Arus, tegangan, dan hambatan
Aki truk yang mengalirkan 720 coulomb melalui motor starter dalam 4 detik menghasilkan arus 180 ampere.
Arus adalah muatan per detik
Bayangkan kamu berdiri di samping kawat dan menghitung muatan yang melewati satu titik. Banyaknya muatan per detik disebut kuat arus listrik, I = ΔQ ÷ Δt. Satuannya ampere (A), diambil dari nama André-Marie Ampère, dan satu ampere sama dengan satu coulomb per detik. Saat mesin truk dinyalakan, aki memindahkan 720 C dalam 4.00 s: 720 ÷ 4.00 = 180 A. Kalkulator saku bekerja dengan arus sekitar 0.300 mA, sehingga perlu 1 ÷ 0.000300 ≈ 3333 detik, hampir satu jam, agar satu coulomb melewatinya. Batas arus sekring, pemutus sirkuit, dan banyak peralatan dinyatakan dalam ampere.
Ke arah mana arus mengalir?
Dalam kawat logam, muatan yang bergerak adalah elektron. Elektron mengalir dari terminal negatif baterai, melalui rangkaian, menuju terminal positif. Namun, arah yang digambar pada setiap diagram rangkaian justru sebaliknya. Arus konvensional didefinisikan sebagai arah aliran muatan positif: keluar dari terminal + dan kembali ke terminal −. Kesepakatan ini berasal dari Benjamin Franklin pada tahun 1700-an. Kedua cara pandang menghasilkan perhitungan arus dan tegangan yang sama, sebab muatan negatif bergerak ke kiri memberikan efek yang sama dengan muatan positif bergerak ke kanan. Di laboratorium rangkaian, kamu bisa menampilkan elektron, panah arus, atau keduanya, dan melihat bahwa arahnya selalu berlawanan.
Elektron sendiri bergerak lambat. Setiap elektron menumbuk atom dalam lintasan zig-zag, dan kecepatan maju rata-ratanya, yaitu kecepatan hanyut, sangat kecil. OpenStax menghitungnya untuk kawat tembaga rumah berdiameter 2.053 mm yang dialiri 20 A: sekitar 0.45 mm per detik. Jadi, elektron memerlukan lebih dari setengah jam untuk berpindah satu meter. Namun, lampu langsung menyala saat sakelar ditekan. Dorongan merambat sepanjang kawat hampir secepat cahaya, karena kawat sudah penuh dengan elektron bebas. Ketika elektron di satu ujung mulai bergerak, elektron di bagian lain ikut bergerak, seperti air dalam selang yang penuh.
Tegangan: energi untuk setiap coulomb
Harus ada sesuatu yang mendorong muatan mengelilingi rangkaian. Baterai melakukan usaha pada setiap coulomb yang melewatinya. Energi yang diberikan kepada setiap coulomb disebut tegangan, diukur dalam volt: 1 V = 1 joule per coulomb. Sel 1.5 V memberikan 1.5 J kepada setiap coulomb. Aki mobil 12 V memberikan 12 J per coulomb, sehingga pemindahan 5 C menghasilkan 60 J. Tegangan selalu merupakan selisih antara dua titik, sehingga disebut juga beda potensial. Potensial naik di dalam baterai dan turun pada lampu serta resistor di bagian lain rangkaian, tempat energi berubah menjadi cahaya dan kalor.
Perumpamaan air bisa membantu. Baterai seperti pompa yang mengangkat air; tegangan seperti ketinggian yang dicapai air. Arus adalah banyaknya air yang mengalir setiap detik. Pipa sempit yang menghambat aliran berperan sebagai hambatan. Perumpamaan ini punya keterbatasan, tetapi menjelaskan mengapa tegangan lebih besar menghasilkan arus lebih besar melalui pipa yang sama.
Hambatan: penghalang arus
Saat elektron bebas bergerak, elektron menumbuk atom bahan dan menyerahkan energi sehingga bahan menghangat. Perlawanan terhadap arus ini disebut hambatan R, diukur dalam ohm (Ω). Besar hambatan kawat bergantung pada bahan, panjang, dan ketebalannya: R = ρL ÷ A, dengan ρ sebagai hambatan jenis bahan. Kawat lebih panjang memiliki hambatan lebih besar; kawat lebih tebal memiliki hambatan lebih kecil. Tabel menunjukkan beberapa hambatan jenis dari OpenStax. Tembaga digunakan untuk kabel karena hanya perak yang lebih baik, dan perak jauh lebih mahal. Nikrom, dengan hambatan jenis sekitar 58 kali tembaga, digunakan sebagai kumparan berpijar pada pemanggang roti dan pemanas.
| Bahan | Hambatan jenis ρ (Ω·m) |
|---|---|
| Perak | 1.59 × 10⁻⁸ |
| Tembaga | 1.72 × 10⁻⁸ |
| Emas | 2.44 × 10⁻⁸ |
| Aluminium | 2.65 × 10⁻⁸ |
| Tungsten | 5.6 × 10⁻⁸ |
| Besi | 9.71 × 10⁻⁸ |
| Nikrom | 100 × 10⁻⁸ |
Masukkan angka untuk 10 m kawat tembaga rumah tadi. Luas penampangnya π × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m², sehingga R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ω. Itulah sebabnya kawat penghubung biasanya boleh dianggap tanpa hambatan, seperti dalam laboratorium rangkaian.
Seret untuk memutar. Gulir atau rapatkan dan renggangkan dua jari untuk mengatur zoom.
| Arus I | Muatan per detik, dalam ampere: 1 A = 1 C/s |
| Tegangan V | Energi per coulomb, dalam volt: 1 V = 1 J/C |
| Hambatan R | Perlawanan terhadap arus, dalam ohm (Ω) |
| Arus konvensional | Dari + ke − di luar baterai |
| Aliran elektron | Dari − ke + di luar baterai |
| R = ρL ÷ A | Kawat lebih panjang, R lebih besar; kawat lebih tebal, R lebih kecil |
- I = ΔQ ÷ Δt; 1 A = 1 C/s.
- Arus konvensional mengalir dari + ke −; elektron dalam kawat bergerak dari − ke +.
- Elektron bergerak lambat (di bawah 1 mm/s), tetapi dorongannya merambat hampir secepat cahaya.
- Tegangan adalah energi per coulomb: 1 V = 1 J/C.
- R = ρL ÷ A; kawat tembaga memiliki hambatan sangat kecil.
- 720 C melewati motor starter dalam 4.00 s. Berapa kuat arusnya dalam ampere?
- Ponsel diisi daya dengan arus 2 A selama satu jam (3600 s). Berapa coulomb yang mengalir?
- Kalkulator menggunakan arus 0.300 mA. Berapa detik untuk mengalirkan 1 C? (bilangan bulat)
- Dalam kawat tembaga di luar baterai, elektron bergerak:
- Dari − ke +
- Dari + ke −
- Elektron tidak bergerak
- Mengapa lampu langsung menyala padahal kecepatan hanyut elektron di bawah 1 mm/s?
- Kawat sudah penuh dengan elektron yang mulai bergerak bersama
- Elektron melompat dari sakelar ke lampu
- Lampu menyimpan cahaya
- Baterai 12 V memindahkan 5 C. Berapa joule energi yang diberikannya pada muatan itu?
- Kawat mana yang hambatannya paling besar? Semuanya terbuat dari tembaga.
- Panjang dan tipis
- Pendek dan tebal
- Panjang dan tebal
- Pendek dan tipis
- Berapa hambatan 10 m kawat tembaga berdiameter 2.053 mm dalam ohm? (tiga angka desimal, ρ = 1.72 × 10⁻⁸ Ω·m)
- Logam mana dalam tabel yang paling baik menghantarkan listrik?
- Perak
- Tembaga
- Emas
- Besi
- Di laboratorium, sakelar terbuka. Berapa kuat arusnya?
- 0 A
- 0.5 A
- Bergantung pada lampunya
Sumber kursus ini (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
Diperiksa: 2026-10-17