Pendahuluan Struktur Atom BAB I DASAR LISTRIK

1 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes BAB I DASAR LISTRIK

A. Pendahuluan

Bab ini membahas mengenai dasar-dasar listrik yang mencakup struktur atom dalam suatu bahan, listrik, teori aliran arus listrik, pemanfaatan listrik dalam kehidupan sehari-hari, dan latihan-latihan terkait dengan dasar listrik. Kompetensi dan indikator keberhasilan dalam mempelajari buku ini dijelaskan pada table di bawah ini. Kompetensi Indikator Menguasai dasar-dasar listrik Menjelaskan struktur atom dalam bahan Menjelaskan macam-macam listrik Menjelaskan teori aliran arus listrik Menjelaskan pemanfaatan listrik

B. Struktur Atom

Gambar 1.1. Struktur atom Semua benda padat, cair atau gas yang mempunyai massa dan menempati ruang pada dasarnya tersusun dari molekul atau atom yang tergabung menjadi satu. Atom merupakan bagian terkecil dari suatu benda yang memiliki properties yang sama dari benda yang dibentuk olehnya. Inti dari sebuah atom disebut dengan nukleus yang terbentuk dari gabungan antara proton dan neutron dan dikelilingi oleh partikel lain yang disebut elektron. Setiap partikel atom mempunyai muatan listrik. Proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan neutron tidak bermuatan atau netral. 2 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes Gambar 1.2. Struktur atom hidrogen dan tembaga Suatu atom berada dalam keadaan setimbang apabila banyaknya elektron sama dengan proton. Proton yang bermuatan positif mempertahankan elektron berada dalam orbitnya. Gaya sentrifugal mencegah elektron yang berada pada orbitnya untuk bergerak ke dalam. Neutron mempertahankan keadaan proton dengan mencegah atau menetralkan gaya tolak menolak proton untuk mempertahankan inti atom. Hidrogen mempunyai atom yang paling sederhana dengan satu buah proton di dalam nukleus dan satu buah elektron yang mengitarinya. Bentuk atom tembaga lebih kompleks karena terdiri dari 29 elektron pada empat orbit yang berbeda yang berputar mengitari sebuah nukleus yang di dalamnya terdiri dari 29 proton dan 29 neutron. Suatu atom berada dalam keadaan setimbang apabila banyaknya elektron sama dengan proton. Proton yang bermuatan positif mempertahankan elektron berada dalam orbitnya. Gaya sentrifugal mencegah elektron yang berada pada orbitnya untuk bergerak ke dalam. Neutron mempertahankan keadaan proton dengan mencegah atau menetralkan gaya tolak menolak proton untuk mempertahankan inti atom. Hidrogen mempunyai atom yang paling sederhana dengan satu buah proton di dalam nukleus dan satu buah elektron yang mengitarinya. Bentuk atom tembaga lebih kompleks karena terdiri dari 29 elektron pada empat orbit yang berbeda yang berputar mengitari sebuah nukleus yang di dalamnya terdiri dari 29 proton dan 29 neutron. 3 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes Gambar 1.3. Ion positif dan ion negatif Sebuah atom yang mempunyai kelebihan elektron disebut dengan ion negatif sedangkan atom yang kekurangan elektron disebut dengan ion positif. Ion-ion positif akan menarik elektron-elektron yang ada pada atom yang berdekatan dengannya agar menjadi seimbang. Perpindahan elektron- elektron dari atom lain akibat adanya gaya tarik dari ion-ion positif suatu atom yang lain menyebabkan terjadinya aliran elektron. Gambar 1.4. Aliran elektron Kemampuan mengalirkan arus listrik dari suatu atom tergantung dari jumlah elektron pada orbit bagian luar dari atom tersebut. Elektron yang berada pada orbit yang berdekatan dengan inti atom mempunyai gaya tarik yang kuat terhadap proton sehingga posisinya tetap atau terikat dan ini 4 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes disebut elektron terikat bound electrons. Elektron yang terletak pada orbit yang paling luar atau jauh dari inti atom mempunyai gaya tarik yang lemah terhadap proton sehingga mudah berpindah-pindah dan ini disebut elektron bebas free elektron. Elektron dapat berpindah akibat adanya gaya atau paksaan dari luar misalnya aksi kimia, tekanan, cahaya, gesekan, panas, dan pengaruh magnetik. Elektron yang berpindah akibat pengaruh gaya tersebut berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Aliran elektron bebas ini menghasilkan suatu arus listrik. Gambar 1.5. Atom bahan konduktor, semikonduktor, dan isolator Konduktor merupakan bahan yang elektron bebasnya dapat dengan mudah bergerak. Semikonduktor merupakan bahan yang kemampuan elektron bebasnya bergerak berada di antara konduktor dan isolator. Isolator adalah bahan yang elektron bebasnya tidak dapat berpindah Bonnick, 2008:196-197. Jumlah elektron bebas pada orbit paling luar dari suatu atom akan mempengaruhi sifat-sifat listrik dari suatu bahan. Sifat listrik dari suatu bahan dapat dibagi menjadi tiga macam perhatikan gambar 1.5 yaitu 1 sifat bahan yang dapat menghantarkan arus listrik atau konduktor, 2 sifat bahan yang dapat menghantarkan dan tidak dapat menghantarkan atau semikonduktor, dan 3 sifat bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik atau isolator. Bahan yang termasuk konduktor adalah bahan yang mempunyai satu sampai tiga elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang baik, misalnya tembaga, besi, aluminium, dan logam-logam lain pada umumnya. Bahan yang termasuk semikonduktor adalah bahan yang mempunyai empat elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang baik pada 5 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes kondisi tertentu dan sebagai isolator yang baik juga pada kondisi lainnya, misalnya karbon, germanium, dan silikon. Bahan yang termasuk dalam isolator adalah bahan yang mempunyai lima sampai delapan elektron pada orbit terluar dari atomnya dan mempunyai sifat sebagai penghantar listrik yang tidak baik. Elektron tertahan sangat kuat dan elektron sangat sulit untuk mengalir. Bahan yang termasuk isolator misalnya kaca, plastik, karet, kayu, dan lain-lain. C. Listrik Listrik terbagi menjadi dua macam, yaitu listrik statis dan listrik dinamis. Pada listrik statis, tidak terjadi aliran elektron. Apabila dua buah bahan bukan penghantar listrik misalnya sebatang kaca dan kain sutera saling digesekan satu sama lain, beberapa elektron dibebaskan sehingga kedua bahan tersebut menjadi bermuatan listrik. Salah satu bahan tersebut menjadi kekurangan elektron atau bermuatan positif, dan bahan yang lainnya menjadi kelebihan elektron atau bermuatan negatif. Muatan-muatan ini akan tetap berada pada permukaan kedua bahan tersebut dan tidak bergerak kecuali kedua bahan tersebut disentuhkan. Listrik dinamis listrik yang dapat mengalir terdiri dari dua macam, yaitu listrik arus searah DC = direct current dan listrik arus bolak-balik AC = alternating current. Aliran listrik terjadi pada saat elektron-elektron lepas dari atom-atomnya dan mengalir melalui suatu penghantar atau konduktor. Karena listrik ini dapat mengalir, maka listrik ini disebut dengan listrik dinamis. Gambar 1.6. Listrik statis TAM Jika elektron bebas mengalir dalam satu arah, maka listrik itu disebut listrik arus searah DC, dan jika elektron bebas mengalir berubah arah dari 6 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes positif ke negatif dan sebaliknya secara berulang-ulang maka listrik ini disebut listrik arus bolak-balik AC. Contoh untuk listrik arus searah adalah listrik yang dihasilkan oleh baterai accu pada kendaraan, dan batu baterai. Arus yang dihasilkan adalah arus searah DC, sedangkan contoh arus bolak-balik adalah arus listrik yang dihasilkan oleh alternator pada sistem pengisian baterai charging system pada kendaraan, dan arus listrik PLN yang ada di rumah-rumah. Gambar 1.7. Listrik arus searah a dan arus bolak-balik b Tegangan bolak balik naik dari nol ke maksimum kemudian turun lagi ke nol. Setelah itu naik lagi ke maksimum dalam arah negatif sebelum kembali lagi ke nol. Hal ini disebut dengan siklus. Waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus disebut periode yang diukur dalam detik. Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diukur dalam hertz Hz. 1 Hz = satu siklus per detik Bonnick, 2008:207. Gambar 1.8. Bentuk gelombang AC 7 Dwi Widjanarko, Dasar Teknik Listrik dan Elektronika Otomotif, PTO Unnes

D. Teori Aliran Arus Listrik