IPA -Energi Listrik

SUMBER ARUS LISTRIK

SUMBER ARUS LISTRIKArus listrik mengalir dalam suatu rangkaian karena adanya beda potensial antara dua titik dalam rangkaian yaitu dari titik berpotensial tinggi ke titik berpotensial rendah. Agar arus terus mengalir dalam rangkaian harus ada alat yang dapat mempertahankan beda potensial yang disebut sumber gaya gerak listrik. Sumber gaya gerak listrik adalah suatu alat yang dapat mengubah energi kimia, gerak atau energi bentuk lain ke bentuk energi listrik yang diperlukan untuk mempertahankan muatan listrik terus mengalir secara kontinyu. Jadi GGL merupakan beda potensial dan GGL dapat menyebabkan arus mengalir, sehingga sumber GGL dapat juga dikatakan sumber beda potensial atau sumber arus listrik.

A. MACAM- MACAM SUMBER ARUS LISTRIK

Berdasarkan arus yang dihasilkan sumber arus dibedakan menjadi :
1. Sumber arus AC (Alternating Curent ) adalah sumber arus listrik yang menghasilkan arus bolak-balik. Misalnya : Generator· , dinamo sepeda.
2. Sumber arus DC (Direct Curent ) adalah sumber arus listrik yang menghasilkan arus searah. Misalnya : elemen .

Elemen adalah sumber arus listrik searah yang berasal dari reaksi kimia. Ketika digunakan elemen mengubah energi kimia menjadi energi listrik.


· Berdasarkan sifat bahan yang digunakan elemen dibedakan menjadi :
1. Elemen primer adalah elemen yang reaksi kimia didalamnya tidak dapat diperbaharui lagi. sehingga jika energi listriknya telah habis tidak dapat dimuati lagi atau diisi lagi (sekali pakai).Contoh : elemen volta, elemen daniel, elemen kering (baterai ).
2. Elemen sekunder adalah elemen yang reaksi kimia di dalamnya dapat diperbaharui sehingga jika energi listriknya telah habis dapat diisi ulang (dicharge). Contoh : accumulator, sel Nicad


· Berdasarkan bentuk bahan elektrolit yang digunakan :
1. Elemen kering yaitu elemen yang lektrolitnya berupa campuran seperti pasta.
2. Elemen basah yaitu elemen yang elektrolitnya berupa cairan.
Elektrolit adalah zat kimia yang dapat menghantarkan arus listrik.


B. SUSUNAN DAN CARA KERJA ELEMEN LISTRIK:
1. Elemen Volta
Susunan elemen Volta sebagai berikut :
Elektroda positif (anoda ) : tembaga (Cu)
Elektroda negatif (katoda) : seng (Zn)
Elektrolit : asam sulfat (H2SO4)


Cara kerja :
Ketika kedua elektroda dihubungkan dengan suatu penghantar akan terjadi reaksi kimia . Ion-ion seng positif melarut dalam asam sehingga seng memiliki banyak elektron ( bermuatan negatif). Elektron-elektron dari seng mengalir melalui penghantar menuju tembaga. Arus listrik mengalir dari tembaga menuju seng. Pada tembaga elektron-elektron ditangkap oleh ion-ion positif hidrogen dalam larutan asam, sehingga ion hidrogen berubah menjadi gas hidrogen dan mengumpul pada tembaga (terjadi polarisasi ). Karena terjadinya polarisasi ini maka pada elemen volta arus mengalir hanya sebentar. Agar arus terus-menerus mengalir, gelembung gas harus dibersihkan.
Polarisasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung gas hidrogen hasil reaksi kimia yang menyelimuti lapisan plat tembaga.
Beda potensial yang dihasilkan + 1,5 volt.


2. Elemen Daniel
Susunan elemen Daniel sebagai berikut :
Anoda : tembaga (Cu)
Katoda : seng (Zn)
Elektrolit : asam sulfat (H2SO4)
Depolarisator : tembaga sulfat ( CuSO4)


Cara kerja sama seperti pada elemen volta hanya sebelum hasil reaksi menutup tembaga akan bereaksi dulu dengan CuSO4 sehingga tidak terjadi polarisasi.
Depolarisator adalah larutan yang berfungsi mencegah terjadinya polarisasi sehingga arus dapat mengalir lebih lama.
Beda potensial yang dihasilkan + 1,5 Volt
3. Elemen Kering (Baterai)
Elemen kering yang paling umum digunakan adalah sel karbon seng . Susunannya sebagai berikut :.
Anoda : batang karbon (C)
Katoda : seng (Zn)
Elektrolit : Amonium Clorida
(NH4Cl)
Depolarisator : Mangan dioksida dan serbuk karbon ( MnO2 + C ).


Cara kerja :
Ketika kedua elektroda dihubungkan dengan suatu penghantar maka akan terjadi reaksi kimia yang menghasilkan aliran arus listrik. Pada saat yang sama akan terjadi gelembung gas Hidrogen yang kemudian diserap oleh campuran MnO2 + C sehingga tidak menempel pada anoda.
Baterai mengubah energi kimia menjadi energi listrik.
Beda potensial yang dihasilkan + 1,5 volt.
Sel karbon seng termasuk elemen primer karena jika muatanya habis maka tidak dapat diisi ulang. Namun ada juga sel kering yang bias diisi ulang. Contohnya sel Nicad.


4. Accumulator (aki )
Susunan Accumulator sebagai berikut :
Anoda : timbal dioksida (PbO2)
Katoda : timbal (Pb)
Elektrolit : asam sulfat (H2SO4)


Beda potensial yang dihasilkan satu sel accumulator + 2 volt.
Sebuah aki 12 volt memiliki 6 sel yang disusun seri.


Cara Kerja :
Ketika accumulator digunakan terjadi :
- perubahan energi kimia menjadi energi listrik
- Reaksi kimia : PbO2 + Pb + 2 H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
Timbal diosida dan timbal mejadi timbal sulfat. Dalam reaksi ini dilepaskan electron-elektron sehingga arus listrik mengalir pada penghantar luar dari kutub + ke kutub -. Reaksi kimia yang terjadi mengencerkan asam sulfat sehingga massa jenisnya berkurang. Pada nilai massa jenis tertentu, aki tidak dapat menghasilkan muatan listrik (accumulator mati/ soak). Agar dapat digunakan kembali accu harus di muati ulang.


Ketika accumulator diisi (dicharge) terjadi :
- perubahan energi listrik menjadi energi kimia
- reaksi kimia : 2PbSO4 + 2H2O PbO2 + Pb + 2H2SO4
Pengisian aki dilakukan dengan mengalirkan arus searah yang memiliki beda potensial lebih besar dari beda potensial aki dengan cara menghubungkan kutub positif sumber arus pengisi dengan kutub positif aki (PbO2) dan kutub negatif sumber arus pengisi dengan kutub negatif aki ( Pb).
Kapasitas penyimpanan aki diukur dalam satuan ampere hour(AH).Contoh: sebuah aki memiliki 12 V 40 AH berarti ggl aki 12 volt dan dapat mengalirkan arus 1 ampere selama 40 jam atau 0,5 ampere selama 80 jam sebelum aki dimuati ulang.


C. GAYA GERAK LISTRIK (GGL ) DAN PENGUKURANNYA
1. Gaya gerak listrik
Gaya gerak listrik suatu sumber arus listrik adalah beda potensial antara ujung-ujung sumber arus listrik ketika sumber arus tidak mengalirkan arus listrik ( pada rangkaian terbuka ).
ELambang GGL :


Satuan GGL adalah Volt.


VCara mengukur beda potensial atau tegangan dengan menggunakan voltmeter :


Cara mengukur GGL


Rangkaian GGL :
a. Susunan seri


ET = E1 +E2 +E3 + …+En
Jika besar GGL setiap sumber arus sama,
maka :
Es = E +E +E+ …+En
= n x E
rs = r + r + r … = n x r


b. Susunan paralel


Ep = E1 =E2 =E3 = …=En
Jika besar GGL setiap sumber arus sama, maka :
Ep = E
rp = r
n


Keterangan :
Ep = GGL pengganti parallel satuannya volt ( V)
rp = hambatan dalam satuannya ohm ( W )
Es = GGL pengganti seri satuannya volt ( V)
rs = hambatan dalam satuannya ohm ( W )
n = banyaknya sumber arus


2. Tegangan Jepit (tegangan terpakai )
Tegangan jepit adalah beda potensial antara kutub-kutub sumber arus listrik ketika sumber arus lisrtrik mengalirkan arus ( rangkaian tertutup ).
Nilai tegangan jepit bergantung pada nilai bebannya.
Lambang : VCara mengukur tegangan jepit :

C. PENGUKURAN TEGANGAN LISTRIK
Kamu sudah mengetahui bahwa alat ukur lsitrik yang cukup penitng, selain amperemeter, adalah voltmeter. Amperemeter digunakan untuk mengetahui kuat arus listrik dalam suatu rangkaian tertutup. Adapun, voltmeter digunakan untuk mengukur beda potensial. Misalnya beda potensial antara kutub-kutub baterai atau beda potensial di dua titik suatu rangkaian listrik.
Dalam suatu rangkaian, penggunaan voltmeter secara paralel. Maksudnya, terminal positif voltmeter (berwarna merah) dihubungkan dengan kutub positif batu baterai. Adapun kutub negatif voltmeter dihubungkan dengan kutub negatif batu baterai.
Salah satu contoh penggunaan voltmeter yaitu pada pengukuran gaya gerak listrik dan tegangan jepit suatu rangkaian. Untuk lebih jelasnya, lakukan Kegiatan 9.1 secara berkelompok. Sebelumnya, bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 lakilaki dan 2 perempuan.
Perbedaan antara besarnya GGL dengan tegangan jepit menimbulkan adanya kerugian tegangan. Baterai atau sumber arus listrik lainnya memiliki hambatan dalam. Dalam suatu rangkaian, hambatan dalam (r) selalu tersusun seri dengan hambatan luar (R). Perhatikan Gambar 9.8. Berdasarkan gambar, rumus Hukum Ohm dapat ditulis sebagai berikut.

Untuk beberapa elemen yang dipasang secara seri berlaku Keberadaan hambatan dalam itulah yang menyebabkan menyebabkan kerugian tegangan. Kerugian tegangan dilambangkan dengan U satuannya volt. Hubungan antara GGL, tegangan jepit, dan kerugian tegangan dirumuskan.
E = V + U dengan: E = gaya gerak listrik satuannya volt (V)

• V = tegangan jepit satuannya volt (V)

• U = kerugian tegangan satuannya volt (V)

2. Elemen Kering
Elemen kering disebut juga baterai. Elemen kering pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama elemen kering adalah
a. kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C),
b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),
c. larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH4Cl),
d. dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO2).
Baterai disebut elemen kering, karena elektrolitnya merupakan

campuran antara serbuk karbon, batu kawi, dan salmiak yang berwujud pasta (kering). Batang karbon (batang arang) memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua elektrode itu dihubungkan dengan lampu maka lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan seng. Adapun, reaksi kimia pada batu baterai adalah sebagai berikut. · Pada larutan elektrolit terjadi reaksi Zn + 2NH4Cl → Zn2+ + 2Cl + 2NH3 + H2 (ditangkap dispolarisasi)
· Pada dispolarisator terjadi reaksi H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O
Reaksi kimia pada batu baterai akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen akan ditangkap dan bereaksi dengan dispolarisator yang berupa mangan dioksida (MnO2) menghasilkan air (H2O), sehingga pada batu baterai tidak terjadi polarisasi gas hidrogen yang mengganggu jalannya arus listrik. Bahan yang dapat menghilangkan polarisasi gas hidrogen disebut dispolarisator. Adanya bahan dispolarisator pada batu baterai, menyebabkan arus listrik yang mengalir lebih lama. Setiap batu baterai menghasilkan tegangan 1,5 volt. Elemen kering (batu baterai) banyak dijual di toko karena memiliki keunggulan antara lain tahan lama (awet), praktis karena bentuk sesuai kebutuhan, dan tidak membasahi peralatan karena elektrolitnya berupa pasta (kering).
3. Akumulator
Akumulator sering disebut aki. Elektrode akumulator baik anode dan katode terbuat dari timbal (Cu) berpori. Bagian utama akumulator, yaitu
a. kutup positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2),
b. kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb),
c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.
Lempeng timbal dioksida dan timbal murni disusun saling bersisipan akan membentuk satu pasang sel akumulator yang saling berdekatan dan dipisahkan oleh bahan penyekat berupa isolator. Beda potensial yang dihasilkan setiap satu sel akumulator 2 volt. Dalam kehidupan sehari-hari, ada akumulator 12 volt yang digunakan untuk menghidupkan starter mobil atau untuk menghidupkan lampu sein depan dan belakang mobil. Akumulator 12 volt tersusun dari 6 pasang sel akumulator yang disusun seri. Kemampuan akumulator dalam mengalirkan arus listrik disebut kapasitas akumulator yang dinyatakan dengan satuan Ampere Hour (AH). Kapasitas akumulator 50 AH artinya akumulator mampu mengalirkan arus listrik 1 ampere yang dapat bertahan selama 50 jam tanpa pengisian kembali.
a. Proses Pengosongan Akumulator
Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada anode terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Perubahan yang terjadi pada katode adalah timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Adapun pada larutan elektrolit terjadi perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan akumulator terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut.
a. Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2).
b. Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb).
c. Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.
Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga menghasilkan elektron dan air. Reaksi kimia pada akumulator yang dikosongkan adalah sebagai berikut.
· Pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–
· Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4 →PbSO4+2H2O
· Pada katode : Pb + SO 42 → PbSO4
Pada saat akumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO4). Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis).
b. Proses Pengisian Akumulator
Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal dioksida (PbO2). Perubahan pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat akan berubah dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum terjadi penguapan air. Bagaimanakah cara menyetrum akumulator?
Untuk menyetrum akumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang memiliki beda potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya lebih dari 6 volt. Kutub-kutub akumulator dihubungkan dengan kutub sumber tegangan. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator. Adapun, kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator. Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC berlawanan dengan arah aliran elektron akumulator.
Elektron-elektron pada akumulator dipaksa kembali ke elektrode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman akumulator lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus listrik diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali.
Susunan akumulator yang akan disetrum (diisi) dalam keadaan masih kosong, yaitu
a. kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4),
b. kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4),
c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.
Reaksi kimia saat akumulator diisi, yaitu
· pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–
· pada anode : PbSO4 + SO4 2– + 2H2O→ PbO2 + 2H2SO4
· pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H2SO4
Jadi, saat penyetruman akumulator pada prinsipnya mengubah anode dan katode yang berupa timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2) dan timbal murni (Pb).

Untuk dapat bergerak, mobil mainan memerlukan tenaga penggerak. Tenaga itu berasal dari baterai yang ada di dalamnya. Pada baterai tersebut terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Baterai, sebagai tempat pengubah suatu energi menjadi energi listrik, dikenal sebagai sumber arus listrik. Fenomena perubahan suatu jenis energi menjadi energi listrik itu akan kamu pelajari pada bab ini. Pada bab ini kamu akan mempelajari pengertian gaya gerak listrik dan sumber arus listrik, dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

A. GAYA GERAK LISTRIK

Pernahkah kamu memerhatikan tulisan 1,5 V pada baterai, atau 6 V dan 12 V pada akumulator? Besaran 1,5 V, 6 V atau 12 V yang tertulis pada badan baterai atau akumulator menunjukkan beda potensial listrik yang dimilikinya. Hal itu sering disebut gaya gerak listrik (GGL). Untuk membantumu memahami pengertian gaya gerak listrik, perhatikan Gambar 9.1 dan perhatikan pula penjelasannya.

Jika sakelar (sk) ditutup, elektron di kutub negatif baterai akan bergerak melalui penghantar menuju kutub positif. Selama dalam perjalanannya, elektron mendapat tambahan energi dari gaya tarik kutub positif. Namun, energi itu akan habis karena adanya tumbukan antarelektron; di dalam lampu tumbukan itu mengakibatkan filamen berpijar dan mengeluarkan cahaya. Sesampainya di kutub positif, elektron tetap cenderung bergerak menuju ke kutub negatif kembali. Namun, hal itu sulit jika tidak ada bantuan energi luar. Energi luar tersebut berupa energi kimia dari baterai. Energi yang diperlukan untuk memindah elektron di dalam sumber arus itulah yang disebut gaya gerak listrik (GGL).
Pada Gambar 9.1 tegangan terukur pada titik AB (misalnya menggunakan voltmeter) ketika sakelar terbuka merupakan GGL baterai. Adapun tegangan terukur ketika sakelar tertutup merupakan tegangan jepit. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil daripada gaya gerak listrik. Tahukah kamu mengapa demikian?




B. SUMBER ARUS LISTRIK
Kamu sudah mengetahui bagaimana terjadinya arus listrik. Selain itu kamu juga sudah mengenal komponen yang dapat membantu gerakan elektron dalam suatu rangkaian. Suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk mengubah satu jenis energi, misalnya energi kimia dan energi gerak, menjadi energi listrik disebut sumber arus listrik. Contohnya baterai, akumulator, dan generator.
Sumber arus listrik dibedakan menjadi dua, yaitu sumber arus listrik bolak-balik (AC) dan sumber arus listrik searah (DC). Sumber arus listrik AC dihasilkan oleh dinamo arus AC dan generator. Ada beberapa macam sumber arus searah, misalnya sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus searah. Elemen volta, batu baterai, dan akumulator merupakan sumber arus searah yang dihasilkan oleh reaksi kimia. Oleh karena itu, elemen volta, batu baterai, dan akumulator sering disebut elektrokimia. Dikatakan elektrokimia sebab alat tersebut mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Elemen dibedakan menjadi dua, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi kembali. Contohnya elemen volta dan batu baterai. Elemen sekunder adalah elemen yang setelah habis muatannya dapat diisi kembali. Contohnya akumulator (aki). Pada elemen volta, baterai, dan akumulator terdapat tiga bagian utama, yaitu
a. anode, elektrode positif yang memiliki potensial tinggi,
b. katode, elektrode negatif yang memiliki potensial rendah,
c. larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.
Untuk lebih memahami prinsip kerja beberapa contoh elektrokimia, ikutilah uraian berikut.
1. Elemen Volta
Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh Fisikawan Italia bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan sebuah bejana yang diisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan dua logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Bagian utama elemen Volta, yaitu
a. kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),
b. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),
c. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4).
Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta adalah sebagai berikut.
· Pada larutan elektrolit terjadi reaksi H2SO4 → 2H+ + SO2–4
· Pada kutub positif terjadi reaksi Cu + 2H+ → polarisasi H2
Pada kutub negatif terjadi reaksi Zn + SO4 → ZnSO4+ 2e
Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2). Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng. Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen Volta karena dapat membasahi peralatan lainnya.

BannerFans - Free Banner Maker