau DC. Dalam volume kedua dari seri buku ini, sirkuit listrik dieksplorasi di mana arah arus bolak-balik:Arus Bolak-balik , atau AC. Tetapi untuk saat ini, kami hanya akan memperhatikan sirkuit DC. Karena arus listrik terdiri dari pembawa muatan individu yang mengalir serempak melalui konduktor dengan bergerak sepanjang dan mendorong pembawa muatan ke depan, seperti kelereng melalui tabung atau air melalui pipa, jumlah aliran di seluruh sirkuit tunggal akan sama. di titik mana pun. Jika kita memantau penampang kabel dalam satu sirkuit, menghitung pembawa muatan yang mengalir, kita akan melihat jumlah yang sama persis per unit waktu seperti di bagian lain dari sirkuit, terlepas dari panjang konduktor atau konduktor. diameter. Jika kita memutus kontinuitas sirkuit di titik mana pun , arus listrik akan berhenti di seluruh loop, dan tegangan penuh yang dihasilkan oleh baterai akan dimanifestasikan di seluruh putus, antara ujung kabel yang digunakan untuk dihubungkan:

Berapa Polaritas Penurunan Tegangan?

Perhatikan tanda “+” dan “-” yang digambar di ujung pemutusan sirkuit, dan bagaimana tanda tersebut sesuai dengan tanda “+” dan “-” di sebelah terminal baterai. Penanda ini menunjukkan arah tegangan yang mencoba untuk mendorong arus, arah potensial yang biasa disebut sebagai polaritas . Ingatlah bahwa tegangan selalu relatif antara dua titik. Karena fakta ini, polaritas penurunan tegangan juga relatif antara dua titik:apakah suatu titik dalam rangkaian diberi label dengan "+" atau "-" tergantung pada titik lain yang dirujuk. Perhatikan rangkaian berikut, di mana setiap sudut loop ditandai dengan nomor referensi:

Dengan terputusnya kontinuitas rangkaian antara titik 2 dan 3, polaritas tegangan yang turun antara titik 2 dan 3 adalah “+” untuk titik 2 dan “-” untuk titik 3. Polaritas baterai (1 “+” dan 4 “-” ) mencoba mendorong arus melalui loop searah jarum jam dari 1 ke 2 ke 3 ke 4 dan kembali ke 1 lagi. Sekarang mari kita lihat apa yang terjadi jika kita menghubungkan titik 2 dan 3 kembali bersama-sama, tetapi putuskan sirkuit antara titik 3 dan 4:

Dengan jeda antara 3 dan 4, polaritas penurunan tegangan antara dua titik tersebut adalah “-” untuk 4 dan “+” untuk 3. Perhatikan secara khusus fakta bahwa “tanda” titik 3 adalah kebalikan dari yang pertama. contoh, di mana jeda antara titik 2 dan 3 (di mana titik 3 diberi label “-”). Mustahil bagi kita untuk mengatakan bahwa titik 3 dalam rangkaian ini akan selalu berupa “+” atau “-”, karena polaritas, seperti tegangan itu sendiri, tidak spesifik untuk satu titik, tetapi selalu relatif antara dua titik!

TINJAUAN:

• Pembawa muatan dapat dimotivasi untuk mengalir melalui konduktor dengan gaya yang sama yang dimanifestasikan dalam listrik statis.
• Tegangan adalah ukuran energi potensial spesifik (energi potensial per satuan muatan) antara dua lokasi. Dalam istilah awam, ini adalah ukuran "dorongan" yang tersedia untuk memotivasi serangan.
• Tegangan, sebagai ekspresi energi potensial, selalu relatif antara dua lokasi, atau titik. Kadang-kadang disebut tegangan "jatuh".
• Ketika sumber tegangan dihubungkan ke suatu rangkaian, tegangan akan menyebabkan aliran pembawa muatan yang seragam melalui rangkaian tersebut yang disebut arus .
• Dalam satu sirkuit (satu loop), jumlah arus di setiap titik sama dengan jumlah arus di titik lain.
• Jika rangkaian yang berisi sumber tegangan putus, tegangan penuh dari sumber tersebut akan muncul di seluruh titik pemutusan.
• Orientasi +/- dari penurunan tegangan disebut polaritas . Ini juga relatif antara dua titik.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Tegangan, Arus, dan Resistansi