Arus Bolak-Balik (Alternating Current)

  Guru Mata Pelajaran    : Roudatul Jannah, SP

 Mata Pelajaran             : Fisika

 Kelas                           : XII IPA  2 jam ke 3 dan 4 jam 08.30- 09.15  

                                       Tatap Muka Terbatas/ Offline 

KD 3.5 Menganalisis rangkaian arus bolak-balik (AC) serta penerapannya 

KD 4.5  Mempresentasikan prinsip kerja penerapan rangkaian arus bolak-balik (AC) dalam kehidupan sehari-hari

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran, peserta didik diharapkan dapat:, mengidentifikasi informasi tentang karakteristik arus, tegangan dan sumber arus bolak balik. Menganalisis arus dan tegangan dengan sumber arus bolak-balik, rangkaian RLC dengan sumber arus bolak-balik, daya pada rangkaian arus bolak-balik. Mengeksplorasi rangkaian resonansi dan pemanfaatannya untuk pencarian frekuensi pada radio.  Menganalisis penerapan arus listrik bolak-balik dalam kehidupan sehari-hari.   Mempresentasikan penerapan arus listrik bolak-balik dalam kehidupan sehari-hari  

MATERI LISTRIK ARUS BOLAK_BALIK

Sebagaimana telah kita lihat sebelumnya bahwa kumparan yang berputar dalam medan

magnetik, menginduksi ggl bolak-balik dan karenanya timbul arus bolak-balik. Disebut ggl

bolak-balik karena besar dan arah ggl induksi tersebut bervariasi secara berkala. Selain itu

frekuensi ggl induksi juga dapat diubah dengan mengubah kecepatan kumparan. Hal ini

memungkinkan kita dapat memanfaatkan seluruh rentang spektrum elektromagnetik untuk

satu tujuan atau yang lain.

1. Bentuk Grafik Tegangan dan Arus bolak-balik

Seperti telah dijelaskan sebelumnya, salah satu sumber listrik bolak-balik adalah

generator bolak-balik. Generator menghasilkan ggl dan arus induksi yang berubah

secara periodik terhadap waktu menurut fungsi sinus atau fungsi cosinus, seperti

ditunjukkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 (a) Tegangan bolak-balik yang dihasilkan antara terminal-terminal generator bolakbalik

berubah secara sinusoidal terhadap waktu, (b) Arus yang mengalir pada rangkaian bolakbalik

berubah secara sinusoidal terhadap waktu.

Secara matematis tegangan bolak-balik dinyatakan seperti yang sudah dituliskan pada

persamaan 1.6, yaitu:

Vmaks= Vo sin wt....................... (2.1)

Vmaks = tegangan maksimum atau tegangan puncak,

V = tegangan sesaat,

w = 2πf    f = frekuensi sudut (rad/s),

t = waktu (s)

Vmaks menunjukkan tegangan maksimum atau nilai puncak. Agar penulisan lambang

menjadi lebih singkat, untuk selanjutnya Vmaks akan ditulis sebagai Vo.

Seperti halnya tegangan, arus yang dihasilkan generator ac juga berubah terhdap waktu

menurut suatu fungsi sinus atau cosinus, dengan frekuensi sama dengan frekuensi

tegangan yang menimbulkannya. Di dalam rangkaian yang hanya terdiri dari resistor,

arus berbalik arah setiap waktu pada saat polaritas/kutub terminal generator berbalik.

Perubahan arah arus di dalam rangkaian ini digambarkan dengan grafik pada Gambar

2.1 (b). Arus tersebut akan berubah arah sebanyak dua kali dalam setiap siklus.

Persamaan arus bolak-balik bisa diperoleh dengan mensubtitusikan V V sin 2πf ke

dalam V =  IR , sehingga didapatkan:

I= I sin 2πf t I sin wt ..................... (2.2)

dimana

Io = arus maksimum atau arus puncak yang besarnya sama dengan

I = arus sesaat,

2. Daya dan Nilai Efektif

Besar daya yang disalurkan oleh generator pada rangkaian bolak-balik dinyatakan

sebagai P = IV , sama dengan daya pada rangkaian searah. Tetapi pada rangkaian

bolak-balik, kuat arus I dan tegangan V bergantung pada waktu sehingga besar daya

naik turun setiap saat. Dengan mensubtitusikan persamaan (2.1) dan (2.2) ke dalam

P = IV maka akan di dapat

....................... (2.3)

Persamaan ini dapat digambarkan dengan grafik:

Gambar 2.2 Pada rangkaian AC, daya pada resistor berubah-ubah diantara nilai nol dan nilai

puncak IV , dimana I0 dan V0 adalah arus dan tegangan puncak.

Karena daya pada rangkaian bolak-balik berubah-ubah maka kita harus menentukan

daya rata-rata P . Daya rata-rata ini besarnya setengah dari nilai daya puncak seperti

ditunjukkan pada Gambar 2.2, dan dituliskan dengan persamaan

P = I V ....................... (2.4)

Persamaan (2.28) dapat dinyatakan dengan bentuk lain, yaitu:

rms rms I V

ms dan Vrms disebut arus dan tegangan root mean square (rms) atau arus dan tegangan

efektif. Arus dan tegangan efektif dapat dihitung dari arus dan tegangan maksimum

dibagii dua.

I eff = Io/  = 0,707 Io   dan V eff = Vo   = 0,707 Vo

Nilai efektif dari arus bolak-balik ini menghasilkan kalor yang sama dengan kalor yang

dihasilkan oleh arus searah pada besar yang sama. Persamaan 2.6 dan 2.7 hanya

berlaku untuk arus dan tegangan sinusoidal.

Persamaan daya rata-rata rms rms P = I V mempunyai bentuk yang sama dengan

persamaan daya pada rangkaian arus searah ( P= IV ). Oleh karena itu persamaan

Hukum Ohm jika ditulis dalam nilai efektif adalah:

V =I R rms rms  ....................... (2.8)

Jika persamaan 2.8 disubstitusikan kedalam persamaan daya rata-rata rms rms P  I V

maka didapat: R = V/I

P= I V rms

Persamaan 2.9 sangat berguna karena sama persis dengan persamaan daya untuk

resistor pada listrik searah, yaitu

R  = V/I

P = IV .

Namun demikian, perlu diingat bahwa daya pada listrik bolak-balik merupakan daya

rata-rata, dan tegangan maupun arus merupakan nilai rms atau efektif. Jadi ketika kita

membicarakan listrik bolak-balik, nilai arus dan tegangan yang digunakan merupakan

nilai efektif, kecuali jika ada pernyataan lain.

3. Diagram Fasor

Diagram fasor merupakan suatu alat bantu yang digunakan untuk mempermudah dalam

menganalisa tegangan atau arus bolak-balik. Kata fasor berasal dari bahasa Inggris

phasor, akronim dari kata phase vector, yang artinya vektor fase. Akan tetapi hendaklah

dicamkan bahwa sesungguhnya fasor itu bukan vektor dalam arti yang biasa, melainkan

vektor yang diberi arti khusus.Fasor suatu besaran dilukiskan sebagai suatu vektor

yang besar sudut putarnya terhadap sumbu horisontal menyatakan sudut fasenya. Sementara

panjang fasor menyatakan nilai maksimum besaran tersebut, sedangkan proyeksi fasor pada sumbu

vertikal menyatakan nilai sesaatnya. Gambar 2.3 memperlihatkan diagram fasor tegangan yang

memiliki kelajuan  dengan sudut fase t.

4. Rangkaian Arus Bolak – Balik

a. Rangkaian Resistif

Gambar 2.4 memperlihatkan sebuah rangkaian arus bolak-balik yang terdiri dari

sebuah resistor dan sumber tegangan. Rangkaian yang hanya berisi sumber

tegangan dan hambatan R disebut rangkaian resistif murni. Pada rangkaian

resistif murni, tegangan pada resistor sebanding dengan arus yang melewati resistor tersebut. Artinya

pada saat tegangan bertambah besar, arus juga bertambah besar. Begitu juga sebaliknya, ketika

tegangan mengecil, arus juga bertambah kecil..Keadaan ini dikatakan bahwa tegangan dan arus

mempuyai fase sama. Tegangan pada resistor VR sama dengan tegangan sumber V. Sehingga untuk

rangkaian resistif murni persamaan tegangan dan arus pada resistor dapat ditulis: 

V= V t R sin wt ....................... (2.10)

Dengan demikian akan berlaku juga hubungan sebagai berikut:

Gambar 2.5 menunjukkan fasor dan grafik dari tegangan dan arus yang memiliki

persamaan seperti dinyatakan pada persamaan (2.10) dan (2.11). Diagram fasor

tegangan dan arus pada resistor adalah segaris karena keduanya sefase. Dengan

panjang anak panah menyatakan nilai maksimum Vo dan Io.

Gambar 2.5 (a) Diagram fasor menunjukkan bahwa pada rangkaian resistif murni, arus dan

tegangan sefase, (b) Grafik arus dan tegangan terhadap waktu menunjukkan hal yang sama.

Kenapa pada rangkaian resistif murni, tegangan dan arus mempunyai fase sama?

Hal ini terjadi karena rangkaian resistif tidak menyimpan muatan seperti halnya

terjadi pada kapasitor. Disamping itu rangkaian resistif tidak memiliki induktansi

sehingga tidak terpengaruh oleh perubahan medan magnetik yang ada di

sekitarnya.

b. Rangkaian Kapasitif

Gambar 2.6 memperlihatkan sebuah rangkaian arus

bolak-balik yang terdiri dari sebuah kapasitor dan sumber tegangan ac. Rangkaian yang hanya berisi sumber tegangan V dan kapasitor C disebut rangkaian kapasitif murni. Tegangan pada ujung-ujung kapasitor VC sama dengan tegangan sumber V. Sehingga untuk rangkaian

kapasitif, persamaan tegangan pada ujung-ujung kapasitor pada setiap saat dapat ditulis:

V=  V t  sin wt....................... (2.14)

engan membandingkan persamaan tegangan V V t C sin 0  dengan persamaan

arus   0 0 2 I  I cost  I sin t   dapat disimpulkan bahwa arus dan tegangan

dalam rangkaian kapasitif murni berbeda fase sebesar 90o. Hal ini terjadi karena

kuat arus mencapai maksimum seperempat siklus sebelum tegangan, atau dengan

kata lain kuat arus mendahului tegangan dengan sudut fase sebesar 90o atau ½.

Keadaan ini dapat digambarkan dengan diagram fasor dan grafik seperti terlihat

pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 (a) Diagram fasor menunjukkan bahwa pada rangkaian kapasitif murni, arus

mendahului tegangan sebesar 90o, (b) Grafik tegangan dan arus terhadap waktu

menujukkan hal yang sama.

Pada rangkaian arus searah kita mengenal hambatan, yaitu hasil bagi antara beda

potensial dan kuat arus. R = V/I

R dapat dipandang sebagai ukuran besarnya

hambatan terhadap arus listrik pada rangkaian itu. Pada rangkaian bolak-balik

besaran seperti itu juga ada, dimana sifat-sifatnya sama seperti sifat hambatan,

yaitu menghambat arus. Secara umum besaran ini disebut impedansi rangkaian itu

yang diberi lambang Z. Impedansi merupakan hasil bagi antara tegangan efektif

(rms) dan kuat arus efektif (rms),

Z  dengan satuan sama dengan satuan

hambatan, yait