LISTRIK PERMESINAN

A. Sumber Tegangan

Pada bab 7 telah kita pelajari, bahwa muatan sejenis bila didekatkan akan tolak-menolak begitupun sebaliknya. Hal ini terjadi bila benda bermuatan didekatkan pada benda yang lain maka benda tersebut akan terpolarisasi, yaitu muatan yang sejenis akan menjauh sedang muatan tak sejenis akan tarik-menarik. Pada Gambar 10.1 jika sebuah cakram logam netral didekatkan ke permukaan dalam konduktor berongga yang bermuatan listrik, tidak menyebabkan daun elektroskop mekar. Ini menunjukkan bahwa cakram logam tidak bermuatan listrik. Dan jika cakram logam tersebut didekatkan pada permukaan luar konduktor, maka daun elektroskop mekar. Hal ini menunjukkan bahwa cakram logam bermuatan listrik. Jadi pada prinsipnya muatan-muatan tersebut berada pada sekitar permukaan sebuah konduktor. Muatan yang bergerak akibat kehadiran muatan yang lain, akan mengingatkan pada konsep gaya. Mengapa? Jelaskan! Gaya yang bekerja pada sebuah muatan Q dan menyebabkan pergeseran

Muatan yang bergerak akibat kehadiran muatan yang lain, akan mengingatkan pada konsep gaya. Mengapa? Jelaskan! Gaya yang bekerja pada sebuah muatan Q dan menyebabkan pergeseran sepanjang s disebut energi atau kerja, W. Jadi, kerja yang dilakukan oleh sebuah muatan sama dengan perkalian gaya dengan pergeseran, dirumuskan,

Menurut persamaan di atas bahwa gaya sebanding dengan muatan, maka kerja yang dilakukan juga sebanding dengan muatan yang berpindah, dan beda
potensial yang menyebabkan muatan bergerak. Oleh karena itu persamaan tersebut dapat ditulis

Dengan 􀀧VAB adalah beda potensial di titik A dan B dengan satuan volt, lihat Gambar 10.2! Persamaan di atas menunjukkan bahwa usaha atau kerja dapat
dinyatakan dalam satuan coulomb volt dan disebut sebagai energi potensial. Beda potensial listrik sering disebut sebagai potensial dan dalam bahasa seharihari
lebih dikenal sebagai tegangan listrik. Perhatikan Gambar 10.2, misalkan ada dua buah benda berbentuk bola yang sama besarnya, masingmasing bermuatan positif. Benda A bermuatan positif lebih banyak daripada benda B. Oleh karena itu, benda A mempunyai potensial listrik lebih besar daripada di B. Sebaliknya benda A kekurangan elektron sehingga jika benda A dan B dihubungkan dengan kawat penghantar, maka terjadi aliran elektron dari B ke A dan aliran muatan positif dari A ke B, sampai terjadi keseimbangan, yaitu potensial A sama dengan potensial B. Arah aliran muatanmuatan positif disebut arah arus listrik, I, dan arah sebaliknya adalah arah elektron, hal ini menunjukkan bahwa arah arus listrik selalu berlawanan dengan arah aliran elektron.

Pada saat terjadi keseimbangan antara potensial di A dan di B, maka tidak akan terjadi aliran muatan atau tidak ada arus yang mengalir.Untuk mempertahankan terjadinya aliran muatan, perlu adanya alat sumber tegangan atau sumber arus yang dapat memberikan beda potensial dalam suatu penghantar. Contoh sumber tegangan di antaranya baterai, dinamo, dan aki. Untuk mengalirkan muatan listrik dari titik satu ke titik yang lain dalam suatu penghantar, diperlukan energi. Banyaknya energi yang dikeluarkan di antaranya tergantung pada besar kecilnya sebuah muatan yang dipindahkan, makin besar muatan yang dipindahkan, makin besar pula energi yang harus dikeluarkan, persamaan Energi ini disebut Energi Penggerak Listrik (EPL). EPL sering disebut Gaya Gerak Listrik, (GGL). Dengan kata lain bahwa GGL adalah energi yang dikeluarkan oleh sumber tegangan yang diperlukan untuk menggerakkan muatan listrik di dalam suatu rangkaian.
B. Macam-macam Sumber Tegangan
Telah dipelajari bersama bahwa arus listrik dapat mengalir dalam kawat penghantar jika antara kedua ujung-ujung penghantar itu terdapat beda potensial. Untuk dapat menimbulkan beda potensial diperlukan sumber tegangan. Sumber tegangan yang mengeluarkan energi listrik berdasarkan prinsip pasangan logam disebut sel atau elemen. Elemen ada dua jenis, yaitu elemen kering dan elemen basah. Contoh elemen kering adalah batu baterai (baterai), sedangkan contoh elemen basah adalah aki (accumulator). Elemen kering disebut juga elemen primer, karena setelah tidak dapat memberikan beda potensial sudah tidak bisa dipakai lagi. Sedangkan aki setelah tidak memberikan beda potensial atau dalam bahasa sehari-hari disebut kosong dapat diisi lagi maka aki disebut elemen sekunder.
1. Elemen Volta
Alessandro Volta (1745 – 1827) menemukan bahwa pasangan logam tertentu dapat membangkitkan GGL, gaya gerak listrik ini menyebabkan arus listrik mengalir dalam suatu rangkaian. Pasangan logam tersebut adalah Cu (tembaga) dan Zn (seng). Sumber tegangan pertama yang dapat mengalirkan arus listrik cukup besar adalah elemen Volta. H2SO4 yang dipakai sebagai elektrolit akan terdisosiasi menjadi H+ dan SO4 -2. Energi yang diperlukan untuk menggerakkan elektron-elektron dari elektroda Zn ke elektroda Cu dan jumlah energi per satuan muatan yang tersedia dari elemen Volta dinyatakan dalam satuan volt atau joule per coulomb. Adanya gelembung-gelembung ini dikarenakan gas hidrogen tidak dapat bersenyawa dengan Cu, akibatnya menghalangi jalannya aliran listrik sehingga lampu tidak menyala. Sebagai kutub positif (anoda) dalam elemen Volta adalah Cu sedangkan Zn sebagai kutub negatif (katoda) dan H2SO4 encer sebagai larutan elektrolit yang berakibat terdisosiasi menjadi ion 2H+ dan SO4 2-.
2. Elemen Kering (Baterai)
Elemen kering atau baterai adalah sumber tegangan yang dapat lebih lama mengalirkan arus listrik daripada elemen Volta. Elemen kering dibuat pertama kali pada tahun 1866, kimiawan Perancis oleh George Leclanche. Elemen kering ini terdiri atas Zn yang berbentuk bejana dan logam dalam Zn ini dilapisi karbon (batang arang). Karena batang arang memiliki potensial lebih tinggi daripada Zn, maka batang arang sebagai anoda, sedangkan Zn sebagai katoda. Di bagian dalam elemen kering ini terdapat campuran antara salmiak atau amonium klorida (NH4Cl) serbuk arang dan batu kawi atau mangan dioksida (MnO2). Campuran ini berbentuk pasta yang kering. Karena elemen ini menggunakan larutan elektrolit berbentuk pasta yang kering maka disebut elemen kering. Pada elemen kering, NH4Cl sebagai larutan elektrolit dan MnO2 sebagai depolarisator. Kegunaan dispolarisator yaitu dapat meniadakan polarisasi. Sehingga arus listrik pada elemen kering dapat mengalir lebih lama sebab tidak ada gelembunggelembung gas.
Arus listrik pada baterai mengalir searah dan terjadi bila kutub positif dihubungkan dengan kutub negatif. Oleh sebab itu aliran baterai dinamakan Direct Current (DC). Untuk menambah tegangan listrik baterai dapat disusun secara seri, yaitu disusun berurutan dengan kutub positif-negatif dengan berselang-seling. Misalnya 3 buah baterai mempunyai tegangan 1,5 volt yang disusun seri akan mempunyai tegangan 4,5 volt. Susunan seperti ini sering kita jumpai pada alat-alat listrik sederhana seperti senter dan walkman. Adapun pasangan paralel adalah jika masing-masing kutub baterai yang sama saling dihubungkan, tegangan listrik yang didapat bertambah, tetapi arus yang mengalir akan menjadi lebih besar. Baterai isi ulang
Saat ini, pemakaian baterai isi ulang semakin meluas, seiring semakin banyaknya alat komunikasi dan alat elektronik lainnya yang bersifat portable (mudah dibawa dan dipindah-pindahkan), misalnya komputer laptop, telepon genggam, Personal Digital Assistant (PDA), kamera digital, dan kamera genggam. Umumnya jenis baterai yang digunakan adalah nikel-kadmium (Ni-Cd), yang memakai bahan nikel hidroksida serta kadmium sebagai elektrodanya, dan kalium hidroksida sebagai elektrolit. Akan tetapi, baterai isi ulang juga ada yang menggunakan bahan litium sebagai elektrodanya, sehingga mempunyai daya tahan yang lama.
3. Aki (Accumulator)
Aki merupakan sumber tegangan yang berasal dari reaksi kimia, sebagaimana elemen Volta dan elemen kering. Aki terdiri atas karet keras atau kaca yang berbentuk bak dan berisi larutan asam sulfat pekat H2SO4 yang berfungsi sebagai larutan elektrolit. Di dalam larutan ini terdapat dua kerangka timbul, yaitu timbal peroksida (PbO2) sebagai anoda dan timbal murni (Pb) sebagai katoda.
a. Pemakaian aki
Pada pemakaian aki terjadi proses perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Pemakaian aki di antaranya untuk menyalakan tape recorder, radio, TV. Pada saat aki digunakan maka terjadi proses kimia sehingga aki dapat mengalirkan arus listrik, proses kimia yang terjadi adalah lapisan pada katoda dan anoda sedikit demi sedikit berubah menjadi timbal oksida (PbO). Sehingga potensial kedua kutub menjadi sama, dan arus listrik tidak dapat mengalir, dalam hal ini aki dikatakan kosong. Kemampuan aki untuk mengalirkan arus listrik dapat dipulihkan kembali dengan jalan mengalirkan arus listrik searah dari sumber arus yang lain melalui kedua kutubnya.
b. Pengisian aki
Pada proses pengisian aki ini terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Gambar 10.3 menunjukkan cara atau proses pengisian aki.

Karena ada aliran arus listrik dari luar, maka kedua kutub anoda dan katoda dari PbO berubah menjadi PbO2 dan Pb. Peristiwa mengalirkan arus listrik ke dalam aki ini disebut mengisi atau dalam bahasa sehari-hari disebut menyeterum aki.