Listrik
Petir adalah contoh listrik alami yang paling dramatis
Dalam listrik, muatan menghasilkan medan elektromagnetik yang dilakukan ke muatan lainnya. Listrik muncul akibat adanya beberapa tipe fisika:Listrik adalah rangkaian fenomena fisika yang berhubungan dengan kehadiran dan aliran muatan listrik. Listrik menimbulkan berbagai macam efek yang telah umum diketahui, seperti petir, listrik statis, induksi elektromagnetik dan arus listrik. Adanya listrik juga bisa menimbulkan dan menerima radiasi elektromagnetik seperti gelombang radio.
·
muatan listrik: sifat beberapa partikel subatomik yang menentukan interaksi
elektromagnetik. Substansi yang bermuatan listrik menghasilkan dan
dipengaruhi oleh medan elektromagnetik
·
medan listrik (lihat elektrostatis): tipe medan elektromagnetik sederhana
yang dihasilkan oleh muatan listrik ketika diam (maka tidak ada arus listrik). Medan listrik menghasilkan gaya ke
muatan lainnya
·
potensial listrik: kapasitas medan listrik untuk
melakukan kerja pada sebuah muatan listrik, biasanya diukur dalam volt
·
elektromagnet: Muatan berpindah menghasilkan medan magnet. Arus listrik menghasilkan medan magnet
dan perubahan medan magnet menghasilkan arus listrik
·
elektronik yang berhubungan dengan sirkuit listrik yang melibatkan komponen listrik aktif seperti tabung vakum, transistor, diodadan sirkuit terintegrasi
Fenomena listrik telah dipelajari sejak
zaman purba, meskipun pemahaman secara teoritisnya berkembang lamban hingga
abad ke-17 dan 18. Meski begitu, aplikasi praktisnya saat itu masih sedikit,
hingga di akhir abad ke-19 para insinyur dapat memanfaatkannya pada industri dan rumah
tangga. Perkembangan yang luar biasa cepat pada teknologi listrik mengubah
industri dan masyarakat. Fleksibilitas listrik yang amat beragam menjadikan
penggunaannya yang hampir tak terbatas seperti transportasi, pemanasan,penerangan, telekomunikasi, dan komputasi. Tenaga listrik saat ini adalah tulang punggung
masyarakat industri modern.[1]
SEJARAH
Thales, ilmuwan pertama yang meneliti listrik
Jauh sebelum pengetahuan tentang
listrik ada, orang pada saat itu takut akan kejutan dari ikan listrik. Penduduk Mesir Kuno dari zaman 2750 BC menyebut ikan ini sebagai
"Guntur dari Nil", dan menganggap mereka sebagai "pelindung" dari semua ikan
lainnya. Ikan listrik kemudian juga dilaporkan satu milenium kemudian
oleh Yunani Kuno, Kekaisaran Romawi dan para naturalis Arab.[2] Beberapa penulis kuno, sepertiPlinius yang Tua dan Scribonius Largus, membuktikan efek mati rasa sengatan listrik dari lele dan pari torpedo, dan tahu bahwa kejutan listrik
tersebut dapat mengalir melalui benda berkonduktansi.[3] Pasien yang terkena pirai atau sakit kepala juga diarahkan untuk memegang
ikan listrik dengan harapan bahwa kejutan yang kuat tersebut mampu menyembuhkan
mereka.[4] Kemungkinan pendekatan awal dan paling
dekat kepada penemuan listrik dari sumber lainnya adalah kepada orang-orang
Arab, di mana sebelum abad ke-15 mereka telah memiliki kataberbahasa Arab untuk petir (raad)
ke pari listrik.[5]
Beberapa budaya kuno sekitar Mediterania mengetahui bahwa beberapa benda,
seperti batang ambar, dapat digosok dengan bulu kucing untuk menarik benda ringan seperti
bulu. Thales membuat beberapa observasi pada listrik statis sekitar tahun 600 BC, di mana ia
percaya bahwa friksi yang dihasilkan amber magnetik, kebalikan dari minerak seperti magnetit yang tidak perlu digosok.[6][7] Thales saat itu belum benar bahwa tarik-menarik
disebabkan oleh efek magnet, namun sains kemudian membuktikan adanya hubungan
antara magnetisme dan listrik. Menurut sebuah teori kontroversial,
orang-orang Parthia mungkin telah memiliki pengetahuan tentang elektroplating, berbasis pada penemuan Baghdad Battery tahun 1936 yang menyerupai sel galvani, meskipun belum diketahui apakah
artefak itu berlistrik di alam.[8]
Benjamin Franklinmelakukan penelitian ekstensif tentang
listrik di abad ke-18, didokumentasikan olehJoseph Priestley (1767) History and
Present Status of Electricity, dengannya Franklin melakukan korespondensi
lanjutan.
Listrik tetap hanya menjadi bahan
keingintahuan selama satu milenium hingga tahun 1600, ketika ilmuwan
Inggris William Gilbert membuat studi khusus mengenai
listrik dan magnetisme, membedakan efek lodestone dari listrik statis yang
dihasilkan dengan menggosok ambar.[6] Ia mengajukan kata Latin Baru electricus ("seperti
amber", seperti ἤλεκτρον, elektron, kata Yunani Kuno untuk "amber") untuk
merujuk pada sifat menarik benda ringan setelah digosok.[9] Kata ini akhirnya diserap dalam bahasa Inggris
"electric" dan "electricity", yang pertama kali muncul pada
tulisan cetak pada tulisan milik Thomas Browne, Pseudodoxia Epidemica, tahun 1646.[10]
Karya berikutnya yang dilakukan
oleh Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray dan C. F. du Fay. Di abad ke-18, Benjamin Franklinmelakukan penelitian ekstensif pada
kelistrikan. Bulan Juni 1752 ia berhasil menempelkan kunci logam ke bagian
dasar senar layang yang dibasahi dan menerbangkan layang tersebut di langit
berbadai.[11] Adanya kilatan yang meloncat dari kunci ke
tangannya menunjukkan bahwakilat adalah listrik di alam.[12]
Tahun1791,LuigiGalvani mempublikasikan penemuan biolistrik, menunjukkan bahwa listrik merupakan medium di
mana sel saraf memberikan signal ke otot.[13] Baterai Alessandro Volta atau tumpukan volta pada tahun 1800, dibuat dari
lapisan seng dan tembaga, sehingga memberikan sumber yang lebih dipercaya bagi
para ilmuwan bagi sumber energi listrik daripada mesin elektrostatis yang sebelumnya digunakan.[13] Dikenalnyaelektromagnetisme, kesatuan fenomena listrik dan
magnetik, adalah karya Hans Christian Ørsted dan André-Marie Ampère tahun 1819–1820; Michael Faraday menemukan motor listrik tahun 1821, dan Georg Ohmmenganalisis secara matematis sirkuit listrik tahun 1827.[13] Listrik dan magnet (dan cahaya)
dihubungkan olehJames Clerk Maxwell, pada tulisannya "On Physical Lines of Force" tahun 1861 dan 1862.[14]
Di awal abad ke-19 mulai ada
perkembangan yang cepat dalam ilmu kelistrikan. Beberapa penemu sepertiAlexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, Lord Kelvin,Sir Charles Parsons, Ernst Werner von
Siemens, Joseph Swan, Nikola Tesla dan George Westinghouse, listrik berubah dari keingintahuan sains menjadi
peralatan berguna untuk kehidupan modern, menjadi penggerak bagi Revolusi Industri
Kedua.[15]
Tahun 1887, Heinrich Hertz[16]:843–844[17] menemukan bahwa elektroda yang teriluminasi dengan cahaya ultraviolet
dapatmenghasilkan percikan listrik lebih mudah. Tahun 1905 Albert Einstein mempublikasikan tulisan yang
menjelaskan data percobaan dari efek fotolistrik sebagai hasil dari energi
cahaya yang dibawa pada discrete quantized packets, menghidupkan elektron.
Penemuan ini mengantarkan pada revolusi kuantum. Einstein mendapatkan Hadiah Nobel bidang Fisika tahun 1921 untuk "penemuannya dalam hukum efek
fotolistrik".[18] Efek fotolistrik juga digunakan dalam fotosel seperti yang bisa ditemukan
pada panel surya dan bisa digunakan untuk
memproduksi listrik secara komersial.
Alat solid-state pertama adalah detektor "cat's whisker", pertama kali digunakan tahun
1900an di penerima radio. Kawat menyerupai kumis ditempatkan berkontak dengan
kristal padat (seperti kristal germanium) untuk mendeteksi signal radio dengan efek simpang
kontak.[19] Pada komponen bentuk padat, arus listrik dibatasi oleh elemen padat dan
senyawa direkayasa spesifik untuk menghidupkan dan memperkuatnya. Aliran arus
dapat dipahami dalam 2 bentuk: sebagai elektron bermuatan negatif dan elektron kekurangan muatan positif yang
disebut lubang. Muatan dan lubang ini dapat dipahami pada fisika kuantum. Material
pembangunnya biasanya adalah kristalin semikonduktor.[20][21]
Komponen bentuk-padat kemudian
berkembang dengan munculnya transistor tahun 1947. Beberapa komponen bentuk padat yang
umum adalah transistor, chip mikroprosesor, dan RAM. Sebuah tipe khusus dari RAM
disebut flash RAM digunakan pada flash drives. Selain itu, solid-state drive saat ini digunakan untuk
menggantikan cakram keras yang berputar mekanis. Komponen
bentuk padat mulai populer tahun 1950-an dan 1960-an, transisi dari tabung vakum ke dioda semikonduktor, transistor, sirkuit terintegrasi (IC) dandiode pancaran cahaya (LED).
Adanya muatan akan menghasilkan gaya
elektrostatis: muatan memberikan gaya pada muatan lainnya, sebuah efek yang diketahui
sejak zaman kuno.[16]:457 Sebuah bola ringan yang digantung
dari senar dapat diberi muatan dengan menyentuhkannya dengan pengaduk kaca yang
telah dimuati dengan menggosokkannya pada kain. Jika ada bola yang sama dimuati
dengan pengaduk kaca yang sama, maka akan menolak bola pertama: muatan bekerja
pada kedua bola. Dua bola yang dimuati dengan batang amber yang digosok juga
menolak satu sama lain. Namun, jika satu bola dimuati oleh pengaduk kaca, dan
lainnya dengan batang amber, kedua bola ini akan tarik menarik. Fenomena ini
kemudian diinvestigasi di akhir abad ke-18 oleh Charles-Augustin de
Coulomb. Penemuan ini kemudian memunculkan aksiom yang terkenal: muatan
sejenis akan tolak-menolak dan muatan berlawanan jenis akan tarik-menarik.[16]
Gaya yang bekerja pada partikel akan
memberi muatan pada partikel itu sendiri, maka muatan akan memiliki
kecenderungan untuk tersebar berlipat ganda pada permukaan berkonduksi.
Besarnya gaya elektromagnetik, entah tarik-menarik atau tolak-menolak,
dituliskan dalam Hukum Coulomb, yang menghubungkan gaya dengan hasil
kali muatan dan memiliki hubungan kuadrat terbalik dengan jarak antar keduanya.[22][23]:35Gaya elektromagnetik sangat kuat, hanya
berada di belakang gaya nuklir kuat,[24] namun ia bergerak ke semua arah.[25] Sebagai perbandingan dengan gaya gravitasi yang jauh lebih lemah, gaya
elektromagnetik akan mendorong kedua elektron terpisah 1042 kali
daripada gaya tarik-menarik gravitasi yang saling menarik mereka.[26]
Studi telah menunjukkan bahwa sumber
muatan adalah dari tipe partikel subatomik tertentu yang memiliki sifat
muatan listrik. Muatan listrik menimbulkan dan berinteraksi dengan gaya elektromagnetik, satu dari empat interaksi dasar di alam. Pembawa paling umum dari
muatan listrik adalah elektron dan proton. Penelitian menunjukkan bahwa muatan adalah kekekalan kuantitas, artinya muatan bersih antara sebuah sistem terisolasi akan selalu konstan tanpa memperhatikan perubahan
yang terjadi pada sistem tersebut.[27] Dalam sistem, muatan dapat berpindah antar tubuh,
entah melalui kontak langsung atau dilewatkan material berkonduksi seperti
kawat.[23]:2–5 Sebutan listrik statis merujuk pada adanya muatan bersih
pada suatu benda, biasanya disebabkan oleh kedua material berbeda yang digosok
bersamaan, menyebabkan perpindahan muatan dari satu benda ke benda lainnya.
Muatan pada elektron dan proton
berlainan tanda, maka jumlah muatan dapat diekspresikan negatif atau positif.
Dengan konvensi, muatan yang dibawa elektron ditulis negatif, dan proton
positif, sebuah kesepakatan yang berasal dari kerja Benjamin Franklin.[28] Jumlah muatan biasanya diberi simbol Q dan
satuannya coulomb;[29] tiap elektron membawa muatan yang sama kira-kira
−1.6022×10−19 coulomb. Jika proton memiliki muatan yang sama
dan berlainan, maka muatannya +1.6022×10−19 coulomb. Muatan
tidak hanya dimiliki oleh materi, namun juga antimateri, tiap antipartikel memiliki hubungan muatan yang
sama dan berlawanan dengan partikel lainnya.[30]
Muatan dapat diukur dengan beberapa
cara, salah satu instrumen awal adalah elektroskop berdaun-emas, yang saat ini masih digunakan untuk demonstrasi di
kelas, telah digantikan oleh elektrometer elektronik.[23]:2–5
Perpindahan muatan listrik dikenal
dengan nama arus listrik, besarnya diukur dalam ampere. Arus dapat terdiri dari partikel bermuatan apapun yang berpindah; biasanya
adalah elektron, namun muatan apapun yang berpindah menghasilkan arus.
Menurut konvensi lama, arus positif
didefinisikan sebagai yang memiliki arah yang sama dari aliran muatan positif
yang dikandungnya, atau aliran dari bagian paling positif dari sirkuit ke
bagian paling negatif. Saat ini disebut dengan arus konvensional. Gerakan elektron bermuatan negatif di sekitar sirkuit listrik, maka dianggap positif pada arah
"berlawanan" dari elektron tersebut.[31] Meski begitu, tergantung kondisinya, arus listrik
dapat terdiri dari aliran partikel bermuatan dari salah satu arah, atau bahkan
bersamaan dari kedua arah. Konvensi positif ke negatif digunakan luas untuk
menyederhanakan kondisi ini.
Api listrik memberikan demonstrasi energi
dari arus listrik
Proses ketika arus listrik melewati
material disebut konduksi listrik, dan sifatnya bervariasi tergantung dari partikel
bermuatan dan material yang mereka lewati. Contoh arus listrik misalnya
konduksi logam, di mana elektron mengalir melalui konduktor listrik seperti logam, danelektrolisis, di mana ion (atom bermuatan) mengalir melalui cairan atau plasma. Ketika partikel itu sendiri dapat berpindah agak
lambat,medan listrik yang menggerakkan mereka dapat
memperbanyak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, memungkinkan signal lsitrik untuk
lewat dengan cepat pada kawat.[32]
Arus akan menyebabkan beberapa
pengaruh. Air bisa terdekomposisi melalui arus dari tumpukan volta, ditemukan oleh Nicholson danCarlisle tahun 1800, proses ini sekarang dikenal dengan elektrolisis. Hasil karya mereka kemudia
dikembangkan Michael Faraday tahun 1833. Arus yang
melalui resistansi listrik akan menyebabkan panas, efek yang
dipelajari matematis oleh James Prescott Joule tahun 1840.[23]:23–24 Salah satu penemuan terpenting
dalam ilmu tentang arus oleh Hans Christian Ørsted tahun 1820, ketika ia menyaksikan
arus dalam kawat menganggu kerja jarum kompas magnet.[33] Ia menemukan elektromagnetisme, interaksi dasar antara listrik dan
magnet. Tingkat keluaran elektromagnetik yang dihasilkan api listrik cukup tinggi untuk
menghasilkan gangguan elektromagnet yang bisa menganggu kerja alat.[34]
Pada teknik atau aplikasi rumah tangga,
arus seringkali dijelaskan dalam arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC). Sebutan ini merujuk pada
bagaimana arus bervariasi terhadap waktu. Arus searah, diproduksi sebagai
contoh dari baterai dan diperlukan oleh hampir seluruh peralatan elektronik, adalah aliran dari bagian positif sirkuit ke bagian
negatif.[35]:11 Aliran ini biasanya dibawa oleh
elektron, mereka akan berpindah melalui arah berlawanan. Arus bolak-balik
adalah arus yang berbalik arah berulang-ulang; hampir selalu membentuk gelombang sinus.[35]:206–207 Arus bolak-balik akan bergetar
bolak-balik dalam konduktor tanpa tanpa muatan berpindah tiap jarak seiring
waktu. Nilai waktu rata-rata arus bolak balik adalah nol, namun energi akan
dikeluarkan pada satu arah, kemudian kebalikannya. Arus bolak-balik dipengaruhi
oleh sifat-sifat listrik yang tidak dapat dilihat pada arus searah keadaan
tunak, seperti induktansi dan kapasitansi.[35]:223–225 Sifat-sifat ini menjadi penting
ketika rangkaian ditujukan pada respon transien, seperti ketika pertama kali diberi energi.
Medan listrik
Konsep medan listrik pertama kali diperkenalkan
oleh Michael Faraday. Medan listrik tercipta dari benda
bermuatan di ruang yang mengelilinginya, dan menghasilkan gaya yang diberikan
pada muatan manapun yang berada pada cakupan medan tersebut. Medan listrik
bekerja di antara 2 muatan dengan perilaku yang serupa dengan medan gravitasi
bekerja di antara 2 massa, dan akan berbanding kuadrat terbalik dengan jarak.[25] Namun, ada perbedaan di antara
keduanya. Gravitasi selalu bekerja tarik menarik, menarik kedua massa bersama,
sedangkan medan listrik bisa menghasilkan tarikan atau tolakan. Ketika objek
besar seperti planet umumnya tidak membawa muatan bersih, medan listrik pada
jarak tertentu nilainya nol. Oleh karena itu gravitasi menjadi dominan di alam
semesta, meskipun jauh lebih lemah.[26]
Garis gaya
keluar dari muatan positif diatas bidang konduktor
Sebuah medan listrik umumnya beragam
pada suatu ruang,[36] dan kekuatannya pada satu titik didefiniskan
sebagai gaya (per satuan muatan) yang mengenai muatan diam imajiner jika
diletakkan pada titik tersebut.[16]:469–470 Konsep ini, dinamai 'muatan tes', haruslah sangat kecil untuk
menghindari medan listriknya sendiri menganggu medan utama dan juga harus diam
untuk menghindari efek medan magnet. Karena medan listrik didefiniskan
dalam gaya, dan gaya adalah vektor, maka medan listrik juga vektor, memiliki besaran dan arah. Secara spesifik, medan listrik adalah medan vektor.[16]:469–470
Studi mengenai medan listrik diciptakan
oleh muatan diam yang disebut elektrostatis. Medan dapat divisualisasikan dengan
set garis imajiner yang arahnya pada semua titik adalah sama dengan medan
tersebut. Konsep ini pertama kali diperkenalkan Faraday,[37] di mana kata 'garis gaya' terkadang masih digunakan. Garis
medan adalah jalur-jalur titik tempat muatan positif akan terlihat seperti
dipaksa untuk berpindah di dalam medan tersebut; namun ini hanyalah konsep
imajiner tanpa keberadaan yang sesungguhnya. Medan menembus semua ruang di
antara garis-garis tersebut.[37] Garis gaya terpancar dari muatan
diam memiliki beberapa sifat: pertama, mereka berawal dari muatan positif dan
berakhir pada muatan negatif. Kedua, mereka harus masuk ke konduktor manapun
pada sudut yang benar, ketiga, mereka tidak boleh memotong atau berdekatan
antara satu sama lain.[16]:479
Objek berkonduksi berongga membawa
semua muatannya pada permukaan. Maka medan di dalam objek bernilai nol.[23]:88 Ini merupakan prinsip
operasi sangkar Faraday, kerangka logam berkonduksi yang
mengisolasi dalamnya dari efek listrik dari luar.
Prinsip elektrostatis sangat penting
ketika mendesain peralatan dengan voltase tinggi. Ada batas medan listrik tertentu yang
dapat ditahan oleh medium apapun. Diatas titik ini, akan terjadi kegagalan listrik dan percikan api dan terjadi flashover di antara
bagian yang bermuatan. Udara, misalnya, cenderung akan muncul percikan di
sepanjang celah kecil pada medan listrik diatas 30 kV per sentimeter. Jika
celahnya diperbesar, maka kekuatan breakdown juga melemah, sekitar 1 kV
per sentimeter.[38] Paling mudah bisa dilihat padakilat, terjadi ketika muatan menjadi terpisah di awan dengan naiknya kolom udara
dan menaikkan medan listrik di udara hingga lebih besar dari yang bisa ditahan.
Voltase dari awan kilat yang besar bisa mencapai 100 KV dan bisa mengeluarkan
energi hingga 250 kWh.[39]
Kekuatan medan sangat dipengaruhi oleh
objek berkonduksi di dekatnya, terutama menjadi besar ketika dipaksa untuk
melekuk disekitar titik objek. Asas ini kemudian dipelajari pada konduktor kilat, ujung tajam yang di mana mendorong kilat untuk terarah
kesitu, dan bukan ke gedung yang dilindunginya.[40]:155
Potensial
listrik
Sepasang baterai AA. Tanda + menunjukkan polaritas perbedaan
potensial di antara kutub-kutub baterai.
Konsep dari potensial listrik sangat
berhubungan dekat dengan medan listrik. Sebuah muatan yang diletakkan dalam
sebuah medan listrik akan mendapat gaya, dan akan membuat membuat muatan
melawan gaya tersebut yang membutuhkan kerja. Potensial listrik pada tiap titik didefinisikan sebagai
energi yang dibutuhkan untuk membawa sebuah muatan dari jarak tak terbatas ke titik tersebut. Diukur dalam
satuan volt yang berarti satu volt adalah potensial di mana harus dihasilkan
kerja 1 joule untuk membawa muatan sebesar 1 coulomb dari jarak tak terhingga.[16]:494–498 Definisi potensial ini hanya
sedikit memiliki kegunaan, dan konsep yang lebih sering dipakai adalahperbedaaan potensial listrik yaitu energi yang dibutuhkan
untuk memindahkan sebuah muatan antara 2 titik tertentu. Sebuah medan listrik
memiliki karakteristik khusus yaitu konservatif di mana jalur yang dilewati muatan tidak
berhubungan: semua jalur antara 2 titik tertentu menghabiskan energi yang sama,
maka nilai perbedaan potensial dapat ditentukan.[16]:494–498
Pada praktiknya, biasanya didefinisikan
titik referensi di mana potensial dapat dinyatakan dan dibandingkan. Karena
harus ditentukan maka acuan yang paling umum digunakan adalah bumi itu sendiri, yang diasumsikan memiliki potensial yang sama di
manapun. Titik acuan ini biasanya diambil dari bumi. Bumi diasumsikan memiliki jumlah muatan negatif dan positif yang sama
banyak dan tak terbatas, maka tak dapat dialiri listrik.[41]
Potensial listrik adalah besaran skalar yang berarti hanya memiliki nilai dan tidak
memiliki arah. Dapat dianalogikan dengan tinggi: ketika sebuah objek yang dilontarkan akan jatuh pada ketinggian yang
berbeda akibat medan gravitas maka muatan akan 'jatuh' melalui tegangan yang
disebabkan oleh medan listrik.[42] Pada peta relief menunjukkan garis kontur menandai titik-titik pada
ketinggian yang sama, sekelompok garis menandai titik-titik dengan potensial
yang sama (atau ekuipotensial) dapat digambarkan di sekitar objek
bermuatan elektrostatis. Ekuipotensial akan memotong semua garis gaya pada
sudut siku. Ekuipotensial juga harus terletak paralel dengan permukaan
[[konduktor listrik|konduktor, jika tidak maka akan menghasilkan gaya yang
dapat membawa muatan sampai bahkan potensial pada permukaan.
Medan listrik secara formal
didefinisikan sebagai gaya yang diberikan per atuan muatan, namun konsep dari
potensial memberikan definisi yang lebih baik: medan listrik adalahgradien lokal dari potensial listrik. Diukur dalam volt per meter, arah
vektor dari medan listrik adalah garis kemiringan terbesar dari potensial, di
mana ekuipotensial terletak paling dekat bersamaan.[23]:60
Elektromagnet
Medan magnet
melingkari arus
Penemuan Ørsted pada tahun 1821
bahwa medan magnet ada pada semua sisi kawat yang
membawa arus listrik menandakan bahwa ada hubungan langsung antara listrik dan
magnet. Ditambah lagi, interaksi antar keduanya tampak berbeda dari gaya
gravitasi dan elektrostatis. Gaya pada jarum kompas tidak mengarah pada arah
yang sama atau kebalikan, namun arahnya tegak lurus terhadap arus.[33] Gaya ini juga tergantung dari
arah arus, jika arah alirannya dibalik, maka gayanya juga terbalik.[43]
Ørsted belum memahami dengan benar
penemuannya, namun ia meneliti bahwa efek ini bersifat kebalikan: sebuah arus
menghasilkan gaya pada magnet dan medan magnet menghasilkan gaya pada arus.
Fenomena ini nantinya akan diteliti lebih lanjut oleh Ampère, yang menemukan bahwa 2 kawat paralel
berarus akan menghasilkan gaya satu sama lain: dua kawat mengonduksi arus pada
arah yang sama akan tarik-menarik, sedangkan kawat yang arusnya berlawanan arah
akan tolak menolak.[44] The interaction is mediated by
the magnetic field each current produces and forms the basis for the
international definition of the ampere.[44]
Motor listrik
menggunakan prinsip elektromagnet: arus melalui medan magnet akan mendapat gaya
pada sudut tegak lurus dari medan dan arus
Hubungan antara medan magnet dan arus
sangat penting, hal ini akan mengacu pada penemuanmotor listrik oleh Michael Faraday tahun
1821. Motor homopolar Faraday terdiri dari magnet permanen yang terletak pada pul raksa. Arus dilewatkan melalui kawat yang digantung dari poros diatas magnet dan
dicelupkan ke dalam raksa. Magnet akan memberikan gaya tangensial pada kawat,
membuat kawat mengelilingi magnet selama arus mengalir.[45]
Percobaan oleh Faraday tahun 1831
membuktikan bahwa kawat bergerak tegak lurus terhadap medan magnet akan
menghasilkan perbedaan potensial di antara ujung-ujungnya. Penelitian lebih
lanjut dari proses ini, disebut dengan induksi elektromagnetik, memunculkan Hukum induksi Faraday, yang menyatakan bahwa perbedaan
potensial yang diinduksi pada rangkaian tertutup akan berbanding lurus dengan perubahan
kecepatan fluks magnet sepanjang rangkaian. Pemanfaatan
lebih lanjut dari penemuan ini membuatnya menemukan generator listrik pertama tahun 1831, di mana ia
mengubah energi mekanik dari cakram tembaga yang berputar menjadi energi
listrik.[45] Cakram Faraday tidak efisien dan tidak digunakan
sebagai generator sesungguhnya, namun ia menunjukkan adanya kemungkinan
membangkitkan energi listrik menggunakan magnet.
Elektrokimia
Fisikawan Italia Alessandro Voltamenunjukkan "baterainya" kepada Kaisar Perancis Napoleon Bonapartedi awal abad ke-19.
Kemampuan reaksi kimia untuk
menghasilkan listrik, serta kemampuan listrik untuk menjalankan reaksi kimia
telah banyak membawa manfaat.
Elektrokimia merupakan bagian penting
dari listrik. Dari awal penemuan tumpukan volta, sel elektrokimia telah berkembang menjadi berbagai macam baterai,
elektroplating, dan sel elektrolisis. Aluminium diproduksi dalam jumlah besar saat ini dan banyak
peralatan ditenagai dengan sel yang dapat diisi ulang.
Rangkaian
listrik
Rangkaian listrik sederhana.Sumber tegangan V di sebelah kiri akan
menghasilkan arus listrik I di sekitar
rangkaian, memberikan energi listrik ke resistor R. Dari resistor, arus akan kembali ke sumber, sehingga
menjadi satu rangkaian.
Rangkaian listrik adalah interkoneksi
beberapa komponen listrik sehingga muatan listrik dibuat berpindah melalui
jalur tertutup (rangkaian), biasanya digunakan untuk melakukan tujuan tertentu.
Komponen dalam rangkaian listrik dapat
terdiri dari berbagai macam elemen seperti resistor, kapasitor, sakelar, transformator danelektronika. Rangkaian listrik terdiri dari komponen aktif, biasanya semikonduktor, dan biasanya berjalan non-linear, membutuhkan analisis kompleks.
Komponen listrik paling sederhana adalah komponen-komponen pasif dan linear: ketika mereka dapat menyimpan energi
sementara, mereka tidak punya sumbernya, dan akan memperlihatkan respon linear
jika diberi stimulus.[46]:15–16
Resistor adalah salah satu elemen rangkaian pasif: resistor akan menghambat arus yang melaluinya, melepaskan
energinya sebagai panas. Hambatan muncul akibat gerak muatan melalui konduktor:
pada logam, misalnya, hambatan disebabkan karena tabrakan antara elektron dan
ion. Hukum Ohm adalah hukum dasar mengenai teori rangkaian, menyatakan bahwa rangkaian yang melewati hambatan
berbanding lurus dengan perbedaan potensialnya. Hambatan pada sebagian besar
material relatif konstan terhadap berbagai range suhu dan
arus. Ohm, satuan hambatan, diambil dari fisikawan Georg Ohm, dilambangkan dengan huruf Yunani Ω. 1 Ω adalah
hambatan yang akan menghasilkan perbedaan potensial 1 volt jika diberikan arus
satu ampere.[46]:30–35
Kapasitor adalah pengembangan Leyden jar dan merupakan alat
yang dapat menyimpan muatan sehingga menyimpan energi listrik dalam medan resultan.
Kapasitor terdiri dari 2 pelat berkonduksi dipisahkan oleh lapisan dielektrik terinsulasi. Dalam kenyataannya, kertas logam
tipis digulung bersama, meningkatkan luas permukaan per satuan volume dan
meningkatkan kapasitansi. Satuan kapasitansi adalahfarad, diambil dari nama fisikawan Michael Faraday, dan diberi simbol F: satu
farad adalah kapasitansi yang memberikan perbedaan potensial 1 volt ketika
menyimpan muatan sebesar 1 coulomb. Kapasitor awalnya terhubung dengan catu
daya akan menimbulkan arus listrik dan mengumpulkan muatan; arus ini akan
terputus ketika kapasitor telah terisi penuh. Maka kapasitor tidak beroperasi
dalam aruskeadaan tunak (steady state), tetapi
malah membloknya.[46]:216–220
Induktor, biasanya berupa gulungan kawat, menyimpan energi pada medan magnet
sebagai respon atas arus yang melewatinya. Ketika terjadi perubahan arus, maka
medan magnet akan berubah, menginduksi tegangan antara ujung-ujung
konduktor. Tegangan terinduksi berbanding lurus dengan perubahan arus terhadap waktu. Perbandingan ini disebut dengan induktansi. Satuan dari induktansi adalah henry, dinamai dari fisikawan Joseph Henry. Satu henry adalah induktansi yang
akan menginduksi perbedaan potensial sebesar 1 volt jika arus yang melewati
berubah dengan kecepatan 1 ampere per detik. Perilaku induktor agak kebalikan
dengan kapasitor: beroperasi pada arus tetap, namun tidak bia jika arus berubah
sangat cepat.[46]:226–229
Tenaga listrik
Tenaga listrik adalah kecepatan energi listrik berpindah melalui rangkaian listrik. Satuan SI dari tenaga adalah watt, satu joule per detik.
Tenaga listrik, seperti tenaga mekanik, adalah seberapa cepatnya
melakukan kerja, terukur dalam watt dan dilambangkan dengan huruf P. Tenaga listrik
dihasilkan dari arus listrikI terdiri dari muatan Q coulomb
tiap t detik melewati perbedaan potensial listrik (voltase) V adalah
where
Pembangkit listrik biasanya menggunakan generator listrik, namun juga bisa berasal dari sumber
kimia seperti baterai listrik atau sumber lain. Tenaga listrik biasanya
disalurkan ke rumah tangga dan bisnis oleh industri tenaga listrik. Listrik biasanya dijual dalam satuan kilowatt jam (3.6 MJ) yang merupakan hasil
kali daya dalam kilowatt dikali lamanya waktu dalam jam. Utilitas listrik
mengukur daya menggunakan meteran listrik, yang terus menyimpan total energi listrik yang
digunakan oleh pelanggan.
Elektronika
Elektronika berhubungan dengan rangkaian listrik yang berisi komponen aktif seperti tabung vakum, transistor, dioda dan sirkuit terintegrasi. Sifat nonlinear dari komponen aktif dan
kemampuannya untuk mengontrol aliran elektron membuat penguatan signal lemah
menjadi mungkin dan elektronika secara luas digunakan pada pemrosesan informasi, telekomunikasi, dan pemrosesan sinyal. Kemampuan peralatan elektronik untuk
menjadi sakelar memungkinkan pemrosesan informasi digital. Ditambah teknologi papan rangkaian, pengemasan elektronik, dan berbagai bentuk rangkaian
infrastruktur komunikasi, mengubah komponen yang terpisah-pisah menjadi satu
sistem kesatuan kerja.
Saat ini, sebagian besar peralatan
elektronik menggunakan komponen semikonduktor untuk mengontrol elektron. Studi
mengenai peralatan semikonduktor dan teknologinya adalah cabang dari fisika fasa padat, di mana mempelajari desain dan konstruksi rangkaian elektronik untuk menyelesaikan
permasalahan-permasalahan teknik elektronika.
Gelombang
elektromagnetik
Faraday dan Ampère menunjukkan bahwa
medan magnet yang berubah terhadap waktu berperan sebagai sumber medan listrik, dan medan listrik yang berubah
terhadap waktu juga sebagai sumber medan magnet. Maka, ketika salah satu medan
berubah terhadap waktu, maka medan lainnya juga terinduksi.[16]:696–700 Fenomena ini adalah sifat-sifatgelombang dan disebut sebagai gelombang
elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik pertama kali diteliti
oleh James Clerk Maxwell tahun 1864. Maxwell mengembangkan
beberapa persamaan yang menjelaskan hubungan antara medan listrik, medan
magnet, muatan listrik, dan arus listrik. Ia juga dapat membuktikan bahwa
gelombang dapat melintas dengan kecepatan cahaya, maka cahaya itu sendiri adalah salah
satu bentuk radiasi elektromagnetik. Hukum Maxwell, yang menggabungkan cahaya, medan, dan
muatan adalah salah satu pencapaian terpenting di bidang fisika teoretis.[16]:696–700
Maka, dari hasil kerja para peneliti
ini barang elektronik bisa mengubah signal menjadi arus berosilasi berfrekuensi tinggi, dan melalui konduktor, listrik bisa
menghantarkan dan menerima signal ini melalui gelombang radio pada jarak yang
sangat jauh.
Produksi dan
penggunaan
Alternator awal
abad 20 yang dibuat diBudapest, Hongaria, di ruangan pembangkit listrik dari stasiun tenaga air (foto olehProkudin-Gorsky, 1905–1915).
Di abad ke-6 SM, filosofis Yunani Thales melakukan percobaan dengan batang amber dan percobaan ini adalah
percobaan pertama untuk menghasilkan energi listrik. Dengan metode ini, saat
ini disebut efek triboelektrik, dapat mengangkat benda ringan dan menghasilkan
percikan, namun sangat tidak efisien.[47] Namun tidak ada perkembangan
berarti hingga abad ke-18 ketika ditemukannya tumpukan volta. Tumpukan volta
dan penerus modernnya yaitu baterai listrik menyimpan energi kimia dan bisa menghasilkan
listrik.[47] Baterai mudah digunakan dan
merupakan sumber tenaga paling umum yang ideal untuk banyak aplikasi, namun
penyimpanan energinya terbatas, dan ketika sudah habis maka harus dibuang atau
diisi ulang. Untuk kebutuhan energi listrik yang besar maka listrik harus
dihasilkan kontinu melalui jalur transmisi konduktif.
Tenaga listrik biasanya dihasilkan
dengan generator mekanik-listrik yang digerakkan
oleh uap dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil, atau panas yang dilepas dari reaksi
nuklir, atau dari sumber lain seperti energi kinetik dari angin atau air
mengalir. Turbin uap modern ditemukan oleh Sir Charles Parsons tahun 1884 saat ini menghasilkan
sekitar 80% tenaga listrik dunia dari berbagai sumber panas.
Generator ini sudah berbeda sama sekali dari generator cakram homopolar Faraday
tahun 1831, namun masih tetap menggunakan prinsip dasar elektromagnetik yang
sama yaitu konduktor yang dihubungkan ke medan magnet yang berubah akan
menginduksi perbedaan potensial di antara ujung-ujungnya.[48] Penemuan transformator di akhir abad ke-19 akhirnya bisa
membuat tenaga listrik disalurkan lebih efisien pada tegangan tinggi namun arus
rendah. Transmisi listrik yang efisien dapat membuat listrik bisa disalurkan
ke pengguna yang berjarak yang relatif jauh dari stasiun pembangkitnya.[49][50]
Tenaga angin menjadi penting di banyak negara
Karena energi listrik tidak dapat
dengan mudah disimpan dalam jumlah besar untuk memenuhi permintaan nasional,
maka listrik harus diproduksi sebanyak mungkin yang dibutuhkan.[49] Hal ini membutuhkan utilitas listrik untuk memprediksi dengan benar beban listrik dan
menjaga koordinasi dengan stasiun pembangkit. Setiap pembangkit yang dijalankan
harus memiliki cadangan untuk melindungi jaringan listrik dari gangguan dan kehilangan yang
tak terduga.
Permintaan akan listrik akan meningkat
cepat seiring modernisasi suatu negara dan berkembangnya ekonomi. Permintaan
listrik di Amerika Serikat meningkat 12% tuap tahunnya pada 3 dekade pertama
abad ke-20,[51] pertumbuhan yang saat ini juga dirasakan oleh India
atau Tiongkok.[52][53] Dari sejarahnya, tingkat permintaan listrik telah
melampaui bentuk energi lainnya.[54]:16
Keresahan lingkungan akan pembangkit listrik meningkatkan fokus pembangkitan
listrik dari energi terbaharui, seperti angin dan air.[54]:89
Penggunaan
Lampu pijar, salah satu aplikasi pertama listrik,
beroperasi denganpemanasan joule: lewatnyaarus listrik melalui hambatan listrik akan menghasilkan panas
Listrik adalah energi yang paling mudah
digunakan dan telah digunakan di sebagian besar alat dan akan terus berkembang.[55] Penemuan lampu pijar pada tahun 1870-an
menjadikan penerangan salah satu aplikasi pertama
tenaga listrik yang digunakan secara luas. Dengan begitu listrik menggantikan
penerangan dari api yang berarti jauh mengurangi risiko kebakaran pada rumah
dan pabrik.[56] Utilitas umum dipasang di banyak kota menargetkan
permintaan pasar yang berkembang untuk penerangan listrik.
Efek pemanasan joule yang muncul pada lampu juga digunakan langsung
pada pemanas listrik. Meski penggunaannya mudah dan bisa dikontrol, namun
pemanas listrik dianggap memboroskan energi, karena sebagian besar pembangkit
listrik sudah membutuhkan panas di stasiun pembangkit.[57] Beberapa negara seperti Denmark, telah mengeluarkan
aturan yang membatasi atau melarang penggunaan pemanas listrik di bangunan
baru.[58] Listrik juga merupakan sumber energi utama
untuk refrigerasi,[59] dengan pendingin udara menggambarkan permintaan listrik
yang meningkat.[60]
Listrik digunakan dalam telekomunikasi, muncul pada telegraf listrik tahun 1837 oleh Cooke dan Wheatstone. Pembangunan sistem telegrafinterkontinental dan transatlantik, pada tahun 1860-an, listrik membuat komunikasi di
seluruh dunia terhubung dalam hitungan menit. Fiber optikdan satelit komunikasi turut berperan dalam sistem
telekomunikasi, namun listrik tetap menjadi bagian utamanya.
Efek elektromagnet paling bisa dilihat
pada motor listrik yang dapat menyediakan tenaga
gerak yang bersih dan efisien. Motor diam seperti winchdapat ditenagai dengan mudah, namun
motor yang berpindah dalam penggunaannya, seperti kendaraan listrik, harus membawa sumber tenaga seperti
baterai atau mendapatkan arus dari kontak geser seperti pantograf.
Peralatan elektronik menggunakan transistor, salah satu penemuan terpenting di abad ke-20,[61] menjadi dasar dari semua rangkaian listrik modern.
Sebuah rangkaian terintegrasi modern dapat berisi milyaran transistor
mini dengan luas hanya beberapa sentimeter persegi.[62]
Berkawan dengan
listrik
Aliran listrik mengalir dari saluran
positif ke saluran negatif. Dengan listrik arus searah jika kita memegang hanya kabel
positif (tapi tidak memegang kabel negatif), listrik tidak akan mengalir ke
tubuh kita (kita tidak terkena strum). Demikian pula jika kita hanya memegang
saluran negatif.
Dengan listrik arus
bolak-balik, Listrik bisa juga mengalir ke bumi (atau lantai rumah). Hal ini
disebabkan oleh sistem perlistrikan yang menggunakan bumi sebagai acuan
tegangan netral (ground). Acuan ini, yang biasanya di pasang di dua tempat
(satu di ground di tiang listrik dan satu lagi di ground di rumah). Karena itu
jika kita memegang sumber listrik dan kaki kita menginjak bumi atau tangan kita
menyentuh dinding, perbedaan tegangan antara kabel listrik di tangan dengan
tegangan di kaki (ground), membuat listrik mengalir dari tangan ke kaki
sehingga kita akan mengalami kejutan listrik ("terkena strum").
Daya listrik dapat disimpan, misalnya
pada sebuah aki atau batere. Listrik yang kecil, misalnya yang tersimpan dalam
batere, tidak akan memberi efek setrum pada tubuh. Pada aki mobil yang besar,
biasanya ada sedikit efek setrum, meskipun tidak terlalu besar dan berbahaya.
Listrik mengalir dari kutub positif batere/aki ke kutub negatif.
Sistem listrik yang masuk ke rumah
kita, jika menggunakan sistem listrik 1 fase, biasanya terdiri atas 3 kabel:
Pertama adalah kabel fase (berwarna merah/hitam/kuning)
yang merupakan sumber listrik bolak-balik (fase positif dan fase negatif
berbolak-balik terus menerus). Kabel ini adalah kabel yang membawa tegangan
dari pembangkit tenaga listrik (PLN misalnya); kabel ini biasanya
dinamakan kabel panas (hot), dapat dibandingkan seperti kutub positif pada
sistem listrik arus searah (walaupun secara fisika adalah tidak tepat).
Kedua adalah kabel netral (berwarna biru). Kabel ini pada
dasarnya adalah kabel acuan tegangan nol, yang disambungkan ke tanah di
pembangkit tenaga listrik, pada titik-titik tertentu (pada tiang listrik)
jaringan listrik dipasang kabel netral ini untuk disambungkan ke ground
terutama pada trafo penurun tegangan dari saluran tegangan tinggi tiga jalur
menjadi tiga jalur fase ditambah jalur ground (empat jalur) yang akan
disalurkan kerumah-rumah atau kelainnya.
Untuk mengatasi kebocoran (induksi)
listrik dari peralatan tiap rumah dipasang kabel tanah atau ground (berwarna
hijau-kuning) dihubungkan dengan logam (elektroda) yang ditancapkan ke tanah
untuk disatukan dengan saluran kabel netral dari jala listrik dipasang pada
jarak terdekat dengan alat meteran listrik atau dekat dengan sikring.
Dalam kejadian-kejadian badai listrik luar angkasa (space electrical storm) yang besar, ada
kemungkinan arus akan mengalir dari acuan tanah yang satu ke acuan tanah lain
yang jauh letaknya. Fenomena alami ini bisa memicu kejadian mati lampu berskala besar.
Ketiga adalah kabel tanah atau Ground (berwarna hijau-kuning).
Kabel ini adalah acuan nol di lokasi pemakai, yang disambungkan ke tanah
(ground) di rumah pemakai, kabel ini benar-benar berasal dari logam yang
ditanam di tanah di rumah kita, kabel ini merupakan kabel pengamanan yang
disambungkan ke badan (chassis) alat2 listrik di rumah untuk memastikan bahwa
pemakai alat tersebut tidak akan mengalami kejutan listrik.
Kabel ketiga ini jarang dipasang di
rumah-rumah penduduk, pastikan teknisi (instalatir) listrik anda memasang
kabel tanah (ground) pada sistem listrik di rumah. Pemasang ini penting, karena
merupakan syarat mutlak bagi keselamatan anda dari bahaya kejutan listrik yang
bisa berakibat fatal dan juga beberapa alat-alat listrik yang sensitif tidak
akan bekerja dengan baik jika ada induksi listrik yang muncul di chassisnya
(misalnya karena efek arus Eddy).
Satuan-satuan
SI listrik
Simbol
|
Nama kuantitas
|
Unit turunan
|
Unit dasar
|
|
I
|
A
|
A
|
||
Q
|
C
|
A·s
|
||
V
|
V
|
J/C = kg·m2·s−3·A−1
|
||
R, Z
|
Ω
|
V/A = kg·m2·s−3·A−2
|
||
ρ
|
Ω·m
|
kg·m3·s−3·A−2
|
||
P
|
W
|
V·A = kg·m2·s−3
|
||
C
|
F
|
C/V = kg−1·m−2·A2·s4
|
||
F−1
|
V/C = kg·m2·A−2·s−4
|
|||
ε
|
F/m
|
kg−1·m−3·A2·s4
|
||
χe
|
(tak berdimensi)
|
-
|
-
|
|
S
|
Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2
|
|||
σ
|
S/m
|
kg−1·m−3·s3·A2
|
||
H
|
A/m
|
A·m−1
|
||
Φm
|
Wb
|
V·s = kg·m2·s−2·A−1
|
||
B
|
T
|
Wb/m2 = kg·s−2·A−1
|
||
A/Wb
|
kg−1·m−2·s2·A2
|
|||
L
|
H
|
Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2
|
||
μ
|
H/m
|
kg·m·s−2·A−2
|
||
χm
|
(tak berdimensi)
|
-
|
-
|