Arus Listrik Bolak Balik Serta Contoh Soal

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.

generator ac
sumber : kemendikbud.go.id

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.

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:

osiloskop
sumber : amazon.it

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:

persamaan umum ac

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:

besaran maksimum ac

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:

besaran rata rata ac

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.

impedansi

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:

reaktansi induktif

dengan L = induktansi induktor (H)

Hambatan Kapasitor (XC)

Hambatan kapasitor disebut juga reaktansi kapasitif, dilambangkan dengan XC, nilai XC dapat diketahui dengan:

reaktansi kapasitif

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.

RANGKAIAN RLC

Seperti pada rangkaian listrik lainnya, hukum ohm juga berlaku pada rangkaian arus bolak balik.

hukum ohm
sumber : pada gambar

Rangkaian Resistor

Pada rangkaian resistor murni, resistor yang dipasang tidak menyebabkan perubahan fase pada arus maupun tegangan sehingga persamaan umum AC tetap:

RANGKAIAN R
sumber : kemendikbud.go.id

persamaan umum ac

Arus dan tegangan murni muncul dari sumber AC sehingga tidak ada perbedaan fase antara keduanya. Dan diagram fasornya menjadi:

diagram fasor resistor
sumber : materi 78

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:

diagram fasor INDUKTOR
sumber : materi 78

persamaan induktor ac

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:

diagram fasor konduktor
sumber : materi 78

persamaan konduktor ac

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:

diagram fasor rlc
sumber : materi 78

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:

beda sudut fase rlc

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:

frekuensi resonansi

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:

daya rlc

P = Daya (watt)

Veff = tegangan efektif (V)

Ieff = Arus efektif (A)

dengan cos fase

Mengingat hukum ohm bahwa V=IR

maka daya listrik AC juga dapat dinyatakan dengan :

daya rlc 2

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.

tiang listrik
sumber : Gambar oleh CleanerShrimp dari Pixabay

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=2π25=50πrad/s

Reaktansi kapasitif :

XC= 1/ωc = 1 / (50π100π×10^6)=200Ω

Impedansi rangkaian:

impedansi

Z=200√2Ω

Sehingga besar arus yang mengalir:

I = V / Z
I = (200) /(200 2 )
I = 1/22A (B)

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

frekuensi resonansi

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

Itu dia pembahasan kali ini, mengenai listrik bolak-balik. Ada yang ingin kamu diskusikan? Tuliskan di kolom komentar ya!


Sumber:

sumberbelajar.kemendikbud.go .id

Artikel Terbaru

Nisa

Nisa

Halo, saya alumnus s1 Pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia yang saat ini aktif sebagai tenaga pengajar Fisika SMA di Bandung.

Tulis Komentar Anda

Your email address will not be published. Required fields are marked *