Hukum–Hukum Kelistrikan

     Dalam bidang keilmuan listrik dikenal beberapa hukum dasar listrik, yaitu Hukum Faraday, Hukum Ampere-Biot-Savart, Hukum Lenz, Hukum Ohm, dan Hukum Kirchhoft. Berikut beberapa penjelasan berkenaan hukum-hukum tersebut.

1.        Hukum Faraday

Seorang ilmuwan yang berasal dari Inggris Michael Faraday (1791–1867), menyatakan sebagai berikut:

a.         Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (fluks) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi.

b.         Perubahan fluks medan magnetik di dalam suatu rangkaian bahan penghantar akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.

Dua pernyataan tersebut merupakan hukum dasar listrik berupa penjelasan fenomena induksi elektromagnetik dan hubungan antara perubahan fluks dengan tegangan induksi yang ditimbulkan pada suatu rangkaian.

Hukum Faraday mengenalkan suatu besaran yang dinamakan fluks magnetik. Fluks magnetik adalah jumlah garis-garis gaya magnetik. Adapun kuat medan magnet adalah kerapatan garis-garis gaya magnet.

f = B A cos θ

Berdasarkan kedua definisi tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

f      = fluks magnetik (weber atau Wb)

B     = induksi magnetik (Wb/m2)

A     = luas penampang (m2)

θ     = sudut antara induksi magnet dengan normal bidang

Berdasarkan persamaan tersebut dapat terlihat adanya perubahan fluks magnet (f) dapat terjadi tiga kemungkinan. Pertama terjadi karena perubahan medan magnet (B). Kedua, terjadi karena perubahan luas penampang (A) yang dilalui, contohnya kawat yang bergerak dalam medan magnet. Ketiga, terjadi karena perubahan sudut (θ), contohnya kumparan yang berputar (generator listrik).

Berikut merupakan hasil percobaan dari Michael Faraday.

a.  Pada saat magnet digerakkan (keluar-masuk) dalam kumparan jarum pada galvanometer menyimpang.

b.  Penyimpangan jarum galvanometer menunjukkan bahwa di dalam kumparan mengalir arus listrik. Arus listrik seperti ini disebut arus induksi.

c. Arus listrik timbul karena pada ujung-ujung kumparan timbul beda potensial. Beda potensial ini disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi).

d.Timbulnya ggl induksi pada ujung-ujung kumparan disebabkan karena adanya perubahan garis gaya magnetik yang memotong kumparan.

2.        Hukum Ampere-Biot-Savart

Tiga orang ilmuwan kebangsaan Perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:

“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik”.

Hal ini merupakan kebalikan dari Hukum Faraday, di mana Michael Faraday menyampaikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada kawat penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik.

Gambar 1.2 Penjelasan Hukum Ampere

3.        Hukum Lenz

Seorang Ilmuwan Heinrich Lenz (1804–1865) menyatakan bahwa “Arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)”.

Misalnya, apabila suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart).

Selanjutnya, diungkapkan oleh Lenz bahwa gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan. Hukum Lenz inilah yang mampu memberi penjelasan perihal prinsip kerja mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yakni generator listrik dan motor listrik.

Gambar 1.3 Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi

4.        Hukum Ohm

Pada rangkaian listrik tertutup, besarnya arus I berubah sebanding dengan besarnya tegangan V dan berbanding terbalik dengan beban tahanan R, atau dinyatakan dengan persamaan berikut:

Keterangan:

I      = arus listrik (Ampere)
V     = tegangan listrik (Volt)

R    = tahanan listrik (Ohm)

 

 

 

Suatu rangkaian listrik akan terdapat aliran arus listrik, apabila pada rangkaian tersebut terdapat sumber tegangan listrik, kawat penghantar, dan beban yang tersambung.

 

Pada gambar terlihat ketika sakelar S terbuka, maka arus tidak akan mengalir menuju ke beban. Pada saat sakelar S ditutup, maka terdapat aliran arus listrik menuju ke beban R. Alat ukur arus listrik (amperemeter) akan menunjukkan besar arus yang mengalir pada rangkaian tertutup tersebut.

5.        Hukum Kirchhoff

Hukum-hukum Sirkuit Kirchhoff adalah dua persamaan yang membahas kekekalan muatan dan energi dalam sirkuit listrik, dan pertama dijabarkan pada tahun 1845 oleh Gustav Kirchhoff. Hukum-hukum ini juga sering disebut sebagai Hukum Kirchhoff.

Prinsip kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa "Pada setiap titik percabangan dalam rangkaian listrik, jumlah dari arus yang masuk ke dalam titik itu sama dengan jumlah arus yang keluar dai titik tersebut atau jumlah arus pada sebuah titik nol".

a.        
Hukum Kirchhoff I

Hukum Kirchhoff-arus menyatakan bahwa pada rangkaian loop tertutup, jumlah arus yang masuk ke dalam suatu titik sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut.

    Pada setiap rangkaian listrik, jumlah aljabar dari arus-arus yang bertemu di satu titik adalah nol (ΣI=0), dirumuskan sebagai berikut:

 

 

b.         Hukum Kirchhoff II

Gambar 1.5 Hukum Kirchhoff I Sumber: Dokumen penerbit

Hukum Kirchhoff, tegangan disebut juga sebagai Hukum Kirchhoff II. Hukum Kirchhoff-tegangan menyatakan bahwa dalam rangkaian loop tertutup, jumlah aljabar tegangan dalam cabang tertutup hasilnya nol.

Jumlah drop tegangan sama dengan tegangan sumber tegangan. Tanda sumber tegangan berlawanan dengan tanda drop tegangan di setiap resistor.

V + (-V1) + (-V2) = 0             V – V1– V2 = 0

Persamaan Hukum Kirchhoff-tegangan sebagai berikut:

Keterangan:

                V = tegangan sumber

V₁ = drop tegangan R₁

V₂ = drop tegangan R₂

 Gambar 1.6 Hukum Kirchoff II