BAB IX SUMBER ARUS LISTRIK

BAB 9. SUMBER ARUS LISTRIK A. GAYA GERAK LISTRIK (GGL)

Gaya gerak listrik merupakan energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron di dalam sumber arus. Ketika suatu rangkaian listrik terpasang lampu, baterai dan sakelar, maka ketika keadaan sakelar tersebut terbuka, itu merupakan GGL baterai. Adapun tegangan terukur saat sakelar tertutup merupakan tegangan jepit. Nilai tegangan jepit selalu lebih kecil daripada gaya gerak listrik.

B. SUMBER ARUS LISTRIK

Sumber arus listrik adalah suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk mengubah satu jenis energi menjadi energi yang lain (misalnya energi kimia dan energi gerak menjadi energi listrik). Contohnya baterai, akumulator, dan generator. Sumber arus listrik dibedakan menjadi 2, yaitu:

1. Sumber arus listrik bolak-balik (AC), seperti dinamo arus AC dan generator.

2. Sumber arus listrik searah (DC), seperti sel volta, elemen kering (baterai), akumulator, solar sel, dan dinamo arus searah.

Adapun elemen dibedakan menjadi 2, yaitu:

1. Elemen primer, adalah elemen yang setelah habis muatannya tidak dapat diisi kembali. Contoh: elemen volta dan batu baterai.

2. Elemen sekunder, adalah elemen yang setelah habis muatannya dapat diisi kembali. Contoh: akumulator (aki).

Elemen volta, batu baterai dan akumulator adalah sumber arus searah yang dihasilkan oleh reaksi kimia dan disebut sebagai elektrokimia. Pada ketiga benda tersebut terdapat tiga bagian utama, yaitu:

a. Anode, electrode positif yang memiliki potensial tinggi b. Katode, electrode negatif yang memiliki potensial rendah c. Larutan elektrolit, cairan yang dapat menghantarkan arus listrik.

Berikut penjelasan beberapa contoh elektrokimia: 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)).

Tegangan yang dihasilkan setiap elemen volta sekitar 1,1 volt.

Bagian utama elemen volta yaitu:

a. Kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu), b. Kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn), c. Larutan elektrolit asam sulfat (H2SO4).

Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam dihubungkan nelalui lampu, lampu akan menyala. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga.

Reaksi kimia pada elemen volta: H2SO4 2H+ + SO4

2-Pada kutub positif terjadi reaksi Cu + 2H+ _{polarisasi H}

2

2. Elemen kering

Elemen kering disebut juga batu baterai. Batu baterai menghasilkan tegangan sebesar 1,5 volt. Batu baterai pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian utama elemen kering diantaranya: a. Kutub positif terbuat dari batang karbon (C)

b. Kutub negatif 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 electrode itu dihubungkan dengan lampu maka lampu akan menyala. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan bereaksi dengan seng.

Reaksi kimia pada batu baterai yaitu: Pada larutan elektrolit terjadi reaksi:

Zn + 2NH4Cl Zn2+ + 2Cl + 2NH3 + H2 (ditangkap dispolarisasi)

Pada dispolarisasi terjadi reaksi: H2 + 2MnO2 Mn2O3 + H2O

3. Akumulator

Akumulator sering disebut sebagai aki. Electrode akumulator baik anode dan katode terbuat dari timbal berpori. Bagian utama akumulator diantaranya: a. Anode terbuat dari timbal dioksida (PbO2)

b. Katode terbuat dari timbal murni (Pb)

c. Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%

d.

Beda potensial yang dihasilkan setiap satu sel aki adalah 2 volt. Dalam kehidupan sehari-hari, ada aki 12 volt. Aki 12 volt tersusun dari 6 pasang sel aki yang disusun seri. Kemampuan aki dalam mengalirkan arus listrik disebut kapasitas akumulator yang dinyatakan dengan satuan ampere hour (AH). Kapasitas aki 50 AH artinya aki mampu mengalirkan arus listrik 1 ampere yang dapat bertahan selama 50 jam tanpa pengisian kembali.

a. Proses pengosongan akumulator

Pada saat aki digunakan, terjadi perubahan pada anode yaitu timbal dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Adapun pada katode terjadi perubahan timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Sedangkan pada elektrolit terjadi pengenceran karena terbentuk air. Reaksi yang terjadi pada aki yang dikosongkan adalah:

 Pada elektrolit: H2SO4 2H+ + SO4

2- Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4 PbSO4 + 2H2O

 Pada katode: Pb + SO42- PbSO4

Saat aki digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO4).

Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial yang sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan asam sulfat jadi encer, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan tersebut dikatan akumulator kosong.

b. Proses pengisian akumulator

Pengisian aki disebut juga sebagai penyetruman akumulator. Saat penyetruman, terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Pada saat itu anode dan katode kembali seperti semula dan elektrolit menjadi pekat kembali karena terjadi penguapan pada air.

Reaksi kimia saat aki diisi adalah:

 Pada elektrolit: H2SO4 2H+ + SO4

2- Pada anode: PbSO4 + SO42- + 2H2O PbO2 + 2H2SO4

 Pada katode: PbSO4 + 2H+ Pb + H2SO4

Jadi, saat penyetruman aki pada prinsipnya mengubah anode dan katode yang berupa PbSO4 menjadi PbO2 dan

Pb.

C. PENGUKURAN TEGANGAN LISTRIK

Voltmeter adalah alat pengukur tegangan listrik atau beda potensial. Dalam suatu rangkaian, penggunaan volt meter dilakukan secara paralel. Maksudnya, terminal positif voltmeter (berwarna merah) dihubungkan dengan kutub positif baterai, begitupun dengan kutub negatifnya.

Salah satu contoh penggunaan voltmeter yaitu pada pengukuran gaya gerak listrik dan tegangan jepit suatu rangkaian. Perbedaan antara besarnya GGL dengan tegangan jepit menimbulkan adanya kerugian tegangan. Baterai dan sumber arus listrik lainnyamemiliki hambatan dalam. Dalam suatu rangkaian, hambatan dalam (r) selalu tersusun seri dengan hambatan luar (R).

Berdasarkan hal tersebut, rumus hukum Ohm dapat ditulis:

V

=

IR

E

=

I

(

R

+

r

)

Untuk beberapa elemen yang dipasang secara seri, berlaku:

E

_total

=

E

₁

+

E

₂

+

…

+

E

_n

=

nE

r

_total

=

r

₁

+

r

₂

+

…

+

r

_n

=

nr

Sehingga:

I

=

nE

R

+

nr

Untuk beberapa elemen yang dipasang secara paralel, berlaku:

E

_total

=

E

₁

=

E

₂

=

E

_n

=

E

1

r

_total

=

1

r

₁

+

1

r

₂

+

…

+

1

r

_n

r

total

=

r

n

Sehingga:

I

=

E

R

+

r

n

Keberadaan hambatan dalam itulah yang 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))

Contoh soal:

Dua baterai masing-masing 1,5 volt dengan hambatan dalam 0,5Ω dihubungkan ke hambatan 14Ω. Berapakah tegangan jepitnya jika kedua baterai dipasang seri?

Penyelesaian:

Diketahui: E = 1,5 V , R = 14Ω , r = 0,5Ω , n = 2 Ditanyakan: V ?

Jawab:

I

=

nE

R

+

nr

I

=

2

×

1,5

14

+

2.0,5

I

=

3

15

=

0,2

A

Sehingga besar tegangan jepitnya:

V

=

I . R

V

=

0,2

A ×

14

Ω

=

2,8

volt

Jadi kerugian tegangan atau tegangan yang hilang adalah:

E

=

V

+

U

V

=

E

−

U