Senin, 01 Maret 2010

motor listrik

Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC (Alternating Current, Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu:
1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa
2. Motor listrik AC / arus bolak-balik 3 fasa

Pembahasan dalam artikel kali ini di titik beratkan pada motor listrik AC 1 fasa, yang terdiri dari:
• Motor Kapasitor
• Motor Shaded Pole
• Motor Universal

Sebelumnya akan lebih baik jika anda membaca artikel mengenai motor listrik di sini

Prinsip kerja Motor AC Satu Fasa

Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa, dimana pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi yang menghasilkan putaran. Sedangkan pada motor satu fasa memiliki dua belitan stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitan fasa bantu (belitan Z1-Z2), lihat gambar1.


Gambar 1. Prinsip Medan Magnet Utama dan Medan magnet Bantu Motor Satu fasa

Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama.

Grafik arus belitan bantu Ibantu dan arus belitan utama Iutama berbeda fasa sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu.


Gambar 2. grafik Gelombang arus medan bantu dan arus medan utama


Gambar 3. Medan magnet pada Stator Motor satu fasa


Belitan bantu Z1-Z2 pertama dialiri arus Ibantu menghasilkan fluks magnet Φ tegak lurus, beberapa saat kemudian belitan utama U1-U2 dialiri arus utama Iutama. yang bernilai positip. Hasilnya adalah medan magnet yang bergeser sebesar 45° dengan arah berlawanan jarum jam. Kejadian ini berlangsung terus sampai satu siklus sinusoida, sehingga menghasilkan medan magnet yang berputar pada belitan statornya.

Rotor motor satu fasa sama dengan rotor motor tiga fasa yaitu berbentuk batang-batang kawat yang ujung-ujungnya dihubung singkatkan dan menyerupai bentuk sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar.


Gambar 4. Rotor sangkar

Belitan rotor yang dipotong oleh medan putar stator, menghasilkan tegangan induksi, interaksi antara medan putar stator dan medan magnet rotor akan menghasilkan torsi putar pada rotor.

Motor Kapasitor

Motor kapasitor satu phasa banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga seperti motor pompa air, motor mesin cuci, motor lemari es, motor air conditioning. Konstruksinya sederhana dengan daya kecil dan bekerja dengan tegangan suplai PLN 220 V, oleh karena itu menjadikan motor kapasitor ini banyak dipakai pada peralatan rumah tangga.


Gambar 5. Motor kapasitor

Belitan stator terdiri atas belitan utama dengan notasi terminal U1-U2, dan belitan bantu dengan notasi terminal Z1-Z2 Jala-jala L1 terhubung dengan terminal U1, dan kawat netral N terhubung dengan terminal U2. Kondensator kerja berfungsi agar perbedaan sudut phasa belitan utama dengan belitan bantu mendekati 90°.
Pengaturan arah putaran motor kapasitor dapat dilakukan dengan (lihat gambar6):
• Untuk menghasilkan putaran ke kiri (berlawanan jarum jam) kondensator kerja CB disambungkan ke terminal U1 dan Z2 dan terminal Z1 dikopel dengan terminal.
• Putaran ke kanan (searah jarum jam) kondensator kerja disambung kan ke terminal Z1 dan U1 dan terminal Z2 dikopel dengan terminal U1.


Gambar 6. Pengawatan motor kapasitor dengan pembalik putaran.

Motor kapasitor dengan daya diatas 1 KW di lengkapi dengan dua buah kondensator dan satu buah saklar sentrifugal. Belitan utama U1-U2 dihubungkan dengan jala-jala L1 dan Netral N. Belitan bantu Z1-Z2 disambungkan seri dengan kondensator kerja CB, dan sebuah kondensator starting CA diseri dengan kontak normally close (NC) dari saklar sentrifugal, lihat gambar 7.

Awalnya belitan utama dan belitan bantu mendapatkan tegangan dari jala-jala L1 dan Netral. Kemudian dua buah kondensator CB dan CA, keduanya membentuk loop tertutup sehingga rotor mulai berputar, dan ketika putaran mendekati 70% putaran nominalnya, saklar sentrifugal akan membuka dan kontak normally close memutuskan kondensator bantu CA.


Gambar 7. Pengawatan dengan Dua Kapasitor

Fungsi dari dua kondensator yang disambungkan parallel, CA+CB, adalah untuk meningkatkan nilai torsi awal untuk mengangkat beban. Setelah putaran motor mencapai 70% putaran, saklar sentrifugal terputus sehingga hanya kondensator kerja CB saja yang tetap bekerja. Jika kedua kondensator rusak maka torsi motor akan menurun drastis, lihat gambar 8.


Gambar 8. Karakteristik Torsi Motor kapasitor

MotorShaded Pole

Motor shaded pole atau motor phasa terbelah termasuk motor satu phasa daya kecil, dan banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga sebagai motor penggerak kipas angin, blender. Konstruksinya sangat sederhana, pada kedua ujung stator ada dua kawat yang terpasang dan dihubung singkatkan fungsinya sebagai pembelah phasa.

Belitan stator dibelitkan sekeliling inti membentuk seperti belitan transfor mator. Rotornya berbentuk sangkar tupai dan porosnya ditempatkan pada rumah stator ditopang dua buah bearing.


Gambar 9. motor shaded pole, Motor fasa terbelah.

Irisan penampang motor shaded pole memperlihatkan dua bagian, yaitu bagian stator dengan belitan stator dan dua kawat shaded pole. Bagian rotor sangkar ditempatkan di tengah-tengah stator, lihat gambar 10.


Gambar 10. Penampang motor shaded pole.

Torsi putar dihasilkan oleh adanya pembelahan phasa oleh kawat shaded pole. Konstruksi yang sederhana, daya yang kecil, handal, mudah dioperasikan, bebas perawatan dan cukup di suplai dengan Tegangan AC 220 V, jenis motor shaded pole banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga kecil.

Motor Universal

Motor Universal termasuk motor satu phasa dengan menggunakan belitan stator dan belitan rotor. Motor universal dipakai pada mesin jahit, motor bor tangan. Perawatan rutin dilakukan dengan mengganti sikat arang yang memendek atau pegas sikat arang yang lembek. Kontruksinya yang sederhana, handal, mudah dioperasikan, daya yang kecil, torsinya yang cukup besar motor universal dipakai untuk peralatan rumah tangga.


Gambar 11. komutator pada motor universal.

Bentuk stator dari motor universal terdiri dari dua kutub stator. Belitan rotor memiliki dua belas alur belitan dan dilengkapi komutator dan sikat arang yang menghubungkan secara seri antara belitan stator dengan belitan rotornya. Motor universal memiliki kecepatan tinggi sekitar 3000 rpm.


Gambar 12. stator dan rotor motor universal

Aplikasi motor universal untuk mesin jahit, untuk mengatur kecepatan dihubungkan dengan tahanan geser dalam bentuk pedal yang ditekan dan dilepaskan.

Semoga bermanfaat.

kontaktor

Kontaktor adalah jenis saklar yang bekerja secara magnetik yaitu kontak bekerja apabila kumparan diberi energi. The National Manufacture Assosiation (NEMA) mendefinisikan kontaktor magnetis sebagai alat yang digerakan secara magnetis untuk menyambung dan membuka rangkaian daya listrik. Tidak seperti relay, kontaktor dirancang untuk menyambung dan membuka rangkaian daya listrik tanpa merusak. Beban-beban tersebut meliputi lampu, pemanas, transformator, kapasitor, dan motor listrik.

Adapun peralatan elektromekanis jenis kontaktor magnet dapat dilihat pada gambar berikut :
kontaktor.jpg

Prinsip Kerja

Sebuah kontaktor terdiri dari koil, beberapa kontak Normally Open ( NO ) dan beberapa Normally Close ( NC ). Pada saat satu kontaktor normal, NO akan membuka dan pada saat kontaktor bekerja, NO akan menutup. Sedangkan kontak NC sebaliknya yaitu ketika dalam keadaan normal kontak NC akan menutup dan dalam keadaan bekerja kontak NC akan membuka. Koil adalah lilitan yang apabila diberi tegangan akan terjadi magnetisasi dan menarik kontak-kontaknya sehingga terjadi perubahan atau bekerja. Kontaktor yang dioperasikan secara elektromagnetis adalah salah satu mekanisme yang paling bermanfaat yang pernah dirancang untuk penutupan dan pembukaan rangkaian listrik maka gambar prinsip kerja kontaktor magnet dapat dilihat pada gambar berikut :

kontaktor

Kontaktor termasuk jenis saklar motor yang digerakkan oleh magnet seperti yang telah dijelaskan di atas. Bila pada jepitan a dan b kumparan magnet diberi tegangan, maka magnet akan menarik jangkar sehingga kontak-kontak bergerak yang berhubungan dengan jangkar tersebut ikut tertarik. Tegangan yang harus dipasangkan dapat tegangan bolak balik ( AC ) maupun tegangan searah ( DC ), tergantung dari bagaimana magnet tersebut dirancangkan. Untuk beberapa keperluan digunakan juga kumparan arus ( bukan tegangan ), akan tetapi dari segi produksi lebih disukai kumparan tegangan karena besarnya tegangan umumnya sudah dinormalisasi dan tidak tergantung dari keperluan alat pemakai tertentu.

Karakteristik

Spesifikasi kontaktor magnet yang harus diperhatikan adalah kemampuan daya kontaktor ditulis dalam ukuran Watt / KW, yang disesuaikan dengan beban yang dipikul, kemampuan menghantarkan arus dari kontak – kontaknya, ditulis dalam satuan ampere, kemampuan tegangan dari kumparan magnet, apakah untuk tegangan 127 Volt atau 220 Volt, begitupun frekuensinya, kemampuan melindungi terhadap tegangan rendah, misalnya ditulis ± 20 % dari tegangan kerja. Dengan demikian dari segi keamanan dan kepraktisan, penggunaan kontaktor magnet jauh lebih baik dari pada saklar biasa.

Aplikasi

Keuntungan penggunaan kontaktor magnetis sebagai pengganti peralatan kontrol yang dioperasikan secara manual meliputi hal :
a.Pada penangan arus besar atau tegangan tinggi, sulit untuk membangun alat manual yang cocok. Lebih dari itu, alat seperti itu besar dan sulit mengoperasikannya. Sebaliknya, akan relatif sederhana untuk membangun kontaktor magnetis yang akan menangani arus yang besar atau tegangan yang tinggi, dan alat manual harus mengontrol hanya kumparan dari kontaktor.
b.Kontaktor memungkinkan operasi majemuk dilaksanakan dari satu operator (satu lokasi) dan diinterlocked untuk mencegah kesalahan dan bahaya operasi.
c.Pengoperasian yang harus diulang beberapa kali dalam satu jam, dapat digunakan kontaktor untuk menghemat usaha. Operator secara sederhana harus menekan tombol dan kontaktor akan memulai urutan event yang benar secara otomatis.
d.Kontaktor dapat dikontrol secara otomatis dengan alat pilot atau sensor yang sangat peka.
e.Tegangan yang tinggi dapat diatasi oleh kontaktor dan menjauhkan seluruhnya dari operator, sehingga meningkatkan keselamatan / keamanan instalasi.
f.Dengan menggunakan kontaktor peralatan kontrol dapat dipasangkan pada titik-titik yang jauh. Satu-satunya ruang yang diperlukan dekat mesin adalah ruangan untuk tombol tekan.
g.Dengan kontaktor, kontrol otomatis dan semi otomatis mungkin dilakukan dengan peralatan seperti kontrol logika yang dapat diprogram seperti Programmable Logic Controller (PLC).

listrik dinamis

LISTRIK DINAMIS

Listrik Dinamis adalah listrik yang dapat bergerak. cara mengukur kuat arus pada listrik dinamis adalah muatan listrik dibagai waktu dengan satuan muatan listrik adalah coulumb dan satuan waktu adalah detik. kuat arus pada rangkaian bercabang sama dengan kuata arus yang masuk sama dengan kuat arus yang keluar. sedangkan pada rangkaian seri kuat arus tetap sama disetiap ujung-ujung hambatan. Sebaliknya tegangan berbeda pada hambatan. pada rangkaian seri tegangan sangat tergantung pada hambatan, tetapi pada rangkaian bercabang tegangan tidak berpengaruh pada hambatan. semua itu telah dikemukakan oleh hukum kirchoff yang berbunyi "jumlah kuat arus listrik yang masuk sama dengan jumlah kuat arus listrik yang keluar". berdasarkan hukum ohm dapat disimpulkan cara mengukur tegangan listrik adalah kuat arus × hambatan. Hambatan nilainya selalu sama karena tegangan sebanding dengan kuat arus. tegangan memiliki satuan volt(V) dan kuat arus adalah ampere (A) serta hambatan adalah ohm.

Hukum Ohm

Gambar:ohm1.jpg

Aliran arus listrik dalam suatu rangkaian tidak berakhir pada alat listrik. tetapi melingkar kernbali ke sumber arus. Pada dasarnya alat listrik bersifat menghambat alus listrik. Hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dapat diibaratkan seperti air yang mengalir pada suatu saluran. Orang yang pertama kali meneliti hubungan antara arus listrik, tegangan. dan hambatan adalah Georg Simon Ohm (1787-1854) seorang ahli fisika Jerman. Hubungan tersebut lebih dikenal dengan sebutan hukum Ohm.
Setiap arus yang mengalir melalui suatu penghantar selalu mengalami hambatan. Jika hambatan listrik dilambangkan dengan R. beda potensial V, dan kuat arus I, hubungan antara R, V, dan I secara matematis dapat ditulis:

Gambar:ohm.jpg

Sebuah penghantar dikatakan mempunyai nilai hambatan 1 Ω jika tegangan 1 V di antara kedua ujungnya mampu mengalirkan arus listrik sebesar 1 A melalui konduktor itu. Data-data percobaan hukum Ohm dapat ditampilkan dalam bentuk grafik seperti gambar di samping. Pada pelajaran Matematika telah diketahui bahwa kemiringan garis merupakan hasil bagi nilai-nilai pada sumbu vertikal (ordinat) oleh nilai-nilai yang bersesuaian pada sumbu horizontal (absis). Berdasarkan grafik, kemiringan garis adalah α = V/T Kemiringan ini tidak lain adalah nilai hambatan (R). Makin besar kemiringan berarti hambatan (R) makin besar. Artinya, jika ada suatu bahan dengan kemiringan grafik besar. bahan tersebut makin sulit dilewati arus listrik. Komponen yang khusus dibuat untuk menghambat arus listrik disebut resistor (pengharnbat). Sebuah resistor dapat dibuat agar mempunyai nilai hambatan tertentu. Jika dipasang pada rangkaian sederhana, resistor berfungsi untuk mengurangi kuat arus. Namun, jika dipasang pada rangkaian yang
rumit, seperti radio, televisi, dan komputer, resistor dapat berfungsi sebagai pengatur kuat arus. Dengan demikian, komponen-komponen dalam rangkaian itu dapat berfungsi dengan baik. Resistor sederhana dapat dibuat dari bahan nikrom (campuran antara nikel, besi. krom, dan karbon). Selain itu, resistor juga dapat dibuat dari bahan karbon. Nilai hambatan suatu resistor dapat diukur secara langsung dengan ohmmeter. Biasanya, ohmmeter dipasang hersama-sama dengan amperemeter dan voltmeter dalam satu perangkat yang disebut multimeter. Selain dengan ohmmeter, nilai hambatan resistor dapat diukur secara tidak langsung dengan metode amperemeter voltmeter.

Hambatan Kawat Penghantar

Berdasarkan percobaan di atas. dapat disimpulkan bahwa besar hambatan suatu kawat penghantar 1. Sebanding dengan panjang kawat penghantar. artinya makin panjang penghantar, makin besar hambatannya, 2. Bergantung pada jenis bahan kawat (sebanding dengan hambatan jenis kawat), dan 3. berbanding terbalik dengan luas penampang kawat, artinya makin kecil luas penampang, makin besar hambatannya. Jika panjang kawat dilambangkan ℓ, hambatan jenis ρ, dan luas penampang kawat A. Secara matematis, besar hambatan kawat dapat ditulis :


Gambar:kawat.jpg

Nilai hambatan suatu penghantar tidak bergantung pada beda potensialnya. Beda potensial hanya dapat mengubah kuat arus yang melalui penghantar itu. Jika penghantar yang dilalui sangat panjang, kuat arusnya akan berkurang. Hal itu terjadi karena diperlukan energi yang sangat besar untuk mengalirkan arus listrik pada penghantar panjang. Keadaan seperti itu dikatakan tegangan listrik turun. Makin panjang penghantar, makin besar pula penurunan tegangan listrik.

Gambar:hambatan.jpg

Hukum Kirchoff

Arus listrik yang melalui suatu penghantar dapat kita pandang sebagai aliran air sungai. Jika sungai tidak bercabang, jumlah air di setiap tempat pada sungai tersebut sama. Demikian halnya dengan arus listrik.

Gambar:hkirchoff.jpg

Jumlah kuat arus yang masuk ke suatu titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Pernyataan itu sering dikenal sebagai hukum I Kirchhoff karena dikemukakan pertama kali oleh Kirchhoff.

Maka diperoleh persamaan :
I1 + I2 = I3 + I4 + I5
I masuk = I keluar

Rangkaian Hambatan

  • Rangkaian Seri

Berdasarkan hukum Ohm: V = IR, pada hambatan R1 terdapat teganganV1 =IR1 dan pada hambatan R2 terdapat tegangan V2 = IR 2. Karena arus listrik mengalir melalui hambatan R1 dan hambatan R2, tegangan totalnya adalah VAC = IR1 + IR2.
Mengingat VAC merupakan tegangan total dan kuat arus listrik yang mengalir pada rangkaian seperti di atas (rangkaian tak bercabang) di setiap titik sama maka
VAC = IR1 + IR2
I R1 = I(R1 + R2)
R1 = R1 + R2 ; R1 = hambatan total
Rangkaian seperti di atas disebut rangkaian seri. Selanjutnya, R1 ditulis Rs (R seri) sehingga Rs = R1 + R2 +...+Rn, dengan n = jumlah resistor. Jadi, jika beberapa buah hambatan dirangkai secara seri, nilai hambatannya bertambah besar. Akibatnya, kuat arus yang mengalir makin kecil. Hal inilah yang menyebabkan nyala lampu menjadi kurang terang (agak redup) jika dirangkai secara seri. Makin banyak lampu yang dirangkai secara seri, nyalanya makin redup. Jika satu lampu mati (putus), lampu yang lain padam.

  • Rangakaian Paralel

Mengingat hukum Ohm: I = V/R dan I = I1+ I2, maka

Gambar:paralel1.jpg

Pada rangkaian seperti di atas (rangkaian bercabang), V AB =V1 = V2 = V. Dengan demikian, diperoleh persamaan

Gambar:paralel2.jpg

Rangkaian yang menghasilkan persamaan seperti di atas disebut rangkaian paralel. Oleh karena itu, selanjutnya Rt ditulis Rp (Rp = R paralel). Dengan demikian, diperoleh persamaan Gambar:paralel3.jpg

Berdasarkan persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa dalam rangkaian paralel, nilai hambatan total (Rp) lebih kecil dari pada nilai masing-masing hambatan penyusunnya (R1 dan R2). Oleh karena itu, beberapa lampu yang disusun secara paralel sama terangnya dengan lampu pada intensitas normal (tidak mengalami penurunan). Jika salah satu lampu mati (putus), lampu yang lain tetap menyala.

Referensi

  • Erlangga

listrik statis

MUATAN LISTRIK
Pernahkah anda terkejut ketika tangan anda menyentuh layar TV?
Apakah yang menyebabkan peristiwa sengatan yang kadang-kadang disertai
rasa sakit itu? Sengatan itu merupakan akibat yang ditimbulkan oleh listrik
statis. Petir yang sering Anda lihat pada saat hari hujan itu juga merupakan
contoh peristiwa alam yang disebabkan listrik statis. Apakah listrik statis itu?
Terjadinya Listrik Statis
Kata “listrik” dalam bahasa Inggris electric, berasal dari bahasa Yunani
elektron, yang berarti “amber”. Amber adalah pohon damar yang membatu,
dan pengetahuan kuno membuktikan bahwa jika anda menggosok batang
amber dengan sepotong kain, maka amber menarik potongan daun kecil-kecil
atau debu. Batang karet keras, batang kaca, atau penggaris plastik, jika
digosok dengan sepotong kain juga akan menunjukkan “efek amber” atau
listrik statis sebagaimana yang kita sebut sekarang. Barangkali anda telah
memiliki pengalaman tentang listrik statis yakni ketika anda menyisir rambut
kering, atau ketika menyetrika baju nilon. Pada setiap kasus tadi, suatu benda
menjadi “bermuatan” listrik karena proses gosokan dan dikatakan memiliki
muatan listrik.
Apakah seluruh muatan listrik sama? Atau mungkinkah terdapat lebih dari
satu jenis?
Jenis Muatan Listrik
Sesuai dengan hasil percobaan anda, terdapat dua jenis muatan listrik.
Ketika penggaris plastik kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama
didekatkan pada penggaris plastik pertama, penggaris pertama bergerak
menjauhi penggaris kedua. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1a. Ketika
Modul FIS.20.Listrik Statis 8
batang kaca kedua yang telah dimuati dengan cara yang sama didekatkan
pada batang kaca pertama, batang kaca kedua juga bergerak menjauhi batang
kaca pertama. Peristiwa ini ditunjukkan pada Gambar 1b. Tetapi, jika batang
kaca yang bermuatan didekatkan pada penggaris plastik yang bermuatan,
akan didapatkan bahwa keduanya akan saling menarik, Gambar 1c.
Gambar 1 Muatan yang tak sejenis tarik menarik, sedangkan muatan
yang sejenis tolak menolak satu dengan yang lain.
Karena itu, muatan pada batang kaca haruslah berbeda dengan muatan pada
penggaris plastik. Memang, melalui eksperimen seluruh muatan benda dapat
dikategorikan ke dalam dua jenis. Setiap benda bermuatan yang ditarik oleh
penggaris plastik, akan ditolak oleh batang kaca, atau setiap benda yang
ditolak oleh penggaris plastik, akan ditarik oleh batang kaca. Jadi terdapat dua
jenis muatan listrik yaitu, muatan yang ditolak batang kaca bermuatan,
dan muatan yang ditarik batang kaca bermuatan.
Dua jenis muatan listrik yang ditunjukkan tersebut dinyatakan oleh seorang
Amerika, seorang saintis, seorang filosuf yang bernama Benjamin Franklin
(1706-1790) sebagai muatan positif dan muatan negatif. Franklin memilih
muatan pada batang kaca yang digosok adalah muatan positif, sedangkan
muatan pada penggaris plastik yang digosok (atau amber) adalah muatan
negatif. Sampai sekarang kita masih mengikuti perjanjian ini.
Modul FIS.20.Listrik Statis 9
Hukum Kekekalan Muatan
Franklin mengusulkan bahwa jumlah muatan yang dihasilkan oleh suatu
benda melalui suatu proses penggosokan, adalah sama dengan jumlah muatan
positip dan negatip yang dihasilkan. Jumlah bersih muatan yang dihasilkan
oleh suatu benda selama proses penggosokan adalah nol. Contoh, ketika
penggaris plastik digosok dengan kain wol, plastik memperoleh muatan
negatip dan kain wol memperoleh muatan positip dengan jumlah yang sama.
Muatan-muatan tersebut dipisahkan, namun jumlah kedua jenis muatan
adalah sama. Ini adalah contoh dari suatu hukum yang berlaku sampai
sekarang, yang dikenal dengan nama hukum kekekalan muatan listrik
yang berbunyi:
Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda
yang berbeda (penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu
proses penggosokan adalah nol.
Jika suatu benda atau suatu daerah ruang memperoleh muatan positif,
maka akan dihasilkan sejumlah muatan negatif dengan jumlah yang sama
pada daerah atau benda di sekitarnya.
Muatan Listrik dalam Suatu Atom
Gambar 2 memperlihatkan model atom sederhana, terdiri dari muatan
positif di dalam inti, dikelilingi satu atau lebih elektron. Inti berisi protonproton
bermuatan positif, dan netron yang tidak bermuatan listrik. Besarnya
muatan proton dan elektron adalah sama, tetapi tandanya
berlawanan. Karena itu atom-atom netral berisi proton-proton dan elektronelektron
dengan jumlah yang sama. Meskipun demikian, suatu atom kadangkadang
akan kehilangan satu atau lebih elektron, atau akan memperoleh
elektron-elektron ekstra. Pada kasus ini, atom akan bermuatan positip atau
negatip, dan disebut ion.
Modul FIS.20.Listrik Statis 10
Gambar 2 Model atom sederhana.
Umumnya, ketika benda dimuati melalui gosokan, benda-benda akan
mempertahankan muatannya hanya sebentar, kemudian kembali ke keadaan
netral. Kemana muatan pergi? Dalam beberapa kasus, hal ini dinetralkan oleh
ion-ion bermuatan di udara (misalnya, oleh tumbukan dengan pertikel-partikel
bermuatan, yang kita kenal sebagai sinar kosmik dari ruang angkasa yang
mencapai bumi). Hal yang penting diketahui, bahwa muatan dapat lepas ke
inti air di udara. Ini karena molekul-molekul air adalah polar, meskipun
molekul-molekul air tersebut adalah netral, muatan molekul-molekul air
tidaklah disalurkan secara seragam sebagaimana diperlihatkan pada
Gambar 3. Jadi elektron-elektron ekstra pada penggaris plastik, dapat lepas
ke udara karena ditarik menuju molekul-molekul positip air. Di sisi lain, bendabenda
yang dimuati secara positip, dapat dinetralkan oleh hilangnya
(berpindahnya) elektron-elektron air dari molekul-molekul udara ke bendabenda
bermuatan positip tersebut. Pada udara kering, listrik statis lebih mudah
diperoleh karena udara berisi lebih sedikit molekul-molekul yang dapat
berpindah. Pada udara lembab, adalah sulit untuk membuat benda bermuatan
tahan lama.
Elektron
Proton
Netron
Gambar 3 Sebuah molekul air. Karena molekul air mempunyai
muatan yang berlawanan pada ujung yang berbeda, maka disebut
sebuah molekul “polar”.
Modul FIS.20.Listrik Statis 11
Cara Memperoleh Muatan Listrik
Bila sebuah benda logam bermuatan positif disentuhkan dengan benda
logam lain yang tidak bermuatan (netral), maka elektron-elektron bebas dalam
logam yang netral akan ditarik menuju logam yang bermuatan positif tersebut
sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 4. Karena sekarang logam kedua
tersebut kehilangan beberapa elektronnya, maka logam ini akan bermuatan
Gambar 4 Batang logam netral memperoleh muatan ketika
disentuh dengan benda logam lain yang bermuatan.
positif. Proses demikian disebut memuati dengan cara konduksi atau dengan
cara kontak, dan kedua benda tersebut akhirnya memiliki muatan dengan
tanda yang sama.
Bila benda yang bermuatan positip didekatkan pada batang logam yang
netral, tetapi tidak disentuhkan, maka elektron-elektron batang logam tidak
meninggalkan batang, namun elektron-elektron tersebut bergerak dalam
logam menuju benda yang bermuatan, dan meninggalkan muatan positip pada
ujung yang berlawanan, seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Memberi muatan dengan jalan induksi
elektron
Modul FIS.20.Listrik Statis 12
Muatan tersebut dikatakan telah diinduksikan pada kedua ujung batang logam.
Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Tentu saja tidak ada
muatan yang dihasilkan dalam batang; muatan hanya dipisahkan. Jumlah
muatan pada batang logam masih sama dengan nol. Meskipun demikian, jika
dipotong menjadi dua bagian, kita akan memiliki dua benda yang bermuatan,
satu bermuatan positip dan yang lain bermuatan negatip.
Cara lain untuk menginduksi muatan pada benda logam adalah dengan
jalan menghubungkan logam tersebut menuju ground melalui kawat
konduktor sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6a ( berarti ground).
Selanjutnya benda dikatakan di “ground-kan” atau “dibumikan”. Karena bumi
sangat besar dan dapat menyalurkan elektron, maka bumi dengan mudah
dapat menerima ataupun memberi elektron-elektron; karena itu dapat
bertindak sebagai penampung (reservoir) untuk muatan. Jika suatu benda
bermuatan negatip didekatkan ke sebuah logam, maka electron-elektron
bebas dalam logam akan menolak dan beberapa electron akan bergerak
menuju bumi melalui kabel (Gambar 6b).
Gambar 6. Induksi muatan pada suatu benda yang
dihubungkan ke bumi.
Ini menyebabkan logam bermuatan positif. Jika sekarang kabel dipotong,
maka logam akan memiliki muatan induksi positif (Gambar 6c).
Modul FIS.20.Listrik Statis 13
ELEKTROSKOP
Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk
mendeteksi muatan. Sebagaimana diperlihatkan Gambar 7, di dalam sebuah
peti kaca terdapat dua buah daun elektroskop yang dapat bergerak (kadangkadang
yang dapat bergerak hanya satu daun saja), biasanya dibuat dari
emas.
Daun-daun elektroskop ini dihubungkan ke sebuah bola logam yang berada di
luar peti kaca melalui suatu konduktor yang terisolasi dari peti. Apabila benda
Gambar 7 Elektroskop
yang bermuatan positip didekatkan ke bola logam, maka pemisahan muatan
terjadi melalui induksi, elektron-elektron ditarik naik menuju bola, sehingga
kedua daun elektroskop bermuatan positip dan saling menolak (Gambar 8a).
Proses demikian disebut memuati dengan cara induksi. Sedangkan, jika bola
dimuati dengan cara konduksi, maka bola logam konduktor, dan kedua daun
elektroskop memperoleh muatan positip, sebagaimana ditunjukkan oleh
Gambar 8b. Pada setiap kasus, makin besar muatan, maka makin lebar
pemisahan daun-daun elektroskop.
Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa dengan cara ini, anda tidak dapat
menentukan tanda muatan, karena dalam setiap kasus, kedua daun
elektroskop saling menolak satu dengan yang lain. Meskipun demikian, suatu
elektroskop dapat digunakan untuk menentukan “tanda muatan” jika
Modul FIS.20.Listrik Statis 14
Gambar 8 Elektroskop dimuati (a) dengan cara induksi,
(b) dengan cara konduksi
pertama-tama pemisahan muatan dilakukan dengan cara konduksi, misalnya
secara negatip, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9a. Sekarang, jika
benda bermuatan negatip didekatkan, sebagaimana ditunjukkan pada
Gambar 9b, maka lebih banyak elektron diinduksi untuk bergerak ke bawah
menuju daun-daun elektroskop sehingga kedua daun ini terpisah lebih lebar.
Di sisi lain, jika muatan positip didekatkan, maka elektron-elektron akan
diinduksi untuk bergerak ke atas, sehingga menjadi lebih negatip dan jarak
pisah kedua daun ini menjadi berkurang (menjadi lebih sempit), seperti pada
Gambar 9c.
Gambar 9 Elektroskop yang pertama-tama dimuati dapat digunakan untuk menentukan
tanda dari suatu muatan yang diberikan.
PENGOSONGAN MUATAN LISTRIK
Loncatan muatan listrik terjadi pada saat muatan listrik bergerak secara
bersama-sama. Kejadian ini disebut pengosongan listrik statis. Pengosongan
itu ditunjukkan oleh sambaran petir pada Gambar 10.
Modul FIS.20.Listrik Statis 15
Gambar 10 Petir adalah contoh loncatan
muatan listrik statis yang besar
Muatan listrik dapat hilang dengan pengosongan. Pengosongan terjadi
apabila tersedia suatu jalan bagi elektron-elektron untuk mengalir dari suatu
benda bermuatan ke benda lain. Perpindahan muatan listrik statis dari satu
benda ke benda lain disebut penetralan atau pengosongan muatan statis.
Pengosongan itu lazim juga disebut pentanahan, karena muatan itu sering
dikosongkan dengan cara menyalurkan ke tanah.
Pengosongan muatan statis di udara dapat terjadi sangat besar sehingga
menimbulkan suara dahsyat yang kita sebut guntur. Proses terjadinya petir
dapat dijelaskan pada Gambar 11a, 11b, dan 11c. Bacalah keterangan
ketiga gambar tersebut.
Modul FIS.20.Listrik Statis 16
Awan dengan Terjadi
Awan netral muatan terpisah sambaran petir
Gambar 11 Proses terjadinya petir
PENANGKAL PETIR
Batang logam penangkal petir sering dipasang di atas atap rumah
bertingkat atau di atas bangunan tinggi, dan dihubungkan ke dalam
tanah melalui kabel logam. Penangkal petir, melindungi rumah dan
bangunan tinggi tersebut dari kerusakan oleh energi listrik yang
besar di dalam petir. Penangkal petir ini menyediakan suatu jalan
aman, atau pentanahan, agar arus listrik petir mengalir masuk ke
dalam tanah, bukan melewati rumah atau bangunan lain. Pernahkah
anda melihat penangkal petir? Pernahkah anda melihat bangunan
tinggi yang dilengkapi dengan penangkal petir seperti Gambar 12.
Penangkal petir itu merupakan contoh pengosongan muatan statis
yang tidak menimbulkan kerusakan.
Kemudian terjadi
pemisahan muatan di
dalam awan. Bagian
bawah awan menjadi
bermuatan lebih
negatif dibandingkan
dengan tanah di
bawah awan tersebut.
Sebelum terjadi petir,
muatan listrik
terbentuk di dalam
awan ketika butiranbutiran
air saling
menggosok satu
sama lain.
Terjadi sambaran
petir d ari awan ke
tanah ketika muatan
negatif (e lektron) meloncat
dari bagian
bawah awan ke titik
tertinggi di atas
tanah.
a b c
Modul FIS.20.Listrik Statis 17
Gambar 12.
Pada saat terjadi petir, pengosongan listrik
statis dari bagian bawah awan yang bermuatan
ke Bumi akan melewati batang penangkal petir
ini. Muatan listrik akan mengalir ke bawah
dengan aman melalui kabel logam tersebut, dan
masuk ke dalam tanah.
Kabel
Modul FIS.20.Listrik Statis 18
c. Rangkuman
? Muatan positif adalah muatan yang sejenis dengan muatan yang
dimiliki oleh kaca jika digosok dengan kain sutera.
? Muatan negatif adalah muatan yang sejenis dengan muatan yang
dimiliki oleh penggaris plastik jika digosok dengan kain wol.
? Muatan yang sejenis tolak-menolak dan muatan yang tak sejenis
tarik-menarik.
? Jumlah bersih muatan listrik yang dihasilkan pada dua benda yang
berbeda (misalnya, penggaris plastik dan kain wol) dalam suatu
proses penggosokan adalah nol.
? Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif (proton dan
netron) dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif.
? Mendapatkan muatan pada batang logam netral dengan induksi
dapat dilakukan dilakukan dengan cara mendekatkan batang
logam bermuatan pada batang logam netral tersebut.
? Mendapatkan muatan pada batang logam netral dengan konduksi
dapat dilakukan dilakukan dengan cara menyentuhkan batang
logam bermuatan pada batang logam netral tersebut.
? Elektroskop adalah suatu piranti yang dapat digunakan untuk
mendeteksi muatan listrik. Daun-daun elektroskop akan
mengembang apabila kepala elektroskop dimuati baik dengan cara
“induksi”, maupun dengan cara “konduksi”.
? Petir adalah contoh pengosongan muatan statis di udara.
? Untuk menghindari kerusakan pada bangunan yang tinggi dari
sambaran petir, dapat dilakukan dengan cara memasang
penangkal petir pada bangunan tersebut.
Modul FIS.20.Listrik Statis 19
d. Tugas
1). Buatlah elektroskop sederhana dari botol plastik air mineral sebagai
peti kaca, grenjeng rokok sebagai daun-daun elektroskop, dan paku
besar sebagai batang konduktor.
2). Ujilah elektroskop buatan anda tersebut dengan jalan memuati dengan
cara “induksi”dan “konduksi” menggunakan kertas transparansi yang
digosok dengan kain. Kumpulkan elektroskop buatan anda dan
laporkan hasil analisis pengujian pada pertemuan ber