Tegangan Listrik elektronika

Tegangan Listrik       

Seperti telah dijelaskan dimuka, untuk menggerakkan elektron dalam suatu konduktor diperlukan usaha atau perpindahan energi. Usaha ini dilakukan oleh gaya gerak listrik (electromotive force; emf), yang biasanya direpresentasikan oleh baterai seperti Gambar 1.5. Gaya gerak listrik; ggl ini juga dikenal sebagai tegangan (voltage) atau beda potensial (potential difference). Gaya gerak listrik ini ada karena adanya ketidak-seimbangan muatan listrik.

Jika kita ambil contoh lilin dan kain wol yang telah digosok bersamaan, kita menemukan bahwa kelebihan elektron pada lilin (muatan negatif) dan kekurangan elektron pada kain wol (muatan positif) menciptakan ketidak-seimbangan muatan antara keduanya. Ketidak-seimbangan ini menjelma menjadi gaya tarik antara kedua objek tersebut, lihat Gambar 1.10(a).

Jika sebuah kawat konduktif ditempatkan di antara lilin dan wool yang bermuatan, elektron-elektron akan mengalir melaluinya, sehingga kelebihan elektron dalam lilin akan kembali ke wool untuk mengisi kekurangan elektron di sana, lihat Gambar 1.10(b). Elektron-elektron ini akan terus mengalir untuk sesaat, hingga kedua area menjadi netral dan gaya antara lilin dan wol dikurangi.

                                                                      (a)                                                               (b)

Gambar 1.10  Fenomena pada lilin dan kain wol yang bermuatan listrik

Energi potensial, yang tersimpan dalam bentuk ketidak-seimbangan muatan, dan mampu menyebabkan elektron mengalir melalui konduktor, dinyatakan sebagai tegangan, yang secara teknis adalah ukuran energi potensial per unit muatan elektron. Dalam konteks listrik statis, tegangan adalah ukuran kerja yang dibutuhkan untuk menggerakkan unit muatan dari satu lokasi ke lokasi lainnya, berlawanan dengan gaya yang mempertahankan muatan listrik agar tetap seimbang. Dalam konteks sumber daya listrik, tegangan adalah jumlah energi potensial yang tersedia (usaha yang akan dikerjakan) per unit muatan, untuk menggerakkan elektron melalui konduktor.

Karena tegangan dinyatakan sebagai energi potensial, menggambarkan kemungkinan atau potensi untuk pelepasan energi sebagaimana elektron-elektron bergerak dari satu level ke level lainnya, ini selalu mengacu antara dua titik. Tinjau analogi bak penampungan air :

Gambar 1.11 Analogi energi potensial pada bak penampung air

Karena perbedaan dari ketinggian jatuh, terdapat energi potensial yang jauh lebih besar, untuk melepaskan energi dari bak penampungan melalui pipa ke lokasi 2 daripada ke lokasi 1.

Demikian juga, energi potensial yang tersedia untuk menggerakkan elektron dari satu titik ke titik lainnya adalah relatif terhadap dua titik. Oleh karena itu, tegangan selalu dinyatakan sebagai suatu besaran (quantity) antara dua titik.

vab = dw/dq

Tegangan v_ab antara dua titik a dan b dalam suatu rangkaian listrik adalah energi atau usaha yang diperlukan untuk menggerakkan satu unit muatan dari a ke b. Secara matematis,

               

                                                                        ……………………………….. (1.3)

dimana w adalah energi dalam joule (J) dan q adalah muatan dalam coulomb (C). Tegangan v_ab atau singkatnya v saja diukur dalam volt (V), diambil dari nama seorang fisikawan Italia, Alessandro Antonio Volta (1745-1827), yang pertama kali menemukan voltaic baterai.

Dari Persamaan 1.3,  jelas bahwa

1 volt = 1 joule/coulomb = 1 newton meter/coulomb

Dengan demikian, Tegangan (beda potensial) adalah energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan satu unit muatan melalui suatu elemen,

diukur dalam volt (V)

Gambar 1.12 menunjukkan tegangan pada sebuah elemen (digambarkan oleh blok persegi-panjang) yang dihubungkan pada titik a dan b. Tanda plus (+) dan minus (-) digunakan untuk mendefinisikan arah acuan atau polaritas tegangan. Tegangan v_ab  dapat dinyatakan dalam dua cara seperti diperlihatkan Gambar 1.12.

Gambar 1.12 Polaritas dari tegangan v_ab

Pada Gambar 1.13(a), titik a adalah +9 V diatas titik b; pada Gambar 1.13(b), titik b  -9 V diatas titik a. Kita dapat mengatakan bahwa pada Gambar 1.13(a), ada jatuh tegangan (voltage drop) 9 V dari a ke b atau setara dengan -9 V naik tegangan (voltage rise) dari b ke a. Dengan kata lain, voltage drop dari a ke b adalah sama dengan voltage rise dari b ke a.

v_{ab = -Vba}

                                        ……………………………….. (1.4)

Gambar 1.13 Dua representasi ekivalen dari tegangan v_ab : (a) titik a adalah 9 V di atas titik b

                                                                                                        (b) titik b adalah -9 V di atas titik a

Arus dan tegangan adalah dua variabel dasar dalam rangkaian listrik. Seperti halnya arus, tegangan konstan disebut tegangan dc dan disimbolkan dengan V (dalam huruf besar), sedangkan tegangan sinusoidal atau berubah terhadap waktu disebut tegangan ac dan disimbolkan dengan v (dalam huruf kecil). Tegangan dc umumnya dihasilkan oleh baterai, sedangkan tegangan ac dihasilkan oleh generator listrik.