KONSEP LISTRIK DINAMIS DAN SUMBER ARUS LISTRIK
Konsep Listrik Dinamis
Listrik Dinamis adalah suatu kondisi atau fenomena listrik yang mengikutsertakan arus listrik secara terus menerus dan berubah sepanjang waktu. Listrik dinamis berbeda dengan listrik statis yang berkaitan dengan muatan listrik yang tetap atau dalam keadaan diam. Dalam listrik dinamis, arus listrik mengalir melalui konduktor, seperti kawat, dengan tegangan yang mendorong aliran elektron. Arus listrik ini dapat mengalir dalam satu arah (arus searah) atau bolak-balik (arus bolak-balik), tergantung pada jenis sirkuit yang digunakan.
Arus Listrik (I)
Arus listrik adalah aliran elektron melalui suatu konduktor seperti kawat. Dalam listrik dinamis, arus listrik mengalir secara terus-menerus dalam satu arah atau bolak-balik.
Tegangan Listrik (V)
Tegangan adalah gaya dorong yang mendorong arus listrik untuk mengalir dalam suatu sirkuit. Dalam listrik dinamis, tegangan dapat berubah sepanjang waktu.
Daya Listrik (P)
Daya listrik adalah energi yang dikonsumsi atau dihasilkan oleh perangkat listrik. Dalam listrik dinamis, daya dapat dihitung dengan mengalikan tegangan dengan arus.
Sumber Arus Listrik
Listrik adalah energi, sehingga sesuai dengan hukum kekekalan energi, untuk menghasilkan energi listrik perlu adanya alat yang dapat mengubah energi lain menjadi energi listrik. Secara umum, sumber arus listrik terdiri atas dua jenis, yaitu sumber arus searah (Direct Current = DC) dan sumber arus bolak-balik (Alternating Current = AC). Elemen volta, baterai, dan akumulator adalah sumber arus DC yang dihasilkan dari reaksi kimia, sehingga disebut juga sebagai elektrokimia.
Berdasarkan dapat atau tidaknya diisi ulang, sumber arus listrik dibedakan menjadi elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah sebutan bagi sumber arus listrik yang tidak dapat diisi ulang ketika energinya habis, contohnya seperti baterai kering dan elemen volta. Elemen sekunder adalah sebutan bagi sumber arus listrik yang dapat diisi ulang ketika energinya habis, contohnya seperti akumulator dan baterai Lithium-ion (Li-ion) yang digunakan pada telepon genggam atau kamera.
RANGKAIAN TERBUKA DAN TERTUTUP, RANGKAIAN SERI DAN PARALEL
Rangkaian Terbuka dan Tertutup
Rangkaian terbuka adalah kondisi dimana rangkaian tidak terhubung dengan sumber listrik dan kondisi saklar yang terbuka atau mati. Contohnya pada rangkaian lampu, saklar dalam kondisi terbuka tidak akan memungkinkan arus listrik mengalir untuk menyalakan lampu sehingga lampu tidak menyala. Bola lampu akan menyala jika saklar dalam keadaan tertutup atau terhubung. Sedangkan rangkaian tertutup adalah kondisi dimana rangkaian terhubung dengan sumber arus listrik dan kondisi saklar yang tertutup atau nyala. Contohnya pada rangkaian lampu, saklar dalam kondisi tertutup yang memungkinkan arus listrik mengalir untuk menyalakan lampu sehingga lampu dapat menyala.
Rangkaian Seri dan Paralel
Rangkaian listrik seri adalah rangkaian yang tidak memiliki percabangan kabel. Ketiadaan percabangan kabel pada rangkaian listrik seri mengakibatkan aliran listrik akan terputus jika salah satu ujung kabel terputus, sehingga arus tidak ada yang mengalir di dalam rangkaian dan seluruh lampu akan mati.
Pada rangkaian listrik yang memiliki percabangan kabel, rangkaian tersebut disebut rangkaian paralel. Jika salah satu ujung kabel terputus, maka arus listrik akan tetap mengalir pada kabel lainnya yang masih terhubung dan beberapa lampu lainnya akan tetap menyala.
ARUS LISTRIK DAN HANTARAN LISTRIK
Arus Listrik
Arus listrik mengalir karena pada ujung-ujung rangkaian ada beda potensial listrik yang diberikan oleh baterai sebagai sumber tegangan. Arus listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah, sedangkan arah aliran elektron dari kutub negatif ke kutub positif. Pada rangkaian listrik tertutup, besar arus listrik yang mengalir pada rangkaian dapat ditentukan dengan menghitung besar muatan listrik yang mengalir pada rangkaian setiap detiknya. Hal ini karena besar arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian tertutup sebanding dengan besarnya muatan listrik yang mengalir pada setiap detik, atau secara matematis besar arus listrik ditulis sebagai berikut.
Keterangan:
I = arus listrik (ampere)
q = muatan listrik (coulomb)
t = waktu (sekon)
Hantaran Listrik
Kabel biasanya terdiri atas bahan tembaga atau perak di bagian dalamnya dan dilapisi bahan plastik atau karet di bagian luarnya. Hal ini berkaitan dengan kemampuan bahan untuk menghantarkan listrik. Setiap bahan memiliki daya hantar listrik yang berbeda-beda. Tembaga dan perak merupakan bahan yang paling baik untuk menghantarkan listrik, sedangkan plastik dan karet merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik.
Konduktor
Pada bahan ini, elektron dapat mengalir dengan mudah. Bahan-bahan yang dapat digunakan untuk menghantarkan listrik disebut dengan konduktor listrik. Contoh dari konduktor listrik adalah tembaga, perak, dan emas. Meskipun perak dan emas merupakan konduktor yang sangat baik, tetapi karena harganya yang sangat mahal, kabel rumah tangga biasanya menggunakan bahan dari tembaga.
Isolator
Pemberian plastik atau karet sebagai pelapis kabel bertujuan agar kabel lebih aman digunakan. Sifat plastik dan karet tidak dapat menghantarkan arus listrik sehingga kedua bahan tersebut masuk ke dalam kelompok bahan isolator. Bahan isolator ini adalah bahan yang sangat buruk untuk menghantarkan listrik karena di dalam bahan ini elektron sulit mengalir.
Semikonduktor
Bahan semikonduktor listrik adalah bahan-bahan yang jika berada pada suhu rendah bersifat sebagai isolator, sementara pada suhu tinggi bersifat sebagai konduktor. Contoh bahan semikonduktor listrik adalah karbon, silikon, dan germanium. Pada bidang elektronika, bahan semikonduktor digu- nakan untuk membuat transistor yang kemudian dirangkai menjadi integrated circuit (IC).
HAMBATAN JENIS KAWAT DAN HUKUM OHM
Hambatan Jenis Kawat
Setiap bahan memiliki kemampuan yang berbeda dalam menghantarkan listrik. Kemampuan tersebut tergantung pada nilai hambatan jenis suatu benda atau bahan. Semakin kecil hambatan jenis suatu bahan, semakin baik kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan listrik.
Besar hambatan setiap jenis kawat yang panjangnya satu satuan panjang per satu satuan luas penampang disebut hambatan jenis (ρ). Besar hambatan jenis berbeda-beda untuk setiap jenis kawat (lihat Tabel 5.2), sehingga dapat dituliskan:
Keterangan:
R = hambatan kawat (Ω)
ρ = hambatan jenis kawat (Ωm)
L = panjang kawat (m)
A = luas penampang kawat (m2)
Hukum Ohm
Hukum ohm merupakan salah satu ilmu dasar dari elektronika. Ilmu yang satu ini sangat berguna untuk membantu kita dalam menghitung arus, tegangan, atau resistansi dari suatu rangkaian listrik. Dimana hukum ohm menyatakan hubungan antara matematis dan arus, tegangan, dan juga resistansi jaringan. Diketahui bahwa semakin besar beda potensial yang muncul, maka kuat arus yang mengalir akan semakin besar juga. Besarnya perbandingan antara beda potensial dan kuat arus listrik selalu sama atau konstan. Sehingga beda potensial setara dengan kuat arus (V ~ I). Jika dilihat secara matematis, bisa dituliskan bahwa V = m x l, m merupakan konstanta perbandingan antara beda potensial dan kuat arus.
Salah satu rumus yang menggambarkan Hukum Ohm yaitu berbunyi, “arus yang mengalir di suatu penghantar sebanding dengan beda potensial yang ada di antara ujung-ujung penghantar dengan syarat suhunya tetap atau konstan.
HUKUM KIRCHOFF, RANGKAIAN HAMBATAN SERI DAN PARALEL
Hukum Kirchoff
Sumber : Kompas.com/SILMI NURUL UTAMI
Hukum I Kirchhoff :
“Jumlah arus listrik yang masuk ke suatu titik cabang dalam rangkaian listrik tertutup, akan sama dengan jumlah arus listrik yang keluar dari titik cabang tersebut".
Hukum II Kirchhoff :
"Jumlah aljabar dari beda tegangan (beda potensial listrik) suatu rangkaian tertutup sama dengan nol. Di mana tegangan awal dan akhir rangkaian tersebut adalah sama"
Rangkaian Hambatan Seri dan Paralel
Hambatan listrik dapat dipasang secara seri dan paralel. Pola pemasangan hambatan listrik ini memengaruhi besar arus listrik yang mengalir pada suatu rangkaian listrik.
Rangkaian Hambatan Seri
Pada rangkaian seri kuat arusnya bernilai sama tetapi tegangannya berbeda-beda, sehingga:
Menurut hukum Ohm
Karena,
maka:
Jika ada n buah hambatan yang disusun secara seri maka:
Rangkaian Hambatan Paralel
Pada rangkaian paralel, tegangan listrik bernilai sama tetapi besar kuat arusnya berbeda, sehingga :
Menurut hukum Ohm
Karena,
maka:
Sehingga, untuk n buah hambatan paralel:
TEGANGAN JEPIT
Pada suatu baterai baru yang belum dipakai umumnya memiliki Gaya Gerak Listrik (GGL) = 1,5 V. Artinya sebelum dirangkaikan untuk menghasilkan arus listrik, di antara kutub-kutub baterai ada tegangan sebesar 1,5 V. Jika baterai dihubungkan dengan suatu rangkaian sehingga ada arus yang mengalir, maka tegangan di antara kutub- kutub baterai disebut tegangan jepit. Maka dapat disimpulkan bahwa GGL adalah besar tegangan ketika saklar terbuka, sedangkan tegangan jepit adalah besar tegangan ketika saklar tertutup. Besar GGL akan lebih besar daripada nilai tegangan jepit karena dipengaruhi oleh hambatan dalam baterai. Menurut hukum Ohm, besar kuat arus yang mengalir pada rangkaian tertutup adalah:
Sehingga, besar tegangan jepitnya menjadi:
Keterangan:
r = hambatan dalam (Ω)
R = hambatan luar (Ω)
E = GGL baterai (volt)
V = tegangan jepit (volt)
I = arus listrik (ampere)
TRANSMISI ENERGI LISTRIK (TRAFO)
Sumber Energi Listrik Alternatif
1. Energi Matahari
Energi matahari merupakan sumber energi terbesar dan paling melimpah. Melalui penggunaan panel surya, energi matahari dapat diubah menjadi energi listrik. Energi yang diperoleh saat matahari bersinar terang akan disimpan dalam baterai agar dapat digunakan saat cuaca mendung atau bahkan malam hari. Pada saat cuaca mendung, energi listrik yang diperoleh tidak dapat dihasilkan secara maksimal.
Penggunaan energi surya di Indonesia diterapkan dalam dua macam teknologi, yaitu teknologi energi surya termal dan energi surya fotovoltaik. Suhu yang tinggi dari energi surya termal digunakan untuk memasak (kompor surya), mengeringkan hasil pertanian, dan memanaskan air. Energi surya fotovoltaik digunakan untuk menghasilkan listrik yang nantinya dapat digunakan untuk menyalakan lampu, memutar pompa air, menyalakan televisi, dan sebagai energi alat telekomunikasi.
Prinsip kerja dari panel surya adalah jika cahaya matahari mengenai panel surya, maka elektron – elektron yang ada pada sel surya akan bergerak dari N ke P, sehingga pada terminal keluaran dari panel surya akan menghasilkan energi listrik. Besarnya energi listrik yang dihasilkan oleh panel surya berbeda – beda tergantung dari jumlah sel surya yang dikombinasikan didalam panel surya tersebut. Keluaran dari panel surya ini adalah berupa listrik arus searah (DC) yang besar tegangan keluarnya tergantung dengan jumlah sel surya yang dipasang didalam panel surya dan banyaknya sinar matahari yang menyinari panel surya tersebut.
Keluaran dari panel surya ini sudah dapat digunakan langsung ke beban yang memerlukan sumber tegangan DC dengan konsumsi arus yang kecil. Agar energi listrik yang dihasilkan juga dapat digunakan pada kondisi – kondisi seperti pada malam hari (kondisi saat panel surya tidak disinari cahaya matahari), maka keluaran dari panel surya ini harus dihubungkan ke sebuah media penyimpanan (storage). Dalam hal ini adalah baterai. Tetapi ini tidak langsung dihubungkan begitu saja dari panel surya ke baterai, tetapi harus dihubungkan ke rangkaian Regulator, dimana di dalam rangkaian tersebut terdapat rangkaian pengisi Batere otomatis (Automatic charger).
Kelebihan PLTS :
Tidak memerlukan bahan bakar
Tidak memerlukan konstruksi yang berat dan menetap
Dapat diterapkan secara sentralisasi maupun desentralisasi (menyesuaikan kebutuhan).
Pada pola desentralisasi, gangguan pada satu sistem tidak akan mempengaruhi sistem yang lain dan tidak banyak energi yang terbuang pada jaringan distribusi.
Bersifat moduler; kapasitas listrik yang dihasilkan dapat disesuaikan dengan kebutuhan dengan cara merangkai modul secara seri dan paralel.
Dapat dioperasikan secara otomatis (unattendable) maupun menggunakan operator (attendable).
Umur pakai (life time) lebih dari 25 tahun
Kekurangan PLTS :
Modul surya memiliki efisiensi konversi yang rendah dibandingkan jenispembangkit lainnya.
Untuk bekerja dengan baik, modul surya harus cukup mendapatkan penyinaran matahari (tergantung pada musim).
Memerlukan area yang luas untuk pemasangan modul surya untuk mendapatkandaya keluaran yang tinggi.
Harga modul surya (skala kecil) masih mahal sehingga biaya pembangkitan yang dihasilkan juga mahal.
2. Energi Angin
Angin adalah salah satu contoh sumber energi alternatif yang dapat digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Energi gerak, yang dihasilkan oleh gerakan angin terhadap kincir, diubah oleh generator menjadi energi listrik. Berbeda dengan batu bara, gas, dan minyak bumi, kincir angin tidak menyebabkan polusi bagi lingkungan, sehingga kincir angin dipercaya ramah lingkungan.
Potensi dari PTLB yang begitu bermanfaat bagi masyarakat dan juga lingkungan menjadikan pembangkit listrik ini dilirik oleh pemerintah Indonesia. Sebagai negeri dengan energi angin —juga disebut energi bayu— yang sangat potensial, Indonesia sudah membangun beberapa PLTB semenjak tahun 2018. Salah satunya yang terbesar adalah pembangkit listrik tenaga angin atau bayu Sidrap (Sidenreng Rappang) di Sulawesi Selatan.
Cara kerja dari pembangkit listrik tenaga angin akan dimulai ketika ada pergerakan angin yang memutar turbin. Perlu diketahui pula, turbin angin ini prinsip kerjanya berbeda dengan kipas angin. Energi angin akan menggerakkan blade dan secara otomatis akan memutar rotor yang terletak pada generator. Kemudian, generator akan mengubah energi gerak dari angin tersebut menjadi energi listrik yang terjadi karena medan elektromagnetik.
Pada bagian poros yang ada di dalam generator sebenarnya terdapat material ferromagnetik permanen. Saat turbin berputar, poros akan turut berputar sehingga akan membuat perubahan fluks magnetik pada stator yang adalah kumparan kawat berbentuk loop. Di situlah dihasilkan tegangan dan arus listrik, kemudian energi listrik tersebut akan tersimpan di dalam baterai.
Kelebihan PLTB:
Berasal dari sumber energi baru terbarukan (EBT).
Merupakan pembangkit listrik yang ramah lingkungan.
Pembangunan turbin angin yang tidak memakan banyak ruang.
Kekurangan PLTB:
Membutuhkan anggaran biaya yang lebih.
Sumber daya yang mengikuti arus dan waktu.
Dapat mengancam ekologi satwa, terutama burung.
3. Energi Air
Air yang mengalir dari hulu ke hilir, khususnya pada sungai-sungai yang deras, dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif untuk membangkitkan energi listrik. Arus air sungai tersebut dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin yang terhubung pada generator sehingga energi listrik dapat dihasilkan. Banyaknya sungai dan danau air tawar membuat Indonesia membangun banyak Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) di seluruh wilayahnya. Potensi tenaga air di seluruh Indonesia diperkirakan sebesar 75.684 MW, tetapi yang sudah dimanfaatkan masih 100 MW dengan jumlah pembangkit sekitar 800 buah. Salah satu contoh PLTA yaitu PLTA Karangkates yang ada di Kabupaten Malang Provinsi Jawa Timur.
PLTA bekerja dengan cara mengubah energi potensial air menjadi listrik mekanik untuk menggerakkan motor dari energi mekanik menjadi energi listrik dengan bantuan generator. PLTA memerlukan komponen berupa turbin yang berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudut-sudut dari turbin sehingga turbin berputar. Perputaran turbin dihubungkan ke generator. Kemudian generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan porosan dan gearbox. Perputaran turbin dimanfaatkan untuk memutar kumparan magnet yang ada di dalam generator sehingga terjadi pergerakan elektron yang membangkitkan arus AC atau arus listrik bolak-balik.
Kelebihan PLTA:
Energi terbarukan
Bebas emisi
Dapat diandalkan
Dapat disesuaikan
Mendorong pembangunan daerah
Kekurangan PLTA:
Berdampak kepada habitat ikan di sungai.
Lokasi PLTA terbatas.
Biaya awal yang lebih tinggi
Risiko banjir dan tanah longsor
Rentan terhadap kekeringan.
4. Bioenergi
Bioenergi adalah energi yang diperoleh dari biomassa. Biomassa merupakan bahan organik yang berasal dari makhluk hidup, baik dari tumbuhan maupun hewan. Limbah dari budidaya pertanian, perkebunan, kehutanan, peternakan, maupun perikanan juga dapat digunakan sebagai sumber bioenergi. Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa menerapkan prinsip pengolahan sampah menjadi listrik melalui proses konversi termal. Ada bermacam limbah yang bisa digunakan sebagai bahan bakar PLTBm. Energi yang diperoleh dari biomassa ini dapat diubah menjadi energi listrik dengan cara mengolah biomassa menjadi bahan bakar nabati, misalnya etanol atau biodisel. Bahan bakar nabati ini selanjutnya dapat digunakan sebagai bahan bakar generator atau diesel untuk menghasilkan listrik.
Kelebihan PLTBm:
Minim limbah organik
Mengurangi efek rumah kaca
Menekan polusi udara
Mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil
Kelebihan PLTBm:
Sumber energi terbatas
Biaya operasional lebih mahal
Proses Teansmisi Energi Listrik
Alur distribusi listrik sampai ke rumah kita melalui proses yang cukup panjang, yaitu dari pembangkit, transmisi, distribusi, hingga ke konsumen industri dan rumah tangga. Pembangkit listrik kapasitas besar biasanya menghasilkan daya listrik dengan tegangan 6-24 kV(kiloVolt), kemudian dinaikan tegangannya di Gardu Induk oleh trafo step-up (penaik tegangan) menjadi 70 kV dan 150 kV untuk tegangan tinggi dan 500 kV untuk tegangan ekstra tinggi (TET). Dari gardu pembangkit, listrik akan dialirkan ke jaringan transmisi dengan tegangan yang sudah dinaikan. Alasan menaikan tegangan adalah untuk menurunkan arus agar meminimalisir loss daya. Tegangan 150 kV ini akan masuk ke industrik skala besar.
Selain langsung ke tegangan besar, tegangan ini masuk ke Gardu Induk untuk diturunkan menjadi 20 kV dan bisa langsung digunakan oleh industri skala menengah. Alur berikutnya adalah daya listrik dengan tegangan 20 kV dialirkan ke trafo distribusi (step-down) untuk diturunkan lagi menjadi 380 volt atau 220 volt. Tegangan 220 volt inilah yang masuk ke rumah kita dan dipergunakan untuk menyalakan listrik.
PENGHITUNGAN BIAYA ENERGI LISTRIK
Biaya pemakaian listrik dihitung berdasarkan besarnya energi listrik yang digunakan. Sehingga, sebelum menentukan biaya pemakaian listrik perlu menentukan besarnya penggunaan energi listrik. Hubungan antara besar energi listrik dan biaya pemakaian listrik adalah sebanding. Artinya, semakin banyak energi listrik yang digunakan akan membuat biaya yang harus dibayarkan.
Besar energi listrik bergantung pada nilai beda potensial (tegangan), hambatan, dan arus listrik. Lama waktu penggunaan energi listrik juga akan mempengaruhi besar energi listrik dan biaya yang perlu dibayarkan. Nilai energi listrik sebanding dengan nilai tegangan, kuat arus listrik, dan waktu penggunaan alat listrik. Sedangkan nilai hambatan berbanding terbalik dengan energi listrik.
Setidaknya ada 4 persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung besar energi listrik. Keempat rumus untuk menentukan besar energi listrik diberikan seperti pada persamaan-persamaan berikut.
Keterangan:
P = daya listrik (W)
W = energi listrik (J)
t = waktu (s)
R = hambatan (0)
1 = kuat arus listrik (A)
V = beda potensial/tegangan (Volt)
Biaya pemakaian listrik biasanya dibayarkan per bulan. Besar biaya pemakaian listrik ditentukan dari total energi listrik yang digunakan dan tarif listrik per kWh atau Wh. Setelah menghitung besar energi listrik yang digunakan seperti cara di atas, selanjutnya biaya pemakaian listrik dihitung dengan mengalikan energi listrik dengan tarif yang telah ditetapkan. Rumus yang digunakan pada cara menghitung biaya pemakaian listrik diberikan seperti persamaan berikut.
Perlu diperhatikan bahwa satuan energi listrik harus disesuaikan dengan tarif listrik yang diketahui. Jika diketahui tarif listrik per kWh maka satuan energi listrik perlu dijadikan dalam kWh. Jika diketahui tarif listrik per Wh maka satuan energi listrik perlu dijadikan dalam Wh.
Ada beberapa tips hemat listrik yang perlu kamu ketahui. Berikut ini di antaranya:
Beralih ke listrik prabayar.
Matikan lampu jika tidak kita gunakan lagi.
Mengatur pemakaian alat elektronik yang memiliki daya besar.
Cabut colokan listrik jika tidak kita pakai.
Ganti lampu LED.
Kerja memakai laptop.
Gunakan air panas saat masak nasi.
Perbanyak tanaman di rumah.
Beralih ke setrika dengan pengatur panas otomatis.
Jangan biarkan kulkas dalam keadaan terlalu penuh atau kosong.
Tidak memasukkan makanan panas ke dalam kulkas.
Pilih alat elektronik low wattage atau inverter.
Pastikan ventilasi udara telah diatur dengan baik.
Lakukan bersama seluruh keluarga.
Bijak menggunakan alat elektronik.
