BAB 8 ELEMEN DAN ARUS LISTRIK
Arus Listrik
Arus listrik adalah
aliran-aliran partikel listrik yang bermuatan positif didalam suatu
pengantar. Pergerakan muatan ini terjadi pada bahan yang disebut
konduktor. Konduktor bisa berupa logam, gas atau larutan, sedangkan yang
membawa muatannya sendiri tergantung pada jenis konduktor, yaitu pada:
- logam, pembawa muatannya adalah electron-elektron
- gas, pembawa muatannya adalah ion positif dan electron
- larutan, pembawa muatannya adalah ion positif dan negatif
muatan listrik dapat mengalir di
dalam suatu rangkaian apabila ada sumber energi sebagai pompa. Akibatnya
muatan listrik dikenai suatu gaya, yaitu gaya gerak listrik (ggl)
sehingga timbullah listrik.
Pada kenyataannya setiap baterai
tidak hanya menimbulkan beda potensial, akan tetapi sekaligus mengandung
suatu hambatan karena kelajuan reaksi kimia yang berlangsung di dalam
baterai membatasi jumlah arus yang akan dihasilkan. Baterai yang rill
sering dianggap sebagai baterai ideal dengan gaya gerak listrik yang
dihubungkan dengan hambatan.
Sumber Arus Searah dari Proses Kimiawi
Sumber arus searah dsebut
juga sebagai sumber tegangan searah sebab arus yamng ditimbulkan oleh
suatu tegangan. Sumber arus berfungsi sebagai sumber energi untuk
mengalirkan muatan melalui peralatan listrik. Energi diperoleh dari
berbagai macam bentuk energi asal yang kemudian diubah menjadi energi
listrik.
Elemen Primer
Pada elemen primer, reaksi
kimia yang menyebabkan electron mengalir dari elektroda negatif
(katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya.
Dengan demikian elemen ini tidak dapat dimuati kembali jika muatannya
habis. Elemen primer ialah elemen elektrokimia yang memerlukan
pergantian bahan-bahan pereaksi setelah memberikan sejumlah energi
listrik kepada rangkaian luar.
1. Elemen Volta (elemen Galvani)
Luigi Galvani (1737- 1798)
menemukan bahwa bila kaki katak yang baru mati dikaitkan pada tembaga
kemudian disentuh pisau besi, maka kaki katak itu akan bergerak. Volta
menyimpulkan peristiwa ini sebagai gejala listrik yang timbul karena
kedua logam yang dihubungkan oleh larutan yang ada dalam kaki katak.
Bila sebatang logam dimasukkan ke
dalam larutan elektrolit, batang logam menjadi negatif sedangkan
larutan menjadi bermuatan positif atau potensial larutan menjadi lebih
tinggi daripada potensial logam. Perbedaan potensial logam dari larutan
dinamakan potensial kontak. Ternyata, setiap logam mempunyai potensial
kontak yang berbeda.
Sebuah elemen sederhana dapat
dibuat berdasarkan prinsip diatas, yanitu dengan mencelupkan batang
tembaga (Cu) dan batang seng (Zn) kedalam larutan asam sulfat (H2SO4)
encer. Batang tembaga menjadi kutub positif atau anoda dan batang seng
menjadi katoda. Beda potensial antara anoda dan katoda adalah 1 volt.
Dalam laritan, molekul-molekul
asam sulfat akan terurai menjadi ion-ion hydrogen yang bermuatan positif
dan ion-ion sulfat yang bermuatan negative. Elemen Volta mempunyai
kelemahan, yaitu hanya dapat bekerja dalam waktu yang pendek sehingga
tidak cocok untuk kehidupan sehari-hari.
2. Elemen Daniell
Elemen ini dibuat oleh
John Daniell pada tahun 1835. untuk mencegah terjadinya polarisasi,
elektroda dilindungi oleh suatu bahan kimia yang disebut depolarisator.
Pada elemen Daniell yang digunakan adalah tembaga sulfat (CuSO4)
yang dipisahkan dengan elektrolit asam sulfat encer oleh bejana
berpori. Jadi, ion-ion masih dapat pergi dari elektroda ke elektroda
lain melalui depolarisator.
3. Elemen Leclanche basah dan kering (baterai)
Elemen basah ini ditemukan
oleh Leclanche tahun 1886. Elemen ini terdiri dari bejana kaa berisi
karbon sebagai elektroda positif, batang seng sebagai elektroda negatif,
larutan ammonium klorida sebagai elektrolit, dan depolarisator mangan
dioksida bercampur dengan sebuk karbon dalam bejana berpori.
Ketika ion-ion seng masuk kedalam
larutan ammonium klorida , batang seng akan mejadi negative terhadap
larutan logam. Ammonium klorida memberikan ion NH4+ menembus bejana berpori menuju batang karbon dan memberikan muatan positifnya pada batang karbon.
Pada perkembangannya, elemen
Leclanche berubah menjadi elemen kering (baterai) yang lebih mudah
dipakai. Sebenarnya elemen kering diperoleh hanyadengan mengganti
elektrolit larutan ammonium klorida menjadi campuran pasta ammonium
klorida dengan serbuk kayu, tepung atau getah.
4. Elemen Weston
Elemen ini menggunakan air
raksa sebagai anoda dan amalgama cadmium sebagai katoda. Sebagai
depolarisator digunakan campuran merkurosulfat dan kadmiumsulfat
berbentuk pasta. Sebagai elektrolit digunakan larutan jenuh cadmium
sulfat. Hablur-hablur kadmiumsulfat ditambahkan untuk menjaga supaya
larutan tetap jenuh.
Elemen Sekunder
Elemen sekunder adalah
elemen (sel) elektrokimia yang bahan-bahan pereaksinya dapat
diperbaharui sehingga tidak diperlukan penggantian bahan-bahan pereaksi
setelah membebaskan sejumlah energi melalui rangkaian luar. Ini karena
reaksi kimia dalam elemen sekunder dapat dibalik. Salah satu contoh
elemen sekunder adalah aki.
SUMBER 2
Sumber arus listrik adalah
benda-benda yang dapat menghasilkan arus listrik, contohnya baterai,
akumulator, elemen Volta, elemen Daniell, dan elemen Weston.
Mobil-mobilan dapat bergerak karena memperoleh energi listrik dari
baterai, lampu senter dapat digunakan setelah dipasang baterai ke
dalamnya.
1. Gaya Gerak Listrik
Semua sumber arus listrik
memiliki kemampuan memberikan gaya pada elektron sehingga elektron dari
sebuah atom materi dapat bergerak. Gaya dari sumber baterai yang
demikian disebut sebagaigaya gerak listrik (ggl).
Gaya gerak listrik sering juga
disebut tegangan. Satuan gaya gerak listrik adalah volt (V). Ggl diberi
lambang E. Misal pada kulit luar baterai tercantum label 1,5 V, ini
menunjukkan besarnya ggl yang dibangkitkan oleh baterai tersebut. Jadi,
ggl merupakan beda potensial antara kutub-kutub sebuah sumber listrik
(baterai) saat sumber tidak mengalirkan listrik (saklar terbuka).
2. Elemen Primer
Berdasarkan kemampuannya
memberikan gaya gerak listrik, sumber arus listrik dibedakan menjadi
elemen primer dan elemen sekunder. Baterai yang digunakan oleh jam
dinding merupakan elemen primer.
Elemen primer merupakan sebuah
sumber arus listrik. Elemen primer merupakan sumber arus listrik yang
bersifat sekali pakai. Artinya jika sumber arus tersebut sudah habis
energinya, kamu tidak dapat mengisi elemen primer. Kamu harus mengganti
sumber arus listrik tersebut dengan sumber arus yang baru.
a. Baterai
Baterai merupakan elemen kering.
Jika diamati, baterai memiliki dua kutub yaitu kutub positif dan kutub
negatif. Kutub positif baterai berupa batang karbon yang dibenamkan ke
dalam campuran mangan dioksida (MnO2) dan amonium klorida (NH4Cl). Kutub
negatif baterai adalah lapisan paling luar yang terbuat dari seng (Zn).
Gambar di atas adalah gambar
baterai yang mempunyai kutub positif dan kutub negatif. Campuran mangan
dioksida berfungsi sebagai zat pelindung elektrolit. Di antara lapisan
paling luar yaitu seng berfungsi sebagai kutub negatif dan campuran
mangan dioksida terdapat pasta amonium klorida yang berfungsi sebagai
elektrolit. Di antara kutub positif dan kutub negatif ini terdapat beda
potensial. Beda potensial inilah yang menyebabkan baterai tersebut dapat
mengalirkan arus listrik jika dipasangkan secara benar dalam sebuah
rangkaian. Suatu saat, karbon dan elektrolit dari baterai akan habis
sehingga baterai tersebut tidak dapat menghasilkan arus listrik. Baterai
termasuk sumber arus listrik yang tidak dapat diisi ulang.
Dengan adanya arus listrik ini,
kamu akan dipermudah memperoleh sumber energi listrik yang dapat dibawa
ke mana-mana, sehingga akan lebih mudah dan praktis. Baterai masih
banyak digunakan pada jam dinding, radio, lampu senter, dan sebagainya.
Penyempurnaan dari sel seng
karbon adalah baterai alkalin. Ukuran, bentuk, dan tegangannya mirip
dengan sel seng karbon, tetapi jika digunakan dalam suatu peralatan, sel
alkalin dapat bertahan enam atau tujuh kali lebih lama dibanding sel
seng karbon biasa. Dalam sel alkalin mengandung elektrolit larutan
kalium hidroksida. Pelat logamnya terbuat dari nikel dan senyawa
kadmium.
b. Elemen Volta
Elemen volta ini kali pertama
ditemukan oleh Alessandro Volta (1745 – 1827) seorang ahli Fisika
berkebangsaan Italia. Elemen volta adalah sel elektrokimia yang dapat
menghasilkan arus listrik. Gambardi bawah ini memperlihatkan sebuah
elemen volta.
Elemen volta terdiri atas tabung
kaca yang berisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan sebagai anoda adalah
logam Cu (tembaga) sedangkan kutub negatif adalah Zn (seng). Jika
elektroda-elektroda seng dan tembaga dimasukkan ke dalam larutan asam
sulfat, akan terjadi reaksi kimia yang menyebabkan lempeng tembaga
bermuatan listrik positif dan lempeng seng bermuatan listrik negatif.
Hal ini menunjukkan bahwa lempeng tembaga memiliki potensial lebih
tinggi daripada potensial lempeng seng. Elektron akan mengalir dari
lempeng seng menuju lempeng tembaga. Jika kedua lempeng ini dirangkaikan
dengan lampu, arus akan mengalir dari lempeng tembaga ke lempeng seng
sehingga lampu akan menyala. Namun, aliran arus listrik ini tidak
berlangsung lama sehingga lampu akan padam. Hal ini dikarenakan
gelembung-gelembung gas hidrogen yang dihasilkan oleh asam sulfat
(H2SO4) akan menempel pada lempeng tembaga. Gelembung gas hidrogen ini
akan menghambat aliran elektron. Kamu telah mengetahui bahwa arus
listrik adalah aliran elektron-elektron sehingga jika aliran elektron
ini terhambat, tidak akan ada arus yang mengalir. Peristiwa ini disebut
polarisasi. Dengan kata lain, polarisasi adalah peristiwa tertutupnya
elektroda elemen oleh hasil reaksi yang mengendap pada elektroda
tersebut. Namun demikian, ide Volta inilah yang menjadi prinsip dalam
pembuatan baterai dan aki.
pembuatan baterai dan aki.
c. Elemen Daniell
Cara kerja elemen daniell pada
dasarnya sama dengan cara kerja elemen volta. Namun pada elemen daniell
ditambahkan larutan tembaga sulfat (CuSO4) untuk mencegah terjadi
polarisasi, yang dinamakan depolarisator sehingga usia elemen dapat
lebih lama. Perhatikan diagram sel daniell pada gambar di bawah ini.
3. Elemen Sekunder
Tidak seperti elemen primer,
elemen sekunder bersifat dapat diperbaharui. Artinya tegangan yang
berasal dari elemen sekunder suatu saat akan habis, tetapi kamu masih
dapat mengisi elemen tersebut. Contoh elemen sekunder adalah akumulator.
Akumulator banyak digunakan dalam kendaraan bermotor seperti sepeda
motor dan mobil.
Akumulator disebut juga elemen
basah. Akumulator terdiri atas pasangan-pasangan keping timbal dan
timbal dioksida. Pasangan ini disebut sel (Gambar di bawah). Setiap
pasangan timbal dan timbal dioksida ini mampu memberikan tegangan 2
volt. Kapasitas penyimpanan sebuah aki dapat terlihat berupa tulisan
angka pada aki. Contoh, pada aki tertulis 12V 40 AH, artinya aki
mempunyai ggl 12 volt dan mengalirkan arus listrik 40 ampere selama 1
jam.
Sama seperti pada baterai,
akumulator juga mempunyai dua buah kutub, yaitu kutub positif dan kutub
negatif. Kutub negatif terletak pada timbal dan kutub positif pada
timbal dioksida. Timbal dan timbal dioksida dicelupkan ke dalam larutan
elektrolit asam sulfat. Keuntungan pemakaian elemen sekunder misalnya
akumulator yaitu dapat diperbaharui. Agar akumulator dapat berfungsi
kembali, perlu dimuati oleh sumber arus searah (DC).
Perubahan energi saat aki
digunakan yaitu dari energi kimia menjadi energi listrik. Sedangkan saat
pengisian aki terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi
energi kimia. Cara pengisian aki adalah sebagai berikut.
a. Hubungkan dengan sumber tegangan arus DC yang beda potensialnya lebih tinggi dari aki tersebut.
b. Arus yang mengalir kecil sehingga perlu waktu lebih lama. Hal ini bertujuan agar tidak merusakkan sel aki.
c. Ukur konsentrasi larutan dengan hidrometer.
d. Perhatikan ukuran kapasitas akinya dengan amperejam.
a. Hubungkan dengan sumber tegangan arus DC yang beda potensialnya lebih tinggi dari aki tersebut.
b. Arus yang mengalir kecil sehingga perlu waktu lebih lama. Hal ini bertujuan agar tidak merusakkan sel aki.
c. Ukur konsentrasi larutan dengan hidrometer.
d. Perhatikan ukuran kapasitas akinya dengan amperejam.
4. Tegangan Listrik
Tegangan listrik adalah beda
potensial antara dua buah kutub sumber tegangan. Alat untuk mengukur
tegangan disebut voltmeter. Selain tegangan antara kutub-kutub sumber
tegangan, setiap alat listrik dalam sebuah rangkaian tertutup akan
mempunyai tegangan yang dapat diukur dengan voltmeter.
Tegangan ini disebut tegangan
jepit. Jadi tegangan jepit merupakan beda potensial antara kutub-kutub
sebuah sumber arus listrik ketika sumber mengalirkan arus listrik.
Misalkan sebuah sumber 12 V digunakan untuk menyalakan sebuah lampu,
ukurlah potensial listrik lampu tersebut dengan cara memasangkan
voltmeter secara paralel dengan lampu. Tegangan yang terbaca pada
voltmeter ini merupakan tegangan jepit atau tegangan terpakai oleh alat.
Nilai tegangan jepit tergantung pada nilai hambatan bebannya. Makin
besar nilai hambatan bahan makin kecil nilai tegangan jepitnya.
B. Energi Listrik
Dalam kehidupan sehari-hari,
energi listrik dapat diubah menjadi energi kalor, energi cahaya, dan
energi gerak. Nah, agar kamu lebih memahami bagaimana perubahan bentuk
energi listrik dan alat-alat yang memanfaatkan energi listrik.
1. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Kalor
Perubahan energi listrik menjadi
energi kalor dapat diamati pada alat-alat seperti setrika listrik,
kompor listrik, solder, dan teko listrik.
Alat-alat tersebut dapat
menghasilkan kalor karena memiliki elemen pemanas. Elemen pemanas
merupakan sejenis hambatan listrik. Ketika
elemen pemanas dialiri arus listrik selama waktu tertentu, maka sebagian arus listrik ini akan berubah menjadi energi kalor. Adanya energi kalor menyebabkan benda-benda yang berhubungan dengan konduktor elemen pemanas, seperti pakaian pada setrika listrik, bahan makanan pada kompor listrik, timah pada solder, dan air pada teko listrik, akan mengalami kenaikan suhu.
elemen pemanas dialiri arus listrik selama waktu tertentu, maka sebagian arus listrik ini akan berubah menjadi energi kalor. Adanya energi kalor menyebabkan benda-benda yang berhubungan dengan konduktor elemen pemanas, seperti pakaian pada setrika listrik, bahan makanan pada kompor listrik, timah pada solder, dan air pada teko listrik, akan mengalami kenaikan suhu.
Elemen pemanas biasanya terbuat
dari kawat nikrom yang dililitkan pada lempeng isolator tahan panas,
seperti asbes mika. Seluruh bagian lilitan ini ditutupi lagi dengan
bahan isolator yang tahan panas, seperti keramik. Alat-alat listrik
tersebut aman untuk disentuh karena bagian elemen pemanas telah disekat
dengan isolator tahan panas. Besarnya kalor yang dihasilkan elemen
pemanas tergantung pada panjang kawat, luas penampang kawat, dan jenis
kawat.
2. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Cahaya
Alat yang dapat mengubah energi
listrik menjadi energi cahaya adalah lampu. Saat ini ada dua jenis lampu
yang banyak digunakan, yaitu lampu pijar dan lampu neon atau lampu
tabung.
Lampu pijar terbuat dari bahan
filamen yang digulung menyerupai spiral. Filamen ini dipasang dalam bola
kaca yang berisi gas nitrogen dan argon. Perhatikan bagian-bagian lampu
pijar pada Gambar di bawah ini.
Filamen pada lampu pijar terbuat
dari kawat tungsten yang sangat tipis dan digulung menjadi spiral
rangkap. Ketika dialiri arus listrik, filamen lampu ini berpijar sampai
berwarna putih sehingga lampu memancarkan cahaya. Selain memancarkan
cahaya, sebagian energi listrik yang mengalir melalui filamen lampu ini
diubah menjadi kalor. Hal ini menyebabkan lampu pijar terasa panas saat
kamu sentuh.
Tungsten dipilih sebagai filamen
karena bahan ini tahan panas, titik leburnya mencapai 3.400° C, sehingga
tungsten dapat berpijar tanpa melebur. Oleh karena filamen lampu mudah
terbakar di udara, maka di dalam bola kaca lampu pijar diisi gas argon
dan gas nitrogen. Gas ini tidak bereaksi dengan logam panas sehingga
filamen tidak terbakar.
Lampu TL (tube luminescent)
memiliki cara kerja yang berbeda dengan lampu pijar. Di dalam lampu TL
tidak terdapat filamen, seperti pada lampu pijar. Lampu TL terdiri atas
tabung kaca yang hampir hampa udara dan berisi uap raksa. Di ujungujung
lampu TL terdapat elektroda yang diberi beda potensial yang cukup
tinggi. Perbedaan beda potensial ini menghasilkan loncatan bunga api
listrik di antara kedua elektroda sehingga gas yang ada di dalam lampu
TL memancarkan cahaya. Cahaya
tersebut mengenai lapisan fosfor yang ada dalam tabung lampu TL sehingga lapisan fosfor memendar dan lampu terlihat mengeluarkan cahaya.
tersebut mengenai lapisan fosfor yang ada dalam tabung lampu TL sehingga lapisan fosfor memendar dan lampu terlihat mengeluarkan cahaya.
Lampu TL merupakan lampu yang
hemat energi. Karena lampu TL dapat mengubah 60% energi listrik menjadi
energi cahaya dan 40% lainnya menjadi energi kalor. Hal ini berbeda
dengan lampu pijar yang hanya mengubah 10% energi listrik menjadi energi
cahaya.
3. Perubahan Energi Listrik Menjadi Energi Gerak
Alat-alat yang mengubah energi
listrik menjadi energi gerak, di antaranya kipas angin, bor listrik,
gergaji listrik, dan mesin jahit listrik. Bagaimana alat-alat tersebut
dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak? Alat-alat tersebut
dapat mengubah energi listrik menjadi energi gerak dengan bantuan motor
listrik. Perubahan energi listrik menjadi energi gerak pada motor
listrik dimulai dengan perubahan energi listrik menjadi induksi magnet.
Induksi magnet inilah yang menyebabkan poros atau as pada alat-alat
listrik bergerak.
4. Hubungan Tegangan, Kuat Arus, dan Energi Listrik
Ketika lampu 3 volt dihubungkan
dengan sumber tegangan sebesar 6 volt, lampu tersebut akan menyala
sangat terang. Sebaliknya, jika lampu tersebut dihubungkan dengan sumber
tegangan 1,5 volt, lampu akan menyala redup. Berdasarkan uraian
tersebut, besarnya energi listrik sangat bergantung pada tegangan
listrik.
Energi listrik sebanding dengan
tegangan listrik (V), kuat arus listrik (I), dan waktu (t). Secara
matematis pernyataan tersebut dapat dinyatakan sebagai berikut.
W=V.I.t
Kamu telah mempelajari Hukum Ohm yang menyatakan bahwa:
I=V/R atau V=I.R
Sehingga dapat ditulis menjadi:
5. Penghematan Energi
Energi listrik yang kita nikmati
sehari-hari pada umumnya berasal dari bahan bakar fosil, seperti gas,
batubara, dan minyak bumi. Ketersediaan bahan bakar fosil tersebut pada
umumnya sangat terbatas. Artinya, suatu saat kita akan kehabisan bahan
bakar fosil. Hal penting yang harus dilakukan adalah mulai dengan segera
melakukan penghematan energi, termasuk di antaranya penghematan energi
listrik.
Hal-hal yang dapat kita lakukan untuk menghemat energi listrik di rumahmu adalah sebagai berikut.
- Tidak menyalakan lampu di siang hari.
- Mematikan televisi jika tidak ditonton.
- Mematikan alat-alat listrik setelah selesai dipakai.
- Menggunakan lampu hemat energi seperti lampu neon.
- Memakai alat-alat listrik yang mempunyai daya rendah.
C. Daya Listrik
Watt merupakan satuan daya
listrik. Daya listrik adalah banyaknya energi listrik yang terpakai
setiap sekonnya. Satuan daya listrik adalah watt, 1 watt = 1
joule/sekon. Secara matematis, persamaan daya listrik dinyatakan sebagai
berikut.
PLN menggunakan kWh meter untuk
mengukur penggunaan energi listrik oleh konsumen dalam satuan kilowatt
jam (kWh = kilowatt hour). Satu kWh adalah besarnya energi listrik yang
digunakan selama 1 jam dengan daya listrik sebesar 1.000 watt
Materi IPA kelas 9 tentang Arus Listrik
4/
5
Oleh
Yussi's