Menghitung Kecepatan Alir Arus Listrik

I = dq/dt

Tentunya yang dimaksud muatan disini adalah elektron dan bukannya proton. Maka sudah barang tentu, sebenarnya 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 menggunakan arah manapun, tetap didapatkan hasil angka yang sama kecuali pada arahnya. Sebagian orang, terutama para teknisi lebih menyukai menggunakan pendekatan arah arus konvesional, dikarenakan schematic dari komponen elektronika sudah terlanjur menggunakan arah arus konvesional, sehingga secara intuitif pendekatan tersebut lebih memudahkan dalam perancangan suatu piranti. Namun ada juga yang lebih suka menyukai pendekatan arah arus elektron, dikarenakan pendekatan ini lebih mendekati dengan kenyataan yang sebenarnya.

Jadi untuk mengukur kecepatan arus listrik, yang  diukur adalah kecepatan alir dari elektron tersebut. Sekarang mari mulai dihitung dan siapkan kalkulator anda. 🙂

Untuk memudahkan menjawab pertanyaan tersebut, mari diasumsikan terdapat 1 elektron bebas per atom tembaga, sehingga kerapatan muatan elektron bebasnya sama dengan kerapatan atom yang dinotasikan dengan n yang akan dihubungkan 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 di dapatkan dalam buku kuliah Fisika

Maka kita ditemukan hasil sebagai berikut

Nah, sekarang sudah ditemukan 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 nilai dari densitas elektron ditemukan, maka kecepatan alir  dari elektron tersebut (v) dapat dihitung dengan  rumus

Setelah persamaan tadi diseleseikan, maka akan ditemukan jawaban sebesar 3,54 x 10^-5 m/s. Jadi ternyata kecepatan drift dari elektron tembaga begitu kecil. Maka kemudian 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 , didapatkan jawaban waktu alir elektron tersebut sebesar 7,85 jam

Heran kan?, 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.

Tapi keheranan ini akan terpecahkan bila dianalogikan kawat penghantar tersebut sebagai selang air, dengan air sebagai elektronnya. Ketika keran dinyalakan, dengan selang air yang panjang terhubung, maka 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 air di ujung mulut selang akan muncul seketika saat keran dinyalakan. Ha 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 diketahui 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.

Referensi:

Paul A. Tipler. Physics for scientist and engineer.a

Taken from : http://wp.me/p96zn-1a