Energi Pada R L C

Energi pada Resistor
Energi yang dimaksudkan di sini adalah energi Listrik. Energi listrik adalah sesuatu yang dibutuhkan untuk menjalankan atau mengoperasikan peralatan listrik seperti Lampu, tv, radio setrika dan lain-lain. Bagaimana cara mengetahui berapa besar energi yang dibutuhkan tersebut ?

 

Perhatikan gambar di atas, arus listrik I mengalir melalui resistor R. Arus listrik mengalir karena adanya muatan listrik pada sumber tegangan dan adanya beda potensial di dalam rangkaian. Arus listrik mengalir dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah. Arus listrik tersebut tidak lain adalah gerakan muatan listrik yang melalui rangkaian tersebut. 

Besarnya muatan listrik yang mengalir pada rangkaian tersebut adalah

Q = I . t

dimana 

Q   = Muatan Listrik dengan satuan Coloumb

I     = Arus listrik dengan satuan detik

t      = waktu dalam detik

dalam suatu rangkaian listrik tertutup  muatan listrik dapat mengalir karena adanya Energi listrik . Energi listrik yang diberikan oleh suatu sumber dc bertegangan V (Volt) yang mencatu arus I (ampere) selama selang waktu t (detik) dinyatakan oleh,

W = V . I . t

W = Energi dalam Joule

Karena             V = I .  R

maka              W = I² .  R . t

atau                 W = ( V² / R) . t

Daya pada Resistor

Daya listrik adalah parameter terpenting setelah nilai resistansi dari resistor. Jadi dalam aplikasi pemakaian resistor dalam sebuah rangkain listrik perlu dilakukan pemilihan nilai resistansi dan nilai daya yang tepat dari resistor tersebut Nilai daya yang terlalu kecil dari resistor dapat menyebabkan resistor rusak dan terbakar. Sebaliknya pemilihan resistor dengan daya terlalu besar akan menyebabkan pemborosan biaya dan pemakaian tempat yang besar. Jadi untuk menentukan daya resistor yang digunakan harus diketahui daya maksimum yang dibebankan pada resistor tersebut lalu ditambahkan safety faktornya.  Untuk safety faktor tegantung kebutuhan bisa 10%, 30%, 50%, 100% dan seterusnya namun dengan tetap mempertimbangkan efisiensi dan efektifitas.

Besanya daya yang dibutuhkan oleh sebuah resistor ditentukan oleh persamaan :

P = V . I

atau     P  =   V² / R

atau     P  =  I² .  R

dimana

P  = daya dalam Watt

V  = tegangan dalam Volt

I   = arus dalam Ampere

R  = Resistansi dalam ohm

Untuk resistor dengan daya besar biasanya besarnya daya dituliskan pada body dari kemasan resistor. Untuk resistor karbon atau wirewound dengan kode warna biasanya besarnya daya tidak dituliskan. Namun demikian biasanya resistor tersebut tersedia dengan ukuran daya 1/8 W,  1/4 W, 1/2 W, 1 W dan 2 W. Yang membedakan resistor tersebut adalah ukurannya.

foto Resistor daya besar

foto Resistor daya 1/8 W,  1/4 W, 1/2 W, 1 W dan 2 W

4. Energi yang Tersimpan pada Induktor
Energi yang tersimpan dalam induktor (kumparan) tersimpan dalam bentuk medan magnetik. Energi U yang tersimpan di dalam sebuah induktansi L yang dilewati arus I, adalah:
U = ½  LI2 ............................................................ (5)
Energi pada induktor tersebut tersimpan dalam medan magnetiknya. Berdasarkan persamaan (4), bahwa besar induktansi solenoida setara dengan B = μ0.N2.A/l, dan medan magnet di dalam solenoida berhubungan dengan kuat arus I dengan B = μ0.N.I/l, Jadi,
I = B. l / μ0.N
Maka, dari persamaan (5) akan diperoleh:
Apabila energi pada persamaan (6) tersimpan dalam suatu volume yang dibatasi oleh lilitan Al, maka besar energi per satuan volume atau yang disebut kerapatan energi adalah:

Jika sebuah kapasitor diberi muatan, sesungguhnya yang terjadi ialah pemindahan muatan listrik dari satu bidang kapasitor ke bidang lain. Untuk itu, diperlukan usaha. Usaha yang diberikan untuk memindahkan muatan disimpan di dalam kapasitor sebagai energi.
Muatan sebuah kapasitor dengan kapasitas C diberi muatan listrik q sehingga diperoleh potensial V. Dalam hal ini, besar muatan yang diberikan sebanding dengan potensial yang diperoleh.
q = CV
Jadi, energi yang tersimpan dalam kapasitor yang bermuatan q dan potensial V adalah
W = 1/2  q V
Karena q = CV maka dapat dituliskan dalam bentuk lain, yaitu :
W = 1/2  c v^2
Atau
W = 1/2   q^2/C
Keterangan :
W = energi yang tersimpan dalam kapasitor (J)
q = muatan listrik (C)
V = potensial kapasitor (V)
C = kapasitas kapasitor (F)

.       Kapasitas Kapasitor

Kapasitor atau yang disebut juga kondensator adalah komponen yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik. Banyak sekali macam dari kapasitor ini yaitu kapasitor elektrolit, mika, kertas, dan keramik. Namun, pada bagian ini hanya akan mempelajari kapasitor keping sejajar. Kapasitor keping sejajar tersusun atas dua keping berbeda muatan yang dletakan berdekatan tetapi tidak bersentuhan.

Kapasitor mempunyai kemampuan untuk menyimpan energi. Kemapuan ini disebut dengan kapasitas kapasitor. Menurut Suharyanto (96) menyebutkan bahwa besarnya kapasitas kapasitor adalah “perbandingan antara banyaknya muatan listrik yang tersimpan dalam kapasitor dengan beda potensial yang timbul pada ujung-ujung kapasitor.” Pernyataan di atas dapat ditulis dengan persamaan:

Pada kapasitor keping sejajar yang mempunyai luas penampang besarnya kapasitas kapasitor dapat dituliskan dengan persamaan:

Jika di antara keping sejajar disisipkan suatu bahan isolator (bahan dielektrik), besarnya kapasitas kapasitor dapat dirumuskan sebagai berikut:

Dimana  adalah adalah permitivitas relative bahan yang disisipkan pada kapasitor keping sejajar.

b.      Energi dalam Kapasitor

Kapasitor banyak tedapat pada alat-alat elektronik seperti radio dan tv. Apabila kapasitor dihubungkan dengan sumber tegangan maka kapasitor akan menyimpan energi listrik. Besarnya energi listrik yang tersimpan dalam kapasitor menurut Suharyanto (99) adalah sama dengan usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan listrik dari sumber tegangan ke dalam kapasitor.

Persamaan energi yang tersimpan dalam kapasitor adalah:

c.       Susunan Kapasitor

Seperti resistor, kapasitor juga dapat disusun secara seri, parallel, dan campuran. Di bawah in akan dipelajari tentang rangkaian kapasitor.

1)      Susunan Seri

Kapasitor dapat disusun secara seri yaitu dengan cara menghubungkan kaki-kaki kapasitor (elektroda). Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan pada rangkaian seri ini:

a)      Muatan pada setiap kapasitor adalah sama dengan muatan pengganti dalam rangkaian seri.

b)      Beda potensial pada tiap kapasitor adalah sama dengan beda potensial pengganti rangkaian seri.

2)      Susunan Paralel

Susunan parallel diperoleh dengan cara menggabungkan kutub-kutub kapasitor menjadi satu. Ada beberapa hal yang perlu diperhatkan untuk mengetahui nilai kapasitor pengganti rangkaian parallel, yaitu:

a)      Besarnya beda pada setiap kapasitor sama dengan besarnya beda potensial pengganti rangkaian paralel.

b)      Besarnya muatan listrik pengganti rangkaian adalah sama dengan penjumlahan muatan listrik setiap kapasitor pada rangkaian tersebut.

3)      Susunan Seri Paralel

Susunan seri paralel adalah penggabungan antara rangkaian seri dan paralel. Untuk menentukan besar kapasitas kapasitor penggantinya adalah dengan cara menyelesaikan salah satu rangkain terlebih dahulu.

Untuk ebih memahaminya perhatikanlah contoh di bawah ini.

Dari gambar di atas dapat dilihat C₁, C₂,C₃ disusun secara paralel. Besarnya kapasitas kapasitor adalah:

C_P = C₁ + C₂ + C₃

Setelah rangkaian paralel disederhanakan, gambar rangkaian berubah menjadi:

Besarnya kapasitas kapasitor pengganti rangkaian seri paralel adalah:

Contoh Soal

Tiga buah kapasitor yang disusun secara parallel dihubungkan dengan sumber tegangan sebesar 200 Volt. Besarnya kapasitor masing-masing adalah 2 F, 3 F, dan 5 F. Besarnya muatan ketiganya adalah . . .

Energi yang tersimpan dalam kapasitor ( W ) dinyatakan dengan persamaan
W = q²/C
    = qV
    = C V²

Keterangan:
W =  Energi yang tersimpan dalam kapasitor, J
q  =  muatan pada kapasitor, coulomb
C  =  kapasitas kapasitor, farad
V  =  Beda potensial, volt

induktor adalah komponen yang dapat menyimpan energi magnetik. Energi ini direpresentasikan dengan adanya tegangan emf (electromotive force) jika induktor dialiri listrik. Secara matematis tegangan emf ditulis : E=-L\frac{di}{dt} Jika dibandingkan dengan rumus hukum Ohm V=RI, maka kelihatan ada kesamaan rumus. Jika R disebut resistansi dari resistor dan V adalah besar tegangan jepit jika resistor dialiri listrik sebesar I. Maka L adalah induktansi dari induktor dan E adalah tegangan yang timbul jika induktor dilairi listrik. Tegangan emf di sini adalah respon terhadap perubahan arus fungsi dari waktu terlihat dari rumus di/dt. Sedangkan bilangan negatif sesuai dengan hukum Lenz yang mengatakan efek induksi cenderung melawan perubahan yang menyebabkannya. Hubungan antara emf dan arus inilah yang disebut dengan induktansi, dan satuan yang digunakan adalah (H) Henry.