Oleh Sugijanto Disampaikan pada kuliah reguler Fisioterapi ELECTRICITY Oleh Sugijanto Disampaikan pada kuliah reguler Fisioterapi

Arus listrik Arus listrik: gerakan electron kesatu arah. Ketika benda dimuati listrik, bukan hanya sekedar adanya muatan electron pd atom, tetapi juga terbentuk ion positif-negatif

Konduktor dan insulator Konduktor: material mudah dialiri arus listrik (grk elektron), memiliki elektron bebas. dg (ohmic) resistance rendah. Perak - tembaga – metal murni mrpk konduktor yg baik, Semi konduktor: Metal yg kurang baik dilalui elektron ttp masih terkontrol, memiliki elektron terikat kuat, mis silicon. Insulator: material yg jutaan kali (dibanding Cu) lebih sulit dilewati elektron, tidak memiliki elektron bebas (resistance sangat tinggi). Contoh plastik, kaca dan udara kering.

Arus searah: Arus listrik hanya dg satu arah. Arus bolak-balik: arus listrik dg suatu saat kesatu arah dan sat lain arah berlawanan dst. Perubahan arah 100 kali perdetik, freq. 50 Hz. Arus osilasi: Bila frek sangat cepat, elektron tidak bergerak jauh shg hanya terjadi osilasi. Arus listrik osilasi frek tinggi tdk memerlukan gerak elektron material, hanya vibrasi, shg dapat melalui material yg tanpa elektron bebas.Tidak peduli konduktor/ insulator.

Electricity Satuan muatan listrik = coloum (C). 1 C = 6,24 X 1018 elektron. Aliran listrik dlm unit waktu = ampere (A). 1 A = 1 C s-1 Muatan listrik memiliki energi (force). Force antara muatan yg beda = voltage (V). Bila V=1, artinya memindahkan muatan 1 C dgn energi 1 Joule. 1V = 1J C-1 Power (Watt) = force of electron X rate of fow of electron W = V X A

Suatu material memiliki variasi kuantitas elektron bebas,  memiliki tahanan thd gerak elektron = resistance Besarnya tahanan tgt jenis metal, diameter, panjang dan suhu. Besarnya tahanan dlm satuan ohm () Ohm law: 1 = 1 V dengan arus 1A.

R = R1 + R2 + R3 dst Voltage V Resistance Current = R Atau I = Pemasangan resistance seri: R = R1 + R2 + R3 dst Resistance = 3  2  1  = 6  Voltage = 6V 4V 2V = 12V Current = 2A 2A 2A = 2A

Total current= = 22A Pemasangan resistance paralel: R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 Total current= = 22A Resistance 3 2  1  = 0,5454  Voltage 12V 12V 12V = 12V Current 4A 6A 12A = 22A 12V 0,5454

Tahanan Komponen resistance = resistor Variable resistor = tahanan dpt diatur Capasitance = capacitor/condenser Variable condendser Rheostat Potential devider

Arus aliran listrik Cs-1 Force (tekanan listrik) CJ -1 Power Js-1 nama arti simbol Coloumb Ampere Volt Watt Ohm Farad Henry Jumlah elektron- Arus aliran listrik Cs-1 Force (tekanan listrik) CJ -1 Power Js-1 Hambatan aliran arus VA-1 Kapasitan CV-1 Inductance-jml arus per volt C A V W  F H

Pengukuran Ammeter (amperemeter) utk mengukur aliran arus (current) dipasang seri.Resistance harus sangat rendah. Voltmeter utk ukur voltage dipasang paralel. Disini resistance harus tinggi. Untuk mengukur resistance (ohmmeter)

Arah aliran arus Elektron mengalir dari titik dg muatan elektron tinggi (-) ke titik dg muatan elektron kurang (+) Pada arus bolak-balik arah aliran ger bolak-balik.

Muatan listrik statis Muatan listrik statis terjadi bila satu meterial memperoleh elektron. Contoh klasik gosokan sisir pd nilon. Gaya listrik statis terjadi antara 2 obyek: Gaya terjadi lewat vakum dan material Gaya berkurang dg meningkatnya jarak Pengaruh elektrostatik tanpa kontak: induksi. Pengaruh tanpa kontak = dielektrik.

Kapasitor dan kapasitan Kapasitor = komponen penyimpan listrik. Jumlah muatan listrik dlm satuan farad. Jumlah muatan listrik tgt: Luas plat, dielectric constant, jarak antar plat Variable capacitor = nilai kapasitas dapat di atur.

Bila voltage 1V menyimpan muatan 1C, maka kapasitan dr kapasitor = 1F. 1F = 10-6F dan 1F = 10-12F Kelebihan muatan listrik pd capacitor  lewat dielektrik, shg kapasitan dr kapasitor tetap. Hubungan seri capasitor: Kuantitas (C) Voltage (V) Q F Capacity (F) = C =

Sirkuit kapasitan dan resistan Capacitor bermuatan listrik dihubungkan dg resitor  voltage dan intensitas turun scr eksponensial. Makin tinggi nilai kapasitan atau makin tinggi resistor penurunan muatan turun makin pelan. Lamanya penurunan = durasi stimulus. Digunakan utk stimulator listrik.

Bentuk arus setelah lewat sirkuit capasitor-resistor Arus searah (continues direct current Interrupted direct current Surging pulsed IDC

Rectangular asymmetry Triangular asymmetry Alternating (bolak-balik) symmetry: osilasi elektron Model stimulus pd jaringan kulit: Capasitor – resistor circuit dan resistor seri.

Pengaruh magnetis Bila arus listrik bergerak, timbul gaya magnetik tegak lutus thd garis gerak muatan listrik. Daerah gaya megnet disebut medan magnit. Gaya elektrik dan magnetik merupakan satu kesatuan = elektromagnetik. Medan listrik oleh pengaruh electro static Medan magnit oleh pengaruh gerakan muatan listrik. Radiasi elektromagnetik oleh pengaruh perubahan kecepatan muatan listrik

Magnet Magnet permanent memiliki kutup utara & selatan pd ujungnya. Kemagnetan  bila dipanaskan/dipukul. Medan elektromagnet tegak lurus kawat bermuatan listrik bergerak. Gaya pd magnet disebut magnetic flux diukur dlm unit weber per m2 (=1 tesla = 10 000 gause). Elektron spt miniatur magnet, putaran searah jarum jam menghasilkan medan magnet.

Electromagnetism Bila kawat listrik di kumparkan pd besi lunak, timbul electromagnet. Aliran listrik bolak-balik menimbulkan elektromagnet dg kutup bolak-balik. Prinsip motor listrik: Bila elektromagnetik dekat magnet permanen, terjadi gaya (gerak putar) induksi electromagnetic field. Digunakan pd mikrofon, loud speaker, tranformer dll. Percobaan Michael Farady digunakan dalam faradisasi.

Switch, bel listrik dan alat ukur listrik

Motor listrik Prinsip elektro magnetik, digunakan scr luas juga dlm fisioterapi, mis hydrotherapy, vibrator, suction, blower dlm alat diathermy dll. Fleming’s law: tangan kiri  motor listrik.

Mutual induction & self induction Switch on–off  muncul-hilang induksi electromagnetic force (e.m.f) yg menginduksi elektron dlm konduktor sendiri (self induction) shg terjadi interferensi gelombang (Lenz law). Dan menginduksi sirkuit lain tanpa kontak  mutual induction  dasar transformer Besarnya self induction tgt inductance (L) = kualitas capasitance & resistance. Dlm Henry (1H: Perubahan 1A s-1 menghasilkan e.m.f 1V).

Eddy current Elektromagnet akan menimbulkan arus listrik pada konduktor  eddy current yg menimbulkan panas. Untuk menghindari digunakan laminasi pd iron core dan konduktor. Pengaruh induksi elektromagnetik hanya terjadi bila bergerak = AC. Pengaruh e.m.f pada jaringan tubuh krn eddy current  panas.

Alternator dan arus bolakbalik Dinamo (alternator) merubah tenaga mekanik menjadi listrik bolak-balik (AC). AC lebih murah, praktis, mudah diproduksi dan mudah dirubah voltagenya. Generator AC W = V.A Effective V & I value= 0,707

Transformer Arus sinus dgn voltage berubah-ubah menimbulkan induksi e.m.f. menginduksi konduktor dekatnya, induksi terjadi dg pola spt gambar. Makin cepat perubahan (frekwensi) makin besar induksi. Low frequency transformer. Step up: jumlah kumparan II lebih besar, step down sebaliknya Misal; kumparan 1 = 100 lilitan 4A dan kumparan 2 = 400 lilit 1A

Interaksi induksi antara kumparan I dan II = mutual induction. Nilai watt kumparan I = watt kumparan II. Intensitas kump.II tgt besarnya resistance. Bila kump.II tanpa resistance (switch off)  kump.I arus nol (atau sangat kecil krn ada hilang energi). Hilang energi karena: Ohmic resistance kumparan. Adanya eddy current menimbulkan panas; rumus W= I2Rt (W dlm J, I dlm A, R dlm  dan t dlm detik) Rotasi ion dalam besi oleh arus bolak-balik. Efisiensi pada trasformer yg baik 95-99%.

Penggunaan transformer. Transformer frek rendah digunakan pd arus faradik, IDC, TENS, diadynamis dan Interferential current. Transformer frek tinggi tanpa besi lunak, terpisah dan jumlah lilitan lebih kecil. Digunakan pada Diathermy, juga radio.

Impedansi Adanya arus listrik bolak-balik timbul self induction yg besarnya tgt inductance konduktor (L) dan frekwensi (f) arus. Pd konduktor, frek makin tinggi reaksi hambatan (reactance=X) makin besar. demikian pula bl coil makin besar. Reactance = kesulitan arus AC melewati sirkuit oleh inductance dan capacitance. Sebaliknya pd capacitor. reactance makin rendah bl frek makin tinggi. Tiga resistance pd AC (resistance, self inductance, dan reactance) = impedance (Z).

Impedance tgt: Resistance (sifat, temperatur konduktor) Reactance (inductive, capacitive)  Z2 = R2 + X 2 Z  f utk induktan Z  utk kapasitor Z = 2L (dlm ohm) digunakan sbg filter  = choke coil. Z = Interferential current lebih mudah melewati kulit. 1 f 1 2L

Arus utama (listrik rumah) Mrpk AC 220V frek 50 Hz Pembangkit: tenaga air/diesel/gas bumi Kabel listrik tegangan tinggi (ratusan ribu volt) 3 fase, hilang energi kecil. Dua fase dgn positif (life) dan negatif (earth) Tiga kabel pd arus rumah: life (coklat) – netral (biru) – earth (kuning). Insulator utk pengamanan.

Produksi e.m.f. Thermoelectric (tidak dipakai)  DC Photoelectric (solar)  DC Alternator  AC Electric cell  DC Storage ceil  DC Biologic tissue  DC

Ilustrasi perubahan energi: listrik panas mekanik kimiawi radiasi

Arus listrik dalam air Listrik melewati cairan krn gerakan partikel = convection current. Cairan yg mengkonduksi listrik = elektrolit. Campuran unorganik, garam, asam dan basa. Contoh: arus listrik dlm cairan NaCl  Na+ dan Cl- bila berada dlm medan listrik terjadi grk ion+ ke kathode dan ion– ke anode

Peristiwa elektrolise air H2O  H+ + OH- H+ + elektron  H H + H  H2 OH- - elektron  OH OH + OH  H2O + O H2SO4  2H+ + SO4-2 H+ + elektron  H H + H  H2 SO4-2 tetap dlm cairan (preferential discharge of ion) Peristiwa identik bila listrik dalam jaringan

Arus listrik dlm semikonduktor Elektron konduktor mampu bergerak dr satu atom ke atom lain, dlm insulator elektron tdk dpt bergerak. Intrinsic semiconductor (mis Germanium) punya sedikit elektron bebas pd orbit terluarnya dlm temperatur ruangan, spt konduktor  tergantung temperatur. Germanium dan silikon memiliki 4 elektron pd orbit paling luar (tetravalent)

Penambahan elektron  sbg elektron bebas. Impurity semiconductor sifat sama, diperoleh dgn menambahkan fosfor pd silikon atau germanium (doping)  bentuk struktur crystaline . Penambahan elektron  sbg elektron bebas. Impurity semiconductor ada 2 jenis: N type  muatan negatif yg bergerak (donor impurity) penambahan muatan listrik dr battery negatif. P type  lobang muatan positif bergerak (acceptor impurity) penambahan muatan listrik dr battery positif.

Perbatasan p-n Pd perbatasan p dan n dihub depletion layer yg punya sedikit elektron bebas utk cegah aliran elektron dr n ke p atau hole dr p ke n langsung. (= a junction diode) Bl n type dpt muatan + dan tipe n dimuati +, tidak terjadi aliran arus, ttp bl tipe n dimuati – akan terjadi aliran arus elektron dr n ke p dan lobang elektron dr p ke n krn resitance perbatasan < dr arus listrik.

Rectifier Pembatasan n – p tsb digunakan sbg rectifier,  hanya dpt dilewati arus satu arah. Digunakan pd alat perubah AC ke DC. Agar siklus AC menjadi dua fase arus searah, digunakan pengaturan bridge. Light dependent resistor: switch. Thermistor: pd thermometer Light emitting diode: pd kalkulator, jam ditital.

Transistor. Semikonduktor dgn 3 terminal (triode valve) p-n-p atau n-p-n. Ta. Emitter – Base – Collector. Arah gerak elektron (-) berlawanan arah panah. Potensial pd base menentukan jumlah elektron yg mengalir. (transresistor = transistor)

IC = Integrated Circuit) Pada satu lapis silicon kecil terdapat ribuan komponen, spt resistor, transitor, capacitor, diode, dll dan tersusun dlm berbagai sirkuit spt osilator, timer dll dikenal sbg chip.

Thermionic emission Prinsip thermionic emission: bl logam dipanaskan  perbesar elektron bebas sbg kabut elektron (katode), bl konduktor muatan + (anode) didekatkan  elektron tertarik. (=prinsip diode) Bl dipasang elektrode ketiga (grid) antara anode dan katode, dgn voltage kecil mempu mengontrol aliran elektron (triode valve). Digunakan pd oscilator SWD.