Arus listrik bolak balik dalam bahasa Inggris disebut alternatif current (AC), arus ini dihasilkan oleh generator. Generator atau dinamo merupakan alat yang mampu mengubah sumber energi gerak menjadi energi listrik dengan memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik. Mengenai prinsip elektromagneik sebelumnya sudah kita bahas di bab Materi Induksi Elektromagnetik Serta Contoh Soal.
Prinsip generator secara sederhana adalah dengan mengalirkan tegangan yang akan diinduksikan pada konduktor. Sehingga konduktor tersebut bergerak pada medan magnet dan memotong garis-garis gaya lorentz. Arah gaya lorentz yang dihasilkan ditentukan melalui kaidah tangan kanan. Hal ini menyebabkan generator terus berputar dalam medan magnet sehingga terjadi perubahan nilai fluks magnetik, dan perubahan laju fluks magnetik menyebabkan adanya arus yang terinduksi.
Sebenarnya ada dua jenis generator yakni generator DC dan AC. Sesuai namanya generator AC menghasilkan arus dan tegangan bolak balik sedangkan generator DC menghasilkan listrik searah. Jika ujung kumparan yang dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (cincin seret) maka akan menghasilkan arus bolak-balik (AC) berbentuk sinusoidal.
Daftar Isi
Arus dan Tegangan
Grafik sinusoidal dapat diperlihatkan secara langsung oleh osiloskop. Osiloskop sendiri merupakan alat elektronik yang sengaja dirancang untuk memproyeksikan sinyal listrik. terdapat dua jenis osiloskop yakni osiloskop digital dan osiloskop analog. Apabila osiloskop dihubungkan dengan sumber listrik AC maka akan terbentuk gambar sebagai berikut:
Dari gambar yang ditampilkan osiloskop dapat diketahui berbagai nilai yakni:
Persamaan Arus & Tegangan
Secara umum nilai arus dan tegangan bolak-balik yang ditunjukkan oleh grafik sinusioidal dapat dinyatakan sebagai:
Dimana:
V = tegangan AC (v)
Vm = Tegangan maksimum (v)
ω = frekuensi sudut (rad /s)
ω = 2πf
f = frekuensi (hz)
t = waktu
I = arus AC (A)
Im = arus maksimum (A)
Nilai Sesaat
Nilai sesaat adalah nilai besaran AC yang ditunjukkan pada satu waktu tertentu, untuk mencarinya masukkan waktu (t) yang diinginkan ke dalam persamaan umum.
Nilai Maksimum
Nilai maksimum adakah nilai terbesar yang dapat dihasilkan. Nilai maksimum ditunjukkan oleh puncak bukit dan lembah pada osiloskop baik untuk arus maupun tegangan.
Nilai Efektif
Nilai efektif adalah nilai yang terbaca oleh alat ukur AC baik voltmeter maupun amperemeter. Besaran efektif biasa disimbolkan dengan Ieff atau Veff. Hubungan antara besaran maksimum dan besaran efektif adalah:
Nilai Rata-rata
Karena besaran AC memiliki arah dan besar yang berubah-ubah sesuai grafik sinusoidal, maka nilai besaran rata-rata dapat dihitung dari nilai maksimum yakni:
Impedansi (Z)
Impedansi adalah nama lain untuk hambatan total dari rangkaian resistor-induktor-dan kapasitor yang dihubungkan dengan sumber AC. Nilai impedansi dapat diketahui dari menghitung setiap komponen hambatan maupun menghitung menggunakan hukum ohm.
Impedansi dilambangkan dengan huruf Z dan memiliki satuan ohm.
Hambatan Resistor (R)
Hambatan resistor (R) memiliki satuan ohm.
Hambatan Induktor (XL)
Hambatan induktor disebut juga reaktansi induktif, dilambangkan dengan XL, nilai XL dapat diketahui dengan:
dengan L = induktansi induktor (H)
Hambatan Kapasitor (XC)
Hambatan kapasitor disebut juga reaktansi kapasitif, dilambangkan dengan XC, nilai XC dapat diketahui dengan:
dengan C = kapasintansi kapasitor (F)
Hubungan impedansi dapat dinyatakan dengan diagram fasor yakni diagram vektor besaran dan sudut fase gelombang.
Baca juga: Teknologi Digital Fisika
Rangkaian Arus Bolak-balik
Secara sederhana pada kehidupan sehari rangkaian bolak-balik dapat dihubungkan dengan resistor, induktor / selenoida, serta kapasitor.
Seperti pada rangkaian listrik lainnya, hukum ohm juga berlaku pada rangkaian arus bolak balik.
Rangkaian Resistor
Pada rangkaian resistor murni, resistor yang dipasang tidak menyebabkan perubahan fase pada arus maupun tegangan sehingga persamaan umum AC tetap:
Arus dan tegangan murni muncul dari sumber AC sehingga tidak ada perbedaan fase antara keduanya. Dan diagram fasornya menjadi:
Rangkaian Induktor
Rangkaian induktor adalah rangkaian yang hanya terdapat induktor atau kumparan atau selenoida dan sumber AC. Rangkaian induktor murni, atau rangkaian yang nilai XL > XC disebut rangkaian induktif.
Pada rangkaian induktor murni, arus terlambat 90° dari sudut fase tegangan. Sehingga persamaan umum dan diagram fasornya menjadi:
Rangkaian Kapasitor
Rangkaian kapasitor adalah rangkaian yang hanya terdapat kapasitor dan sumber AC. Rangkaian kapasitor murni, atau rangkaian yang nilai Xc > XL disebut rangkaian bersifat kapasitif.
Pada rangkaian kapasitor murni, tegangan terlambat 90° dari sudut fase arus. Sehingga persamaan umum dan diagram fasornya menjadi:
Rangkaian RLC
Rangkaian RLC adalah ramgkaian yang terdiri dari resistor, induktor, kapasitor, dan sumber AC yang disusun seri. Akibatnya sifat rangkaian seri seperti nilai arus di semua titik sama besar akan muncul. Sedangkan nilai tegangan dapat dicari berdasarkan diagram fasornya sebagai berikut:
Rangkaian RLC dapat bersifat induktif, kapasitif maupun bukan keduanya. Jika sudut fase arus terlambat dari tegangan maka rangkaian bersifat induktif. Sedangkan jika sudut fase tegangan terlambat dari arus maka rangkaian bersifat kapasitif.
Nilai sudut fase sendiri dapat diketahui dengan:
Resonansi
Resonansi adalah sifat lain dari rangkaian RLC, disebut juga rangkaian bersifat resistif. Resonansi terjadi Jika nilai XL = XC. Resonansi banyak digunakan di kehidupan sehari-hari misalnya pada pemancar dan penerima sinyal radio.
Nilai frekuensi resonansi dapat diketahui dengan:
F = frekuensi (Hz)
L = Induktansi induktor (H)
C – kapasitansi kapasitor (F)
Daya Listrik
Umumnya daya listrik AC akan muncul saat rangkaian RLC bersifat resistif. Besarnya sendiri dapat dihitung dengan:
P = Daya (watt)
Veff = tegangan efektif (V)
Ieff = Arus efektif (A)
dengan 
Mengingat hukum ohm bahwa V=IR
maka daya listrik AC juga dapat dinyatakan dengan :
Z = Impedansi (ohm)
R = hambatan / resistor (ohm)
Pemanfaatan dalam Kehidupan Sehari-hari
Listrik AC banyak digunkan di kehidupan sehari-hari karena biaya pembuatan generator AC yang lebih murah. Misalnya pada listrik PLN di rumah-rumah kita.
Contoh Soal
SBMPTN 2017
Sumber arus bolak-balik memiliki amplitude tegangan 200 V dan frekuensi sudut 25 Hz mengalir melalui hambatan R = 200 Ω dan kapasitor C = 100π μF yang disusun seri. Kuat arus yang melalui kapasitor tersebut adalah ….
A. 1/4√2 A
B. 1/2√2 A
C. √2 A
D. 2√2 A
E. 5√2 A
Pembahasan:
Frekuensi sudut:
ω=2πf=2π⋅25=50πrad/s
Reaktansi kapasitif :
Impedansi rangkaian:
Sehingga besar arus yang mengalir:
SBMPTN 2014
Sebuah pemancar radio dioperasikan pada frekuensi 1 MHz dengan rangkaian osilasi mempunyai kapasitansi 200 pF. Besar induktansi rangkaian tersebut adalah ….
A. 140 μH
B. 127 μH
C. 114 μH
D. 101 μH
E. 88 μH
frekuensi operasi radio adalah frekuensi resonansi 1 MHz = 10^6 Hz
10^6 = 1/ (2π.√LC)
10^6 = 1/ 2π.(√L.200.10^-12)
2π.10^6 = 1.10^5/√L.2
√L.2 = 10^5/ 2π.10^6
L.2=10^-2/4π^2
L = 127μH
Baca juga: Gaya Lorentz Serta Contoh Soalnya
Pemahaman Akhir
Arus listrik bolak-balik (Alternating Current/AC) adalah jenis arus listrik yang nilainya berubah secara periodik dan bergantian antara arah positif dan arah negatif. AC dihasilkan oleh generator atau dinamo yang mampu mengubah energi gerak menjadi energi listrik melalui prinsip induksi elektromagnetik.
Prinsip generator sederhana adalah dengan mengalirkan tegangan yang akan diinduksikan pada konduktor. Konduktor tersebut ditempatkan dalam medan magnet dan saat bergerak, ia memotong garis-garis gaya lorentz, yang menyebabkan terjadinya arus yang terinduksi. Arah gaya lorentz yang dihasilkan ditentukan oleh kaidah tangan kanan.
Generator dapat menghasilkan dua jenis arus listrik yaitu arus bolak-balik (AC) dan arus searah (DC). Arus AC memiliki tegangan yang berubah secara periodik dan berbentuk sinusoidal, sementara arus DC memiliki tegangan searah.
Dalam analisis arus AC, osiloskop digunakan untuk memproyeksikan sinyal listrik secara grafis. Grafik sinusoidal pada osiloskop memperlihatkan nilai-nilai arus dan tegangan AC, termasuk nilai maksimum, efektif, rata-rata, dan nilai sesaat.
Arus dan tegangan AC dapat dinyatakan dalam persamaan umum dengan menggunakan parameter tegangan maksimum (Vm), frekuensi sudut (ω), frekuensi (f), dan waktu (t). Sementara itu, nilai efektif (Ieff dan Veff) diperoleh dari nilai maksimum arus dan tegangan.
Dalam rangkaian AC yang melibatkan resistor, induktor, dan kapasitor, terdapat hambatan total yang disebut impedansi (Z). Impedansi dapat dihitung dengan menggunakan hukum Ohm, dan tergantung pada jenis rangkaian (induktif, kapasitif, atau resistif).
Rangkaian RLC adalah rangkaian yang terdiri dari resistor, induktor, kapasitor, dan sumber AC yang disusun seri. Rangkaian ini memiliki sifat induktif jika sudut fase arus terlambat dari tegangan, sementara bersifat kapasitif jika sudut fase tegangan terlambat dari arus. Resonansi terjadi ketika nilai reaktansi induktor (XL) sama dengan reaktansi kapasitor (XC).
Daya listrik AC muncul pada rangkaian RLC yang bersifat resistif. Besarnya daya listrik dapat dihitung dengan memanfaatkan impedansi dan tegangan efektif.
Listrik AC banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, seperti pada sistem listrik PLN di rumah-rumah. Penggunaan AC lebih umum karena biaya pembuatan generator AC yang lebih murah dibandingkan dengan generator DC. AC juga digunakan dalam teknologi radio dan pemancar-penerima sinyal.
Dalam penggunaan praktisnya, pemahaman tentang arus listrik bolak-balik sangat penting bagi penggunaan dan perancangan rangkaian AC, sehingga dapat memastikan keberfungsian yang optimal dan efisien.
Itu dia pembahasan kali ini, mengenai listrik bolak-balik. Ada yang ingin kamu diskusikan? Tuliskan di kolom komentar ya!
Sumber:
sumberbelajar.kemendikbud.go .id
