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+ + SO42Pada kutub positif terjadi reaksi
Cu + 2H+
polarisasi H2
Pada kutub negatif terjadi reaksi
Zn + SO4
ZnSO4 + 2e
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 (NH 4Cl)
d. Dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO 2)
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+ + SO42+
Pada anode: PbO2 + 2H + 2e + H2SO4
PbSO4 + 2H2O
Pada katode: Pb + SO42PbSO4
Saat aki digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO 4).
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.
Untuk menyetrum aki diperlukan sumber tegangan DC lain yang tegangannya lebih besar dari tegangan aki.
Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif aki, begitupun kutub negatifnya.
Reaksi kimia saat aki diisi adalah:
Pada elektrolit: H2SO4
2H+ + SO42 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 PbSO 4 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:
Etotal=E 1+ E 2+ …+ En =nE
r total =r 1+r 2+ …+r n=nr
nE
Sehingga: I =
R+ nr
Untuk beberapa elemen yang dipasang secara paralel, berlaku:
Etotal =E 1=E2=E n=E
1
1 1
1
= + +…+
r total r 1 r 2
rn
r
r total=
n
E
I=
r
Sehingga:
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:
nE
R+ nr
2 ×1,5
I=
14 +2.0,5
3
I = =0,2 A
15
I=
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
= 3 volt −2,8 volt=0,2 volt
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+ + SO42Pada kutub positif terjadi reaksi
Cu + 2H+
polarisasi H2
Pada kutub negatif terjadi reaksi
Zn + SO4
ZnSO4 + 2e
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 (NH 4Cl)
d. Dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO 2)
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+ + SO42+
Pada anode: PbO2 + 2H + 2e + H2SO4
PbSO4 + 2H2O
Pada katode: Pb + SO42PbSO4
Saat aki digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO 4).
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.
Untuk menyetrum aki diperlukan sumber tegangan DC lain yang tegangannya lebih besar dari tegangan aki.
Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif aki, begitupun kutub negatifnya.
Reaksi kimia saat aki diisi adalah:
Pada elektrolit: H2SO4
2H+ + SO42 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 PbSO 4 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:
Etotal=E 1+ E 2+ …+ En =nE
r total =r 1+r 2+ …+r n=nr
nE
Sehingga: I =
R+ nr
Untuk beberapa elemen yang dipasang secara paralel, berlaku:
Etotal =E 1=E2=E n=E
1
1 1
1
= + +…+
r total r 1 r 2
rn
r
r total=
n
E
I=
r
Sehingga:
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:
nE
R+ nr
2 ×1,5
I=
14 +2.0,5
3
I = =0,2 A
15
I=
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
= 3 volt −2,8 volt=0,2 volt