Rangkaian Listrik: Pendahuluan

Pada bagian ini, kita akan membahas beberapa hukum dasar fisika yang terkait dengan rangkaian listrik.

Namun sebelum itu, kita perlu membahas beberapa besaran yang terkait dengan rangkaian listrik, seperti arus listrik, tegangan listrik / beda potensial listrik dan hambatan listrik.

Apa itu arus listrik? Arus listrik bisa dimaknai sebagai seberapa besar muatan listrik yang melewati suatu titik tertentu pada selang waktu tertentu pula. Mirip dengan debit air pada pipa, seberapa banyak air (volume air) yang mengalir melewati suatu titik pada interval waktu tertentu.

Dari makna arus listrik tersebut, bisa kita rumuskan sebagai 
$I=\Delta Q/\Delta t$,

yang kemudian juga bisa kita cek satuan untuk arus listrik ini berupa Coulomb/second atau Ampere. Jadi, jika terdapat 1 Ampere arus listrik melewati suatu kabel, itu artinya terdapat 1 Coulomb muatan listrik yang lewat tiap detiknya.

Kemudian tentang beda potensial listrik, sebelumnya kita sudah bahas mengenai energi potensial listrik, yakni kapasitas untuk melakukan kerja atau kerja (melalui gaya listrik) pada suatu muatan listrik[1]. Sedangkan potensial listrik bisa diartikan sebagai besarnya energi potensial listrik untuk tiap 1 Coulomb muatan listrik.

Dari perumusan energi potensial listrik untuk interaksi dua benda bermuatan listrik $Q_1$ dan $Q_2$ yang dipisahkan jarak r berupa 
$U=kQ_1 Q_2/r$,
maka kita bisa rumuskan potensial listrik yang dimiliki oleh benda bermuatan $Q_2$ pada contoh di atas adalah
$V=kQ_1/r$.

Perbedaan potensial listrik pada suatu ruang menyebabkan munculnya medan listrik ($\vec{E}$), yang bisa ditulis dalam bentuk 
$\vec{E}=-\Delta V/\Delta r$.

Dalam rangkaian listrik, beda potensial listrik memunculkan arus listrik pada rangkaian yang tertutup. Beda potensial listrik memiliki satuan dalam Volt . 1 Volt artinya 1 Joule energi potensial listrik untuk tiap 1 Coulomb muatan listrik, atau 1 V = 1 J/C.

Lanjut ke hambatan listrik, suatu sifat dari material atau bahan pengantar listrik yang mempengaruhi besarnya arus listrik yang melewatinya. Semakin besar hambatan listrik dari suatu bahan, maka akan semakin besar beda potensial yang dibutuhkan untuk menghasilkan arus listrik tertentu.
Ada beberapa hukum fisika yang terkait dengan aliran arus listrik ini, yakni hukum Ohm dan hukum Kirchhoff.

Hukum Ohm menjelaskan bagaimana beda potensial listrik atau tegangan listrik menyebabkan arus listrik pada suatu material pengantar listrik, dan perlu diingat tidak semua material mengikuti hukum Ohm. Didapatkan bahwa pada material Ohmic (yang mengikuti hukum Ohm) semakin besar tegangan listrik yang diberikan pada bahan Ohmic, maka akan semakin besar nilai arus listrik yang muncul. Sedangkan semakin besar hambatan listrik pada material Ohmic (dengan tegangan listrik yang sama) maka akan semakin kecil nilai arus listrik yang muncul. Jika ditulis bentuk matematika dari hukum Ohm ini menjadi seperti

$V=IR$

dengan $V$ adalah tegangan listrik atau beda potensial listrik yang diberikan, $R$ adalah besarnya hambatan listrik bahan Ohmic, dan $I$ adalah besarnya arus listrik yang dihasilkan. Satuan dari hambatan listrik adalah Ohm($\Omega$). 1 Ohm bisa diartikan sebagai 1 Volt beda potensial listrik dibutuhkan untuk menghasilkan 1 Ampere arus listrik pada material Ohmic tersebut. 

Hukum Kirchhoff berkenaan dengan bagaimana aliran listrik pada rangkaian bercabang dan kompleks, kita akan membahas hukum Kirchhoff ini dibagian selanjutnya.


[1] Thornton and Marion, Classical Dynamic of Particles and System (2004), halaman 78