Bespus Community

Tabel Kawat (AWG)

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Tue, 16 Oct 2012 12:28:00 +0000

Tabel kawat dirancang terutama sebagai standarisasi ukuran kawat yang diproduksi oleh produsen diseluruh Amerika Serikat. Alhasil, produsen memiliki pasar yang lebih besar dan konsumen tahu bahwa kawat dengan ukuran standar akan selalu tersedia. Tabel ini dirancang untuk sebisa mungkin membantu pemakai, biasanya data yang tersedia termasuk data luas penampang (dalam circular mils), diameter (dalam mils), ohm per 1000 kaki pada suhu 20°C, dan berat per 1000 kaki.

Tabel 1. Ukuran American Wire Gage (AWG).

Gambar 1.

Ukuran American Wire Gage (AWG) yang ditunjukkan pada tabel 1 untuk kawat tembaga padat bulat. Terdapat juga kolom pada tabel tersebut yang menunjukkan arus maksimum dalam ampere, sebagaimana yang ditentukan oleh National Fire Protection Association.

Ukuran yang dipilih pada tabel AWG memiliki hubungan yang menarik. Dimana untuk setiap penurunan ukuran kawat sebesar 3, maka areanya (luas penampangnya) adalah sebesar dua kali lipatnya, dan untuk setiap penurunan ukuran kawat sebesar 10, luas peampangnya meningkat kira-kira sebesar sepuluh kali lipatnya.

Dengan pengujian menggunakan persamaan resistansi, kita perhatikan bahwa area akan membagi setengah nilai resistansinya dan dengan meningkatkan area sebesar 10 kali lipatnya, maka akan menurunkan nilai resistansinya sebesar 1/10 dari resistansi aslinya, dalam kasus ini variabel yang lain konstan.

Ukuran sebenarnya dari ukuran kawat pada tabel 1 ditunjukkan pada gambar 1 dengan beberapa contoh aplikasinya.

Berikut ini merupakan beberapa contoh yang menggunakan tabel 1.

Contoh Soal:

Resistansi: Kawat Melingkar (Circular Wire)

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Sat, 13 Oct 2012 07:40:00 +0000

Gambar 1. Notasi dan Simbol Resistansi.

Aliran muatan yang melalui setiap bahan menghadapi sebuah gaya gesekan yang arahnya berlawanan. Perlawanan ini disebabkan karena tumbukan antar elektron dan atom lain didalam material yang dapat mengubah energi listrik ke energi lainnya, seperti energi panas, hal ini disebut sebagai resistansi bahan. Unit pengukuran resistansi adalah ohm, yang disimbokan sebagai Ω (huruf yunani untuk omega). Simbol rangkaian untuk resistansi ditunjukan pada gambar 1 dengan singkatan grafis (R).

Resistansi dari berbagai bahan dengan luas penampang yang sama dapat ditentukan oleh empat faktor berikut:

Bahan
Panjang
Luas penampang
Suhu

Bahan yang dipilih dengan struktur molekul yang unik akan bereaksi terhadap tekanan diferensial untuk membetuk arus melaui intinya. Konduktor memiliki tingkat resistansi yang rendah, sehingga dengan mudah mengalirkan arus dengan hanya membutuhkan tekanan eksternal yang kecil. Sementara insulator memiliki karakteristik resistansi yang tinggi.

Semakin panjang lintasan yang harus dilalui muatan, maka semakin tinggi tingkat resistansinya. Sedangkan semakin lebar lintasannya (dan ketersediaan ruangan), maka semakin rendah resistansinya. Resistansi berbanding lurus dengan panjang dan berbanding terbalik dengan area (luas penampang) yang dilaluinya.

Peningkatan suhu pada konduktor menyebabkan meningkatnya gerakan partikel dalam struktur molekul yang membuatnya semakin sulit untuk dilalui oleh elektron, sehingga menyebabkan resistansinya meningkat.

Jika pada suhu tetap 20°C (suhu kamar), maka besar resistansi hanya dipengaruhi oleh tiga faktor lainnya dan dapat dirumuskan sebagai berikut:

Dimana ρ (huruf yunani untuk rho) adalah karakteristik bahan yang disebut resistivitas, l adalah panajng sampel, dan A adalah luas penampang sampel.

Gambar 2. Faktor yang mempengaruhi
resistivitas suatu konduktor

Persamaan diatas adalah untuk kawat melingkar (circular wire) yang didefinisikan pada gambar 2. Untuk gambar 3(a) menunjukkan bahwa untuk dua kawat dengan ukuran fisik dan suhu yang sama, semakin tinggi resistivitas, maka akan semakin tinggi resistansinya. Seperti yang terlihat pada gambar 3(b), konduktor yang lebih panjang memiliki resistansi lebih besar. Gambar 3(c) menunjukkan bahwa semakin kecil area (luas penampang) sebuah konduktor, maka semakin besar resistansinya. Dan pada gambar 3(d) menyatakan bahwa untuk kawat logam dengan konstruksi dan material yang sama, semakin tinggi suhu konduktor, maka semakin besar resistansinya.

Gambar 3. Kasus dimana R₂> R₁. Untuk setiap kasus, semua parameter
yang tidak disebutkan digambar memiliki nilai yang sama.

Untuk persamaan kawat melingkar (circular wire) yang ditunjukkan diatas, satuanya adalah sebagai berikut:

Perlu diperhatikan bahwa area (luas penampang) konduktor diukur dalam circular mils (CM) dan tidak dalam meter persegi, inci, atau lain sebagainya, dimana persamaanya adalah sebagai berikut:

Mil adalah satuan pengukuran untuk panjang, hubungan antara satuan mil dan satuan inci adalah 1000 mil = 1 inci.

Menurut definisi, kawat dengan diameter 1 mil memiliki luas sebesar 1 circular mil (CM), seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Mendefinisikan circular mil (CM)

Satu mil persegi yang ditumpangkan pada daerah 1-CM dari gambar 4 menjelaskan bahwa mil persegi memiliki luas permukaan yang lebih besar daripada circular mil. Dengan menerapkan definisi diatas untuk sebuah kawat yang memiliki diameter 1 mil, maka kita dapatkan:

Dengan demikian,

Dengan menyelesaikannya, maka didapatkan:

Untuk kawat dengan diameter N mils (dimana N merupakan bilangan positif), maka kita akan memiliki persamaan sebagai berikut:

Jika kita mensubsitusikan persamaan diatas dengan 4/π CM = 1 sq mil, maka akan kita dapatkan:

Karena d = N, area dalam circular mils dapat disederhanakan dengan mil persegi, oleh karena itu,

Pembuktian bahwa suatu area dapat disederhanakan dengan kuadrat diameternya dapat dilihat pada gambar 5 (untuk diameter 2 dan 3 mil). Meskipun ada beberapa area yang tidak melingkar, mereka memiliki area yang sama dengan 1 circular mil.

Gambar 5. Pembuktian persamaan A_CM= (d_mils)²

Gambar 6. Mendefinisikan konstanta ρ (resistivitas)

Konstanta ρ (resistivitas) memiliki nilai yang berbeda-beda untuk setiap bahan. Nilainya merupakan resistansi dari kawat sepanjang 1 kaki dengan diameter 1 mil yang diukur pada suhu 20°C (gambar 6). Satuan ukur untuk konstanta ρ dapat ditentukan menggunakan persamaan dibawah ini, dengan terlebih dahulu menyelesaikan persamaan ρ dan kemudian mensubsitusikannya ke satuan kuantitas lainnya.

Resistivitas ρ juga diukur dalam ohm per mil-kaki (sebagaimana ditunjukkan pada gambar 6) atau dengan satuan SI yaitu ohm-meter. Beberapa nilai ρ (resistivitas) dari beberapa bahan terdapat pada tabel 1.

Tabel 1. Resistivitas (ρ) dari beberapa jenis bahan

Contoh Soal:

Dapat kita simpulkan bahwa semakin kecil resistansi dari sebuah konduktor, maka semakin kecil rugi-rugi pada kawat konduktor tersebut. Karena resistivitas merupakan faktor utama dalam menentukan resistansi sebuah konduktor, maka dengan semakin kecilnya resistivitas sebuah konduktor akan membuat konduktor tersebut memiliki resistansi yang kecil. Konduktor yang disarankan untuk digunakan (berdasarkan tabel 1) adalah perak, tembaga, emas, dan aluminium karena merupakan konduktor terbaik yang dapat digunakan. Secara umum ada faktor-faktor lain yang menentukan dalam pemilihan sebuah konduktor, seperti kelenturan (kemampuan bahan untuk dapat dibentuk), daktilitas (kemampuan bahan untuk dapat ditarik menjadi panjang, kawat tipis), sensitivitas terhadap suhu, ketahanan terhadap penyalahgunaan, dan tentu saja biaya. Semua faktor tersebut sudah seharusnya menjadi bahan pertimbangan ketika ingin memilih sebuah konduktor untuk digunakan pada sebuah aplikasi tertentu.

Secara umum, tembaga adalah bahan yang paling digunakan karena cukup mudah dibentuk, ulet, banyak tersedia, memiliki karakteristik termal yang baik, dan lebih murah daripada perak atau emas. Tembaga tentu saja tidak murah, namun sebagai contoh, kabel pada sebuah bangunan yang ingin dirobohkan dapat dilepaskan untuk diambil tembaganya. Pada suatu waktu, aluminium diperkenalkan untuk pengkabelan umum karena lebih murah daripada tembaga, tetapi karakteristik termalnya menciptakan beberapa kesulitan. Ditemukan bahwa pemanasan karena aliran arus dan proses pendinginannya ketika rangkaian dipadamkan mengakibatkan kawat aluminium memngembang dan mengerut sampai ke titik dimana koneksi akhirnya terputus dengan sendirinya dan dapat terjadi efek samping yang berbahaya. Aluminium masih digunakan sampai hari ini, di berbagai bidang seperti pembuatan IC dan dalam situasi dimana koneksi dapat dibuat aman. Perak dan emas tentu saja jauh lebih mahal daripada tembaga atau aluminium, namun pada aplikasi tertentu faktor biaya dapat diabaikan. Perak memiliki karakteristik yang sangat baik untuk pelapisan permukaan konduktor dan emas banyak digunakan pada IC. Tungsten memiliki resistivitas tiga kali lipat dari tembaga, tetapi ada saat ketika karakteristik fisik (daya tahan, tingkat kekerasan) menjadi pertimbangan utama dari suatu aplikasi tertentu.

Ammeter dan Voltmeter

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Sat, 13 Oct 2012 07:39:00 +0000

Alat ini penting untuk mengukur level arus dan tegangan dari suatu sistem listrik yang sedang berjalan untuk memeriksa kerusakan. dan menyelidiki efek yang sulit diperdiksi diatas kertas. Seperti yang tersirat dinamanya, amperemeter digunakan untuk mengukur lever arus dan voltmeter digunakan untuk mengukur beda potensial antara dua titik. Jika level arus ber-orde miliampere, instrumen biasanya disebut sebagai milliammeter dan jika level arus ber-orde sekitar mikroampere maka namanya microammeter. Pernyataan serupa dapat digunakan pada level tegangan. Di industri, level tegangan lebih sering diukur dibandingkan level arus, penyebab utamanya adalah karena pengukuran level tegangan tidak menggangu koneksi jaringan.

Beda potensial antara dua titik dapat diukur hanya dengan menghubungkan probe alat ukur ke dua titik tersebut, seperti yang terlihat pada gambar 1. Pembacaan skala-naik (up-scale) diperoleh dengan menempatkan probe positif alat ukur ke titik tegangan yang lebih tinggi dan probe negatif ke titik tegangan yang lebih rendah pada jaringan. Pemasangan sebaliknya akan menghasilkan pembacaan negatif atau indikasi bawah-nol.

Gambar 1. Koneksi Voltmeter Untuk
Pembacaan up-scale (+)

Gambar 2. Koneksi Ammeter Untuk
Pembacaan up-scale (+)

Amperemeter dihubungkan seperti gambar 2. Karena amperemeter mengukur laju aliran muatan, maka alat ukur harus ditempatkan dalam jaringan sehingga muatan akan mengalir melalui alat ukur. Metode ini dapat dicapai hanya dengan cara membuka jalan (memotong jaringan) pada bagian arus yang ingin diukur dan menempatkan alat ukur diantara dua terminal yang "dipotong" tadi. Pada konfigurasi gambar 2, Ujung (+) sumber tegangan harus diputus dari sistem dan disisipkan amperemeter. Pembacaan up-scale akan diperoleh jika arah arus masuk ke terminal (+) ammeter.

Gambar 3. Volt-Ohm-Milliammper (VOM)

Gambar 4. Digital Multimeter (DMM)

Ada beberapa alat ukur yang dirancang hanya untuk mengukur level arus atau tegangan saja. Namun, ada pula alat ukur laboratorium yang dapat mengukur keduanya termasuk volt-ohm-milliammeter (VOM) dan multimeter digital (DMM), diperlihatkan pada gambar 3 dan 4. Kedua instrumen tersebut dapat mengukur tegangan, arus, dan besar resistansi. VOM menggunakan skala analog dimana dibutuhkan penafsiran posisi pointer pada skala kontinu, sedangkan DMM menyediakan tampilan angka dengan akurasi angka koma yang ditentukan oleh skala yang dipilih.

Semikonduktor

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Sat, 13 Oct 2012 07:38:00 +0000

Semikonduktor adalah kelompok elemen teretentu yang memiliki karakteristik antara isolator dan konduktor.

Awalan semi, termasuk dalam istilah yang memiliki definisi kamus setengah, parsial, atau antara seperti yang didefinisikan oleh penggunaannya. Secara keseluruhan industri elektronik tergantung pada bahan ini sejak perangkat elektronik dan integrate circuit (IC) dibuat menggunakan bahan semikonduktor. Meskipun silikon (Si) merupakan bahan yang paling sering digunakan, germanium (Ge) dan gallium arsenide (GeAs) juga banyak digunakan dalam pernagkat penting.

Bahan semikonduktor biasanya memiliki empat elektron di cincin valensi terluarnya.

Semikonduktor dikarakterisasi lebih lanjut sebagai fotokonduktif dan memiliki koefisien temperatur negatif. Fotokonduktivitas adalah fenomena dimana foton (paket kecil energi) dari cahaya yang dapat meningkatkan kepadatan pembawa dalam bahan dan mempengaruhi tingkat aliran muatan. Koefisien temperatur negatif mengungkapkan bahwa resistansi akan menurun dengan meningkatnya suhu (berlawanan dengan konduktor pada umumnya). Pembahasan lebih lanjut tentang semikonduktor mungkin akan dibahas ditulisan selanjutnya. ;)

Konduktor dan Insulator

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Sat, 13 Oct 2012 06:30:00 +0000

Kabel berbeda yang ditempatkan pada dua terminal baterai yang sama akan memungkinkan terjadinya perbedaan arus yang mengalir antara terminal. Banyak faktor yang mempengaruhinya, seperti kepadatan, mobilitas, dan karakteristik stabilitas bahan. Secara umum, bahan-bahan konduktor dapat mengalirkan arus dengan mudah dengan hanya membutuhkan sangat sedikit gaya ekternal (tegangan). Selain itu, konduktor yang baik biasanya hanya memiliki satu elektron valensi.

Karena tembaga yang paling sering digunakan, maka tembaga berfungsi sebagai standar perbandingan untuk konduktifitas relatif dalam tabel 1. Perhatikan bagian aluminium, dimana telah digunakan secara komersial hanya memiliki 61% tingkat konduktifitas tembaga, namun perlu diingat bahwa faktor biaya dan berat juga patut dipertimbangkan.

Tabel 1. Konduktivitas relatif dari beberapa bahan

Insulator merupakan bahan-bahan yang memiliki sedikit elektron bebas dan memerlukan potensi (tegangan) yang besar untuk membuat tingkat arus terukur.

Penggunaan umum dari bahan isolasi adalah untuk melapisi (menutupi) kawat pembawa-arus, dimana jika tidak diisolasi dapat menyebabkan efek samping yang berbahaya. Orang yang memperbaiki powerline menggunakan sarung tangan karet dan berdiri ditikar karet sebagai langkah pengamanan ketika bekerja pada jalur transmisi tegangan tinggi. Beberapa jenis isolator dan aplikasinya diperlihatkan pada gambar 1.

Gambar 1. Insulator: (a) insulated thru-panel bushings;
(b) antenna strain insulators; (c) porcelain stand-off insulators.

Perlu diperhatikan bahwa bahkan insulator terbaik akan rusak (muatan dapat mengalir melaluinya) jika tegangan yang tinggi mengalir melaluinya. Kekuatan breakdown dari beberapa isolator yang umum terdapat pada tabel 2. Menurut tabel ini, untuk isolasi dengan bentuk geometris yang sama akan membutuhkan 270/30 = 9 kali lebih besar tegangan yang dibutuhkan untuk melewatkan arus melalui karet dibanding melaui udara dan 67 kali tegangan yang lebih besar untuk melewatkan arus melalui mika dibanding melalui udara.

Tabel 2. Kekuatan breakdown dari beberapa isolator

Sumber Tegangan dan Arus dc

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Sat, 13 Oct 2012 03:18:00 +0000

Sumber Tergangan dc

Gambar 1. Simbol Sumber Tegangan dc

Karena sumber tegangan dc merupakan salah satu dari dua sumber tegangan yang lebih familiar, maka ini akan dibahas terlebih dahulu. Simbol yang digunakan untuk semua sumber tegangan dc dalam tulisan ini diperlihatkan pada gambar 1. Panjang relatif dari bar menunjukkan masing-masing terminalnya.

Sumber tegangan dc dapat dibagi menjadi tiga kategori:

Baterai (chemical action).
Generator (electromechanical).
Power supplies (rectification).

Baterai

Bagi orang awam, baterai adalah yang paling umum dari sumber dc. Menurut definisi, baterai (berasal dari kata "battery of cells") terdiri dari kombinasi dua atau lebih sel yang sama, sel menjadi sumber utama energi listrik yang dikembangkan melalui konversi energi kimia atau energi matahari. Semua sel dapat dibagi ke dalam tipe primer atau sekunder. Sekunder dapat diisi ulang, sedangkan primer tidak. Artinya, reaksi kimia dari sel sekunder dapat dibalik untuk memulihkan kapasitasnya. Dua baterai isi ulang yang paling sering digunakan adalah baterai lead-acid (terutama digunakan pada mobil) dan baterai nickel-cadmium (digunakan dalam kalkulator, unit photoflash, alat cukur, dan sebagainya). Keuntungan dari baterai isi ulang adalah dapat mengurangi biaya yang dikeluarkan untuk selalu mengganti sel primer yang kosong.

Semua sel sebisa mungkin akan dibahas pada tulisan ini kecuali sel surya (yang menyerap energi dari cahaya dalam bentuk foton, membentuk beda potensial dengan menggunakan energi kimia). Selain itu, masing-masing memiliki elektroda postisif dan negatif dan elektrolit untuk melengkapi rangkaian antar elektroda dalam baterai. Elektrolit adalah elemen kontak dan sumber ion untuk konduksi antar terminal.

Sel primer Alkaline dan Lithium-Iodine.
Baterai primer alkaline kebanyakan menggunakan anoda bubuk seng (+), elektrolit kalium hidroksida (logam alkali), dan mangan dioksida, juga karbon katoda (-) seperti ditunjukkan pada gambar 2(a). Secara khusus, perhatikan gambar 2(b) bahwa semakin besar unit silinder, maka semakin besar kapasitas arusnya. Latern dirancang terutama untuk penggunaan jangka panjang. Gambar 3 menunjukkan dua unit lithium-iodine primer dengan area aplikasi dan rating yang akan diperkenalkan di akhir tulisan ini.

Gambar 2. Sel Primer Alkaline

Gambar 3. Sel Primer Lithium-iodine

Sel sekunder Lead-Acid.
Untuk unit sekunder lead-acid ditunjukkan dalam gambar 4, elektrolitnya adalah asam sulfat, elektrodanya adalah timbal kenyal (Pb) dan timbal peroksida (PbO₂). Saat beban dipasang pada terminal baterai, terjadi transfer elektron dari elektroda timbal kenyal ke elektroda timbal peroksida melalui beban. Transfer elektron ini akan terus terjadi sampai baterai benar-benar habis. Waktu pengosongan (dischrage) ditentukan oleh seberapa encer cairan asam dan seberapa berat lapisan timbal sulfat dimasing-masing plate. Keadaan discharge sel penyimpanan timbal dapat ditentukan dengan mengukur berat jenis elektrolit menggunakan hydrometer. Berat jenis zat didefinisikan sebagai rasio berat volume tertentu dari substansi terhadap berat volume yang sama dari air pada 4°C. Untuk baterai yang terisi penuh, berat jenisnya harus berada diantara 1,28 samapai 1,30. Saat berat jenis turun hingga mencapai 1,1 maka baterai harus diisi ulang.

Gambar 4. Baterai Lead-acid 12V (tepatnya 12,6V) Bebas-perawatan

Karena sel penyimpanan timbal adalah sel sekunder, maka dapat diisi ulang setiap saat selama fase discharge hanya dengan menghubungkannya dengan sumber arus dc eksternal diseluruh sel yang akan melewati arus melalui sel dalam arah berlawanan. Hal ini akan menghilangkan timbal sulfat dari plates dan mengembalikan konsentasi asam sulfat.

Output dari tiap sel penyimpanan timbal adalah sekitar 2,1V. Dalam baterai penyimpanan timbal komersial yang digunakan pada mobil, tegangan sebesar 12,6V dapat dihasilkan oleh enam sel yang disusun seri (seperti ditunjukkan pada gambar 4). Secara umum, baterai lead-acid digunakan dalam situasi dimana dibutuhkan arus yang tinggi dengan jangka waktu yang relatif singkat. Pada suatu saat, semua cairan baterai lead-acid dibuang. Gas yang terbentuk selama siklus dischrage akan keluar, ventilasi memberikan akses untuk mengganti air atau elektrolit dan memeriksa tingkat asam dengan menggunakan hydrometer. Memanfaatkan grid yang terbuat dari perpaduan strip alloy lead-calcium daripada grip cor lead-antimony yang banyak digunakan telah menghasilkan baterai bebas perawatan (seperti yang terlihat pada gambar 4). Struktur lead-antimony rentan terhadap korosi, overcharge, gasing, penggunaan air, dan self-discharge. Penginkatan desain dengan grid lead-calcium telah menghilangkan atau secara substansial mengurangi sebagian besar masalah tersebut.

Perkembangan teknologi seputar baterai akan segera tersedia, lebih kecil dan lebih powerful. Namun pada mobil listrik dimana sekarang perlahan-lahan mulai populer dan diminati diseluruh dunia, baterai lead-acid masih menjadi sumber energi utamanya. Sebuah "station car" diproduksi di Norwegia dan digunakan atas dasar pengujian di San Fransico untuk menjalankan commuter khusus, memiliki berat total 1650 Kg dimana 550 Kg (sepertiga berat) untuk baterai lead-acid isi ulang. Meskipun station car dapat berjalan dengan kecepatan 65 mph, jangkauannya terbatas pada 65 mile dan harus diisi ulang. Membutuhkan waktu yang lama untuk mengurangi berat baterai secara signifikan, dibutuhkan desain baterai dengan inovasi baru.

Sel Sekunder Nickel-Cadmium.
Baterai nikel-cadmium adalah baterai isi ulang yang sangat diminati dan perkembangannya sangat besar dalam beberapa tahun terakhir. Untuk aplikasi seperti senter, alat cukur, televisi portabel. bor listrik, dll dipilih baterai nickel-cadmium (Ni-Cad) (gambar 5) karena tingkat arusnya kecil dan jangka waktu penggunaanya dapat lebih panjang. Baterai Ni-Cad biasanya dapat bertahan hidup lebih dari 1000 kali charge/discharge selama periode waktu bertahun-tahun.

Gambar 5. Baterai Nickel-Cadmium (Ni-Cad)

Penting untuk diketahui bahwa ketika sebuah alat atau sistem menyebut baterai Ni-Cad, maka sel primer tidak boleh digunakan pada sistem tersebut. Alat atau sistem mungkin memiliki jaringan pengisisan internal yang akan tidak berfungsi dengan sel primer. Selain itu semua baterai Ni-Cad memiliki tegangan 1,2V per-sel, sedangkan sel primer biasanya memiliki tegangan 1,5V per-selnya. Ada beberapa ambiguitas tentang seberapa sering sebuah sel sekunder dapat diisi ulang. Untuk sebagian besar situasi, baterai bisa digunakan sampai ada beberapa idikasi bahwa tingkat energi baterai rendah, seperti lampu senter yang meredup, daya bor berkurang, atau lampu yang berkedip pada peralatan tertentu. Perlu diketahui bahwa sel sekunder memiliki "memory". Jika baterai ini terus menerus diisi ulang setelah digunakan dalam jangka waktu singkat, maka mereka mungkin mulai percaya bahwa mereka merupakan unit jangka-pendek dan akan benar-benar gagal menyimpan muatan untuk periode waktu yang seharusnya. Dalam kondisi apapun, selalu usahakan untuk menghindari "hard" discharge, yang dihasilkan saat setiap energi yang terkuras dari sel. Terlalu banyak siklus hard discharge akan mengurangi umur baterai. Akhirnya, kita memasuki mekanisme pengisian sel Ni-Cad yang sangat berbeda dengan baterai lead-acid. Baterai Ni-Cad diisi ulang menggunakan sumber arus konstan, dengan terminal tegangan yang cukup stabil sampai siklus pengisian selesai. Baterai lead-acid diisi ulang menggunakan sumber tegangan konstan, memungkinkan besar arusnya bervariasi tergantung dari keadaan baterainya. Kapasitas dari baterai Ni-Cad meningkat hampir linear sepanjang siklus pengisiannya. Dapat ditemukan fenomena dimana baterai Ni-Cad akan relatif hangat ketika dalam proses pengisian. Semakin rendah kapasitas baterai saat diisi, semakin tinggi suhu selnya. Saat baterai semakin mendekati kapasitas penuhnya, maka suhu selnya akan semakin mendekati suhu ruang.

Sel Sekunder Nickel-Hydrogen dan Nickel–Metal Hydride.

Gambar 6. Baterai Nickel-Metal Hydride (Ni-MH)

Dua jenis sel sekunder lainnya adalah sel nickel-Hydrogen dan sel Nickel-Metal Hydride. Sel nickel-hydrogen aplikasinya masih terbatas, sel ini biasanya digunakan untuk kendaraan ruang angkasa dimana baterai dengan kepadatan tinggi energi diperlukan, kokoh, dapat diandalkan, dan dapat menangani sejumlah besar siklus charge/discharge selama waktu yang relatif lama. Sel Nickel-Metal Hydride sebenarnya adalah gabungan dari sel Nickel-Cadmium dan sel Nickel-Hydrige, Penggabungan karakteristik baik dari masing-masing sel tersebut untuk menciptakan produk dengan tingkat daya tingi dalam paket kecil yang memiliki siklus hidup yang panjang. Meskipun relatif mahal, penggabungan ini merupakan pilihan yang valid untuk aplikasi seperti komputer portabel, seperti ditunjukan pada gambar 6.

Sel Surya (Solar Cell).

Gambar 7. Solar Module

Sebuah high-density, sel surya berdaya 40W diperlihatkan pada gambar 7 dengan beberapa data terkait dan bidang aplikasinya. Karena daya maksimum yang tersedia dalam sehari rata-rata matahari dengan sinar cerah adalah 100 mW/cm² dan efisiensi konversi arus antara 10% sampai 14%, maka daya maksimum yang tersedia per sentimeter persegi dari unit yang paling komersial adalah antara 10mW sampai 14mW. Untuk satu meter persegi akan menghasilkan 100W sampai 140W. Pada tulisan ini tidak akan menjelaskan lebih rinci mengenai sel surya. Saat ini, penting untuk disadari bahwa pencahayaan yang tetap sel surya akan memberikan tegangan dc yang cukup stabil untuk menangani berbagai beban, mulai dari jam tangan sampai mobil.

Ampere-Hour Rating.
Baterai memiliki rating kapasitas dalam ampere-hour (Ah) atau miliampere-hour (mAh). Beberapa rating disertakan pada gambar-gambar diatas. Sebuah baterai dengan rating 100Ah secara teoritis akan memerikan arus stabil sebesar 1A dalam jangka waktu 100 jam, 2A untuk 50 jam, dan seterusnya, sebagaimana ditentukan oleh persamaan:

Gambar 8. Karakteristik Sel Eveready® BH 500

Dua faktor yang memperngaruhi rating ini, suhu dan tingkat discharge. Sel Eveready® BH 500 jenis disc yang terdapat pada gambar 5 memiliki karakteristik terminal yang ditunjukkan pada gambar 8. Gambar 8 menunjukkan bahwa kapasitas baterai dc menurun bersamaan dengan peningkatan permintaan arus dan kapasitas baterai dc menurun secara relatif (dibandingkan dengan suhu kamar) pada suhu rendah dan tinggi.

Untuk unit 1V dari gambar 8(a), rating hanya diatas 500mAG pada arus discharge sebesar 100mA, namun turun menjadi sekitar 300mAh disekitar 1A. Untuk unit dengan diameter yang kurang dari 1½ inci dan dengan ketebalan kurang dari ½ inci, ini merupakan karakteristik terminal yang baik. Gambar 8(b) mengungkapkan bahwa rating mAh maksimum (pada mengalirkan arus 50mA) terjadi sekitar 75°F (≈24°C) atau hampir diatas rata-rata suhu ruang. Perhatikan bahwa kurva turun kearah kanan dan kiri ke nilai maksimumnya. Kita semua mengetahui "kekuatan" sebuah baterai berkurang pada suhu rendah. Perhatikan bahwa telah turun menjadi 300mAh disekita -8°F.

Gambar 9. Kurva Discharge Sel Eveready® BH 500

Kurva menarik lainnya terdapat pada gambar 9. Ini memberikan tegangan sel yang diharapkan pada saluran pengosongan selama jam penggunaan. Perlu dicatat bahwa kehilangan dalam periode waktu antara 50mA sampai 100mA jauh lebih besar daripada antara 100mA sampai 150mA, meskipun peningkatan arus sama antar tingkat. Secara umum, tegangan terminal baterai dc menurun dengan lama waktu dischare pada saluran pengosongan arus.

Generator
Generator dc sangat berbeda dari baterai, baik dari segi konstruksinya (Gambar 10) maupun dari cara kerjanya. Saat poros generator berputar pada kecepatan nameplate yang diakibatkan oleh torsi yang

Gambar 10. Generator dc

diberikan kepadanya dari sumber tenaga mekanik eksternal, sebuah tegangan dengan besar tertentu akan muncul di terminal eksternal. Besarnya tegangan dan kemampuan penanganan-daya generator dc biasanya lebih tinggi daripada baterai pada umumnya dan masa pakainyapun hanya ditentukan oleh konstruksinya. Generator dc yang digunakan secara komersial biasanya memiliki variasi tegangan 120V atau 240V. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, tidak ada perbedaan simbol antara baterai dan generator.

Power Supplies
Suplai dc yang paling sering dijumapi di laboratorium dimana menggunakan proses rectification dan filtering sebagai sarana untuk mendapatkan tegangan dc yang stabil. Secara keseluruhan, tegangan berubah terhadap waktu (seperti tegangan ac yang tersedia distop kontak rumah) dikonversi ke suatu nilai yang tetap. Sebuah suplai dc laboratorium jenis ini ditunjukkan pada gambar 11.

Gambar 11. Suplai dc Laboratorium

Kebanyakan suplai dc laboratorium memiliki pengaturan, tegangan keluaran yang dapat disesuaikan dengan tiga buah terminal yang tersedia, seperti ditunjukkan pada gambar 11 dan 12(a). Simbol untuk ground atau potensial nol (referensi) juga ditunjukkan pada gambar 12(a). Jika 10V terhadap ground diperlukan, maka koneksi yang dibuat seperti gambar 12(b). Jika 15V terhadap ground yang dibutuhkan, maka koneksi yang dibuat seperti gambar 12(c). Jika koneksi yang dibuat seperti gambar 12(d), kita akan mendapatkan tegangan "floating" sebesar 5V karena tingkat referensi tidak termasuk. Konfigurasi seperti gambar 12(d) jarang digunakan karena akan gagal melindungi operator dengan menyediakan secara langsung resistansi-rendah ke ground dan membuat common ground untuk sistem. Dalam kasus apapun, terminal positif dan negatif harus menjadi bagian dari konfigurasi rangkaian.

Gambar 12. Konfigurasi Terminal Suplai dc Laboratorium

Sumber Arus dc

Gambar 13. Karakteristik Terminal:
(a) Sumber tegangan ideal
(b) Sumber arus ideal

Berbagai jenis dan aplikasi, sumber tegangan dc telah menjadi perangkat yang cukup familiar, setidaknya bagi orang awam paham akan karakteristik dasarnya. Misalnya, sudah menjadi rahasia umum bahwa baterai mobil memiliki tegangan terminal (setidaknya mendekati) 12V, meskipun pengurasan arus oleh mobil dapat bervariasi dalam kondisi operasi yang berbeda. Dengan kata lain, sebuah sumber tegangan dc secara ideal akan memberikan teganan terminal yang tetap, meskipun permintaan arus dari sistem listrik/elektronik dapat bervariasi seperti yang ditunjukan pada gambar 13(a). Sebuah sumber arus dc adalah sumber tegangan ganda, yaitu sumber arus secara ideal akan mensuplai arus yang tetap ke sistem listrik/elektronik meskipun mungkin ada variasi tegangan terminal yang ditentukan oleh sistem, seperti yang ditunjukkan pada gambar 13(b), Jangan khawatir jika konsep sebuah sumber arus adalah hal yang aneh dan agak membingungkan saat ini. Teruskanlah belajar dan mencari pembahasan yang menyangkut tentang sumber arus ini. ;)

Tegangan Listrik

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Thu, 11 Oct 2012 18:58:00 +0000

Energi, menurut definisi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Jika sebuah benda dengan massa (m) dinaikan beberapa tingkat ke ketinggian (h) diatas sebuah bidang referensi, maka benda tersebut memiliki energi potensial yang dinyatakan dalam satuan joule (J) dan dapat ditentukan dengan persamaan:

Dimana g adalah percepatan gravitasi (9,754 m/s²). Benda ini sekarang memiliki "potensi" untuk melakukan kerja, seperti menghancurkan obyek yang ditempatkan pada bidang referensi. Jika massanya dinaikan, maka energi potensial benda ini juga akan meningkat.

Didalam baterai, aksi kimia internal akan membentuk (melalui pengeluaran energi) akumulasi muatan negatif (elektron) pada satu terminal (terminal negatif) dan muatan positif (ion positif) disisi lainnya (terminal positif). Penempatan muatan yang telah terbentuk tersebut akan menghasilkan beda potensial antar terminal. Jika konduktor dihubungkan antar terminal baterai, maka elektron pada terminal negatif memiliki energi potensial yang cukup untuk menangani tumbukan dengan partikel lain didalam konduktor dan tolakan dari muatan yang sama untuk mencapai terminal positif.

Muatan dapat dinaikkan ke tingkat potensial yang lebih tinggi melalui pengeluaran energi dari sumber eksternal, atau suatu muatan dapat kehilangan energi potensialnya karena perjalanan melalui sistem listrik. Apapun kasusnya, menurut definisi: Perbedaan potensial sebesar 1 volt (V) antar dua titik akan terjadi jika energi sebesar 1 joule (J) menggerakan muatan sebesar 1 coulomb (C) agar berpindah tempat dari satu titik ke titik lainnya. Satuan pengukuran volt dipilih untuk menghormati Alessandro Volta.

Gambar 1. Mendefinisikan Satuan Pengukuran Tegangan

Secara ilustrasi (Gambar 1), jika satu joule energi (1J) dibutuhkan untuk memindahkan satu coulomb muatan (1C) dari posisi x ke y, maka beda potensial atau tegangan antara dua titik tersebut adalah sebesar 1 volt (1V). Jika energi yang dibutuhkan untuk memindahan muatan 1C dinaikan menjadi 12J yang bertujuan untuk menambah gaya yang berlawanan, maka beda potensialnya akan meningkat menjadi 12V. Oleh karena itu, tegangan merupakan indikasi untuk mengetahui banyaknya energi yang terlibat dalam menggerakkan muatan antara dua titik di suatu sistem listrik. Sebaliknya, semakin tinggi rating tegangan dari sumber energi (seperti baterai), maka akan semakin banyak pula energi yang tersedia untuk memindahkan muatan melalui sistem. Catatan: pada pembahasan diatas, ketika membicarakan tentang tegangan atau beda potensial selalu melibatkan dua titik. Oleh karena itu, ini sangat penting untuk diingat bahwa pengukuran beda potensial atau tegangan dalam sistem selalu dilakukan diantara dua titik. Mengubah salah satu titik dapat mengubah beda potensial antara dua titik yang sedang diamati.

Secara umum, beda potensial antar dua titik dapat ditentukan menggunakan persamaan:

Simbol berperan sangat penting dalam analisis sistem listrik dan elektronik. Untuk membedakan antara sumber tegangan (baterai dan sejenisnya) dengan rugi-rugi potensial di elemen disipatif, maka simbol dibawah ini akan digunakan:

E untuk sumber tegangan (volt)
V untuk voltage drops (volt)

Terkadang sumber dari kebingungan adalah istilah yang digunakan pada materi ini. Istilah yang umum ditemui meliputi: potensi, beda potensial, tegangan, beda tegangan (turun atau naik), electromotive force. Seperti disebutkan dalam uraian diatas, ada pula yang digunakan secara bergantian. Definisi dibawah ini digunakan sebagai bantuan dalam memahami arti dari istilah-istilah tersebut:

Potensi (potential) : Tegangan pada sebuah titik terhadap titik lain dalam sistem kelistrikan. Biasanya titik referensi yang digunakan adalah tanah (ground), dimana memiliki potensial nol.
Beda potensial : Perbedaan secara aljabar dalam potensi (atau tegangan) antara dua titik jaringan.
Tegangan : Ketika terisolasi, seperti potensi, tegangan pada suatu titik terhadap beberapa referensi serperti ground (0 V).
Beda tegangan : Perbedaan secara aljabar dalam tegangan (atau potensi) antara dua titik sistem. Istilah tegangan turun atau tegangan naik adalah sebagai istilah yang disarankan.
Electromotive force (emf): gaya yang membentuk aliran muatan (atau arus) dalam sistem karena adanya beda potensial. Istilah ini tidak sering digunakan dalam literatur saat ini, tetapi hal ini berhubungan dengan sumber energi.

Secara sederhana, rangkaian elektronik dapat dianalogikan sebagai aliran air dalam pipa yang didorong oleh pompa air. Perbedaan tekanan air dari satu titik dekat pompa dan titik lain di ujung pipa dapat dianalogikan dengan potensial tegangan listrik. Jika pompa mulai bekerja, tekanan air dalam pipa pada titik di dekat pompa menjadi lebih tinggi sehingga air dalam pipa mulai terdorong dari satu titik (dekat pompa) menuju titik yang lain (ujung pipa). Pergerakan air ini (yang disebabkan perbedaan tekanan) mampu melakukan usaha, misalnya memutar turbin. Begitu pula dalam rangkaian elektronik, perbedaan potensial tegangan (misalnya dihasilkan oleh baterai) mampu melakukan usaha pula, misalnya memutar motor listrik. Jika dalam analogi, air pompa tidak bekerja, maka tidak ada perbedaan tekanan dan air tidak mengalir. Begitu pula untuk sirkuit elektronik, jika baterai, misalnya, habis, maka tidak ada perbedaan potensial tegangan listrik dan motor listrik tidak akan berputar.

Arus Listrik

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Wed, 10 Oct 2012 19:44:00 +0000


Gambar 1. Gerak Acak Elektron Dalam Kawat Tembaga

Perhatikan kawat tembaga yang dipotong menggunakan bidang imaginer tegak lurus (imaginary plane), menghasilkan suatu penampang lingkaran yg ditunjukkan pada gambar 1. Pada suhu kamar tanpa adanya suatu gaya dari luar, didalam kawat tembaga terdapat elektron bebas yang bergerak secara acak, hal ini diciptakan oleh energi panas yang didapatkan elektron dari lingkungan sekitarnya. Ketika atom kehilangan elektron bebasnya, atom tersebut akan menerima sebuah muatan positif yang disebut sebagai ion positif. Elektron bebas dapat bergerak dalam ion-ion positif dan dapat meninggalkan daerah umum atom induknya, sedangkan ion positif hanya dapat berosilasi didalam posisi tetapnya (inti atom). Oleh karena itu, elektron bebas merupakan pembawa muatan didalam kawat tembaga atau pada konduktor padat lainnya.

Gambar 2. Gerak Acak Elektron Bebas Pada Sebuah Struktur Atom

Serangkaian ion positif dan elektron bebas yang ditunjukan pada gambar 2. Dalam susunan ini, elektron bebas akan terus memperoleh atau kehilangan energi berdasarkan perubahan arah gerak dan kecepatan mereka. Beberapa faktor yang menjadi faktor penyebab gerak acak ini, antara lain:

Tumbukan dengan ion positif dan elektron lainnya.
Kekuatan tarik-menarik untuk ion positif.
Kekuatan tolak-menolak antara elektron yang ada.

Gerak acak elektron bebas ini terjadi sedemikian rupa sehingga dalam periode waktu tertentu, elektron yang bergerak ke kanan melintasi penampang melingkar di gambar 1 memiliki jumlah yang sama persis dengan jumlah elektron yang melintasi ke arah kiri penampang tersebut. Tanpa pengaruh gaya dari luar, aliran muatan pada suatu konduktor adalah sebesar nol.

Sekarang mari kita hubungkan kawat tembaga pada dua terminal baterai dan sebuah bola lampu (seperti pada gambar 3) untuk menciptakan rangkaian listrik sederhana. Baterai, dengan menggunakan energi kimianya, menempatkan muatan positif disatu terminal dan muatan negatif diterminal lainnya. Sesaat setelah rangkaian selesai dihubungkan, elektron bebas (muatan negatif) akan mengalir menuju terminal positif baterai, sedangkan ion positif akan tertinggal dikawat tembaga dan hanya berosilasi dalam inti atomnya. Terminal negatif baterai merupakan sebuah "penyedia" elektron, dimana elektron ini yang dapat ditarik oleh atom kawat tembaga ketika elektron kawat tembaga mengalir menuju terminal positif baterai.

Gambar 3. Rangkaian Listrik Sederhana

Aktivitas kimia baterai akan menyerap elektron pada terminal positif dan akan aman tetap mempetahankan pasokan elektron pada terminal negatif. Aliran muatan (elektron) yang melalui bola lampu akan memanaskan filamen bola lampu melalui gesekan yang akan membuat cahaya merah panas dan memancarkan cahaya yang diinginkan.

Jika 6,242×10¹⁸elektron mengalir dengan kecepatan yang seragam melalui penampang imajiner melingkar (gambar 3) dalam waktu 1 detik, maka aliran muatan (atau arus) tersebut dapat dikatakan sebesar 1 ampere (A). Arus yang berkaitan dengan hanya beberapa elektron per detik akan menjadi tidak berarti. Untuk menentukan nilai-nilai numerik yang memungkinkan untuk perbandingan langsung antar tingkat, satu coulomb (C) muatan telah didefinisikan sebagai muatan total yang besarnya adalah 6,242×10¹⁸ elektron. Dengan demikian, besar muatan per elektron dapat ditentukan menggunakan persamaan:

Sekarang kita dapat menghitung besarnya arus dalam satuan ampere dengan menggunakan persamaan:

Huruf kapital I untuk lambang arus diambil dari sebuah kata bahasa Perancis yaitu intensité. Singkatan SI untuk setiap kuantitas pada persamaan diatas terdapat pada sebelah kanan persamaan. Dari persamaan diatas, dapat diungkapkan bahwa untuk interval waktu yang sama, jika semakin besar muatan yang mengalir melalui sebuah kawan, maka arus yang mengalir juga akan semakin besar.

Pada gambar 3 memperlihatkan bahwa ada dua buah arah aliran muatan yang terindikasi. Salah satunya disebut sebagai aliran konvensional, dan yang lainnya disebut sebagai aliran elektron. Dalam tulisan ini sepakat untuk menggunakan aliran konvensional untuk berbagai alasan, termasuk fakta bahwa arah aliran itu adalah yang paling banyak digunakan di lembaga pendidikan dan industri, hal itu juga digunakan dalam desain dari semua simbol perangkat elektronik, dan itu juga merupakan pilihan populer untuk semua paket perangkat lunak komputer. Kontroversi aliran ini diakibatkan dari asumsi yang dibuat pada saat listrik ditemukan, bahwa muatan positif adalah partikel yang bergerak dalam konduktor logam. Yakinlah bahwa pilihan aliran konvensional tidak akan menimbulkan kesulitan dan kebingungan dalam mengikuti setiap penjelasan di tulisan ini. Setelah arah I ditetapkan, maka analisis dapat dilanjutkan tanpa mengalami kebingungan.

Pertimbangan Keselamatan

Penting untuk menyadari bahwa bahkan arus di level kecilpun jika melalui tubuh manusia dapat berakibat serius (berakibat berbahaya). Hasil penelitian mengungkapkan bahwa tubuh manusia akan mulai bereaksi terhadap arus hanya ditingkat miliampere. Meskipun kebanyakan orang dapat menahan arus sampai 10mA untuk jangka waktu yang sangat singkat tanpa efek samping serius, namun setiap arus yang lebih dari 10mA harus dianggap berbahaya. Bahkan arus yang mencapai 50mA dapat menyebabkan shock berat dan untuk arus yang lebih dari 100mA bisa berakibat fatal. Dalam kebanyakan kasus, pada tegangan yang biasa ditemukan dirumah, kulit tubuh saat dalam kondisi kering memiliki resistansi yang tinggi sehingga dapat membatasi arus yang melalui tubuh manusia ketingkat yang relatif aman. Namun perlu diperhatikan, pada tingkat tegangan yang sama, ketika kulit dalam keadaan basah karena keringat, mandi, dll, atau ketika penghalang kulit rusak akibat cidera, maka resistansi kulit akan menurun secara dramatis dan dengan demikian arus yang mengalir melalui tubuh dapat mencapai ketingkat yang berbahaya. Oleh karena itu, perlakukan listrik dengan sebaik-baiknya dan jangan pula jadi takut, kita hanya perlu berhati-hati. ;)

Atom dan Struktur Atom

noreply@blogger.com (Johny Putra Petir) — Wed, 10 Oct 2012 06:43:00 +0000

Untuk memahami konsep dasar dari arus dan tegangan membutuhkan pemahaman tentang atom dan strukturnya. Atom yang paling sederhana adalah atom hidrogen, dimana hanya terdiri dari dua partikel dasar, yaitu proton dan elektron, pada posisi relatif ditunjukkan pada Gambar 1(a). Nucleus (inti) dari atom hidrogen adalah proton (partikel yang bermuatan positif). Elektron yang mengorbit membawa muatan negatif yang sama besarnya dengan muatan positif dari proton. Pada unsur-unsur lainnya, inti atom mengandung neutron, dimana massanya sedikit lebih berat dari proton dan tidak bermuatan listrik. Atom helium misalnya, atom ini selain memiliki dua buah elektron dan dua buah proton juga memiliki dua buah neutron, seperti ditunjukkan pada Gambar 1(b). Semua atom netral memiliki jumlah elektron dan proton yang sama.

(a) Atom Hidrogen

(b) Atom Helium

Gambar 1. Atom Hidrogen dan Helium

Massa elektron adalah 9,1095×10^-28 gram, massa proton adalah 1,672×10^-24 gram, sedangkan massa neutron adalah 1,675×10^-24 gram. Jari-jari proton, neutron, dan elektron adalah sebesar 2×10^-15 meter. Pada atom hidrogen, jari-jari orbit terkecil yang dilalui oleh elektron sekitar 5×10^-11 meter. Besar jari-jari orbit ini sekitar 25.000 kali dari jari-jari elektron, proton, atau neutron.

Setiap atom memiliki jumlah elektron yang berbeda dalam kulit konsentris disekitar intinya. Kulit pertama (yang paling dekat dengan inti atom) hanya dapat berisi dua elektron saja. Jika suatu atom memiliki tiga elektron, maka elektron yang ketiga harus berada pada kulit berikutnya. Pada kulit kedua, maksimal dapat berisi delapan elektron, kulit ketiga sebanyak 18, dan keempat sebanyak 32, sebagaimana hal ini ditentukan oleh persamaan 2n², dimana n adalah jumlah kulit. Kulit ini biasanya dilambangkan dengan angka (n = 1, 2, 3, ...) atau huruf (n = k, l, m, ...).

Setiap kulit atom diurai menjadi beberapa subkulit, di mana subkulit pertama hanya dapat berisi maksimal dua elektron, subkulit kedua sebanyak 6 elektron, subkulit ketiga sebanyak 10 elektron, dan subkulit keempat sebanyak 14 elektron, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Subkulit atom biasanya dilambangkan dengan huruf s, p, d, dan f.

Gambar 2. Kulit dan Subkulit dari Struktur Atom

Telah dijelaskan pada sebuah percobaan dimana hubungan antara gaya yang timbul antara dua titik muatan, yang terpisah jarak tertentu, dengan nilai muatan dan jarak pisah keduanya. Hal ini dapat ditentukan menggunakan hukum coulumb:

Dimana F dalam satuan newton, k adalah sebuah konstanta (9×10⁹ N.m²/C²), Q₁ dan Q₂ merupakan muatan dalam satuan coulomb, dan r adalah jarak (dalam meter) antara dua buah muatan.

Gambar 3. Ilustrasi Hukum Coulomb

Hukum ini menyatakan apabila terdapat dua buah titik muatan maka akan timbul gaya di antara keduanya, yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar keduanya. Interaksi antara benda-benda bermuatan (tidak hanya titik muatan) terjadi melalui gaya tak-kontak yang bekerja melampaui jarak separasi. Adapun hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa arah gaya pada masing-masing muatan terletak selalu sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut. Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik muatan saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak, tergantung nilai dari masing-masing muatan. Muatan sejenis (bertanda sama) akan saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis akan saling tarik-menarik.

Di dalam atom, sesama elektron akan saling tolak-menolak, sedangkan proton dan elektron akan saling tarik-menarik. Karena inti atom bermuatan positif (proton), maka kekuatan tarikan terkuat terdapat pada elektron yang berada pada orbit terdekat dari inti atom [perhatikan efek dari besar muatan Q dan jarak r yang kecil di persamaan hukum coulomb]. Semakin meningkat jarak antara elektron yang mengorbit dengan inti atom, maka akan semakin berkurang pula kekuatan pengikatanya hingga mencapai tingkat terendah dari subkulit terluar (r terbesar). Karena kekuatan pengikatan disubkulit terluar merupakan yang terlemah, maka energi yang dibutuhkan untuk melepas elektron di subkulit terluar lebih sedikit dibandingkan dengan melepas elektron di subkulit terdalam.

Tembaga merupakan logam yang paling banyak digunakan pada industri listrik/elektronika. Pemeriksaan terhadap struktur atom tembaga ini akan membantu untuk mengidentifikasi mengapa atom ini banyak digunakan. Atom tembaga (gambar 4) memiliki kelebihan satu elektron. Selain itu juga subkulit terluar atom ini tidak lengkap, dimana hanya memiliki satu elektron, dan jarak antara elektron terluar dan inti atom mengungkapkan bahwa elektron ke-29 tidak terikat kuat pada atom tembaga. Jika elektron ke-29 ini memiliki energi yang cukup dari lingkungan sekitarnya untuk meninggalkan atom induknya, maka itu dapat disebut sebagai elektron bebas. Dalam satu inci kubik tembaga pada suhu kamar, ada sekitar 1,4×10⁺²⁴ elektron bebas. Logam lainnya juga memiliki sifat yang sama seperti tembaga, namun dengan tingkatan yang berbeda. Logam-logam tersebut adalah perak, emas, aluminium, dan tungsten.

Gambar 4. Struktur Atom Tembaga