Dalam analisis rangkaian, dua prinsip dasar memainkan peran penting: Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL) dan Kekekalan Energi. Prinsip-prinsip ini memungkinkan kita untuk memahami dan menganalisis perilaku rangkaian listrik dan memastikan penggunaan energi yang efisien. Pada artikel ini, kita akan mempelajari konsep Hukum Tegangan Kirchhoff dan Kekekalan Energi, memberikan pemahaman yang jelas tentang kepentingannya dan persamaan yang terkait dengannya.
Apa itu Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL)
Hukum ini mengklaim bahwa setiap loop tertutup dalam rangkaian listrik memiliki tegangan nol sebagai jumlah dari semua tegangan di sekitarnya. Dengan kata lain, dalam rangkaian loop tertutup, total aljabar dari tegangan naik dan turun selalu sama dengan nol.
Penjelasan Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL)
Hukum Tegangan Kirchhoff dapat dipahami dengan mempertimbangkan rangkaian listrik dengan berbagai komponen seperti resistor, kapasitor, dan induktor. Demi penjelasan, saya telah memikirkan tentang rangkaian langsung yang terdiri dari hubungan seri antara sumber tegangan (V), resistor (R), dan kapasitor (C).
Menurut KVL, jumlah penurunan tegangan di setiap komponen dalam loop tertutup harus sama dengan tegangan yang diberikan . Secara matematis, ini dapat direpresentasikan sebagai:
Di mana:
DI DALAM mewakili tegangan yang diberikan dari sumber.
DI DALAM R mewakili penurunan tegangan pada resistor.
DI DALAM C mewakili penurunan tegangan kapasitor.
Hukum Ohm, yang menyatakan bahwa penurunan tegangan pada sebuah resistor sama dengan perkalian resistansi (R) dan arus (I) yang mengalir melewatinya, dapat digunakan untuk menghitung penurunan tegangan pada resistor. Secara matematis, ini dapat direpresentasikan sebagai:
Demikian pula, penurunan tegangan kapasitor dapat ditentukan dengan persamaan:
Di mana:
Q mewakili muatan yang tersimpan dalam kapasitor.
C menunjukkan kapasitansi kapasitor.
Contoh untuk Hukum tegangan Kirchhoff
Berikut adalah rangkaian sederhana dengan tiga resistor (R 1 , R 2 , R 3 ) dihubungkan secara seri. Contoh ini akan menunjukkan bagaimana Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL) berlaku dengan menunjukkan bahwa jumlah semua tegangan dalam loop sama dengan nol.
Dalam rangkaian seri, resistansi total adalah jumlah dari resistansi individu:
Misalkan beberapa nilai resistansi acak untuk setiap resistor:
Resistor 1 (R 1 ) = 2 ohm
Resistor 2 (R 2 ) = 4 ohm
Resistor 3 (R 3 ) = 6 ohm
Sekarang resistansi ekuivalen akan menjadi 12, selanjutnya untuk memverifikasi KVL, kita perlu menghitung penurunan tegangan pada setiap resistor, dan sebelum itu, kita perlu menghitung arus dalam rangkaian dan untuk itu, persamaan berikut dapat digunakan:
Sekarang jika kita menempatkan nilai tegangan sumber yaitu 12 volt dan resistansi ekuivalen yaitu 12 ohm maka persamaan yang diberikan di atas adalah:
Jadi sekarang nilai arusnya adalah 1 A, dan karena ini adalah rangkaian seri, arusnya akan sama di setiap resistor. Namun, tegangan yang melewati resistor akan berbeda, jadi sekarang kita akan menghitungnya di setiap resistor dengan menggunakan persamaan berikut:
Sekarang tegangan jatuh pada resistor R 1 akan:
Tegangan jatuh pada resistor R 2 akan:
Tegangan jatuh pada resistor R 3 akan:
Sekarang untuk memverifikasi hukum tegangan Kirchhoff, gunakan persamaan berikut:
Sekarang tempatkan nilai arus dan tegangan dalam persamaan yang diberikan di atas:
Menurut KVL, jumlah penurunan tegangan di sekitar loop tertutup sama dengan nol, dan hasil di atas membuktikan Hukum Kirchhoff.
Apa itu Konservasi Energi
Ini adalah hukum dasar fisika bahwa energi tidak dapat dihasilkan atau dimusnahkan; melainkan hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya, dan hukum ini disebut kekekalan energi. Hukum ini juga berlaku untuk sirkuit listrik, di mana energi yang diberikan ke sirkuit dikonsumsi oleh komponen atau diubah menjadi bentuk lain.
Menjelaskan Konservasi Energi
Prinsip Konservasi Energi diterapkan dalam rangkaian listrik untuk memastikan bahwa energi yang disuplai ke rangkaian dipertahankan dan dimanfaatkan dengan tepat. Dalam rangkaian listrik apa pun, daya total yang disuplai harus sama dengan jumlah daya yang dikonsumsi dan dihamburkan.
Daya yang dialirkan oleh sumber tegangan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Di mana:
P mewakili daya yang disediakan.
DI DALAM adalah tegangan yang diberikan oleh sumber yang terhubung.
SAYA am arus yang mengalir dalam rangkaian.
Daya yang dikonsumsi oleh resistor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Daya yang dihamburkan oleh kapasitor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Contoh konservasi energi
Misalkan rangkaian yang terdiri dari baterai (V) dihubungkan ke resistor (R) dan baterai memberikan tegangan konstan, dan resistor mengubah energi listrik menjadi energi panas.
Di sini, untuk demonstrasi, saya mengambil tegangan sama dengan 12 dan nilai resistansi sama dengan 6 ohm. Total daya yang disuplai oleh baterai harus sesuai dengan total daya yang digunakan oleh resistor dengan konsep kekekalan energi.
Untuk menghitung daya yang diberikan oleh baterai, kita dapat menggunakan rumus:
Di mana P mewakili daya dan saya menunjukkan arus yang mengalir melalui rangkaian.
Untuk menghitung daya yang dialirkan oleh sumber arus pada rangkaian harus diketahui dan untuk itu digunakan Hukum Ohm :
Sekarang, mari kita hitung daya yang disuplai oleh baterai:
Daya yang digunakan resistor harus sama dengan daya yang disuplai oleh baterai, berdasarkan prinsip kekekalan energi. Rumus berikut dapat digunakan untuk menentukan daya yang digunakan oleh resistor dalam situasi ini:
dimana P R mewakili daya yang dikonsumsi oleh resistor.
Seperti yang bisa kita lihat, daya yang disuplai oleh baterai (24 watt) sama dengan daya yang dikonsumsi oleh resistor (24 watt). Contoh ini menunjukkan prinsip Kekekalan Energi, di mana energi yang disuplai ke sirkuit diubah menjadi bentuk lain (dalam hal ini panas) tanpa kehilangan atau penambahan energi keseluruhan.
Kesimpulan
Hukum Tegangan Kirchhoff dan Kekekalan Energi adalah konsep penting dalam analisis sirkuit, membantu para insinyur dan ilmuwan memahami dan menganalisis sirkuit listrik. Hukum Tegangan Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah tegangan dalam rangkaian loop tertutup adalah nol, memberikan cara yang efektif untuk analisis rangkaian. Di sisi lain, prinsip Kekekalan Energi memastikan bahwa energi dipertahankan dan digunakan secara efektif dalam rangkaian listrik dengan menerapkan prinsip ini dan persamaan yang terkait.