PENGERTIAN DASAR TENTANG ARUS

Pada pembahasan tentang atom, dipaparkan suatu materi mengenai sub-partikel atom yang mengelilingi inti atom, yaitu elektron. Elektron-elektron tersebut mengorbit pada jalurnya di sekeliling inti atom. Elektron-elektron yang mengelilingi inti atom bisa terlepas dari orbitnya dan berpindah tempat apabila kita memberikan energi pada elektron tersebut. Fenomena berpindahnya elektron-elektron atau muatan negatif dari satu titik ke titik lainnya biasa kita kenal dengan istilah arus.

Gambar di bawah ini adalah ilustrasi dari perpindahan elektron-elektro dari titik B ke titik A. Yang perlu di perhatikan adalah mengenai kesepakatan tentang arah arus dan arah elektron. Sudah menjadi kesepakatan umum bahwa arah arus adalah berlawanan dengan arah perpindahan elektron.

Pada contoh gambar di bawah ini, muatan – muatan elektron berpindah dari titik B menuju ke titik A, tetapi sesuai dengan kesepakatan internasional, berdasarkan gambar di bawah, maka arah arus listrik adalah dari titik A ke titik B.

 

Gambar disamping menunjukkan perpindahan muatan elektron dari titik B ke titik A di dalam kawat penghantar, muatan tersebut melewati layar tipis pintu C yang berfungsi menghitung jumlah muatan yang berpindah.

Definisi Arus.

Misalkan diantara titik A dan titik B diberi suatu pintu C atau layar C untuk menghitung jumlah muatan elektron yang melewati pintu C, maka definisi arus adalah:

Arus adalah banyaknya muatan elektron yang berpindah melewati pintu C selama satu detik. Jika dibawa ke dalam bentuk matematis, maka formula untuk arus adalah:

dimana Q adalah jumlah muatan yang berpindah melewati pintu C dan t adalah waktu.
Satuan dari arus adalah coulomb per detik, atau biasa disebut ampere.


Arus listrik biasa disingkat dengan simbol huruf I besar untuk arus searah atau DC (Direct Current) dan simbol huruf i kecil untuk arus bolak-balik AC (Alternating Current).
Yang perlu diperhatikan adalah mengenai kesepakatan internasional tentang arah arus dan arah elektron. Sudah menjadi kesepakatan umum bahwa arah arus adalah sesuai dengan arah perpindahan muatan positif dan berlawanan dengan arah perpindahan elektron.
Arus mengalir dari kutub positif ke kutub negatif, sedangkan elektron mengalir dari kutub negatif menuju kutub positif seperti ditunjukan pada gambar2.

Gambar disamping adalah ilustrasi kesepakatan internasional tentang arah arus dan arah elektron.

  

Beberapa contoh soal mengenai arus:

Tentukan besarnya arus di dalam suatu rangkaian tertutup jika di ketahui besarnya muatan yang mengalir pada suatu titik adalah 80 Coulomb selama 20 detik.
Penyelesaian:
Dari pernyataan diatas, diketahui bahwa:
Muatan (Q) = 80 Coulomb.
Waktu (t) = 20 Detik.
Sehingga besarnya arus adalah :
I = Q/t
I = 80 Coulomb/ 20 detik
I = 4A.

Berapa banyak muatan yang diwakili oleh 4600 elektron.
Penyelesaian:
Muatan 1 elektron = – 1.6 * 10^-19 Coulomb.
muatan 4600 elektron = – 1.6 * 10^-19 Coulomb * 4600
muatan 4600 elektron = – 7.369 * 10⁻¹⁶ C

Definisi 1 ampere.

1 ampere adalah muatan listrik yang berpindah melewati suatu titik sebanyak 1 coulomb selama 1 detik.

Seperti yang disampaikan pada pembahasan tentang atom, elektron, proton dan neutron, muatan 1 electron adalah sama dengan 1.6 X 10^-19 Coulomb, maka 1 coulomb sama dengan 1/1.6*10^-19 = 6.25 * 10¹⁸ elektron.
Dengan demikian, 1 ampere setara dengan perpindahan muatan elektron sebanyak 6.25 juta triliun elektron selama 1 detik.

Selain dari pada itu, arus listrik juga di definisikan sebagai laju perubahan muatan yang melewati titik tertentu pada satuan waktu tertentu.

Formula di atas biasanya digunakan untuk arus listrik Bolak-balik.
Dari persamaan diferensial di atas, kita bisa menghitung banyaknya muatan yang melewati suatu titik pada kurun waktu tertentu dari t₀ ke t_1.

Contoh perhitungan arus terkait formulasi diatas.

Sebuah baterei AA yg bisa di isi ulang mempunyai kapasitas penyimpanan sebanyak 2000 mAh. berapa banyak jumlah elektron yg dibutuhkan untuk mengisi baterei tersebut menjadi penuh.
Penyelesaian;
2000mAh = 2A * 3600 Sec = 7200Asec.
karena 1 As = 1 C, maka
7200 Asec = 7200 Coulomb.
karena 1 Coulomb mengandung 6.25 * 10¹⁸ elektron, maka
7200 Coulomb = 7200 * 6.25 * 10¹⁸ elektron = 4.5 * 10²² elektron.
2000mAh membutuhkan muatan elektron sebanyak 4.5 * 10²² elektron.


Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menggunakan sel baterai untuk menghidupkan peralatan elektronik. Banyak sekali spesifikasi dari sel baterai yang umum dijual dipasaran. Sebagai contoh, salah satunya baterai AA Nimh 6V 1500mAh. Pertanyaannya, apa sebenarnya maksud dari spesifikasi 1500mAh tersebut?.
Parameter tersebut pada dasarnya merujuk pada kapasitas muatan yang mampu ditampung oleh baterai tersebut, sebagaimana rumus muatan adalah arus di kali waktu atau Ampere detik.
1500mAh mengandung arti bahwa pada kondisi penuh, muatan yang ada pada baterai tersebut adalah:
Q = 1500mA * 1 Hour
Q = 1.5A * 3600 detik
Q = 5400 Coulomb.
Dalam bahasa yang lebih awam, jika kapasitas sebuah baterai adalah 1500mAh, maka anda bisa menggunakan baterai tersebut selama 5 jam jika arus yang mengalir di dalam rangkaian andalah 300mA, atau anda bisa menggunakannya lebih lama lagi, misal 100 jam jika arus yang hanya 15mA.

Referensi:
– Wikipedia Indonesia.
- Analisa Rangkaian Listrik I, Sudaryatno Sudirham.