Arus Bolak-Balik (AC)

Avatar untuk Muhammad Anas

Seorang pendiam dengan pikiran yang lantang. Suka ngopi dan baca buku. Finalis 100 besar Duta Bahasa Pelajar Jawa Barat 2017.

Listrik sudah menjadi salah satu bagian dari hidup manusia sehari-hari. Listrik sendiri dibagi menjadi dua jenis, yaitu listrik searah (DC) dan listrik dua arah (AC) atau yang biasa juga disebut sebagai listrik arus bolak balik.

Pada kesempatan kali ini di Pendidikanpedia kita akan mempelajari jenis listrik yang kedua. Materi ini merupakan materi mata pelajaran fisika yang ada di kelas 12.

Materi arus listrik bolak balik yang akan kita pelajari meliputi pengertian, penemu, rangkaian, rumus, hingga contoh soal dan pembahasannya. Langsung saja, berikut materinya.

Pengertian Arus Bolak Balik

Arus bolak balik atau alternating current (AC) adalah arus dan tegangan listrik yang arahnya berubah-ubah terhadap waktu dan mengalir secara dua arah.

Bentuk gelombang atau sinyal dari arus listrik bolak balik idealnya adalah gelombang sinusoidal. Karena bentuk gelombang ini lah yang pengaliran energinya paling efisien.

Tetapi, hal ini tidak menutup kemungkinan bahwa bentuk gelombangnya bisa berubah.

Pasalnya, pada kasus-kasus spesifik, bentuk gelombang yang lain juga bisa digunakan, contohnya bentuk gelombang segi empat (square wave) dan bentuk gelombang segitiga (triangular wave).

Penemu Arus Bolak Balik

Siapakah ilmuwan yang berhasil menemukan jenis listrik ini? Jawabannya adalah Nikola Tesla.

Nikola Tesla adalah ilmuwan penemu arus bolak balik. Penemuannya ini telah ia aplikasikan pada motor listrik yang sebelumnya memakai arus searah yang konstan.

Dengan penemuannya yang baru ini Tesla telah menjamin bahwa arus listrik AC akan lebih efisien daripada arus sebelumnya.

Pada tahun 1887, Nikola Tesla hijrah ke New York dan mendirikan laboratorium sendiri.

Di dalam laboratorium inilah ia telah membuktikan bahwa arus AC lebih efisien daripada arus searah yang sebelumnya diciptakan oleh Thomas Alfa Edison.

Nikola Tesla juga telah mematenkan sekitar 300 hasil temuannya hanya dalam kurun waktu kurang dari satu tahun. Dan dua puluh tahun selanjutnya ia telah menciptakan penemuan hebat lainnya.

Rangkaian Arus Bolak Balik dan Contohnya

Terdapat tiga rangkaian pada jenis arus dua arah ini, yaitu rangkaian resistor, induktor, dan kapasitor. Berikut masing-masing penjelasan lengkap dan contohnya.

1. Resistor

rangkaian resistor
Rangkaian resistor, sumber: myrightspot.com

Rangkaian resistor saat dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik maka alirannya pun akan dialiri arus bolak balik. Rangkaian ini pada umumnya dipakai untuk menurunkan potensial listrik suatu rangkaian.

Bisa juga sebagai pembatas arus listrik yang masuk, yang pada akhirnya tegangan dan arus dalam rangkaian resistor memiliki fase yang sama saat dihubungkan dengan sumber tegangan DC.

Perhatikanlah grafik di bawah ini!

grafik rangkaian resistor
Grafik hubungan arus dan tegangan terhadap waktu pada induktor, sumber: myrightspot.com

Sesuai dengan grafik tadi kita tahu bahwa arus dan tegangan berada pada satu fase yang berarti meraih nilai maksimal pada saat yang selaras.

Suatu resistor dihubungkan dengan asal tegangan bolak balik, bisa dikatakan bahwa sumber tegangan sama dengan besarnya tegangan.

Lalu didapati rumus tegangan resistor dan arus yang mengalir via resistor berikut di bawah ini.

rumus tegangan resistor

2. Induktor

rangkaian induktor
Rangkaian kapasitor, sumber: myrightspot.com

Suatu induktor memiliki hambatan yang juga dapat disebut dengan reaktansi induktif ketika dialiri dengan sumber arus bolak balik.

Reaktansi induktif atau hambatan ini tergantung pada induktansi diri dan frekuensi sudut arus, yang bisa dirumuskan dengan:

rumus reaktansi induktif
Rumus reaktansi induktif

Dapat diperoleh bahwa tegangan sumber sama dengan tegangan pada induktor.

Sedangkan hubungan arus dan tegangan pada waktu pada induktor seperti gambar berikut.

grafik rangkaian induktor
Grafik hubungan tegangan dan arus terhadap waktu pada kapasitor, sumber: myrightspot.com

Pada grafik di atas bisa kita lihat secara seksama bahwa saat arus pada induktor maksimum, besar tegangan pada induktor bernilai nol.

Saat arus pada induktor bernilai nol, maka besar tegangan pada induktornya maksimum.

Jadi, tegangan pada induktor mencapai batas nilai tertingginya atau maksimum lebih cepat seperempat periode dibandingkan arus mencapai nilai maksimumnya.

Maka dapat disimpulkan bahwa tegangan sinusoidal arus pada induktor tertinggal 90° dibandingkan tegangan pada induktor.

Pada akhirnya, didapati rumus tegangan dan arus yang mengalir pada induktor seperti pada gambar di bawah.

rumus tegangan induktor

3. Kapasitor

Rangkaian kapasitor, sumber: myrightspot.com

Suatu kapasitor mempunyai karakteristik yang bisa menempatkan energi dalam bentuk muatan listrik saat dihubungkan dengan sumber tegangan searah maupun arus bolak balik.

Kapasitor yang dialiri tegangan bolak balik akan timbul reaktansi kapasitif atau bisa juga disebut reaktansi semu.

Besar nilai reaktansi semu tergantung pada besarnya frekuensi sudut arus dan nilai kapasitansi kapasitor sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:

rumus reaksi kapasitif
Rumus reaksi kapasitif

Perhatikanlah grafik di bawah ini!

grafik rangkaian kapasitor
Grafik hubungan tegangan dan arus terhadap waktu pada kapasitor, sumber: myrightspot.com

Pada grafik di atas bisa kita lihat bahwa arus pada kapasitor menjadi maksimum saat tegangan kapasitor memiliki nilai nol, dan sebaliknya pun begitu.

Hal ini mengartikan bahwa arus telah meraih batas nilai tertingginya seperempat periode lebih cepat dibandingkan ketika tegangan mencapai nilai maksimumnya.

Lalu bisa kita dapatkan bahwa rumus tegangan dan arus yang mengalir pada kapasitor seperti berikut.

rumus tegangan kapasitor

Rumus Arus Bolak Balik

Arus yang bolak balik mengartikan bahwa tegangan listriknya juga bolak balik. Berikut rumus arus bolak-balik.

rumus arus bolak balik

di mana:

  • Vpeak adalah tegangan listrik (volt)
  • ω adalah frekuensi sudut (radians per detik)
  • Frekuensi sudut bisa dihubungkan dengan frekuensi biasa, f (hertz) yang dirumuskan dengan putaran per detik, dengan memakai rumus ω = 2πf
  • t adalah waktu (detik)

Selain rumus di atas, berikut Pendidikanpedia berikan juga semua rumus-rumus lainnya yang berkaitan dengan arus AC.

  • Persamaan umum
    V = Vmax sin ωt
  • Rumus arus melalui resistor
    IR = VR/R
    IR = Vm/R sin ωt
    IR = Im sin ωt
  • Rumus tegangan melalui resistor
    VR = Vm sin ωt
  • Rumus arus melalui induktor
    IL = Vm sin (ωt-1/2 π) /ωL
    IL = Im sin (ωt-1/2 π)
  • Rumus tegangan melalui induktor
    VL = Vm sin ωt
  • Rumus arus melalui kapasitor
    IC = ω C Vm sin (ωt+1/2 π)
    IC = Im sin (ωt+1/2 π)
  • Rumus tegangan melalui kapasitor
    VC = Vm sin ωt

Apabila masih belum mengerti, cobalah kamu tonton juga video materi arus bolak balik berikut.

Video tentang arus bolak-balik

Sumber Arus Bolak Balik

Tegangan bolak-balik dengan sinyal sinusoidal dapat berasal dari berbagai macam sumber. Umumnya, arus ini dihasilkan dari pembangkit listrik seperti PLTA, PLTU, PLTS, hingga PLTG. Ada juga pembangkit listrik yang bersifat portable atau bisa dibawah-bawa.

Keuntungan Arus Bolak Balik

Kelebihan utama arus bolak balik adalah kefektifan dan keefisienan dalam urusan transmisi listrik.

Sejak awal, penemu dari arus ini, Tesla dan Westinghouse telah mengetahui bahwa supaya tenaga listrik bisa lebih praktis, maka harus ada cara agar transmisi bisa dilakukan secara efisien walaupun dari jarak yang jauh.

Pada zamannya, PLTA merupakan pembangkit listrik terpopuler. Akan tetapi, sumber air letaknya ada di wilayah yang jauh sekali dari pusat beban sehingga diperlukan jalur transmisi yang begitu panjang.

Baik arus AC ataupun DC, keduanya mempunyai ketahanan yang bisa mengakibatkan hilangnya daya atau losses ketika proses penghantaran dilakukan.

Para ilmuwan ini sudah menyadari bahwa tegangan harus dinaikkan setinggi-tingginya supaya bisa menghantarkan daya yang efisien walaupun jaraknya jauh.

Saat ini sendiri sudah tersedia banyak jalur transmisi yang mempunyai tegangan 500.000 volt atau setara 500 kV.

Dan cara menaikkan tegangan sebelum dikirim via jalur transmisi bisa dilaksanakan dengan bantuan transformer (trafo).

Dengan penggunaan trafo, menaikkan dan menurunkan tegangan menjadi hal yang mudah. Ini pula yang menjadi keunggulan utama tegangan bolak balik.

Sistem arus DC tidak mampu melakukan hal yang sama.

Kemudian keunggulan selanjutnya adalah pembangkitannya. Pada akhir tahun 1800-an, penemuan generator AC merupakan salah satu yang terpenting.

Desainnya dibuat sedemikian sederhana dan praktis oleh Westinghouse.

Ini berbeda sekali dengan desain sistem generator DC yang rumit, dan kebanyakan masih dihasilkan dengan bantuan sel bahan bakar, sel surya, atau baterai.

Dalam hal konsumsi daya, arus AC juga lebih unggul. Sementara mesin DC membutuhkan komutator dan sikat untuk bekerja, yang menjadikannya sulit dan kompleks untuk urusan pemeliharaannya.

Dulu, Tesla pertama kali mematenkan motor induksi AC praktis. Setelah itu, general electric mulai memproduksi dan memasarkannya secara massal.

Dalam periode waktu yang singkat, mesin ini sudah banyak diinstal di tambang, pabrik, hingga pertokoan.

Hingga sekarang, motor AC sudah dimanfaatkan bahkan di rumah tangga untuk pendingin dan pompa air.

Dan kelebihan arus AC yang terakhir adalah penggunannya untuk macam-macam lampu modern, misalnya lampu CFL dan lampu neon.

Contoh Soal Arus Bolak Balik dan Pembahasannya

Supaya lebih jelas lagi dan biar kamu ngerti materi ini, nah berikut Pendidikanpedia sajikan juga beberapa contoh soal arus bolak balik dan pembahasannya.

1. Suatu resistor 20 disusun seri dengan suatu kapasitor. Rangkaian dihubungkan ke suatu tegangan sumber yang frekuensinya dapat berubah-ubah. Namun jika tegangan antara ujung-ujung resistor sama dengan tegangan antara ujung-ujung kapasitor, maka tentukanlah frekuensi sumber AC tersebut!

Jawab:

contoh soal arus bolak balik satu

2. Perhatikan rangkaian RLC di bawah ini!

contoh soal arus bolak balik kedua

Tentukan nilai impedansi pada rangkaiannya!

Ditanyakan:

Z = … ?

Jawab:

Diketahui:

V =120V
ω = 400rad/s
C = 4μF
R = 200Ω
L = 2,5H

Pembahasan:

contoh soal arus bolak balik kedua

3. Sumber arus bolak balik mempunyai amplitude tegangan 200 V dan frekuensi sudut 25 Hz mengalir melalui hambatan R = 200 Ω dan kapasitor C = 100π μF yang disusun seri.
Kuat arus yang mengalir melalui kapasitor itu adalah?

Jawab:

Diketahui:

Frekuensi sudut:
ω = 2πf
ω = 2π⋅25
ω = 50πrad/s

Reaktansi kapasitif:
XC = 1/ωc
XC = 1 / (50π⋅100π×10^−6)
XC = 200Ω

Impedansi rangkaian:

impedansi rangkaian contoh soal ketiga

Z=200√2Ω

Pembahasan:

I = V / Z
I = (200) /(200 √2 )
I = 1/2√2A (B)

4. Sebuah dinamo memberikan tegangan efektif 220 V pada frekuensi 60 Hz. Berapa persamaan tegangan sesaat yang diciptakan dinamo?

Ditanyakan:

Persamaan V?

Jawab:

Diketahui:

Veff = 220 V → Vmaks = 220 √2V
f = 60 Hz → ω = 2πf = 120π rad/s

Pembahasan:

contoh soal arus bolak balik keempat

Maka persamaan tegangan sesaat yang diciptakan dinamo adalah V = 220√2sin 120πt.

5. Suatu kumparan dengan hambatan listrik dapat dibiarkan dan dihubungkan ke sebuah sumber AC 60 V, 400 Hz. Jika arus pada kumparan adalah 1,2 A, maka induktansi kumparan adalah …

Jawab:

Pembahasan:

contoh soal arus bolak balik kelima

Pertanyaan yang Sering Ditanyakan

Berikut di bawah ini beberapa pertanyaan yang sering diajukan terkait arus bolak balik.

1. Pada alternator yang menghasilkan arus listrik bolak-balik adalah …

Stator coil

2. Apa itu arus bolak balik?

Arus yang arahnya berubah terhadap periode waktu dan mengalir secara dua arah.

3. Akibat pengaruh arus bolak balik pada rangkaian rlc seri diperoleh data yang tertera adalah …

75 ohm

4. Hambatan yang timbul pada kapasitor yang dihubungkan dengan arus bolak balik disebut …

Reaktansi kapasitif


Demikianlah pembahasan yang padat dan mendalam terkait arus AC. Apakah kamu punya pertanyaan? Kasih tau di kolom komentar ya. Semoga bermanfaat dan terima kasih.

Referensi:

  • Arus bolak-balik – Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
  • Rangkaian Arus Bolak-Balik: Resistor, Induktor dan Kapasitor – Ruangguru

Tinggalkan komentar