Arus listrik
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| current/ˈkʌrənt/ | arus |
| charge carriers/tʃɑːdʒ ˈkærɪəz/ | pembawa muatan |
| conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ | arus konvensional |
| quantised/ˈkwɒntaɪzd/ | terkuantisasi |
| elementary charge/ˌelɪˈmentəri tʃɑːdʒ/ | muatan elementer |
| coulomb/ˈkuːlɒm/ | coulomb |
| drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ | kecepatan rambat |
| number density/ˈnʌmbə ˈdensɪti/ | kerapatan jumlah |
| semiconductor/ˌsemɪkənˈdʌktə/ | semikonduktor |
Lebih lambat dari siput
- Nyalakan sakelar dan lampu menyala seketika.
- Namun elektron itu sendiri mengalir melalui kawat lebih lambat dari siput.
- Dorongan (medan listrik) bergerak cepat; muatan merayap pelan.
Apa arus listrik itu
- Arus listrik adalah aliran pembawa muatan (elektron dalam logam, ion dalam cairan).
- Arus konvensional menunjukkan arah aliran muatan positif — berlawanan dengan arah elektron.
Pembawa muatan mengalir di dalam konduktor
Arus, tegangan, dan hambatan
Arus adalah laju aliran muatan. Naikkan tegangan dan arus naik; naikkan hambatan dan arus turun — I = V / R.
Arus konvensional mengarah ke arah yang:
Arus konvensional adalah aliran muatan positif — berlawanan dengan drift elektron dalam kawat logam.
Muatan datang dalam paket-paket
- Muatan bersifat terkuantisasi: satuan bebas terkecil adalah muatan elementer $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
- Setiap muatan bebas merupakan kelipatan bilangan bulat dari $e$. Satuan muatan: coulomb (C).
Satuan bebas terkecil dari muatan adalah muatan ____, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
Semua muatan bebas adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan elementer $e$.
Arus = muatan per detik
- $I = \dfrac{Q}{t}$, sehingga $Q = It$. Satuan: ampere ($1\ \text{A} = 1\ \dfrac{\text{C}}{\text{s}}$).
- Untuk arus yang berubah, muatan adalah luas di bawah grafik $I$–$t$.
- Waktu harus dalam detik — soal yang menyebutkan "menit" sedang menguji hal ini.
Arus sebesar $2.0\ \text{A}$ mengalir selama $5.0\ \text{s}$. Berapa banyak muatan yang lewat?
$Q = It = 2.0 \times 5.0 = 10\ \text{C}$.
Muatan yang telah mengalir sama dengan luas di bawah grafik $I$–$t$.
Ya — arus adalah laju aliran muatan, sehingga luas (arus × waktu) memberikan total muatan.
Contoh terpecahkan: berapa banyak elektron?
Arus sebesar $0.25\ \text{A}$ mengalir dalam kawat selama $4.0$ menit. Berapa banyak muatan yang lewat, dan berapa banyak elektron itu?
- Konversi ke detik terlebih dahulu: $t = 4.0 \times 60 = 240\ \text{s}$.
- Muatan: $Q = It = 0.25 \times 240 = 60\ \text{C}$.
- Elektron: $N = \dfrac{Q}{e} = \dfrac{60}{1.60 \times 10^{-19}} = 3.8 \times 10^{20}$.
- Periksa: jumlah besar dari arus kecil — itu wajar, karena setiap elektron membawa sangat sedikit muatan.
Arus sebesar $0.50\ \text{A}$ mengalir selama $2.0$ menit. Berapa banyak elektron yang lewat satu titik dalam kawat? Berikan jawaban Anda sebagai kelipatan dari $10^{20}$.
$Q = It = 0.50 \times 120 = 60\ \text{C}$, sehingga $N = \dfrac{60}{1.60 \times 10^{-19}} = 3.75 \times 10^{20}$. Menit harus diubah menjadi detik terlebih dahulu.
Kecepatan rambat
- $I = Anvq$ — luas $A$, densitas jumlah pembawa $n$, kecepatan rambat $v$, muatan $q$ masing-masing.
- Arus yang sama dalam kawat lebih tipis → kecepatan drift lebih cepat; semikonduktor ($n$ kecil) → kecepatan drift jauh lebih cepat.
Persamaan mana yang memberikan arus berdasarkan kecepatan drift?
Arus = (luas)(densitas jumlah)(kecepatan drift)(muatan per pembawa) $= Anvq$.
Dalam kawat yang lebih tipis yang membawa arus yang sama, elektron bergerak lebih cepat.
Dari $I = Anvq$, luas yang lebih kecil $A$ pada $I$ yang sama memerlukan kecepatan drift yang lebih besar $v$.
Pasangkan setiap besaran dalam $I = Anvq$ dengan satuan SI-nya.
Kalikan satuannya: $\text{m}^{2} \times \text{m}^{-3} \times \dfrac{\text{m}}{\text{s}} \times \text{C} = \dfrac{\text{C}}{\text{s}} = \text{A}$, yang merupakan pengecekan bahwa persamaan tersebut masuk akal.
Dari mana $n$ berasal
- Dalam logam, setiap atom melepaskan sekitar satu elektron bebas, sehingga $n$ hanyalah jumlah atom per meter kubik.
- Atom per $\text{m}^{3}$ = $\dfrac{\text{density} \times N_{\text{A}}}{\text{molar mass}}$. Untuk tembaga: $n = \dfrac{(8.9 \times 10^{3})(6.02 \times 10^{23})}{0.0635} = 8.4 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$.
- Logam berkisar di sekitar $10^{28}$–$10^{29}\ \text{m}^{-3}$; semikonduktor beberapa pangkat sepuluh lebih rendah.
Contoh terpecahkan: kecepatan rambat dalam kawat tembaga
Kawat tembaga berdiameter $1.3\ \text{mm}$ mengalirkan $2.0\ \text{A}$. Menggunakan $n = 8.4 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$, temukan kecepatan rambat. Kawat kemudian menyempit menjadi setengah diameter.
- Luas: $A = \pi r^{2} = \pi (0.65 \times 10^{-3})^{2} = 1.3 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
- Kecepatan rambat: $v = \dfrac{I}{nAe} = \dfrac{2.0}{(8.4 \times 10^{28})(1.3 \times 10^{-6})(1.60 \times 10^{-19})} = 1.1 \times 10^{-4}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ — sekitar satu persepuluh milimeter per detik.
- Bagian sempit: arus adalah sama di seluruh bagian kawat, sehingga $v \propto \dfrac{1}{A} \propto \dfrac{1}{r^{2}}$. Setengah diameter → seperempat luas → empat kali kecepatan rambat.
- Periksa: elektron melaju lebih cepat di bagian sempit karena alasan yang sama dengan air yang melaju lebih cepat di pipa sempit — aliran yang sama harus melewati bukaan yang lebih kecil.
Sebuah kawat dengan luas penampang $2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$ mengalirkan $3.2\ \text{A}$. Densitas jumlah elektron bebas adalah $1.0 \times 10^{29}\ \text{m}^{-3}$. Berapakah kecepatan drift, dalam mm/s?
$v = \dfrac{I}{nAe} = \dfrac{3.2}{(1.0 \times 10^{29})(2.0 \times 10^{-6})(1.60 \times 10^{-19})} = 1.0 \times 10^{-4}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}} = 0.10\ \dfrac{\text{mm}}{\text{s}}$.
Tiga slip ini mengurangi nilai. $A$ harus ada dalam $\text{m}^{2}$: diameter dalam mm memberikan luas dalam $\text{mm}^{2}$, dan $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$. Gunakan jari-jari dalam $\pi r^{2}$, bukan diameter. Dan bagian kawat yang lebih sempit tidak mengalirkan arus lebih sedikit — arusnya sama di seluruh jalur seri; yang berubah adalah kecepatan drift.
Anda telah memahaminya
- arus adalah aliran muatan; arus konvensional = arah aliran positif
- $I = \dfrac{Q}{t}$ (detik!), dan muatan adalah luas di bawah grafik $I$–$t$; elektron $= \dfrac{Q}{e}$
- rambat: $I = Anvq$; $n \approx 10^{29}\ \text{m}^{-3}$ untuk logam; arus sama, luas lebih kecil → rambat lebih cepat