Pemahaman dasar tentang elektronika tidak lengkap tanpa memahami dua prinsip fundamental: Hukum Ohm dan Kirchhoff. Hukum Ohm, yang pertama kali diperkenalkan oleh fisikawan Jerman, Georg Simon Ohm, pada abad ke-19, menjelaskan hubungan esensial antara tegangan, arus, dan hambatan dalam sebuah rangkaian listrik. Prinsip ini menyatakan bahwa arus listrik yang mengalir melalui suatu penghantar berbanding lurus dengan tegangan yang diterapkan pada penghantar tersebut, dan berbanding terbalik dengan hambatannya.
Hukum Ohm sangat penting dalam merancang dan menganalisis berbagai rangkaian listrik, karena memberikan panduan tentang bagaimana perilaku aliran listrik dalam sebuah rangkaian. Sementara itu, prinsip Kirchhoff, yang ditemukan oleh Gustav Kirchhoff, menguraikan dua hukum utama dalam analisis rangkaian listrik: Hukum Arus Kirchhoff dan Hukum Tegangan Kirchhoff. Hukum Arus Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah total arus yang masuk ke simpul (node) dalam sebuah rangkaian harus sama dengan jumlah total arus yang keluar dari simpul tersebut.
Sementara Hukum Tegangan Kirchhoff menyatakan bahwa total penurunan tegangan di sepanjang suatu loop (lintasan tertutup) dalam rangkaian harus sama dengan total tegangan yang diberikan pada loop tersebut. Kombinasi dari Hukum Ohm dan prinsip Kirchhoff memberikan landasan yang kuat untuk memahami dan menganalisis berbagai rangkaian listrik, mulai dari sirkuit sederhana hingga sistem yang lebih kompleks. Dengan memahami kedua prinsip ini, seseorang dapat lebih mudah merancang, memodifikasi, dan memecahkan masalah dalam konteks elektronika.
Hukum Ohm
Hukum Ohm merupakan prinsip dasar dalam elektronika yang menjelaskan hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dalam sebuah rangkaian listrik. Rumus dasar yang terkait dengan Hukum Ohm adalah:
\(V=I \times R\)di mana:
- \(V\) adalah tegangan dalam volt (V),
- \(I\) adalah arus dalam ampere (A), dan
- \(R\) adalah resistansi dalam ohm \((\Omega)\).
Rumus tersebut menyatakan bahwa tegangan yang diterapkan pada suatu penghantar akan sebanding dengan arus listrik yang mengalir melaluinya, dan berbanding terbalik dengan hambatan dari penghantar tersebut. Hukum ini menjadi dasar penting dalam pemahaman tentang bagaimana aliran listrik berperilaku dalam suatu rangkaian.
Hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff merupakan prinsip dasar dalam analisis rangkaian listrik yang digunakan untuk memahami distribusi tegangan dan arus dalam sebuah rangkaian. Prinsip ini dikembangkan oleh fisikawan Jerman, Gustav Robert Kirchhoff, pada abad ke-19. Hukum Kirchhoff membahas tentang prinsip kekekalan muatan dan energi listrik dalam suatu rangkaian.
Hukum Kirchhoff terdiri dari dua bagian utama yang dikenal sebagai Hukum Kirchhoff Pertama dan Hukum Kirchhoff Kedua. Hukum Kirchhoff Pertama, atau yang juga dikenal sebagai Hukum Arus Kirchhoff, menyatakan bahwa jumlah total arus yang masuk ke sebuah simpul (node) dalam sebuah rangkaian harus sama dengan jumlah total arus yang keluar dari simpul tersebut. Dengan kata lain, muatan yang masuk ke simpul harus sama dengan muatan yang keluar dari simpul.
Sementara itu, Hukum Kirchhoff Kedua, atau yang juga disebut Hukum Tegangan Kirchhoff, menyatakan bahwa total penurunan tegangan di sepanjang suatu loop (lintasan tertutup) dalam rangkaian harus sama dengan total tegangan yang diberikan pada loop tersebut. Artinya, jumlah tegangan yang turun di setiap elemen dalam suatu loop harus sama dengan jumlah tegangan yang diberikan pada loop tersebut.
Dengan menggunakan kedua hukum Kirchhoff ini, seseorang dapat menganalisis berbagai jenis rangkaian listrik dengan lebih efisien dan akurat, memahami aliran arus dan distribusi tegangan dalam rangkaian tersebut. Hukum Kirchhoff menjadi dasar penting dalam pemahaman tentang perilaku dan analisis rangkaian listrik, baik yang sederhana maupun yang kompleks.
Hukum Kirchhoff 1
Hukum Kirchhoff Pertama, yang juga dikenal sebagai Hukum Arus Kirchhoff atau hukum titik cabang, adalah prinsip dasar dalam analisis rangkaian listrik. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah total arus yang masuk ke suatu titik percabangan (node) dalam sebuah rangkaian listrik harus sama dengan jumlah total arus yang keluar dari titik percabangan tersebut. Dengan kata lain, prinsip ini menjelaskan bahwa muatan atau arus yang memasuki suatu simpul dalam rangkaian harus sama dengan muatan atau arus yang keluar dari simpul tersebut.
Persamaan arus: \(I_1+I_2=I_3+I_4+I_5\)
Prinsip ini sangat penting dalam memahami aliran arus dalam rangkaian listrik, karena memastikan bahwa muatan atau arus yang masuk ke suatu simpul akan berimbang dengan muatan atau arus yang keluar dari simpul tersebut. Hal ini sesuai dengan prinsip kekekalan muatan dalam fisika, yang menyatakan bahwa muatan tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat dipindahkan dari satu tempat ke tempat lainnya.
Hukum Kirchhoff 2
Hukum Kirchhoff Kedua, atau yang dikenal sebagai Hukum Loop atau KVL (Kirchhoff Voltage Law), menyatakan bahwa dalam suatu loop tertutup dalam rangkaian listrik, jumlah aljabar tegangan sumber (E) dan jumlah penurunan potensial adalah nol. Dengan kata lain, jumlah tegangan yang diberikan oleh sumber energi dalam loop harus sama dengan jumlah tegangan yang turun di setiap elemen dalam loop tersebut, sehingga total tegangan di loop tersebut adalah nol.
Hukum Kirchhoff 2 bisa ditulis persamaan :
\(\sum E+\sum I . R=0\)Persamaan di atas dapat dijabarkan sebagai berikut :
\(E_1-E_2+I\left(R_3+R_4\right)=0\)Tegangan \(E_2\) menjadi negatif karena dalam asumsi loop, arus searah jarum jam pertama kali bertemu dengan kutub negatif sumber tegangan, sehingga tegangan dianggap negatif. Ini berarti nilai \(E_2\) adalah negatif dalam loop tersebut. Di sisi lain, karena sumber tegangan \(E_1\) dilewati oleh loop arus dengan pertemuan kutub positif terlebih dahulu, maka tegangan \(E_1\) diberi nilai positif. Oleh karena itu, tanda positif atau negatif pada sumber tegangan \(E\) ditentukan oleh arah loop arus yang dibentuk dalam rangkaian.
Prinsip ini mengindikasikan bahwa energi listrik dalam suatu rangkaian tertutup tidak hilang atau diciptakan, melainkan hanya mengalami transformasi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dengan menerapkan Hukum Kirchhoff Kedua, kita dapat memahami bagaimana tegangan berperilaku dalam suatu loop dalam rangkaian listrik dan menghitung tegangan di berbagai bagian dari rangkaian tersebut.
Rangkaian 1 Loop
Arus listrik dan arahnya dalam satu loop dari Gambar di atas, bisa dihitung menggunakan Hukum Kirchhoff Kedua. Langkah-langkah untuk menyelesaikannya adalah sebagai berikut:
\( E_1-E_2+I\left(R_3+R_4\right)=0\)
\( 3-5+I .2=0\)
\( 2 I=2 \)
\( I=1 \mathrm{~A}\)
Dengan demikian, arus dalam rangkaian adalah 1 Ampere. Karenakan arus listrik sebesar 1 A memiliki nilai positif, itu menunjukkan bahwa arah arus searah dengan arah loop yang dibentuk, yaitu searah dengan arah jarum jam.
Rangkaian 2 Loop
Ketika sebuah rangkaian memiliki lebih dari satu loop, proses penyelesaiannya sedikit lebih rumit karena setiap loop memiliki persamaan tersendiri yang perlu dipertimbangkan. Dalam konteks ini, loop merujuk pada lintasan tertutup dalam rangkaian listrik di mana arus dapat mengalir. Setiap loop memiliki persamaan Kirchhoff Kedua sendiri yang menggambarkan keseimbangan tegangan di sepanjang loop tersebut.
Gambar berikut menunjukkan contoh rangkaian yang memiliki dua loop. Dalam penyelesaiannya, setiap loop akan memiliki persamaan Kirchhoff Kedua yang berbeda untuk menggambarkan keseimbangan tegangan di setiap loop tersebut. Kemudian, persamaan-persamaan tersebut dapat diselesaikan bersama-sama untuk mencari nilai yang tidak diketahui, seperti arus atau tegangan di setiap elemen dalam rangkaian.
Sebelum menyelesaikan persamaan dua loop pada Gambar, perlu memperhatikan aturan untuk menentukan tanda positif atau negatif tegangan dalam suatu persamaan. Aturan ini membantu dalam memberikan orientasi yang benar terhadap arah tegangan dalam analisis rangkaian listrik. Jika dalam setiap loop arus yang dibentuk, arah arus bertemu dengan kutub negatif sumber tegangan terlebih dahulu, maka tegangan tersebut diberi tanda negatif. Sebaliknya, jika arah arus bertemu dengan kutub positif terlebih dahulu pada sumber tegangan, maka tegangan tersebut diberi tanda positif.
Dengan kata lain, aturan ini mengaitkan tanda tegangan dengan arah arus dalam suatu loop. Jika arah arus dalam loop sejalan dengan arah tegangan sumber, maka tegangan tersebut dianggap positif. Namun, jika arah arus berlawanan dengan arah tegangan sumber, maka tegangan tersebut dianggap negatif.
Persamaan pada loop 1:
\( -E_1-E_2+I \cdot R_1+I_1 \cdot R_2=0 \)
\( -16-8+12 . I+6 \cdot I_1=0 \)
\( 24=12 . I+6 I_1 \)
\( 4=I_1+2 . I \)
Persamaan pada loop 2:
\( E_2+E_3+R_3 . I_2-R_2 . I_1=0\left(R_3 . I_2-R_2 . I_1 \text { karena loop arah } I_2 \text { berlawanan dengan } I_1\right) \)
\( 8+10+6.I_2-6.I_1=0 \)
\( 18+6.I_2-6.I_1=0 \)
\( 18=6.I_1-6.-I_2 \)
\( 3=I_1-I_2 \)
Setelah menentukan persamaan untuk loop 1 dan loop 2 dalam rangkaian, langkah selanjutnya adalah memastikan konsistensi dalam persamaan arus sesuai dengan Hukum Kirchhoff Pertama. Dari Gambar 4, kita dapat menuliskan persamaan arus sebagai berikut:
\( I = I_1 + I_2 \Rightarrow I_2 = I – I_1 \)Kemudian, untuk memastikan bahwa kedua persamaan loop memiliki variabel yang sama, kita perlu menghilangkan variabel \( I_2 \) dari persamaan loop 2. Maka kita dapat menyusun persamaan sebagai berikut:
\( 3 = I_1 – I_2 \)
\( 3 = I_1 – (I – I_1) \)
\( 3 = 2I_1 – I \)
Sehingga persamaan untuk loop 2 menjadi:
\( 3 = 2I_1 – I \)
Dengan persamaan loop 1 dan loop 2 dituliskan, kita dapat menyelesaikan persamaan untuk mencari nilai \( I_1 \) dan \( I \). Proses tersebut adalah sebagai berikut:
\( 4 = I_1 + 2I \)
\( 3 = 2I_1 – I \times 2 \)
Maka dengan mengalikan persamaan loop 2 dengan 2, kita mendapatkan:
\( 4 = I_1 + 2I \)
\( 6 = 4I_1 – 2I \)
Dengan melakukan pengurangan antara kedua persamaan tersebut, kita dapat mencari nilai \( I_1 \):
\( 10 = 5I_1 \)
\( I_1 = 2 \, \text{A} \)
Dengan demikian, kita dapat menentukan bahwa \(I_1\) memiliki nilai 2 Ampere.
Kemudian, masukkan hasil dari persamaan sebelumnya ke dalam persamaan untuk loop 2, sehingga kita memiliki:
\( 3 = 2 \cdot I_1 – I \)
\( 3 = 2 \cdot 2 – I \)
\( I = 4 – 3 = 1 \, \text{A}\)
Dari persamaan arus \(I = I_1 + I_2\), kita dapat menentukan nilai \(I_2\):
\( I_2 = I + I_1 \)
\( I_2 = 1 – 2 \)
\( I_2 = -1 \, \text{A}\)
Besarnya arus \(I_2\) adalah -1 A, atau dengan kata lain, besarnya arus pada \(I_2\)adalah 1 A dengan arah yang berlawanan dengan loop 2.
Kesimpulan
Pemahaman tentang Hukum Ohm dan Hukum Kirchhoff sangat penting dalam belajar elektronika. Hukum Ohm memberikan dasar yang kuat dalam memahami hubungan antara arus listrik, tegangan, dan hambatan dalam sebuah rangkaian listrik. Prinsip ini menjelaskan bahwa arus listrik yang mengalir melalui suatu penghantar akan sebanding dengan tegangan yang diterapkan pada penghantar tersebut, dan berbanding terbalik dengan hambatan penghantar tersebut.
Sementara itu, Hukum Kirchhoff memberikan panduan yang sangat berguna dalam menganalisis rangkaian listrik yang lebih kompleks. Dengan Hukum Kirchhoff, kita dapat memahami dan mengatur aliran arus dan tegangan dalam suatu rangkaian dengan lebih efisien. Hukum Kirchhoff Pertama memastikan konservasi muatan dalam sebuah rangkaian, sementara Hukum Kirchhoff Kedua menetapkan bahwa jumlah penurunan tegangan dalam suatu loop dalam rangkaian harus sama dengan jumlah tegangan yang diberikan pada loop tersebut.