SUMBER ARUS LISTRIK
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.
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).
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)