Banyaknya elektron yang mengalir pada suatu penghantar setiap menit jika kuat arus yang mengalir

Arus searah adalah arus listrik yang nilainya tidak berubah yaitu positif atau hanya negatif saja.[7] Arus searah didefinisikan sebagai arus yang mempunyai nilai tetap atau konstan terhadap satuan waktu. Peninjauan arus listrik pada waktu berbeda, tetap akan mendapatkan nilai yang sama.[8] Sumber arus searah diperoleh dari elemen-elemen yang memberikan energi listrik yang mengalir secara merata setiap saat, seperti elemen volta, baterai, akumulator.[9]

Arus bolak-balik

Sunting

Arus bolak-balik adalah arus listrik yang memiliki arah arus yang berubah-ubah secara bolak-balik. Sifat arus bolak-balik berbeda dengan arus searah yang arah arusnya tidak berubah-ubah terhadap waktu. Bentuk gelombang dari arus bolak-balik biasanya berbentuk gelombang sinusoida sehingga memungkinkan pengaliran energi secara efisien. Arus bolak-balik juga dapat mengalir dalam bentuk gelombang segitiga atau bentuk gelombang segi empat. Secara umum, penyaluran listrik arus bolak-balik dari sumber listrik menuju ke kantor-kantor atau rumah-rumah penduduk. Arus bolak-balik juga dialirkan sebagai sinyal-sinyal radio atau audio yang disalurkan melalui kabel. Di dalam aplikasi-aplikasi ini, tujuan utama yang paling penting adalah pengambilan informasi yang termodulasi atau terkode di dalam sinyal arus bolak-balik tersebut.[10]

Arus yang mengalir masuk suatu percabangan sama dengan arus yang mengalir keluar dari percabangan tersebut. i 1 + i 4 = i 2 + i 3 {\displaystyle i_{1}+i_{4}=i_{2}+i_{3}} [11]

Untuk arus yang konstan, besar arus I {\displaystyle I} dalam Ampere dapat diperoleh dengan persamaan:

I = Q t , {\displaystyle I={\frac {Q}{t}},}

di mana I {\displaystyle I} adalah arus listrik, Q {\displaystyle Q} adalah muatan listrik, dan t {\displaystyle t} adalah waktu.

Sedangkan secara umum, arus listrik yang mengalir pada suatu waktu tertentu adalah:[12]

I = d Q d t . {\displaystyle I={\frac {dQ}{dt}}.}

Dengan demikian dapat ditentukan jumlah total muatan yang dipindahkan pada rentang waktu 0 hingga t {\displaystyle t} melalui integrasi:[11]

Q = ∫ d Q = ∫ 0 t i d t . {\displaystyle Q=\int dQ=\int _{0}^{t}{i}\ dt.}

Sesuai dengan persamaan di atas, arus listrik adalah besaran skalar karena baik muatan Q {\displaystyle Q} maupun waktu t {\displaystyle t} merupakan besaran skalar.[11] Dalam banyak hal sering digambarkan arus listrik dalam suatu sirkuit menggunakan panah,[11] salah satunya seperti pada diagram di atas. Panah tersebut bukanlah vektor dan tidak membutuhkan operasi vektor.[11] Pada diagram di atas ditunjukkan arus mengalir masuk melalui dua percabangan dan mengalir keluar melalui dua percabangan lain. Karena muatan listrik adalah kekal maka total arus listrik yang mengalir keluar haruslah sama dengan arus listrik yang mengalir ke dalam[11] sehingga i 1 + i 4 = i 2 + i 3 {\displaystyle i_{1}+i_{4}=i_{2}+i_{3}} . Panah arus hanya menunjukkan arah aliran sepanjang penghantar, bukan arah dalam ruang.[11]

Arah arus

Sunting

Definisi arus listrik yang mengalir dari kutub positif (+) ke kutub negatif (-) baterai (kebalikan arah untuk gerakan elektronnya)[11]

Pada diagram digambarkan panah arus searah dengan arah pergerakan partikel bermuatan positif (muatan positif) atau disebut dengan istilah arus konvensional.[13] Pembawa muatan positif tersebut akan bergerak dari kutub positif baterai menuju ke kutub negatif.[11] Pada kenyataannya, pembawa muatan dalam sebuah penghantar listrik adalah partikel-partikel elektron bermuatan negatif yang didorong oleh medan listrik mengalir berlawan arah dengan arus konvensional.[11] Sayangnya, dengan alasan sejarah, digunakan konvensi berikut ini:[11]

Konvensi demikian dapat digunakan pada sebagian besar keadaan karena dapat diasumsikan bahwa pergerakan pembawa muatan positif memiliki efek yang sama dengan pergerakan pembawa muatan negatif.[11]

Rapat arus

Sunting

Rapat arus adalah aliran muatan pada suatu luas penampang tertentu di suatu titik penghantar.[11] Dalam SI, rapat arus memiliki satuan Ampere per meter persegi (A/m2).[11]

I = ∫ J ⋅ d A , {\displaystyle I=\int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} ,}

di mana I {\displaystyle I} adalah arus pada penghantar, vektor J adalah rapat arus yang memiliki arah sama dengan kecepatan gerak muatan jika muatannya positif dan berlawan arah jika muatannya negatif, dan dA adalah vektor luas elemen yang tegak lurus terhadap elemen.[11] Jika arus listrik seragam sepanjang permukaan dan sejajar dengan dA maka J juga seragam dan sejajar terhadap dA sehingga persamaan menjadi:[11]

I = ∫ J d A = J ∫ d A = J A , {\displaystyle I=\int J\ dA=J\int dA=JA,}

maka

J = I A , {\displaystyle J={\frac {I}{A}},}

di mana A {\displaystyle A} adalah luas penampang total dan J {\displaystyle J} adalah rapat arus dalam satuan A/m2.[11]

Kelajuan hanyutan

Sunting

Saat sebuah penghantar tidak dilalui arus listrik, elektron-elektron di dalamnya bergerak secara acak tanpa perpindahan bersih ke arah mana pun juga.[11] Sedangkan saat arus listrik mengalir melalui penghantar, elektron tetap bergerak secara acak namun mereka cenderung hanyut sepanjang penghantar dengan arah berlawanan dengan medan listrik yang menghasilkan aliran arus.[11] Tingkat kelajuan hanyutan dalam penghantar lebih kecil dibandingkan dengan kelajuan gerak-acak, yaitu antara 10−5 dan 10−4 m/s dibandingkan dengan sekitar 106 m/s pada sebuah penghantar tembaga.[11]