1 mili ampere sama dengan berapa ampere

Lebih Lanjut tentang Arus Listrik

Gambaran Umum

Battle of Chesma by Ivan Aivazovsky

Kita mendapat kenyamanan dalam kehidupan sehari-hari berkat arus listrik. Arus listrik menghasilkan radiasi dalam spektrum yang terlihat dan tidak hanya menerangi rumah kita, namun juga memasak dan memanaskan kembali makanan kita dalam berbagai peralatan listrik, seperti kompor listrik, oven microwave, dan pemanggang roti. Karena ada listrik, kita tidak perlu mengeruk sampah untuk mencari bahan bakar untuk menyalakan api. Berkat listrik, kita juga dapat bergerak cepat di sepanjang bidang horizontal dalam kereta, kereta bawah tanah, dan kereta api kecepatan tinggi, serta di sepanjang bidang vertikal pada eskalator dan dalam lift. Kita juga mendapat kehangatan dan kenyamanan rumah kita berkat arus listrik, karena arus listrik menggerakkan pemanas listrik, penyejuk udara, dan kipas kita. Berbagai mesin bertenaga listrik membuat pekerjaan kita jauh lebih mudah, baik dalam kehidupan sehari-hari mau pun dalam berbagai industri. Kita memang hidup di era listrik, karena listrik yang memungkinkan kita untuk menggunakan komputer, ponsel cerdas, Internet, televisi, dan teknologi elektronik pintar lainnya. Mengingat betapa nyamannya listrik sebagai bentuk energi, tidak mengherankan bahwa kita menghabiskan begitu banyak upaya untuk menghasilkannya.

Mungkin ini terdengar tidak lazim, namun gagasan penggunaan listrik praktis pertama kali diterapkan oleh beberapa anggota masyarakat yang paling konservatif — perwira angkatan laut. Sulit untuk naik status dalam masyarakat elitis ini, dan sama sulitnya untuk meyakinkan para laksamana, yang memulai karier mereka sebagai pelayan di kapal selama Zaman Layar, tentang perlunya beralih ke kapal perang berlapis baja dengan mesin uap, namun para perwira yang lebih muda menyukai dan mendukung inovasi tersebut. Karena keberhasilan penggunaan kapal pembakar selama perang Rusia-Turki pada tahun 1770, yang menyebabkan kemenangan selama Pertempuran Chesma, Angkatan Laut mulai mempertimbangkan untuk meningkatkan sistem pertahanan pelabuhan dengan menggunakan artileri pantai terpercaya yang dipadukan dengan ranjau laut, yang inovatif pada waktu itu.

A shipboard radio station, ca. 1910. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Pengembangan berbagai jenis ranjau laut dimulai pada awal abad ke-19, dan desain yang paling sukses termasuk ranjau otonom yang diaktifkan oleh listrik. Pada tahun 1870-an, sebuah perangkat untuk meledakkan ranjau jangkar dengan menggunakan listrik dikembangkan oleh seorang fisikawan Jerman, Heinrich Hertz. Salah satu variasi dari perangkat ini, ranjau laut bertanduk, terkenal dan sering muncul dalam film perang bersejarah. "Tanduk" timahnya memiliki wadah berisi elektrolit, yang hancur ketika terjadi kontak dengan tubuh kapal. Elektrolit tersebut memberikan energi kepada baterai sederhana yang pada gilirannya meledakan ranjau tersebut.

Hudson's Bay Company radio station, ca. 1937. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Perwira angkatan laut merupakan beberapa orang pertama yang menyadari potensi lilin listrik Yablochkov, yang merupakan sumber lampu listrik pada zaman dahulu. Mereka jauh dari sempurna, namun menghasilkan cahaya dengan busur listrik dan elektroda positif panas bercahaya putih yang terbuat dari batubara. Mereka digunakan untuk memberi isyarat di medan perang dan untuk menerangi medan perang. Penggunaan lampu sorot yang kuat memberi keuntungan untuk pihak yang menggunakan mereka untuk menerangi medan perang saat pertempuran malam atau untuk mengirimkan informasi dan mengoordinasikan gerakan berbagai unit angkatan laut selama pertempuran di laut. Lampu sorot yang digunakan di mercusuar meningkatkan navigasi di perairan pesisir yang berbahaya.

Vacuum tube, ca 1921. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Tidak mengherankan Angkatan Laut juga antusias untuk menerapkan teknologi yang memungkinkan pengiriman informasi nirkabel. Ukuran perangkat transmisi zaman dahulu yang besar bukanlah masalah bagi Angkatan Laut, karena kapal mereka memiliki cukup ruang untuk menampung mesin-mesin yang nyaman, namun terkadang besar ini.

Mesin listrik digunakan untuk mempermudah dalam memuat meriam ke kapal, sedangkan mesin listrik daya digunakan untuk memutar turet senjata serta meningkatkan akurasi dan efektivitas meriam. Mesin telegraf kapal memungkinkan kru untuk berkomunikasi dan meningkatkan efisiensi, yang memberikan keuntungan signifikan dalam pertempuran.

Salah satu penggunaan arus listrik yang paling mengerikan dalam pertempuran laut adalah pada kapal penyerang U-boat di Reich Ketiga. Kapal selam Hitler, yang dioperasikan dengan menggunakan taktik Wolfpack, menenggelamkan banyak konvoi transportasi milik Sekutu. Kisah Konvoi PQ 17 yang terkenal adalah salah satu contohnya.

Drummondville Radio transmitter, ca. 1926. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Angkatan Laut Inggris berhasil memperoleh beberapa mesin Enigma yang digunakan tentara Jerman untuk menyandikan pesan dalam kode, dan mereka berhasil memecahkan kodenya dengan bantuan Alan Turing, yang dikenal sebagai bapak komputasi modern. Sekutu mencegat komunikasi radio laksamana Jerman, Karl Dönitz, dan dengan informasi ini, dapat menggunakan angkatan udara di pesisir untuk menyudutkan Wolfpack dan memaksanya kembali ke pantai Norwegia, Jerman, dan Denmark. Berkat ini, penyerangan hanya berlangsung singkat sejak tahun 1943.

Wireless telegraph key, ca. 1915. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Hitler berencana menambahkan roket V-2 pada kapal selamnya agar dapat digunakan untuk menyerang Pantai Timur AS. Akan tetapi, kemajuan pesat Sekutu di front Barat dan Timur, mencegahnya berbuat demikian.

Sulit membayangkan angkatan laut modern tanpa kapal induk dan kapal selam nuklir. Kapal-kapal itu bertenaga reaktor nuklir, yang menggabungkan teknologi dari abad ke-19 bersumber uap, teknologi dari abad ke-20 bersumber listrik, dan teknologi nuklir dari abad ke-21. Sistem pembangkit energi kapal selam nuklir menghasilkan energi listrik yang cukup untuk menyuplai energi yang dibutuhkan oleh satu kota besar.

Selain penggunaan listrik yang sudah kita diskusikan, baru-baru ini angkatan laut mulai mempertimbangkan penggunaan lain listrik, seperti penggunaan railgun. Railgun adalah meriam listrik yang menggunakan proyektil energi kinetis, yang berpotensi luas menyebabkan kerusakan.

James Clerk Maxwell. A statue by Alexander Stoddart. Photo by Ad Meskens / Wikimedia Commons

Sekilas Sejarah

Dengan pengembangan sumber energi terandalkan untuk arus searah (DC) seperti tumpukan volta, yang diciptakan oleh fisikawan Italia Alessandro Volta, banyak ilmuwan ulung di seluruh dunia mulai mengeksplorasi sifat arus listrik tersebut dan fenomena fisik yang disebabkannya, begitu pula penggunaan praktis arus listrik dalam ilmu pengetahuan dan teknologi. "Daftar bintang" ilmuwan termasuk Georg Ohm, yang mencetuskan Hukum Ohm untuk mendeskripsikan perilaku arus listrik pada rangkaian listrik dasar; fisikawan Jerman Gustav Kirchhoff yang mengembangkan perhitungan untuk rangkaian listrik yang lebih kompleks; dan fisikawan Prancis André Marie Ampère, yang menemukan hukum yang mendeskripsikan sifat di dalam simpal tertutup yang memiliki medan magnet yang bereaksi terhadap simpal dan memiliki arus listrik yang melewatinya. Sekarang, hukum ini disebut dengan hukum sirkuit Ampère. Penemuan independen fisikawan Inggris James Prescott Joule dan ilmuwan Rusia Heinrich Lenz berujung pada penemuan hukum panas Joule, yang mengukur efek panas karena arus listrik.

Hendrik Antoon Lorentz, painted in 1916 by Menso Kamerlingh Onnes (1860–1925).

Penemuan James Clerk Maxwell fokus pada penelitian lebih lanjut atas sifat-sifat arus listrik, dan meletakkan fondasi bagi elektrodinamika modern. Kini, penemuan ini dikenal dengan persamaan Maxwell. Maxwell juga mengembangkan teori radiasi elektromagnetik dan memprediksi banyak fenomena, seperti gelombang elektromagnetik, tekanan radiasi, dan lain-lain. Nantinya, keberadaan gelombang elektromagnetik dibuktikan melalui eksperimen oleh fisikawan Jerman Heinrich Rudolf Hertz. Penemuan Hertz atas pantulan, interferens, difraksi, dan polarisasi gelombang elektromagnetik digunakan saat menemukan radio.

Jean-Baptiste Biot (1774–1862)

Beberapa penemuan eksperimen oleh fisikawan Prancis Jean-Baptiste Biot dan Félix Savart mengenai manifestasi magnetisme keberadaan arus listrik, yang dirangkum dalam hukum Biot-Savart, dan penelitian brilian matematikawan Prancis Pierre-Simon Laplace, yang membentuk gagasan umum atas hasil eksperimen di atas sebagai abstraksi matematika, menarik hubungan untuk pertama kalinya antara dua sisi dari satu fenomena dan melahirkan studi elektromagnetisme. Fisikawan brilian Inggris Michael Faraday melanjutkan penemuan mereka dan menemukan induksi elektromagnetik. Teknik listrik modern dibangun atas penemuan Faraday.

Fisikawan dari Belanda, Hendrik Lorentz, memberikan kontribusi berharga dalam menjelaskan sifat alami arus listrik. Lorentz mengembangkan teori elektron klasik dan berteori bahwa atom terbentuk dari partikel yang bermuatan lebih kecil, dan bahwa sinar adalah hasil osilasi partikel-partikel ini. Lorentz juga mencetuskan persamaan untuk mendeskripsikan gaya yang bereaksi terhadap muatan bergerak dari dalam medan elektromagnetik. Gaya ini disebut dengan gaya Lorentz.

Mendefinisikan Arus Listrik

Arus listrik dapat didefinisikan sebagai pergerakan teratur partikel muatan. Menurut definisi ini, arus listrik dihitung dari jumlah partikel muatan yang melewati penampang konduktor dalam unit waktu tertentu.

I = q / t, dengan q adalah muatan dalam coulomb, t adalah waktu dalam detik, dan I adalah arus listrik dalam ampere.

Definisi lain arus listrik bergantung pada sifat konduktor dan dideskripsikan menurut hukum Ohm:

I = V/R, dengan V adalah tegangan dalam volt, R adalah hambatan dalam ohm, dan I adalah arus dalam ampere.

Arus listrik dihitung dalam ampere (A) berikut satuan turunannya seperti nanoampere (sepermiliar ampere, nA), mikroampere (seperjuta ampere, μA), miliampere (seperseribu ampere, mA), kiloampere (seribu ampere, kA), dan megaampere (sejuta ampere, MA).

Dalam SI, satuan untuk arus listrik diturunkan sebagai

[А] = [C] / [s]

Perilaku Arus Listrik dalam Media Berbeda

Aluminum is a very good conductor and is widely used in electrical wiring

Arus Listrik pada Bahan Padat yang Mencakup Logam, Semikonduktor, dan Dielektrik

Saat memikirkan arus listrik, kita harus memperhitungkan media yang membawanya, terutama partikel muatan yang ada dalam bahan atau zat dalam keadaan arus. Bahan atau zat ini dapat berupa padat, cair, atau gas. Contoh unik keadaan berbeda suatu zat adalah dihidrogen monoksida, atau hidrogen oksida, yang sederhananya kita sebut air. Kita dapat melihat air sebagai benda padat saat berupa es dari lemari pembeku yang kita gunakan untuk mendinginkan minuman — sebagian besar berasal dari air. Sebaliknya, saat membuat teh atau kopi instan, kita menggunakan air mendidih. Jika kita menunggu air mendidih sebelum menuangkannya ke teko, kita akan melihat "kabut" yang keluar dari cerat teko — kabut ini terdiri dari tetes air yang terbentuk dari keadaan gas air (uap) yang keluar dari cerat dan bersentuhan dengan udara dingin.

Ada juga keadaan materi lain yang disebut plasma. Plasma bersuhu rendah menyusun lapisan atas bintang, ionosfer Bumi, nyala api, busur elektrik, dan zat di dalam lampu fluoresens, hanyalah beberapa contohnya. Plasma bersuhu tinggi sulit dicipta ulang di laboratorium karena membutuhkan suhu yang sangat tinggi lebih dari 1.000.000 K.

These high voltage circuit breakers contain two major components: the interrupting contacts and an insulator that connects two wires together.

Berdasarkan strukturnya, bahan padat dapat dipecah lagi menjadi kristalin dan amorf. Kristalin memiliki kisi kristal terstruktur. Atom dan molekul dari zat tersebut menciptakan kisi kristal dua atau tiga dimensi. Padatan kristalin termasuk logam, lakur logam, dan semikonduktor. Kita dapat dengan mudah membuat visualisasi padatan kristalin dengan membayangkan kepingan salju, itulah kristal yang berbentuk unik. Zat amorf tidak memiliki kisi kristal. Dielektrik biasanya amorf.

Di bawah kondisi normal, arus listrik mengalir melewati benda padat berkat pergerakan elektron bebas, yang menjadi tak terikat sebagai akibat elektron valens yang terlepas dari atom. Kita juga dapat memecah padatan berdasarkan sifat alami aliran listrik yang dimilikinya menjadi konduktor, semikonduktor, dan insulator. Sifat bahan yang berbeda ditentukan menurut struktur pita elektronik yang berlainan. Struktur ini bergantung pada lebar celah pita dan tidak ada elektron di dalamnya. Insulator memiliki celah pita terlebar, dengan lebar hingga 15 eV. Insulator dan semikonduktor tidak memiliki elektron di celah konduksi pada suhu nol mutlak, tetapi pada suhu ruang akan ada sebagian elektron yang dilepaskan dari pita valens akibat energi panas. Pada konduktor seperti logam, pita konduksi tumpang tindih dengan pita valens. Itulah alasan meski pada suhu nol mutlak, ada banyak sekali elektron, dan fenomena ini masih benar sebagai kenaikan suhu untuk titik leleh. Elektron-elektron ini memungkinkan arus listrik mengalir melewati bahan tersebut. Semikonduktor memiliki celah pita kecil dan kemampuannya untuk menghantarkan listrik sangat bergantung pada suhu, radiasi, dan faktor-faktor lain, seperti keberadaan dopan.

Laminated core transformer. I-shaped and E-shaped steel sheets are clearly visible on the sides.

Superkonduktor menciptakan kondisi khusus untuk arus listrik. Superkonduktor adalah bahan yang memiliki nol hambatan untuk aliran arus listrik. Elektron konduksi bahan-bahan ini membentuk kelompok partikel, yang saling berikatan akibat efek kuantum.

Sebagaimana yang tersirat pada namanya, insulator tidak menghantarkan arus listrik dengan baik. Sifat insulator digunakan untuk membatasi aliran arus listrik antar permukaan penghantar bahan yang berbeda.

Selain arus listrik yang mengalir melewati konduktor saat medan magnet konstan maupun saat medan magnet variabel, perubahan arus listrik menyebabkan fenomena yang disebut arus eddy, disebut juga arus Foucault. Semakin besar laju perubahan medan magnet, semakin kuat arus eddy. Arus listrik tidak mengalir sepanjang rute tertentu, tetapi mengalir dalam simpal tertutup pada konduktor.

Arus eddy menyebabkan efek kulit, yaitu kecenderungan arus listrik bolak-balik (AC) dan fluks magnetik yang mengalir terutama sepanjang lapisan permukaan konduktor, yang menyebabkan hilangnya energi. Untuk mengurangi kehilangan arus eddy dalam inti trafo, rangkaian magnet trafo dipecah. Hal ini dilakukan dengan menumpuk lapisan lempeng berinsulasi baja tipis, yang membentuk inti trafo.

Chrome-plated plastic shower head

Arus Listrik dalam Cairan (Elektrolit)

Semua cairan dapat menghantarkan arus listrik hingga derajat tertentu saat tegangan listrik dimasukkan ke cairan. Cairan yang menghantarkan arus listrik disebut dengan elektrolit. Arus listrik yang dibawa oleh ion bermuatan positif dan negatif, secara berurutan disebut dengan kation dan anion, ada dalam cairan akibat disosiasi elektrolisis. Dalam elektrolit, arus mengalir akibat pergerakan ion dibandingkan dengan arus yang terjadi akibat pergerakan elektron dalam logam. Arus dalam elektrolit ini dicirikan dengan pergerakan zat ke elektrode dan pembentukan elemen kimia baru di sekitar elektrode atau deposisi zat-zat baru ini pada elektrode.

Fenomena ini menjadi dasar untuk elektrokimia dan memungkinkan kita mengukur bobot ekuivalen zat kimia berbeda. Dasar elektrokimia memungkinkan kita mengubah kimia anorganik menjadi ilmu pasti. Pengembangan lebih lanjut kimia elektrolit memungkinkan kita membuat sumber energi kimia dalam bentuk aki primer (atau sekali pakai) dan aki yang dapat diisi ulang dan sel bahan bakar. Hal ini, pada gilirannya, memungkinkan loncatan dalam perkembangan teknologi. Sekadar mengintip di bawah kap mobil dan memeriksa aki mobil akan memberi Anda sekilas hasil penemuan puluhan tahun usaha para peneliti dan insinyur.

Car battery installed in 2012 Honda Civic

Banyak proses industri, yang bergantung pada aliran arus listrik dalam elektrolit, dapat memberikan lapisan penutup yang menarik pada produk akhir (misalnya penyepuhan elektrik krom dan nikel) dan melindungi benda dari korosi. Elektrodeposisi dan punaran elektro adalah proses dasar dalam rekayasa listrik modern saat membuat berbagai komponen elektronik. Proses ini sangat umum digunakan, misalnya dalam mikrofabrikasi, dan jumlah komponen elektronik yang dihasilkan menggunakan teknik ini mencapai puluhan miliar per tahun.

Arus Listrik dalam Gas

Aliran arus listrik dalam gas bergantung pada jumlah elektron dan ion bebas di dalamnya. Karena semakin lebarnya pemisahan antar partikel gas dibandingkan dengan cairan dan padatan, lazim bagi molekul dan ion dalam gas untuk menempuh jarak yang lebih jauh sebelum bertabrakan. Akibatnya, aliran listrik dalam gas di bawah keadaan normal bersifat sulit. Kondisi yang sama berlaku untuk campuran gas. Satu contoh campuran gas adalah udara, yang dalam rekayasa listrik dipertimbangkan sebagai insulator yang baik. Di bawah kondisi beraturan, banyak campuran gas lain yang juga menjadi insulator yang baik.

A neon screwdriver test light is showing that a voltage of 220 V is present

Aliran listrik dalam gas bergantung pada faktor fisik berbeda seperti tekanan, suhu, dan komponen yang membentuk campuran tersebut. Selain itu, radiasi pengion juga memainkan peran. Misalnya, gas dapat menghantarkan listrik jika disinari dengan radiasi ultraviolet atau sinar X, jika dikenai oleh partikel katode atau anode atau partikel yang dipancarkan oleh zat radioaktif, atau bahkan jika suhu gas tersebut tinggi.

Saat energi diserap oleh atom atau molekul gas yang secara elektrik netral dan saat ion dibentuk, proses endotermik ini disebut ionisasi. Saat energi mencapai ambang tertentu, elektron atau sekelompok elektron melemahkan potensi penghalang dan meninggalkan atom atau molekul, sehingga menjadi elektron bebas. Atom atau molekul yang ditinggalkan elektron tidak lagi netral, dan menjadi bermuatan positif. Elektron bebas dapat bergabung dengan atom atau molekul muatan netral dan membentuk ion muatan negatif. Ion muatan positif dapat mengambil kembali elektron muatan negatif saat bertabrakan sehingga menjadi netral kembali. Proses ini disebut rekombinasi (penggabungan ulang).

Selagi arus listrik mengalir melewati gas, keadaannya berubah. Hal ini menyebabkan ketergantungan rumit antara arus listrik dan tegangan, yang kurang lebih diatur menurut hukum Ohm tetapi hanya ketika arus listrik rendah.

Lucutan listrik dalam gas dapat berupa lucutan tak mandiri atau lucutan mandiri. Lucutan tak mandiri menciptakan arus listrik yang mungkin terjadi jika ada faktor-faktor pengion eksternal. Jika faktor ini tidak ada, arus listrik tidak mengalir melewati gas. Sebaliknya, selama lucutan mandiri, arus listrik dipertahankan akibat ionisasi atom dan molekul netral dalam gas yang dipercepat oleh medan elektrik setelah bertabrakan dengan elektron dan ion bebas. Pada keadaan ini, arus listrik mungkin terjadi meskipun tanpa faktor pengion eksternal.

Current-voltage characteristics of a silent discharge

Saat perbedaan potensial antara anode dan katode kecil, lucutan tak mandiri disebut lucutan senyap atau lucutan Townsend. Seiring tegangan naik, intensitas arus juga naik. Pada mulanya, kenaikan arus ini proporsional dengan tegangan (penampang OA pada ciri volt-ampere lucutan senyap), tetapi berangsur-angsur laju peningkatannya melambat (penampang AB pada grafik). Saat semua partikel terlepas yang dilepaskan akibat proses ionisasi bergerak mendekati katode dan anode dalam waktu bersamaan, tidak ada peningkatan arus (penampang BC pada grafik). Jika tegangan dinaikkan lagi, arus juga naik, dan lucutan senyap menjadi muatan longsoran tak mandiri. Contoh dari lucutan tak mandiri adalah lucutan pijar pada lampu lucutan tekanan tinggi untuk berbagai tujuan.

Saat lucutan tak mandiri diubah menjadi lucutan mandiri, arus listrik naik (titik E pada kurva). Titik ini disebut dadal listrik.

Electronic photo flash with a xenon tube (red rectangle)

Semua jenis muatan berbeda yang diuraikan di atas adalah lucutan pegun atau lucutan keadaan-tunak. Sifat lucutan itu tidak bergantung pada waktu. Selain dua lucutan ini, ada juga lucutan taktunak, yang biasanya terjadi di medan elektrik yang sangat tidak seimbang, misalnya permukaan runcing atau melengkung pada konduktor atau elektrode. Ada dua jenis lucutan tak seimbang: lucutan korona dan lucutan bunga api.

Ionisasi selama lucutan korona tidak menyebabkan dadal listrik. Lucutan ini menyebabkan proses berulang memulai lucutan tak mandiri dalam ruang terbatas kecil di sekitar konduktor. Contoh yang baik untuk lucutan korona adalah pijar di udara di sekitar antena, penangkal petir, atau kabel listrik yang jauh dari tanah. Lucutan korona di sekitar kabel listrik menyebabkan kehilangan energi. Di masa lalu, pijar ini dikenal baik oleh para pelaut — pijar di sekitar tiang kapal dikenal sebagai api Santa Elmo. Lucutan korona digunakan pada printer laser dan mesin fotokopi. Lucutan ini dihasilkan oleh perangkat penghasil korona, yaitu benang logam yang diberi tegangan tinggi. Lucutan korona mengionkan gas, yang pada gilirannya, mengionkan drum peka cahaya. Dalam hal ini, lucutan korona bermanfaat.

Dibandingkan dengan lucutan korona, lucutan elektrostatik menyebabkan dadal listrik. Lucutan elektrostatik nampak seperti utas cerah selang-seling yang mencabang dan terisi gas ion. Lucutan ini muncul-tenggelam, dan menghasilkan panas dan cahaya dalam jumlah besar. Contoh umum lucutan elektrostatik yang terjadi secara alami adalah petir. Arus listrik dalam petir dapat mencapai puluhan kiloampere. Sebelum petir dapat terjadi, pembentukan sambaran menurun, yang dikenal sambaran atau bunga api harus terbentuk lebih dahulu. Pembentukan sambaran terjadi bersamaan dengan sambaran bertingkat. Petir biasanya terdiri dari banyak lucutan elektrostatik dalam pembentukan sambaran menurun untuk petir negatif dari awan ke Bumi. Lucutan elektrostatik yang sangat kuat digunakan sebagai lampu kilat elektronik dalam fotografi. Lucutan lampu kilat itu terbentuk antar elektrode dalam tabung kilat yang terbuat dari kaca kuarsa, yang diisi dengan campuran gas ion mulia.

Saat lucutan listrik dipertahankan dalam jangka waktu lama, lucutan ini disebut busur elektrik. Busur elektrik digunakan dalam pengelasan busur, yaitu teknik yang sangat dibutuhkan dalam konstruksi modern, digunakan untuk membangun konstruksi baja dengan berbagai ukuran dan tujuan, mulai dari bangunan pencakar langit, kapal induk, hingga mobil. Busur elektrik digunakan tidak hanya untuk menyambungkan bahan, tetapi juga untuk memotongnya. Perbedaan antara dua proses ini ada pada kekuatan arus yang digunakan. Pengelasan dilakukan dengan arus yang relatif lebih rendah, sementara pemotongan membutuhkan arus yang lebih tinggi untuk busur elektrik. Pemotongan itu sendiri terjadi saat logam yang meleleh dibuang, dan teknik berbeda digunakan untuk membuangnya.

Penggunaan lain atas busur elektrik dalam gas adalah lampu lucutan gas, yang mengusir kegelapan di jalan-jalan, alun-alun, dan stadion (lampu uap natrium biasanya digunakan di kawasan ini). Lampu halida logam, yang menggantikan bohlam pijar di lampu utama mobil, juga menggunakan teknologi ini.

Electric Current in Vacuum

Vacuum tube in the transmitter station. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Vacuum is a perfect dielectric, and due to this, electric current in vacuum is only possible if the free carriers of current such as electrons or ions are generated through thermionic emission, photoelectric emission, or in other ways.

Television cameras like this one were in use in the 1980s. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

The main method of generating electric current in vacuum with the use of electrons is by thermoelectric emission of electrons by metals. When an electrode is heated (it is referred to as a hot cathode), it emits electrons into the tube. These electrons cause electric current to flow as long as another electrode (called an anode) is present, and as long as there is a certain voltage of required polarity between the two. Such vacuum tubes are called diodes and conduct electric current in one direction only. They block current if there is an attempt to force current to flow in the opposite direction. This property is used to convert alternating current (AC) to direct current (DC) through the process of rectification. This is done by a system of diodes.

If an additional electrode known as a grid is added near the cathode, we get a device called triode, which significantly amplifies even the small changes of voltage in the control grid relative to the cathode. As a result, this changes the current and the voltage on the load, which is connected in series to the vacuum tube, relative to the power source. This system called an amplifier is used to amplify various signals.

The use of vacuum tubes with a large number of control grids such as tetrodes, pentodes, and even pentagrid converters that have seven electrodes was revolutionary in generating and amplifying radio signals and allowed the creation of modern systems of radio and TV broadcasting.

Modern video projector

Historically, radio was developed first because it was relatively easy to design methods for converting and transmitting relatively low-frequency signals, as well as creating circuit design for receiver devices that can amplify and mix radio frequencies to convert them into an acoustic signal through the process of demodulation.

When television was invented, vacuum tubes called iconoscopes were used to emit electrons through the photoelectric effect of the light that fell on them. Further strengthening of the signal was done by a vacuum tube amplifier. To view the captured and transmitted image, cathode ray tubes (CRTs) were used, which were also vacuum tubes. In the CRT the image was created on the screen through the reverse conversion of the signal. This was done by accelerating electrons to high speed using one (or three for color TV) electron guns in a strong electric field. The field was created by applying a large voltage between the cathode of the electron gun and the anode of the CRT. High-speed electron beams were directed on the screen covered with fluorescent material and the visible light was emitted from it. The image was created by two mutually synchronized systems: one that read the signal from the iconoscope and another that performed a raster scan. The first cathode-ray tubes were monochrome.

SU3500 Scanning Electron Microscope. Department of Materials Science and Engineering. University of Toronto

Color television was developed soon after. The iconoscopes in color television were hybrid systems that only reacted to the light of a given color, either red, blue, or green. The color phosphor dots of TV’s cathode ray tubes emitted light due to the electric current produced by the electron gun. They reacted to the accelerated electrons that hit them and emitted light of a specific color and brightness. Special shadow masks were used to ensure that the rays of each color electron gun hit the phosphor dots of the correct color.

Modern television and radio broadcasting technologies use more advanced materials based on semiconductors that use less energy.

One of the widely used methods to generate an image of the internal organs is fluoroscopy. A cathode emits electrons, which are accelerated to such speed that when they hit the anode they generate x-ray radiation, which can penetrate soft tissues of the human body. Radiographs give doctors unique information about the condition of the bones, teeth, and some internal organs, and can even help determine such diseases as lung cancer.

C-band traveling wave tube. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

In general, electric currents formed by the movement of electrons in vacuum have a wide range of applications. Vacuum tubes, particle accelerators, mass spectrometers, electron microscopes, vacuum generators of high frequency such as traveling-wave tubes, klystrons, and cavity magnetrons are just some of the examples of how we use this type of electric current. We should note that it is the magnetrons that heat and cook our food inside microwave ovens.

A recent very valuable technology that uses electric current in vacuum is the thin film deposition in vacuum. These films have either a decorative or a protective function. The materials used in this technique are metals, their alloys, and their compounds with oxygen, nitrogen, and carbon. These films either change or combine the electrical, optical, mechanical, magnetic, catalytic, and corrosion-related properties of the surface, which they cover.

To achieve a complex compound for the film, the technology of ion beam deposition is used. Some examples of this technology are cathodic arc deposition and its commercial variant of high-power impulse magnetron sputtering. In the end, it is the electric current that creates a film cover on the surface, thanks to the ions.

Ion-beam sputtering creates films from nitrides, carbides, and metal oxides, which have an extraordinary set of mechanical, thermophysical, and optical properties including hardness, durability, electro- and thermoconductivity, and optical density. It is not possible to achieve these results in any other way.

Electric Current in Biology and Medicine

Mock operating room in Li Ka Shing Knowledge Institute, Toronto, Canada. Robot mannequin patients that can blink, breathe, cry, bleed and simulate diseases are used for teaching

The understanding of the behavior of electric current inside biological systems gives biologists and doctors a powerful tool for research, diagnostics, and treatment.

From the point of view of electrochemistry, all biological objects contain electrolytes, regardless of their structure.

When considering how electric current runs through a biological object we have to take into consideration the state of the cells of this object. In this respect, the cell membrane is an important structure to consider. It is the outer layer of each cell, which protects the cell from the negative effects of the environment by having a selective permeability for different substances. In other words, it lets some substances in, while stops others. From the point of view of physics, we can look at this membrane as an equivalent circuit that consists of a parallel connection of a capacitor with several circuits that have a series connection between a source of electric current and a resistor. Thanks to this structure, the electric conductivity of this biological object depends on the frequency of the voltage applied and the types of the voltage.

A 3D representation of the fiber pathways that connect different regions of the brain. This image was acquired using the non-invasive Diffusion Tensor Imaging (DTI) technique

Biological tissue consists of cells, extracellular fluid, blood vessels, and nerve cells. When an electric current is applied, the nerve cells become excited and send signals to contract or to relax the muscles and the blood vessels of the animal. We should note that the flow of electric current in biological tissues is non-linear.

The classic example of the effect of an electric current on a biological object is the set of experiments by the Italian physician, physicist, and biologist Luigi Galvani, who is considered one of the founding fathers of electrochemistry. In these experiments, he sent an electric current through the nerves in a frog’s leg, and this caused the contraction of the muscles and movement of the leg. In 1791 his findings were described in the report on the electric forces in muscle movement. For a long time textbooks referred to the phenomenon discovered by Galvani as galvanism. Even now this term is sometimes used for certain processes and devices.

Further development of electrophysiology is closely related to neurophysiology. In 1875 a British surgeon and physician Richard Caton and a Russian physician Vasily Danilewsky showed independently that the brain can generate electricity. In other words, they discovered the ionic current that flows within the brain.

Biological objects can generate not only microcurrents but also significant voltages and currents as part of their daily functioning. Much before the work of Galvani, a British Biologist John Walsh proved the electric nature of the defense system of an electric ray. A Scottish surgeon and physiologist John Hunter gave a detailed description of the mechanism by which electric rays generate electricity. The results of their research were published in 1773.

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a non-invasive technique that allows doctors to measure brain activity by detecting changes in the blood flow

Modern medicine and biology use different methods to explore live organisms, which include both invasive and non-invasive techniques.

A classic example of an invasive method is the study of rats that run through a maze or complete other tasks with electrodes implanted in their brains.

On the other hand, noninvasive methods are such well-known diagnostics as electroencephalography and electrocardiography. In those procedures electrodes that monitor the electric currents within the brain or the heart are used to take measurements on the skin of the person or animal under observation. To improve the contact with electrodes, a saline solution is applied to the skin because it is a good electrolyte and can conduct electric current well.

Besides using electric current for research and to monitor the state of various chemical processes and reactions, one of the most dramatic uses for electricity is the defibrillation, which in movies is sometimes shown as a “restart” of a heart that has already stopped working.

Training automatic external defibrillator (AED)

Indeed, running a short-time impulse of a significant magnitude can sometimes (but very rarely) restart a heart. However, more often defibrillators are used to correct the arrhythmical beating of the heart and restore it to normal. The chaotic arrhythmical contractions are known as ventricular fibrillation, and hence the device that returns the heart to normal is called a defibrillator. Modern automated external defibrillators can record the electrical activity of the heart, determine the fibrillation of the ventricles of the heart, and then calculate the strength of a current necessary for the patient based on these factors. Many public spaces now have defibrillators and it is the hope in the medical community that this measure will prevent many deaths caused by the dysfunction of the heart of the patient.

Paramedics are trained to determine the physiological condition of the heart muscle by the electrocardiogram and make decisions on treatment quickly, a lot faster than the automated external defibrillators available to the public can do.

We should also mention the artificial cardiac pacemakers, which control the contractions of the heart. These devices are implanted under the skin or the breast muscle of the patient and transmit impulses of an electric current of about 3 V through the electrode and to the heart muscle. This stimulates normal heart rhythm. Modern pacemakers can work for 6–14 years before they need to be replaced.

Characteristics of Electric Current, Its Generation, and Uses

Electric current is characterized by its magnitude and its type. Depending on its behavior electric current types are divided into direct current or DC (it does not change with time), aharmonic current (it changes at random with time), and alternating current or AC (it changes with time according to a specific pattern, usually it is governed by a periodic law). Some tasks require both DC and AC current. In this case, we talk about an AC current with a DC component.

Tokamak de Varennes nuclear fusion reactor. Varennes, Quebec 1981. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

Historically the first triboelectric generator of electric current, a Wimshurst machine, generated it by rubbing wool on a piece of amber. More advanced generators of the same type are now called Van de Graaff generators — they are named after the inventor of the earliest of these machines.

As we discussed earlier, an electrochemical generator was invented by the Italian physicist Alessandro Volta. This generator was further developed into modern dry cell batteries, rechargeable batteries, and fuel cells. We still use them, because they are very convenient energy sources for all kinds of devices, from watches and smartphones to car batteries and batteries of Tesla electric cars.

In addition to the DC current generators described above, there are also generators that use the nuclear fission of isotopes, known as atomic batteries, as well as magnetohydrodynamic generators, which have a very limited use today because of their low power, technical limitations of their design, and several other reasons. Nonetheless, radionuclide generators are used in energy-autonomous systems such as in space, in autonomous underwater vehicles and sonar stations, in lighthouses, inside beacon buoys, and in the Arctic and the Antarctic.

Commutator in the motor-generator set, 1904. Canada Science and Technology Museum, Ottawa

In electrical engineering, generators are divided into those that generate DC versus those that generate AC current.

All of these generators work thanks to the electromagnetic induction, which was discovered by Michael Faraday in 1831. Faraday built the first low power homopolar generator, which generated DC current. As for the first generator of AC current, the story goes that it was described to Faraday in 1832 in an anonymous letter signed as “P. M.” After publishing this letter, Faraday received another a year later thanking him and suggesting improvements to the design by adding a steel ring to carry the magnetic flux of the magnetic poles of the coils. However, it is unclear whether this story is true or not.

At the time the use for AC current was not yet found, since all practical uses of electricity at the time needed DC current, including the current used in mine warfare, electrochemistry, recently developed electric telegraphy, and the first electric motors. This is why many of the inventors focused for the time being on improving the generators for DC current, inventing various switching devices for this end.

One of the first generators that had practical use was the magneto-electric generator created by the German and Russian researcher Moritz von Jacobi who worked in Russia from 1835 to 1874. It was used by the Russian Army navy mine squads to inflame the fuses of the naval mines. Improved generators of this type are used to this day to activate mines, and they can be often seen in WWII movies, where guerilla fighters or saboteurs use them to blow up bridges, derail trains, and in other similar applications.

CD drive laser lens

From then on leading engineers competed with each other to improve AC and DC generators, with the ultimate stand-off between the two titans of the modern field of generating electricity, with Thomas Edison of General Electric on one side, and Nicola Tesla of Westinghouse on the other. The greater capital won, and Tesla’s technologies for generating, transporting, and converting AC current became the legacy of the American society. This provided a significant push to propel the economy of the USA and brought the country to the leading position in the world.

In addition to the ability to generate electricity for various needs, which depended on the conversion of mechanical movement into electricity due to the reversibility of the electric machines, another possibility of reverse conversion of electric current into mechanical movement became a reality. This was done by electrical engines that worked on DC and AC current. You could say that these types of machines are some of the most widely used technologies, and they include car and motorcycle starters, drives of commercial machines and machine tools, and consumer devices and electronics. We became skillful at various tasks such as cutting, drilling, and shaping thanks to these devices. We use optical discs such as CDs and hard drives in our computers thanks to these technologies as well — without them, we would not have been able to create the miniature precision DC electric motors.

In addition to the electromechanical engines that we are used to, ion thrusters also work thanks to the electric current. These engines use the principle of propulsion by emitting of accelerated ions of a given substance. They are currently used in space mainly for taking small satellites to the orbit. It is very likely that the future technologies of the 22nd century such as photonic laser thrusters, which are still being designed and which will take our interstellar ships at speeds approaching the speed of light, will also depend on electric current.

Analog multimeter with the upper cover removed

Another use for the generators of DC current is for growing crystals for electronic components. This process requires extra stable generators of DC current. Such precision solid-state generators of electric current are called current stabilizers.

Measuring Electric Current

We should note that devices for measuring electric current, such as microammeters, milliammeters, and ammeters, are quite different from each other, depending on their structure and the measuring principles that they use. They include direct current ammeters, low-frequency alternating current ammeters, and high-frequency alternating current ammeters.

The measuring mechanisms of these devices can be subdivided into a moving coil, moving iron, moving magnet, electrodynamic, induction, hot-wire, and digital ammeters. Most of the analog ammeters include a movable or a stationary frame with a wound coil and stationary or movable magnets. Due to this structure, a typical ammeter has an equivalent circuit that is a connection in series of an inductor and a resistor with a capacitor attached in parallel to them. Due to this, analog ammeters are not sensitive enough to measure high-frequency current.

The moving coil with a needle and spiral springs of a meter used in the analog multimeter above. Some people still prefer analog multimeters that did not change much since the 1890s.

The basic measuring device for an ammeter consists of a miniature galvanometer. Its measurement ranges are created by using additional shunt resistors with small resistance, and this resistance is lower than that of the regular galvanometer. This way, using one device as a base, it is possible to create various measuring devices for measuring currents with different ranges, including microammeters, milliammeters, ammeters, and even kiloammeters.

In general, in electrical measurements the behavior of the current is important. It could be measured as a function of time and be of different types, for example constant, harmonic, aharmonic, pulse, and so on. Its magnitude characterizes the way the electronic circuits and devices work. The following values for current are identified:

• instantaneous,
• peak-to-peak amplitude,
• mean,
• root mean square amplitude.

Instantaneous current Ii is the value of the current at any given time. It can be viewed on the screen of an oscilloscope and measured for every moment in time by looking at the oscilloscope.

Peak-to-peak amplitude current Im is the largest instantaneous value of current for a given time period.

Root mean square amplitude value of current I is found as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous currents for a period of the waveform.

All analog ammeters usually measure root mean square amplitude value of current.

Mean value of current is a mean of all of the values of instantaneous current for the duration of the time being measured.

The difference between the maximum and the minimum value of electric current is known as the peak-to-peak value of a signal.

These days it is common to use multimeters and oscilloscopes to measure the electric current. Both of these devices provide information not only about the shape of the current or voltage but also about other important characteristics of the signal. These include the frequency of the periodic signals, and this is why it is important to know the frequency limit of the measuring device when measuring electric current.

Measuring Electric Current Using an Oscilloscope

Let us illustrate the above with a series of experiments for measuring the active and the peak values of the current of the sinusoidal and the triangular signals. We will use a generator of signal, an oscilloscope, and a multimeter.

The outline of experiment 1 is shown below:

The signal generator FG is connected to the load, which consists of a multimeter (MM) connected in series with a shunt Rs and a load resistor R. The resistance of the shunt resistor Rs is 100 Ω, and the resistance of the load resistor R is 1 kΩ. The oscilloscope OS is connected in parallel to the shunt resistor Rs. The value of the shunt resistor is chosen using the condition Rs << R. While doing this experiment, let us keep in mind that the working frequency of the oscilloscope is much higher than the working frequency of the multimeter.

Test 1

Let us supply to the load resistor a sinusoidal signal, with a frequency of 60 Hz and amplitude of 9 V. Modern oscilloscopes have a very convenient Auto Set button, which allows displaying any measured signal without touching any other oscilloscope control. Let us press the Auto Set button and watch the signal on the screen, as in illustration 1. Here the range of the signal is about five large divisions, and the value of each division is 200 mV. The multimeter shows the value of electric current as 3.1 mA. The oscilloscope determines the root mean square amplitude on the resistor as U=312 mV. The root mean square value of the current on the resistor Rs can be determined by Ohm’s law:

IRMS = URMS/R = 0.31 V / 100 Ω = 3.1 mA,

which corresponds with the value on the multimeter of 3.1 mA. Note that the range of the current through our circuit made from two resistors and a multimeter in series equals

IP-P = UP-P/R = 0.89 V / 100 Ω = 8.9 mA

We know that the peak and the actual values for the electric current and voltage differ by √2 times. If we multiply IRMS = 3.1 mA by √2, we get 4.38. Let us double this value — we get 8.8 mА, which is very close to the current measured by the oscilloscope (8.9 mА).

Test 2

Now let us reduce the generated signal in half. The range of the signal on the oscilloscope will also be reduced roughly in half (463 mV), and the multimeter will show the value that is also roughly reduced in half and equals 1.55 mA. Let us determine the value of the active current on the oscilloscope:

IRMS = URMS/R = 0.152 V / 100 Ω = 1.52 mA,

which is roughly the same value that the multimeter shows (1.55 mA).

Test 3

Now let us increase the frequency of the generator to 10 kHz. The picture on the oscilloscope will change, but the range of the signal will stay the same. The value on the multimeter will decrease — this is due to the frequency range of the multimeter.

Test 4

Let us use the initial frequency of 60 Hz and voltage of 9 V again, but let us change the shape of the signal on the generator from sinusoidal to triangular. The range of the signal on the oscilloscope stays the same, but the value on the multimeter decreases compared to the value of the current that it showed in Test 1. This is because the root mean square value of the current has changed. The oscilloscope shows the reduced value of the root mean square voltage, as measured on the resistor Rs=100 Ω.

Safety Precautions for Measuring Electric Current and Voltage

DIY Camera Pedestal with Teleprompter and Three Monitors for a Home Video Studio

• When measuring current and voltage we have to keep in mind that depending on how safe the building is, such relatively small voltage as 12–36 V may be dangerous and even life-threatening. Therefore it is paramount to follow the following safety precautions.
• Do not measure currents if the measurement requires special skills (such as measuring currents in circuits where voltage is above 1000 V).
• Do not measure currents in difficult to reach places and in high places.
• When measuring currents in the residential distribution network, use special protective gear such as rubber gloves, mats, or boots.
• Do not use broken or damaged measuring devices.
• When using multimeters, ensure that the measuring parameters and the correct measurement range are set.
• Do not use a measuring device with broken probes.
• Carefully follow the manufacturer instructions for the usage of the measuring device.

Anda kesulitan menerjemahkan satuan pengukuran ke bahasa lainnya? Bantuan tersedia! Posting pertanyaan Anda di TCTerms dan Anda akan mendapatkan jawaban dari penerjemah teknis berpengalaman dalam hitungan menit.

1 mili ampere sama dengan berapa?

Apa itu 1000ma?

Mikro ampere ke ampere berapa?

8 ampere berapa?