Bab 9 SUMBER ARUS LISTRIK
B. Sumber Arus Listrik
Kamu sudah mengetahui bagaimana terjadinya arus listrik. Selain itu kamu juga sudah mengenal komponen yang dapat mem- bantu 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.
Tujuan belajarmu adalah dapat:
menjelaskan konsep gaya gerak listrik (GGL) sumber arus listrik.
Tujuan Pembelajaran
1. Apakah perbedaan antara GGL dengan tegangan jepit?
2. Buatlah skema rangkaian untuk mengu- kur tegangan pada setiap lampu yang terdiri atas: dua lampu, sakelar, dua voltmeter, dan dua buah baterai.
Tujuan belajarmu adalah dapat:
menjelaskan susunan dan cara kerja elemen primer dan elemen sekunder Tujuan Pembelajaran sk A B S Gambar 9.1 Rangkaian terbuka
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 H 2
S Gambar 9.2 Macam-macam sumber arus listrik searah
S Gambar 9.3 Elemen volta aliran elektron kutub- kutub
tembaga seng
gas hidrogen
larutan asam sulfat encer
ion-ion yang larut dalam larutan
· 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 meru- pakan 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 + 2NH
3 + 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
S Gambar 9.4 Susunan batu baterai tutup kuningan batang karbon amonium klorida mangan dioksida dan karbon pembungkus terbuat dari seng (kutub negatif) +
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 diguna- kan 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 aku- mulator yang dinyatakan dengan satuan Ampere Hour (AH). Kapasitas akumulator 50 AH artinya akumulator mampu mengalir- kan 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 ter- bentuk 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%.
S Gambar 9.5 Susunan satu sel akumulator timbal dioksida pelat timbal larutan asam sulfat encer
Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga meng- hasilkan elektron dan air. Reaksi kimia pada akumulator yang diko- songkan adalah sebagai berikut.
· Pada elektrolit : H2SO4→2H+ + SO 4
2–
· Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H
2SO4 →PbSO4+2H2O · Pada katode : Pb + SO42–→ PbSO
4
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 menye- babkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis).
b. Proses Pengisian Akumulator
Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah ha- bis dapat diisi kembali. Pengisian akumulator sering disebut penye- truman 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 ber- ubah 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 nega- tif 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 elek- trode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pa- da 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 kepe- katan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali.
S Gambar 9.6 Rangkaian proses pengisian akumulator.
1. Apakah yang dimaksud sumber arus searah?
2. Apakah yang dimaksud kapasitas aki? 3. Apakah kelemahan elemen Volta?
4. Apakah perbedaan antara elemen pri- mer dengan elemen sekunder?
5. Perubahan energi apakah yang terjadi pada saat aki
a. digunakan, b. disetrum.
Tujuan belajarmu adalah dapat:
mengukur tegangan antara kutub-kutub sumber tegangan dan tegangan jepit (tegangan terpakai) Tujuan Pembelajaran
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+ + SO 4
2–
· pada anode : PbSO4 + SO42– + 2H
2O→ PbO2 + 2H2SO4 · pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H
2SO4
Jadi, saat penyetruman akumulator pada prinsipnya meng- ubah anode dan katode yang berupa timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2) dan timbal murni (Pb).