BAB II LANDASAN TEORI
II.1 Arus Listrik
Muatan-muatan listrik yang bergerak akan menghasilkan arus listrik. Satuan arus listrik adalah Ampere A. Lebih tepatnya arus I didefenisikan sebagai
laju pergerakan muatan melewati suatu titik acuan tertentu menembus suatu bidang acuan tertentu sebesar satu Coloumb per detik, dari sistem hantar
misalnya melalui penampang lintang kawat tertentu dan proses pengangkutan muatan disebut penghantaran. Jadi
dimana : Q = muatan Coloumb
t = waktu detik Satuan arus dalam sistem mks adalah ampere A, sehingga,
1 ampere = 1
II.2. Kuat Arus, Rapat Arus dan Penghantar II.2.1. Kuat Arus
Kuat arus adalah laju transport muatan listrik per satuan waktu melalui titik atau permukaan tertentu. Simbol I biasa digunakan untuk arus yang konstan,
sedangkan i untuk arus yang berubah terhadap waktu. Satuan kuat arus adalah ampere 1 A = 1 Cs.
Hukum ohm menghubungkan antara kuat arus I, tegangan V dan hambatan R. Untuk rangkaian-rangkaian sederhana, I = VR. Akan tetapi bagi
Universitas Sumatera Utara
muatan-muatan yang tersebar dalam cairan atau gas, atau pula bila terdapat pembawa-pembawa muatan positif dan negatif dengan karakteristik yang berbeda,
hukum ohm yang sederhana ini tidak lagi mencukupi. Oleh sebab itu rapat arus J Am
2
Gaya pada suatu partikel bermuatan positif dari medium vakum, seperti terlihat pada gambar 2.1a. Karena tidak ada yang melawannya maka gaya ini
akan menghasilkan percepatan yang konstan. Jadi muatan ini bergerak ke arah E dengan kecepatan U yang terus bertambah besar selama partikel masih berada
dalam medan tadi. Kalau muatan itu berada dalam medium cairan atau gas, seperti yang terlihat pada gambar 2.1b, ia berulang kali bertumbukan dengan partikel-
partikel medium dan akan menghasilkan perubahan-perubahan yang acak dalam arah geraknya. Namun untuk kuat medan yang konstan dan medium homogen,
komponen kecepatan yang acak tadi saling menghilangkan, hingga tinggallah kecepatan rata-rata yang konstan, yang dinamai dengan kecepatan hantar U,
dalam arah E. Pada logam, penghantaran listrik adalah melaui gerakan elektron- elektron dari kulit paling luar dari atom-atom yang membentuk struktur logam itu.
Kecepatan hantar berbanding lurus dengan kuat medan listrik E, memperoleh perhatian lebih besar dalam teori elektromagnetik
dibandingkan kuat arus I.
U = µE dimana : U = Kecepatan hantar
µ = Mobilitas dengan satuan m
2
E = Kuat medan listrik Vs.
Penghantar-penghantar yang baik mempunyai satu atau dua elektron yang dapat bebas bergerak kalau diberi medan listrik. Mobilitas ini besarnya tergantung
Universitas Sumatera Utara
pada suhu dan struktur penghantar. Jadi pada suhu tinggi mobilitas µ berkurang, berakibat pada kuat arus yang lebih kecil untuk kuat medan tertentu. Dalam
analisa rangkaian, gejala ini dinyatakan dengan resitivitas atau hambat jenis dari bahan. Pertambahan resistivitas ini akan sebanding dengan bertambahnya suhu.
Gambar 2.1. Gerakan elektron pada medium a vakum, b cairan atau gas
II.2.2 Rapat Arus
Medan listrik dalam suatu penghantar dengan luas penampang yang tetap akan menyebabkan timbul arus konduksi. Rapat arus konduksi ini dapat
dirumuskan dengan ; J = ρU Am
2
dimana : J = Rapat arus konduksi ρ = Kerapatan muatan
U= Kecepatan hanyuthantar jika U = µE, maka
J = σE di mana σ = ρµ, adalah konduktivitas dari bahan yang dinyatakan dengan siemens
per centimeter Scm.
Universitas Sumatera Utara
II.2.3. Penghantar
1. Konduktor
Konduktor adalah zat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Konduktor dapat berupa zat padat, zat cair, gas terion,
dielektrik tak sempurna, dan bahkan ruang hampa udara di sekitar katoda yang memancarkan ion akibat panas. Karena sifatnya yang
konduktif maka zat penghantar ini disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah yang memiliki tahanan jenis yang kecil. Pada umumnya
logam bersifat konduktif. Emas, perak, tembaga, alumunium, zink, besi berturut-turut memiliki tahanan jenis semakin besar. Di dalam
banyak penghantar, pembawa muatannya adalah elektron. Emas adalah penghantar yang sangat baik, tetapi karena harganya sangat
mahal, maka secara ekonomis tembaga dan alumunium paling banyak digunakan sebagai penghantar.
2. Isolator
Suatu penghantar listrik yang buruk disebut isolator. Pada jarak atom dalam kisi yang diperlihatkan oleh gambar 2.2a, celah energi
yang lebar ini memisahkan daerah pita konduksi yang penuh dari pita konduksi yang kosong. Energi yang dapat diberikan kepada elektron,
oleh medan listrik yang ada, terlalu kecil untuk memindahkan elektron dari pita yang berisi ke pita yang kosong. Oleh karena itu elektron
tidak dapat memperoleh energi yang mencukupi, maka penghantaran tidak mungkin berlangsung.
Universitas Sumatera Utara
3. Semikonduktor
Salah satu bahan yang memiliki celah energi terkecil disebut semikonduktor. Bahan-bahan yang mempunyai sifat semikonduktor
umumnya memiliki energi gap lebih kecil dari 6 eV. Bahan Semikonduktor dapat berupa bahan murni atau bahan paduan.
Beberapa jenis bahan Semikonduktor dan nilai celah energinya diberikan pada tabel 2.1 berikut ;
Tabel 2.1. Bahan Semikonduktor dan nilai Gap
Selain bahan semikonduktor komersial yang ditunjukkan pada tabel 2.1 di atas, masih terdapat bahan semikonduktor lain yang belum dipakai secara luas.
Bahan-bahan tersebut adalah bahan semikonduktor oksida dan bahan polimer. Contoh bahan oksida antara lain : CuO, ZnO, Ag
2
O, PbO, Fe
2
O
3
, dan SnO. Ditinjau dari jenis pembawa muatan yang menghantarkan listrik di dalamnya,
Universitas Sumatera Utara
bahan semikonduktor dapat dibedakan menjadi bahan semikonduktor intrinsik dan ekstrinsik. Bahan semikonduktor intrinsik merupakan bahan semikonduktor yang
tidak mengandung atom-atom takmurnian impuritas, sehingga hantaran listrik yang terjadi pada bahan tersebut adalah elektron dan lubang hole. Sedangkan
pada bahan semikonduktor ekstrinsik, karena mengandung atom-atom pengotor, pembawa muatan didominasi oleh elektron saja atau lubang saja.
Gambar 2.2. Struktur pita energi
II.3 KONDUKTIVITAS
Dalam cairan atau gas, umumnya terdapat baik ion positif atau ion negatif yang bermuatan tunggal atau kembar dengan massa yang sama atau berbeda.
Konduktivitas akan terpengaruh oleh semua faktor-faktor tersebut. Tapi kalau kita anggap semua ion adalah sama, demikian pula ion positif, maka konduktivitasnya
hanya terdiri dari dua suku, seperti yang ditunjukkan gambar 2.3a. Pada konduktor logam, hanya elektron valensi saja yang bebas bergerak. Pada gambar
2.3b elektron-elektron itu digambarkan bergerak ke kiri. Konduktivitas di sini
Universitas Sumatera Utara
hanya mengandung satu suku, yakni hasil kali rapat muatan elektron-elektron konduksi ρ
e
dengan mobilitas µ
e
.
Gambar 2.3. Konduktivitas a cairan atau gas, b logam, c semikonduktor Dalam semikonduktor, seperti germanium dan silikon, konduksi tadi lebih
kompleks. Dalam struktur kristal, setiap atom mempunyai ikatan kovalen dengan empat atom yang berdekatan. Seperti yang terlihat pada gambar 2.3c,
konduktivitas σ di sini terdiri dari dua suku, satu untuk elektron, lainnya untuk
lubang. D alam konduktivitas σ salah satu dari kerapatan ρ
e
atau ρ
h
akan jauh melampaui yang lainnya.
II.3.1 Konduktivitas Elektrik
Pengukuran konduktivitas elektrik adalah penentuan konduktivitas spesifik dari larutan. Konduktivitas spesifik adalah kebalikan dari tahanan untuk 1 cm
3
larutan. Pemakaian cara untuk pengukuran ini antara lain untuk mendeteksi pengotoran air karena elektrolit atau zat kimia, seperti pada limbah industri, air
untuk mengisi ketel uap atau boiler, pengolahan air bersih dan lain-lain. Karena ada relevansi antara konsentrasi dan konduktivitas suatu larutan, maka untuk
menentukan konsentrasi suatu larutan dapat dilakukan dengan cara mengukur
Universitas Sumatera Utara
konduktivitas larutan tersebut. Dalam hal itu hubungan antara konsentrasi dan konduktivitas larutan telah ditentukan.
Larutan asam, basa dan garam dikenal sebagai elektrolit yang dapat menghantarkan arus listrik atau disebut konduktor listrik. Konduktivitas listrik
ditentukan oleh sifat elektrolit suatu larutan, konsentrasi dan suhu larutan. Pengukuran konduktivitas suatu larutan dapat dilakukan dengan pengukuran
konsentrasi larutan tersebut, yang dinyatakan dengan persen dari berat, part per million ppm atau satuan lainnya.
Jika harga konduktivitas dari bermacam konsentrasi larutan elektrolit diketahui, maka untuk menentukan konsentrasi larutan tersebut dapat dilakukan
dengan mengalirkan arus melalui larutan dan mengukur resistivitas atau konduktivitasnya. Gambar 2.4 menunjukkan grafik hubungan antara konduktivitas
dan konsentrasi untuk beberapa jenis larutan pada suhu tertentu.
Gambar 2.4. Grafik Hubungan Konduktivitas dengan Konsentrasi
Universitas Sumatera Utara
Elemen pertama pada pengukuran konduktivitas listrik berbentuk konduktivitas sel yang terdiri atas sepasang elektroda yang luas permukaannya
ditetapkan dengan teliti. Konduktivitas yang diukur dengan sel konduktivitas dinyatakan dengan rumus:
dimana; k = konduktivitas, mhocm
C = konduktansi, mho A = Luas elektroda, cm
l = Jarak antara elektroda, cm
3
Dari persamaan di atas suatu konduktansi dengan nilai 1 mho dapat dinyatakan sebagai kemampuan hantar dari zat cair yang berukuran luas
penampang 1 cm
2
dan jarak 1 cm atau volume zat cair sebesar 1 cm
3
untuk arus 1 ampere dengan tegangan 1 volt. Jika arus yang dapat dihantarkan lebih besar
lagi, maka konduktansinya lebih besar pula. Jika pada suatu resistor dialirkan arus yang membesar, maka tahanan atau resistansinya akan mengecil. Hal ini
berarti bahwa konduktivitas adalah kebalikan dari dari resistansi, mho = 1ohm.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.2. Konduktivitas berbagai material
Material Tipe
σ, Sm
Kuarsa Belerang
Mika Parafin
Karet Porcelain
Kaca Bakelit
Air Destilasi Tanah pasir
Tanah Rawa Air segar
Germanium Air Laut
Tellurium Karbon
Graphite Besi Tuang
Mercury Chrome
Constantan Silicon
Perak Timah hitam
Timah Fosfor
Kuningan Seng
Tungsten Duralumin
Alumunium Emas
Tembaga Perak
Nb
3
Isolator
Al-Ge Isolator
Isolator Isolator
Isolator Isolator
Isolator Isolator
Isolator Isolator lemah
Isolator lemah Isolator lemah
Semikonduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Konduktor Konduktor
Super Konduktor 10
10
-17
10
-15
10
-15
10
-15
10
-15
10
-10
10
-12
10
-9
10
-4
10
-3
10
-2
2
-2
5 5 x 10
3 x 10
2
10
4
10
5
10
6
10
6
2,26 x 10
6
2 x 10
6
3 x 10
6
5 x 10
6
9 x 10
6
1,0 x 10
6
1,1 x 10
7
1,7 x 10
7
1,8 x 10
7
3 x 10
7
3,5 x 10
7
4,1 x 10
7
5,7 x 10
7
6,1 x 10
7
∞
7
Dalam satuan Sistem Internasional SI, satuan mho diganti dengan Siemens. Untuk suatu konduktivitas, mhocm sama dengan mikro siemens per
centimeter µScm. Namun karena pada SI satuan panjang yang digunakan
Universitas Sumatera Utara
adalah dalam satuan meter maka satuan konduktivitas adalah mikro siemens per meter, µScm = 100 Sm.
Pada peralatan ukur konduktivitas di industri, luas permukaan elektroda dapat lebih ataupun kurang dari 1 cm dan jaraknya dapat lebih jauh ataupun lebih
dekat dari 1 cm. Hubungan satuan antara elektroda-elektroda dengan sel konduktivitas standar disebut dengan konstanta sel K. Hal itu dapat diturunkan
dengan persamaan :
Jarak l dan A besarnya tetap, sehingga lA merupakan tetapan yang disebut sebagai konstanta sel. Jika lA = F, maka C=KF. F adalah konstanta sel dengan
satuan 1cm atau cm
-1
Untuk konstanta sel tertentu memilliki daerah ukur konduktivitas, seperti yang tercantum pada tabel 2.3 di bawah ini.
. Konstanta sel berkisar antara 0,01 sampai 100 untuk sel konduktivitas.
Tabel 2.3. Konstanta sel dan rentang ukur konduktivitas
Konstanta Sel Rentang Ukur Konduktivitas
mikro mho 0,01
0,10 1.00
10.00 100.00
1-200 100-2000
1000-5000 5.000-200.000
100.000-2.000.000
Universitas Sumatera Utara
Karena temperatur merupakan besaran yang berpengaruh pada konduktivitas, maka diperlukan suatu kompensator suhu pada sel konduktivitas
tersebut. Konstruksi sel konduktivitas yang digunakan biasanya lebih bergantung pada kebutuhan masing-masing. Konfigurasinya juga dipengaruhi oleh daerah
ukur yang dikehendaki oleh konstanta sel. Pada gambar 2.5, sel tipe sisipan dipasang ke dalam pipa atau bagian
dalam tangki. Bagian yang sensitif terdiri atas dua buah elektroda platina yang terpasang dalam pipa pireks dengan bentuk H. Elektroda-elektroda ditempatkan
pada pipa gelas yang terpisah yang terdiri atas cincin-cincin platina yang tersusun dalam pipa, sehingga pengotoran dan kerusakan elektroda dapat dibatasi. Sel-sel
konduktivitas itu dapat dibersihkan dengan mudah. Elektroda platina dilapisi platina hitam untuk mencegah efek polarisasi.
Gambar 2.5. Sel konduktivitas dengan sensor platina
Polarisasi biasanya terjadi jika dialirkan arus listrik melalui suatu larutan. Bila polarisasi tidak dicegah maka akan mengganggu ketelitian dalam
pengukuran. Salah satu bentuk polarisasi adalah elektrolisa yang pada umumnya menghasilkan lapisan gas pada permukaan elektroda yang akan meningkatkan
Universitas Sumatera Utara
tahanan larutan. Oleh karena itulah tegangan DC tidak digunakan untuk menentukan konduktivitas. Dengan tegangan AC, polarisasi dapat ditiadakan.
Cara lain untuk menentukan konduktivitas adalah dengan sel yang bahan elektrodanya lebih banyak menggunakan graphite dari pada metal biasa. Macam-
macam graphite yang digunakan mempunyai sifat permukaan sama terhadap polarisasi, seperti elektroda logam. Elektroda-elektroda tersebut dapat dibersihkan
secara kimia dengan kain atau sikat. Ada dua cara untuk mengkalibrasi instrumen konduktivitas, yaitu kalibrasi
dari konduktivitas dan kalibrasi dari konsentrasi elektrolit. Pada umumnya konduktivitas larutan akan membesar jika suhu larutan itu naik. Dengan demikian
konduktivitas suatu instrumen yang dikalibrasi dalam mho menggunakan larutan dengan konsentrasi tertentu. Pembacaan pada instrumen akan berubah jika suhu
larutan itu berubah. Kompensasi temperatur pada instrumen konduktivitas dari larutan dapat
dibuat jika koefisien temperatur konduktivitas larutan telah diketahui. Kompensasi suhu ini tidak dapat digunakan untuk larutan yang lain. Pemasangan
kompensasi suhu hanya digunakan untuk larutan tertentu yang memerlukan. Seperti yang telah diuraikan terdahulu bahwa pengaruh suhu terhadap tiap-
tiap elektrolit berbeda-beda. Dengan demikian untuk mengukur konsentrasi atau konduktivitas ,suhu elektrolit diatur supaya tetap, misalnya 70ºF. Untuk membuat
kompensasi suhu dapat dilakukan secara manual ataupun otomatis. Kompensasi manual dilakukan dengan cara mengatur arus secara manual
yang dikalibrasikan pada temperatur dari larutan pada saat pengukuran. Kompensasi suhu otomatis terdiri atas detektor suhu dari tahanan atau RTD yang
Universitas Sumatera Utara
dimasukkan ke dalam sel pengukuran. Jika temperatur dalam sel berubah, tahanan dari RTD juga berubah. Tahanan ini dihubungkan dengan jembatan wheatstone,
sehingga suhu akan mengkompensasikan ke arah nol. Hal ini mengakibatkan apabila terjadi perubahan suhu maka pengukuran konduktivitas tidak akan
mengalami perubahan. Di samping instrumen ukur konduktivitas dengan menggunakan elektroda,
ada juga instrumen pengukur konduktivitas yang tidak menggunakan elektroda.
Gambar 2.6. Sensor Konduktivitas tanpa elektroda
Bagian dalam instrumen ini terdiri atas pipa yang pada kedua ujungnya terpasang lilitan kawat atau koil. Koil yang pertama dihubungkan dengan isolator
ultrasonic ± 10 KHz yang menghasilkan induksi arus AC pada larutan yang sedang mengalir melalui pipa. Arus yang timbul pada larutan yang mengalir
sebanding dengan konduktivitas larutan tersebut. Arus larutan itu membangkitkan arus pada koil yang kedua atau koil sekunder yang merupakan keluaran instrumen
ini. Keluaran ini dimasukkan ke dalam Rangkaian elektronik untuk diubah menjadi sinyal arus standar 4-20 mA atau sinyal tegangan 0-10 V. Pada
Universitas Sumatera Utara
instrumen ini dipasang alat kompensasi suhu. Karena konduktivitas menunjukkan banyaknya ion dalam larutan, maka instrumen ini dapat dikalibrasi dan dinyatakan
dalam persen konsentrasi elektrolit. Hal ini berguna sekali untuk mengetahui pencemaran air atau kesempurnaan reaksi kimia. Alat untuk mengukur
konduktivitas tanpa elektrode ini dipakai untuk konduktivitas tinggi yang berkisar antara 50-1000 mili mho.
II.3.2 Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal adalah sifat bahan yang menunjukkan jumlah panas yang mengalir melintasi satu satuan luas. Bahan yang mempunyai konduktivitas
termal yang tinggi dinamakan konduktor, sedangkan bahan yang konduktivitas termalnya rendah disebut isolator. Konduktivitas termal berubah seiring dengan
perubahan suhu, tetapi dalam banyak hal perubahan ini cukup kecil dan dapat diabaikan.
Nilai konduktivitas termal itu menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu. Makin cepat molekul bergerak, makin cepat pula ia
mengangkut energi. Jadi konduktivitas termal bergantung pada suhu.
Pada umumnya jika konduktivitas elektrik baik maka baik pula konduktivitas termalnya. Konduktivitas termal gas berbeda-beda. Untuk harga
konduktivitas sebesar 1,0 sebagai patokan, digunakan konduktivitas udara pada suhu 32
º
F. Konduktivitas termal berbagai macam gas diantaranya terlihat pada tabel 2.4 :
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4. Konduktivitas Termal
No Gas
Konduktivitas termal Relatif
1 2
3 4
5 6
CO CO
Helium
2
Hidrogen Nitrogen
Oksigen 0,585
0,958 6,08
7,35 1,015
1,007
Dari tabel 2.4 di atas, gas CO
2
dan CO adalah termasuk gas yang konduktivitas termalnya kecil sehingga dapat dikatakan sebagai penghantar panas yang buruk.
II.4. Perbedaan Larutan Berdasarkan Daya Hantar Listrik Konduktivitas
Berdasarkan daya hantar listriknya, larutan dibedakan menjadi 2 golongan yaitu larutan elektrolit dan larutan non elektrolit. Perbedaan antara kedua larutan
ini terlihat pada tabel 2.5 berikut ;
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.5 Perbandingan larutan elektrolit dan larutan non elektrolit
Larutan Elektrolit Larutan Non Elektrolit
1. Dapat menghantarkan listrik 1. Tidak dapat menghantarkan listrik
2. Terjadi proses ionisasi
terurai menjadi ion-ion 2. Tidak terjadi proses ionisasi
3. Lampu dapat menyala terang atau
redup dan ada gelembung gas 3.
Lampu tidak menyala dan tidak ada gelembung gas
Contoh: Garam dapur NaCl
Cuka dapur CH
3
COOH Air accu H
2
SO
4
Garam magnesium MgCl
2
Contoh: Larutan gula C
12
H
22
O
11
Larutan urea CO NH
2
2 Larutan alkohol C
2
H
5
OH etanol Larutan glukosa C
6
H
12
O
6
Contoh : larutan HCl. Larutan HCl di dalam air mengurai menjadi kation H
+
dan anion Cl
-
. Terjadinya hantaran listrik pada larutan HCl disebabkan ion H
+
menangkap elektron pada katoda dengan membebaskan gas Hidrogen. Sedangkan ion-ion Cl
-
melepaskan elektron pada anoda dengan menghasilkan gas klorin.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7 Hantaran listrik melalui Larutan HCl
II.5. Pengelompokkan Larutan Berdasarkan Jenisnya
Seperti yang telah diuraikan sebelumnya bahwa berdasarkan daya hantar listriknya, larutan dapat dibagi menjadi larutan elektrolit dan non elektrolit.
Sedangkan elektrolit dapat dikelompokkan menjadi larutan elektrolit kuat dan elektrolit lemah sesuai skema penggolongan berikut.
Tabel 2.6 Sifat larutan a elektrolit kuat, b elektrolit lemah, cnon elektrolit
Jenis Larutan
Sifat dan Pengamatan Lain
Contoh Senyawa
Reaksi Ionisasi
Elektrolit Kuat
- terionisasi sempurna - menghantarkan arus
listrik - lampu menyala terang
- terdapat gelembung gas NaCl, HCl,
NaOH, H
2
SO
4
, dan KCl
NaCl Na
+
+ Cl
-
NaOH Na
+
+ OH
-
H
2
SO
4
2H
+
+ SO
4 2-
KCl K
+
+ Cl
-
Universitas Sumatera Utara
Elektrolit Lemah
- terionisasi sebagian - menghantarkan arus
listrik - lampu menyala redup
- terdapat gelembung gas CH
3
COOH, N
4
CH OH,
HCN, dan AlOH3
3
COOH H
+
+ CH
3
COO
-
HCN H
+
+ CN
-
AlOH3 Al
3+
+ 3OH
-
Non Elektrolit
- tidak terionisasi - tidak menghantarkan
arus listrik - lampu tidak menyala
- tidak terdapat gelembung gas
C
6
H
12
O
6
, C
12
H
22
O
11
, CONH
2
2, dan C
2
H
5
C
OH
6
H
12
O
6
C
12
H
22
O
11
CONH
2
2 C
2
H
5
OH
II.6. Sifat Koligatif Larutan
Kategori