LAPORAN RESMI
PRAKTIKUM IPA 3
KEAJAIBAN LAMPU PIJAR
Disusun oleh :
Hanif Faturohmah
14312244004
Pendidikan IPA I 2014
JURUSAN PENDIDIKAN IPA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA
A. Tujuan
1. Mengetahui cara kerja bola lampu
2. Membuat lampu dengan memanfaatkan barang-barang di sekitar kita
B. Dasar Teori
1. Lampu Pijar
Lampu Pijar atau disebut juga Incandescent Lamp adalah jenis lampu listrik yang menghasilkan cahaya dengan cara memanaskan kawat filamen di dalam bola kaca yang diisi dengan gas tertentu seperti nitrogen, argon, kripton atau hidrogen. Lampu pijar tergolong dalam lampu listrik generasi awal yang masih digunakan hingga saat ini. Cahaya lampu pijar dibangkitkan dengan mengalirkan arus listrik dalam suatu filament yang pada akhirnya energy listrik diubah menjadi energy panas dan cahaya. Arus listrik dalam filament merupakan gerakan electron-elektron bebas yang karena pergerakannya mengakibatkan terjadinya benturan dengan elektron-elektron yang terikat pada inti atom (Van Harten, 2002).
Elektron-elektron terikat senantiasa bergerak dalam orbit tertentu mengitari inti atom. Jika terjadi benturan dengan sebuah electron bebas maka sebuah electron terikat dapat keluar dari orbitnya dan menempati orbit lain yang lebih besar dengan energy yang lebih besar pula. Pada saat electron ini meloncat kembali ke orbitnya semula maka kelebihan energy akan menjadi bebas dan dipancarkan sebagai cahaya tampak atau panas tergantung pada panjang gelombangnya (Van Harten, 2002).
Energi listrik yang diperlukan lampu pijar untuk menghasilkan cahaya yang terang lebih besar dibandingkan dengan sumber cahaya buatan lainnya seperti lampu pendar dan dioda cahaya, maka secara bertahap pada beberapa negara peredaran lampu pijar mulai dibatasi. Di samping memanfaatkan cahaya yang dihasilkan, beberapa penggunaan lampu pijar lebih memanfaatkan panas yang dihasilkan, contohnya adalah pemanas kandang ayam, dan pemanas inframerah dalam proses pemanasan di bidang industri. Komponen utama dari lampu pijar adalah bola lampu yang terbuat dari kaca, filamen yang terbuat dari wolfram, dasar lampu yang terdiri dari filamen, bola lampu, gas pengisi, dan kaki lampu (Muhaimin,2001).
Seorang ilmuwan bernama Swan menggunakan batang karbon dengan tahanan listrik rendah pada lampunya, karena hubungan antara resistensi dan arus, yaitu
dengan elemen resistensi yang rendah maka banyak dibutuhkan arus listrik agar menjadi panas dan bersinar, sehingga konduktor pembawa listrik di lampu harus relatif pendek dan tipis, hal tersebut dapat diterima untuk percobaan atau demonstrasi, tapi tidak untuk dikomersilkan. Lampu Swan tidak dapat bertahan lama sebab terdapat gas yang terperangkap di batang lampu terlepas ketika lampu sudah tengah menyala.
Edison menyadari bahwa filamen yang tipis dengan tahanan listrik yang tinggi akan membuat lampu menjadi lebih baik. Resistensi tinggi berarti hanya sedikit arus listrik yang diperlukan untuk membuat filamen lebih bersinar. Sehingga pada tahun 1883 Edison & Swan United Electric Light Company didirikan. Yang lebih dikenal dengan nama "Ediswan". Perusahaan tersebut menjual lampu dengan filamen selulosa yang Swan telah temukan pada tahun 1881 (Wara, 2010: 10-12).
Gambar 1. Skema Konsep Lampu Sir Joseph Swan dan Thomas Alva Edison. Sumber: Julita, 2013: 3.
2. Komponen Lampu Pijar
Komponen utama dari lampu pijar adalah bola lampu yang terbuat dari kaca, filamen yang terbuat dari wolfram, dasar lampu yang terdiri dari filamen, bola lampu, gas pengisi, dan kaki lampu.
Gambar 2. Lampu Pijar
Berikut fungsi dari beberaa komponen yang digunakan untuk bola lampu: a. Gelas kaca
Gelas kaca adalah penutup filamen batang karbon suatu lampu pijar sederhana yang berbahan dasar kaca berwarna bening. Gelas kaca ini berfungsi untuk melindungi filamen dari rekasi oksidasi.
b. Gas pengisi
Pada awalnya bagian dalam bola lampu pijar dibuat hampa udara namun belakangan diisi dengan gas mulia bertekanan rendah seperti argon, neon, kripton, dan xenon atau gas yang bersifat tidak reaktif seperti nitrogen sehingga filamen tidak teroksidasi. Konstruksi lampu halogen juga menggunakan prinsip yang sama dengan lampu pijar biasa, perbedaannya terletak pada gas halogen yang digunakan untuk mengisi bola lampu.
c. Kaki lampu
Dua jenis kaki lampu adalah kaki lampu berulir dan kaki lampu bayonet yang dapat dibedakan dengan kode huruf E (Edison) dan B (Bayonet), diikuti dengan angka yang menunjukkan diameter kaki lampu dalam milimeter seperti E27 dan E14.
3. Cara Kerja Lampu Pijar
Pada dasarnya filamen pada sebuah lampu pijar adalah sebuah resistor. Saat dialiri arus listrik, filamen tersebut menjadi sangat panas, berkisar antara 2800°
Keterangan: 1. Gelas kaca
2. Gas bertekanan rendah (argon, neon, nitrogen)
3. Filamen wolfram
4. Kawat penghubung ke kaki tengah 5. Kawat penghubung ke ulir
6. Kawat penyangga 7. Kaca penyangga 8. Kontak listrik di ulir 9. Sekrup ulir
10. Isolator
Kelvin hingga maksimum 3700° Kelvin. Ini menyebabkan warna cahaya yang dipancarkan oleh lampu pijar biasanya berwarna kuning kemerahan. Pada temperatur yang sangat tinggi itulah filamen mulai menghasilkan cahaya pada panjang gelombang yang kasat mata. Hal ini sejalan dengan teori radiasi benda hitam. Dengan mengalirnya arus elektron melalui filamen tipis menghasilkan tumbukan- tumbukan elektron didalam filamen sehingga membentuk cahaya serta panas sebagai residu. Seiring bertambahnya voltase listrik yang digunakan maka semakin tinggi intensitas cahaya, sebab naiknya tegangan memacu naiknya aliran listrik karena resistan bersifat tetap jika kenaikan suhu dihiraukan, dan membesarnya aliran listrik maka membesar pula probabilitas terjadinya tumbukan didalam filamen (Van Harten,2002).
Secara sederhana cara kerja lampu pijar ketika ada arus listrik mengalir melalui filamen yang mempunyai resistivitas tinggi akan menghasilkan panas hingga filamen berpijar (Ullin, et al., 2013: 1).
4. Karakteristik Lampu Pijar
Karakteristik arus-tegangan pada lampu pijar menurut hukum ohm dinyatakan dalam persamaan: (2.1)
I=V R
Di mana :
I = arus yang mengalir pada lampu pijar V = tegangan sumber input
R = hambatan pada lampu
Lampu pijar akan memancarkan cahaya ketika ada arus listrik melewati filamen kawat lampu pijar kemudian temperatur filamen naik sehingga lampu dapat berpijar. Filamen tersebut mempunyai hambatan yang tidak tetap. Hambatan filamen tungsten akan semakin tinggi jika temperatur naik sehingga kenaikan tegangan akan mengakibatkan menaiknya hambatan yang juga akan terjadi sedikit kenaikan arus yang mengalir. Hambatan filamen kira-kira seperempat belas dari keadaan temperatur normal dalam keadaan dingin. Salah satu yang perlu diperhatikan dalam karakteristik lampu pijar ini adalah pengaruh tegangan terhadap lampu ( Dan MacIsaac,dkk,1999).
5. Isi Pensil
Pada umumnya, isi pensil terbuat dari grafit. Grafit terdiri atas lapisan atom karbon, yang dapat menggelincir dengan mudah. Artinya, grafit amat lembut, Grafit berwarna kelabu. Akibat delokalisasi elektron antar-permukannya, grafit dapat berfungsi sebagai konduktor listrik. Karbon yang dibuat untuk keperluan menulis seperti ini dibuat sangat padat (Hasan, 2013).
Karbon merupakan unsur non logam yang terdapat dalam golongan IVA dan periode 2 sistem periodik unsur. Bahan-bahan yang dapat digunakan sebagai bahan dasar pembuatan karbon antara lain adalah batu bara, tempurung kelapa, residu petro kimia, kayu bakar, cangkang kelapa sawit, tongkol jagung dan bahan hidrokarbon lainnya ( Muhaimin. 2001).
Karbon terdiri atas dua jenis, yakni intan dan grafit (arang). Grafit dan intan tersusun dari unsur-unsur yang sama tetapi memiliki sruktur yang berbeda, karena pada grafit tidak semua elektron valensinya digunakan untuk ikatan. Pada grafit atom C berikatan dengan 3 atom C lainnya membentuk lapisan heksagonal (struktur berbentuk datar yang terbentuk dari struktur berbentuk segienam). Antar lapisan diikat oleh suatu gaya yang disebut gaya Van der Waals yang lemah, sehingga grafit lebih rapuh dibandingkan intan. Struktur grafit yang demikian menyebabkan elektron mudah berpindah-pindah, sehingga grafit merupakan bahan yang bagus sebagai penghantar listrik. Oleh karena itu, grafit biasanya juga digunakan sebagai elektroda pada baterai (Siti Zubaidah,2015 ).
Gambar 3. Grafit pada isi pensil (Sumber: Whitten, dkk., 2010)
Karena elektron-elektron dalam atom karbon pada grafit terikat agak lemah oleh inti atomnya, maka elektron dapat mengalir dari satu atom ke atom lainnya sehingga grafit dapat menghantarkan listrik. Campuran grafit dan tanah liat digunakan
Mencatat hasil pengamatan pada tabel yang telah di buat
Mengganti filamen (isi pensil) dengan yang berukuran 0.5 mm selanjutnya 2 mm Menghubungkan rangkaian dengan 9 buah batu baterai, mengamati perubahan
yang terjadi pada rangkaian
Menutup rangkaian yang suadah bibuat dengan menggunakan gelas beaker. Menjepitkan sebuah isi pensil 0,7 mm pada kedua penjepit buaya yang sudah
terpasang pada tabung.
Meletakan rangkaian yang telah dibuat pada meja praktikum.
Memasang kebel berpenjepit buaya pada peralon pendek dengan menggunakan isolasi sedemikian rupa sehingga penjepit buaya saling berhapadan dan sejajar. untuk membuat batang karbon pensil karena dapat menghantarkan listrik, akan tetapi memiliki sifat semikonduktor.
C. Alat dan Bahan
1. Batere 9 buah
2. Isi pensil 0.5 mm ; 0.7 mm ; 2 mm ( isi pensil kayu 2B) 3. Kabel penjepit buaya
4. Mangkuk 5. Gelas beaker 6. Solasi
7. Peralon (panjang 10 cm, diameter 5 cm)
D. Prosedur Percobaan
E. Data Hasil Percobaan No Isi Pensil yang
Digunakan Perubahan yang Terjadi pada Rangkaian
1 0.5 mm Terdapat asap dan bara api sepanjang isi pensil 2 0.7 mm Terdapat asap
3 2.0 mm Terdapat banyak sekali asap Tegangan 9 batere = 13,5 Volt
F. Pembahasan
Percobaan yang dilakukan pada hari Senin tanggal 3 Oktober 2016 di Laboratorium IPA 2 FMIPA UNY yang berjudul “Keajaiban Lampu Pijar” ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui cara kerja bola lampu dan membuat lampu dengan memanfaatkan barang-barang di sekitar kita seperti isi pensil, gelas beaker, peralon, mangkuk, kabel penjepit buaya dan batu batere. Pada percobaan ini digunakan isi pensil karena isi pensil berbahan granit. Grafit terdiri atas lapisan atom karbon, yang dapat menggelincir dengan mudah sehingga sering digunakan sebagai bahan alat tulis pensil. Menurut literatur, grafit merupakan konduktor listrik. Karena elektron-elektron dalam atom karbon pada grafit terikat agak lemah oleh inti atomnya, maka elektron dapat mengalir dari satu atom ke atom lainnya dengan mudah sehingga grafit dapat menghantarkan listrik. Oleh karena itu, grafit biasanya juga digunakan sebagai elektroda pada baterai. Pada percobaan ini isi pensil diibaratkan sebagai elektroda atau filament pada bohlam. Sedangkan untuk pengganti kaca bohlam digunakan gelas beaker yang memiliki fungsi sama yaitu untuk melindungi filament dari reaksi oksidasi luar. Kaca yang menyelubungi filamen panas tersebut menghalangi udara untuk berhubungan dengan filamen sehingga filamen tidak akan langsung rusak akibat teroksidasi.
Langkah-langkah dalam pembuatan lampu pijar sederhana ini adalah memasang kabel yang berpenjepit buaya pada peralon dengan menggunakan isolasi, upayakan posisi jepit buaya sejajar. Hal ini bertujuan untuk mengurangi resiko patahnya isi pensil mekanik saat dijepit. Kemudian menjepit isi pensil mekanik berukuran 0,5 mm pada kedua jepit buaya, dalam menjepit isi pensil ini membutuhkan kehati-hatian serta ketepatan posisinya agar isi pensil dapat bersentuhan langsung dengan penghantar arus dan supaya tidak patah kemudian menutupnya dengan gelas beaker. Selanjutnya adalah menghubungkan rangakaian dengan baterai sebanyak 9, kemudian praktikan mengamti apa yang teradi. Selanjutnya dengan langkah yang sama, mengganti isi pensil dengan ukuran 0,7 mm lalu diulangi lagi dengan isi pensil berukuran 2 mm.
Dari hasil data yang diperoleh, dapat dilihat hanya saat menggunakan isi pensil berdiameter 0,5 mm filamen ini dapat menyala selama 30 detik kemudian bagian tengah isi pensil putus. Hal ini disebabkan karena semakin besar arus yang mengalir dari batu baterai ke karbon maka panas yang dihasilkan semakin tinggi, sehingga cahaya yang dihasilkan juga semakin terang, namun karbon juga akan semakin cepat
habis terbakar. Menurut literarur, temperatur kerja filamen lampu pijar yang sangat tinggi, lambat laun akan terjadi penguapan pada filamen. Variasi pada resistansi sepanjang filamen akan menciptakan titik-titik panas pada posisi dengan nilai resistansi tertinggi. Pada titik-titik panas tersebut filamen wolfram akan menguap lebih cepat yang mengakibatkan ketebalan filamen akan semakin tidak merata dan nilai resistansi akan meningkat secara lokal, hal ini akan menyebabkan filamen pada titik tersebut meleleh atau menjadi lemah lalu putus. Selain menyebabkan putusnya lampu, penguapan filamen wolfram juga menyebabkan penghitaman lampu. Elemen wolfram yang menguap pada lampu pijar akan mengendap pada dinding kaca bola lampu dan membentuk efek hitam. Begitu pula yang terjadi selama isi pensil diberi tegangan oleh rangkaian batu batere, panas yang berasal dari kedua ujung isi pensil yang diberi tegangan mengalir menuju ke sisi tengah isi pensil dan pada akhirnya ketika mencapai titik maksimal isi pensil putus.
Sedangkan saat menggunakan isi pensil berdiameter 0,7 mm dan 2 mm tidak ada bara api, namun hanya terdapat kepulan asap yang keluar dai batang isi pensil. Pada isi pensil 2 mm ketika disambungkan dengan rangkaian batere langsung mengeluarkan lebih banyak asap daripada isi pensil 0,7 mm. Hal ini dapat terjadi karena dengan jumlah tegangan dan panjang isi pensil yang sama namun dengan diameter yang berbeda mempengaruhi daya atau energy yang digunakan oleh isi pensil tersebut dalam menghasilkan cahaya. Seperti yang dikatakan Wara (2010), Edison menyadari bahwa filamen yang tipis dengan tahanan listrik yang tinggi akan membuat lampu menjadi lebih baik. Resistensi tinggi berarti hanya sedikit arus listrik yang diperlukan untuk membuat filamen lebih bersinar. Dalam hal ini berarti untuk isi pensil yang berdiameter kecil menyala lebih terang karena sumber arus dan energi yang didapat hanya untuk isi pensil yang berukuran pendek tersebut sehingga hasilnya maksimal. Sedangkan untuk ukuran isi pensil yang lebih besar dibutuhkan pula energy yang lebih besar. Seperti yang dilakukan oleh ilmuwan (Swan) yang menggunakan batang karbon dengan tahanan listrik rendah pada lampunya, karena hubungan antara resistensi dan arus, yaitu dengan elemen resistensi yang rendah maka banyak dibutuhkan arus listrik agar menjadi panas dan bersinar, sehingga konduktor pembawa listrik di lampu harus relatif pendek dan tipis, hal tersebut dapat diterima untuk percobaan atau demonstrasi, tapi tidak untuk dikomersilkan.
Pada percobaan ini sumber tegangan sebesar 13,5 Volt tidaklah cukup untuk menghidupkan filament berukuran 0,7 mm dan 2 mm dimungkinkan karena voltase
yang terdapat dalam batu batere sudah tidak terisi penuh seperti semula. Juga adanya asap dan meningkatnya suhu disebabkan karena adanya arus listrik yang mengalir dari kabel ke isi pensil dan arus tersebut menghasilkan panas yang membakar isi pensil yang tebuat dari karbon. Hal ini sesuai dengan literature yang mengyebutkan bahawa ”Reaksi suatu zat dengan oksigen ini ada yang berlangsung cepat dan biasa disebut reaksi pembakaran, yang menghasilkan sejumlah energi dan gas tertentu. Seperti pada pembakaran karbon dihasilkan gas karbon dioksida dan sejumlah energy reaksi yang terjadi adalah C + O2 CO2 + energi” (Hasan, 2013).
Dengan melakukan percobaan di atas dapat diketahui bahwa cara kerja bola lampu (lampu pijar) sebenarnya sederhana. Pada dasarnya filament pada sebuah lampu pijar adalah sebuah resistor. Ketika ada arus listrik mengalir melalui filament yang mempunyai resistivitas tinggi, terjadilah kerugian daya yang menyebabkan panas pada filament sehingga filament berpijar. Arus listrik yang dialirkan pada filament atau kawat pijar akan menggerakkan elektron-elektron bebas dan dapat menyebabkan terjadi benturan antar elektron yang terikat pada inti atom. Sehingga elektron terikat akan dapat meloncat dari orbitnya dan menempati orbit yang lain yang lebih besar. Apabila elektron ini kemudian kembali ke orbitnya, maka energi akan menjadi bebas dan terpancarlah cahaya atau panas. Ullin (2013) juga mengatakan bahwa, secara sederhana cara kerja lampu pijar ketika ada arus listrik mengalir melalui filamen yang mempunyai resistivitas tinggi akan menghasilkan panas hingga filamen berpijar.
Seperti halnya cara kerja pada bola lampu (lampu pijar), cara kerja isi pensil (karbon) sehingga dapat menyala juga seperti itu. Ketika aliran listrik dialirkan ke catu daya berupa rangkaian batu batere, maka catu daya akan mengalirkannya melalui kabel penghubung dengan daya (tegangan) tertentu dan dalam proses pengaliran arus listrik tersebut, terjadi pergerakan dan perpindahan elekron-elektron yang dimana hal itu kemudian menyebabkan isi pensil (karbon) itu menyala.
G. Kesimpulan
1. Cara kerja bola lampu adalah arus listrik yang dialirkan pada filament atau kawat pijar akan menggerakkan elektron-elektron bebas dan dapat menyebabkan terjadi benturan antar elektron yang terikat pada inti atom. Sehingga elektron terikat akan dapat meloncat dari orbitnya dan menempati orbit yang lain yang lebih besar. Apabila elektron ini kemudian kembali ke orbitnya, maka energi akan menjadi bebas dan dipancarkan sebagai cahaya tampak atau panas.
2. Cara mambuat lampu dengan memanfaatkan barang-barang di sekitar kita adalah dengan menyediakan peralatan dan bahan seperti, sumber tegangan listrik dari batu batere, filamen berupa isi pensil, peralon, kabel penjepit buaya dan toples kaca atau plastik (bening). Isi pensil (filament) dihubungakan pada sumber tegangan dengan suatu penghantar berupa kabel penjepit buaya.
H. Jawaban Pertanyaan
1. Apakah isi pensil menyala seperti filament pada bola lampu? Mengapa demikian? Apa sebenarnya bahan yang digunakan untuk membuat isi pensil sehingga bisa menyala saat dilewati arus listrik?
= Ya, isi pensil menyala seperti filament pada bola lampu.
Karena adanya arus listrik yang lewat dihambat dan mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk energi (elektron-elektron terikat senantiasa bergerak dalam orbit tertentu mengitari inti atom. Jika terjadi benturan dengan sebuah electron bebas maka sebuah elektron terikat dapat keluar dari orbitnya dan menempati orbit lain yang lebih besar dengan energy yang lebih besar pula. Pada saat electron ini meloncat kembali ke orbitnya semula maka kelebihan energy akan menjadi bebas dan dipancarkan sebagai cahaya tampak atau panas tergantung pada panjang gelombangnya).
Bahan yang digunakan untuk membuat isi pensil adalah grafit. Grafit terdiri atas lapisan atom karbon, yang dapat menggelincir dengan mudah. Karena elektron-elektron dalam atom karbon pada grafit terikat agak lemah oleh inti atomnya, maka elektron dapat mengalir dari satu atom ke atom lainnya sehingga grafit dapat menghantarkan listrik.
2. Bahan dengan karakteristik seperti apa yang dapat digunakan sebagai filament pada bola lampu?
= Bahan dengan karakteristik dengan susunan atom tidak berikatan kuat dan rapat, bahan yang elektronnya relatif dapat bergerak bebas (dapat menghantarkan arus listrik, sekaligus sebagai penghambat). Tidak mudah habis terbakar karena panas.
DAFTAR PUSTAKA
Dan MacIsaac, Gary Kanner, and Graydon Anderson. 1999. Basic Physics of the Incandescent Lamp. Newyork: Pergamon Press.
Hasan, Anwar. 2013. Karbon Aktif (Online). Tersedia http://digilib.itb.ac.id/files/disk1/549/jbptitbpp-gdl-faizdfashr-27435-2-2007ta-2.pdf (4 Oktober 2016).
Julita. 2013. Perkembangan Lampu Neon. Jakarta: Universitas Kristen Krida Wacana.
Muhaimin. 2001. TeknologiPencahayaan. Bandung: PT.Refika Aditama.
Ullin,et al.2013. Hubungan Antara Tegangan Dan Intensitas Cahaya Pada Lampu Hemat Energi Fluorescent Jenis Sl (Sodium Lamp) Dan Led (Light Emitting Diode) (Online). Tersedia http://eprints.ung.ac.id/4999/4/2012-1-20401-521305030-bab2-16082012015457.pdf (4 Oktober 2016).
Van Harten, P danSetiawan, E. 2002. InstalasiListrikArus2.Jakarta :Trimitra Mandiri.
Wara, Arief. 2010. Fisika Lampu Pijar (Online). Bandung: Universitas Pendidikan Indonesia.
Zubaidah, Siti. 2015. Buku Guru Ilmu Pengetahuan Alam. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.
LAMPIRAN
Gambar 1.
Pemasangan kabel penjepit buaya pada peralon
Gambar 2. Rangkaian percobaan
Gambar 3.
Lampu pijar dengan isi pensil 0.5 mm
Gambar 4.
Lampu pijar dengan isi pensil 0.7 mm
Gambar 5.
