Gaya Gerak Listrik

Pengertian Gaya Gerak Listrik (GGL)

Kalau dalam rangkaian, supaya beda potensial antara dua titik itu tetap ada pada saat arus mengalir, harus ada sumber energi yang mengisi kekurangan energi. Kan energi bisa hilang waktu arus lewat pada beda potensial. Nah, energi yang dikeluarkan sebagai pengisi kekosongan oleh sumber inilah yang disebut Gaya Gerak Listrik. Sumber ini gak boleh sumber listrik loh. Ia mestinya kimiawi, magnetik ataupun mekanik atau non listrik lainnya. Simbolnya huruf E melintir.

Pada dasarnya sumber GGL itu segala jenis alat yang muatan positif sama negatifnya terpisah. Kedua ujung dari alat tersebut di sebut terminal. Muatan positif ya numpuknya di terminal positif, sementara muatan negatif, tentunya di terminal negatif.

Terminal positif namanya anoda. Terminal negatif namanya katoda. Ingatnya gini aja. Kalau positif itu ga ada noda. (Ga ada noda ya gak belajar.. hehe). Ga ada noda kan anoda, seperti gak ada an, kan disebut ateis. Huruf a didepannya itu loh. Positif gak ada noda, negatif katoda. Mudah kan menghapalnya.
Oke, kembali ke anoda sama katoda tadi. Karena kedua jenis muatan ini misah, akibatnya ada medan listrik. Medannya menunjukkan dari anoda ke katoda. Ingat arahnya. Dari anoda ke katoda.
Medan ini, kemudian, memaksakan sebuah gaya pada muatan positif. Medan ini memaksa, mendorong muatan positif dalam alat ini menuju katoda. Sementara itu, gaya ini juga memaksa muatan negatif ke anoda.

Supaya muatan positif tetap di terminal positif dan muatan negatif tetap di terminal negatif, alat ini menghasilkan gaya non listrik yang melawan gaya listrik dan terus mendorong muatan positif ke anoda dan muatan negatif ke katoda. Jadi seperti gulat gitu. Sumo bisa juga. Medan listrik vs medan non listrik. Saling dorong mendorong.

Mungkin bisa dibayangkan GGL itu seperti air dalam pipa tegak yang dipaksa naik. Waktu airnya naik ke puncak (anoda) gravitasi maksain supaya air turun (katoda). Jadi supaya air tetap bisa naik, harus ada gaya non gravitasi, seperti pompa misalnya, yang mendorong air melawan gravitasi.
Nah, dalam kasus GGL, gaya dari mesin pompa ini bisa berasal dari reaksi kimia, seperti baterai. Bisa juga dari gaya magnet, seperti dari generator listrik atau dari sumber mekanik lainnya.
Seperti dalam kasus air tadi, dimana energi potensial gravitasi air bertambah saat air di dorong semakin tinggi, gaya lain ini menyebabkan muatan mengalir ke anoda, meningkatkan energi potensial listrik. Akibatnya terjadi beda potensial antara anoda dan katoda.

Kalau ga ada rugi gara-gara panas waktu muatan mengalir ke anoda di dalam alat ini, beda potensialnya pastilah sama dengan GGL sumber. Ituloh, kan ada hukum kekekalan energi.
Kalau di luar alat ini, kita pasang kawat/kabel yang membuat anoda terhubung balik ke katoda, maka arus akan mengalir lewat penghubung ini dari anoda ke katoda.
Coba perhatikan gambar berikut ini.

Titik a dengan c itu kalau dihubungkan akan menjadi rangkaian loh. Jadi titik a dihubungkan ke anoda dan titik c dihubungkan ke katoda. Coba lihat di gambar ini biar jelas

Muatan kehilangan energi listrik yang bergerak dari terminal tinggi ke terminal rendah lewat rangkaian luar, lalu dipaksa oleh gaya non listrik kembali ke anoda lewat alat GGL dan karenanya memperbaiki energi listriknya. Seperti sistem air kita lo. Airnya mengalir kembali lewat beberapa pipa lain lalu kembali lagi ke pipa tegak dengan dorongan pompa. Perbedaan potensial tetap terjaga antara terminal saat tidak ada arus. Kan gak ada kawat yang menghubungkan terminal. Nah, beda potensial kalau ga ada arus ini namanya GGL rangkaian terbuka.

Kalo kita menghubungkan satu kawat dengan hambatan R pada kedua terminal itu, berarti arus akan mengalir lewat hambatan itu dengan tegangan V yang bekerja di sepanjang terminal. Kalau kabel ini cuma satu-satunya hambatan yang ada di rangkaiannya, arusnya pasti mengikuti hukum Ohm, yaitu :

I = V/R = GGL/R.

Tapi kenyataannya, selalu ada rugi panas dalam sumber GGL. Panas ini muncul karena agitasi molekul saat muatan mengalir dalam sumber. Molekulnya merinding. Kan semakin kuat merindingnya molekul, semakin panas suhunya. Oke deh, kalau dalam kasus ini ya berarti GGL ga lagi sama dengan V. Ada energi non listrik yang hilang menjadi panas. Besarnya rugi panas ini sebanding dengan arus, jadinya GGL = V – I.r. Nah, r disini adalah tetapan proporsionalitas. Karena dimensinya sama dengan hambatan, jadi dia lebih sering disebut “hambatan dalam” atau Rint. Hambatan dalam apa? Ya hambatan dalam sumber.

Kalau gak ada arus mengalir melewati sumber, maka beda potensial sepanjang sumber itu ssama aja dengan GGL rangkaian terbuka sumber, karena kan gak ada tegangan jatuh gara-gara arus lewat ke hambatan dalam. Tapi, kalau arusnya mengalir di rangkaian luar, arus yang sama juga bakalan mengalir di dalam sumber dan tegangan bakalan ja sebesar Vin = I. Rint. Ja tegangan ini terjadi di sepanjang hambatan dalam Rint.

Akibatnya, tegangan yang ada pada rangkaian adalah E – I.Rint.

Biasanya sumber GGL itu ya baterai. Baterai memakai gaya kimia dan karenanya energi kimia inilah yang dipakai untuk memaksa arus melewati baterai dari katoda ke anoda.

Contoh soal gaya gerak listrik, hambatan dalam baterai dan solusinya:

Begini, misalkan ada baterai. Baterai ini punya GGL rangkaian terbuka sebesar 2.0 Volt dan hambatan dalam sebesar 0.94 ohm. Terus ada lagi hambatan 22 Ohm menghubungkan kedua terminal baterai seperti dalam gambar ini.

Pertanyaannya berapa besar arus yang mengalir dalam rangkaian, terus berapa beda potensial antara terminal baterai saat hambatannya dihubungkan?

Caranya begini. GGL yang dihasilkan sumber akan membuat arus mengalir melewati rangkaian seri yang terdiri dari R dan Rint. Rint nya yang di dalam baterai itu namanya hambatan dalam.

Karenanya arusnya pastilah tegangan dibagi jumlah semua hambatan. Jumlah hambatannya 22 + 0.94 = 22.94 ohm. Tegangannya 2.0 Volt. Jadi arusnya 2.0 Volt dibagi 22.94 ohm, hasilnya 0.087 Ampere.

Beda potensialnya pada terminal baterai itu sama saja dengan GGL dikurangin sama jatuh tegangan gara-gara hambatan dalam. Jatuh tegangannya kan hasil kali arus dengan hambatan dalam atau 0.087 dikali 0.94 yaitu 0.08178 ohm.

Jadi beda potensialnya = 2.0 – 0.08178 = 1.91822 Volt.

Contoh lain:

Sekarang ada sebuah hambatan R. Hambatan ini terhubung dengan sebuah baterai dan arus yang mengalir kemudian di ukur. Nah, waktu hambatannya 40 ohm, arusnya 0.240 Ampere. Lalu waktu hambatannya diganti dengan hambatan yang 60 ohm, arusnya jadi 0.162 Amper. Berapa GGL baterainya dan berapa hambatan dalamnya?

Begini caranya.

Rumus arusnya kan GGL dibagi jumlah hambatan. Kita mencari GGL nya, jadi GGL berarti arus dikali jumlah hambatan. Waktu hambatannya 40 Ohm, arusnya 0.240 Ampere. Jumlah hambatannya 40 Ohm ditambah hambatan dalam.

Uh, hambatan dalamnya belum tahu ya?
Lihat lagi deh ke hambatan baru. Hambatan ini 60 Ohm. Arusnya 0.162 Ampere. Kalau pake ini berarti rumus GGL nya adalah 0.162 dikali jumlah hambatannya. Jumlah hambatannya adalah 60 Ohm ditambah hambatan dalam. Ini hambatan dalam yang sama dengan waktu hambatan luarnya Cuma 40 Ohm loh.

Gimana caranya?
Karena ada dua variabel yang tidak diketahui maka kita pake substitusi bisa, eliminasi juga bisa. Mau pake apa? Eliminasi aja ya

Persamaan pertama
GGL = 0.240 x (40 + Rint)
GGL = 0.240 x 40 + 0.240 x Rint
GGL = 9.6 + 0.240 Rint

Persamaan kedua
GGL = 0.162 x (60 + Rint)
GGL = 0.162 x 60 + 0.162 x Rint
GGL = 9.72 + 0.162 Rint

Eliminasikan dengan mengurangkan perssamaan pertama dengan persamaan kedua
GGL – GGL = 9.6 – 9.72 + 0.240 Rint – 0.162 Rint
0 = – 0.12 + 0.078 Rint
0.12 = 0.078 Rint
0.12 / 0.078 = Rint
Rint = 1.5384615 Ohm

Substitusikan aja Rint kedalam salah satu perssamaan, misalkan persamaan pertama, jadinya:
GGL = 9.6 + 0.240 Rint
GGL = 9.6 + 0.240 x 1.5384615
GGL = 9.6 + 0.3692308
GGL = 9.9692308 Volt

Sumber : http://www.faktailmiah.com

Hukum I Kirchhoff
Hukum ini juga disebut Hukum I Kirchhoff, Hukum titik Kirchhoff, Hukum percabangan Kirchhoff, atau KCL (Kirchhoff's Current Law).
Prinsip dari kekekalan muatan listrik mengatakan bahwa:

Pada setiap titik percabangan dalam sirkuit listrik, jumlah dari arus yang masuk kedalam titik itu sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik tersebut.

atau

Jumlah total arus pada sebuah titik adalah nol.

Mengingat bahwa arus adalah besaran bertanda (positif atau negatif) yang menunjukan arah arus tersebut menuju atau keluar dari titik, maka prinsip ini bisa dirumuskan menjadi :

n adalah jumlah cabang dengan arus yang masuk atau keluar terhadap titik tersebut.
Persamaan ini juga bisa digunakan untuk arus kompleks:

Hukum ini berdasar pada kekekalan muatan, dengan muatan (dalam satuan coulomb) adalah hasil kali dari arus (ampere) dan waktu (detik).

Sumber : http://www.id.wikipedia.org

Soal :

1. Jika setiap hambatan sebesar 3Ω, tiga hambatan dipasang seri, paralel, dan campuran. Rangkaian yang memiliki hambatan total terkecil adalah ….

 

2. Perhatikan rangkaian berikut.
   

Jika I₁ = 3A, I₂ = 5A, dan I₄ = 13A maka I₃ adalah ….

A.    21 A arah CO

B.     15 A arah OC

C.     11 A arah OC

D.    5 A arah CO

3. Kelompok sumber arus di bawah ini, yang termasuk sumber arus searah adalah ….

A.    listrik PLN, dinamo sepeda, dan generator

B.     baterai, elemen volta, dan listrik PLN

C.     dinamo sepeda, aki, dan generator 

D.   elemen Volta, aki, dan baterai