Menghitung Kecepatan Alir Arus Listrik

Dalam kehidupan sehari – hari tentu kita tidak pernah lepas dengan apa yang disebut Listrik. Pernahkah suatu saat kita bertanya kepada diri kita sendiri, apakah itu listrik? Berapakah kecepatan aliran arus listrik itu?? Mungkin ada beberapa dari kita sudah banyak yang mengerti, bahwa sebenarnya apa yang disebut arus listrik adalah aliran muatan tiap satuan waktu, yang dirumuskan

I = dq/dt

Tentunya yang dimaksud muatan disini adalah elektron dan bukannya proton. Maka dari sini kita mengetahui, bahwa yang mengalir dari sebuah arus listrik adalah elektron yang bergerak dari kutub negatif ke kutub positif (arah arus elektron), dan bukan sebaliknya dari positif ke negatif (arah arus konvesional). Namun arah manapun yang anda gunakan akan tetap menghasilkan hasil yang sama kecuali pada arah dari arus tersebut. Sebagian orang terutama para teknisi lebih suka menggunakan arah arus konvesional, karena schematic dari komponen elektronika menggunakan arah arus konvesional, sehingga ini memudahkan dalam perancangan suatu piranti. Namun ada juga dari kita yang lebih suka menggunakan arah arus elektron, karena memang ini yang lebih dekat dengan kenyataan yang sebenarnya.

Schematic dari dioda, salah satu schematic komponen elektronika yang menggunakan konsep arah arus konvesional, anak panah menunjukkan arah arus konvesional yaitu dari anode ke katode. Namun bagi anda yang lebih menyukai arah arus elektron, anda dapat menganggap tanda panah merupakan arah datangnya elektron

Jadi untuk mengukur kecepatan arus listrik, ini berarti kita mengukur kecepatan alir dari elektron tersebut. Sekarang mari kita mulai menghitung dan siapkan kalkulator anda.

Berapakah kecepatan alir elektron dalam sebuah kawat tembaga (14 gauge) yang berjari – jari 0.815 mm yang (misalnya) dialiri arus listrik 1 A ?

Untuk memudahkan menjawab pertanyaan tersebut kita asumsikan saja terdapat 1 elektron bebas per atom tembaga, maka kerapatan muatan elektron bebasnya sama dengan kerapatan atom yang kita notasikan dengan n yang akan kita hubungkan dengan rapat massa ρ, Bilangan Avogadro N dan Massa Atom Relatif Ar. Setelah membuka – buka tabel akhirnya saya menemukan rapat massa ρ untuk tembaga adalah 8.93 g/cm^3 dan Ar =63,5 gram/mol

melaui rumus yang kita dapatkan dalam buku kuliah Fisika

n = ( ρ . N)/Ar

Maka kita akan mendapatkan

n = [(8.93 g/cm^3) . (6,02 . 10^23 atom/mol)] / (63,5 gr/mol)

=8.47 x 10^22 atom/cm^3

Jadi dari sini kita mendapatkan apa yang disebut kerapatan (densitas) elekton yang bernilai 8.47 x 10^22 atom/cm^3 atau juga dapat kita tuliskan 8.47 x 10^28 atom/m^3

Setelah mendapatkan nilai dari densitas elektron, maka kitapun bisa menghitung kecepatan alir dari elektron tersebut (v) dengan menggunakan rumus

v = I/(A.n.e)

= 1C/s / [ П(0,00815 m)^2 . (8.47 x 10^28 atom/m^3) (1,6 x 10^-19 C)]

Setelah persamaan tadi diseleseikan, maka akan kita temukan jawaban sebesar 3,54 x 10^-5 m/s. Disini kita mulai paham bahwa ternyata kecepatan drift dari elektron tembaga begitu kecil. Sekarang timbul pertanyaan, berapakah waktu yang dibutuhkan elektron tersebut untuk mengalir pada kawat tembaga sejauh 1 meter??

Melalui rumus gerak lurus beraturan yang sederhana v = s/t , kita akan mendapatkan jawaban waktu alir elektron tersebut sebesar 7,85 jam

Tentu kita heran, melihat angka tersebut. Betapa tidak? Suatu lampu listrik akan menyala seketika saat saklar dinyalakan, padahal laju aliran elektron begitu rendah, yang seharusnya menurut logika akan membutuhkan waktu berjam- jam untuk mengalir dari saklar ke lampu.

Keheranan ini akan terpecahkan bila kita analogikan kawat penghantar tersebut sebagai selang air, dengan air sebagai elektronnya. Ketika kita menyalakan keran dalam selang air yang panjang dan kosong, air akan membutuhkan waktu sedikit lama untuk bisa mengalir dari keran menuju mulut selang.

Namun bagaimana bila selang sudah penuh dengan air?? Saat selang penuh dengan air, maka kita dapat melihat bahwa air akan muncul pada mulut selang seketika kita menyalakan keran. Ini disebabkan karena tekanan air pada keran akan membuat segmen air pada selang akan mendorong segmen air didekatnya, begitu seterusnya sampai segmen air tersebut sampai di mulut selang. Air yang keluar dari ujung segmen akan digantikan dengan air pada segmen ujung sebelumnya. Ini menyebabkan aliran air pada selang tersebut konstan.

Hal yang sama terjadi pada kabel tembaga yang penuh dengan elektron bebas. Ketika saklar dihidupkan, maka suatu medan listrik dengan laju mendekati cahaya akan memberikan seketika seluruh elekron bebas tersebut apa yang disebut kecepatan drift (alir). Seperti yang kita ketahui sebelumnya bahwa kerapatan elektron dalam kawat penghantar tersebut adalah konstan dan tidak berubah terhadap waktu. Maka elektron yang keluar dari suatu segmen kawat penghantar tersebut akan digantikan dengan elektron pada jumlah yang sama pada ujung segmen kawat sebelumnya.

Inilah yang menyebabkan elektron – elektron bergerak melalui filamen lampu hampir seketika saat saklar dihidupkan. Jadi perpindahan sejumlah besar elektron pada kabel terjadi bukan karena disebabkan dari sedikit elektron pada satu ujung kemudian bergerak dengan cepat ke ujung lainnya, namun lebih merupakan hasil dari gerak sejumlah besar muatan yang mengalir dengan lambat pada kabel.

Semoga penjelasan ini dapat memperjelas kejadian yang kita temui dalam kehidupan sehari. Atau mungkin anda menjadi tambah bingung?? Jangan khawatir, segeralah ambil air wudhu, bersegera sholat, lalu ulangi membaca tulisan ini pelan pelan.